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TW201733100A - 互補式金屬氧化物半導體影像感測器與其形成方法、半導體裝置結構 - Google Patents

互補式金屬氧化物半導體影像感測器與其形成方法、半導體裝置結構 Download PDF

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TW201733100A
TW201733100A TW105125252A TW105125252A TW201733100A TW 201733100 A TW201733100 A TW 201733100A TW 105125252 A TW105125252 A TW 105125252A TW 105125252 A TW105125252 A TW 105125252A TW 201733100 A TW201733100 A TW 201733100A
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朱胤碩
尤啓中
方立言
張添尙
梁耀祥
蔡旻志
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台灣積體電路製造股份有限公司
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Abstract

本揭露提供一種半導體裝置結構與其形成方法。半導體裝置結構包括內連線結構形成於基板之上以及鈍化層形成於內連線結構之上。半導體裝置結構也包括抗酸層形成於鈍化層之中以及接合層形成於抗酸層與鈍化層之上。抗酸層具有大於140奈米之厚度。

Description

互補式金屬氧化物半導體影像感測器與其形成方法、半導體裝置結構
本揭露係有關於一種半導體結構，且特別有關於一種互補式金屬氧化物半導體(complementary metal-oxide-semiconductor,CMOS)影像感測器與其形成方法。
半導體裝置使用於各種電子應用中，舉例而言，諸如個人電腦、手機、數位相機以及其他電子設備。半導體裝置的製造通常是藉由在半導體基板上依序沉積絕緣層或介電層材料、導電層材料以及半導體層材料，接著使用微影製程圖案化所形成的各種材料層，藉以在此半導體基板之上形成電路零件及組件。通常在單一個半導體晶圓上製造許多積體電路，並且藉由沿著切割線在積體電路之間進行切割，以切割位在晶圓上的各個晶粒。舉例而言，接著將個別的晶粒分別封裝在多晶片模組中或其它類型的封裝結構中。
影像感測器用於將聚焦在影像感測器上的光學影像轉換成電子訊號。影像感測器包括感光元件陣列，例如光電二極體(photodiodes)，且感光元件用於產生電子訊號，此電子 訊號對應到撞擊到感光元件之上的光之強度。電子訊號用於顯示對應的圖像到顯示器上或提供與光學影像的相關資訊。
雖然現有的影像感測器及其製造方法已普遍足以達成預期的目標，然而卻無法完全滿足所有需求。
本揭露提供一種互補式金屬氧化物半導體(complementary metal-oxide-semiconductor,CMOS)影像感測器，包括：一基板具有一前側與一背側；一內連線結構，形成於該基板之該前側之上。互補式金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器包括一抗酸層，形成於該內連線結構之上以及一接合層，形成於該抗酸層之上。互補式金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器包括複數個畫素區域，形成於該基板之該背側之上或該接合層之上。
本揭露又提供一種半導體裝置結構，包括：一內連線結構，形成於一基板之上，以及一保護層，形成於該內連線結構之上。半導體裝置結構包括一抗酸層，形成於該保護層之中，以及一接合層，形成於該抗酸層與該保護層之上。該抗酸層具有大於140奈米之一厚度。
本揭露亦提供一種互補式金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器之形成方法，方法包括提供一基板具有一前側與一背側，以及形成一內連線結構於該基板之該前側之上。方法包括形成一抗酸層於該內連線結構之上，以及形成一接合層於該抗酸層之上。方法包括形成複數個畫素區域於該基板之該背側之上或該接合層之上。
100a‧‧‧半導體裝置結構
102‧‧‧基板
102a‧‧‧前側
102b‧‧‧背側
108‧‧‧隔離結構
110‧‧‧層間介電層(ILD)
112‧‧‧閘極介電層
114‧‧‧閘極電極層
116‧‧‧間隔物
118‧‧‧源極/汲極(S/D)結構
120‧‧‧接觸結構
130‧‧‧內連線結構
132‧‧‧金屬層間介電層(IMD)
134‧‧‧導孔插塞
136‧‧‧金屬導線
142‧‧‧金屬氮化層
144‧‧‧金屬層
146‧‧‧抗酸層
150‧‧‧接合層
152‧‧‧保護層
154‧‧‧鈍化層
156‧‧‧導電結構
160‧‧‧鈍化層
162‧‧‧開口
200a、200b‧‧‧影像感測裝置結構
202‧‧‧基板
204‧‧‧內連線結構
205‧‧‧金屬層間介電層(inter-metal dielectric,IMD)
206‧‧‧導線
210‧‧‧畫素區域
210R、210G、210B‧‧‧畫素
212‧‧‧摻雜層
214‧‧‧抗反射層
216‧‧‧彩色濾光層
218‧‧‧微透鏡層
300a、300b‧‧‧互補式金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器
305‧‧‧接合結構
305a‧‧‧金屬接合介面
T1‧‧‧第一厚度
T2‧‧‧第二厚度
Tt‧‧‧厚度
T3‧‧‧第三厚度
T4‧‧‧第四厚度
根據以下的詳細說明並配合所附圖式做完整揭露。應注意的是，根據本產業的一般作業，圖示並未必按照比例繪製。事實上，可能任意的放大或縮小元件的尺寸，以做清楚的說明。
第1A-1F圖顯示依據本揭露之一些實施例之形成互補式金屬氧化物半導體(complementary metal-oxide-semiconductor,CMOS)影像感測器結構於各個製程階段之剖面圖。
第2A-2E圖顯示依據本揭露之一些實施例之形成互補式金屬氧化物半導體影像感測器結構於各個製程階段之示意圖。
第3A-3D圖顯示依據本揭露之一些實施例之形成互補式金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器於各個製程階段之剖面圖。
第4A-4E圖顯示依據本揭露之一些實施例之形成半導體裝置結構於各個製程階段之剖面圖。
以下的揭露內容提供許多不同的實施例或範例以實施本案的不同特徵。以下的揭露內容敘述各個構件及其排列方式的特定範例，以簡化說明。當然，這些特定的範例並非用以限定。例如，若是本揭露書敘述了一第一特徵形成於一第二特徵之上或上方，即表示其可能包含上述第一特徵與上述第二特徵是直接接觸的實施例，亦可能包含了有附加特徵形成於上述第一特徵與上述第二特徵之間，而使上述第一特徵與第二特徵可能未直接接觸的實施例。另外，以下揭露書不同範例可能 重複使用相同的參考符號及/或標記。這些重複係為了簡化與清晰的目的，並非用以限定所討論的不同實施例及/或結構之間有特定的關係。
下文描述實施例的各種變化。藉由各種視圖與所繪示之實施例，類似的元件標號用於標示類似的元件。應可理解的是，額外的操作步驟可實施於所述方法之前、之間或之後，且在所述方法的其他實施例中，可以取代或省略部分的操作步驟。
本揭露提供形成半導體裝置結構之各種實施例。第1A-1F圖顯示依據本揭露之一些實施例之形成互補式金屬氧化物半導體(complementary metal-oxide-semiconductor,CMOS)影像感測器結構300a於各個製程階段之剖面圖。互補式金屬氧化物半導體影像感測器結構300a是背照式影像感側結構(backside illuminated(BSI)image sensor structure)。第2A-2E圖顯示依據本揭露之一些實施例之形成互補式金屬氧化物半導體影像感測器結構300a於各個製程階段之示意圖。
請參見第1A圖，半導體裝置結構100a包括基板102。在一些實施例中中，基板102是晶圓之一部份。基板102包括前側102a與背側102b。
基板102可以由矽或其他半導體材料所組成。另外且額外的，基板102可包括其他元素半導體，例如，鍺。在一些實施例中中，基板102由化合物半導體所組成，例如，碳化矽(silicon carbide,SiC)、砷化鎵(gallium arsenic,GaAs)、砷化銦(indium arsenide,InAs)或磷化銦(indium phosphide,InP)。在 一些實施例中中，基板102由合金半導體所組成，例如矽鍺(Silicon germanium,SiGe)、矽碳化鍺(silicon germanium carbide,SiGeC)、砷磷化鎵(gallium arsenic phosphide,GaAsP)或磷化鎵銦(gallium indium phosphide,GaInP)。在一些實施例中中，基板102包括磊晶層。舉例而言，基板102是磊晶層位於塊狀半導體之上。
基板102尚可包括隔離結構108，例如淺溝隔離(STI)結構或矽的局部氧化物結構(local oxidation of silicon,LOCOS)，隔離結構可定義與隔開各種裝置元件。
基板102尚包括摻雜區域(未顯示)。摻雜區域可摻雜p型摻雜質，例如硼(B)或二氟化硼(BF2)，及/或n型摻雜質，例如磷(P)或砷(As)。摻雜區域可直接位於基板102之上，於p型井區結構之中，於n型井區結構之中或於雙井結構之中。
電晶體形成於基板102之前側102a之上，電晶體包括閘極介電層112與閘極電極層114。間隔物116形成於閘極電極層114之相對側壁之上。源極/汲極(S/D)結構118形成於基板102之中。
其他裝置元件包括電晶體(例如金屬氧化物半導體場效電晶體metal oxide semiconductor field effect transistors,MOSFET)、互補金屬氧化物半導體(complementary metal-oxide semiconductor,CMOS)電晶體、雙極介面電晶體(bipolar junction transistors,BJT)、高壓電晶體(high voltage transistors)、高頻電晶體(high frequency transistors)、P通道及/或N通道場效電晶體(p-channel field effect transistor,PFETs) 等)、二極體及/或其他應用元件可形成於基板102之上。可進行各種製程以形成裝置元件，例如沉積、蝕刻、佈植、微影製程、退火及/或其他合適的製程。在一些實施例中中，裝置元件形成於基板102之中與前段製程(FEOL)中。
之後，依據本揭露之一些實施例，如第1A圖所示層間介電層(ILD)110形成於基板102之前側102a之上。層間介電層(ILD)110可包括複數層。層間介電層(ILD)110由氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、或低介電常數(low-k)或其他合適的介電材料所組成。
接觸結構120形成於層間介電層(ILD)110之中以及於源極/汲極結構118之上。接觸結構120由導電材料所組成，例如銅(Cu)、銅合金、鋁(Al)、鋁合金、鎢(W)、鎢合金、鈦(Ti)、鈦合金、鉭(Ta)、鉭合金或其他合適的材料。
內連線結構130形成於層間介電層(ILD)110之上。內連線結構130包括金屬層間介電層(IMD)132、導孔插塞(conductive via plug)134和導線136。金屬層間介電層(IMD)132可以是單一層或複數層。導孔插塞134和導線136形成於金屬層間介電層(IMD)132之中。導線136藉由導孔插塞134電性連接至另一個相鄰之導線136。內連線結構130形成於後段製程(back-end-of-line,BEOL))中。
金屬層間介電層(IMD)132由氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、或低介電常數(low-k)、其他合適的介電材料或上述之組合所組成。在一些實施例中，金屬層間介電層(IMD)132由具有低於約2.5的介電係數(k)的極低介電材料(extreme low-k, ELK)所組成。在一些實施例中，極低(ELK)介電係數材料包括摻雜碳的氧化矽、非晶氟化碳(amorphous fluorinated carbon)、聚對二甲苯(parylene)、雙苯並環丁烯(bis-benzocyclobutenes,BCB)、聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene,PTFE)(特氟龍)或碳氧化矽聚合物(silicon oxycarbide polymers,SiOC)。在一些實施例中中，極低(ELK)介電材料包括多孔形式的既有的介電材料，例如氫倍半矽氧烷(hydrogen silsesquioxane,HSQ)、多孔甲基倍半矽氧烷(porous methyl silsesquioxane,MSQ)、多孔聚芳醚(porous polyarylether,PAE)、多孔SiLK(porous SiLK)或多孔氧化矽(SiO2)。在一些實施例中中，金屬層間介電層(IMD)132由電漿增強化學氣相沉積製程(PECVD)或旋轉塗佈法所形成。
導孔插塞134和導線136各自獨立包括銅(Cu)、銅合金、鋁(Al)、鋁合金、鎢(W)、鎢合金、鈦(Ti)、鈦合金、鉭(Ta)、鉭合金。在一些實施例中，導孔插塞134和導線136由電鍍法所形成。
請參見第1A圖，導線136之上表面與金屬層間介電層(IMD)132之上表面等高。另言之，導線136和金屬層間介電層(IMD)132共平面。顯示於第1A圖中的導電特徵結構之金屬繞線僅是舉例說明。另外可依據實際應用之需求，使用其他導電特徵結構之金屬繞線之設計。
第2A圖顯示依據本揭露之一些實施例之內連線結構130位於基板102之上之示意圖。內連線結構130形成於基板102之前側102a之上。
形成內連線結構130之後，依據本揭露之一些實施例，如第1B圖所示，形成抗酸層146於導線136之上表面之上以及金屬層間介電層(IMD)132之上表面之上。抗酸層146用於提供良好的抗酸能力(good acid resistance)，以避免酸性溶液擴散到其下方各層。酸性溶液可使用於後續製程。在一些實施例中，酸性溶液用於清潔表面或移除不想要的汙染物。
在一些實施例中，基板102是晶圓之一部份，且晶圓之上表面完全被抗酸層14所覆蓋。內連線結構130之上表面完全被抗酸層14所覆蓋。更特定而言，沒有保護層形成於內連線結構130之上表面與抗酸層146之底表面之間。抗酸層146包括金屬氮化層142與金屬層144。金屬氮化層142直接接觸內連線結構130之上表面。金屬氮化層142包括一與金屬層144相同之金屬元素。在一些實施例中，金屬氮化層142是氮化鉭(TaN)，且金屬層144是鉭(Ta)。在一些實施例中，鉭是β相(β phase)鉭。β相鉭具有比α相(α phase)更高的抗腐蝕能力(corrosion resistance)。在一些實施例中，金屬氮化層142是氮化鈦(TiN)，且金屬層144是鈦(Ti)。
在一些實施例中，金屬氮化層142由物理氣相沉積製程(PVD)所形成。在一些實施例中，藉由使用氮氣(N2)與氬氣(Ar)進行物理氣相沉積製程(PVD)。在一些實施例中，氮氣具有流速範圍為約20sccm至約100sccm。在一些實施例中，氮氣之流速比上氬氣之流速之比率為約0.2至約1。如果氮氣之流速小於20sccm或比率小於0.2，擴散阻障能力可能太差。如果氮氣之流速大於100sccm或比率大於1，可能變得很難形成金 屬氮化層。
在一些實施例中，金屬氮化層142具有第一厚度T1範圍為約5奈米(nm)至約10奈米(nm)。在一些實施例中，金屬層144具有第二厚度T2範圍為約135nm至約240nm。抗酸層146之厚度Tt是第一厚度T1與第二厚度T2之總和。在一些實施例中，抗酸層146之厚度Tt範圍為約140nm至約250nm。如果抗酸層146之厚度Tt小於140奈米(nm)，抗酸能力或耐酸性可能會太差，因此下方各層可能被蝕刻。如果抗酸層146之厚度Tt大於250奈米(nm)，因為沉積抗酸層146所花費的時間太長，可能會增加污染的風險。進而增加製程時間與成本。
此外，抗酸層146用於作為擴散阻障層。擴散阻障層用於避免接合層150(之後會形成)遷移至其下方各層。
須注意的是，在一些其他實施例中，如果位於導電結構之下的擴散阻障層具有小於140奈米之厚度，此厚度可能足夠做為阻障層用於阻擋導電材料之擴散，但是此厚度太薄，無法避免其下方各層被酸性溶液所蝕刻。酸性溶液可能輕易地穿透薄的擴散阻障層。因此，為了具有良好的抗酸能力，包括金屬氮化層142與金屬層144之抗酸層146具有大於140奈米之厚度。
第2B圖顯示依據本揭露之一些實施例之抗酸層146位於基板102之上之示意圖。更特定而言，金屬層144覆蓋基板102之所有上表面。
形成抗酸層146之後，依據本揭露之一些實施例，如第1C圖所示，接合層150形成於抗酸層146之上。接合層150 用於電性連接至其他層。
接合層150由導電材料所組成。在一些實施例中，接合層150由鋁銅合金(aluminum copper(AlCu)alloy)所組成，且鋁銅合金包含95%至99.5%的鋁以及0.5%至5%的銅。在一些其他實施例中，接合層150由鋁(Al)、鈦(Ti)、鉭(Ta)、銅(Cu)、鎢(W)或上述之合金所組成。在一些實施例中，接合層150由沉積製程所形成，例如化學氣相沉積製程(chemical vapor deposition,CVD)、物理氣相沉積製程(physical vapor deposition,PVD)、電鍍製程、其他合適的製程或類似之製程。在一些實施例中，接合層150具有厚度範圍為約1200奈米至約1500奈米。在一些實施例中，接合層150之厚度比抗酸層146之厚度比率為約4至11。當比率位於上述範圍內時，能提升抗酸能力。
須注意的是，在形成接合層150之後，對半導體裝置結構100a進行品質測試。在一些實施例中，品質測試包括接合能力測試與抗酸測試。在形成接合層150之後，進行接合能力測試，以確認接合層能否抵抗高的外力。在接合能力測試之後，將會移除接合層150，以繼續進行後續的抗酸測試。將抗酸層146暴露於酸性溶液。抗酸測試用於測試導孔插塞134與導線136是否會被酸性溶液所腐蝕。在一些實施例中，酸性溶液是aqua regia(也稱為王水)，藉由混合體積比1：3的硝酸與鹽酸而得。
如果抗酸層146之厚度不夠厚，酸性溶液可能穿過或穿透抗酸層146且蝕刻一部份的導孔插塞134與導線136。藉 由形成厚度Tt大於140奈米的抗酸層146，使半導體裝置結構100a能通過品質測試。因此，抗酸層146保護其下方各層免受腐蝕。此外，也能提升半導體裝置結構100a之可靠度(reliability)。
須注意的是一般的品質測試並不包括抗酸測試，因此可能不需要控制抗酸層之厚度。然而，在一些實施例中，需要進行抗酸測試以確保抗酸層146之品質。因此，為了通過抗酸測試，應該要好好地控制本揭露之抗酸層146之厚度，控制在等於或大於140奈米。如果抗酸層146之厚度小於140奈米，其下方各層可能被蝕刻且容易脫層(delaminated)。
須注意的是，依序在相同的機台沉積抗酸層146與接合層150。另言之，為了方便與效率，在原處(in-situ)進行沉積製程，不需要轉移到另外的機台。
於傳輸半導體裝置結構100a的過程中，形成保護層152於接合層150之上，以暫時保護接合層150。當形成保護層152之後，從腔體中移出半導體裝置結構100a，且準備進行接合。保護層152由惰性金屬材料所組成。在一些實施例中，保護層152由鉭(tantalum,Ta)、鈦(titanium,Ti)、鐵(iron,Fe)、銅(copper,Cu)或上述之組合所形成。
在接合製程之前，保護層152被鈍化層154所取代。在一些實施例中，鈍化層154由非有機材料所組成，例如氧化矽、未摻雜矽酸鹽玻璃、氮氧化矽、防焊劑(solder resist,SR)、氮化矽、六甲基二矽氮烷(hexamethyldisilazane,HMDS)。在一些其他實施例中，鈍化層154由高分子材料所組成，例如 聚醯亞胺(polyimide,PI)、環氧樹脂(epoxy)或含氟高分子。
形成抗酸層146之後，依據本揭露之一些實施例，如第1C圖所示，對基板102之背側102b進行平坦化製程，以薄化機板102之背側102b。在一些實施例中，平坦化製程是化學機械研磨製程(CMP)。平坦化製程用於降低半導體裝置結構100a之高度。
第2C圖顯示依據本揭露之一些實施例之保護層152位於基板102之前側102a之上之示意圖。更特定而言，保護層152形成接合層150之上。接合層150之上表面完全被保護層152所覆蓋。
在平坦化製程之後，基板102具有第四厚度T4(顯示於第1D圖中)，第四厚度T4小於第三厚度T3(顯示於第1C圖中)。
之後，依據本揭露之一些實施例，如第1D圖所示，準備影像感測裝置結構200a。影像感測裝置結構200a包括基板202。複數個畫素區域210形成於基板202之中。在一些實施例中，影像感測裝置結構200a不具有，實質上不具有邏輯裝置(例如邏輯電晶體)。
畫素區域210可包括對應到特定波長之畫素210R、210G以及210B。舉例而言，畫素210R、210G以及210B分別對應到紅光、綠光以及藍光波長範圍。因此，每一個畫素210R、210G以及210B可偵測到各自波長範圍的強度(亮度)。”畫素”表示含有特徵結構(舉例而言，包括光電偵測器(photodetector)與各種半導體裝置之電路)之各自單元，用於將電磁輻射轉換成電子訊號。在一些實施例中，畫素210R、210G 以及210B是光偵測器，例如包括感光區域之光電二極體(photodiodes)。感光區域可以是形成於基板102中之摻雜n型及/或p型摻雜質之摻雜區域。可藉由離子佈植製程、擴散製程或其他合適的製程而形成感光區域。
第2D圖顯示依據本揭露之一些實施例，在進行接合製程之前，半導體裝置結構100a與影像感測裝置結構200a之示意圖。在進行接合製程之前，基板102之背側102b面對基板202之上表面。
之後，依據本揭露之一些實施例，如第1E圖所示，將半導體裝置結構100a與影像感測裝置結構200a接合在一起，以形成三維積體電路堆疊結構(3DIC stacking structure)300a。在一些實施例中，基板102與基板202兩者都是由矽所組成，在壓力與熱的條件下進行接合製程，以接合基板102與基板202。
之後，在一些實施例中，複數個開口(圖中未顯示)形成於鈍化層154之中，且導電結構156形成於開口之中。導電結構156電性連接至接合層150。
第2E圖顯示依據本揭露之一些實施例，在進行接合製程之後，半導體裝置結構100a與影像感測裝置結構200a之示意圖。三維積體電路堆疊結構(3DIC stacking structure)300a包括半導體裝置結構100a與影像感測裝置結構200a。畫素210R、210G以及210B形成於基板102之背側102b之下。
之後，依據本揭露之一些實施例，如第1F圖所示，摻雜層212形成於暴露的畫素210R、210G以及210B之上。在一 些實施例中，摻雜層212直接位於畫素210R、210G以及210B之上。摻雜層212形成於基板102之背側102b之上。摻雜層212用於提升影像感測器之影像品質。在一些實施例中，摻雜層212摻雜p型摻雜質，例如硼(B)或二氟化硼(BF2)及/或p型摻雜質，例如磷(P)或砷(As)。
之後，抗反射層214形成於摻雜層212之上。抗反射層214由介電材料所組成，例如氮化矽、氮氧化矽或其他合適的材料。
之後，彩色濾光層216形成於抗反射層214之上。入射光可被彩色濾光層216過濾，且過濾後的入射光，例如被傳輸成紅光，可抵達畫素210R、210G以及210B。在一些實施例中，彩色濾光層216由染料為主(或色素為主)的高分子所組成，用於過濾出特定頻率波段。在一些實施例中，彩色濾光層216可以由樹脂或其他具有彩色色素之有機為主的材料所組成。
之後，微透鏡層218形成於彩色濾光層216之上。每一個微透鏡對準到其所對應的彩色濾光層216其中之一，且因此對應到其所對應的畫素210R、210G以及210B其中之一。然而，須注意的是，在各種應用中，微透鏡可以排列成各種位置。
因此，得到互補式金屬氧化物半導體(complementary metal-oxide-semiconductor,CMOS)影像感測器300a。另言之，抗酸層146形成於畫素210R、210G以及210B之上。抗酸層146具有大於140奈米之厚度，以具有良好的抗酸 特性。
第3A-3D圖顯示依據本揭露之一些實施例之形成互補式金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器300b於各個製程階段之剖面圖。影像感測器300b是前照式影像感測結構(frontside illuminated(BSI)image sensor structure)。
顯示於第3A圖中的半導體裝置結構100b類似於，或相同於顯示於第1C圖中的半導體裝置結構100a，除了導電結構156形成於鈍化層154之中。導電結構156之上表面與鈍化層154之上表面等高。
之後，依據本揭露之一些實施例，如第3B圖所示，準備影像感測裝置結構200b。影像感測裝置結構200b包括畫素210R、210G以及210B形成於基板202之中。基板202包括前側202a與背側202b。內連線結構204形成於基板202之前側202a之上。內連線結構204包括金屬層間介電層(inter-metal dielectric,IMD)205、導線206與導孔插塞208。導線206與導孔插塞208形成於金屬層間介電層(inter-metal dielectric,IMD)205之中。
之後，依據本揭露之一些實施例，如第3C圖所示，藉由混合接合法(hybrid bonding)，將半導體裝置結構100b與影像感測裝置結構200b接合在一起，以形成三維積體電路堆疊結構(3DIC stacking structure)300b。
混合接合法(hybrid bonding)牽涉到兩種類型的接合，包括金屬對金屬接合(metal-to-metal bonding)以及非金屬對非金屬接合(non-metal-to-non-metal bonding)。如第3C圖所示，混合接合結構305形成於半導體裝置結構100b與影像感測 裝置結構200b之間。混合接合結構305包括藉由金屬對金屬接合之導電結構156與導線206，以及藉由非金屬對非金屬接合之鈍化層154與金屬層間介電層(inter-metal dielectric,IMD)205。在一些實施例中，於惰性環境下進行混合接合法，例如於充滿鈍氣的環境下，鈍氣包括氮氣(N2)、氬氣(Ar)、氦氣(He)或上述之組合。
如第3C圖所示，接合結構305具有金屬接合介面305a介於導電結構156與導線206之間，但因為回焊製程，所以不具有明顯的介面介於鈍化層154與金屬層間介電層(IMD)205之間。
之後，依據本揭露之一些實施例，如第3D圖所示，摻雜層212形成於暴露的畫素210R、210G以及210B之上。摻雜層212形成於基板202之背側202b之上。摻雜層212用於提升影像感測器之影像品質。
之後，抗反射層214形成於摻雜層212之上。接著，彩色濾光層216形成於抗反射層214之上。入射光可被彩色濾光層216過濾，且過濾後的入射光，例如被傳輸成紅光，可抵達畫素210R、210G以及210B。
之後，微透鏡層218形成於彩色濾光層216之上。每一個微透鏡對準到其所對應的彩色濾光層216其中之一，且因此對應到其所對應的畫素210R、210G以及210B其中之一。
因此，得到互補式金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器300b。抗酸層146形成於基板102之前側102a之上。另言之，抗酸層146形成於畫素210R、210G以及210B之下。抗酸層 146具有大於140奈米之厚度，以具有良好的抗酸特性。因此，提升互補式金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器300b之可靠度。
第4A-4E圖顯示依據本揭露之一些實施例之形成半導體裝置結構100c於各個製程階段之剖面圖。顯示於第4A圖中的半導體裝置結構100c類似於，或相同於顯示於第1A圖中的半導體裝置結構100a，除了鈍化層160形成於內連線結構130之上。使用於形成半導體裝置結構100c之製程與材料可能類似於或等於使用於形成半導體裝置結構100a之製程與材料，因此不再贅述。
如第4A圖所示，鈍化層160形成於內連線結構130之上，以及開口162形成於鈍化層160之中。開口162藉由圖案化製程而形成。
形成開口162之後，依據本揭露之一些實施例，如第4B圖所示，金屬氮化層142與金屬層144依序形成於開口162之中與位於於鈍化層160之上。
金屬氮化層142順應性地形成於開口162之底部與側壁上。金屬氮化層142與金屬層144統一稱為抗酸層146。抗酸層146用於避免其下方各層免受後續製程所侵蝕。
金屬氮化層142包括一與金屬層144相同之金屬元素。在一些實施例中，金屬氮化層142是氮化鉭(TaN)，且金屬層144是鉭(Ta)。在一些實施例中，金屬氮化層142是氮化鈦(TiN)，且金屬層144是鈦(Ti)。
形成金屬層144之後，依據本揭露之一些實施例， 如第4C圖所示，接合層150形成於開口162之中與金屬層144之上。在一些實施例中，接合層150由鋁銅合金所組成。
之後，依據本揭露之一些實施例，如第4D圖所示，圖案化金屬氮化層142、金屬層144與接合層150。
之後，導電結構156形成於接合層150之上。依據本揭露之一些實施例，如第4E圖所示，導電結構156電性連接至接合層150。
需注意的是，抗酸層146與接合層150依序形成於相同機台中。另言之，為了方便與效率，在原處(in-situ)進行沉積製程，不需要轉移到另外的機台。
需注意的是，為了避免其下方各層被蝕刻或移除，應該好好控制本揭露之抗酸層146之厚度，以等於或大於140奈米。如果抗酸層146之厚度小於140奈米，其下方各層可能被蝕刻且容易脫層(delaminated)。
本揭露提供形成半導體裝置結構與其製法之各種實施例。半導體裝置結構包括基板，以及內連線結構形成於基板之上。抗酸層形成於內連線結構之上。接合層形成於抗酸層之上，以及複數個畫素形成於基板之背側之上或位於接合層之上。抗酸層用於保護其下方各層免受酸性溶液傷害，此酸性溶液使用於後續製程中。在一些實施例中，抗酸層形成於鈍化層之中。在一些實施例中，抗酸層具有大於140奈米之厚度，以有效阻擋酸性溶液之蝕刻。因此，能提升半導體裝置之可靠度。
在一些實施例中，本揭露提供一種互補式金屬氧化物半導體(complementary metal-oxide-semiconductor,CMOS) 影像感測器，包括：一基板具有一前側與一背側；一內連線結構，形成於該基板之該前側之上。互補式金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器包括一抗酸層，形成於該內連線結構之上以及一接合層，形成於該抗酸層之上。互補式金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器包括複數個畫素區域，形成於該基板之該背側之上或該接合層之上。
在一些實施例中，本揭露提供一種半導體裝置結構，包括：一內連線結構，形成於一基板之上，以及一鈍化層，形成於該內連線結構之上。半導體裝置結構包括一抗酸層，形成於該鈍化層之中，以及一接合層，形成於該抗酸層與該鈍化層之上。該抗酸層具有大於140奈米之一厚度。
在一些實施例中，本揭露有關於一種互補式金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器之形成方法，方法包括提供一基板具有一前側與一背側，以及形成一內連線結構於該基板之該前側之上。方法包括形成一抗酸層於該內連線結構之上，以及形成一接合層於該抗酸層之上。方法包括形成複數個畫素區域於該基板之該背側之上或該接合層之上。
前述內文概述了許多實施例的特徵，使本技術領域中具有通常知識者可以從各個方面更佳地了解本揭露。本技術領域中具有通常知識者應可理解，且可輕易地以本揭露為基礎來設計或修飾其他製程及結構，並以此達到相同的目的及/或達到與在此介紹的實施例等相同之優點。本技術領域中具有通常知識者也應了解這些相等的結構並未背離本揭露的發明精神與範圍。在不背離本揭露的發明精神與範圍之前提下，可 對本揭露進行各種改變、置換或修改。
雖然本發明已以數個較佳實施例揭露如上，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，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作任意之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
102‧‧‧基板
130‧‧‧內連線結構
142‧‧‧金屬氮化層
144‧‧‧金屬層
146‧‧‧抗酸層
150‧‧‧接合層
154‧‧‧鈍化層
156‧‧‧導電結構
202‧‧‧基板
210R、210G、210B‧‧‧畫素
212‧‧‧摻雜層
214‧‧‧抗反射層
216‧‧‧彩色濾光層
218‧‧‧微透鏡層
300a‧‧‧互補式金屬氧化物半導體(complementary metal-oxide-semiconductor,CMOS)影像感測器

Claims (15)

  1. 一種互補式金屬氧化物半導體(complementary metal-oxide-semiconductor,CMOS)影像感測器，包括：一基板具有一前側與一背側；一內連線結構，形成於該基板之該前側之上；一抗酸層，形成於該內連線結構之上；一接合層，形成於該抗酸層之上；以及複數個畫素區域，形成於該基板之該背側之上或該接合層之上。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之互補式金屬氧化物半導體影像感測器，其中該抗酸層包括一金屬氮化層與一金屬層，該金屬氮化層包括一與金屬層相同之金屬元素。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之互補式金屬氧化物半導體影像感測器，其中該抗酸層具有一厚度範圍為約140奈米至約250奈米。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之互補式金屬氧化物半導體影像感測器，其中該金屬氮化層是氮化鉭(tantalum nitride,TaN)，且該金屬層是鉭(tantalum,Ta)。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之互補式金屬氧化物半導體影像感測器，其中該鉭是β相(β phase)鉭。
  6. 如申請專利範圍第2項所述之互補式金屬氧化物半導體影像感測器，其中該金屬氮化層是氮化鈦(titanium nitride,TaN)，且該金屬層是鈦(titanium,Ta)。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之互補式金屬氧化物半導體影 像感測器，尚包括：一彩色濾光層，位於該畫素區域之上；以及一微透鏡層，位於該彩色濾光層之上。
  8. 一種半導體裝置結構，包括：一內連線結構，形成於一基板之上；一鈍化層，形成於該內連線結構之上；一抗酸層，形成於該鈍化層之中；以及一接合層，形成於該抗酸層與該鈍化層之上，其中該抗酸層具有大於140奈米之一厚度。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之半導體裝置結構，其中該抗酸層直接接觸該內連線結構。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之半導體裝置結構，其中該抗酸層具有一厚度範圍為約140奈米至約250奈米。
  11. 如申請專利範圍第8項所述之半導體裝置結構，其中該抗酸層包括一金屬氮化層與一金屬層，該金屬氮化層與包括與金屬層相同之一金屬元素。
  12. 如申請專利範圍第8項所述之半導體裝置結構，其中該金屬氮化層是氮化鉭(tantalum nitride,TaN)，且該金屬層是鉭(tantalum,Ta)。
  13. 一種互補式金屬氧化物半導體(complementary metal-oxide-semiconductor,CMOS)影像感測器之形成方法，包括：提供一基板具有一前側與一背側；形成一內連線結構於該基板之該前側之上；形成一抗酸層於該內連線結構之上； 形成一接合層於該抗酸層之上；以及形成複數個畫素區域於該基板之該背側之上或該接合層之上。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之互補式金屬氧化物半導體影像感測器之形成方法，其中於同一腔體中形成該抗酸層與形成該接合層。
  15. 如申請專利範圍第13項所述之互補式金屬氧化物半導體影像感測器之形成方法，其中形成該抗酸層於該內連線結構之上包括：形成一金屬氮化層，於該內連線結構之上；以及形成一金屬層，於該金屬氮化層之上。
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