CN109860213A

CN109860213A - 半导体图像传感器及其形成方法

Info

Publication number: CN109860213A
Application number: CN201810926999.0A
Authority: CN
Inventors: 施俊吉; 黄益民; 杨敦年
Original assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Current assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Priority date: 2017-11-30
Filing date: 2018-08-15
Publication date: 2019-06-07
Anticipated expiration: 2038-08-15
Also published as: US11522002B2; US10468448B2; US20210118933A1; TW201926734A; US20200043967A1; CN109860213B; US10868071B2; US20190165025A1; TWI677995B

Abstract

本申请涉及一种半导体图像传感器及其形成方法。根据本发明的一些实施例，一种半导体图像传感器包含：第一衬底，其包含第一前侧及第一后侧；第一互连结构，其放置于第一衬底的第一前侧上方；第二衬底，其包含第二前侧及第二后侧；第二互连结构，其放置于第二衬底的第二前侧上方；第三衬底，其包含第三前侧及第三后侧；及第三互连结构，其放置于第三衬底的第三前侧上方。第一衬底包含多个第一感测装置，且第二衬底包含多个第二感测装置。第二衬底的第二后侧面向第一衬底的第一前侧，且第二衬底的第二前侧面向第三衬底的第三前侧。

Description

半导体图像传感器及其形成方法

技术领域

本发明实施例是有关半导体图像传感器及其形成方法。

背景技术

数字相机及其它成像装置采用图像传感器。图像传感器将光学图像转换为可表示为数字图像的数字数据。一图像传感器包含像素传感器的阵列及支持逻辑电路。所述阵列中的像素传感器是用于测量入射光的单元装置，且支持逻辑电路促进对测量的读出。通常用于光学成像装置中的一种类型的图像传感器是后侧照明(BSI)图像传感器。可将BSI图像传感器制作整合到习用半导体工艺中以达成低成本、较小大小及高度整合。此外，BSI图像传感器具有低操作电压、低电力消耗、高量子效率、低读出噪声且允许随机存取。

发明内容

本发明的一实施例是关于一种半导体图像传感器，其包括：第一光感测层，其包括多个第一感测装置；第二光感测层，其包括多个第二感测装置；第一互连结构，其夹置于所述第一光感测层与所述第二光感测层之间；第二互连结构；第一逻辑装置，其介于所述第一光感测层与所述第一互连结构之间；及第二逻辑装置，其介于所述第二光感测层与所述第二互连结构之间，其中所述第二光感测层介于所述第一逻辑装置与所述第二逻辑装置之间。

本发明的一实施例是关于一种半导体图像传感器，其包括：第一衬底，其包括第一前侧及与所述第一前侧相对的第一后侧，且所述第一衬底包括多个第一感测装置；第一互连结构，其放置于所述第一衬底的所述第一前侧上方；第二衬底，其包括第二前侧及与所述第二前侧相对的第二后侧，且所述第二衬底包括多个第二感测装置；第二互连结构，其放置于所述第二衬底的所述第二前侧上方；第三衬底，其包括第三前侧及与所述第三前侧相对的第三后侧；及第三互连结构，其放置于所述第三衬底的所述第三前侧上方，其中所述第二衬底的所述第二后侧面向所述第一衬底的所述第一前侧，且所述第二衬底的所述第二前侧面向所述第三衬底的所述第三前侧。

本发明的一实施例是关于一种用于形成半导体图像传感器的方法，其包括：提供第一衬底，所述第一衬底包括第一前侧及与所述第一前侧相对的第一后侧，所述第一衬底包括多个第一感测装置；将所述第一衬底接合到第二衬底，所述第二衬底包括第二前侧及与所述第二前侧相对的第二后侧，其中所述第一前侧面向所述第二前侧；将绝缘结构放置于所述第一衬底的所述第一后侧上方，其中所述绝缘结构包括多个介电质光栅图案；及将所述第一衬底接合到第三衬底，所述第三衬底包括第三前侧及与所述第三前侧相对的第三后侧，其中所述第一后侧面向所述第三前侧，所述第三衬底包括多个第二感测装置。

附图说明

当借助附图阅读时，从以下详细说明最佳地理解本揭露的方面。应注意，根据工业中的标准实践，各种装置未按比例绘制。实际上，为论述清晰起见，可任意地增加或减小各种装置的尺寸。

图1是图解说明根据本揭露的方面的半导体图像传感器的示意图。

图2是根据本揭露的方面的半导体图像传感器的一部分的部分放大视图。

图3是图解说明根据本揭露的方面的半导体图像传感器的示意图。

图4展示表示根据本揭露的方面的用于形成半导体图像传感器的方法的流程图。

图5A到12是根据一或多项实施例中的本揭露的方面而构造的处于各种制作阶段处的半导体图像传感器的一系列剖面图。

具体实施方式

以下揭露提供用于实施所提供主题的不同装置的诸多不同实施例或实例。下文阐述组件及布置的特定实例以简化本揭露。当然，这些仅为实例且并非意图为限制性的。举例来说，在说明中一第一装置在一第二装置上方或所述第二装置上形成可包含其中第一装置与第二装置直接接触地形成的实施例且还可包含其中额外装置可形成于第一装置与第二装置之间使得第一装置与第二装置可不直接接触的实施例。另外，本揭露可在各种实例中重复参考编号及/或字母。此重复是出于简单及清晰目的且并非本质上指示所论述的各种实施例及/或配置之间的关系。

此外，可在本文中为易于说明而使用空间相对术语(例如“下方”、“下面”、“下部”、“上面”、“上部”、“上”及诸如此类)来阐述一个元件或装置与另一元件或装置的关系，如各图中所图解说明。所述空间相对术语意图囊括在使用或操作中的装置的除各图中所绘示定向之外的不同定向。设备可以其它方式定向(旋转90度或以其它定向)且可因此同样地理解本文中所使用的空间相对描述语。

如本文中所使用，例如“第一”、“第二”及“第三”的术语阐述各种元件、组件、区域、层及/或区段，这些元件、组件、区域、层及/或区段不应由这些术语限制。这些术语可仅用于将一个元件、组件、区域、层或区段与另一元件、组件、区域、层或区段区分开。例如“第一”、“第二”及“第三”的术语当在本文中使用时并不暗指一序列或次序，除非内容脉络明确指示。

如本文中所使用，术语“大约”、“大体上”、“实质”及“约”用于阐述并计及小的变化。当连同一事件或情况一起使用时，所述术语可指其中所述事件或情况精确地发生的例项以及其中所述事件或情况接近近似地发生的例项。举例来说，当连同一数值一起使用时，所述术语可指小于或等于所述数值的±10％(例如小于或等于±5％、小于或等于±4％、小于或等于±3％、小于或等于±2％、小于或等于±1％、小于或等于±0.5％、小于或等于±0.1％或者小于或等于±0.05％)的变化范围。举例来说，如果两个数值之间的差小于或等于所述值的平均值的±10％(例如小于或等于±5％、小于或等于±4％、小于或等于±3％、小于或等于±2％、小于或等于±1％、小于或等于±0.5％、小于或等于±0.1％或者小于或等于±0.05％)，那么所述数值可被视为“大体上”相同或相等的。举例来说，“大体上”平行可指相对于0°小于或等于±10°(例如小于或等于±5°、小于或等于±4°、小于或等于±3°、小于或等于±2°、小于或等于±1°、小于或等于±0.5°、小于或等于±0.1°或者小于或等于±0.05°)的角度变化范围。举例来说，“大体上”垂直可指相对于90°小于或等于±10°(例如小于或等于±5°、小于或等于±4°、小于或等于±3°、小于或等于±2°、小于或等于±1°、小于或等于±0.5°、小于或等于±0.1°或者小于或等于±0.05°)的角度变化范围。

半导体图像传感器包含像素传感器的阵列。通常，像素传感器经配置以接收电磁辐射且将所述电磁辐射转换成电荷。对于大部分来说，在处于可见光、近红外线(NIR)及短波红外线(SWIR)光谱中的室外或室内场景中所感测的电磁辐射由反射产生。在某些实施例中，因此针对不同光谱提供不同像素传感器。举例来说，提供图像感测装置以接收可见光且检索一物件的一图像，而提供深度感测装置以接收IR及/或NIR以确定一图像传感器与物件之间的一距离。在某些实施例中，构造包含用以确定距物件的距离且检索物件的图像的不同感测装置的一复合像素。然而，仍需要针对可见光及NIR电磁辐射两者获得相同分辨率。此外，既需要防止因长波长可见光所致的受污染IR或NIR信号也需要IR或NIR背景消除能力以防止可见成像中的色彩保真度损失。

本揭露因此提供一种半导体图像传感器，其包含整合式可见光感测装置及IR/NIR感测装置。在某些实施例中，半导体图像传感器的可见光感测装置及IR/NIR感测装置包含相同分辨率。此外，在某些实施例中，当改进IR/NIR消除能力时，NIR信号损失及可见光污染皆减小。本揭露进一步提供一种用于形成半导体图像传感器的方法，所述方法能够简化后段工艺(BEOL)布线且改进可见光感测装置与IR/NIR感测装置的整合。

图1是根据某些实施例中的本揭露的方面的半导体图像传感器100的剖面图。在某些实施例中，半导体图像传感器100包含光感测层110，且光感测层110可为块体半导体衬底，例如块体硅(Si)衬底或绝缘体上硅(SOI)衬底，但本揭露并不限于此。光感测层110可包含多个感测装置112，所述多个感测装置布置成行及列且经配置以从入射于其上的光子累积电荷(例如，电子)。此外，至少一个逻辑装置113(例如一晶体管)可经配置以达成对感测装置112的读出。感测装置112经放置以接收具有一预定波长的光。在某些实施例中，感测装置112可经操作以感测入射光的可见光。半导体图像传感器100包含另一光感测层120，所述另一光感测层包含多个感测装置122。在某些实施例中，感测装置122不同于感测装置112。如上文所提及，至少一个逻辑装置123(例如一晶体管)可经配置以达成对感测装置122的读出。感测装置122经放置以接收具有一预定波长的光。在某些实施例中，感测装置122可经操作以感测入射光的红外线(IR)及/或近红外线(NIR)。在某些实施例中，感测装置112中的每一个与感测装置122中的一个对准。此外，光感测层120介于逻辑装置113与逻辑装置123之间，如图1中所展示。

在某些实施例中，多个隔离结构114(例如深沟槽隔离(DTI)结构)放置于光感测层110中，且多个隔离结构124(例如DTI结构)放置于光感测层120中，如图1中所展示。在某些实施例中，隔离结构114中的每一个及隔离结构124中的每一个可包含由一涂层(未展示)涂覆的一绝缘材料。涂层可包含金属，例如钨(W)、铜(Cu)或铝铜(AlCu)或者具有小于Si的折射率(n)的低n材料。低n材料可包含氧化硅(SiO)或氧化铪(HfO)，但本揭露并不限于此。在某些实施例中，绝缘材料可包含低n绝缘材料，但本揭露并不限于此。在某些实施例中，环绕感测装置112并介于所述感测装置之间的隔离结构114在相邻感测装置112之间提供光学隔离，由此用作一衬底隔离栅格且减小串扰。类似地，环绕感测装置122并介于所述感测装置之间的隔离结构124在相邻感测装置122之间提供光学隔离，由此用作一衬底隔离栅格且减小串扰。

参考图1，在某些实施例中，包含对应于感测装置112的多个彩色滤光器152的光学层150放置于光感测层110上方。在某些实施例中，钝化层116可放置于光学层150与光感测层110之间，但本揭露并不限于此。在某些实施例中，光学层150进一步包含放置于彩色滤光器152之间的多个低n结构154。低n结构154形成一栅格结构且彩色滤光器152位于栅格内。因此，低n结构154环绕每一彩色滤光器152，且将彩色滤光器152彼此分离，如图1中所展示。低n结构154可为一复合结构，所述复合结构包含具有小于彩色滤光器152的折射率的折射率的若干层。在某些实施例中，低n结构154可包含一复合堆叠，所述复合堆叠包含至少一金属层及放置于所述金属层上方的介电质层。在某些实施例中，金属层可包含W、Cu或AlCu。介电质层包含具有小于彩色滤光器152的折射率的折射率的材料或具有小于Si的折射率的折射率的材料，但本揭露并不限于此。由于低折射率，因此低n结构154用作用以将光引导或反射到彩色滤光器152的光导。因此，低n结构154有效地增加入射到彩色滤光器152中的光的量。此外，由于低折射率，因此低n结构154在相邻彩色滤光器152之间提供光学隔离。在某些实施例中，光学层150进一步包含放置于彩色滤光器152上方的多个微透镜(未展示)。微透镜用于将入射光聚焦到对应感测装置112上。应容易地理解，每一微透镜的位置及面积与彩色滤光器152的位置及面积或感测装置112的位置及面积对应。

在某些实施例中，彩色滤光器152分别允许一预定义光谱的传入电磁辐射通过。换句话说，彩色滤光器152经分配给对应色彩或波长的光，且经配置以滤除除了所分配色彩或波长的光之外的全部光。举例来说，彩色滤光器152分配在红色光、绿色光与蓝色光之间交替，使得彩色滤光器152包含红色彩色滤光器、绿色彩色滤光器及蓝色彩色滤光器。在某些实施例中，红色彩色滤光器、绿色彩色滤光器及蓝色彩色滤光器布置成一拜耳(Bayer)马赛克图案，但本揭露并不限于此。因此，在某些实施例中，包含微透镜及彩色滤光器152的光学层150与光感测层110构造一RGB图像感测系统，且感测装置112可分别为红色图像感测装置、绿色图像感测装置及蓝色图像感测装置，但本揭露并不限于此。

仍参考图1，半导体结构100进一步包含连接层130。在某些实施例中，连接层130包含夹置于光感测层110与光感测层120之间的互连结构132。并且逻辑装置113放置于光感测层110与互连结构132之间。在某些实施例中，互连结构132包含堆叠于层间介电质(ILD)层134中的多个BEOL金属化层。互连结构132的一或多个接点电连接到放置于光感测层110上方的逻辑装置113。在某些实施例中，ILD层134可包含一低介电系数材料(即，具有小于3.9的介电常数的介电质材料)或一种氧化物，但本揭露并不限于此。互连结构132可包含金属，例如Cu、W或Al，但本揭露并不限于此。

半导体图像传感器100进一步包含另一连接层140。在某些实施例中，连接层140包含互连结构142。如图1中所展示，光感测层120夹置于互连结构132与互连结构142之间。并且逻辑装置123放置于光感测层120与互连结构142之间。在某些实施例中，互连结构142包含堆叠于ILD层144中的多个BEOL金属化层。互连结构142的一或多个接点电连接到放置于光感测层120上方的逻辑装置123。在某些实施例中，ILD层144可包含一低介电系数材料或一种氧化物，但本揭露并不限于此。互连结构142可包含金属，例如Cu、W或Al，但本揭露并不限于此。在某些实施例中，另一衬底(未展示)可经配置以电连接到互连结构142，但本揭露并不限于此。在某些实施例中，半导体图像传感器100进一步包含放置于连接层140的ILD层144中的多个导电反射体146。在某些实施例中，导电反射体146接近于光感测层120而放置于连接层140中，但本揭露并不限于此。在某些实施例中，导电反射体146中的每一个分别对应于感测装置122中的一个，但本揭露并不限于此。在某些实施例中，导电反射体146可与互连结构142物理且电隔离。

在某些实施例中，半导体图像传感器100包含放置于整个互连结构132与光感测层120之间的至少一个经接合结构160。此外，半导体图像传感器100包含电连接到第二互连结构142的至少一个经接合结构162。因此，另一衬底(未展示)可经配置以透过经接合结构162而电连接到互连结构142，但本揭露并不限于此。在某些实施例中，半导体图像传感器100进一步包含穿透连接层130及光感测层120的一部分的至少一个导体170。更重要地，导体170电连接经接合结构160与第二互连结构142，如图1中所展示。因此，互连结构132可透过经接合结构160、导体170、互连结构142及经接合结构162而电连接到其它装置。

参考图2，其为半导体图像传感器100的一部分的部分放大视图。在某些实施例中，经接合结构160包含一混合接合结构。举例来说但不限于，经接合结构160包含至少一金属到金属接合界面164及一金属到介电质接合界面166。在某些实施例中，经接合结构160可包含一介电质到介电质接合界面(未展示)。

在某些实施例中，半导体图像传感器100进一步包含夹置于互连结构132与光感测层120之间的多个介电质光栅图案136a。在某些实施例中，连接层130可进一步包含放置于ILD层134与光感测层120之间的介电质层136b，且介电质光栅图案136a嵌入于介电质层136b中。在某些实施例中，经接合结构160穿透介电质层136b及介电质光栅图案136a的一部分，如图2中所展示，但本揭露并不限于此。在某些实施例中，介电质光栅图案136a可包含介电质材料，例如SiO、碳化硅(SiC)、氮化硅(SiN)或氮氧化硅(SiON)，但本揭露并不限于此。在某些实施例中，介电质光栅图案136a及介电质层136b可包含不同介电质材料，但本揭露并不限于此。介电质光栅图案136a中的每一个可包含厚度T，且在某些实施例中厚度T可介于约90纳米(nm)与约220nm之间，但本揭露并不限于此。在某些实施例中，介电质光栅图案136a的间距P可介于约0.55微米(μm)与约0.75μm之间，但本揭露并不限于此。在某些实施例中，大小D与间距P的占空比可介于约25％与约75％之间，但本揭露并不限于此。

在某些实施例中，半导体图像传感器100包含介电质光栅图案136a，所述介电质光栅图案经引入以将可见光往回反射到构造RGB图像感测系统的感测装置112。因此，减小可见光污染。此外，IR及/或NIR由导电反射体146往回反射到感测装置122。因此，改进IR及/或NIR波长中的量子效率(QE)。

图3是根据某些实施例中的本揭露的方面的半导体图像传感器200的剖面图。应注意，图1到2及图3中相同的元件可包含相同材料，且因此为简洁起见而省略所述细节。在某些实施例中，半导体图像传感器200包含衬底210，所述衬底包含前侧210F及与前侧210F相对的后侧210B。在某些实施例中，衬底210可为块体半导体衬底，例如块体Si衬底或SOI衬底，但本揭露并不限于此。此外，衬底210包含放置于其中的多个感测装置212。在某些实施例中，感测装置212可经操作以感测入射光的可见光。如上文所提及，至少一个逻辑装置213(例如一晶体管)可形成于衬底210的前侧210F上方且经配置以达成对多个感测装置212的读出。

在某些实施例中，多个隔离结构214(例如DTI结构)放置于衬底210中以在相邻感测装置212之间提供光学隔离，由此用作一衬底隔离栅格且减小串扰。在某些实施例中，互连结构232放置于衬底210的前侧210F上方且电连接到逻辑装置213。如上文所提及，互连结构232包含堆叠于ILD层234中的多个BEOL金属化层。在某些实施例中，分别与多个感测装置212对准的多个光学结构(例如彩色滤光器252及微透镜(未展示))在后侧210B上放置于衬底210上方。在某些实施例中，钝化层216可放置于彩色滤光器252与衬底210之间，但本揭露并不限于此。在某些实施例中，多个低n结构254放置于彩色滤光器252之间，且低n结构254用作用以将光引导或反射到彩色滤光器252的光导。用于将入射光聚焦到对应感测装置212上的微透镜(未展示)放置于彩色滤光器252及低n结构254上方。如上文所提及，彩色滤光器252经分配给对应色彩或波长的光，使得彩色滤光器252包含红色彩色滤光器、绿色彩色滤光器及蓝色彩色滤光器。在某些实施例中，红色彩色滤光器、绿色彩色滤光器及蓝色彩色滤光器布置成一拜耳马赛克图案，但本揭露并不限于此。因此，在某些实施例中，微透镜、彩色滤光器252及感测装置212可为一RGB图像感测系统。

半导体图像传感器200进一步包含衬底220，所述衬底包含前侧220F及与前侧220F相对的后侧220B。如上文所提及，衬底220可为块体半导体衬底，例如块体Si衬底或SOI衬底，但本揭露并不限于此。此外，衬底220包含放置于其中的多个感测装置222。多个感测装置222经放置以接收具有一预定波长的光。在某些实施例中，感测装置222可经操作以感测入射光的IR及/或NIR。在某些实施例中，多个感测装置212中的每一个与多个感测装置222中的一个对准。在某些实施例中，多个隔离结构224(例如DTI结构)放置于衬底220中以在相邻感测装置222之间提供光学隔离，由此用作一衬底隔离栅格且减小串扰。如上文所提及，至少一个逻辑装置223(例如一晶体管)可形成于衬底220的前侧220F上方且经配置以达成对多个感测装置222的读出。

在某些实施例中，互连结构242放置于衬底220的前侧220F上方且电连接到逻辑装置223。如上文所提及，互连结构242包含堆叠于ILD层244中的多个BEOL金属化层。在某些实施例中，多个导电反射体246放置于ILD层244中。在某些实施例中，导电反射体246接近于感测装置222而放置于互连结构242中，但本揭露并不限于此。在某些实施例中，导电反射体246中的每一个分别对应于感测装置222中的一个，但本揭露并不限于此。在某些实施例中，导电反射体246可与互连结构242物理且电隔离。在某些实施例中，绝缘结构236放置于衬底220的后侧220B上方。在某些实施例中，绝缘结构236包含嵌入于介电质层236b中的多个介电质光栅图案236a。介电质光栅图案236a及介电质层236b的材料可与上文所详述的材料类似，因此为简单起见而省略所述细节。类似地，介电质光栅图案236a的厚度T、间距P及占空比可与上文所详述的厚度T、间距P及占空比类似，因此为简单起见而省略所述细节。

半导体图像传感器200进一步包含衬底280，所述衬底包含前侧280F及与前侧280F相对的后侧280B。如上文所提及，衬底280可为块体半导体衬底，例如块体Si衬底或SOI衬底，但本揭露并不限于此。在某些实施例中，衬底280包含读出电路、图像信号处理(ISP)电路及/或专用集成电路(ASIC)，但本揭露并不限于此。在某些实施例中，互连结构292放置于衬底280的前侧280F上方且电连接到所述电路。如上文所提及，互连结构292包含堆叠于ILD层294中的多个BEOL金属化层。

应注意，互连结构232、242及292放置于衬底210、220及280的前侧210F、220F及280F上方。更重要地，衬底220的后侧220B面向衬底210的前侧210F，且衬底220的前侧220F面向衬底280的前侧280F。此外，位于衬底220的前侧220F上方的互连结构242接合到位于衬底280的前侧280F上方的互连结构292，而位于衬底210的前侧210F上方的互连结构232接合到衬底220的后侧220B。在某些实施例中，半导体图像传感器200进一步包含放置于互连结构232与衬底220之间的至少一个经接合结构260。经接合结构260帮助进行衬底210与衬底220之间的接合。在某些实施例中，经接合结构260放置于介电质光栅图案236a与互连结构232之间，但本揭露并不限于此。在某些实施例中，经接合结构260穿透介电质层236b及介电质光栅图案236a的一部分，如图3中所展示，但本揭露并不限于此。此外，经接合结构260电连接到互连结构232。在某些实施例中，经接合结构260包含一混合接合结构。举例来说但不限于，经接合结构260可包含至少一金属到金属接合界面、一金属到介电质接合界面及一介电质到介电质接合界面(未展示)。

在某些实施例中，半导体图像传感器200进一步包含放置于互连结构242与互连结构292之间的至少一个经接合结构262。经接合结构262帮助进行衬底220与衬底280之间的接合。在某些实施例中，经接合结构262穿透ILD层244的一部分及ILD层294的一部分，如图3中所展示，但本揭露并不限于此。此外，经接合结构262电连接到互连结构242及互连结构292。在某些实施例中，经接合结构262包含一混合接合结构。举例来说但不限于，经接合结构262可包含至少一金属到金属接合界面、一金属到介电质接合界面及一介电质到介电质接合界面(未展示)。

在某些实施例中，半导体图像传感器200进一步包含至少一个导体270，所述至少一个导体穿透介电质层236b的一部分、衬底220以及ILD层244的一部分。更重要地，导体270电连接经接合结构260与互连结构242，如图2中所展示。因此，位于衬底210上的电路可透过互连结构232、经接合结构260、导体270、互连结构242、经接合结构262及互连结构292而电连接到位于衬底280上的电路。

在某些实施例中，半导体图像传感器200包含介电质光栅图案236a，所述介电质光栅图案将可见光往回反射到构造RGB图像感测系统的感测装置212。因此，减小可见光污染。此外，IR及/或NIR由导电反射体246往回反射到感测装置222。因此，改进IR及/或NIR波长中的QE。此外，由于位于衬底220的前侧220F上方的互连结构242面向衬底280，因此互连结构242不再位于一直接光路径中。因此，简化了用于互连结构242的BEOL布线，这是因为直接光路径并非互连结构242的问题。此外，由于衬底220的后侧220B面向衬底210，因此可进一步薄化衬底220且因此进一步减小IR/NIR损失。

请参考图4及图5A到12。图4展示表示根据本揭露的方面的用于形成半导体图像传感器的方法的流程图，且图5A到12是根据一或多项实施例中的本揭露的方面而构造的处于各种制作阶段处的半导体图像传感器的一系列剖面图。在本揭露中，还公开一种制造半导体图像传感器300的方法。在某些实施例中，半导体图像传感器结构200可通过方法300而形成。方法300包含若干个操作且不应将说明及图解说明视为对操作的序列的限制。方法300包含若干个操作(302、304、306及308)。另外，应注意，图2及图5A到12中相同的元件由相同编号指定，且可包含相同材料，因此为简洁起见而省略所述细节。

在操作302中，提供或接收第一衬底220，如图5A中所展示。在某些实施例中，第一衬底220包含第一前侧220F及与第一前侧220F相对的第一后侧220B。在第一衬底220中形成多个第一感测装置222。在某些实施例中，在第一前侧220F附近形成第一感测装置222，如图5A中所展示。在某些实施例中，第一感测装置222可经操作以感测入射光的红外线(IR)及/或近红外线(NIR)，但本揭露并不限于此。此外，至少一个第一逻辑装置223(例如第一晶体管)可经配置以达成对第一感测装置222的读出。第一衬底220进一步包含放置于第一前侧220F上方的第一互连结构242。在某些实施例中，第一互连结构242包含堆叠于第一ILD层244中的多个BEOL金属化层。第一互连结构242的一或多个接点电连接到第一逻辑装置223。在某些实施例中，半导体图像传感器200进一步包含放置于第一ILD层244中的多个导电反射体246。在某些实施例中，导电反射体246接近于第一衬底220而放置于第一ILD层244中，但本揭露并不限于此。在某些实施例中，可在形成第一互连结构242之前或期间形成导电反射体246。在某些实施例中，导电反射体246可与第一互连结构242物理且电隔离。在某些实施例中，导电反射体246与第一感测装置222对准且与所述第一感测装置重叠，如图5A中所展示，但本揭露并不限于此。此外，将至少一个第一接垫248放置于第一互连结构242上方。如图5A中所展示，第一接垫248物理且电连接到第一互连结构242。

在某些实施例中，可提供或接收第二衬底280，如图5B中所展示。第二衬底280包含第二前侧280F及与第二前侧280F相对的第二后侧280B。在某些实施例中，第二衬底280包含读出电路、图像信号处理(ISP)电路及/或专用集成电路(ASIC)，但本揭露并不限于此。在某些实施例中，将第二互连结构292放置于第二衬底282的第二前侧280F上方且电连接到所述电路。如上文所提及，第二互连结构292包含堆叠于第二ILD层294中的多个BEOL金属化层。此外，将至少一个第二接垫288放置于第二互连结构292上方，且将第二接垫288电连接到第二互连结构292。

在操作304中，将第一衬底220接合到第二衬底280。参考图6，将第一衬底220倒置，使得第一衬底220的第一前侧220F面向第二衬底280的第二前侧280F。因此，将第一互连结构242形成为面向第二互连结构292。通过第一接垫248及第二接垫288而将第一衬底220接合到第二衬底280且将第一互连结构242接合到第二互连结构292。因此，获得至少一个第一经接合结构262，所述至少一个第一经接合结构放置于整个第一互连结构242与整个第二互连结构292之间，如图6中所展示。此外，第一互连结构242、第二互连结构292及经接合结构262全部放置于第一衬底220与第二衬底280之间。如上文所提及，第一经接合结构262可包含混合接合结构，所述混合接合结构包含至少一金属到金属界面及介电质到介电质界面。在某些实施例中，第一经接合结构262可包含金属到介电质界面。

参考图7，在某些实施例中，可在将第一衬底220接合到第二衬底280之后执行薄化操作以从第一后侧220B使第一衬底220变薄。因此，减小第一衬底220的厚度。在某些实施例中，执行薄化操作以使感测装置222暴露，如图7中所展示。

参考图8，在从第一后侧220B使第一衬底220变薄之后，将多个隔离结构214(例如DTI结构)放置于第一衬底220中以在相邻感测装置222之间提供光学隔离，由此用作一衬底隔离栅格且减小串扰。

在操作306中，将绝缘结构236放置于衬底220的后侧220B上方。在某些实施例中，绝缘结构236包含嵌入于介电质层236b中的多个介电质光栅图案236a。介电质光栅图案236a及介电质层236b的材料可与上文所详述的材料类似，因此为简单起见而省略所述细节。类似地，介电质光栅图案236a的厚度T、间距P及占空比可与上文所详述的厚度T、间距P及占空比类似，因此为简单起见而省略所述细节。此外，形成至少一个导体270，所述至少一个导体穿透介电质层236b的一部分、衬底220以及ILD层244的一部分。更重要地，将导体270电连接到第一互连结构242，如图9中所展示。在某些实施例中，将介电质层236b的一部分放置于第一衬底220的第一后侧220B上方，且形成导体270以穿透介电质层236b的部分。此后，在第一衬底220的第一后侧220B上方形成介电质光栅图案236a以及介电质层236b的另一部分。因此，介电质层236b的至少一部分及介电质光栅图案236a的至少一部分环绕导体270，如图9中所展示。然而，在某些实施例中，将介电质层236b的一部分放置于第一衬底220的第一后侧220B上方，然后将介电质光栅图案236a放置于介电质层236b的所述部分上方，且在介电质光栅图案236a上方形成介电质层236b的另一部分。然后形成导体270以穿透介电质层236b及介电质光栅图案236a，如图9中所展示。在形成导体270之后，将第三接垫228放置于衬底220的后侧220B上方。如图9中所展示，将第三接垫228电连接到导体270。在某些实施例中，透过导体270、第一互连结构242、第一经接合结构262及第二互连结构292而将第三接垫228电连接到位于第二衬底280上方的电路。

参考图10，在某些实施例中，提供或接收第三衬底210。第三衬底210包含第三前侧210F及与第三前侧210F相对的第三后侧210B。此外，第三衬底210包含放置于其中的多个第二感测装置212。在某些实施例中，第二感测装置212可经操作以感测入射光的可见光。如上文所提及，至少一个第二逻辑装置213(例如一晶体管)可形成于第三衬底210的第三前侧210F上方且经配置以达成对多个第二感测装置212的读出。在某些实施例中，将第三互连结构232放置于第三衬底210的第三前侧210F上方且电连接到第二逻辑装置。如上文所提及，第三互连结构232包含堆叠于第三ILD层234中的多个BEOL金属化层。此外，将至少一个第四接垫238放置于第三互连结构232上方，且将第四接垫238电连接到第三互连结构232。

在操作308中，将第一衬底220接合到第三衬底210，其中第一后侧220B面向第三前侧210F。更重要地，将第一衬底220的第一后侧220B接合到第三衬底210的第三前侧210F。如图11中所展示，将第三衬底210倒置，使得将第三互连结构232形成为面向第一衬底220的第一后侧220B。然后通过第三接垫228及第四接垫238而将第三互连结构232接合到第一衬底220。因此，获得至少一个第二经接合结构260，所述至少一个第二经接合结构放置于整个第三互连结构232与第一衬底220之间，如图11中所展示。如上文所提及，第二经接合结构260可包含一混合接合结构，所述混合接合结构包含至少一金属到金属界面及一介电质到介电质界面。在某些实施例中，第二经接合结构260可包含一金属到介电质界面。因此，透过第二经接合结构260及导体270而将第一互连结构242电连接到第三互连结构232。另外，第一感测装置222分别与第二感测装置212对准。此外，将第一感测装置222放置于第一逻辑装置223与第二逻辑装置213之间。

在某些实施例中，可在将第三衬底210接合到第一衬底220之后执行另一薄化操作以从第三后侧210B使第三衬底210变薄。因此，减小第三衬底210的厚度。在某些实施例中，执行薄化操作以使第二感测装置212暴露。在某些实施例中，将多个隔离结构214(例如DTI结构)放置于第三衬底210中以在相邻第二感测装置212之间提供光学隔离，由此用作一衬底隔离栅格且减小串扰。在某些实施例中，将绝缘层216放置于第三衬底210的第三后侧210B上方。

参考图12，接下来，将多个光学结构放置于第三衬底210的第三后侧210B上方。举例来说，将分别与多个感测装置212对准的多个光学结构(例如彩色滤光器252及微透镜)在第三后侧210B上方放置于第三衬底210上方。在某些实施例中，可将钝化层216放置于彩色滤光器252与第三衬底210之间，但本揭露并不限于此。在某些实施例中，将多个低n结构254放置于彩色滤光器252之间，且低n结构254用作用以将光引导或反射到彩色滤光器252的光导。将用于将入射光聚焦到对应感测装置212上的微透镜(未展示)放置于彩色滤光器252及低n结构254上方。如上文所提及，将彩色滤光器252分配给对应色彩或波长的光，因此微透镜、彩色滤光器252及第二感测装置212可为一RGB图像感测系统。

仍参考图12，因此获得包含可见光感测装置及IR/NIR感测装置的双层级半导体图像传感器200。如图12中所展示，在某些实施例中，将第一感测装置212(其为可见光感测装置)称为层级1感测装置，而将第一感测装置222(其为IR/NIR感测装置)称为层级2感测装置。并且层级1感测装置212及层级2感测装置222两者皆采用后侧照明(BSI)方法。由于第二感测装置212中的每一个与第一感测装置222中的每一个重叠，因此使IR/NIR分辨率增加到与可见光分辨率大体上相同。并且由于IR/NIR从第一衬底220的第一后侧220B进入第一感测装置222，因此位于第一衬底220的第一前侧220F上方的第一互连结构242不再位于直接光路径中。因此，可简化用于第一互连结构242的BEOL布线。此外，容易地整合例如薄化操作、DTI结构形成及介电质光栅图案236a引入等后侧操作。如上文所提及，通过从第一后侧220B薄化第一衬底220，可缩短IR/NIR路径且因此进一步减小IR/NIR损失。如上文所提及，通过将介电质光栅图案236a引入于第一衬底220与第三衬底210之间的绝缘结构236中，使可见光往回反射到第二感测装置212。因此，减小可见光污染。此外，IR及/或NIR由导电反射体246往回反射到第一感测装置222。因此，改进IR及/或NIR波长中的QE。

因此，本揭露因此提供一种双层级半导体图像传感器，其包含整合式可见光感测装置与IR/NIR感测装置。在某些实施例中，半导体图像传感器的可见光感测装置与IR/NIR感测装置包含相同分辨率。此外，在某些实施例中，当改进IR/NIR消除能力时，NIR信号损失及可见光污染皆减小。本揭露进一步提供一种用于形成半导体图像传感器的方法，所述方法能够简化BEOL布线、将后侧操作整合到可见光感测装置及IR/NIR感测装置两者且改进可见光感测装置与IR/NIR感测装置的整合。

在某些实施例中，提供一种半导体图像传感器。所述半导体图像传感器包含：第一光感测层，其包含多个第一感测装置；第二光感测层，其包含多个第二感测装置；第一互连结构，其夹置于所述第一光感测层与所述第二光感测层之间；第二互连结构；第一逻辑装置，其介于第一感测层与所述第一互连结构之间；及第二逻辑装置，其介于所述第二光感测层与所述第二互连结构之间。在某些实施例中，所述第二光感测层介于所述第一逻辑装置与所述第二逻辑装置之间。

在某些实施例中，提供一种半导体图像传感器。所述半导体图像传感器包含：第一衬底，其包含第一前侧及与所述前侧相对的第一后侧；第一互连结构，其放置于所述第一衬底的所述第一前侧上方；第二衬底，其包括第二前侧及与所述第二前侧相对的第二后侧；第二互连结构，其放置于所述第二衬底的所述第二前侧上方；第三衬底，其包含第三前侧及与所述第三前侧相对的第三后侧；及第三互连结构，其放置于所述第三衬底的所述第三前侧上方。在某些实施例中，所述第一衬底包含多个第一感测装置，且所述第二衬底包含多个第二感测装置。在某些实施例中，所述第二衬底的所述第二后侧面向所述第一衬底的所述第一前侧，且所述第二衬底的所述第二前侧面向所述第三衬底的所述第三前侧。

在某些实施例中，提供一种用于形成半导体图像传感器的方法。所述方法包含：提供第一衬底，所述第一衬底包含第一前侧及与所述第一前侧相对的第一后侧，且所述第一衬底包含多个第一感测装置；将所述第一衬底接合到第二衬底，所述第二衬底包含第二前侧及与所述第二前侧相对的第二后侧，其中所述第一衬底的所述第一前侧面向所述第二衬底的所述第二前侧；将绝缘结构放置于所述第一衬底的所述第一后侧上方，其中所述绝缘结构包含多个介电质光栅图案；及将所述第一衬底接合到第三衬底，所述第三衬底包含第三前侧及与所述第三前侧相对的第三后侧，且所述第三衬底包含多个第二感测装置。

前述内容概述数个实施例的装置，使得所属领域的技术人员可较佳地理解本揭露的方面。所属领域的技术人员应了解，其可容易地使用本揭露作为设计或修改用于实施与本文中介绍的实施例相同的目的及/或达成与所述实施例相同的优点的其它程序及结构的基础。所属领域的技术人员还应认识到，这些等效构造并不背离本揭露的精神及范围，且其可在不背离本揭露的精神及范围的情况下在本文中做出各种改变、替换及更改。

符号说明

100 半导体图像传感器/半导体结构

110 光感测层

112 多个感测装置/感测装置

113 逻辑装置

114 隔离结构

116 钝化层

120 光感测层

122 感测装置

123 逻辑装置

124 隔离结构

130 连接层

132 互连结构

134 层间介电质层

136a 介电质光栅图案

136b 介电质层

140 连接层

142 互连结构/第二互连结构

144 层间介电质层

146 导电反射体

150 光学层

152 彩色滤光器

154 低n结构

160 经接合结构

162 经接合结构

164 金属到金属接合界面

166 金属到介电质接合界面

170 导体

200 半导体图像传感器/半导体图像传感器结构/双层级半导体图像传感器

210 衬底/第三衬底

210B 后侧/第三后侧

210F 前侧/第三前侧

212 感测装置/第一感测装置/层级1感测装置

213 逻辑装置/第二逻辑装置

214 隔离结构

216 钝化层/绝缘层

220 衬底/第一衬底

220B 后侧/第一后侧

220F 前侧/第一前侧

222 感测装置/第二感测装置/层级2感测装置

223 逻辑装置/第一逻辑装置

224 隔离结构

228 第三接垫

232 互连结构/第三互连结构

234 层间介电质层/第三层间介电质层

236 绝缘结构

236a 介电质光栅图案

236b 介电质层

238 第四接垫

242 互连结构/第一互连结构

244 层间介电质层/第一层间介电质层

246 导电反射体

248 第一接垫

252 彩色滤光器

254 低n结构

260 经接合结构/第二经接合结构

262 经接合结构/第一经接合结构

270 导体

280 衬底/第二衬底

280B 后侧/第二后侧

280F 前侧/第二前侧

288 第二接垫

292 互连结构/第二互连结构

294 层间介电质层/第二层间介电质层

D 大小

P 间距

T 厚度

Claims

1.一种半导体图像传感器，其包括：

第一光感测层，其包括多个第一感测装置；

第二光感测层，其包括多个第二感测装置；

第一互连结构，其夹置于所述第一光感测层与所述第二光感测层之间；

第二互连结构；

第一逻辑装置，其介于所述第一光感测层与所述第一互连结构之间；以及

第二逻辑装置，其介于所述第二光感测层与所述第二互连结构之间，

其中所述第二光感测层介于所述第一逻辑装置与所述第二逻辑装置之间。

2.根据权利要求1所述的半导体图像传感器，其进一步包括夹置于所述第一互连结构与所述第二光感测层之间的多个介电质光栅图案。

3.根据权利要求1所述的半导体图像传感器，其进一步包括放置于所述第一互连结构与所述第二感测层之间的至少一个经接合结构。

4.根据权利要求3所述的半导体图像传感器，其进一步包括穿透所述第二光感测层的至少一个导体，且所述导体电连接到所述经接合结构。

5.一种半导体图像传感器，其包括：

第一衬底，其包括第一前侧及与所述第一前侧相对的第一后侧，且所述第一衬底包括多个第一感测装置；

第一互连结构，其放置于所述第一衬底的所述第一前侧上方；

第二衬底，其包括第二前侧及与所述第二前侧相对的第二后侧，且所述第二衬底包括多个第二感测装置；

第二互连结构，其放置于所述第二衬底的所述第二前侧上方；

第三衬底，其包括第三前侧及与所述第三前侧相对的第三后侧；以及

第三互连结构，其放置于所述第三衬底的所述第三前侧上方，

其中所述第二衬底的所述第二后侧面向所述第一衬底的所述第一前侧，且所述第二衬底的所述第二前侧面向所述第三衬底的所述第三前侧。

6.根据权利要求5所述的半导体图像传感器，其中所述第一衬底进一步包括放置于所述第一后侧上方的多个光学结构，且所述第二衬底进一步包括放置于所述第二后侧上方的绝缘结构。

7.根据权利要求5所述的半导体图像传感器，其进一步包括介于第一互连结构与所述第二衬底之间的至少一个第一经接合结构，及介于所述第二互连结构与所述第三互连结构之间的至少一个第二经接合结构。

8.根据权利要求7所述的半导体图像传感器，其进一步包括电连接所述第一经接合结构与所述第二互连结构的导体。

9.一种用于形成半导体图像传感器的方法，其包括：

提供第一衬底，所述第一衬底包括第一前侧及与所述第一前侧相对的第一后侧，所述第一衬底包括多个第一感测装置；

将所述第一衬底接合到第二衬底，所述第二衬底包括第二前侧及与所述第二前侧相对的第二后侧，其中所述第一前侧面向所述第二前侧；

将绝缘结构放置于所述第一衬底的所述第一后侧上方，其中所述绝缘结构包括多个介电质光栅图案；以及

将所述第一衬底接合到第三衬底，所述第三衬底包括第三前侧及与所述第三前侧相对的第三后侧，其中所述第一后侧面向所述第三前侧，所述第三衬底包括多个第二感测装置。

10.根据权利要求9所述的方法，其进一步包括将多个光学结构放置于所述第三衬底的所述第三后侧上方。