TWI452354B - 光學元件的製造方法 - Google Patents

Description

光學元件的製造方法

本發明是有關於一種光學元件的製造方法，且特別是有關於一種能夠提高製程良率之光學元件的製造方法。

隨著數位相機、掃描器等電子商品不斷的開發與成長，消費市場對影像感測元件之需求亦持續的增加。目前常用的影像感測元件包括了電荷耦合感測元件(charge coupled device,CCD)以及CMOS影像感測元件(CMOS image sensor,CIS)兩大類。其中，由於CMOS影像感測元件具有低操作電壓、低功率消耗與高操作效率、可根據需要進行隨機存取(random access)等因素，並且可以整合於目前的半導體技術來大量製造，因此受到極廣泛的應用。

圖1A至圖1B為習知的CMOS影像感測元件在製程步驟中的剖面示意圖。請參照圖1A，習知CMOS影像感測元件的製作方法係先依序在半導體基底100之元件區102上方依序形成介電層130、濾光陣列150、平坦層160以及微透鏡陣列170。而且，半導體基底100之元件區102內已形成有多個感光元件110，且基底之周邊區104內則已形成有線路圖案120以及與線路圖案120電性連接的接墊140。其中，介電層130係具有暴露出接墊140的開口132。

請參照圖1B，接著形成保護層180覆蓋於微透鏡陣列170上，以保護微透鏡陣列170免於遭受微粒子或其他污染源的傷害。由於保護層180會同時填入開口132內而覆蓋住接墊140，因此後續必須再進行蝕刻製程來移除保護層180位於接墊140上的部分，以使線路圖案120在後續製程中可透過接墊140與外部線路電性連接。

一般來說，保護層180大多由是氧化矽、氮化矽或氮氧化矽等無機材料所構成，且目前係利用含氟氣體來進行乾式蝕刻，以移除保護層180位於接墊140上的部分。但是，由於蝕刻製程後所殘留在接墊140上的含氟氣體會腐蝕接墊140，導致接墊140表面產生凹洞或不平整，進而影響後續接墊140與其他元件電性連接的可靠度，所以在移除保護層180之後，必須清除殘留在接墊140上的含氟氣體。

然而，目前可有效清除含氟氣體的化學溶劑卻會對含有光阻材質的濾光陣列150、平坦層160以及微透鏡陣列170造成剝離的現象(peeling)。因此，如何在不影響其他元件或膜層的情況下，有效地去除接墊140上的含氟氣體，實為現今CMOS影像感測元件製程中亟欲解決的問題之一。

此外，在習知單晶矽液晶(liquid crystal on Silicon,LCOS)顯示面板的製程中，同樣存在上述之問題。

有鑑於此，本發明的目的之一就是在提供一種光學元件的製造方法，其可避免光學元件之接墊在製程中受損，進而提高製程良率。

本發明提出一種光學元件的製造方法，首先提供具有元件區與周邊區的半導體基底，其中元件區內已形成有由多個半導體元件所構成的元件陣列，且周邊區內已形成有電性連接至元件陣列的至少一接墊。接著，在半導體基底上形成具有開口的介電層，而此開口係暴露出周邊區內的接墊。然後，在元件區上方的介電層上形成濾光陣列，再形成平坦層以覆蓋介電層與濾光陣列，並於介電層之開口內填入有機材料層以覆蓋接墊。接續，於平坦層上方形成一無機材料層而覆蓋在有機材料層上。之後，先移除部分的無機材料層以暴露出有機材料層，再移除此有機材料層，以暴露出接墊。

在本發明的一實施例中，於形成無機材料層之前，更包括在平坦層上形成微透鏡陣列，以對應濾光陣列，而無機材料層係覆蓋此微透鏡陣列。

在本發明的一實施例中，上述之有機材料層係於濾光陣列、平坦層及微透鏡陣列至少其中之一的製程中同時填入介電層之開口內。而且，有機材料層的材質例如是與濾光陣列、平坦層及微透鏡陣列至少其中之一的材質相同。

在本發明的一實施例中，形成上述微透鏡陣列的方法例如是先在平坦層上形成一圖案化聚合層，然後再對圖案化聚合層進行烘乾製程，以形成上述之微透鏡。

在本發明的一實施例中，上述之有機材料層係於形成微透鏡陣列之後填入介電層的開口內。

在本發明的一實施例中，上述之有機材料層係於形成微透鏡陣列之前填入介電層的開口內。而且，上述之有機材料層例如是在形成平坦層之後以及形成微透鏡陣列之前填入介電層的開口內。當然，上述之有機材料層也可以是在形成濾光陣列之後以及形成平坦層之前填入介電層的開口內。另外，上述之有機材料層更可以在形成濾光陣列之前填入介電層的開口內。

在本發明的一實施例中，上述之半導體元件為感光元件。

在本發明的一實施例中，上述之半導體元件為CMOS電晶體。

在本發明的一實施例中，上述之半導體基底之元件區內更形成有多個隔離結構，分別位於上述半導體元件之間。其中，形成這些隔離結構的方法可以是淺溝渠隔離製程。

在本發明的一實施例中，上述之濾光陣列包括多個紅色濾光圖案、多個綠色濾光圖案及多個藍色濾光圖案。

在本發明的一實施例中，上述之有機材料層係於這些紅色濾光圖案、綠色濾光圖案及藍色濾光圖案至少其中之一的製程中填於介電層的開口內。而且，有機材料層的材質與這些紅色濾光圖案、綠色濾光圖案及藍色濾光圖案至少其中之一的材質相同。

在本發明的一實施例中，移除上述部分之無機材料層的方法係先在無機材料層上形成圖案化光阻層，其中此圖案化光阻層係暴露出介電層之開口上方的部分該無機材料層。接著，以圖案化光阻層為遮罩，蝕刻開口上方的部分無機材料層。然後再移除圖案化光阻層。

在本發明的一實施例中，於蝕刻介電層開口上方之部分無機材料層時，係以含氟之氣體為蝕刻氣體。

在本發明的一實施例中，上述之圖案化光阻層係與有機材料層於同一製程中移除。

在本發明的一實施例中，移除上述之有機材料層的方法包括乾式蝕刻法。

本發明之光學元件的製程中，係於形成無機材料層之前，先形成有機材料層覆蓋於接墊上，因此可避免蝕刻無機材料層之製程中所使用的含氟氣體損壞接墊，進而改善後續進行打線封裝製程時，接墊與其他元件連接的可靠度。而且，有機材料層可在濾光陣列、平坦層及微透鏡陣列至少其中之一的製程中一併形成於接墊上，以節省製程成本。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

圖2A至圖2F為本發明之光學元件在製程步驟中的剖面示意圖。請參照圖2A，首先提供具有元件區202與周邊區204的半導體基底200，其中元件區202內已形成有由多個半導體元件212所構成的元件陣列210，且周邊區204內已形成有至少一接墊240，且其係位於線路圖案220上，而線路圖案220例如是與元件區202內的元件陣列210電性連接(圖未示)，且其材質例如是銅或其他導電性佳的金屬。

具體來說，將接墊240形成在線路圖案220上的方法例如是先在基板200上形成具有開口235的氧化層234a，其中開口235係暴露出線路圖案220。然後，將金屬材料(例如鋁)以沉積、微影、蝕刻製程形成填於開口235內同時覆蓋在氧化層234a上之接墊240。

在本實施例中，半導體元件212例如是感光元件，且其例如是利用CMOS製程製作而成的光二極體。換言之，利用本實施例揭露之製程製作而成的光學元件可以是CMOS影像感測元件(CMOS Image Sensor,CIS)。在其他實施例中，半導體元件212也可以是CMOS電晶體。也就是說，本發明所揭露之製程亦適用於製作單晶矽液晶(liquid crystal on silicon,LCOS)顯示面板之驅動陣列基板，但本發明並不以此為限。

另外，相鄰的半導體元件212之間例如是透過隔離結構214而電性絕緣於彼此，且形成隔離結構214的方法可以是淺溝渠隔離(shallow trench insulation,STI)製程，熟習此技藝者應該知道其詳細製程步驟，此處不再贅述。

請參照圖2B，在半導體基底200上形成具有開口232的介電層230，其中開口232係暴露出接墊240。進一步來說，介電層230可以是單層結構或是由多層材料所組成的複合層結構。在本實施例中，介電層230例如是由氧化層234b及氮化矽層236所組成的複合層結構，但本發明並不限定於此。

請參照圖2C，依序在介電層230上形成濾光陣列250與平坦層260，並且在開口內填入有機材料層270，以覆蓋接墊240。其中，平坦層260係覆蓋於介電層230與濾光陣列250上。濾光陣列250則係對應至元件陣列210，且其一般是由多個紅色濾光圖案R、多個綠色濾光圖案G及多個藍色濾光圖案B排列而成。

值得注意的是，濾光陣列250與平坦層260的材質均為有機材料，如光阻材料。因此，覆蓋在接墊240上的有機材料層270可以與濾光陣列250及平坦層260至少其中之一在同一製程中完成。也就是說，有機材料層270可以與濾光陣列250及平坦層260至少其中之一具有相同材質。以本實施例來說，有機材料層270例如是與濾光陣列250在同一製程中完成。詳細來說，本實施例可以在形成紅色濾光圖案R、綠色濾光圖案G及藍色濾光圖案B至少其中之一的同時，一併在開口232內形成有機材料層270。此時，有機材料層270的材質即是與紅色濾光圖案R、綠色濾光圖案G及藍色濾光圖案B至少其中之一的材質相同。

請參照圖2D，本實施例係在形成平坦層260之後，先在平坦層260上形成微透鏡陣列280，再形成無機材料層290覆蓋於微透鏡陣列280上，以保護微透鏡陣列280免於遭受污染。其中，無機材料層290的製程溫度需控制於不會對濾光陣列250、平坦層260及微透鏡陣列280造成不良影響的範圍內。以本實施例來說，無機材料層290的製程溫度例如是控制於攝氏200度以下。

微透鏡陣列280係對應於濾光陣列250，且其形成方法例如是先在平坦層260上形成圖案化聚合層282(如圖3所示)，然後再對圖案化聚合層282進行烘乾製程，而形成微透鏡陣列280。

特別的是，微透鏡陣列280的材質也可以是有機材料，因此在其他實施例中，亦可以在微透鏡陣列280的製程中，一併形成覆蓋在接墊240上的有機材料層270。由此可知，有機材料層270可以是與濾光陣列250、平坦層260或微透鏡陣列280之材質相同的單層結構，也可以是由膜層250a、膜層260a及膜層280a任兩者以上所組成的複合層結構(如圖4所示)，本發明並不在此做任何限定。其中，膜層250a係與濾光陣列250同時形成，膜層260a係與平坦層260同時形成，膜層280a則是與微透鏡陣列280同時形成。

除此之外，有機材料層270也可以是在形成無機材料層290之前，另外以獨立製程形成於接墊240上。舉例來說，形成有機材料層270的時間點可以在形成濾光陣列250之前、形成濾光陣列250之後及形成平坦層260之前、形成平坦層260之後及形成微透鏡陣列280之前或是形成微透鏡陣列280之後。熟習此技藝者可自行依據實際狀況來決定形成有機材料層270的時間點。

請參照圖2E至圖2F，移除無機材料層290位於有機材料層270上的部分。在本實施例中，其例如是先在無機材料層290上形成具有開口294的圖案化光阻層292，其中開口294係暴露出無機材料層290位於接墊240上的部分。接著，以乾式蝕刻的方式移除無機材料層290，其中在乾式蝕刻中所使用的蝕刻氣體F為含氟之氣體。然後再移除圖案化光阻層292。

值得一提的是，由於有機材料層270的材質可以是光阻材料，因此本實施例可在移除圖案化光阻層292的同時，一併移除有機材料層270，以暴露出接墊240，此即大致完成光學元件300的製程。其中，圖案化光阻層292與有機材料層270例如是以乾式蝕刻的方式移除，但本發明並不將其限定於此。

由於本發明係在形成無機材料層290之前，先形成有機材料層270覆蓋於接墊240上，因此可避免蝕刻無機材料層290之製程中所使用的含氟氣體損壞接墊240。

綜上所述，在本發明之光學元件的製程中，係在形成無機材料層之前，先形成有機材料層覆蓋於接墊上，因此可避免蝕刻無機材料層之製程中所使用的含氟氣體損壞接墊，進而改善後續進行打線封裝製程時，接墊與其他元件連接的可靠度。

而且，如欲節省製程成本，還可以在濾光陣列、平坦層及微透鏡陣列的製程中一併將有機材料層形成於接墊上，無須再進行額外的製程來形成有機材料層。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100、200．．．半導體基底

102、202．．．元件區

104、204．．．周邊區

110．．．感光元件

120、220．．．線路圖案

130、230．．．介電層

132、232、294．．．開口

140、240．．．接墊

150、250．．．濾光陣列

160、260．．．平坦層

170、280．．．微透鏡陣列

180．．．保護層

210．．．元件陣列

212．．．半導體元件

214．．．隔離結構

234a、234b．．．氧化層

236．．．氮化矽層

270．．．有機材料層

282．．．圖案化聚合層

290．．．無機材料層

292．．．圖案化光阻層

300．．．光學元件

B．．．藍色濾光圖案

G．．．綠色濾光圖案

F．．．蝕刻氣體

R．．．紅色濾光圖案

圖1A至圖1B為習知的CMOS影像感測元件在製程步驟中的剖面示意圖。

圖2A至圖2F為本發明之光學元件在製程步驟中的剖面示意圖。

圖3為本發明之光學元件在製程步驟之一中的剖面示意圖。

圖4為本發明之光學元件在製程步驟之一中的剖面示意圖。

200．．．半導體基底

202．．．元件區

204．．．周邊區

210．．．元件陣列

212．．．半導體元件

214．．．隔離結構

220．．．線路圖案

230．．．介電層

240．．．接墊

250．．．濾光陣列

260．．．平坦層

270．．．有機材料層

280．．．微透鏡陣列

290．．．無機材料層

292．．．圖案化光阻層

294．．．開口

B．．．藍色濾光圖案

G．．．綠色濾光圖案

F．．．蝕刻氣體

R．．．紅色濾光圖案

Claims (20)

1. 一種光學元件的製造方法，包括：提供一半導體基底，其中該半導體基底具有一元件區與一周邊區，該元件區內已形成有由多個半導體元件所構成的一元件陣列，且該周邊區內已形成有至少一接墊，電性連接於該元件陣列；於該半導體基底上形成一介電層，其中該介電層具有一開口，且該開口係暴露出該接墊；於該介電層上形成一濾光陣列，以對應該元件陣列；形成一平坦層以覆蓋該介電層與該濾光陣列；於該開口內填入一有機材料層，以覆蓋該接墊；於該平坦層上方形成一無機材料層而覆蓋該有機材料層；移除部分之該無機材料層，以暴露出該有機材料層；以及移除該有機材料層，以暴露出該接墊。
2. 如申請專利範圍第1項所述之光學元件的製造方法，其中在形成該無機材料層之前，更包括於該平坦層上形成一微透鏡陣列，以對應該濾光陣列，而該無機材料層係覆蓋該微透鏡陣列。
3. 如申請專利範圍第2項所述之光學元件的製造方法，其中該有機材料層係於該濾光陣列、該平坦層及該微透鏡陣列至少其中之一的製程中填於該開口內，且該有機材料層的材質與該濾光陣列、該平坦層及該微透鏡陣列至少其中之一的材質相同。
4. 如申請專利範圍第2項所述之光學元件的製造方法，其中形成該微透鏡陣列的方法包括：於該平坦層上形成一圖案化聚合層；以及對該圖案化聚合層進行烘乾製程，以形成該微透鏡陣列。
5. 如申請專利範圍第2項所述之光學元件的製造方法，其中該有機材料層係於形成該微透鏡陣列之後填入該開口內。
6. 如申請專利範圍第2項所述之光學元件的製造方法，其中該有機材料層係於形成該微透鏡陣列之前填入該開口內。
7. 如申請專利範圍第6項所述之光學元件的製造方法，其中該有機材料層係於形成該平坦層之後填入該開口內。
8. 如申請專利範圍第1項所述之光學元件的製造方法，其中該有機材料層係於形成該平坦層之前填入該開口內。
9. 如申請專利範圍第7項所述之光學元件的製造方法，其中該有機材料層係於形成該濾光陣列之前填入該開口內。
10. 如申請專利範圍第7項所述之光學元件的製造方法，其中該有機材料層係於形成該濾光陣列之後填入該開口內。
11. 如申請專利範圍第1項所述之光學元件的製造方法，其中該些半導體元件為感光元件。
12. 如申請專利範圍第1項所述之光學元件的製造方法，其中該些半導體元件為CMOS電晶體。
13. 如申請專利範圍第1項所述之光學元件的製造方法，其中該半導體基底之該元件區內更形成有多個隔離結構，分別位於該些半導體元件之間。
14. 如申請專利範圍第13項所述之光學元件的製造方法，其中形成該些隔離結構的方法包括淺溝渠隔離製程。
15. 如申請專利範圍第1項所述之光學元件的製造方法，其中該濾光陣列包括多個紅色濾光圖案、多個綠色濾光圖案及多個藍色濾光圖案。
16. 如申請專利範圍第15項所述之光學元件的製造方法，其中該有機材料層係於該些紅色濾光圖案、該些綠色濾光圖案及該些藍色濾光圖案至少其中之一的製程中填於該開口內，且該有機材料層的材質與該些紅色濾光圖案、該些綠色濾光圖案及該些藍色濾光圖案至少其中之一的材質相同。
17. 如申請專利範圍第1項所述之光學元件的製造方法，其中移除部分之該無機材料層的方法包括：於該無機材料層上形成一圖案化光阻層，其中該圖案化光阻層係暴露出該開口上方的部分該無機材料層；以該圖案化光阻層為遮罩，蝕刻該開口上方的部分該無機材料層；以及移除該圖案化光阻層。
18. 如申請專利範圍第17項所述之光學元件的製造方法，其中在蝕刻該開口上方的部分該無機材料層時，係以含氟之氣體為蝕刻氣體。
19. 如申請專利範圍第17項所述之光學元件的製造方法，其中該圖案化光阻層係與該有機材料層於同一製程中移除。
20. 如申請專利範圍第1項所述之光學元件的製造方法，其中移除該有機材料層的方法包括乾式蝕刻法。