专利名称：半导体元件及其制作方法与图像感测元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电子元件，尤其涉及半导体元件及其制作方法与图像感测元件。
背景技术：
半导体图像传感器用以感测光线。互补式金属氧化物半导体导体(CMOS)图像传感器(CIQ与电荷耦合元件(charge-coupled device，CCD)传感器广泛地使用在各种应用上，例如数码相机或是手机相机。这些元件利用基板中的像素阵列(包括光电二极管与晶体管)吸收照向基板的辐射(radiation)并将感测到的辐射转换成电信号。半导体图像传感器利用微透镜(micro-lens)聚焦进入的光线。微透镜可以内埋的方式(embedded manner)形成于图像传感器的一膜层中。在此，可使用一外部的微透镜来搭配该内埋式微透镜。同时具有一外部的透镜与一内埋式透镜是较佳的选择，因为其可提升光敏度(light sensitivity)，例如对于黑与白光的灵敏度。然而，传统形成内埋式微透镜的方法相当复杂且耗时。以传统方法制得的内埋式微透镜的光聚焦性能 (light-focusing performance)较差。因此，虽然现行制作内埋式微透镜以作为图像传感器的方法已逐渐满足预定的用途，但未能完全满足各方面的需求。
发明内容
为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明一实施例提供一种半导体元件，包括一辐射感测单元，形成于一基板中；一透明膜层，形成于基板上；以及一微透镜，内埋于透明膜层中，其中微透镜具有一尖顶端部。本发明另一实施例提供一种图像感测元件，包括一像素，位于一基板中；一第一微透镜，内埋于位于基板上的一膜层中，第一微透镜的一第一上表面具有一角状的顶端；一彩色滤光片，位于膜层上；以及一第二微透镜，位于彩色滤光片上，第二微透镜的一第二上表面具有一接近圆形的轮廓；其中像素、第一微透镜、彩色滤光片、以及第二微透镜皆至少部分彼此对齐。本发明又一实施例提供一种半导体元件的制作方法，包括形成一辐射感测单元于一基板中；形成一图案化介电层于基板上，图案化介电层包括多个介电部，且多个开口分隔开介电部；以及于图案化介电层上进行一激光退火工艺，以使各介电部熔化并再成形，而形成多个再成形的介电部，再成形的介电部各具有一尖顶端。本发明提供的半导体元件及其制作方法与图像感测元件，工艺相当快速且便宜， 而且光聚焦性能较佳。
图1为本发明一实施例的半导体元件的制作法的流程图。图2至图6示出本发明一实施例的半导体元件在各工艺步骤的局部剖面图。
主要附图标记说明20 正面照光型图像感测元件的制作方法；22、24、26 步骤；30 图像感测元件、正面照光型图像感测元件；40 基板；45 正面；46 背面；50、51 辐射感测单元、像素；70、71、72 隔离结构;90 内连线结构；100 介电层、介电部；101 介电部；100A、101A 介电部、再成形的介电部；110 厚度；120、121 光致抗蚀剂部、图案化光致抗蚀剂部；130、131、132 开口；140 宽度；160 退火工艺；170 高度；180 尖顶端、顶端；190、210、211 角度；200 想象的水平线；230 介电材料、平坦层；250、251 彩色滤光片；260、261 顶微透镜。
具体实施例方式为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合所附的图，作详细说明如下。可以了解的是，下述内容提供许多不同的实施例，或是例子，以实施本发明的不同特征。为简洁起见，以下将以特定构件与排列举例说明。当然，在此仅用以作为范例，并非用以限定本发明。再者，当以下述及一第一元件形成于一第二元件之上或上时，可包括第一元件与第二元件是直接接触地形成的实施例、以及间隔有其他元件于第一元件与第二元件之间的实施例，如此则第一元件可不与第二元件直接接触。为简化与清楚说明起见，可以任意地以不同的尺寸示出各种结构。图1示出本发明一实施例的一正面照光型(front-side illuminated, FSI)图像感测元件的制作方法20的流程图。请参照图1，制作方法20的步骤22为在一基板中形成一辐射感测单元(radiation-sensing element)。制作方法20的步骤M为在该基板上形成一图案化介电层。图案化介电层包括多个介电部，且多个开口分隔开这些介电部。制作方法20的步骤沈为在该图案化介电层上进行一激光退火工艺(laser annealing process)，以熔化各介电部并使其再成形(re-shaped)。再成形的介电部各具有一尖顶端(pointy tip)。图2至图6示出本发明一实施例的正面照光型图像感测元件30在各工艺步骤的局部剖面图。可以了解的是，为较佳地了解本发明的发明目的，已简化图2至图6。参照图2，图像感测元件(image sensor device) 30包括一基板40，也可称为晶片。基板40为一硅基板，其掺杂有P型掺杂物或是N型掺杂物。P型掺杂物可为硼，N型掺杂物可为磷或砷。基板40可包括其他的半导体元素，例如锗。基板40可选择性地包括化合物半导体(compound semiconductor)禾口 / 或合金半导体(alloy semiconductor)。再者，基板40可包括一外延层，其可被施以应变以提升效能，以及可包括一绝缘层上硅结构。基板40具有一正面45与一背面46，其也分别为图像感测元件30的正面与背面。 完成后的图像感测元件30将感测或检测自正面45投射入基板40的辐射波。换言之，辐射波将自正面45进入基板40。基板40包括多个像素，也可称为辐射感测单元或光感测元件。辐射感测单元可用以感测或检测朝向基板40投射的辐射波。为提供一例子，在图2中示出二个辐射感测单元并标以附图标记50、51，然而，可以了解的是，可以在基板40中形成任意数量的辐射感测单元以完成图像感测元件30。辐射感测单元50、51的形成方法为在基板40上进行多次离子注入工艺(ion implantation process)。举例来说，可进行N+型注入(N+implants)、阵列型N阱注入 (array-N-well implants) >N I^SA (deep-array-N-well implants) 。 1 + 注入工艺可包括多个注入步骤且可使用不同的掺杂物、注入剂量、以及注入能量。离子注入工艺也可使用不同的掩模，其具有不同的图案与开口尺寸。辐射感测单元50、51也可形成于一掺杂阱(未示出)中，该掺杂阱的掺杂极性(doping polarity)与基板40的掺杂极性相反。在一实施例中，辐射感测单元50、51包括光电二极管(photodiode)。在另一实施例中，辐射感测单元50、51可包括PIN光电二极管(pinned photodiodes，PPD)、光栅 (photogate)、复位晶体管(reset transistor)、源极随耦器晶体管(source follower transistor)、转换晶体管(transfer transistor)、或其他适合的元件。多个隔离结构分离辐射感测单元50、51，例如隔离结构70、71、72。隔离结构 70-72可包括浅沟槽隔离(shallow trench isolation, STI)或深沟槽隔离(de印trench isolation,DTI)元件。浅沟槽隔离或深沟槽隔离元件的形成方法为在基板40中蚀刻出多个开口(或沟槽)，之后，在开口中填入适合的材料。前述适合的材料的折射率小于硅的折射率(接近4)。换言之，基板40的光密于(optically denser than)浅沟槽隔离或深沟槽隔离元件。在一实施例中，浅沟槽隔离或深沟槽隔离元件包括硅氧化物，其折射率接近 1.46。在另一实施例中，浅沟槽隔离或深沟槽隔离元件包括氮化硅，其折射率接近2. 05。在又一实施例中，浅沟槽隔离或深沟槽隔离元件包括空气，其折射率接近1。隔离结构70-72可各包括一掺杂阱，其围绕浅沟槽隔离或深沟槽隔离元件。隔离结构70-72可用以防止或减少相邻辐射感测单元(例如辐射感测单元50、51)之间的串音 (cross-talk)现象。串音可为电的、光的或前述两者的串音现象。若是不减弱串音现象，则串音现象会降低图像感测元件30的性能。
此外，虽然为了简化而未介绍，晶体管元件可形成于基板40中。举例来说，可在基板40中形成金属氧化物半导体场效晶体管元件。金属氧化物半导体场效晶体管元件可具有一栅极、一源极与一漏极。源极可耦接辐射感测单元50、51。栅极与漏极可经由内连线结构的导孔或接点耦接外部的元件，内连线结构将于下文中讨论。图像感测元件30可还包括邻近像素的另外的电路与输入/输出结构，以提供像素(例如像素50、51) —操作环境，并支持像素与外部的连接。再次参照图2，在基板40上形成一内连线结构90。内连线结构90包括多个图案化介电层与导电层，其提供图像感测元件30的各种掺杂结构、电路、与输出/输入结构之间的互连(例如线路)。内连线结构90包括形成于结构中的层间介电层与多层内连线 (multilayer interconnect, MLI)结构，以使层间介电层分离并隔离各多层内连线结构与其他的多层内连线结构。多层内连线结构包括形成于基板40上的接点、导孔与金属线。在一实施例中，多层内连线结构可包括导电材料，例如铝、铝/硅/铜合金、钛、氮化钛、钨、多晶硅、金属硅化物、或前述的组合，被称为铝内连线(aluminum interconnect)。 铝内连线的形成方法包括物理气相沉积工艺、化学气相沉积工艺、或前述的组合。铝内连线的其他形成方法可包括光刻工艺与蚀刻以图案化导电材料，从而形成垂直连接结构(导孔与接点)与水平连接结构(导线)。或者是，可以铜多层内连线形成金属图案。铜内连线结构可包括铜、铜合金、钛、氮化钛、钽、氮化钽、钨、多晶硅、金属硅化物、或前述的组合。铜内连线的形成方法包括化学气相沉积法、溅镀法、电镀法或其他适合的工艺。然后，将一介电层100形成在内连线结构90上。在一实施例中，介电层100包括一氮化硅材料。可以本领域已知的沉积工艺形成介电层100，例如物理气相沉积法、化学气相沉积法、原子层沉积法(atomic layer d印osition，ALD)、或前述的组合。介电层100具有厚度110。在一实施例中，厚度110约为2000埃至4000埃。在介电层100上形成一图案化光致抗蚀剂层。图案化光致抗蚀剂层具有多个光致抗蚀剂部，且多个开口分离这些光致抗蚀剂部。为简化起见，在此介绍光致抗蚀剂部120、 121与开口 130、131、132。图案化光致抗蚀剂层的的制作方法为先沉积一层光致抗蚀剂材料于介电层100上，例如透过旋转涂布工艺，然后，进行本领域所知的光刻工艺，以将光致抗蚀剂材料图案化成光致抗蚀剂部120、121。光刻工艺可包括多个光掩模(masking)、曝光、烘烤、显影与清洗工艺。光致抗蚀剂部120、121各具有一宽度(或是一横向尺寸)140。 光致抗蚀剂部120、121部分垂直对齐于辐射感测单元50、51。可以了解的是，虽然光致抗蚀剂部120、121至少部分对齐辐射感测单元50、51，但光致抗蚀剂部120、121的宽度可不同于辐射感测单元50、51的宽度。请参照图3，进行一湿式蚀刻工艺以经由开口 130、131、132蚀穿介电层100。图案化光致抗蚀剂部120、121是用以作为前述蚀刻工艺的保护掩模。因此，形成介电部100、 101。介电部100、101呈近似矩形且各具有一相等于宽度140(其为光致抗蚀剂部120、121 的宽度)的横向尺寸。由于光致抗蚀剂部120、121大致上分别对齐辐射感测单元50-51，因此，介电部100、101也大致上分别对齐辐射感测单元50-51。请参照图4，以本领域所知的剥除(stripping)或是灰化(ashing)工艺移除光致抗蚀剂部120、121。之后，在半导体元件30上进行一退火工艺160以熔化介电部100、101。 退火工艺160系以下列工艺参数进行
激光源，其为紫外光，且其波长约为300纳米至600纳米；退火持续时间(annealing duration),约为 150 纳秒(nanosecond)至 450 纳秒； 以及退火能量，约为0. 5毫焦耳至2. 5毫焦耳。退火工艺160熔化介电部100、101以使其由固态转变成液态，从而经历再成形工艺(re-shaping process)。参照图5，当退火工艺160结束，熔化的介电部100、101冷却而成为再成形的介电部100A、101A。再成形的介电部100A、101A各具有大致上相同的宽度 140，就如同在退火工艺160进行以前的介电部100、101的宽度140。再成形的介电部100A、IOlA各具有一高度170 (或是一垂直尺寸，如图5所示)大于介电层100的厚度110(如图2所示)，厚度110为介电部100、101在熔化以前的高度。 在一实施例中，高度170与厚度110的比值约为1. 5至2. 5，例如约1. 75。换言之，再成形的介电部100A、101A高于原本未熔化的介电部100、101约1. 5倍至2. 5倍。如图5所示，再成形的介电部100A、IOlA各具有一尖的或是角状的顶端180(或是顶部)。尖顶端180突出于再成形的介电部100A、101A的一顶面的最高区域。由于介电部 100A、IOlA被熔化成液态并再次被冷却成固态，故形成尖顶端180。尖顶端180具有一角度 190。在一实施例中，角度190约为100度至120度。以另一种方式描述尖顶端180是借由示出一想象的水平线200，其通过尖顶端180的最高点。想象的水平线200于再成形的介电部100A、101A的尖顶端180的侧边上形成二角度210、211。角度210、211各约为30度至 40度。可以了解的是，可借由调整宽度140的大小(透过调整形成图案化光致抗蚀剂部 120的光刻工艺，如图3所示)以及介电层100的厚度110(未熔化的介电部100、101的高度，如图2所示)来调整再成形的介电部100A、101A的形状与几何结构(geometry)。再成形的介电部100A、101A可作为微透镜，以助于对射入的辐射(例如光)聚焦。 再成形的介电部100A、101A的尖的(pointy)或是尖锐的(sharp)轮廓有助于提升辐射聚焦的效能(radiation-focusing performance)，此一功能将于下文中作详细描述。参照图6，一介电材料230形成在再成形的介电部100A、101A上。介电材料230 填满开口 130、131、132(如图5所示)。介电材料230包括一不同于再成形的介电部100A、 101A的介电材料。举例来说，在一实施例中，介电部100A、101A包括氮化硅，介电材料230 可包括氧化硅或氮氧化硅。然后，以本领域所知的工艺平坦化介电材料230，以形成一平滑且平坦的上表面，例如以化学机械研磨工艺。之后，一含有多个彩色滤光片的彩色滤光层形成在平坦层230上。为简化起见，在图6中仅示出二个彩色滤光片250、251。彩色滤光片250、251可滤除不同波长的辐射波，其可对应不同颜色，例如原色(包括红色、绿色与蓝色)、或是互补色(包括青绿色、黄色与洋红色)。可将彩色滤光片250、251放在适当的位置以使希望的入射光辐射可被引导至彩色滤光片250、251上并通过彩色滤光片250、251。举例来说，彩色滤光片250可滤除入射的辐射，以使得只有红光可到达辐射感测单元50。彩色滤光片251可滤除入射的辐射，以使得只有绿光可到达辐射感测单元51。彩色滤光片250、251可包括染料型(dye-based)或是颜料型(pigment based)高分子或树脂以滤除特定的波长带(wavelength band)。在彩色滤光层形成之后，一顶部微透镜层形成于彩色滤光层上。为简化起见，图6仅示出二个顶微透镜沈0、沈1。顶微透镜沈0、261有助于分别引导辐射射向辐射感测单元 50、51。顶微透镜沈0、沈1可依据其所使用的材质的折射率以及其与基板40的表面的间距， 而以各种方式排列并可为各种形状。在一实施例中，顶微透镜260、261各包括一有机材料， 例如光致抗蚀剂材料或是高分子材料。顶微透镜沈0、沈1以一或多个光刻工艺形成。虽然为了简化而未特别介绍，但可以了解的是，可在彩色滤光层之下形成抗反射层，可在彩色滤光层与顶微透镜层之间形成一间隔材料。再者，虽然图2-图6示出的元件并未等比例示出且在工艺中可具有不同的比例，可以了解的是，顶微透镜沈0、彩色滤光片 250、再成形的介电部100A(作为一内埋微透镜)、以及辐射感测单元50皆至少部分彼此垂直对齐。同样地，顶微透镜261、彩色滤光片251、再成形的介电部IOlA(作为一内埋微透镜)、以及辐射感测单元51皆至少部分彼此垂直对齐。如上所述，再成形的介电部100A、101A各作为一内埋微透镜。这种内埋微透镜优于现行的微透镜，可以了解的是，本文公开的其他实施例的内埋微透镜可具有不同的优点， 且没有特别的优点是所有实施例都要具有的。一个优点为在此的内埋微透镜的工艺简易。 举例来说，内埋微透镜是以蚀刻工艺与退火工艺制得。相对地，公知的微透镜经常以多次的沉积、图案化(通常包括干式蚀刻)、烘烤与灰化工艺制得。在达到可接受的形状与几何结构以形成公知的微透镜之前，这些工艺可能需要重复相当多次。因此，公知的微透镜的工艺相当耗时且昂贵，而本发明的内埋微透镜的工艺相当快速且便宜。本发明的内埋微透镜的另一个优点为光聚焦性能较佳。一般而言，以传统的制作方法制得的微透镜的上表面具有圆形的轮廓。圆形的轮廓会导致光聚焦性能降低。相对地，本发明的内埋微透镜的上表面具有尖的或是尖角的轮廓。尖的或是尖角的轮廓可更有效地聚焦入射的光线。因此，本发明的内埋微透镜的光聚焦性能优于传统的微透镜。再者， 一般而言，由于需进行多次干式蚀刻工艺，因此，以传统的方法制作出的微透镜具有粗糙的表面。相对地，本发明的内埋微透镜并非以干式蚀刻工艺制得，因此，具有较为平滑的表面。 较为平滑的表面可具有较佳的光聚焦性能。本发明的一较广泛的形式为一半导体元件。半导体元件包括一辐射感测单元，形成于一基板中；一透明膜层，形成于基板上；以及一微透镜，内埋于透明膜层中，其中微透镜具有一尖顶端部。本发明的另一较广泛的形式为一图像感测元件。图像感测元件包括一像素，位于一基板中；一第一微透镜，内埋于位于基板上的一膜层中，第一微透镜的一第一上表面具有一角状的顶端；一彩色滤光片，位于膜层上；以及一第二微透镜，位于彩色滤光片上，第二微透镜的一第二上表面具有一接近圆形的轮廓；其中像素、第一微透镜、彩色滤光片、以及第二微透镜皆至少部分彼此对齐。本发明的又一较广泛的形式为一半导体元件的制作方法。半导体元件的制作方法包括形成一辐射感测单元于一基板中；形成一图案化介电层于基板上，图案化介电层包括多个介电部，且多个开口分隔开介电部；以及于图案化介电层上进行一激光退火工艺，以使各介电部熔化并再成形，而形成多个再成形的介电部，再成形的介电部各具有一尖顶端。本发明虽以较佳实施例公开如上，然其并非用以限定本发明的范围，任何所属技术领域中具有普通知识的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当以所附的权利要求所界定的范围为准。
权利要求
1.一种半导体元件，包括 一辐射感测单元，形成于一基板中； 一透明膜层，形成于该基板上；以及一微透镜，内埋于该透明膜层中，其中该微透镜具有一尖顶端部。
2.如权利要求1所述的半导体元件，还包括 一彩色滤光层，形成于该透明膜层上；以及另一微透镜，形成于该彩色滤光层上，其中内埋于该透明膜层中的该微透镜大体上对齐该另一微透镜。
3.如权利要求2所述的半导体元件，其中内埋于该透明膜层中的该微透镜与该另一微透镜包括不同的材料。
4.如权利要求3所述的半导体元件，其中内埋于该透明膜层中的该微透镜包括一介电材料，且该另一微透镜包括一有机材料。
5.如权利要求1所述的半导体元件，其中该尖顶端部具有一角度，该角度约为100度至 120 度。
6.一种图像感测元件，包括一像素，位于一基板中；一第一微透镜，内埋于位于该基板上的一膜层中，该第一微透镜的一第一上表面具有一角状的顶端；一彩色滤光片，位于该膜层上；以及一第二微透镜，位于该彩色滤光片上，该第二微透镜的一第二上表面具有一接近圆形的轮廓；其中该像素、该第一微透镜、该彩色滤光片、以及该第二微透镜皆至少部分彼此对齐。
7.一种半导体元件的制作方法，包括 形成一辐射感测单元于一基板中；形成一图案化介电层于该基板上，该图案化介电层包括多个介电部，且多个开口分隔开所述多个介电部；以及于该图案化介电层上进行一激光退火工艺，以使各该介电部熔化并再成形，而形成多个再成形的介电部，所述多个再成形的介电部各具有一尖顶端。
8.如权利要求7所述的半导体元件的制作方法，还包括，在进行该激光退火工艺之后 于所述多个再成形的介电部上形成一透明材料；平坦化该透明材料以形成一透明膜层，所述多个再成形的介电部内埋于该透明膜层中；于该透明膜层上形成一彩色滤光层；以及于该彩色滤光层上形成多个微透镜。
9.如权利要求8所述的半导体元件的制作方法，其中各该微透镜对齐所述多个再成形的介电部的其中之一，所述多个再成形的介电部各作为该透明膜层中的一内埋微透镜。
10.如权利要求7所述的半导体元件的制作方法，其中该图案化介电层的形成方式使各该介电部于该激光退火工艺之前具有一第一宽度与一第一高度；以及该激光退火工艺的进行方式使各该再成形的介电部具有一第二宽度与一第二高度，该第二宽度大致上相等于该第一宽度，且该第二高度大于该第一高度。
全文摘要
本发明提供一种半导体元件及其制作方法与图像感测元件。图像感测元件包括一像素，位于一基板中；一第一微透镜，内埋于位于基板上的一膜层中，第一微透镜的一第一上表面具有一角状的顶端；一彩色滤光片，位于膜层上；以及一第二微透镜，位于彩色滤光片上，第二微透镜的一第二上表面具有一接近圆形的轮廓；其中像素、第一微透镜、彩色滤光片、以及第二微透镜皆至少部分彼此对齐。本发明的半导体元件的制作工艺相当快速且便宜，而且光聚焦性能较佳。
文档编号H01L27/146GK102446930SQ201110054069
公开日2012年5月9日 申请日期2011年3月4日 优先权日2010年10月13日
发明者刘世昌, 周世培, 杜友伦, 蔡嘉雄 申请人:台湾积体电路制造股份有限公司