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TWI572024B - 半導體元件及其製造方法 - Google Patents

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TWI572024B
TWI572024B TW104121918A TW104121918A TWI572024B TW I572024 B TWI572024 B TW I572024B TW 104121918 A TW104121918 A TW 104121918A TW 104121918 A TW104121918 A TW 104121918A TW I572024 B TWI572024 B TW I572024B
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dielectric layer
shielding layer
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鍾澤偉
周宗輝
張旭廷
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力晶科技股份有限公司
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Description

半導體元件及其製造方法
本發明是有關於一種積體電路及其製造方法，且特別是有關於一種半導體元件及其製造方法。
影像感測器(image sensor)是一種將光學影像轉換成電子訊號的設備，它被廣泛地應用在數位相機和其他電子光學設備中。早期的影像傳感器採用類比訊號，如攝像管(video camera tube)。如今，影像感測器主要分為電荷耦合(charge-coupled device，CCD)型和互補式金屬氧化半導體(CMOS)型兩種。
CMOS型影像感測器是應用CMOS製造技術，使光學影像轉換為電信號的元件。相較於CCD型影像感測器，CMOS感測器可將信號處理電路製作成單一晶片，其不僅可使產品體積縮小，且亦可相容於CMOS技術。因此，CMOS感測器具有節省製造成本以及降低電力損耗的優點。
一般而言，會在感光元件上形成光導管結構，以增加CMOS型影像感測器的光敏感性。然而，光導管結構上方以外的 光(亦即散射光線)有可能會被傳送至光導管結構下方的感光元件。此情形會造成干擾(cross-talk)現象，使得CMOS型影像感測器所接收到的雜訊增加，進而降低影像解析度。
本發明提供一種具有遮蔽層環繞光導管結構的半導體元件及其製造方法，其可遮蔽光導管結構上方以外的光，以避免光散射而造成影像解析度降低的問題。
本發明提供一種半導體元件，包括：基底、至少一感測器、介電層、至少一光導管結構、至少一焊墊、遮蔽層以及保護層。基底具有第一區與第二區。感測器位於第一區的基底中。介電層位於第一區與第二區的基底上。光導管結構位於第一區的介電層中。光導管結構對應於感測器。焊墊位於第二區的介電層中。遮蔽層位於介電層上，其中遮蔽層環繞光導管結構。保護層位於遮蔽層上。焊墊上方的介電層、遮蔽層以及保護層中具有至少一焊墊開口，以暴露對應的焊墊的頂面。
本發明提供一種半導體元件的製造方法，其步驟如下。提供基底。基底具有第一區與第二區。形成至少一感測器於第一區的基底中。形成介電層於第一區與第二區的基底上。形成至少一光導管結構於第一區的介電層中。光導管結構對應於感測器。形成至少一焊墊於第二區的介電層中。形成遮蔽層於介電層上，其中遮蔽層環繞光導管結構。形成保護層於遮蔽層上。焊墊上方 的介電層、遮蔽層以及保護層中具有至少一焊墊開口，以暴露對應的焊墊的頂面。
本發明提供一種半導體元件，包括：介電層、多個焊墊、遮蔽層以及保護層。介電層位於基底上。焊墊位於介電層中。遮蔽層位於介電層上。保護層位於遮蔽層上。焊墊上方的介電層、遮蔽層以及保護層中具有多個焊墊開口，以暴露對應的焊墊的頂面。
基於上述，本發明藉由遮蔽層環繞光導管結構，以遮蔽光導管結構上方以外的光(亦即散射光線)。因此，本發明便可降低干擾現象的產生，以降低CMOS型影像感測器所接收到的雜訊，進而提高影像解析度。另外，本發明亦利用遮蔽層環繞焊墊開口，其可解決由於熱處理製程而導致保護層分層(delaminated)的問題。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
1、2、3‧‧‧半導體元件
10、20、40‧‧‧開口
30‧‧‧光導管開口
50‧‧‧焊墊開口
100‧‧‧基底
102‧‧‧感測器
104、104a、104b‧‧‧介電層
106a、106b‧‧‧閘極
108a、108b‧‧‧金屬內連線
110a、110b、114a、114b、118a、118b‧‧‧接觸插塞
112a、112b、116a、116b‧‧‧圖案化導體層
120‧‧‧遮蔽層
120a‧‧‧第一部分
120b‧‧‧第二部分
122‧‧‧焊墊
124、124b‧‧‧濾光材料層
124a‧‧‧光導管結構
126‧‧‧保護層
128‧‧‧罩幕層
200‧‧‧畫素陣列區
H‧‧‧高度
R1‧‧‧第一區
R2‧‧‧第二區
圖1A至圖1F為本發明之第一實施例的半導體元件的製造方法的剖面示意圖。
圖2為本發明之第二實施例的半導體元件的上視示意圖。
圖3為本發明之第三實施例的半導體元件的上視示意圖。
圖1A至圖1F為本發明之第一實施例的半導體元件的製造方法的剖面示意圖。
請先參照圖1F，本實施例提供一種半導體元件1，包括：基底100、至少一感測器102、介電層104、至少一光導管結構124a、至少一焊墊122、遮蔽層120以及保護層126。基底100具有第一區R1與第二區R2。感測器102位於第一區R1的基底100中。介電層104位於第一區R1與第二區R2的基底100上。光導管結構124a位於第一區R1的介電層104中。光導管結構124a對應於感測器102。焊墊122位於第二區R2的介電層104中。遮蔽層120位於介電層104上。遮蔽層120配置在光導管結構124a的周圍且環繞光導管結構124a。保護層126位於遮蔽層120上。焊墊120上方的介電層104b、遮蔽層120以及保護層126中具有至少一焊墊開口50，以暴露對應的焊墊122的頂面。遮蔽層120配置在焊墊開口50的周圍且環繞焊墊開口50。
值得一提的是，光導管結構124a可用以過濾光導管結構124a上方的光，其僅允許特定波長的光通過光導管結構124a到達感測器102的表面。而本實施例利用遮蔽層120配置在光導管結構124a的周圍且環繞光導管結構124a，其可阻擋光導管結構124a上方以外的光(亦即散射光線)。因此，本實施例便可降低干擾現象的產生，以降低光導管結構124a下方的感測器102所接收到的雜訊，進而提高影像解析度。
此外，本實施例亦利用遮蔽層120配置在焊墊開口50的周圍且環繞焊墊開口50，因此，焊墊開口50周圍的遮蔽層120配置在保護層126與介電層104b之間。相較於濾光材料層124b，由於遮蔽層120與保護層126的熱膨脹係數較為接近，所以，在經過形成焊墊開口50的蝕刻製程或是後續熱處理製程時，本實施例較不容易產生保護層126的分層的問題。
以下段落將說明上述實施例的半導體元件1的製造方法，其步驟如下所示。
請參照圖1A，提供基底100。基底100具有第一區R1與第二區R2。基底100可例如是具有第一導電型的半導體基底，例如P型基底。半導體基底的材料例如是選自於由Si、Ge、SiGe、GaP、GaAs、SiC、SiGeC、InAs與InP所組成的群組中的至少一種材料。在一實施例中，第一區R1可例如是畫素陣列區(pixel array region)；而第二區R2可例如是周邊區(periphery region)。
接著，形成感測器102於第一區R1的基底100中。在一實施例中，感測器102可例如是感光二極體(photodiode)、電晶體(MOSFET)或其組合。
之後，形成介電層104於第一區R1與第二區R2的基底100上。介電層104的材料可例如是氧化矽、硼磷矽玻璃(BPSG)或其組合，其形成方法可例如是化學氣相沈積法。
然後，依序形成閘極106a、106b以及金屬內連線108a、108b於第一區R1的介電層104中。感測器102位於閘極106a、 106b之間的基底100中。具體而言，閘極106a、106b以及金屬內連線108a、108b的形成方法其步驟如下。首先，形成閘極106a、106b於第一區R1的基底100上。再形成介電層104a覆蓋閘極106a、106b以及感測器102的表面。接著，於第一區R1的介電層104a中形成兩個接觸窗開口，所述接觸窗開口分別暴露閘極106a、106b的表面(未繪示)。之後，將導體材料填入所述接觸窗開口，以形成接觸插塞110a、110b。接著，於介電層104a上形成圖案化導體層112a、112b。圖案化導體層112a電性連接至接觸插塞110a；圖案化導體層112b電性連接至接觸插塞110b。然後，形成介電層104b覆蓋圖案化導體層112a、112b以及介電層104a的表面。之後，依照上述接觸插塞110a、110b以及圖案化導體層112a、112b的形成方法依序形成接觸插塞114a、114b、圖案化導體層116a、116b以及接觸插塞118a、118b。
在一實施例中，閘極106a、106b可例如是轉移閘。在一實施例中，閘極106a、106b的材料可例如是摻雜多晶矽、非摻雜多晶矽或其組合，其形成方法可利用化學氣相沈積法來形成。在一實施例中，金屬內連線108a、108b的材料可例如是鈦(Ti)、氮化鈦(TiN)、氮化鉭(TaN)、鎢(W)、鈦鎢(TiW)、鋁(Al)、銅(Cu)或其組合。接觸插塞110a、110b、114a、114b、118a、118b的材料與圖案化導體層112a、112b、116a、116b的材料可以相同，亦或可以不同。金屬內連線108a、108b的形成方法可例如是物理氣相沈積法或化學氣相沈積法。
接著，形成焊墊122於第二區R2的介電層104中。焊墊122的形成方法與圖案化導體層116a、116b的形成方法相似，於此便不再贅述。在一實施例中，焊墊122與圖案化導體層116a、116b可同時形成。但本發明不以此為限，在其他實施例中，可先形成焊墊122，而後形成圖案化導體層116a、116b。反之，亦可先形成圖案化導體層116a、116b，而後形成焊墊122。在一實施例中，焊墊122的材料可例如是鎢、鋁、銅或其組合，其形成方法可例如是物理氣相沈積法或化學氣相沈積法。
之後，形成遮蔽層120於介電層104上。遮蔽層120具有開口10以及多個開口20。開口10配置於金屬內連線108a、108b之間且對應於感測器102。開口20配置於第二區R2的介電層104上。在一實施例中，遮蔽層的材料包括金屬。所述金屬可例如是鎢、鋁、銅或其組合，其形成方法可例如是物理氣相沈積法或化學氣相沈積法。在一實施例中，遮蔽層的厚度可例如是1nm至1,000nm。
請參照圖1B，以遮蔽層120為罩幕，移除部分介電層104，以形成光導管開口30。雖然圖1B中的光導管開口30的底面與基底100的表面之間具有部分介電層104a，但本發明不限於此。在其他實施例中，光導管開口30可暴露出基底100的表面(亦即感測器102的表面)。在一實施例中，移除部分介電層104的方法可例如是乾式蝕刻法。乾式蝕刻法可例如是反應性離子蝕刻法(RIE)。在一實施例中，光導管開口30的底面與基底100的表面 之間的高度H可例如是1nm至10,000nm。
請參照圖1C，形成濾光材料層124於介電層104上。濾光材料層124填入開口10、開口20以及光導管開口30以及且覆蓋遮蔽層120的表面。在一實施例中，濾光材料層124的材料可例如是聚合物(Polymer)。在一實施例中，濾光材料層124的材料的折射率與介電層104的折射率不同。濾光材料層124的形成方法可例如是旋轉塗佈(spin on coating)法或化學氣相沉積法。
請參照圖1D，移除部分濾光材料層124，以暴露遮蔽層120的表面。此時，填入開口10以及光導管開口30中的濾光材料層124a可視為光導管結構124a。如圖1D所示，遮蔽層120配置在光導管結構124a的周圍且環繞光導管結構124a，其可阻擋光導管結構124a上方以外的光(亦即散射光線)。因此，本實施例便可降低干擾現象的產生，以降低光導管結構124a下方的感測器102所接收到的雜訊，進而提高影像解析度。在一實施例中，光導管結構124a的頂面與遮蔽層120的頂面實質上共平面。在其他實施例中，光導管結構124a的頂面與遮蔽層120的頂面亦可具有實際製程上的些微高度差異。在一實施例中，移除部分濾光材料層124的方法可例如是化學機械研磨法(CMP)。
請參照圖1E，依序形成保護層126以及罩幕層128於遮蔽層120上。罩幕層128具有開口40。開口40對應於其下方的焊墊122。在一實施例中，保護層126的材料包括低溫材料層。低溫材料層可例如是氮化矽(SiN)、氧化矽(SiO)、氧化鉭(TaO)或 其組合。保護層126的形成方法可例如是化學氣相沈積法。在一實施例中，罩幕層128的材料可例如是光阻、氮化物或其組合，其形成方法可例如是化學氣相沈積法。
請同時參照圖1E與圖1F，以罩幕層128為罩幕，移除部分保護層126、部分遮蔽層120以及部分介電層104，以形成焊墊開口50。焊墊開口50暴露焊墊122的表面。之後，移除罩幕層128。由圖1F可知，遮蔽層120配置在焊墊開口50的周圍且環繞焊墊開口50。另外，焊墊開口50周圍的遮蔽層120亦配置在保護層126與介電層104b之間。相較於濾光材料層124b，由於遮蔽層120與保護層126的熱膨脹係數較為接近，所以，在經過焊墊開口50的蝕刻製程或是後續熱處理製程時，本實施例較不容易產生保護層126的分層的問題。在一實施例中，移除部分保護層126、部分遮蔽層120以及部分介電層104的方法可例如是乾式蝕刻法。乾式蝕刻法可例如是反應性離子蝕刻法。
圖2為本發明之第二實施例的半導體元件的上視示意圖。
請參照同時參照圖1F與圖2，在一實施例中，圖2可視為是圖1F的上視示意圖。為圖面清楚起見，在圖2中僅繪示出基底100、焊墊122、遮蔽層120以及畫素陣列區200。其他構件的連接關係請參照上述段落，於此便不再贅述。本實施例之半導體元件2，包括：基底100、焊墊122、遮蔽層120以及畫素陣列區200。基底100具有第一區R1與第二區R2。畫素陣列區200位於第一區R1的基底100上。焊墊122位於第二區R2的基底100上。 遮蔽層120具有焊墊開口50，焊墊開口50暴露對應的焊墊122的頂面。具體來說，遮蔽層120包括第一部分120a與第二部分120b。在一實施例中，第一部分120a可例如是環形結構，其環繞焊墊開口50。第二部分120b可例如是多個矩形結構，其排列成陣列。所述矩形結構環繞第一部分120a。但本發明不以此為限，在其他實施例中，第二部分120b可例如多個圓形結構、多邊形結構或其組合。在一實施例中，第一部分120a與第二部分120b互不接觸。此外，在一些實施例中，焊墊122可例如是一個或多個焊墊122。焊墊開口50可例如是一個或多個焊墊開口50。第一部分120a可例如是一個或多個第一部分120a。第二部分120b可例如是一個或多個第二部分120b。
圖3為本發明之第三實施例的半導體元件的上視示意圖。
請參照圖3，圖3與圖2基本上相似，兩者不同之處在於：圖3的遮蔽層120的第一部分與第二部分互相接觸，以形成一整個遮蔽層120。而圖3的遮蔽層120亦配置在焊墊開口50的周圍且環繞焊墊開口50，以解決保護層分層的問題。
綜上所述，本發明藉由遮蔽層環繞光導管結構，以遮蔽光導管結構上方以外的光(亦即散射光線)。因此，本發明便可降低干擾現象的產生，以降低CMOS型影像感測器所接收到的雜訊，進而提高影像解析度。另外，本發明亦利用遮蔽層環繞焊墊開口，其可解決由於熱處理製程而導致保護層分層的問題。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本 發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
1：半導體元件 50：焊墊開口 100：基底 102：感測器 104、104a、104b：介電層 106a、106b：閘極 108a、108b：金屬內連線 110a、110b、114a、114b、118a、118b：接觸插塞   112a、112b、116a、116b：圖案化導體層 120：遮蔽層 122：焊墊 124a：光導管結構 124b：濾光材料層 126：保護層 H：高度 R1：第一區 R1：第二區

Claims (20)

  1. 一種半導體元件，包括： 一基底，具有一第一區與一第二區； 至少一感測器，位於該第一區的該基底中； 一介電層，位於該第一區與該第二區的該基底上； 至少一光導管結構，位於該第一區的該介電層中，其中該光導管結構對應於該感測器； 至少一焊墊，位於該第二區的該介電層中； 一遮蔽層，位於該介電層上，其中該遮蔽層環繞該光導管結構；以及 一保護層，位於該遮蔽層上，其中該焊墊上方的該介電層、該遮蔽層以及該保護層中具有至少一焊墊開口，以暴露對應的該焊墊的頂面。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的半導體元件，其中該遮蔽層環繞該焊墊開口。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的半導體元件，其中該光導管結構的頂面與該遮蔽層的頂面實質上共平面。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的半導體元件，其中該光導管結構的材料包括一濾光材料，其中該濾光材料的折射率與該介電層的折射率不同。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的半導體元件，其中該濾光材料包括聚合物（Polymer）。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的半導體元件，其中該遮蔽層的材料包括一金屬，該金屬包括鎢（W）、鋁（Al）、銅（Cu）或其組合。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的半導體元件，其中該保護層的材料包括一低溫材料層，該低溫材料層包括氮化矽（SiN）、氧化矽（SiO）、氧化鉭（TaO）或其組合。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的半導體元件，其中該第一區為畫素陣列區，該第二區為周邊區。
  9. 一種半導體元件的製造方法，包括： 提供一基底，該基底具有一第一區與一第二區； 形成至少一感測器於該第一區的該基底中； 形成一介電層於該第一區與該第二區的該基底上； 形成至少一光導管結構於該第一區的該介電層中，其中該光導管結構對應於該感測器； 形成至少一焊墊於該第二區的該介電層中； 形成一遮蔽層於該介電層上，其中該遮蔽層環繞該光導管結構；以及 形成一保護層於該遮蔽層上，其中該焊墊上方的該介電層、該遮蔽層以及該保護層中具有至少一焊墊開口，以暴露對應的該焊墊的頂面。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的半導體元件的製造方法，其中形成該光導管結構於該第一區的該介電層中的方法包括： 形成該遮蔽層於該介電層上，其中該遮蔽層具有至少一第一開口且對應於該感測器； 以該遮蔽層為罩幕，移除部分該介電層，以形成一光導管開口； 形成一濾光材料層於該介電層上，以填入該光導管開口且覆蓋該遮蔽層；以及 移除部分該濾光材料層，以暴露該遮蔽層的表面。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的半導體元件的製造方法，其中移除部分該濾光材料層的方法包括化學機械研磨法。
  12. 如申請專利範圍第10項所述的半導體元件的製造方法，其中該光導管開口暴露該基底的表面。
  13. 如申請專利範圍第10項所述的半導體元件的製造方法，其中該光導管開口的底面與該基底的表面之間具有部分該介電層。
  14. 如申請專利範圍第9項所述的半導體元件的製造方法，在形成該光導管結構於該第一區的該介電層中之前，更包括：形成至少兩個金屬內連線於該第一區的該介電層中，使得該光導管結構位於該些金屬內連線之間。
  15. 如申請專利範圍第9項所述的半導體元件的製造方法，其中形成該焊墊開口的方法包括： 形成一罩幕層於該保護層上，該罩幕層具有至少一第二開口，該第二開口對應於該焊墊；以及 以該罩幕層為罩幕，移除部分保護層、部分遮蔽層以及部分介電層，以暴露該焊墊的表面。
  16. 如申請專利範圍第9項所述的半導體元件的製造方法，其中該保護層的材料包括一低溫材料層，該低溫材料層包括氮化矽（SiN）、氧化矽（SiO）、氧化鉭（TaO）或其組合。
  17. 一種半導體元件，包括： 一介電層，位於一基底上； 多個焊墊，位於該介電層中； 一遮蔽層，位於該介電層上；以及 一保護層，位於該遮蔽層上，其中該些焊墊上方的該介電層、該遮蔽層以及該保護層中具有多個焊墊開口，以暴露對應的該些焊墊的頂面。
  18. 如申請專利範圍第17項所述的半導體元件，其中該遮蔽層具有多個第一部分與一第二部分，該些第一部分分別環繞該些焊墊開口，而該第二部分環繞該些第一部分。
  19. 如申請專利範圍第18項所述的半導體元件，其中該些第一部分與該第二部分互相接觸或是互不接觸。
  20. 如申請專利範圍第17項所述的半導體元件，其中該遮蔽層的材料包括一金屬，該金屬包括鎢（W）、鋁（Al）、銅（Cu）或其組合。
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