TW201308584A - 影像感測裝置及其製造方法及背面受光型影像感測裝置 - Google Patents

Abstract

本發明揭示一種影像感測裝置，其包括具有前側及背側的一半導體基底。一第一介電層位於半導體基底的前側上。一金屬接墊位於第一介電層內。一第二介電層位於第一介電層上，且位於半導體基底的前側上。一開口自半導體基底的背側穿過半導體基底，其中開口包括一第一部延伸露出金屬接墊的一部分以及一第二部延伸露出第二介電層的一部分。一金屬層位於開口的第一部及第二部內。

Description

影像感測裝置及其製造方法及背面受光型影像感測裝置

本發明係有關於一種積體電路結構，特別是有關於一種背面受光型(backside illumination,BSI)影像感測裝置中的接墊結構。

由於背面受光型(BSI)影像感測晶片具有較高的光子捕獲效率而取代了正面光型影像感測晶片。在BSI影像感測晶片的製造中，影像感測器及邏輯電路形成於晶圓的矽基底上，接著在矽晶片的正面形成內連結構。內連結構包括覆數個金屬層，其包括底層金屬層M1至頂層金屬層Mtop。

接著，翻轉晶圓，從矽基底的背面對矽基底進行背側研磨。一緩衝氧化層可形成於剩餘的矽基底的背表面，並形成一第一開口，其自緩衝氧化層延伸並終止於矽基底內的淺溝槽隔離(shallow trench isolation,STI)襯墊。接著在第一開口內形成一第二開口，以進一步蝕刻STI襯墊以及位於被蝕刻的STI襯墊下方的內層介電(interlayer dielectric,ILD)層，而露出底層金屬層M1中的金屬接墊。第二開口小於第一開口。接著在第一開口及第二開口內形成一鋁銅接墊，且電性耦接至底層金屬層M1中的金屬接墊。鋁銅接墊可用於接合至BSI晶片。

可以發現在傳統的接合結構會在接合球剪力測試期間遭遇到膜層剝離問題。底層金屬層M1中的金屬接墊，其接合至鋁銅接墊，可能會從下方的蝕刻終止層剝離。金屬接墊與蝕刻終止層(其通常由碳化矽所構成)之間不佳的黏著力會造成剝離。

在本發明一實施例中，一種影像感測裝置包括：一半導體基底，包括一前側及一背側；一第一介電層，位於半導體基底的前側上；一金屬接墊，位於第一介電層內；一第二介電層，位於第一介電層上，且位於半導體基底的前側上；一開口，自半導體基底的背側穿過半導體基底，其中開口包括一第一部以延伸露出一部分的金屬接墊以及一第二部以延伸露出一部分的第二介電層；以及一金屬層，形成於開口的第一部及第二部內。

在本發明另一實施例中，一種背面受光型影像感測裝置包括：一半導體基底；一淺溝槽隔離襯墊，自半導體基底的一前表面延伸於半導體基底內；一低介電常數介電層，位於半導體基底的前表面上；一金屬接墊，位於低介電常數介電層內；一非低介電常數介電層，位於低介電常數介電層上；一第一開口，自半導體基底的一背表面延伸於半導體基底內，穿過淺溝槽隔離襯墊以及延伸露出一部分的金屬接墊；一第二開口，自半導體基底的背表面延伸於半導體基底內，穿過低介電常數介電層以及延伸露出一部分的非低介電常數介電層；以及一金屬層，形成於第一開口內，且持續延伸至第二開口，其中金屬層電性耦接至金屬接墊。

在本發明又一實施例中，一種影像感測裝置之製造方法包括：在一半導體基底的一前側上形成一影像感測裝置及一隔離襯墊；在位於半導體基底的前側上的影像感測裝置及隔離襯墊上方形成複數個第一介電層，其中一金屬接墊形成於第一介電層的其中一個內；在位於半導體基底的前側上的第一介電層上形成一第二介電層；自半導體基底的一背側形成一第一開口，以穿過隔離襯墊，且露出一部分的金屬接墊；自半導體基底背側形成一第二開口，以穿過隔離襯墊及第一介電層，且露出一部分的第二介電層；以及在第一開口及第二開口內形成一金屬層，其中金屬層電性耦接至金屬接墊。

以下說明本發明實施例之製作與使用。然而，可輕易了解本發明實施例提供許多合適的發明概念而可實施於廣泛的各種特定背景。所揭示的特定實施例僅僅用於說明以特定方法製作及使用本發明，並非用以侷限本發明的範圍。

以下根據不同實施例提供用於背面受光型(BSI)影像感測裝置的接墊結構及其製造方法。以下以圖式說明BSI接墊結構的中間製造階段並詳細說明各個實施例。全文中各個圖式及實施例說明中，相同的部件係以相同的標號表示之。

第1至6圖係繪示出根據一些實施例之接墊結構的中間製造階段剖面示意圖。第1圖係繪示出一影像感測晶片20，其為晶圓22的一部分。影像感測晶片20包括半導體基底26，其為單晶矽基底或由其他半導體材料所構成的半導體基底。在以下的內文中，表面26A表示為半導體基底26的前表面，而表面26B表示為半導體基底26的背表面。影像感測器24可為光敏金氧半(MOS)電晶體或光敏二極體，其形成於半導體基底26的表面。因此，晶圓22可為一影像感測晶圓。在以下內文中，影像感測器24所處的一側表示為半導體基底26的前側，而其相對側則為半導體基底26的背側。介電襯墊36可為淺溝槽隔離(shallow trench isolation,STI)襯墊，其自半導體基底26的上表面(其為前表面26A)延伸於半導體基底26內。

內連結構28形成於半導體基底26上方，且用於電性內連接影像感測晶片20內的裝置。內連結構28包括內層介電(interlayer dielectric,ILD)層25，其形成於半導體基底26上方，其中接觸插塞(未繪示)可形成於ILD層25內。金屬層包括位於介電層30內的金屬線/接墊32及介層窗(via)34。影像感測器24可電性耦接至位於金屬層M1至Mtop內的金屬線/接墊32及介層窗34。

金屬層係標示為M1、M2...至Mtop，其中金屬層M1為內連結構28的底層金屬層，而金屬層Mtop則為內連結構28的頂層金屬層。在圖示實施例中，具有四層金屬層且金屬層Mtop為M4。然而，晶圓22可包括更多或更少層的金屬層。在一實施例中，介電層30(其內形成了金屬層M1至Mtop-1內的金屬線/接墊32及介層窗34)為低介電常數(low-k)介電層，例如，其介電常數值低於3.0或低於3.0。介電層31(其內形成了頂層金屬層Mtop內的金屬線/接墊32及介層窗34)為非低介電常數介電層，例如，其介電常數值大於3.9或大於4.5。在一實施例中，介電層31為氧化矽，例如：未摻雜矽玻璃(undoped silicate glass,USG)、硼摻雜矽玻璃(boron-doped silicate glass,BSG)、磷摻雜矽玻璃(phosphorous-doped silicate glass,PSG)或硼摻雜磷矽玻璃(boron-doped phosphor-silicate glass,BPSG)等等。

鈍化保護層38形成於頂層金屬層Mtop的上方。鈍化保護層38可由非低介電常數介電材料所構成，其介電常數(k值)大於3.9。在一實施例中，鈍化保護層38可由氧化矽層及位於其上的氮化矽層所構成。

請參照第2圖，翻轉晶圓22，且貼合至一載板(未繪示)，其位於晶圓22下方。因此，第1圖中每一特徵部件(feature)的上表面變為下表面，反之亦然。半導體基底26面向上。進行背側研磨以薄化半導體基底26，直至晶圓22的厚度小於約20微米(μm)或小於10微米。最終半導體基底26的背表面標示為26B。在此厚度下，光能夠自半導體基底26的背側(其與前側相對)穿透剩餘的半導體基底26而抵達影像感測器24。在進行薄化之後，緩衝氧化層40可形成於半導體基底26的表面。在一實施例中，緩衝氧化層40包括一氧化矽層、位於氧化矽層上的一底層抗反射(bottom anti-reflective coating,BARC)層以及位於BARC層上的另一氧化矽層，然而緩衝氧化層40也可具有不同的結構且由不同材料所構成。

請參照第3圖，蝕刻緩衝氧化層40及半導體基底26以形成開口41。在此蝕刻步驟中，STI襯墊36係作為蝕刻終止層，且開口41的底部係終止於STI襯墊36上。接著，形成金屬遮蔽層42。在一實施例中，在一實施例中，金屬遮蔽層42的製做包括形成一金屬層，接著圖案化金屬層以留下金屬遮蔽層42位於局部的半導體基底26上，使金屬遮蔽層42阻擋光抵達部分的裝置27(例如電晶體)，其位於金屬遮蔽層42正下方。金屬遮蔽層42可包括鋁及/或銅。在形成金屬遮蔽層42之後，形成緩衝氧化層44。緩衝氧化層44可由相似於緩衝氧化層40的材料所構成。緩衝氧化層44包括位於半導體基底26上的一第一部以及延伸於開口41內的一第二部。第二部更包括一部分位於半導體基底26側壁上以及一部分位於STI襯墊36上。

接著，請參照第4圖，形成光阻層46並圖案化，再以光阻層58作為蝕刻罩幕來蝕刻STI襯墊36，因而形成開口48。開口48的底部48A位於金屬接墊32A上。在進行蝕刻期間，也蝕刻STI襯墊36及ILD層25，且終止於金屬接墊32A。在一實施例中，金屬接墊32A位於底層金屬層M1內，然而其也可位於其他金屬層內，例如金屬層M2及M3。如此一來，開口48露出金屬接墊32A。接著去除光阻層46。

請參照第5圖，形成光阻層50並圖案化，以形成開口52。再以光阻層58作為蝕刻罩幕來蝕刻STI襯墊36，因而形成開口60。在進行蝕刻期間，也蝕刻低介電常數介電層30，蝕刻終止於切齊或低於非低介電常數介電層31的上表面31A的層位。因此，開口52的下表面52A與半導體基底26之間的垂直距離V2大於開口48的下表面48A與半導體基底26之間的垂直距離V1，因此下表面52A比下表面48A離半導體基底26還要遠。在一實施例中，蝕刻可在開口52露出非低介電常數介電層31時終止，且開口52的下表面52A切齊於非低介電常數介電層31的上表面31A。根據各自的實施例的開口52的下表面52A以虛線53表示。由於過蝕刻的邊際效應(side effect)，開口52的底部也可終止於非低介電常數介電層31的上表面31A與其下表面31B之間的一既定層位。在另一實施例中，開口52的底部可切齊或低於低介電常數介電層31的下表面31B。因此，開口52可延伸於鈍化保護層38內。在進行蝕刻步驟之後，去除光阻層50。需注意的是為了繪示出金屬層細節部分，圖示中開口52的深寬比(aspect ratio)大於形成於實體晶圓上的實際開口的深寬比。實際開口的水平尺寸明顯大於開口52的高度(有時大於數十倍)。在所產生的結構中，開口41(第3圖)及開口48(第4圖)構成一連續開口。

第6圖係繪示出黏合層54(其為一阻障層)及金屬層56的製做及圖案化。上述製做包括；沉積一(順應性)黏合層；在黏合層上沉積一金屬接墊層；及圖案化黏合層及金屬接墊層，以形成第6圖的結構。黏合層54可由鉭、氮化鉭、鈦或氮化鈦等等所構成。金屬層56可由含鋁金屬材料所構成，例如鋁銅，然而也可使用其他金屬及金屬合金。

第6圖也繪示出鈍化保護層62的製做，其可由介電材料所構成。在一實施例中，鈍化保護層62包括一氧化矽層及位於其上的一氮化矽層所構成，然而也可使用其他的介電材料，例如USG。接著圖案化鈍化保護層62，使開口52內的金屬層56露出，同時鈍化保護層62覆蓋開口48內的金屬層56及金屬遮蔽層42上方的緩衝氧化層44。可去除影像感測器24正上方的鈍化保護層62，使彩色濾光片及透鏡(未繪示)可形成於影像感測器24正上方。因此，光(標示為曲線箭號68)可穿透緩衝氧化層40及44及半導體基底26以抵達影像感測器24(其將光轉換成電子信號)。

第7圖係繪示出第6圖結構的局部平面示意圖，其中開口48及52形成於開口41的邊界之內。STI襯墊36包括圍繞開口48及52的部分。

請再參照第6圖。在一實施例中，進行打線接合以形成打線接合凸塊64，其與由金屬層56所構成的金屬接墊接合。打線接合凸塊64可包括金或鋁等等。可在切割晶圓22成影像感測晶片之後進行打線接合。在所產生的結構中，打線接合凸塊64可與金屬接墊32A直接接觸，其進一步電性耦接至其他的裝置，例如影像感測器24及/或位於金屬遮蔽層42下方的裝置27。

在本實施例中，黏合層54與金屬層56都包括三部分，一第一部位於開口48內，一第二部位於開口52內，而第三部內連接第一部及第二部。第一部以圖式中標示線段102與線段104之間的區域表示。第二部以圖式中標示線段106與線段108之間的區域表示。第三部以圖式中標示線段104與線段106之間的區域表示。黏合層54與金屬層56的第一部構成與金屬接墊32A的電性連接。黏合層54與金屬層56的第二部構成用於接合製程的一接合墊。第三部則作為第一部與第二部之間的電性連接。由於接合製程係於第二部之處進行，而第二部係位於非低介電常數介電材料(例如，非低介電常數介電層31)上，因而降低膜層剝離的可能性。黏合層54對於金屬層56與非低介電常數介電層31兩者都具有良好的黏著性，因而黏合層54及其上方的接線凸塊較不可能自非低介電常數介電層31處剝離。另一方面，仍是透過金屬接墊32A來進行。

根據上述實施例，一種影像感測裝置包括一半導體基底，其包括一前側及一背側。一第一介電層位於半導體基底的前側上。一金屬接墊位於第一介電層內。一第二介電層位於第一介電層上，且位於半導體基底的前側上。一開口自半導體基底的背側穿過半導體基底，其中開口包括一第一部以延伸露出一部分的金屬接墊以及一第二部以延伸露出一部分的第二介電層。一金屬層形成於開口的第一部及第二部內。

根據其他實施例，一種背面受光型影像感測裝置包括一半導體基底及一淺溝槽隔離襯墊自半導體基底的一前表面延伸於半導體基底內。一低介電常數介電層位於半導體基底的前表面上。一金屬接墊位於低介電常數介電層內。一非低介電常數介電層位於低介電常數介電層上。一第一開口自半導體基底的一背表面延伸於半導體基底內，穿過淺溝槽隔離襯墊以及延伸露出一部分的金屬接墊。一第二開口自半導體基底的背表面延伸於半導體基底內，穿過低介電常數介電層以及延伸露出一部分的非低介電常數介電層。一金屬層形成於第一開口內，且持續延伸至第二開口，其中金屬層電性耦接至金屬接墊。

又根據其他實施例中，一種影像感測裝置之製造方法包括在一半導體基底的一前側上形成一影像感測裝置及一隔離襯墊以及在位於半導體基底的前側上的影像感測裝置及隔離襯墊上方形成複數個第一介電層。一金屬接墊形成於第一介電層的其中一個內。在位於半導體基底的前側上的第一介電層上形成一第二介電層。自半導體基底的一背側形成一第一開口，以穿過隔離襯墊，且露出一部分的金屬接墊。自半導體基底背側形成一第二開口，以穿過隔離襯墊及第一介電層，且露出一部分的第二介電層。在第一開口及第二開口內形成一金屬層，其中金屬層電性耦接至金屬接墊。

雖然本發明實施例及其優點已詳細揭露如上，然而可以理解的是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，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作更動、替代與潤飾。再者，本發明之保護範圍並未侷限於說明書內所述特定實施例中的製程、機器、製造、物質組成、裝置、方法及步驟，任何所屬技術領域中具有通常知識者可從本發明揭示內容中理解現行或未來所發展出的製程、機器、製造、物質組成、裝置、方法及步驟，只要可以在此處所述實施例中實施大體相同功能或獲得大體相同結果皆可使用於本發明中。因此，本發明之保護範圍包括上述製程、機器、製造、物質組成、裝置、方法及步驟。另外，每一申請專利範圍構成個別的實施例，且本發明之保護範圍也包括各個申請專利範圍及實施例的組合。

20．．．影像感測晶片

22．．．晶圓

24．．．影像感測器

25．．．內層介電層

26．．．半導體基底

26A、26B．．．表面

27．．．裝置

28．．．內連結構

30、31．．．介電層

31A．．．上表面

31B、48A、52A．．．下表面

32．．．金屬線/接墊

32A．．．金屬接墊

34．．．介層窗

36．．．介電襯墊/淺溝槽隔離襯墊

38、62．．．鈍化保護層

40、44．．．緩衝氧化層

41、48、52．．．開口

42．．．金屬遮蔽層

46、50．．．光阻層

53．．．虛線

54．．．黏合層

56．．．金屬層

64．．．凸塊

68．．．光

102、104、106、108．．．線段

M1、M2、M3、M4、Mtop-1、Mtop．．．金屬層

V1、V2．．．垂直距離

第1至6圖係繪示出根據不同實施例之背面受光型影像感測晶片中接墊結構於中間製造階段的剖面示意圖。

第7圖係繪示出第6圖中部份的結構平面示意圖。

20．．．影像感測晶片

22．．．晶圓

24．．．影像感測器

25．．．內層介電層

26．．．半導體基底

27．．．裝置

28．．．內連結構

30、31．．．介電層

32．．．金屬線/接墊

32A．．．金屬接墊

34．．．介層窗

36．．．介電襯墊/淺溝槽隔離襯墊

38、62．．．鈍化保護層

40、44．．．緩衝氧化層

41、48、52．．．開口

42．．．金屬遮蔽層

54．．．黏合層

56．．．金屬層

64．．．凸塊

68．．．光

102、104、106、108．．．線段

M1、M2、M3、M4、Mtop．．．金屬層

Claims (10)

1. 一種影像感測裝置，包括：一半導體基底，包括一前側及一背側；一第一介電層，位於該半導體基底的該前側上；一金屬接墊，位於該第一介電層內；一第二介電層，位於該第一介電層上，且位於該半導體基底的該前側上；一開口，自該半導體基底的該背側穿過該半導體基底，其中該開口包括一第一部以延伸露出一部分的該金屬接墊以及一第二部以延伸露出一部分的該第二介電層；以及一金屬層，形成於該開口的該第一部及該第二部內。
2. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測裝置，更包括：一隔離襯墊，自該半導體基底的該前側延伸於該半導體基底內，其中該開口的該第一部穿過一部分的該隔離襯墊；以及一黏合層，位於該開口的該第一部及該第二部內，其中該黏合層形成於該金屬層與該金屬接墊的該露出部分之間，且該黏合層形成於該金屬層與該第二介電層的該露出部分之間。
3. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測裝置，其中位於該開口的該第一部及該第二部內的該金屬層彼此電性耦接。
4. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測裝置，更包括一凸塊，位於該開口的該第二部內，且透過該金屬層電性耦接至該金屬接墊。
5. 一種背面受光型影像感測裝置，包括：一半導體基底；一淺溝槽隔離襯墊，自該半導體基底的一前表面延伸於該半導體基底內；一低介電常數介電層，位於該半導體基底的該前表面上；一金屬接墊，位於該低介電常數介電層內；一非低介電常數介電層，位於該低介電常數介電層上；一第一開口，自該半導體基底的一背表面延伸於該半導體基底內，穿過該淺溝槽隔離襯墊以及延伸露出一部分的該金屬接墊；一第二開口，自該半導體基底的該背表面延伸於該半導體基底內，穿過該低介電常數介電層以及延伸露出一部分的該非低介電常數介電層；以及一金屬層，形成於該第一開口內，且持續延伸至該第二開口，其中該金屬層電性耦接至該金屬接墊。
6. 如申請專利範圍第5項所述之背面受光型影像感測裝置，更包括一黏合層，位於該第一開口內且持續延伸至該第二開口，其中該黏合層形成於該金屬層與該金屬接墊的該露出部分之間，且該黏合層形成於該金屬層與該非低介電常數介電層的該露出部分之間。
7. 如申請專利範圍第5項所述之背面受光型影像感測裝置，更包括複數個低介電常數介電層位於該低介電常數介電層與該非低介電常數介電層之間。
8. 一種影像感測裝置之製造方法，包括：在一半導體基底的一前側上形成一影像感測裝置及一隔離襯墊；在位於該半導體基底的該前側上的該影像感測裝置及該隔離襯墊上方形成複數個第一介電層，其中一金屬接墊形成於該等第一介電層的其中一個內；在位於該半導體基底的該前側上的該等第一介電層上形成一第二介電層；自該半導體基底的一背側形成一第一開口，以穿過該隔離襯墊，且露出一部分的該金屬接墊；自該半導體基底該背側形成一第二開口，以穿過該隔離襯墊及該等第一介電層，且露出一部分的該第二介電層；以及在該第一開口及該第二開口內形成一金屬層，其中該金屬層電性耦接至該金屬接墊。
9. 如申請專利範圍第8項所述之影像感測裝置之製造方法，更包括在形成該金屬層之前，在該第一開口及該第二開口內形成一黏合層，其中該黏合層形成於該金屬層與該金屬接墊的該露出部分之間，且該黏合層形成於該金屬層與該第二介電層的該露出部分之間。
10. 如申請專利範圍第8項所述之影像感測裝置之製造方法，更包括進行打線接合，以在該第二開口內形成一凸塊，且透過該金屬層電性連接至該金屬接墊。