TWI473257B - 影像感測元件的製造方法及其重工方法 - Google Patents

Description

影像感測元件的製造方法及其重工方法

本發明是有關於一種半導體元件的製造方法，且特別是有關於一種影像感測元件的製造方法及其重工方法。

在現行技術中，用來將光轉換為電子訊號的光學電路元件包括互補式金氧半導體電晶體影像感測器(CMOS image sensor，CIS)和電荷偶合裝置(charge coupled devices，CCDs)。

由於CIS能在較低的工作電壓下進行操作，並消耗較少的功率，且能以傳統的互補式金氧半導體邏輯製程製作，以大幅減少所需成本及元件尺寸。因此，CIS已逐漸取代CCDs，並應用於數位電子產品中。

圖1繪示為習知的互補式金氧半導體電晶體影像感測器的剖面示意圖。

請參考圖1，互補式金氧半導體電晶體影像感測器包括像素陣列區101與接合墊區103，以分別製作在半導體基底100上。半導體基底100中設置有多個淺溝渠隔離結構102，且多個感光二極體(photodiode)設置於半導體基底100之光感測區104中，而這些淺溝渠隔離結構102環繞於光感測區104的周圍。上述之光感測區104與設置於半導體基底100的表面的CMOS電晶體(未顯示)電性連接，而淺溝渠隔離結構102則是用來避免光感測區104與其他元件相接觸而發生短路。

另外，在半導體基底100上設置有多層金屬內連線與層間介電層106，覆蓋光感測區104與淺溝渠隔離結構102。在多層金屬內連線與層間介電層106上設置有多個圖案化金屬層108以及圖案化金屬層110。其中，圖案化金屬層110作為接合墊。半導體基底100上方還設置有另一平坦化層112，以覆蓋住圖案化金屬層108、110，而平坦化層112中具有開口114，其暴露出圖案化金屬層110。

彩色濾光陣列(color filter array，CFA)116是由紅色、綠色、藍色(R/G/B)濾光圖案所構成，其設置在相對應於像素陣列區101之感光區104上方。另外，在彩色濾光陣列116上設置有平坦化層118，且於平坦化層118上設置有多個微透鏡(microlens)120。

在目前的製程中，完成互補式金氧半導體電晶體影像感測器的製作後，還會在微透鏡(microlens)120上，形成一層氧化層以作為覆蓋層130，以保護元件表面。

然而，在影像感測器的製程結束(Fab-out)前或進行元件的性能測試(Cp/FT測試)時，若發現彩色濾光陣列或微透鏡的製作出現瑕疵，則又會因設置於最上層之覆蓋層130不易完全被移除或過蝕刻(over etching)，而無法重新製作(re-work)彩色濾光陣列、微透鏡等膜層，造成整個晶圓報廢、良率降低及成本增加等問題。

因此，需要一種新穎的互補式金氧半導體電晶體影像感測器之製法，以解決上述的問題。

本發明的目的就是在提供一種影像感測元件的製造方法，能夠使製程較為簡化，且可使所製作之元件能夠重新製作。

本發明的另一目的是提供一種影像感測元件的重工方法，能夠提高良率以及降低製程成本。

本發明提出一種影像感測元件的製造方法，其方法包括以下步驟。首先，提供一個基底，此基底具有像素陣列區以及接合墊區。而且，基底中形成有光感測單元陣列及用以隔離各光感測單元之多個隔離結構。接著，在基底上依序由下往上形成圖案化金屬層以及第一平坦化層。其中，第一平坦化層中具有開口，以暴露出接合墊區的圖案化金屬層。然後，在像素陣列區之第一平坦化層上形成彩色濾光陣列。隨後，在第一平坦化層上形成第二平坦化層。第二平坦化層覆蓋彩色濾光陣列，且填入第一平坦化層之開口中。之後，在相對應彩色濾光陣列之第二平坦化層上形成多個微透鏡。接著，在微透鏡與第二平坦化層上順應性形成覆蓋層。然後，進行蝕刻步驟，移除開口中的覆蓋層及第二平坦化層，以暴露出接合墊區的圖案化金屬層。

在本發明的較佳實施例中，在形成第二平坦化層之後，還可對第二平坦化層進行曝光步驟。

在本發明的較佳實施例中，在形成彩色濾光陣列之前，可進一步在基底上方順應性形成底襯層，以覆蓋第一平坦化層以及接合墊區之圖案化金屬層。承上述，前述之蝕刻步驟則需包括移除開口中之底襯層。上述之底襯層的材質例如是光阻材料，其形成方法例如是塗佈法。

在本發明的較佳實施例中，上述之覆蓋層例如是氧化層。

在本發明的較佳實施例中，上述之第二平坦化層的材質例如是光阻材料。

在本發明的較佳實施例中，上述之第一平坦化層例如是一或多層介電材料層。

本發明提出一種影像感測元件的重工方法，其適於重工上述之方法所製作的影像感測元件。此重工方法，首先為進行一第一蝕刻製程，以移除覆蓋層。然後，進行第二蝕刻製程，依序移除第一平坦化層上方之各層。接著，進行清洗步驟，以移除第一平坦化層表面之殘留物。

在本發明的較佳實施例中，上述之該第一蝕刻製程為氧化物蝕刻製程。

在本發明的較佳實施例中，上述之該第二蝕刻製程為電漿製程。

在本發明的較佳實施例中，上述之清洗步驟包括使用一鹼性溶劑。

在本發明的較佳實施例中，在進行清洗步驟之前，更包括對第一平坦化層表面進行預清洗步驟。上述之預清洗步驟例如是使用含有機溶劑之混合溶液，而混合溶液例如是使用N－甲基－2－呲咯烷酮與丙酮。

本發明之製造方法是在依序形成彩色濾光陣列、第二平坦化層、微透鏡及覆蓋層後，才進行蝕刻步驟，以暴露出接合墊區之圖案化金屬層。相較於習知技術是在第二平坦化層形成後即進行蝕刻步驟，本發明可減少一道光罩，使得製程較為簡化。特別是，本發明之製造方法可避免不易完全移除覆蓋層或過蝕刻的問題，以使所製作之元件能夠重新製作。而且，本發明之重工方法能夠在發現異常時進行重新製作(re-work)，以取代習知將元件報廢之方法，因而可提高良率以及降低製程成本。

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為依照本發明之一實施例所繪示的影像感測元件的製造流程剖面圖。

首先，請參照圖2A，提供一個基底200，此基底200例如是半導體基底。基底200具有像素陣列區202以及接合墊區206。在基底200中形成有由多個光感測單元208構成之光感測單元陣列，以及用以隔離這些光感測單元208之隔離結構210。上述之隔離結構210例如是淺溝渠隔離結構。

之後，在基底200上形成多層金屬內連線與層間介電層212，覆蓋各光感測單元208。上述之多層金屬內連線與層間介電層212可利用習知的金屬蝕刻、介電層沉積製程所達成，或利用習知的金屬鑲嵌製程所達成。

接著，請參照圖2B，在像素陣列區202以及接合墊區206之多層金屬內連線與層間介電層212上，形成圖案化金屬層214a、214c。其中，位於像素陣列區202之圖案化金屬層214a具有遮光功用，其是用來阻擋入射光線的散射，而位於接合墊區206之圖案化金屬層214c是用來當作接合墊金屬層。圖案化金屬層214a、214c的形成方法例如是，利用濺鍍法在多層金屬內連線與層間介電層212上形成一層金屬材料層，然後再利用蝕刻法，對金屬材料層進行蝕刻以形成所需圖案。

然後，在基底200上方形成平坦化層216，以覆蓋住圖案化金屬層214a、214c與多層金屬內連線與層間介電層212。平坦化層216例如為多層介電材料層結構，其可由利用高密度電漿法形成之氧化矽層(簡稱HDP層)216a，以及於其上方利用電漿增強式化學氣相沉積法，由四乙氧基矽烷(tetra-ethyl-ortho-silicate，TEOS)製得之氧化矽層(簡稱PETEOS層)216b所組成。平坦化層216還可例如是在PETEOS層216b形成後，選擇性地在其上方又再形成保護層216c。保護層216c例如是利用電漿增強式化學氣相沉積法製成之氮化矽(PE-SiN)層。或者是，還可進一步選擇性地在保護層216c上，利用沉積法，形成頂氧化層216d，以防止水氣進入。當然，平坦化層216亦可例如為一層介電材料層。平坦化層216可為上述膜層與其他材料膜層的任意組合。

之後，請參照圖2C，移除接合墊區206的部分平坦化層216，以於平坦化層216中形成開口218，此開口218暴露出圖案化金屬層214c表面。上述之移除部分平坦化層216以形成開口218的方法例如是利用蝕刻法。

隨後，在像素陣列區202之平坦化層216上形成彩色濾光陣列222。彩色濾光陣列222的材質為感光性的樹脂，其製作方法例如是，先利用黃光、蝕刻製程得到所需的濾光陣列圖案後，再利用染料進行染色，或是直接利用含有染料之光阻作為濾光陣列材質。

在一實施例中，形成彩色濾光陣列222之前，可利用塗佈法，在基底200上方順應性形成一層底襯層221。底襯層221的功用為避免彩色濾光陣列222在後續製程中產生剝離(peeling)。上述之底襯層221材質例如是光阻材料或其他高分子材料。

接著，請參照圖2D，在平坦化層216上，形成平坦化層224。此平坦化層224覆蓋住彩色濾光陣列222，且填入開口218中。上述之平坦化層224的材質例如是感光性的光阻材料或其他高分子材料。雖然圖2D中所示之平坦化層224是順應性地填入開口218中，但根據平坦化層224的厚度不同，其也可以是非順應性地填入開口218中，或者是幾乎填滿開口218，甚至是平坦化層224的上表面高於216的上表面。圖示中的順應性膜層僅為一例示，但本發明不以其為限。

然後，請參照圖2E，於相對應彩色濾光陣列222之平坦化層224上，形成多個微透鏡226。微透鏡226的形成方式例如是，在平坦化層224上，先形成由壓克力材料(acrylate material)構成之聚合物層(未顯示)，再進行曝光、顯影以及熱回流(reflow)製程而形成之。

隨後，在這些微透鏡226與平坦化層224上順應性形成覆蓋層228，其例如是氧化層。此覆蓋層228的功用為保護元件以避免表面遭受損傷，且具有抗反射功能，可提高元件的光感應度(photosensitivity)。而且，有利於直接進行表面清潔的步驟，移除在後續的運送或加工過程中掉落在元件表面的微粒(particle)，以提升影像感測器的影像品質。

之後，請參照圖2F，移除開口218中的各層，至曝露出接合墊區206之圖案化金屬層214c表面，以完成本發明之影像感測元件的製作。上述所暴露出之圖案化金屬層214c是作為接合墊金屬層，以供電性連接。

承上述，所移除的各層，即是指開口218中之氧化層228與平坦化層224，而在形成有底襯層221的實施例中，還包括要移除開口218中的底襯層221。上述之移除方法例如是在覆蓋層228上形成一圖案化光阻層(未顯示)，然後以圖案化光阻層為罩幕，進行蝕刻製程，以曝露出圖案化金屬層214c。

在另一實施例中，平坦化層224形成之後、微透鏡226形成之前，可進行一曝光步驟225(如圖2D所示)。上述之曝光步驟225可使平坦化層224與覆蓋層228的熱膨脹係數較為接近，以避免在後續製程中覆蓋層228會產生剝離，而影響元件效能。

由上述之實施例可知，本發明的製造方法是在依序形成彩色濾光陣列、微透鏡及覆蓋層後，才進行蝕刻步驟，以暴露出作為接合墊金屬層之圖案化金屬層。相較於習知技術，本發明不需在形成位於微透鏡與彩色濾光陣列之間的平坦化層後，隨即進行蝕刻步驟。因此，本發明之製造方法可減少一道光罩，使製程較為簡化。

更值得一提的是，本發明之製造方法可使所製作之影像感測元件能夠重新製作(re-work)，以避免造成晶圓報廢、良率降低及成本增加等問題。

詳言之，如圖1所示，在發現元件之彩色濾光陣列或微透鏡的製作出現瑕疵時，習知之影像感測元件的氧化層130，特別是位於平坦化層118的側壁(區域140)之氧化層，並不容易完全被移除，因此無法進行重新製作。而且，為了使氧化層130完全被移除，則往往會造成過蝕刻，導致元件損傷。相反地，在本發明中則不會存在上述之問題。

接下來，以圖2F所示之影像感測元件以及圖3來說明本發明之元件的重工方法。

圖3為依照本發明之一實施例所繪示之影像感測元件的重工方法的步驟流程圖。

請同時參照圖2F與圖3，首先，進行第一蝕刻步驟310，以移除覆蓋層228。上述之第一蝕刻步驟310例如是利用氫氟酸溶液對覆蓋層228進行氧化物蝕刻製程。

之後，進行第二蝕刻步驟320，依序移除平坦化層216上方之各層。亦即是，依序移除微透鏡226、平坦化層224、彩色濾光陣列222(、底襯層221)。上述之第二蝕刻步驟320例如是，利用氧氣作為氣體源進行電漿蝕刻製程，以剝除平坦化層216上方之由光阻材料構成的各層。

接著，進行清洗步驟330，其包括使用鹼性溶劑清洗平坦化層216表面，以移除前述蝕刻步驟中所產生的殘留物(聚合物)。上述之鹼性溶劑例如是GOS溶劑，其可與酸性的殘留物(聚合物)反應，以達到移除平坦化層216表面之殘留物的目的。在清洗步驟330中，使用鹼性溶劑之前，可利用例如N－甲基－2－呲咯烷酮(NMP)作為緩衝溶液，而在使用鹼性溶劑之後，還可進一步利用去離子水(DI water)沖洗平坦化層216表面，並接著利用異丙醇(isopropyl alcohol，IPA)溶液進行蒸汽乾燥法，以去除元件表面之水分。

在一實施例中，在進行清洗步驟330之前，可對平坦化層216進行預清洗步驟340，以移除未被完全蝕刻之覆蓋層228與平坦化層216之殘留物(聚合物)。上述之預清洗步驟340是使用含有機溶劑之混合溶液，其例如是NMP與丙酮之混合溶液。

接著，在完成上述之重工方法後，即可在平坦化層216上依照本發明之影像感測元件的製造方法，來製作影像感測元件。

綜上所述，在本發明之元件的製造方法中，相較於習知之方法，可減少一道光罩以使製程較為簡化。

另外，本發明之元件的製造方法，不僅能夠在元件上形成覆蓋層，以保護元件表面、提高元件的光感應度以及有利於直接清潔元件表面。而且，本發明之製造方法還可避免不易完全移除覆蓋層或過蝕刻的問題，以使所製作之元件能夠重新製作。

此外，本發明之元件的重工方法能夠避免在發現異常時只能將元件報廢之問題，因此可提高良率以及降低製程成本。

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．．．半導體基底

101、202．．．像素陣列區

102．．．淺溝渠隔離結構

103、206．．．接合墊區

104．．．光感測區

106、212．．．多層金屬內連線與層間介電層

112、118、216、224．．．平坦化層

108、110、214a、214c．．．圖案化金屬層

114、218．．．開口

116、222．．．彩色濾光陣列

120、226．．．微透鏡

130、228．．．覆蓋層

140．．．區域

200．．．基底

208．．．光感測單元

210．．．隔離結構

216a．．．HDP層

216b．．．PETEOS層

216c．．．保護層

216d．．．頂氧化層

221．．．底襯層

225．．．曝光步驟

310、320、330、340．．．步驟

圖1繪示為習知的互補式金氧半導體電晶體影像感測器的剖面示意圖。

圖2A至圖2F為依照本發明之一實施例所繪示的影像感測元件的製造流程剖面圖。

圖3為依照本發明之一實施例所繪示之影像感測元件的重工方法的步驟流程圖。

200．．．基底

202．．．像素陣列區

206．．．接合墊區

208．．．光感測單元

210．．．隔離結構

212．．．多層金屬內連線與層間介電層

216、224．．．平坦化層

214a、214c．．．圖案化金屬層

216a．．．HDP層

216b．．．PETEOS層

216c．．．保護層

216d．．．頂氧化層

218．．．開口

221．．．底襯層

222．．．彩色濾光陣列

226．．．微透鏡

228．．．覆蓋層

Claims (16)

1. 一種影像感測元件的製造方法，包括：提供一基底，該基底具有一像素陣列區以及一接合墊區，且該基底中形成有一光感測單元陣列及多數個隔離結構以隔離各光感測單元；在該基底上依序由下往上形成一圖案化金屬層以及一第一平坦化層，其中該第一平坦化層中具有一開口，以暴露出該接合墊區的該圖案化金屬層與該第一平坦化層之一側邊；在該像素陣列區之該第一平坦化層上形成一彩色濾光陣列；形成一第二平坦化層，以覆蓋該彩色濾光陣列與該第一平坦化層，且填入該開口中；在相對應該彩色濾光陣列之該第二平坦化層上形成多數個微透鏡；在該些微透鏡與該第二平坦化層上順應性形成一覆蓋層；以及進行一蝕刻步驟，移除該開口中的該覆蓋層及該第二平坦化層，以暴露出該接合墊區的該圖案化金屬層、該覆蓋層之一側邊、該第二平坦化層之一側邊與該第一平坦化層之該側邊，其中該覆蓋層的該側邊與該第二平坦化層的該側邊切齊，且該覆蓋層的該側邊與該第一平坦化層的該側邊未切齊。
2. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測元件的製造方法，其中在形成該第二平坦化層之後，更包括進行一曝光步驟。
3. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測元件的製造方法，其中在形成該彩色濾光陣列之前，更包括在該基底上方順應性形成一底襯層，以覆蓋該第一平坦化層以及該接合墊區之該圖案化金屬層。
4. 如申請專利範圍第3項所述之影像感測元件的製造方法，其中該蝕刻步驟更包括移除該開口中的該底襯層。
5. 如申請專利範圍第3項所述之影像感測元件的製造方法，其中該底襯層的材質包括光阻材料。
6. 如申請專利範圍第3項所述之影像感測元件的製造方法，其中該底襯層的形成方法包括塗佈法。
7. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測元件的製造方法，其中該覆蓋層包括氧化層。
8. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測元件的製造方法，其中該第二平坦化層的材質包括光阻材料。
9. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測元件的製造方法，其中該第一平坦化層包括一或多層介電材料層。
10. 一種影像感測元件的重工方法，適於重工如申請專利範圍第1項至第9項所述之方法製作的影像感測元件，該重工方法包括：進行一第一蝕刻製程，以移除該覆蓋層；進行一第二蝕刻製程，依序移除該第一平坦化層上方之各層；以及進行一清洗步驟，以移除該第一平坦化層表面之一殘留物。
11. 如申請專利範圍第10項所述之影像感測元件的重工方法，其中該第一蝕刻製程為氧化物蝕刻製程。
12. 如申請專利範圍第10項所述之影像感測元件的重工方法，其中該第二蝕刻製程為電漿製程。
13. 如申請專利範圍第10項所述之影像感測元件的重工方法，其中該清洗步驟包括使用一鹼性溶劑。
14. 如申請專利範圍第10項所述之影像感測元件的重工方法，其中在進行該清洗步驟之前，更包括對該第一平坦化層表面進行一預清洗步驟。
15. 如申請專利範圍第14項所述之影像感測元件的重工方法，其中該預清洗步驟包括使用含有機溶劑之一混合溶液。
16. 如申請專利範圍第15項所述之影像感測元件的重工方法，其中該混合溶液包括N-甲基-2-呲咯烷酮與丙酮。