JP2013038391A - 集積回路構造及び裏面照射型イメージセンサデバイス - Google Patents

集積回路構造及び裏面照射型イメージセンサデバイス Download PDF

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文徳 王
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Abstract

【課題】裏面照射（BSI）型イメージセンサチップのパッド構造を提供する。
【解決手段】前面及び背面を含む半導体基板、前記半導体基板の前記前面に配置される低k誘電体層、前記低k誘電体層に配置される非低k誘電体層、前記非低k誘電体層に配置される金属パッド、前記半導体基板の背面から延伸し、前記半導体基板、前記低k誘電体層、及び低k誘電体層を貫通し、前記金属パッドの表面を露出する開口、及び前記開口の側壁及び底部上に形成され、前記開口の底部は、前記金属パッドの前記露出された表面を部分的に覆う保護層を含む集積回路構造。
【選択図】図６

Description

本発明は、裏面照射（BSI）型イメージセンサチップに関し、特に、裏面照射（BSI）型イメージセンサチップのパッド構造に関するものである。
裏面照射（BSI）型イメージセンサチップは、光子を捕獲する高効率により、前面照射型センサチップに取って代わっている。BSI型イメージセンサチップの形成では、イメージセンサ及び論理回路は、ウエハのシリコン基板上に形成され、次いでシリコンチップの前面に相互接続構造を形成する。相互接続構造は、底部金属層M１から上層金属層Mtopを含む複数の金属層を含む。
次いで、ウエハは、反転される。背面研削は、シリコン基板の背面からシリコン基板に行われる。バッファ酸化層は、残りのシリコン基板の背面上に形成されることができ、第１開口は、バッファ酸化層から延伸され、シリコン基板に形成されたシャロートレンチアイソレーション（STI）パッドでストップするように形成される。次いで第２開口が第１開口内に形成されて、STIパッド及びSTIパッドのエッチングされた部分の直下にある層間絶縁膜（ILD）を更にエッチングし、底部金属層M１の金属パッドが露出される。第２開口は第１開口より小さい。アルミニウム銅パッドは、第１及び第２開口内に形成され、金属層M１の金属パッドに電気的接続される。アルミニウム銅パッドは、BSIチップを接合するのに用いられることができる。
従来の接合構造は、ボールシェアテスト中に薄膜を剥離させる可能性があることが見つかっている。アルミニウム銅パッドに接合されている底部金属層M１の金属パッドは、下方のエッチストップ層から剥離される可能性がある。剥離は、金属パッドと、通常、炭化ケイ素で構成されたエッチストップ層との間の劣った接着性によって生じる。
米国特許第７５８２５０２号明細書
裏面照射（BSI）型イメージセンサチップのパッド構造を提供する。
本実施形態に基づき、集積回路構造は、半導体基板、及び半導体基板の底面から上向きに半導体基板内に延伸した誘電パッドを含む。低k誘電体層は、半導体基板の下方に配置される。金属パッドは、第１非低k誘電体層の下方に配置される。第２非低k誘電体層は、金属パッドの下方に配置される。開口は、半導体基板の上面から下向きに延伸し、半導体基板、誘電パッド、及び低k誘電体層を貫通し、開口は、金属パッドの上面に到達する。保護層は、開口の側壁上の一部を含み、開口の底部にある保護層の一部は、除去される。
他の実施形態に基づき、集積回路構造は、半導体基板を含む。シャロートレンチアイソレーション（STI）パッドは、半導体基板の底面から半導体基板内に延伸する。イメージセンサは、半導体基板の底面に配置される。複数の低k誘電体層は、半導体基板の下方に配置される。第１非低k誘電体層は、低k誘電体層の下方に配置される。金属パッドは、第１非低k誘電体層の下方に配置される。第１開口は、半導体基板の上面からSTIパッドの上面に延伸する。第２開口は、STIパッドの上面から金属パッドの上面に延伸し、第１及び第２開口は、接続されて連続した開口を形成する。保護層は、半導体基板の真上に第１部分を有し、且つ第１開口の側壁及び第２開口の側壁上に第２部分を有するように形成される。保護層は、第２開口の底部にある開口を有する。
また、他の実施形態に基づき、本方法は、半導体基板の背面から半導体基板をエッチングし、第１開口を形成するステップを含む。第１開口は、半導体基板のSTIパッドの上面でストップする。次いで、STIパッド、STIパッドの下方に配置される低k誘電体層、及び低k誘電体層の下方に配置される非低k誘電体層は、エッチングされて、第２開口を形成し、非低k誘電体層の下方に配置される金属パッドの上面は、第２開口を通過して露出される。第１及び第２開口は、連続した開口を形成する。保護層は、半導体基板の真上に形成され、保護層は、第１開口の側壁と底部及び第２開口の底部に延伸する。保護層の底部は、第２開口の底部から除去され、金属パッドを露出し、保護層の側壁は除去されない。
本発明は、添付の図面と併せて後に続く詳細な説明と実施例を解釈することによって、より完全に理解されることができる。
種々の実施形態に基づいた裏面照射イメージセンサのウエハのボンドパッド構造を製造する第１の中間段階の断面図である。 種々の実施形態に基づいた裏面照射イメージセンサのウエハのボンドパッド構造を製造する第２の中間段階の断面図である。 種々の実施形態に基づいた裏面照射イメージセンサのウエハのボンドパッド構造を製造する第３の中間段階の断面図である。 種々の実施形態に基づいた裏面照射イメージセンサのウエハのボンドパッド構造を製造する第４の中間段階の断面図である。 種々の実施形態に基づいた裏面照射イメージセンサのウエハのボンドパッド構造を製造する第５の中間段階の断面図である。 種々の実施形態に基づいた裏面照射イメージセンサのウエハのボンドパッド構造を製造する第６の中間段階の断面図である。
実施形態の製造および使用が以下に詳細に論じられる。しかしながら、本実施形態は、さまざまな特定の文脈において具現化され得る多くの適用可能な発明の概念を提供する。論じられる特定の実施形態は、単に例示するのみであり、本発明の範囲を限定するものではない。
種々の実施形態に基づいた裏面照射（BSI）イメージセンサデバイスのパッド構造及びその形成方法が提供される。BSIパッド構造を形成する中間段階が示される。実施形態の変化例が論じられる。さまざまな図及び例示的な実施形態をつうじて、同様の参照番号は同様の要素を指定するのに用いられる。
図１〜図６は、いくつかの実施形態に基づいたパッド構造の製造の中間段階の断面図を示している。図１は、ウエハ２２の一部であり得るイメージセンサチップ２０を示している。イメージセンサチップ２０は、結晶シリコン基板または他の半導体材料で形成された半導体基板であり得る半導体基板２６を含む。説明を通じて、表面２６Aは、半導体基板２６の前面として示され、表面２６Bは、半導体基板２６の背面として示される。光電性（photosensitive） MOS型トランジスタまたは光電性ダイオードでもよいイメージセンサ２４は、半導体基板２６の表面に形成される。よって、ウエハ２２は、イメージセンサのウエハであり得る。説明を通じて、イメージセンサがある側は、半導体基板２６の前面と表示され、反対側は、背面として示される。誘電パッド３６は、シャロートレンチアイソレーション（STI）パッドであることができ、半導体基板２６の上面（前面２６Aである）から半導体基板２６に延伸する。
相互接続構造２８は、半導体基板２６上に形成され、イメージセンサチップ２０のデバイスを電気的接続するのに用いられる。相互接続構造２８は、半導体基板２６上に形成された層間絶縁層（ILD）２５を含み、コンタクトプラグ（図示されない）は、ILD２５に形成され得る。金属層は、誘電体層３０に金属線／パッド３２及びビア３４を含む。イメージセンサ２４は、金属層M１からMtopにある金属線／パッド３２及びビア３４に電気的に接続され得る。
金属層は、M１、M２...及びMtopと標示され、金属層M１は、相互接続構造２８の底部金属層であり、金属層Mtopは、相互接続構造２８の上部金属層である。図示された実施形態では、４つの金属層があり、金属層Mtopは、M４である。しかしながら、ウエハ２２は、より多くの、またはより少ない金属層を含んでもよい。一実施形態では、金属層M１からMtopの金属線３２及びビア３４が形成されている誘電体層３０は、例えば、約３.０より低い、または約２.５より低い、低誘電率（low k）の値を有する低k誘電体層である。
誘電体層３８は、上金属層Mtop上に形成される。誘電体層３８は、３.９より大きいk値を有する低k誘電体材料でない誘電体材料で形成され得る。一実施形態では、誘電体層３８は、非ドープケイ酸塩ガラス（USG）、ホウ素ドープケイ酸塩ガラス（BSG）、リンドープケイ酸塩ガラス（PSG）、ホウ素ドープリンケイ酸ガラス（BPSG）などの酸化物で形成される。誘電体層３８は、酸化ケイ素層及び酸化ケイ素層上の窒化ケイ素層でも形成されることができる。
接着層４０は、誘電体層３８上に形成され、誘電体層３８の開口内に延伸し、金属層Mtopにある金属線３２に電気的接続する。一実施形態では、接着層４０は、タンタル、窒化タンタル、チタン、窒化チタンなどで形成される。接着層４０の上は、金属パッド４４A及び金属線４４Bを含む金属構造体４４で形成される。金属構造体４４は、アルミニウム、アルミニウム銅などを含むことができる。接着層４０は、誘電体層３８と金属構造体４４との間にあり、それと接触することができ、接着層４６は、タンタル、窒化タンタル、チタン、窒化チタンなどで形成される。接着層４０と４６及び金属構造体４４の形成は、第１接着層を形成する、第１接着層の上に金属層を形成する、金属層の上に第２接着層を形成する、且つ同じマスクを用いて第１接着層、金属層、及び第２接着層をパターン化することを含むことができる。よって、接着層４０と４６及び金属構造体４４は、それらのそれぞれの端部が互いに垂直に配置された端部を共有することができる。
保護層４７は、接着層４６と誘電体層３８上に形成される。誘電体層３８と同様に、保護層４７は、３.９より大きいk値を有する低k誘電体材料でない誘電体材料で形成され得る。一実施形態では、保護層４７は、非ドープケイ酸塩ガラス（USG）、ホウ素ドープケイ酸塩ガラス（BSG）、ホウ素ドープリンケイ酸ガラス（BPSG）などの酸化物で形成される。保護層４７は、例えば、酸化ケイ素層及び酸化ケイ素層上の窒化ケイ素層でも形成されることができる。保護層４７は、接着層４０と４６及び金属構造体４４を完全に密閉することができる。
図２を参照すると、ウエハ２２は、反転され、ウエハ２２の下方にあるキャリア（図示されない）に接合される。よって、図１に表された特徴のそれぞれの上面は、底面となり、その逆もまた同様である。半導体基板２６は、図２に示されるように上向きである。背面研削は、例えば、ウエハ２２の厚さが約２０μmより小さい、または約１０μmより小さくなるまで、半導体基板２６を薄化するように行われる。その結果の半導体基板２６の背面２６Bが標示される。この厚さでは、光は、半導体基板２６の後側（その前側と反対である）から残りの半導体基板２６まで通過することができる。薄化の後、バッファ酸化層４８は、半導体基板２６の背面上に形成され得る。実施形態では、バッファ酸化層４８が異なる構造を有して、異なる材料から形成されてもよいが、バッファ酸化層４８は、酸化ケイ素層、酸化ケイ素層上の下部反射防止（BARC）層、及びBARC層上のもう１つの酸化物層を含む。フォトレジストであり得るマスクは、ウエハ２２上に形成され、次いでパターン化される。
図３を参照すると、バッファ酸化層４８及び半導体基板２６は、エッチングされて開口５２を形成する。次いで、マスク５０が除去される。エッチングステップでは、STIパッド３６は、エッチストップ層として用いられ、エッチングは、STIパッド３６でストップする。よって、STIパッド３６の上面は、開口５２によって露出される。
図４は、金属遮蔽層５５及びバッファ酸化層５６の形成を示している。実施形態では、金属遮蔽層５５の形成は、金属層の形成を含み、次いで、金属層をパターン化して、半導体基板２６の部分の上方に金属遮蔽層５５を残し、金属遮蔽層５５が金属層遮蔽層５５の直下にあるデバイス（図示されていない。例えばトランジスタ）の部分に到達する光をブロックする。金属遮蔽層５５は、アルミニウム及び／または銅を含み得る。金属遮蔽層５５の形成後、バッファ酸化層５６が形成される。バッファ酸化層５６は、バッファ酸化層４８と同様の材料で形成される。バッファ酸化層５６は、半導体基板２６の直上にある第１部分を含み、第２部分は、開口５２内に延伸する。第２部分は、半導体基板２６の側壁上の部分、及びSTI パッド３６の真上の部分を更に含む。
次に、図５に表されるように、フォトレジスト５８が形成されてパターン化され、STI パッド３６は、フォトレジスト５８をマスクとして用いてエッチングされる。よって、開口６０が形成される。注意するのは、金属層の詳細を図示するために、示された開口６０のアスペクト比は、物理的にウエハ上に形成される、実際の開口のアスペクト比よりも大幅に大きい。実際の開口は、開口６０の高さよりもかなり大きく、時に、何十倍も大きい水平寸法を有することがある。エッチングステップの間、低k誘電体層３０及び非低k誘電体材料３８もエッチングされ、エッチングは金属パッド４４Aでストップする。開口６０に露出された接着層４０の部分は、エッチングステップ中に除去され得る。よって、金属パッド４４Aは開口６０に露出される。次いでフォトレジスト５８は、除去される。結果として生じる構造では、開口５２及び６０は、連続した開口を形成する。
図６は、酸化層（例えば酸化ケイ素層）及び酸化層上の窒化層（例えば窒化ケイ素層）で形成され得る保護層６２の形成を示している。保護層６２は、バッファ酸化層５６の上面に延伸し、開口５２及び６０内に延伸する。保護層６２は、開口６０の側壁上の部分を含むため、低k誘電体層３０が湿気から防止される。パターン化のステップが行わるため、開口６０の底部にある保護層６２の部分が除去されて金属パッド４４Aが露出される。また、保護層６２は、イメージセンサ２４の真上から除去されることができる。よって、光（曲線矢印７０で標示されている）は、バッファ酸化層４８／５６及び半導体基板２６を通過し、光を電子信号に変換するイメージセンサに到達する。
実施形態では、ワイヤボンディングが実行され、金属パッド４４Aに接合されるワイヤボンドバンプ（wire bond bump）６８を形成する。ワイヤボンドバンプ６８は、金、アルミニウムなどを含むことができる。ワイヤボンディングは、ウエハ２２がイメージセンサチップにカットされた後、行われることができる。結果として生じる構造では、ワイヤボンドバンプ６８は、金属パッド４４Aと物理的接触することができる。
本実施形態では、ワイヤボンドバンプ６８は、接着層４６上に更に位置される金属パッド４４Aに接合される。接着層４６は、保護層４７及び金属パッド４４Aの両方に対して良好な接着性を有する。よって、前記ボンディングは、従来のボンディングよりも良好な機械的強度を有する。従来のボンディングでは、ワイヤボンドバンプは、底部金属層M１の金属構造体上に形成され、金属構造体は、その劣った接着性により、且つ低k誘電体材料の脆弱性により、下方のエッチストップ層から剥離される可能性がある。
本実施形態及びそれらの利点が詳細に説明されてきたが、本開示の精神及び範囲を逸脱しない限りにおいては、当業者は、添付の請求の範囲によって定義されるように、本開示の精神および範囲を逸脱せずに、ここで種々の変更、代替、および改変をするだろう。また、本願の範囲は、本明細書中に述べられたプロセス、機械、製造、物質の組成、装置、方法、及びステップの特定の実施形態を限定することを意図するものではない。当業者は、ここで述べられた実施形態に応じて、実質的に同様の機能を実行するか、または実質的に同様の結果を達成する、現存の、または後に開発される、開示、プロセス、機械、製造、物質の組成、装置、方法、及びステップから、より容易に理解されることを認識するであろう。よって、添付の請求の範囲は、上述のプロセス、機械、製造、物質の組成、装置、方法、またはステップを含む。また、各請求の範囲は、個別の実施形態を構成し、各請求の範囲及び実施形態の組み合わせは、本発明の保護範囲である。
２０ イメージセンサチップ
２２ ウエハ
２４ イメージセンサ
２５ 層間絶縁層（ILD）
２６ 半導体基板
２６A、２６B 表面
２８ 相互接続構造
３０、３８ 誘電体層
３２ 金属線／パッド
３４ ビア
３６ 誘電パッド（シャロートレンチアイソレーション（STI）パッド）
４０、４６ 接着層
４４ 金属構造体
４４A 金属パッド
４４B 金属線４４
４７、６２ 保護層
４８、５６ バッファ酸化層
５０ マスク
５５ 金属遮蔽層
５６ バッファ酸化層
６８ ワイヤボンドバンプ
７０ 光
M１、M２、M３、M４、Mtop 金属層

Claims (10)

  1. 前面及び背面を含む半導体基板、
    前記半導体基板の前記前面に配置される低k誘電体層、
    前記低k誘電体層に配置される非低k誘電体層、
    前記非低k誘電体層に配置される金属パッド、
    前記半導体基板の背面から延伸し、前記半導体基板、前記低k誘電体層、及び低k誘電体層を貫通し、前記金属パッドの表面を露出する開口、及び
    前記開口の側壁及び底部上に形成され、前記開口の底部は、前記金属パッドの前記露出された表面を部分的に覆う保護層を含む集積回路構造。
  2. 前記半導体基板の前面から前記半導体基板内に延伸し、前記開口がそれを更に貫通する誘電パッド、及び
    前記半導体基板の前記前面に配置されたイメージセンサを更に含む請求項１に記載の集積回路構造。
  3. 前記開口に配置されて、前記金属パッドに電気的接続され、前記金属パッドと物理的接触しているバンプを更に含む請求項１に記載の集積回路構造。
  4. 前記半導体基板の前記背面に金属遮蔽を更に含み、前記保護層が延伸し、前記金属遮蔽層を覆う請求項１に記載の集積回路構造。
  5. 前記金属パッドと前記非低k誘電体層との間に接着層を更に含み、前記開口が前記接着層内に延伸する請求項１に記載の集積回路構造。
  6. 半導体基板、
    前記半導体基板の前面から前記半導体基板内に延伸するシャロートレンチアイソレーションパッド、
    前記半導体基板の前記前面に配置されるイメージセンサ、
    前記イメージセンサ及び前記半導体基板の前面の上方に配置された複数の誘電体層、
    前記複数の誘電体層の上方に配置された金属パッド、
    前記半導体基板の背面から前記前面に延伸し、前記シャロートレンチアイソレーションパッド及び前記複数の誘電体層を通過し、前記金属パッドの一部を露出する開口、及び
    前記開口の側壁及び底部に形成され、前記開口の底部にある前記保護層が前記金属パッドの前記露出された部分を部分的に覆う保護層を含む集積回路構造。
  7. 前記複数の誘電体層は、前記半導体基板の前記前面上に少なくとも１つの低k誘電体層、及び前記少なくとも１つの低k誘電体層に第１非低k誘電体層を含む請求項６に記載の集積回路構造。
  8. 前記第１非低k誘電体層上の第２非低k誘電体層、
    前記金属パッドと前記第１非低k誘電体層との間の第１接着層、及び
    前記金属パッドと前記第２非低k誘電体層との間の第２接着層を更に含む請求項７に記載の集積回路構造。
  9. 前面及び背面を含む半導体基板、
    前記半導体基板の前記前面に配置される複数の誘電体層、
    前記複数の誘電体層に配置される金属パッド、
    前記半導体基板の背面から延伸し、前記半導体基板及び複数の誘電体層を貫通し、前記金属パッドの一部を露出する開口、及び
    前記開口に形成され、前記金属パッドに電気的接続するバンプを含む裏面照射型イメージセンサデバイス。
  10. 前記バンプと前記複数の誘電体層との間に配置された保護層、
    前記半導体基板の前記前面に形成され、前記複数の誘電体層によって覆われるイメージセンサ、
    前記半導体基板の前記前面に形成され、前記開口がシャロートレンチアイソレーションを貫通するシャロートレンチアイソレーション、及び
    前記半導体基板の背面に配置された金属遮蔽層を更に含む請求項９に記載の裏面照射型イメージセンサデバイス。
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