TW201411823A

TW201411823A - 在背照式影像感測器晶片內形成多層金屬膜堆疊的方法及背照式影像感測器裝置

Info

Publication number: TW201411823A
Application number: TW102128945A
Authority: TW
Inventors: 丁世汎; 盧玠甫; 王銘義; 杜友倫; 王俊智
Original assignee: 台灣積體電路製造股份有限公司
Priority date: 2012-09-05
Filing date: 2013-08-13
Publication date: 2014-03-16
Also published as: US8796805B2; CN103681704A; CN103681704B; KR20140031779A; US20140061842A1; KR101448369B1; TWI528536B

Abstract

本揭示提供在背照式影像感測器晶片內形成多層金屬膜堆疊的方法，包含形成從半導體基底背面延伸至半導體基底正面上之金屬墊的開口，形成第一導電層，其包含與主動影像感測器重疊的第一部份，與黑色參考影像感測器重疊的第二部份，以及在開口內接觸金屬墊的第三部分，在第一導電層之上形成第二導電層並與第一導電層接觸，以第一導電層作為蝕刻停止層進行第一圖案化步驟，移除第二導電層的第一和第二部分，進行第二圖案化步驟移除第一導電層的第一部份的一部分，在第二圖案化步驟之後留下第一導電層的第二和第三部份。

Description

在背照式影像感測器晶片內形成多層金屬膜堆疊的方法及背照式影像感測器裝置

本發明係有關於背照式影像感測器，特別有關於在背照式影像感測器晶片內形成多層金屬膜堆疊的方法。

背照式(backside illumination；BSI)影像感測器晶片因為在捕捉光子上具有高度效率，因此取代了前照式(front-side illumination)的感測器晶片。在背照式影像感測器晶片的製造上，影像感測器和邏輯電路是在晶圓的半導體基底中形成，接著在矽晶片的正面上形成內連線結構。

在背照式影像感測器晶片中的影像感測器受到光子刺激會產生電性信號，電性信號(例如光電流(photo-current))的大小由各別的影像感測器接收到的入射光線之強度決定，然而，影像感測器還會受到非光學性的刺激而產生信號，其包含漏電流信號、因熱而產生的信號、暗電流(dark currents)以及類似的信號。因此，由影像感測器產生的電性信號需要進行校正，讓不想要的信號可以從影像感測器輸出的信號中刪除。為了刪除非光學性刺激所產生的信號，需藉由黑色參考影像感測器(black reference image sensors)的形成來產生因非光學性刺激而產生的信號，因此需要遮蔽黑色參考影像感測器，以避免其產生因接收光線而產生的信號。

在半導體基底的背面上形成金屬屏蔽(metal shield)，利用金屬屏蔽覆蓋黑色參考影像感測器，而影像感測器則形成在此半導體基底中。此外，接合或測試用的背面金屬墊(metal pad)也在此半導體基底的背面上形成。由於金屬屏蔽和背面金屬墊的形成都包含了沈積步驟與圖案化步驟，因此，當形成金屬屏蔽時，需要在位於影像感測器正上方的區域內進行金屬沈積與蝕刻步驟，並且當形成背面金屬墊時，也需要在位於影像感測器正上方的區域內進行金屬沈積與蝕刻步驟，而這些沈積步驟與蝕刻步驟可能會使用電漿進行，因此導致影像感測器受損或品質降低。

依據一些實施例，提供一種在背照式影像感測器晶片內形成多層金屬膜堆疊的方法，此方法包含：在半導體基底內形成開口，其中開口從半導體基底的背面延伸至半導體基底正面上的金屬墊。在半導體基底的背面上形成第一導電層，其中第一導電層延伸至開口內而接觸金屬墊。在第一導電層之上形成第二導電層，其中第一和第二導電層包括不同的材料。進行第一圖案化步驟，將第二導電層從第一元件區和第二元件區移除，其中位於金屬墊之上的第二導電層的一部份在第一圖案化步驟之後留下，且其中第一導電層在第一圖案化步驟中係作為蝕刻停止層。進行第二圖案化步驟，從第一元件區移除部分的第一導電層，其中在第二元件區內的第一導電層的一部份在第二圖案化步驟之後留下以形成金屬屏蔽，且其中金屬屏蔽與黑色參考影像感測器重疊。

依據其他實施例，提供一種在背照式影像感測器晶片內形成多層金屬膜堆疊的方法，此方法包含：形成開口，從半導體基底的背面延伸至半導體基底正面上的金屬墊。形成第一導電層，第一導電層包含：與半導體基底內的主動影像感測器重疊的第一部份；與半導體基底內的黑色參考影像感測器重疊的第二部分；以及延伸至開口內接觸金屬墊的第三部分。在第一導電層之上形成第二導電層，並接觸第一導電層。進行第一圖案化步驟，移除第二導電層的第一部分和第二部分，其中第一導電層在第一圖案化步驟中係作為蝕刻停止層。進行第二圖案化步驟，移除第一導電層的第一部份的一部份，而第一導電層的第二部份和第三部分則在第二圖案化步驟之後留下。

依據其他實施例，提供一種背照式影像感測器裝置，此裝置包含：半導體基底，黑色參考影像感測器設置在半導體基底內，金屬墊設置在半導體基底的正面上，並位於半導體基底底下。此裝置更包含第一導電層，其包含：穿透過半導體基底而連接至金屬墊的第一部份；以及與黑色參考影像感測器重疊的第二部分。第二導電層設置在第一導電層的第一部份之上，並接觸第一導電層的第一部份。介電層設置在第一導電層的第二部份之上，並接觸第一導電層的第二部份。

20‧‧‧影像感測器晶片

22‧‧‧晶圓

24‧‧‧影像感測器

24A‧‧‧主動影像感測器

24B‧‧‧黑色參考影像感測器

26‧‧‧半導體基底

26A‧‧‧半導體基底的正面

26B‧‧‧半導體基底的背面

28‧‧‧內連線結構

30‧‧‧層間介電層

31‧‧‧介電層

32‧‧‧金屬線/墊

32A‧‧‧金屬墊

34‧‧‧導通孔

38、70‧‧‧鈍態層

40‧‧‧淺溝槽隔絕區

M1、M2‧‧‧金屬層

42、60、62‧‧‧底部抗反射塗層

43‧‧‧載體

45‧‧‧黏著劑

46‧‧‧開口

48‧‧‧緩衝氧化物層

50‧‧‧阻障/黏著層

52‧‧‧鋁銅(AlCu)層

54‧‧‧導電蝕刻停止層

56‧‧‧第一導電層

57‧‧‧金屬屏蔽

58‧‧‧第二導電層

66‧‧‧金屬網格

68‧‧‧金屬網格之間的開口

72‧‧‧背面金屬墊

100‧‧‧主動影像感測器畫素區(元件區)

200‧‧‧黑色參考畫素區(元件區)

300‧‧‧金屬墊區

為了讓本揭示之目的、特徵、及優點能更明顯易懂，以下配合所附圖式作詳細說明如下：第1至8圖為依據一些示範的實施例，製造金屬屏蔽和背面金屬墊的中間階段之剖面示意圖，其中金屬屏蔽和背面金屬墊是在背照式影像感測器晶片內形成。

以下詳細討論本揭示之各種實施例的製造與使用，然而，可以理解的是，這些實施例提供了許多可應用的發明概念，其可以在各種特定背景中實施，在此所討論的特定實施例僅用於說明本揭示之實施方式，並非用於限定本揭示的範圍。

依據各種示範的實施例，提供在背照式(BSI)影像感測器晶片中用來形成金屬屏蔽和背面金屬墊的多層金屬膜結構，並且說明形成金屬屏蔽和背面金屬墊的各中間階段。在此討論實施例的各種變化，在整篇說明書的各種圖式與說明的實施例中，使用相似的標號來表示相似的元件。

第1至8圖顯示依據一些示範的實施例，製造金屬屏蔽和背面金屬墊的中間階段之剖面示意圖。第1圖顯示影像感測器晶片20，其可以是未切割的晶圓22的一部份。影像感測器晶片20包含半導體基底26，半導體基底26可以是結晶矽基底，或由其他半導體材料形成的半導體基底，在整篇的描述中，表面26A稱為半導體基底26的正面，而表面26B則稱為半導體基底26的背面。在半導體基底26內形成影像感測器24(包含24A和24B)，影像感測器24用來將光線信號(光子) 轉換成電性信號，其可以是感光二極體(photo-sensitive diode)，或是感光金屬氧化物半導體(MOS)電晶體，因此，個別的晶圓22可以是影像感測器晶圓。在一些示範的實施例中，影像感測器24從正面26A延伸至半導體基底26內，並且影像感測器24A和24B的結構可以完全相同。

正面的內連線結構28在半導體基底26之上形成，並且將影像感測器晶片20內的多個元件互相電性連接在一起。正面的內連線結構28包含層間介電層(inter-layer dielectric；ILD)31、介電層30，以及在介電層30內的金屬線(或墊)32和導通孔(vias)34，雖然圖中未繪出，在層間介電層31內可形成接觸插塞(contact plug)。在整篇描述中，位於相同介電層30內的金屬線和金屬墊32以及導通孔(vias)34統稱為金屬層。正面的內連線結構28包含多層金屬層，其包含M1、M2等金屬層，其中金屬層M1為內連線結構28中的底部金屬層，在一些示範的實施例中，介電層30的下方層由具有低介電常數，例如低於約3.0的低介電常數(low-k)介電材料形成，而介電層30的上方層則可以由低介電常數介電材料，或者例如具有介電常數值大於3.9或大於約4.5的非低介電常數介電材料形成。鈍態層(passivation layer)38在內連線結構28之上形成，鈍態層38可由具有介電常數值大於3.9的非低介電常數介電材料形成，在一些實施例中，鈍態層38包含氧化矽層，以及位於氧化矽層上的氮化矽層。

影像感測器晶片20包含主動影像感測器畫素區(active image sensors pixel region)100以及黑色參考畫素區 (black reference pixel region)200，主動影像感測器畫素區100包含主動影像感測器24A形成於其中，其係用於產生因感應光線而產生的電性信號，雖然未繪出影像感測器24A的細節，在此可以有複數個影像感測器24A，其形成主動影像感測器畫素陣列(active image sensor pixel array)，其中主動影像感測器畫素陣列整體都位於主動影像感測器畫素區100內。黑色參考畫素區200包含黑色參考影像感測器24B形成在其中，其係用於產生參考用的黑階調整信號(reference black level signals)，雖然未繪出影像感測器24B的細節，在此可以有複數個影像感測器24B，其形成黑階參考畫素陣列(black level reference pixel array)，黑階參考畫素陣列整體都位於黑色參考畫素區200內。

影像感測器晶片20更包含金屬墊區300，在金屬墊區300內將形成背面金屬墊。在一些示範的實施例中，淺溝槽隔絕區(shallow trench isolation(STI)region)40在金屬墊區300內形成。在其他實施例中，金屬墊區300內可以沒有淺溝槽隔絕區形成。淺溝槽隔絕區40可以從半導體基底26的正面26A延伸至半導體基底26內，此外，還有金屬墊32A位於金屬墊區300內，金屬墊32A可以位於任何金屬層內，例如內連線結構28中的金屬層M1、金屬層M2或類似的金屬層。

接著，參閱第2圖，將晶圓22翻轉至另一面，並且晶圓22的正面經由黏著劑45黏附至載體43上，因此，在第1圖中所示之每個特徵的頂部表面在第2圖中變成底部表面，反之亦然。在晶圓22翻轉之後，半導體基底26朝上，然後進行背面研磨將半導體基底26薄化，直到晶圓22的厚度小於例如約30μm，或小於約5μm，將薄化後的半導體基底26的背面標記為26B，具有較小厚度的半導體基底26可以讓光線從背面26B穿透至半導體基底26內，以抵達影像感測器24A。

薄化步驟之後，在半導體基底26的背面26B上形成底部抗反射塗層(bottom anti-reflective coating；BARC)42，在一些實施例中，底部抗反射塗層42包括氮氧化矽(SiON)，但是其他材料也可以使用。然後在蝕刻半導體基底26時利用底部抗反射塗層42降低來自半導體基底26的反射效果，以形成如第3圖所示之開口46。在此實施例中，淺溝槽隔絕區40位於金屬墊區300內，而形成的開口46則穿透過淺溝槽隔絕區40，且淺溝槽隔絕區40剩餘的部分環繞開口46。在蝕刻半導體基底26和淺溝槽隔絕區40之後，持續進行蝕刻至介電層，例如層間介電層(ILD)31，直到抵達金屬墊32A，如第4圖所示。

第4圖也顯示緩衝氧化物層(buffer oxide layer)48的形成及圖案化，緩衝氧化物層48可由例如氧化矽形成，但是其他介電材料也可使用。緩衝氧化物層48的厚度可介於約500Å至約5000Å之間，在緩衝氧化物層48圖案化之後，位於開口46底部的緩衝氧化物層48的一部份被移除，並且緩衝氧化物層48的側壁部份保留在開口46的側壁上。

第4圖也顯示第一導電層56，以及位於第一導電層56之上的第二導電層58的形成，第一導電層56和第二導電層58具有足夠高的蝕刻選擇率，使得在後續圖案化第二導電層58的過程中，第一導電層56可以作為蝕刻停止層。在一些示範的實施例中，第一導電層56包含阻障/黏著層50，在阻障/黏著層50之上的鋁銅層(AlCu)52，以及在鋁銅層(AlCu)52之上的導電蝕刻停止層54。在這些實施例中，導電蝕刻停止層54具有足夠的蝕刻選擇率，並且用來停止第二導電層58的蝕刻。在一些示範的實施例中，阻障/黏著層50包括鈦、氮化鈦、鉭、氮化鉭或這些材料組成的多層結構。導電蝕刻停止層54可包括鈦、氮化鈦、鉭、氮化鉭、鋁、銅、鎳、鎢，以及/或對於第二導電層58具有足夠蝕刻選擇率的其他金屬化材料。阻障/黏著層50的厚度可介於約100Å至約1000Å之間，鋁銅層(AlCu)52的厚度可介於約1KÅ至約6KÅ之間，導電蝕刻停止層54的厚度可介於約100Å至約1000Å之間，可以理解的是，在整篇描述中所提到的尺寸僅作為範例用，其可以改變成不同的數值。

在第4圖所示之實施例中，第一導電層56包含三層結構；在其他實施例中，第一導電層56可以是單層、雙層或者可包含三層以上的結構。例如，第一導電層56可以是單層結構，形成單層結構的材料可選自於鈦、氮化鈦、鉭、氮化鉭或類似的材料。此單層結構的底部表面可接觸金屬墊32A，並且其頂部表面則接觸第二導電層58。在這些實施例中，單層結構的厚度可接近於示範的三層結構50、52和54的總厚度。另外，第一導電層56可包含由鈦、氮化鈦、鉭、氮化鉭或類似的材料所形成的底層，以及由選自於與導電蝕刻停止層54相同的候選材料所形成的頂層，在這些實施例中，底層的厚度可以與兩層結構50和52的總厚度相等，或者底層的厚度可以接近於頂層的厚度，並且底層與頂層的總厚度可以接近於三層結構50、52和54的總厚度。

第二導電層58可由AlCu形成，但是其他金屬化材料以及合金也可以使用，第二導電層58的厚度例如可介於約3KÅ至約15KÅ之間。在形成第二導電層58之後，形成底部抗反射塗層(BARC)60，其材料可包括例如SiON。

接著，參閱第5圖，進行圖案化步驟，從主動影像感測器畫素區100和黑色參考畫素區200移除部分的第二導電層58，而在金屬墊區300內的第二導電層58則留下。在此圖案化步驟中，第一導電層56(例如在第一導電層56中的導電蝕刻停止層54)係作為蝕刻停止層，雖然輕微的過蝕刻可能會使得導電蝕刻停止層54變薄，但是第一導電層56(包含導電蝕刻停止層54)並未被蝕刻。

參閱第6圖，形成額外的底部抗反射塗層(BARC)62。在元件區100和200內，底部抗反射塗層(BARC)62係形成於導電蝕刻停止層54上；在元件區300內，底部抗反射塗層(BARC)62則形成於底部抗反射塗層(BARC)60殘留的部分上，並且在元件區300內所得到的底部抗反射塗層(BARC)的組合之後稱為底部抗反射塗層(BARC)60/62。

第7圖顯示更進一步地將第一導電層56圖案化，其中底部抗反射塗層(BARC)62係用於降低來自第一導電層56的反射效果，可進行蝕刻直到緩衝氧化物層48或底部抗反射塗層(BARC)42暴露出來為止，在此圖案化步驟中，黑色參考畫素區200和金屬墊區300的各層元件受到保護而不會被蝕刻。第一導電層56在元件區200內留下的部分係作為金屬屏蔽(之後稱為金屬屏蔽57)，金屬屏蔽57是用於阻擋光線，否則光線將會被黑色參考影像感測器24B接收。在一些實施例中，第一導電層56在主動影像感測器畫素區100內的一些部分會留下，以形成金屬網格(metal grid)66，而在金屬網格66之間的第一導電層56的那些部分則被蝕刻而形成開口68，主動影像感測器24A對齊金屬網格66之間的開口68。在其他實施例中，在元件區100內的全部第一導電層56都被移除。

第8圖顯示鈍態層70的形成，在一些實施例中，鈍態層70包含例如氧化矽層，以及位於氧化矽層之上的氮化矽層，但是其他材料也可以使用。將鈍態層70圖案化，從元件區300移除鈍態層70，使得第二導電層58暴露出來，鈍態層70留下的部分則保護元件區100和200。此外，底部抗反射塗層(BARC)60和62的一些部分也從元件區300移除。在元件區300內，第二導電層58與第一導電層56的結合部分係作為背面金屬墊72，其電性連接至金屬墊32A。可使用背面金屬墊72將背照式(BSI)影像感測器晶片20與其他元件或晶片接合，或者可在背照式(BSI)影像感測器晶片20的測試中，將背面金屬墊72作為探針用。

在後續的製程中形成背照式(BSI)影像感測器晶片20剩餘的組件，包含彩色濾光片(未繪出)、微透鏡(micro-lenses)(未繪出)以及類似的組件。每一個彩色濾光片和微透鏡可對齊一個主動影像感測器24A，然後主動影像感測器 24A可接收濾過的光線。

在這些實施例中，第二導電層58在其底下的金屬層(第一導電層56)圖案化之前進行沈積，然後從元件區100和200移除位於元件區200內的第二導電層58的那些部分，在形成及圖案化第二導電層58的過程中，因為第一導電層56尚未被圖案化，因此影像感測器24可以被第一導電層56保護而不會受損，此損害是經由第二導電層58的沈積與蝕刻過程中所使用的電漿造成。此外，由於緩衝氧化物層48在第二導電層58的圖案化過程中並不會暴露出來，並且當第一導電層56圖案化時，大部分的緩衝氧化物層48一次被蝕刻，因此可以降低緩衝氧化物層48的厚度，而不需擔心過蝕刻現象發生。由於降低緩衝氧化物層48的厚度可以讓因緩衝氧化物層48而產生的階梯高度(step height)降低至所需的縮減量，而在階梯高度上的降低則對於後續彩色濾光片和微透鏡的形成製程有益。

雖然本發明已揭露較佳實施例如上，然其並非用以限定本發明，在此技術領域中具有通常知識者當可瞭解，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定為準。