专利名称：光感测集成电路元件的制作方法
技术领域：
本发明是有关于一微电子元件和其制造方法，且特别是有关于影像感测元件及其制造方法。
背景技术：
例如影像感测器和彩色滤光层的光感测集成电路在抓取影像的光感测元件中是扮演重要的角色，这些集成电路元件已应用于例如数字相机、数字摄录像机和手机等的消费电子元件和携带型元件，一般来说，金属氧化物半导体影像感测器包括过滤光的彩色滤光层、保护堆叠层、金属层、金属接触孔、介电层和接收光的光电二极管，而光电二极管是之后将光转换成电子信号。
量子效率(quantum efficiency)是为决定光感测集成电路光效能的要素之一，光电二极管所接收的光越多，其量子效率则越高。
图1是揭示现有技术不包括微透镜的光感测集成电路元件的剖面示意图。请参照图1，多个N型或是P型的光电二极管102形成在单晶硅半导体基底100上，光电二极管102所使用的N型或是P型的掺杂物可包括磷、硼或是其它已知的掺杂物。
之后，一第一介电材料层104可以例如化学气相沉积法沉积(CVD)、等离子化学气相沉积法(PECVD)、原子层沉积法(APCVD)、物理气相沉积法(PVD)、离子化物理气相沉积法(I-PVD)、原子层沉积法(ALD)、电镀、旋转涂布或是其它制程形成于光电二极管102和半导体基底100上，第一介电材料层104可包括氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、掺杂或未掺杂的硅化玻璃，此第一介电材料层104是用以将位于其下的光电二极管102及半导体基底100，和后续形成的导电层隔绝。多个开口或接触孔可形成于第一介电材料层104中，接着，将这些开口填入是例如铝、金、铜或钨等金属材料，而因此形成一第一金属接触孔106。
第一金属接触孔106使电信号可在光感测集成电路中传递，在更进一步的半导体制程中，第一介电材料层104和第一金属接触孔106可以化学机械研磨法平坦化，且后续形成一第一金属层108，类似于第一金属接触孔106的第一金属层108亦可由例如铝、金、铜或钨等金属材料所形成，且第一金属层108亦可用以传递电信号。
如图1所示，后续的介电材料层、金属接触孔和金属层可依据光感测元件设计和效能的需要添加，第二和第三介电材料层110、116可使用和第一介电材料层104相同或相似的制程步骤形成，同样的，第二和第三金属接触孔112、118孔可使用和第一金属接触孔106相同或相似的制程步骤形成，第二和第三金属层114、120可使用和第一金属层108相同或相似的金属制程步骤形成。
一般来说，光感测元件可感测广范围波长的光，例如包括全部可视范围的光谱，然而，在一些情况下，为特殊的应用，需要区域性选择色彩或频率，缩小光波长的范围。为了使光电二极管102反应特殊波长的光，第三金属层120可以化学机械研磨法平坦化，以于其上形成彩色滤光层126，平坦化意味着其具有较平坦的地形，而一保护堆叠层122可以熟知的沉积技术形成于第三金属层120上，而保护堆叠层122可包括氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、掺杂或未掺杂的硅化玻璃，保护堆叠层122是用以绝缘和保护所有位于其下的层，防止环境或是物理的损伤。接着，一间隙壁层134可以相似的制程步骤和使用相似的材料形成于保护堆叠层122上，后续，可形成多个彩色滤光层126于间隙壁层134上方，且多个彩色滤光层126大体上位于光电二极管102上方，彩色滤光层126亦可依照特殊的图案排列，以依序形成彩色滤光阵列，达成所需的感测度和特性。每一彩色滤光层126可搭配于光感测元件，以使每一光电二极管102仅接收单一颜色，而反应出单一波长或单一颜色的光。
发明内容
因此，根据上述问题，本发明的一目的是为增加光感测集成电路的量子效率，及改进光感测集成电路的光特性。
本发明提供一种光感测集成电路元件。多个光电二极管形成于一基底上。多个微透镜形成于光电二极管上方，其中微透镜包括至少两个非平面且具有不同曲率的表面的上非平面表面部分和下非平面表面部分。多个彩色滤光层大体上形成于对应的微透镜上方。
本发明所述的光感测集成电路元件，该上非平面表面部分是为一上凸面。
本发明所述的光感测集成电路元件，该下非平面表面部分是为一下凸面。
本发明所述的光感测集成电路元件，该上非平面表面部分和下非平面表面部分是为可用以导引光线至光电二极管的折射层，其中该入射光以倾斜的角度和垂直的角度进入该微透镜。
本发明所述的光感测集成电路元件，该上非平面表面部分和下非平面表面部分大体上由光致抗蚀剂材料所组成，其中该光致抗蚀剂材料是择自下列族群正光致抗蚀剂、负光致抗蚀剂和苯环丁烯。
本发明所述的光感测集成电路元件，该上非平面表面部分和下非平面表面部分大体上由介电材料所组成，其中该介电材料是择自下列族群氮化硅、氧化硅、氮氧化硅、旋转玻璃、掺杂硅玻璃和未掺杂硅玻璃。
本发明提供一种光感测集成电路元件。多个光电二极管形成于一基底上。多个微透镜形成于光电二极管上方，其中微透镜至少包括上部上凸表面部分和下部下凸表面部分，上部上凸表面部分和下部下凸表面部分具有不同曲率，上部上凸表面部分和下部下凸表面部分皆具有凸的表面。多个彩色滤光层大体上形成于对应的微透镜上方。
本发明还提供一种光感测集成电路元件，所述光感测集成电路元件包括一基底；多个光电二极管，形成于该基底上；多个微透镜，形成于该光电二极管上方，其中该微透镜至少包括两不同凸向且不同曲率的表面；及多个彩色滤光层，形成于对应的微透镜上方。
本发明所述的光感测集成电路元件，两不同凸向且不同曲率的表面具有相似或是不同的组成。
本发明所述的光感测集成电路元件，两不同凸向且不同曲率的表面之一是由光致抗蚀剂材料所组成，另一则由介电材料所组成。
本发明提供一种光感测集成电路元件。多个光电二极管形成于一基底上。多个微透镜形成于光电二极管上方，其中微透镜的下部包括一下凸表面部分，微透镜的上部包括一上凸表面部分，下凸表面部分和上凸表面部分是大体上位于光电二极管上方。多个彩色滤光层大体上形成于对应的微透镜上方。
本发明提供一种光感测集成电路元件，包括一感测组件(sensing element)，及一微透镜，使一入射光聚焦至感测组件，其中微透镜在入射光的方向上具有两相对非平面，且不相等的一第一曲率表面和一第二曲率表面，其中第一曲率表面和第二曲率表面可具有相反的曲率。
本发明提供一种光感测集成电路元件。多个光电二极管位于一基底中。多个第一微透镜位于光电二极管上方，其中每一微透镜至少包括两个非平面且具有不同曲率的表面之上非平面表面部分和下非平面表面部分。多个彩色滤光层大体上位于对应的微透镜上方。多个第二微透镜位于彩色滤光层上方，其中第二微透具有至少一平面。
本发明提供一种光感测集成电路元件的制造方法。首先，提供一基底，形成一光电二极管于基底中。其后，形成一保护堆叠层于基底上方，图形化保护堆叠层以形成一下凸轮廓。接着，形成一介电材料层于保护堆叠层上，并填满下凸轮廓，形成一旋转涂布层于介电材料层上。后续，形成一具有圆形化轮廓的光致抗蚀剂于介电材料层上，且相对于下凸轮廓，以光致抗蚀剂为掩膜，蚀刻旋转涂布层及部分介电材料层。其后，重复进行多个等向性蚀刻光致抗蚀剂、以蚀刻后的光致抗蚀剂为掩膜及蚀刻旋转涂布层及部分介电材料层的步骤，以使介电材料层形成一上凸轮廓。
本发明所述光感测集成电路元件，可增加光效率及改进光表现。
图1是揭示现有技术不包括微透镜的光感测集成电路元件的剖面示意图；图2A至2G揭示本发明一实施例两凸面微透镜制造方法中间步骤剖面图；图3揭示使用本发明一实施例两凸面微透镜的光感测元件；图4揭示本发明较佳实施例两面凸微透镜导引和聚焦光线的实例。
具体实施例方式
如本领域技术人员所知的，本发明可应用于各种用途，如在本说明书所揭示中，“半导体基板”可定义为任何包括半导体材料的构成，其包括但不限于主体半导体材料(例如，不限于半导体晶圆或是半导体材料层)。“基板”可为任何支撑结构，其包括但不限于上述的半导体基板。
以下将以实施例详细说明作为本发明的参考，且范例是伴随着图式说明之。在图式或描述中，相似或相同的部分是使用相同的图号。在图式中，实施例的形状或是厚度可扩大，以简化或是方便标示。图式中各元件的部分将以分别描述说明之，值得注意的是，图中未绘示或描述的元件，可以具有各种本领域技术人员所知的形式。此外，当叙述一层是位于一基板或是另一层上时，此层可直接位于基板或是另一层上，或是其间亦可以有中介层。
请参照图2A至2G，在本发明的较佳实施例中，可增加量子效率和光效能的微透镜可形成于保护堆叠层和间隙壁层间，如图2A所示，一光致抗蚀剂图案130可使用熟知的材料和技术形成于保护堆叠层122上方。接着，保护堆叠层122可以干蚀刻或湿蚀刻制程进行蚀刻，此蚀刻可选择性的移除材料，而保留所需的轮廓。
在本发明的一实施例中，上述的蚀刻制程是使用化学湿蚀刻，以形成一下凸的轮廓132，下凸的轮廓132可称为U型轮廓，之后，可以熟知的方法移除光致抗蚀剂图案130。
后续，如图2B所示，一间隙壁层134形成于下凸轮廓132上，此间隙壁层134可包括一介电材料层，例如氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、掺杂或未掺杂的硅化玻璃，且可以前所述的技术形成，另外，再一实施例中，间隙壁层134亦可以光致抗蚀剂或苯环丁烯(Benzocyclobutene，以下可简称B CB)取代。后续，可形成一旋转玻璃层136(spin on glass，以下可简称SOG)于间隙壁层134上方，水平化或是平坦化晶圆，以进行后续的制程，水平化或是平坦化晶圆除了使用旋转玻璃136方法之外，亦可使用其它平坦化或介电材料。
之后，晶圆是进行前述类似的微影制程，且可形成额外的光致抗蚀剂图案138，如图2C所示，而此光致抗蚀剂图案138可在高温下进行热回流(reflow)，形成圆形化边角，因为此加热步骤的效应，可弱化光致抗蚀剂中的化学键，且光致抗蚀剂图案138尖锐的方形边角可变的较为缓和，而形成如图2D所示的圆形化边角。
接着，使用圆形化的光致抗蚀剂轮廓138作为蚀刻掩膜，对旋转玻璃层136进行蚀刻，依据所使用的材料的构成，蚀刻制程可采用干式或湿式蚀刻制程，此化学蚀刻可移除旋转玻璃层136中的部分材料，而形成轻微蚀刻的轮廓140，如图2D所示。形成轻微蚀刻轮廓140的旋转玻璃层136，另外，可通过控制干式或湿式蚀刻制程的时间，进行蚀刻间隙壁层134。
根据图2D所揭示的元件，可进一步削减圆形化的光致抗蚀剂轮廓138，且可继续进行蚀刻制程，如图2E所示，圆形化的光致抗蚀剂轮廓138可以化学蚀刻或是光致抗蚀剂移除步骤削减。之后，通过选择性的控制蚀刻制程，可使用圆形化的光致抗蚀剂图案138作为蚀刻掩膜，产生轻微蚀刻轮廓142。接着，再重复上述蚀刻步骤一次，而在间隙壁层134中产生阶梯状的轮廓140、142、144，如图2F所示。上述蚀刻步骤可应用于任何层，例如可应用于旋转玻璃层136或间隙壁层134，换句话说，在上述三个连续的蚀刻步骤之后，可不保留任何剩余的旋转玻璃层136。此外，虽然本发明实施例仅揭示重复三个蚀刻制程产生三个类阶梯轮廓140、142、144的步骤，本发明可根据所需，应用更多或是更少的蚀刻步骤，产生更多或是更少的阶梯，换句话说，阶梯状的轮廓可包括少至1至2个阶梯，多至4至10个阶梯。
图2F所产生阶梯状的轮廓140、142、144可进行化学干蚀刻或是湿蚀刻制程，以平顺化或是圆形化尖锐的圆形边角，如图2G所揭示，上述圆形化步骤可产生一上凸的圆形化轮廓146。上凸的形状在底部具有较大的面积，而在顶部具有较小的面积，易言之，此形状可类似于一个上下颠倒的U型，因此，本发明一实施例的微透镜结构148可包括上凸的轮廓146和下凸的轮廓132。此外，亦可进行蚀刻制程，将本发明实施例所描述的包括作为底部表面的下凸的轮廓132，及作为顶部表面的上凸轮廓146的两面凸的微透镜的形状传递至其下的任何层，换句话说，两面凸的微透镜148不一定需要形成于保护堆叠层122上方，其可以形成在前述的任何层中，或是任何两层中间。另外，在本发明的一实施例中，除了设置于彩色滤光层126下方的两面凸的微透镜结构148之外，亦可包括由光致抗蚀剂组成的具有一平面及一曲面的单面微透镜(未绘示)设置于彩色滤光层126上。
更甚者，本发明一实施例的两面凸的微透镜148的两凸面可不具有相同或相似的曲率半径，换句话说，上凸的轮廓146的曲率和下凸的轮廓132的曲率不需相同，或是上凸的轮廓146的半径和下凸的轮廓132的半径可不相同或类似，上凸轮廓146和下凸轮廓132可分别依照微影和蚀刻制程，具有独有的形状。
图3揭示使用本发明一实施例两面凸微透镜148的光感测元件，如图3所示，此微透镜可由形成在保护堆叠层122和间隙壁层164中的两面凸透镜所组成，且可应用在不使用微透镜的光感测集成电路元件中，较佳的间隙壁层164和透镜148是由具有不同光折射系数的材料所组成。
图4揭示本发明较佳实施例两面凸微透镜148导引和聚焦光线的实例，如图所示，当入射光150进入光感测集成电路元件中，其可为两面凸微透镜结构148折射，且折射的光子会导引光线152至光电二极管102。垂直或是位于轴上的入射光150可不受干扰的进入两面凸微透镜结构148，到达光电二极管102，位于轴上的入射光150可定义为垂直进入光感测集成电路元件的光子，或是相对于光电二极管102为90°的光子。如此，光电二极管102较容易的接收光子，且转换光子为电信号，光电二极管102所接收的光能量越多，量子效率越高，且元件的光效能越高。
当非垂直或不位于轴上的入射光150进入两面凸微透镜结构148，其是经由两面凸微透镜结构148的上凸轮廓146折射，且再经由两面凸微透镜结构148的下凸轮廓132折射，而造成两次折射，因此，改变方向的导引光线152会聚焦于光电二极管102，且为光电二极管102接收和转换。未位于轴上的入射光150是定义为相对于多个光电二极管102，以锐角(小于90°)进入光感测集成电路的光子或信号。
未位于轴上的入射光150会通过两面凸微透镜结构148折射的理由是因为折射系数的不同，折射系数是为折射量，或是当光穿过一特定材料的弯曲量的量测值，当入射光150从一媒介传递至另一媒介中时，例如本实施例的从空气中进入微透镜结构148，其传递的角度和路径会因为空气和微透镜结构148的材料折射系数不同而改变，更甚者，折射的大小可依微透镜结构148的材料组成改变。
如此，非垂直，未位于轴上的入射光150会经由两面凸微透镜结构148的上凸轮廓146和下凸轮廓132折射，例如其会先由上凸轮廓146折射，之后再经由下凸轮廓132折射，而导引光线152会由光电二极管102接收和转换，以增加光效率。
因此，本发明一实施例的两面凸微透镜结构148可增加光效率及改进光表现。
虽然本发明已通过较佳实施例说明如上，但该较佳实施例并非用以限定本发明。本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，应有能力对该较佳实施例做出各种更改和补充，因此本发明的保护范围以权利要求书的范围为准。
附图中符号的简单说明如下100基底102光电二极管104第一介电材料层106第一金属接触孔108第一金属层110第二介电材料层112第二金属接触孔114第二金属层116第三介电材料层118第三金属接触孔120第三金属层122保护堆叠层126彩色滤光层130光致抗蚀剂图案132下凸的轮廓134、164间隙壁层136旋转涂布层138额外光致抗蚀剂图案140阶梯状的轮廓142阶梯状的轮廓144阶梯状的轮廓146上凸的轮廓148两面凸微透镜结构
150入射光152导引光线
权利要求
1.一种光感测集成电路元件，其特征在于，所述光感测集成电路元件包括一基底；多个光电二极管，形成于该基底上；多个微透镜，形成于该光电二极管上方，其中该微透镜包括至少两个非平面且具有不同曲率的表面的上非平面表面部分和下非平面表面部分；及多个彩色滤光层形成于对应的微透镜上方。
2.根据权利要求1所述的光感测集成电路元件，其特征在于，该上非平面表面部分是为一上凸面。
3.根据权利要求1所述的光感测集成电路元件，其特征在于，该下非平面表面部分是为一下凸面。
4.根据权利要求1所述的光感测集成电路元件，其特征在于，该上非平面表面部分和下非平面表面部分是为可用以导引光线至光电二极管的折射层，其中该入射光以倾斜的角度和垂直的角度进入该微透镜。
5.根据权利要求1所述的光感测集成电路元件，其特征在于，该上非平面表面部分和下非平面表面部分由光致抗蚀剂材料所组成，其中该光致抗蚀剂材料是择自下列族群正光致抗蚀剂、负光致抗蚀剂和苯环丁烯。
6.根据权利要求1所述的光感测集成电路元件，其特征在于，该上非平面表面部分和下非平面表面部分由介电材料所组成，其中该介电材料是择自下列族群氮化硅、氧化硅、氮氧化硅、旋转玻璃、掺杂硅玻璃和未掺杂硅玻璃。
7.一种光感测集成电路元件，其特征在于，所述光感测集成电路元件包括一基底；多个光电二极管，形成于该基底上；多个微透镜，形成于该光电二极管上方，其中该微透镜至少包括两不同凸向且不同曲率的表面；及多个彩色滤光层，形成于对应的微透镜上方。
8.根据权利要求7所述的光感测集成电路元件，其特征在于，两不同凸向且不同曲率的表面具有相似或是不同的组成。
9.根据权利要求7所述的光感测集成电路元件，其特征在于，两不同凸向且不同曲率的表面之一是由光致抗蚀剂材料所组成，另一则由介电材料所组成。
10.一种光感测集成电路元件，其特征在于，所述光感测集成电路元件包括一基底；多个光电二极管，形成于该基底上；多个微透镜，形成于该光电二极管上方，其中该微透镜的下部包括一下凸表面部分，该微透镜的上部包括一上凸表面部分，该下凸表面部分和上凸表面部分是位于该光电二极管上方；及多个彩色滤光层形成于对应的微透镜上方。
全文摘要
本发明提供一种光感测集成电路元件，是由形成于半导体基底上的光电二极管、介电层、金属接触孔、金属层和保护堆叠层所组成。微透镜是形成于上述层上，其中微透镜包括非平面的表面，特别是，此微透镜是为形成于光电二极管上两面凸的微透镜，可导引、传递和聚焦入射光，以增加量子效率，且改进光学特性。彩色滤光层是形成于微透镜和光电二极管上方，以过滤特定波长的光。
文档编号H01L27/146GK1870281SQ200610003189
公开日2006年11月29日 申请日期2006年2月22日 优先权日2005年5月27日
发明者吴天启 申请人:台湾积体电路制造股份有限公司