TW513809B - Method of fabricating an image sensor - Google Patents

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Ching-Chung Chen
Tung-Hu Lin
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Description

、 本發明提供一種影像感測器(image sensor )的製作方 ΐ ’ & # —種互補式金氧半導體(CM0S)電晶體之影像感測 器的製作方法。 背景說明 載子偶合裝置(charge-coupled devices, CCDs)是習 知常用來將光轉換為電子訊號的光學電路元件,其應用範 圍很廣’包括有顯示器、錄音設備(transcripti〇ri machine)以及照相機等等,雖然CCD的功能廣泛,但是仍 X限其較同之彳貝位以及體積大小的問題。因此目前發展出 一種CMOS感光二極體(photodiode )以克服CCD的缺點並降 低元件成本及尺寸。由於CMOS感光二極體是以傳統的半導 體製程製作,因此可以大幅減少所需成本及元件尺寸,而 其應用範圍包括個人電腦相機以及數位相機等等。 不論是由CCD或CMOS感光二極體所構成之影像感測裝 置,進入影像感測裝置的入射光線都必須要被分隔成各種 不同波長光線的組合’例如:紅光、綠光及藍光,然後分 別由相對應的感測元件予以接收並轉換為電子訊號,因2 而還原得知入射光線的顏色,所以在各光學感測元件上方 必須形成一彩色濾光陣列。現今彩色濾光陣列的製作是利
513809 五、發明說明(2) ^^__ 用具有光敏感性(photosensitive)的樹月匕 光暨蝕刻製程(PEP)得到所需之濾光陲3 9 (res in),以黃 ,, '圖衆 44s, 染料予以染色,或是直接利用含有染料 /、曼’再利用 列材質。 光F且作為濾光陣 請參照圖一至圖三,圖一至圖三為習知、 底1 0上形成一 CMOS影像感測器38之方法二:於—半導體基 示,半導體基底10包含有一 P型井12,以及"—圖、。如圖一所 (sensor array)區域I設於P型井12上。其中感’則為陣列 區域I包含有複數個感光二極體(Ph〇t〇diQd感測_器陣列 P型井1 2上,以及複數個淺溝隔離! 4設 =’ )設, °又% P型井1 2中且環 繞於該感光二極體周圍,該感光二極體包含有一 CM〇s電晶 體(未顯示)設於P型井1 2的表面’以及一光感測區丨6形成 ^ P型井12表層並與該CMOS電晶體電連接;而淺溝隔離14 疋用來作為介電隔絕物質的絕緣層,以避免光感測區丨6與 其他元件相接觸而發生短路。 首先於半導體基底10上塗佈一平坦化層(planarizing 1 a y e r ) 1 8以覆蓋光感測區1 6,接著於平坦化層丨8上形成複 數個圖案金屬層2 〇相對應於感測器陣列區域I中之淺溝隔 離1 4的上方,用來阻擋一入射光線3 9的散射,以及一圖案 化金屬層2 2相對應於感測器陣列區域I以外之淺溝隔離1 4 的上方’用來當作一接合墊金屬層。接著於半導體基底1〇 上塗佈一平坦化層2 4,再於感測器陣列區域I以外的平坦
513809 五、發明說明(3) 化層2 4上形成一圖案化光阻層(未顯示),用以定義一接合 墊開口 2 6之圖案,並進行一蝕刻製程以形成一接合塾開口 26,通達接合墊金屬層22。 接著如圖二所示,於半導體基底1 〇之感測器陣列區域 I上形成一紅色滤光層(未顯示),並進行一曝光與顯影製 程’以形成一紅色濾光陣列(c 〇 1 〇 r f i 11 e r a r r a y, C F A ) 2 8相對應於該感光二極體上方。其中,該紅色遽光層 是由正光阻所構成,且該正光阻含有重量比例(d r y weight)約10%至50%的紅色染料。此外,為了加強濾光陣 列的濾光效果及可靠度,在形成紅色濾光陣列2 8之後,可 以一波長約為3 2 0奈米(n m),能量約為2 0 J / c m奴下的紫 外光進行照射後’再以一惰性氣體,如氮氣進行一加熱製 程’避免光阻材料被氧化。其中加熱的起始溫度範圍是6 0 至140C ’之後以1.5C /se c的速率提兩溫度,最終溫度範 圍約1 6 0至2 2 0°C。之後重複上述步驟,於相對應之該感光 二極體上方依序形成一綠色濾光陣列3 0與一藍色濾光陣列 3 2,使得紅色濾光陣列2 8、綠色濾光陣列3 〇與藍色濾光陣 列32構成一 R/G/B彩色濾光陣列。
如圖三所示,於彩色濾光陣列2 8、3 0與3 2上形成一間 隔層(spacer layer)34,再於間隔層34上形成一由壓克 力材料(a c r y 1 a t e m a t e r i a 1 )構成之聚合物層(未顯示), 並進行一曝光、顯影以及回火製程,以於相對應之r / G / B
第8頁 513809 五、發明說明(4) 彩色濾光陣列上方之該聚合物層中形成複數個聚光鏡 (U-lens) 36,完成CMOS影像感測器38的製作。 當一入射光線39進入CMOS影像感測器38並由高曲率 (curvature)與高數值孔徑(numerical aperture)的聚光 鏡3 6聚焦後,接著通過間隔層34、CF A與平坦化層24至相 對應的光感測區1 6,以於光感測區1 6上形成一聚焦平面 (f 〇 c a 1 p 1 a n e )。其中C F A只傳遞一特定波長之光線,再經 由光感測區16中的感光二極體與CMOS電晶體將入射光線39 轉換為一電子訊號,再將電子訊號還原得知入射光線3 9的 顏色。 由於CMOS影像感測器之聚光鏡、間隔層以及CFA均為 光阻材料,其燃點很低,約小於3 0 0°C,因此無法在聚光 鏡上形成一保護層以避免微粒或其他污染源的傷害,且習 知CMOS影像感測器具有下列幾項缺點:(1 )由於CFA與聚光 鏡皆為光阻材料,因此接合墊製程必須在CFA製程之前進 行,然而後續形成CF A時,有可能會造成接合塾金屬層的 腐蝕,(3)由於接合墊形成於CFA之前,因此切割道 (scribe line)的較大開口有可能造成CF A產生賤影(color wave)影像,(4)由於聚光鏡上並沒有保護層,因此落在聚 光鏡上的微粒並不能以噴嘴(j e t)清除,因此當聚光鏡受 污染時必需先除去整個聚光鏡與彩色濾光陣列,再重新製 作,(5 )習知技術係利用高曲率的聚光鏡,以調整入射光
513809 五、發明說明(5) 線經由聚光鏡聚焦後所產生的聚焦平面,對於線寬日漸縮 小的半導體製程而言,困難度提高,以及(6)由於聚光鏡 之間有一空隙存在,因此容易造成散射光線直接穿透間 隙,甚至照射至相鄰之光感測區,因而發生跨越干擾 (cross-talk )現象,使C Μ 0 S電晶體感測器接收到的雜訊增 加,降低感測度。。 發明概述 因此,本發明之主要目的在於提供一種具有一保護層 之影像感測器的製作方法。 本發明之另一目的在於提供一種可調整入射光線所產 生之聚焦平面之影像感測器。 為達到上述目的,在本發明之較佳實施例中,該影像 感測器係製作於一半導體基底上,其中該半導體基底包含 有一感測器陣列區域。首先於該半導體基底上形成一平坦 化層 (planarizing layer),接著於該平坦化層上形成一 R/G/ B彩色濾光陣列(color filter array, CFA),其中 該彩色濾光陣列係設置於相對應之該感測器陣列區域上 方。然後於該彩色濾光陣列上形成一間隔層,於該間隔層 上形成複數個聚光鏡 (U - 1 e n s )’其中該聚光鏡係設置於 相對應之該彩色濾光陣列上方,且相鄰兩聚光鏡之間有一
第10頁 513809 五、發明說明(6) 空間,塗佈一緩衝層 (b u f f e r 1 a y e r ),填入相鄰兩聚光 鏡之間的空間,以及於該緩衝層以及該聚光鏡上方沉積一 低溫保護層。 本發明於聚光鏡上依序形成一緩衝層以及一低溫保護 層,由於緩衝層具有一預定折射率,因此可以調整其折射 率,以改變入射光線的行進方向,同時避免入射光線之跨 越干擾(cross talk),並提高光電量子效率(quantum efficiency),而低溫保護層之形成溫度低於3 0 0°C,因此 並不會對聚光鏡以及彩色濾光陣列造成影響,不但可以避 免微粒子的污染,更可以增加產品可靠度。 發明之詳細說明 本發明以一 CMOS影像感測器為例來說明本發明之技術 特徵,但並不僅限於此,本發明方法亦可以應用於一電荷 引入影像感測器(charge-i n j ec t i on i mager s )或一 CCD景多 像感測器中。 請參照圖四至圖七,圖四至圖七為本發明於一半導體 基底40上製作一 CMOS影像感測器74的方法示意圖。如圖四 所示,半導體基底40包含有一 P型井4 2,以及一感測器陣 列區域II設於P型井4 2上。其中,感測器陣列區域I I包含 有複數個感光二極體(未顯示)設於P型井4 2上,以及複數
513809 個淺溝隔離4 4設於相额; #兩感光二極體之間的半導體基底40 中且環繞於該感光二榀w _ 體周圍。該感光二極體包含有一 CM〇S電晶體(未f示)設於P型井42的表面,以及一光感測 區46形成於P型42表層並與該M0S電晶體電連接。首先於 半導體基底4〇上形成一由多矽矽氧層(silicon-rich oxide’ SR0)X 及方疋塗式玻璃(Spin-on giass,s〇G)所 構成之平坦化層4 8,以覆蓋該感光二極體。 然後如圖五所不’於平坦化層4 8上形成複數個圖案化 金屬層5 0與5 2 ’其中圖案化金屬層5 〇設置於感測器陣列區 域I I上相對應之淺溝隔離4 4之上方,用來阻擋一入射光線 的散射’而圖案化金屬層5 2設置於感測器陣列區域丨丨以外 相對應之淺溝隔離4 4之上方,用來當作一接合墊金屬層。 接著於平坦化層4 8以及圖案化金屬層5 〇與5 2上形成一由氮 氧化石夕(S i 0 N )所構成之保護層(未顯示),再於該保護層上 形成一平坦化層5 4。 如圖六所示,應用習知CFA技術,依序於平坦化層54 上形成一紅色/綠色/藍色濾光陣列(R/G/B CFA)56、58與 60。其中,R/G/B濾光陣列56、58與60設置於相對應之該 感光二極體上方。然後於1^/〇/8〔?八56、5 8與6 0上形成一 間隔層6 2,再於間隔層6 2上形成複數個聚光鏡6 4,其中聚 光鏡64設置於相對應之1?/6/60?456、58與60上方,且相 鄰兩聚光鏡6 4之間有一空間6 6。
第12頁 513809 五、發明說明(8) 接著如圖七所示,於半導體基底4 0上塗佈一緩衝層 (buffer layer) 68,以填入相鄰兩聚光鏡64之間的空間 6 6,再進行一電漿增強化學氣相沉積製程 (plasma-enhanced chemical vapor deposition, PECVD),以於緩衝層68以及聚光鏡64上方沉積一低溫保護 層7 0。最後於感測器陣列區域I I以外的低溫保護層7 0上形 成一圖案化光阻層(未顯示),用以定義一連接墊開口 7 2之 圖案,然後進行一蝕刻製程,以形成一通達圖案化金屬層 5 2之連接墊開口 72,完成本發明之CMOS影像感測器74的製 作。其中’緩衝層6 8由一低溫,可流動性的旋塗式材料所 構成,如FOX-S0G,且緩衝層68具有一預定折射率 (reflection index,RI),可用來調整通過聚光鏡6 4之一 入射光線7 6所形成之聚焦平面;而該電漿增強化學氣相沉 積製程之製程溫度小於3 0 〇°C,所形成之低溫保護層7 0為 一四乙氧基矽烷(TE0S)化學氣相沉積層,其厚度約為 1 0 0 0埃。 當厂入射光線76進入CM0S影像感測器74時,入射光線 76會先通過低溫保護層7〇以及緩衝層68,由於缓衝層“具 有預疋折射率,因此依據折射原理入射光線7 6通過兩不同 介質時,會改變入射光線76的行進方向(niSi_ i=n2Sin0 2,其中η與η為介質折射率,例如空氣為丨,0為入射 角Θ為折射角)’接著入射光線7 6會經由聚光鏡6 4聚
第13頁 513809 五、發明說明(9) 隹、,旅通過R / G / B彩色濾光鱼 " 九陣列後於相對岸的光威應區4 6 訊號,之後 中形成聚焦平面,將入射井娩: 了應的尤以應 ] 尤線7 6轉換Α —雷旱 再還原以得知入射光線76之顏色。、 子 簡言之,本發明製作旦彡你 卜〜像感測器的方法,是於習知影
像感測器上依序形成-緩衝層以及一低溫保護層,由於缓 衝層具有-預定折射率,因此可以調整折射率,改變入射 光線的行進方向,同時避免光線之跨越干擾(cr〇ss talk),並提南光電量子效率(quantum而 低溫保濩層之形成溫度低於3 〇 〇°c,因此並不會對先形成 的系光鏡以及CFA造成損傷,不但可以避免微粒子污染, 更可以增加產品可靠度。 相較於習知技術,本發明製作之影像感測器具有下列 優點:(1)聚光鏡上具有緩衝層與低溫保護層以避免微粒 子污染’ (2)由於接合塾可以形成於聚合鏡之後,因此進
行CF A製程時並不會造成接合墊金屬層的腐蝕,(3 )切割道 製程可形成於聚合鏡之後,因此不會產生CFA的濺影濺 影,(4 )若聚光鏡上有微粒子或其他污染源,可直接使用 喷嘴清除,不需要重新製作聚光鏡與CFA,(5)聚光鏡上的 緩衝層可以避免溫度過高而使得聚光鏡剝落,(6 )由於緩 衝層具有一預定折射率’因此可調整其折射率以改變入射 光線行走之光學路徑與所形成之聚焦平面,適合積集度高 的半導體製程,以及(7)填入兩相鄰聚光鏡間之間的緩衝
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第15頁 513809 圖式簡早說明 圖示之簡單說明 圖一至圖三為習知製作影像感測器的方法示意圖。 圖四至圖七為本發明製作影像感測器的方法示意圖。 圖示之符號說明 10^ 40 半導體基底 12^ 42 P型井 14、 44 淺溝隔離 16〜 46 光感測區 18、 2[ 48^ 54 平坦化層 20 ^ 22^ 50^ 52 圖案化金屬層 26^ 72 接合墊開口 28〜 56 紅色濾光片 30 > 58 綠色濾光片 32^ 60 藍色濾光片 34、 62 間隔層 36〜 64 聚光鏡 38、 74 CMOS影像感測器 39> 72 入射光線 66 空間 68 緩衝層 70 低溫保護層
第16頁

Claims (1)

  1. 513809 六、申請專利範圍 1. 一種於一半導體基底上製作一影像感測器 (image s e n s 〇 r )的方法,其中該半導體基底包含有一感測器陣列 (sensor array)區域,該方法包含有下列步驟: 於該半導體基底上形成一平坦化層(planarizing layer); 於該平坦化層上形成一 R / G / B彩色濾光陣列 (color f i 11 e r a r r a y, C F A ),其中該彩色濾光陣列係設置於相 對應之該感測器陣列區域上方; 於該間隔層上形成複數個聚光鏡 (U - 1 e n s ),其中該 聚光鏡係設置於相對應之該彩色濾光陣列上方,且相鄰兩 聚光鏡之間有一空間; 塗佈一緩衝層 (buffer layer),填入相鄰兩聚光鏡 之間的空間;以及 於該緩衝層以及該聚光鏡上方沉積一保護層。 2. 如申請專利範圍第1項之方法,其中該影像感測器係 為一互補式金氧半導體 (CMOS)電晶體影像感測器。 3. 如申請專利範圍第1項之方法,其中該感測器陣列區 域包含有複數個感光二極體 (photodiode) 形成於該感 測器陣列區域中,以及複數個絕緣體 (i n s u 1 a t 〇 r )設置 於該複數個感光二極體之間的該半導體基底中。 4. 如申請專利範圍第1項之方法,其中該緩衝層係由一
    第17頁 513809 六、申請專利範圍 旋塗式 (spin-on coating, S0G)材料所構成。 5. 如申請專利範圍第1項之方法,其中該緩衝層具有一 預定折射率 (reflection index,RI),可用來調整通過 該聚光鏡之一入射光線所形成之聚焦平面。 6. 如申請專利範圍第1項之方法,其中該保護層係利用 一電漿增強化學氣相沉積 (plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD)製程所形成。 7. 如申請專利範圍第6項之方法,其中該電漿增強化學 氣相沉積之製程溫度係小於3 0 0°C。 8. 如申請專利範圍第1項之方法,其中該保護層係為一 四乙氧基矽烷 (TE0S)化學氣相沉積 (CVD)層。 9. 如申請專利範圍第8項之方法,其中該保護層其厚度 約為1 0 0 0埃。 1 0.如申請專利範圍第1項之方法,其中於沉積該保護層 之後另包含於該感測器陣列區域以外形成一接合墊 (bonding pad)開 〇 ° 11. 一種製作一互補式金氧半導體 (CMOS)電晶體之影像
    第18頁 513809
    第19頁 513809 六、申請專利範圍 1 2.如申請專利範圍第1 1項之方法,其中該緩衝層係由一 旋塗式 (spin-on coating, S0G)材料所構成。 1 3.如申請專利範圍第1 1項之方法,其中該保護層係利用 一電漿增強化學氣相沉積 (plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD)製程所形成。 1 4 .如申請專利範圍第1 3項之方法,其中該電漿增強化學 氣相沉積之製程溫度係小於3 0 0°C。 1 5.如申請專利範圍第1 1項之方法,其中該保護層係為一 四乙氧基矽烷 (TE0S)化學氣相沉積 (CVD)層。 1 6.如申請專利範圍第1 1項之方法,其中該保護層其厚度 約為1 0 0 0埃。 1 7.如申請專利範圍第1 1項之方法,其中形成該接合墊的 方法包含有下列步驟: 於該光電轉換區域以外的該保護層上形成一圖案化光阻 層,用以定義該連接墊之圖案; 進行一蝕刻製程,用以形成一開口以通達至該圖案化金屬 層。
    第20頁
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