CN109841640B - 具有焊盘结构的图像传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例涉及一种具有在前段制程工艺期间形成的焊盘结构的图像传感器及其形成方法。可以在形成背侧深沟槽隔离结构和金属栅格结构之前形成焊盘结构。在图像传感器件的背侧上形成开口以暴露嵌入式焊盘结构并形成电连接。

Description

具有焊盘结构的图像传感器
技术领域
本发明实施例涉及具有焊盘结构的图像传感器。
背景技术
半导体图像传感器用于检测诸如光的辐射。互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器(CIS)和电耦合器件(CCD)传感器应用于诸如数码相机和手机摄像头应用的各种应用。这些器件利用衬底中的像素阵列(其可以包括光电二极管，光电探测器和/或晶体管)来吸收(例如感测)投射到像素的辐射并将感测到的辐射转换为电信号。图像传感器的实例是背照式(BSI)图像传感器件，其检测来自衬底背侧的光。
发明内容
根据本发明的一些实施例，提供了一种形成半导体图像传感器件的方法，所述方法包括：在半导体层中形成多个光电探测器，其中，所述多个光电探测器配置为检测穿过所述半导体层的第一表面进入到所述半导体层中的光；蚀刻所述半导体层以在所述半导体层的第二表面中形成第一开口，其中，所述第二表面与所述第一表面相对；在所述第一开口中形成包括金属填充物的焊盘结构；在所述半导体层的所述第二表面上设置互连结构；以及蚀刻所述半导体层以在所述半导体层中形成第二开口以暴露所述焊盘结构的至少部分。
根据本发明的另一些实施例，还提供了一种形成半导体图像传感器件的方法，所述方法包括：在半导体层中形成多个光电探测器；蚀刻所述半导体层以在所述半导体层的表面中形成与所述多个光电探测器中的至少一个光电探测器相邻的第一开口；在所述第一开口中形成包括衬垫层和金属填充物的焊盘结构；在所述半导体层中形成多个隔离结构；在所述多个隔离结构上形成金属栅格结构；以及蚀刻所述半导体层以在所述半导体层中形成第二开口以暴露所述焊盘结构的至少部分。
根据本发明的又一些实施例，还提供了一种半导体图像传感器件，包括：半导体层，具有第一表面和与所述第一表面相对的第二表面；互连结构，设置在所述半导体层的所述第一表面上方；多个辐射感测区，形成在所述半导体层中，其中，所述多个辐射感测区配置为感测从所述第二表面进入到所述半导体层中的辐射；多个背侧深沟槽隔离(BDTI)结构，形成在所述半导体层中；以及焊盘结构，形成在所述半导体层中，其中，所述焊盘结构的深度小于所述半导体层的厚度。
附图说明
当结合附图进行阅读时，从以下详细描述可最佳地理解本发明的各个方面。应该注意，根据工业中的标准实践，各个部件未按比例绘制。实际上，为了清楚的讨论，各种部件的尺寸可以被任意增大或减小。
图1至图4是根据一些实施例的具有在背侧制造工艺期间形成的焊盘结构的示例性图像传感器件的截面图。
图5至图8是根据一些实施例的具有在前段制程(FEOL)工艺期间形成的焊盘结构的示例性图像传感器件的截面图。
图9是根据一些实施例的用于形成具有在FEOL工艺期间形成的焊盘结构的图像传感器件的示例性方法的流程图。
具体实施方式
以下公开内容提供了许多用于实现所提供主题的不同特征的不同实施例或实例。下面描述了组件和布置的具体实例以简化本发明。当然，这些仅仅是实例，而不旨在限制本发明。例如，在以下描述中，在第二部件上方或者上形成第一部件可以包括第一部件和第二部件以直接接触的方式形成的实施例，并且也可以包括在第一部件和第二部件之间可以形成额外的部件，从而使得第一部件和第二部件可以不直接接触的实施例。此外，本发明可在各个实例中重复参考标号和/或字符。该重复本身不指示所讨论的各个实施例和/或配置之间的关系。
而且，为了便于描述，在此可以使用诸如“在…下方”、“在…下面”、“下部”、“在…之上”、“上部”等空间相对术语以描述如图所示的一个元件或部件与另一个(或另一些)元件或部件的关系。除了图中所示的方位外，空间相对术语旨在包括器件在使用或操作中的不同方位。装置可以以其他方式定向(旋转90度或在其他方位上)，并且在此使用的空间相对描述符可以同样地作出相应的解释。
本文所用的术“标称”是指在产品或工艺的设计阶段期间设置的用于组件或工艺操作的特性或参数的期望值或目标值，以及高于和/或低于期望值的数值范围。数值范围可能是由于制造工艺或公差的轻微变化所引起的。
本文所用的术语“基本上”表示给定量的值变化该值的±5％。
这里使用的术语“约”表示可以基于与主题半导体器件相关联的特定技术节点而变化的给定量的值。基于特定的技术节点，术语“约”可以指示给定量的值在例如该值的10-30％内变化(例如，该值的±10％、±20％或±30％)
背照式(BSI)图像传感器件具有其中形成有光感测像素或光电探测器的硅衬底或半导体材料层。BSI图像传感器包括布置在半导体衬底内的光电探测器阵列，其中，半导体衬底位于互连结构上方。光电探测器延伸到半导体衬底中并配置为接收来自半导体衬底的上侧的辐射。背侧深沟槽隔离(BDTI)结构布置在半导体结构的上侧上并延伸到半导体衬底中。BDTI结构横向地布置在光感测光电探测器之间以限定在相邻的光电探测器之间提供光学隔离的相应栅格图案。在BSI图像传感器件的背侧上形成金属栅格结构或复合金属栅格(CMG)结构。
滤色材料填充在相邻的CMG结构之间以形成滤色器。可以选择滤色材料，从而使得具有期望波长的光穿过滤色材料，而具有其他波长的光被滤色材料吸收。例如，接收未过滤的自然光的绿光滤色材料将允许绿光部分(波长在约495nm和约570nm之间)通过滤色器，同时吸收剩余的光。滤色器与相应的光电探测器对准，从而用于向相应的光电探测器提供过滤的光。
埋入式滤色器阵列(BCFA)是滤色材料在栅格结构中的布置。BCFA可以减小BSI图像传感器件的光路。在BSI图像传感器制造的BCFA工艺中，跨晶圆器件均匀性和平坦化均匀性是可能难以实现的重要质量因素。在BCFA工艺期间，可以在平坦化之前用介电材料填充形成在BSI图像传感器件的背面上的具有嵌入式器件的开口。然而，介电材料和相邻结构的平坦化可能是困难的并且导致器件中的缺陷。
开口和嵌入结构的实例可以是布置在半导体结构的外围开口中并横向邻近光电探测器的焊盘结构。互连结构布置在半导体衬底下方，并且焊盘结构从外围开口的下表面突出以电连接至互连结构。焊盘结构用于将图像传感器件电连接至外部电路，从而用于发送和接收诸如数据的信号或控制信号。焊盘结构可以通过引线接合或其他电互连方法电连接至外部电路。在光电探测器之后并且在平坦化工艺之前形成外围开口和嵌入式焊盘结构。在平坦化工艺之前沉积介电填充层以填充外围开口。然而，介电填充层和相邻结构的平坦化可能是困难的并且可能导致器件缺陷，尤其是对于靠近晶圆边缘的BSI图像传感器件。
根据本发明的各个实施例描述了在前段制程(FEOL)工艺期间在图像传感件(例如，BSI图像传感器件)中形成焊盘结构。在光电探测器衬底中形成外围开口并且在外围开口中沉积导电材料。光电探测器衬底与载体晶圆接合，并且后续形成其他器件结构(诸如BDTI结构)和CMG结构。在BSI图像传感器件的背侧上形成开口以暴露嵌入式焊盘结构并形成电连接。在FEOL工艺期间形成焊盘结构尤其提供以下益处：(i)减少焊盘形成所需的掩模总数；(ii)消除在平坦化之前对介电填充工艺的需要；以及(iii)在形成CMG之前提供均匀的平坦化的晶圆表面，这又导致跨晶圆的均匀性。
在描述涉及FEOL工艺期间形成焊盘结构(下面参考图5-图9描述)的实施例之前，在图1-图4中讨论具有在背侧制造工艺期间形成具有焊盘结构的示例性图像传感器件。
图1是根据本公发明的一些实施例的在半导体层中形成光电探测器之后部分制造的图像传感器件100的截面图。图像传感器件100是半导体图像传感器件。部分制造的图像传感器件100包括衬底102和半导体层104。部分制造的图像传感器件100还包括形成光电探测器106A-106C的像素区115和形成浅沟槽隔离(STI)结构108的焊盘区117。
衬底102可以是例如掺杂有诸如硼的p型掺杂剂的硅材料的p型衬底。在一些实施例中，衬底102可以是诸如，例如掺杂有诸如磷或砷的n型掺杂剂的硅材料的n型衬底。在一些实施例中，衬底102可以包括锗、金刚石、化合物半导体、合金半导体、绝缘体上硅(SOI)结构、任何其他合适的材料和/或它们的组合。衬底102可具有在从约100μm至约3000μm的范围内的初始厚度。
半导体层104形成在衬底102上并且包括诸如，例如硅、锗、化合物半导体、合金半导体、任何其他合适的半导体材料和/或它们的组合的半导体材料。在一些实施例中，半导体层104可以是应变的外延材料，以用于性能增强。半导体层104包括背面103和正面105。在一些实施例中，半导体层104具有大于2μm的厚度。在一些实施例中，半导体层104具有大于5μm的厚度。
在半导体层104的指定为像素区115的部分中形成辐射感测区(例如，光电探测器106A-106C)。光电探测器106A-106C配置为感测诸如入射光波的辐射(或辐射波)。光电探测器106A-106C均都包括光电二极管结构。在一些实施例中，光电探测器106A-106C均可以包括钉扎层光电二极管、光栅、复位晶体管、源极跟随器晶体管、传输晶体管、任何其他合适的结构和/或它们的组合。光电探测器106A-106C也可以称为“辐射检测器件”或“光传感器”。为了简单起见，图1中示出了三个光电探测器106A-106C；然而可以在半导体层104中实现任何数量的光电探测器。在一些实施例中，通过从正面105对半导体层104实施注入工艺来形成光电探测器106A-106C。注入工艺可以包括用诸如硼的p型掺杂剂掺杂半导体层104。在一些实施例中，注入工艺可以包括用诸如磷或砷的n型掺杂剂掺杂半导体层104。在一些实施例中，也可以通过扩散工艺形成光电探测器106A-106C。
在半导体层104的指定为焊盘区117的部分中形成STI结构108。焊盘区117是与光电探测器106A-106C相邻的外围区域，并用于后续的焊盘结构形成。通过图案化和蚀刻工艺在半导体层104中形成沟槽，并且沉积STI结构108以填充沟槽。STI结构108可以用作隔离结构或用作后续形成焊盘结构的蚀刻停止层。STI结构108可以由诸如，例如氧化硅、旋涂玻璃、氮化硅、氮氧化硅、氟掺杂硅酸盐玻璃(FSG)、低k介电材料、其他合适的绝缘材料和/或它们的组合制成。可以通过STI材料的毯式沉积工艺，接着进行化学机械抛光(CMP)和回蚀刻工艺来形成STI结构108。用于STI结构108的其他制造技术是可能的。
图2是根据本发明的一些实施例的在形成互连结构之后部分制造的图像传感器件100的截面图。翻转在图1中部分制造的图像传感器件并且在正面105处将半导体层104接合至载体晶圆201。在一些实施例中，通过诸如，例如熔融接合、混合接合、阳极接合、直接接合、任何其他合适的接合工艺和/或它们的组合的合适的接合方法将载体晶圆201接合至半导体层104。载体晶圆201可以包括层间电介质202、导电通孔204、导线206、缓冲层208和载体衬底210。
在半导体层104的正面105上(例如，下方)设置层间电介质202。在图像传感器件100的各种掺杂部件、电路和输入/输出之间提供互连(例如，引线)的导电层和结构嵌入导层间电介质202中。导电层和结构可以是包括接触件、通孔和/或金属线的多层互连(MLI)结构的部分。如图2所示，导电通孔204和导线206嵌入在层间电介质202中。提供导电通孔204和导线206作为实例；可以包括其他导电结构，其中，MLI结构的定位和配置可以根据设计需要而变化。可以通过诸如铜、铝、钨、掺杂的多晶硅、其他合适的导电材料和/或它们的组合的导电材料形成导电通孔204和导线206。MLI结构可以电连接至光电探测器106A-106C。用于感测和处理接收到的光的其他电路和器件也可以嵌入层间电介质202中，并且为了简单起见未在图2中示出。MLI结构包括在接合工艺之后与STI结构108对准并接触的导电层。
可以使用诸如，例如氧化硅、氮化硅、其他合适的介电材料和/或它们的组合的介电材料来形成缓冲层208。可以通过诸如，例如化学汽相沉积(CVD)、等离子体增强CVD(PECVD)、原子层沉积(ALD)、物理汽相沉积(PVD)、任何其他合适的工艺和/或它们的组合的合适的沉积方法来形成缓冲层208。可以通过平坦化工艺(例如，化学机械抛光工艺)平坦化缓冲层208来形成光滑表面。在一些实施例中，缓冲层208在衬底102和载体衬底210之间通过电隔离。
载体衬底210为部分制造的图像传感器件提供机械支撑，从而使得可以在背面103上实施工艺。在一些实施例中，可以使用与衬底102类似的材料形成载体衬底210。例如，载体衬底210包括硅材料。一些实施例中，载体衬底210包括玻璃衬底。在一些实施例中，层间电介质202形成在半导体层104上，并且载体衬底210通过缓冲层208接合到层间电介质202上。
图3是根据本发明的一些实施例的已经在半导体层中形成BDTI结构和接触焊盘之后部分制造的图像传感器件100的截面图。部分制造的图像传感器件100包括图案化的半导体层304、BDTI结构306A-306D、焊盘结构308和介电填充物310。
在光电探测器之间形成沟槽之前，去除衬底102并且可以削薄半导体层104。可以使用诸如，例如平坦化工艺(例如化学机械抛光)、湿蚀刻法、干蚀刻法、任何其他合适的方法和/或它们的组合的任何合适的方法去除衬底102。在已经削薄和图案化半导体层104之后形成图案化的半导体层304。在一些实施例中，在半导体层104中形成沟槽而没有削薄半导体层104。在一些实施例中，沟槽可以是诸如，例如，具有大于6的高宽比的沟槽的高高宽比沟槽。形成沟槽的蚀刻工艺可以是定时蚀刻工艺，一直持续蚀刻工艺以达获得沟槽的标称深度。
通过毯式沉积以及之后的平坦化工艺在图案化的半导体层304的暴露表面上方沉积隔离材料306。隔离材料306填充沟槽并且形成BDTI结构306A-306D。在光电探测器之间形成每个BDTI结构；例如，在光电探测器106A和106B之间形成BDTI结构306B。可以使用诸如，例如氧化硅、氮化硅、任何其他合适的介电材料和/或它们的组合的任何合适的介电材料形成隔离材料306。在一些实施例中，在隔离材料306和图案化的半导体层304之间形成衬垫层(未示出)。可以使用诸如，例如氧化铪(HfO2)、五氧化二钽(Ta2O5)、二氧化锆(ZrO2)、氧化铝(Al2O3)、其他高k材料和/或它们的组合的高k介电材料形成衬垫层。可以使用诸如，例如原子层沉积(ALD)、分子束外延(MBE)、高密度等离子体CVD(HDPCVD)、金属有机(MOCVD)、远程等离子体CVD(RPCVD)、等离子体增强CVD(PECVD)、镀、其他合适的方法和/或它们的组合的任何合适的沉积方法来沉积隔离材料306。在沉积隔离材料之后，对沉积的隔离材料306实施平坦化工艺(诸如，例如化学机械抛光工艺)以形成平坦的顶面。在一些实施例中，BDTI结构306A-306D可以防止光电探测器之间(例如，相邻光电探测器106A和106B之间以及相邻光电探测器106B和106C之间)的串扰。
在沉积隔离材料306并形成BDTI结构306A-306D之后，焊盘结构308形成在焊盘区117中并电连接至形成在层间电介质202中的MLI结构。通过打开图案化的半导体层304中的外围开口，暴露STI结构108，在STI结构108中形成开口，沉积并蚀刻导电材料来形成焊盘结构308。
图4是根据本发明的一些实施例的在图案化的半导体层的顶面上形成CMG结构和插塞结构之后部分制造的图像传感器件100的截面图。如图4所示，焊盘结构308包括形成在STI结构108的顶面之上的基底部分，并且还包括突出部分，其中，该突出部分突出穿过STI结构108的底面以电连接至MLI结构的导线206。可以使用诸如，例如铜、铝、钨、银、任何其他合适的导电材料和/或它们的组合的导电材料来形成焊盘结构308。
介电填充物310形成为覆盖焊盘结构308并后续填充外围开口。介电填充物310用于在后续的处理步骤器件保护焊盘结构308，并且可以通过毯式沉积以及之后的平坦化工艺来沉积，从而使得介电填充物310的顶面与图案化的半导体层304的顶面共面。由于平坦化工艺的不同材料选择性，平坦化工艺和图案化的半导体层304可能具有挑战性。可能发生导致介电填充物310的凹顶面的“凹陷效应”。凹陷的顶面可能导致BSI图像传感器件中的缺陷，特别是对于在制造工艺期间靠近晶圆边缘的BSI图像传感器件。
在BDTI结构306A-306D上方并且在隔离材料306上形成诸如CMG结构404的金属栅格结构。在例如光电探测器106A和106B之间以及光电探测器106B和106C之间的光电探测器之间形成CMG结构404的每个金属栅格结构。在一些实施例中，CMG结构404包括第一部分405和第二部分406。可以使用诸如，例如钛、钨、铝、铜的金属材料或具有能够反射光的反射性质的任何其他合适的材料形成第一部分405。在一些实施例中，第二部分406包括诸如，例如氧化硅、旋涂玻璃、氮化硅、氮氧化硅、氟掺杂的硅酸盐玻璃(FSG)、低k介电材料、其他合适的绝缘材料和/或它们的组合的介电材料。CMG结构404不限于上述结构和材料，并且可以具有多于两个部分并且包括多于两种类型的材料。例如，可以在第二部分406上形成额外的部分，以实现CMG结构的标称高度。CMG结构404可以包括具有相对高的反射特性的材料，从而使得材料可以沿着与吸收光或允许光穿过材料的材料相对的基本上朝向相应的光电二极管的路径反射光。在一些实施例中，使用诸如，例如溅射工艺、镀工艺、蒸发工艺、其他沉积和/或蚀刻工艺，和/或它们的组合的任何合适的工艺来形成CMG结构404。例如，可以通过首先沉积金属材料，并且然后选择性地蚀刻掉金属材料的部分来形成金属栅格。
插塞408形成在介电填充物310中以电连接至焊盘结构308。插塞408可以使用诸如铜、铝、铌、钨、其他合适的导电材料和/或它们的组合的任何合适的导电材料。实施图案化工艺以在介电填充物310中形成开口，并且使用毯式沉积来沉积插塞材料接着进行平坦化工艺，从而使得开口中沉积的插塞材料的顶面与图案化的半导体层304的顶面共面。
在上面在图1-图4中描述的工艺中，在形成BDTI结构306A-306D之后并且在形成CMG结构404之前形成焊盘结构308。该形成顺序需要在形成BDTI结构306A-306D之后形成外围开口，并且在平坦化工艺期间使用介电填充物310来填充外围开口。如上所述，可能难以控制对介电填充物和图案化的半导体层304实施的平坦化工艺并且可能引起器件缺陷，这又导致器件质量下降。在一些实施例中，可以通过在FEOL工艺期间形成焊盘结构来解决这些挑战。
图5-图8示出具有在FEOL工艺期间形成的焊盘结构的部分制造的BSI图像传感器件的制造工艺。在图5-图8中，在晶圆接合工艺之前并且还在形成BDTI和CMG结构之前，在光电探测器衬底中形成外围开口和嵌入式焊盘结构。具有FEOL形成的焊盘结构的BSI图像传感器件消除了在平坦化之前使用介电填充材料来填充外围开口的需要，因为焊盘结构预先形成在外围开口中并且被硅衬底覆盖。硅衬底为后续的CMG形成提供没有凹面的平坦的晶圆表面。
图5是根据本发明的一些实施例的在半导体层中形成光电探测器和焊盘结构之后的部分制造的BSI图像传感器件500的截面图。BSI图像传感器件500是半导体图像传感器件。部分制造的BSI图像传感器件500是包括衬底502和半导体层504的光电探测器衬底。部分制造的BSI图像传感器件500还包括形成光电探测器506A-506C的像素区515和包括外围开口508和焊盘结构509的焊盘区517。焊盘结构509包括衬垫层510、覆盖层512和金属填充物514。
如上文在图1中所描述的，衬底502可以类似于衬底102。例如，衬底502可以是p型衬底或者n型衬底。在一些实施例中，衬底502可以包括其他合适的材料或结构。衬底502可具有在从约100μm至约3000μm的范围内的初始厚度。
如上文在图1中所述，半导体层504可以类似于半导体层104。例如，半导体层504可以包括任何合适的半导体材料或化合物半导体材料。在一些实施例中，半导体层504可以是外延材料。半导体层504包括背面503和正面505。在一些实施例中，如图5所示，半导体层504具有大于2μm的厚度T。在一些实施例中，半导体层504具有大于5μm的厚度T。
在半导体层504的指定为像素区515的部分中形成光电探测器506A-506C。光电探测器506A-506C可以类似于上面在图1中描述的光电探测器106A-106C并且配置为感测诸如入射光波的辐射。光电探测器506A-506C均包括光电二极管结构并且可以包括任何其他合适的结构。为了简单起见，图5中示出三个光电探测器506A-506C；然而可以在半导体层504中实现任何数量的光电探测器。在一些实施例中，使用与用于形成光电探测器106A-106C的方法类似的方法来形成光电探测器506A-506C，如上文在图1中所述的。例如，可以对正面505实施使用p型或n型掺杂剂的注入工艺。在一些实施例中，还可以通过扩散工艺形成光电探测器506A-506C。
在半导体层504的指定为焊盘区517的部分中形成焊盘结构509。焊盘区517是与光电探测器506A-506C相邻并用于焊盘结构形成的外围区。由于光电探测器衬底将与载体衬底接合，所以外围开口508形成在半导体层504中并且放置在与载体衬底的互连结构对准的位置处，这将在下面参考图6进一步详细描述。可以使用包括图案化工艺和蚀刻工艺的合适的工艺来制造外围开口508。图案化工艺可以包括在半导体层504上方形成光刻胶层，将抗蚀剂暴露于图案，实施曝光后烘焙工艺以及显影抗蚀剂以形成包括抗蚀剂的掩蔽元件。掩蔽元件可以保护半导体层504的区域，同时蚀刻工艺在半导体层504中形成外围开口508。可以使用反应离子蚀刻(RIE)和/或其他合适的工艺来蚀刻未被抗蚀剂覆盖的暴露的半导体层504。在半导体层504中形成外围开口508的其他方法可能是合适的。根据一些实施例，可以使用深RIE工艺。继续进行蚀刻工艺直到达到外围开口508的标称深度。外围开口的宽度W在约10μm和约150μm之间。外围开口508的深度D可以在半导体层504的厚度T的约80％至约95％(例如，80％至95％)的范围内。可以通过多个因素确定深度D。较大的深度D可以使得在后续制造步骤中更容易地穿过背面503接近外围开口508，因为需要去除的外围开口508和背面503之间的材料的减小的深度。
焊盘结构509形成在外围开口508中并且包括衬垫层510、覆盖层512和金属填充物514。根据一些实施例，焊盘结构509具有与外围开口508相同的宽度。衬垫层510可以在后续的制造工艺期间保护半导体层504的暴露表面。在一些实施例中，衬垫层510可以是阻挡层以防止电迁移和/或金属扩散到半导体层504中。衬垫层510可以由诸如，例如氧化硅、氮化硅、氧氮化硅或碳化硅的介电材料制成。在一些实施例中，可以使用旋涂玻璃、氟掺杂的硅酸盐玻璃(FSG)、低k介电材料、其他合适的绝缘材料和/或它们的组合来形成衬垫层510。可以通过介电衬垫材料的毯式沉积工艺以及之后的化学机械抛光(CMP)和/或回蚀刻工艺来形成衬垫层510。用于衬垫层510的其他制造技术是可能的。在一些实施例中，衬垫层510具有在约10nm和约300nm之间(例如，在10nm和300nm之间)的厚度t1。由多个因素确定厚度t1。例如，具有较大厚度t1的衬垫层510不但可以提供改进的保护以防止金属扩散，而且还减小了接触电导率，因为用于填充在焊盘结构509中的导电材料的可用间隔较小。
在外围开口508的底部中并且在衬垫层510上形成覆盖层512。覆盖层512可防止在后续工艺中金属填充物514的金属氧化。在一些实施例中，可以使用铝铜合金(AlCu)形成覆盖层512。在一些实施例中，可以使用诸如，例如铜、铝、钨、其他合适的导电材料和/或它们的组合的导电材料来形成覆盖层512。可以通过导电材料的毯式沉积工艺，接着进行回蚀刻工艺，从而使得在外围开口508的底部处形成导电材料来形成覆盖层512。用于覆盖层512的其他制造技术是可能的。在一些实施例中，覆盖层512具有在约0.2μm和约1.5μm之间(例如，在0.2μm和1.5μm之间)的厚度。在一些实施例中，具有较大厚度的覆盖层可以提供改进的保护以防止金属填充物514的金属氧化。
在覆盖层512上形成金属填充物514。在一些实施例中，可以不使用覆盖层512，并且在衬垫层510上单独形成金属填充物514以填充外围开口508。在一些实施例中，可以使用诸如，例如铜、铝、铝铜合金、钨、任何其他合适的导电材料和/或它们的组合的导电材料来形成金属填充物514。可以通过导电材料的毯式沉积工艺接着进行化学机械抛光工艺和/或回蚀刻工艺，从而使得在外围开口508中形成导电材料来形成金属填充物514。在平坦化或回蚀刻工艺之后，金属填充物514的顶面与半导体层504的顶面共面。用于金属填充物514的其他制造技术是可能的。覆盖层512和金属填充物511的厚度之间的比率可以在约50％至约95％的范围内。
图6是根据本发明的一些实施例的在接合互连结构之后部分制造的BSI图像传感器件500的截面图。翻转在图5中部分制造的BSI图像传感器件并且在正面505处将半导体层504接合至载体晶圆601。在一些实施例中，通过诸如，例如熔融接合、混合接合、阳极接合、直接接合、任何其他合适的接合工艺和/或它们的组合的合适的接合方法将载体晶圆601接合至半导体层504。载体晶圆601可以包括层间电介质602、导电通孔604、导线606、缓冲层608和载体衬底610。载体晶圆601及其组件可以类似于载体晶圆201及其相应的组件；例如，载体晶圆601也可以包括MLI结构。在一些实施例中，结构可以根据器件设计和性能需求而不同。
如上参考图5所述，外围开口508的位置与载体晶圆601的互连结构对准。在接合工艺之后，MLI结构包括与金属填充物514对准并且与金属填充物514物理接触的导线606。因此，可以使用载体晶圆601中的导线606的位置来确定金属填充物514的期望位置，反之亦然。在接合工艺之后，覆盖层512和金属填充物514电连接至导线606。
图7是根据本发明的一些实施例的已经在半导体层中形成BDTI结构之后的部分制造的BSI图像传感器件500的截面图。部分制造的图像传感器件500包括图案化的半导体层704和使用间隙填充材料706形成的BDTI结构706A-706D。BDTI结构706A-706D可以防止光电探测器之间(例如，相邻光电探测器506A和506B之间以及相邻光电探测器506B和506C之间)的串扰。
在光电探测器之间形成沟槽之前，去除衬底502并且可以削薄半导体层504。去除衬底502和形成沟槽的方法可以类似于以上参考图3描述的方法。在一些实施例中，可以使用去除衬底502和形成沟槽的其他合适的方法。在已经削薄和图案化半导体层504之后形成图案化的半导体层704。图案化的半导体层704具有顶面705。在一些实施例中，在半导体层704中形成沟槽而没有削薄半导体层704。在一些实施例中，沟槽可以是诸如，例如，具有大于6的高宽比的沟槽的高高宽比沟槽。
通过毯式沉积在图案化的半导体层704的暴露表面上沉积隔离材料706。在沉积之后，平坦化隔离材料706。隔离材料706填充沟槽并形成BDTI结构706A-706D。在两个光电探测器之间形成每个BDTI结构；例如，在光电探测器506A和506B之间形成BDTI结构706B，并且在光电探测器506B和506C之间形成BDTI结构706C。可以使用与上文在图3中形成隔离材料306和BDTI结构306A-306D的方法类似的方法来形成隔离材料706和BDTI结构706A-706D。在一些实施例中，在隔离材料706和图案化的半导体层704之间形成衬垫层(未示出)。在沉积隔离材料之后，对沉积的隔离材料706实施平坦化工艺(诸如，例如化学机械抛光工艺)以形成平坦的顶面707。
如图7所示，在形成BDTI结构之前，在图案化的半导体层704中形成焊盘结构509。外围开口508和嵌入式焊盘结构509嵌入在图案化的半导体层704中，并且在沟槽蚀刻和后续的平坦化工艺期间也被隔离材料706覆盖。因此，可以保护焊盘结构509免受蚀刻和平坦化工艺的影响，而不需要沉积诸如图3中所述的介电填充物310的介电填充材料。另外，由于这里使用平坦化工艺平坦化一种材料(例如，隔离材料706)，而不是如上参考图3所述同时平坦化两种或多种材料(例如，隔离材料306和介电填充物310)，所以可以避免导致跨晶圆不均匀性的平坦化工艺的不同材料选择性。
图8是根据本发明的一些实施例的在图案化的半导体层的顶面上形成CMG结构和焊盘开口之后的部分制造的BSI图像传感器件500的截面图。由于平坦化的隔离材料706为CMG结构的形成提供了均匀的平坦顶面，因此实现了整个晶圆的均匀性。此外，因为当焊盘结构嵌入到图案化的半导体层704中并且被绝缘材料706覆盖时，防止背侧表面上的“凹陷效应”，所以最小化了由于凹表面造成的结构缺陷。
在BDTI结构706A-706D上方并且在隔离材料706的顶面707上形成诸如CMG结构804的金属栅格结构。如图8所示，在隔离材料706的平坦化的顶面上形成CMG结构804，而在CMG结构形成期间，通过图案化的半导体层704和隔离材料706覆盖焊盘结构509。CMG结构804可以类似于如上在图4中所述的CMG 404，并且使用类似的方法形成。例如，CMG结构804可以包括使用金属材料形成的第一部分805和使用介电材料形成的第二部分806。CMG结构804不限于上述结构和材料，并且可以具有多于两个部分并且包括多于两种类型的材料。
在部分制造的BSI图像传感器件500中形成焊盘开口808以暴露焊盘结构509的部分。可以使用图案化工艺和蚀刻工艺来形成焊盘开口808以去除隔离材料706的部分和图案化的半导体层704的部分，从而暴露焊盘结构509的部分。图案化工艺可以包括在隔离材料706上方形成光刻胶层，将抗蚀剂暴露于图案，实施曝光后烘焙工艺以及显影抗蚀剂以形成包括抗蚀剂的掩蔽元件。掩蔽元件可以保护隔离材料706的区域，同时蚀刻工艺去除隔离材料706的暴露部分、衬垫层510的下面部分和图案化的半导体层704。可以使用反应离子蚀刻(RIE)、湿蚀刻工艺、任何其他合适的工艺和/或它们的组合来蚀刻暴露部分。基于待蚀刻的材料来选择蚀刻工艺。根据所使用的材料，用于隔离材料706、图案化的半导体层704和衬垫层510的蚀刻工艺可以彼此相同或不同。在一些实施例中，蚀刻工艺可以是使用氧基等离子体的RIE工艺。在一些实施例中，RIE蚀刻工艺可以包括诸如，例如氮气、四氟化碳(CF4)和/或其他合适的气体的其他蚀刻剂气体。在蚀刻工艺之后，后续通过任何合适的工艺(诸如，例如任何合适的抗蚀剂剥离工艺、等离子灰工艺、硬掩模去除工艺和/或任何其他合适的工艺)去除掩蔽层。如图8所示，在蚀刻工艺之后，暴露覆盖层512的部分以提供至外部电路的电连接。在一些实施例中，在焊盘结构509包括单个金属填充物514而没有覆盖层512的情况下，焊盘开口808暴露金属填充物514的部分。
图9是根据本发明的一些实施例的用于形成具有在FEOL工艺期间形成的焊盘结构的图像传感器件的示例性方法900的流程图。可以实施方法900中的其他操作并且可以以不同的顺序实施和/或改变方法900的操作。
根据一些实施例，在操作902处，在半导体层中并且在衬底上方形成光电探测器。衬底可以是p型衬底或n型衬底。衬底可具有在从约100μm至约3000μm的范围内的初始厚度。可以在衬底上形成半导体层。在一些实施例中，半导体层可以是用于性能增强的应变的外延材料。在一些实施例中，半导体层具有大于2μm的厚度。光电探测器可以形成在半导体层中并且配置为感测诸如入射光波的辐射。在一些实施例中，光电探测器能够感测不可见光。光电探测器均可以包括光电二极管结构。衬底、半导体层和光电探测器的实例可以是以上参考图1描述的相应的衬底102、半导体层104和光电探测器106A-106C。
在操作904处，根据一些实施例，在半导体层中并且在衬底上方形成焊盘结构。在半导体层的指定为焊盘区的部分中形成焊盘结构。焊盘区是与光电探测器相邻并用于焊盘结构形成的外围区。外围开口形成在半导体层中并且放置在载体晶圆的导电结构所在的位置处。后续可以通过晶圆接合将载体晶圆接合至半导体层。外围开口的深度可以在半导体层的厚度的约80％至约95％(例如，80％至95％)的范围内。焊盘结构的实例可以是图5中描述的焊盘结构509。
焊盘结构形成在外围开口中并且可以包括衬垫层、覆盖层和金属填充物。衬垫层形成在外围开口中以在后续制造工艺期间保护半导体层的暴露表面或防止电迁移和/或金属扩散到半导体层中。在一些实施例中，衬垫层的厚度在约10nm和约300nm之间(例如，在10nm和300nm之间)。衬垫层的实例可以是图5中描述的衬垫510。
在外围开口的底部中并且在衬垫层上形成覆盖层。覆盖层可防止金属填充材料的金属氧化。在一些实施例中，可以使用铝铜合金、铜、铝、钨、任何其他合适的导电材料和/或它们的组合来形成覆盖层。覆盖层可以具有在约0.2μm和约1.5μm之间(例如，在0.2μm和1.5μm之间)的厚度。覆盖层的实例可以是图5中所述的覆盖层512。
在外围开口中并且在覆盖层上形成金属填充物。可以不使用覆盖层，并且金属填充物可以形成在衬垫层上并且填充外围开口。在平坦化或回蚀刻工艺之后，金属填充物的顶面与半导体层的顶面共面。金属填充物的实例可以是上面在图5中描述的金属填充物514。
在操作906处，根据一些实施例，形成互连结构。包括互连结构的载体晶圆可以接合至半导体层。可以通过诸如，例如熔融接合、混合接合、任何其他合适的接合方法和/或它们的组合的任何合适的接合方法将半导体层接合至载体晶圆。载体晶圆可以包括层间电介质、导电通孔、导线、缓冲层和载体衬底。载体晶圆及其组件的实例可以是在图6中描述的载体晶圆601及其相应组件。可以在半导体层上形成层间电介质。提供各种部件、电路和图像传感器件的输入/输出之间的互连的导电层和结构可以嵌入到层间电介质中。导电层和结构的实例可以是上面参考图6描述的导电通孔604和导线606。
在操作908处，根据一些实施例，形成BDTI结构。在形成用于BDTI结构的沟槽之前，去除衬底并且可以削薄半导体层。沉积隔离材料以填充沟槽并形成BDTI结构。可以在光电探测器之间形成每个BDTI结构。在沉积隔离材料之后，对沉积的隔离材料实施平坦化工艺(诸如，例如化学机械抛光工艺)以形成平坦的顶面。在形成BDTI结构之前，在图案化的半导体层中形成焊盘结构。外围开口和嵌入式焊盘结构嵌入到图案化的半导体层中，并且在沟槽蚀刻和后续的平坦化工艺期间也被隔离材料覆盖。因此，可以保护焊盘结构免受蚀刻和平坦化工艺的影响，而不需要沉积介电填充材料。此外，由于在此操作中平坦化一种材料，所以可避免引起跨晶圆不均匀性的平坦化工艺的不同的材料选择性。BDTI结构的实例可以是上面在图7中描述的BDTI结构706A-706D。
在操作910处，根据一些实施例，在隔离材料上方形成金属栅格结构。在隔离材料上形成诸如CMG结构的金属栅格结构。可以在隔离材料的平坦化的顶面上形成金属栅格结构，而通过半导体材料和隔离材料覆盖焊盘结构。金属栅格结构可以包括使用金属材料形成的第一部分和使用介电材料形成的第二部分。金属栅格结构的实例可以是图8中描述的CMG结构804。
在操作912，根据一些实施例，形成焊盘开口以暴露焊盘结构的部分。焊盘开口形成为暴露诸如，例如覆盖层或金属填充层的焊盘结构的部分。可以使用图案化和蚀刻工艺去除隔离材料的部分、图案化的半导体结构的部分和衬垫层的部分来形成焊盘开口，从而使得暴露焊盘结构的部分。在一些实施例中，在蚀刻工艺之后，暴露覆盖材料的部分以提供至外部电路的电连接。在其中焊盘结构包括单个金属填充材料而不使用覆盖结构的一些实施例中，通过焊盘开口暴露金属填充层的部分。焊盘开口的实例可以是图8中描述的焊盘开口808。
根据本发明的各个实施例描述了在FEOL工艺期间在图像传感件(例如，BSI图像传感器件)中形成焊盘结构。在形成BDTI结构和金属栅格结构之前，在FEOL工艺中形成外围开口和焊盘结构。在后续的工艺期间通过半导体层保护焊盘结构，因此消除了用介电材料填充外围开口的需要。在形成BDTI结构和金属栅格结构之后，在图像传感器件的背侧上形成开口以暴露嵌入式焊盘结构并形成电连接。FEOL工艺期间形成焊盘结构提供了诸如在平坦化之前消除介电填充工艺的需要的许多益处。另一个益处是在形成CMG之前形成均匀的平坦化的晶圆表面；这又导致跨晶圆的均匀性。
在一些实施例中，形成半导体图像传感器件的方法包括在半导体层中形成多个光电探测器。多个光电探测器配置为检测穿过半导体层的第一表面进入半导体层的光。蚀刻半导体层以在半导体层的第二表面中形成第一开口。第二表面与第一表面相对。焊盘结构形成在第一开口中并且包括金属填充物。在半导体层的第二表面上设置互连结构。该方法还包括蚀刻半导体层以在半导体层中形成第二开口以暴露焊盘结构的至少部分。
在一些实施例中，形成半导体图像传感器件的方法包括在半导体层中形成多个光电探测器。该方法还包括蚀刻半导体层以在半导体层的表面中形成第一开口并且与多个光电探测器中的至少一个光电探测器相邻。焊盘结构形成在第一开口中并且包括衬垫层和金属填充物。该方法还包括在半导体层中形成多个隔离结构。在多个隔离结构上形成金属栅格结构，并且蚀刻半导体层以在半导体层中形成第二开口以暴露焊盘结构的至少部分。
在一些实施例中，半导体图像传感器件包括具有第一表面和与第一表面相对的第二表面的半导体层。半导体图像传感器件还包括设置在半导体层的第一表面上方的互连结构。半导体图像传感器件包括形成在半导体层中的多个辐射感测区，其中，多个辐射感测区配置为感测从第二表面进入半导体层的辐射。半导体图像传感器件还包括形成在半导体层中的多个背侧深沟槽隔离(BDTI)结构。形成在半导体层中的焊盘结构的深度小于半导体层的厚度。
应当理解，详细描述部分，而不是本发明的摘要，旨在用于解释权利要求。公开部分的摘要可以阐述所设想的一个或多个但不是全部的示例性实施例，因此不旨在限制所附权利要求。
根据本发明的一些实施例，提供了一种形成半导体图像传感器件的方法，所述方法包括：在半导体层中形成多个光电探测器，其中，所述多个光电探测器配置为检测穿过所述半导体层的第一表面进入到所述半导体层中的光；蚀刻所述半导体层以在所述半导体层的第二表面中形成第一开口，其中，所述第二表面与所述第一表面相对；在所述第一开口中形成包括金属填充物的焊盘结构；在所述半导体层的所述第二表面上设置互连结构；以及蚀刻所述半导体层以在所述半导体层中形成第二开口以暴露所述焊盘结构的至少部分。
在上述方法中，所述第一开口的深度在所述半导体层的厚度的80％和95％之间。
在上述方法中，形成所述焊盘结构包括在形成所述金属填充物之前形成覆盖层。
在上述方法中，形成所述焊盘结构包括在形成所述金属填充物之前形成衬垫层。
在上述方法中，还包括沉积隔离材料以在所述半导体层中形成多个深沟槽隔离结构。
在上述方法中，在多个光电探测器的相邻光电探测器之间形成所述多个深沟槽隔离结构中的至少一个深沟槽隔离结构。
在上述方法中，蚀刻所述半导体层以形成所述第二开口包括图案化并蚀刻所述隔离材料。
在上述方法中，还包括在所述隔离材料上形成金属栅格结构，并且在形成所述金属栅格结构之前对所述隔离材料实施平坦化工艺。
在上述方法中，在设置所述互连结构之前形成所述第一开口。
在上述方法中，设置所述互连结构包括将载体晶圆接合至所述半导体层。
根据本发明的另一些实施例，还提供了一种形成半导体图像传感器件的方法，所述方法包括：在半导体层中形成多个光电探测器；蚀刻所述半导体层以在所述半导体层的表面中形成与所述多个光电探测器中的至少一个光电探测器相邻的第一开口；在所述第一开口中形成包括衬垫层和金属填充物的焊盘结构；在所述半导体层中形成多个隔离结构；在所述多个隔离结构上形成金属栅格结构；以及蚀刻所述半导体层以在所述半导体层中形成第二开口以暴露所述焊盘结构的至少部分。
在上述方法中，所述半导体层还包括与所述表面相对的另一表面，其中，所述多个光电探测器配置为检测穿过所述半导体层的所述另一表面进入到所述半导体层中的光。
在上述方法中，形成所述多个隔离结构包括：在所述半导体层上沉积隔离材料；以及平坦化所述隔离材料。
在上述方法中，蚀刻所述半导体层以形成所述第二开口还包括图案化并蚀刻所述隔离材料。
在上述方法中，形成所述焊盘结构还包括在形成所述金属填充物之前在所述第一开口中沉积覆盖材料。
根据本发明的又一些实施例，还提供了一种半导体图像传感器件，包括：半导体层，具有第一表面和与所述第一表面相对的第二表面；互连结构，设置在所述半导体层的所述第一表面上方；多个辐射感测区，形成在所述半导体层中，其中，所述多个辐射感测区配置为感测从所述第二表面进入到所述半导体层中的辐射；多个背侧深沟槽隔离(BDTI)结构，形成在所述半导体层中；以及焊盘结构，形成在所述半导体层中，其中，所述焊盘结构的深度小于所述半导体层的厚度。
在上述半导体图像传感器件中，所述焊盘结构包括金属填充物和覆盖结构。
在上述半导体图像传感器件中，所述覆盖结构包括铝铜合金。
在上述半导体图像传感器件中，还包括形成在所述半导体层上方的多个复合金属栅格结构。
在上述半导体图像传感器件中，所述焊盘结构的宽度在10μm和150μm之间。
上面概述了若干实施例的特征，使得本领域技术人员可以更好地理解本发明的各方面。本领域技术人员应该理解，他们可以容易地使用本发明作为基础来设计或修改用于实施与在此所介绍实施例相同的目的和/或实现相同优势的其他工艺和结构。本领域技术人员也应该意识到，这种等同构造并不背离本发明的精神和范围，并且在不背离本发明的精神和范围的情况下，在此他们可以做出多种变化、替换以及改变。

Claims (20)

1.一种形成半导体图像传感器件的方法，所述方法包括：
在半导体层中形成多个光电探测器，其中，所述多个光电探测器配置为检测穿过所述半导体层的第一表面进入到所述半导体层中的光；
蚀刻所述半导体层以在所述半导体层的第二表面中形成第一开口，其中，所述第二表面与所述第一表面相对；
在所述第一开口中形成包括金属填充物的焊盘结构；
在所述半导体层的所述第二表面上设置互连结构；
沉积隔离材料以在所述半导体层中形成多个深沟槽隔离结构，其中，所述焊盘结构和所述光电探测器由相同的所述隔离材料覆盖，并且对所述相同的所述隔离材料实施平坦化工艺之后，在所述隔离材料上形成金属栅格结构；以及
蚀刻所述半导体层和所述隔离材料以在所述半导体层中形成第二开口以暴露所述焊盘结构的至少部分。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一开口的深度在所述半导体层的厚度的80％和95％之间。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，形成所述焊盘结构包括在形成所述金属填充物之前形成覆盖层。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，形成所述焊盘结构包括在形成所述金属填充物之前形成衬垫层。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述互连结构包括与所述金属填充物对准并且与所述金属填充物物理接触的导线。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，在多个光电探测器的相邻光电探测器之间形成所述多个深沟槽隔离结构中的至少一个深沟槽隔离结构。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，蚀刻所述半导体层以形成所述第二开口包括图案化并蚀刻所述隔离材料。
8.根据权利要求4所述的方法，所述衬垫层的厚度在10nm和300nm之间。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，在设置所述互连结构之前形成所述第一开口。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，设置所述互连结构包括将载体晶圆接合至所述半导体层。
11.一种形成半导体图像传感器件的方法，所述方法包括：
在半导体层中形成多个光电探测器；
蚀刻所述半导体层以在所述半导体层的第一表面中形成与所述多个光电探测器中的至少一个光电探测器相邻的第一开口；
在所述第一开口中形成包括衬垫层和金属填充物的焊盘结构；
在所述半导体层的与所述第一表面相对的第二表面上沉积隔离材料以在所述半导体层中形成多个隔离结构，其中，所述焊盘结构和所述光电探测器由相同的所述隔离材料覆盖；
对所述相同的所述隔离材料实施平坦化工艺之后，在所述多个隔离结构上形成金属栅格结构；以及
蚀刻所述半导体层和所述隔离材料以在所述半导体层中形成第二开口以暴露所述焊盘结构的至少部分。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述半导体层还包括与所述表面相对的另一表面，其中，所述多个光电探测器配置为检测穿过所述半导体层的所述另一表面进入到所述半导体层中的光。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，形成所述多个隔离结构包括：
在所述半导体层上沉积隔离材料；以及
平坦化所述隔离材料。
14.据权利要求13所述的方法，其中，蚀刻所述半导体层以形成所述第二开口还包括图案化并蚀刻所述隔离材料。
15.根据权利要求11所述的方法，其中，形成所述焊盘结构还包括在形成所述金属填充物之前在所述第一开口中沉积覆盖材料。
16.一种半导体图像传感器件，包括：
半导体层，具有第一表面和与所述第一表面相对的第二表面；
互连结构，设置在所述半导体层的所述第一表面上方；
多个辐射感测区，形成在所述半导体层中，其中，所述多个辐射感测区配置为感测从所述第二表面进入到所述半导体层中的辐射；
多个背侧深沟槽隔离(BDTI)结构，在所述第二表面处形成在所述半导体层中将所述多个辐射感测区彼此隔离；以及
焊盘结构，形成在所述半导体层中，所述焊盘结构包括：
金属填充物，其底面朝向所述第一表面；
覆盖结构，在所述金属填充物的顶面上；
衬垫层，在所述覆盖结构上，并且位于所述覆盖结构和所述金属填充物的侧壁上；
其中，所述焊盘结构的深度小于所述半导体层的厚度，
其中，所述互连结构包括与所述金属填充物对准并且与所述金属填充物物理接触的导线，
所述半导体图像传感器件还包括，从所述背侧深沟槽隔离结构横向延伸出的横向部，所述横向部位于所述第二表面上方并且在竖直方向上与所述覆盖结构重叠，
其中，所述金属填充物的整个底面为连续平坦表面，并且所述连续平坦表面与所述辐射感测区的朝向所述第一表面的一侧齐平。
17.根据权利要求16所述的半导体图像传感器件，其中，所述衬垫层的厚度在10nm和300nm之间。
18.根据权利要求16所述的半导体图像传感器件，其中，所述覆盖结构包括铝铜合金。
19.根据权利要求16所述的半导体图像传感器件，还包括形成在所述半导体层上方的多个复合金属栅格结构。
20.根据权利要求16所述的半导体图像传感器件，其中，所述焊盘结构的宽度在10μm和150μm之间。
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