TW201324755A - 裝置及其形成方法 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種裝置，其包含一半導體基板，上述半導體基板具有一正面與一背面。一複晶矽層是設置在上述半導體基板的上述背面上，上述複晶矽層具有一部分，在上述部分摻雜有p型不純物。一介電層是設置在上述半導體基板的上述背面上，其中上述複晶矽層是位於上述半導體基板與上述複晶矽層之間。
Description
本發明主要是關於一種裝置及其形成方法，特別是關於一背面發光式影像感測器晶片中的一背面結構及其形成方法。
背面發光式(Backside Illumination；BSI)影像感測器晶片正逐漸取代正面發光式感測器晶片，因為背面發光式影像感測器晶片在捕捉光子方面展現較高的效率。在背面發光式影像感測器晶片的形成方法中，是將影像感測器例如光學二極體、以及邏輯電路形成在一晶圓的一矽基板上。然後，在上述矽基板的正面形成一內連線結構。上述內連線結構包含複數個金屬層，其中包含底部金屬層M1乃至頂部金屬層Mtop。然後，將一鈍化層形成在上述內連線結構的上方。
上述影像感測器晶片的形成步驟包含一背面研磨步驟、一p型不純物佈植步驟以及一退火步驟。上述製程接下來是在上述矽基板的背面上，形成背面接觸墊、彩色濾光片、透鏡等等。
本發明的一實施例是提供一種裝置，包含：一半導體基板、一複晶矽層以及一介電層。上述半導體基板是具有一正面與一背面。上述複晶矽層是在上述半導體基板的上述背面上，其中上述複晶矽層具有一部分，在上述部分摻雜有p型不純物。上述介電層是在上述半導體基板的上述
背面上，其中上述複晶矽層是位於上述半導體基板與上述複晶矽層之間。
在上述之裝置中，較好為更包含一第一影像感測器，上述第一影像感測器是設置在上述半導體基板的上述正面上。
在上述之裝置中，較好為更包含：一第二影像感測器以及一金屬擋板層。上述第二影像感測器是設置在上述半導體基板的上述正面上。上述金屬擋板層是位於上述第一影像感測器上方且對準於上述第一影像感測器，其中上述第二影像感測器並未對準於上述金屬擋板層，且上述複晶矽層是位於上述金屬擋板層與上述半導體基板之間，且上述複晶矽層是對準於上述第一影像感測器與上述第二影像感測器。
在上述之裝置中，較好為更包含一氧化物層，上述氧化物層是位於上述半導體基板的一後表面與上述複晶矽層之間，且上述氧化物層是接觸上述半導體基板的上述後表面與上述複晶矽層，其中上述氧化物層具有上述半導體基板的材料的氧化物。
在上述之裝置中，上述複晶矽層較好是與上述半導體基板有實體接觸(physical contact)。
在上述之裝置中，上述複晶矽層較好為包含一底部層、一中間層以及一上部層。其中上述中間層是位於上述底部層與上述上部層之間；上述中間層具有上述p型不純物的一第一濃度；在上述底部層與上述上部層內的上述p型不純物的第二濃度低於上述第一濃度。
在上述之裝置中，上述底部層與該上部層較好是實質上不含上述p型不純物。
本發明的另一實施例是提供一種裝置，包含：一半導體基板、一第一影像感測器與一第二影像感測器、一氧化物層、一複晶矽層、一金屬擋板層以及一鈍化層。上述第一影像感測器與上述第二影像感測器在上述半導體基板的一前表面。上述氧化物層是在上述半導體基板的一後表面上方並接觸上述半導體基板的上述後表面。上述複晶矽層是在上述氧化物層的上方，其中上述複晶矽層具有p型不純物。上述金屬擋板層是在上述複晶矽層的上方，其中上述金屬擋板層是在上述第一影像感測器的上方並對齊於上述第一影像感測器。上述鈍化層是在上述金屬擋板層的上方。
在上述之裝置中，上述p型不純物較好是實質上分布在上述複晶矽層的整體。
在上述之裝置中，較好為：上述p型不純物是分布在上述複晶矽層的一中間層，其中上述複晶矽層的一底部層與一上部層是實質上不含上述p型不純物，且上述上部層與上述底部層是分別位於上述中間層的上方與下方。
在上述之裝置中，上述金屬擋板層較好為並未對準於上述第二影像感測器。
在上述之裝置中，較好為更包含一介電層，上述介電層是位於上述金屬擋板層與上述複晶矽層之間。
在上述之裝置中，較好為：上述氧化物層具有上述半導體基板的材料的氧化物，且上述氧化物層是與上述半導
體基板的上述後表面有實體接觸(physical contact)。
在上述之裝置中，較好為：上述金屬擋板層包含鋁銅(aluminum copper)。
本發明的另一實施例是提供一種裝置的形成方法，包含：研磨一半導體基板的一背面，其中上述半導體基板的一剩下部分具有一後表面；在上述半導體基板的上述後表面的上方沉積一複晶矽層，其中上述複晶矽層是在上述半導體基板的上述背面上；以及在沉積上述複晶矽層的步驟的過程，就地(in-situ)將p型不純物摻雜於上述複晶矽層中。
在上述之裝置的形成方法中，沉積上述複晶矽層的步驟較好為包含：沉積上述複晶矽層的一第一層，其中在沉積上述複晶矽層的上述第一層的步驟的過程中，未摻雜p型不純物；以及沉積上述複晶矽層的一第二層，其中在沉積上述複晶矽層的上述第二層的步驟的過程中，摻雜上述p型不純物。
在上述之裝置的形成方法中，較好為：上述第二層是位於上述第一層的上方，且沉積上述複晶矽層的步驟更包含在上述第二層的上方沉積上述複晶矽層的一第三層，其中在沉積上述複晶矽層的上述第三層的步驟的過程中，未摻雜p型不純物。
在上述之裝置的形成方法中，較好為更包含在研磨上述半導體基板的步驟之後與沉積上述複晶矽層的步驟之前，在上述半導體基板的上述後表面執行氫退火(hydrogen anneal)。
在上述之裝置的形成方法中，較好為：在上述氫退火
的過程中，上述半導體基板的一後表面層是受到氧化而形成一氧化物層。
在上述之裝置的形成方法中，較好為更包含：在沉積上述複晶矽層的步驟後，在上述複晶矽層的上方形成一介電層；在上述介電層的上方形成一金屬擋板層；以及圖形化上述金屬擋板層。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：要瞭解的是本案專利說明書以下的揭露內容提供許多不同的實施例或範例，以實施本發明的不同特徵。而本說明書以下的揭露內容是敘述各個構件及其排列方式的特定範例，以求簡化發明的說明。當然，這些特定的範例並非用以限定本發明。例如，若是本說明書以下的揭露內容敘述了將一第一特徵形成於一第一特徵之上或上方，即表示其包含了所形成的上述第一特徵與上述第二特徵是直接接觸的實施例，亦包含了尚可將附加的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上述第二特徵可能未直接接觸的實施例。另外，本說明書以下的揭露內容可能在各個範例中使用重複的元件符號，以使說明內容更加簡化、明確，但是重複的元件符號本身不會使不同的實施例及/或結構之間產生關聯。
本發明的各種實施例是提供一背面發光式影像感測器晶圓/晶片的背面結構的形成方法。形成上述背面發光式影
像感測器晶圓/晶片的中間階段是繪示於圖式中，並會討論到實施例的不同變化。在圖示的實施例及各幅圖式中，是對類似的元件賦予類似的元件符號。
第1圖是繪示一影像感測晶圓20，其包含一半導體基板22。在某些實施例中，半導體基板22可以是一結晶質的矽基板；在替代性的實施例中，是以其他半導體材料形成半導體基板22。影像感測器24(包含24A與24B)是形成於半導體基板22的前表面22A，並可從前表面22A延伸至半導體基板22。影像感測器24可包含光敏式的電晶體及/或光敏式二極體。此外，在半導體基板22的上述前表面還形成有複數個核心裝置例如電晶體，在圖式中這些核心裝置亦被繪示成「24」。影像感測器24可將光轉換成電性訊號。
內連線結構28是形成於半導體基板22的上方，並用來電性連接影像感測晶圓20中的裝置(例如為影像感測器24)。內連線結構28包含層間介電層(Inter-Layer Dielectric；ILD)30，層間介電層30是形成於半導體基板22的上方。在層間介電層30中形成有複數個接觸插塞26，接觸插塞26是電性連接於影像感測器24與上述核心裝置。
複數個金屬層是被標示為M1、M2......以及Mtop，其中金屬層M1是內連線結構28的底部金屬層，而金屬層Mtop是內連線結構28的頂部金屬層。上述金屬層包含複數個金屬線/墊32與複數個介層窗34，金屬線/墊32與介層窗34是位於層間介電層30中。影像感測器24可電性連接於從金屬層M1至金屬層Mtop中的金屬線/墊32與介層
窗34。在某些例示的實施例中，其中形成有從金屬層M1至金屬層Mtop中的金屬線/墊32與介層窗34之複數個層間介電層30是具有低介電常數的低介電常數介電層。上述低介電常數介電層的介電常數可低於3.0或低於2.5。層間介電層30亦可包含介電常數大於3.9之非低介電常數介電層(例如金屬層Mtop的介電層)。鈍化層36是形成於頂部金屬層Mtop與層間介電層30的上方。在某些實施例中，鈍化層36是由一氧化物例如非摻雜的矽玻璃(undoped silicate glass；USG)所形成。在替代性的實施例中，鈍化層36可以是一複合層，上述複合層包含氧化矽層與位於上述氧化矽層上的氮化矽層。
請參考第2圖，黏著劑42經由將影像感測晶圓20的正面(具有鈍化層36的面)貼附於例如載板40。在某些例示的實施例中，載板40可以是一玻璃片，黏著劑42可以是一紫外線(Ultra-Violet；UV)膠。因此，半導體基板22的背面朝上。然後，執行背面研磨以薄化半導體基板22，這樣光線可以有效率地從背面穿透半導體基板22。在某些實施例中，半導體基板22的剩下來的厚度小於例如3μm。
接下來，如第3圖所示，對半導體基板22的後表面22B施以一表面處理步驟。在某些實施例中，上述表面處理步驟包含一乾燥處理步驟，此乾燥處理步驟可以是在爐子內執行的爐處理步驟。在上述乾燥處理步驟的過程中，爐內的壓力可接近一大氣壓。在一替代的實施例中，上述表面處理步驟是在一反應室(chamber)(未繪示)內執行。在上述反應室內的壓力可低於一大氣壓，且在某些實施例中
可為10 Torr~380 Torr。上述乾燥處理步驟可不含電漿。用於上述表面處理步驟的製程氣體(前驅物)可包含氫(H2)。在某些實施例中，上述製程氣體是實質上不含氫以外的添加氣體。在替代的實施例中，添加氣體例如氮(N2)亦可包含於上述製程氣體。在上述表面處理期間的影像感測晶圓20的溫度可低於400℃，且可為25℃~300℃。在某些例示的實施例中，上述表面處理步驟的處理時間可為6分鐘至30分鐘。在上述反應室內執行上述表面處理步驟時，氫的流量可例如為1000 sccm~6000 sccm。
在某些實施例中，上述製程氣體可包含非常少量的氧(O2)，其含量可低於1個體積百分比、低於0.1個體積百分比、或低於0.01個體積百分比。結果，形成薄氧化矽層44。薄氧化矽層44的厚度可小於10 Å。在替代的實施例中，上述製程氣體可實質上不含氧，因此在上述表面處理步驟之後，在半導體基板22的後表面22B上實質上無氧化矽層的形成。
請參考第4圖，執行一複晶矽沉積步驟來形成複晶矽層46。在某些實施例中，是使用一化學氣相沉積(Chemical Vapor Deposition；CVD)法例如低壓化學氣相沉積(Low-Pressure Chemical Vapor Deposition；LPCVD)或其他可用的方法，來執行上述複晶矽沉積步驟。在某些實施例中，複晶矽層46的厚度大於50 Å，而且也可以是例如100 Å~500 Å，但亦可採用較大或較小的厚度。然而可以瞭解在整篇說明書中揭露的尺寸均僅僅是舉例，並可能改變為不同的值。
在沉積複晶矽的過程中，可隨著複晶矽沉積製程的進展，就地(in-situ)摻雜p型不純物，其可以是硼、銦、或上述之組合。在複晶矽層46中的上述p型不純物的濃度例如為1E15/cm3~9E19/cm3。在某些實施例中，複晶矽層46具有一三明治結構，其具有一底部層46A、一中間層46B以及一上部層46C。底部層46A與上部層46C的p型不純物的濃度可低於中間層46B的p型不純物的濃度。在某些例示的實施例中，底部層46A與上部層46C是不含(或實質上不含)p型不純物。另一方面，中間層46B則具有p型不純物。在這些實施例中，中間層46B的p型不純物的濃度可大於1E15/cm3，而實質上不含p型不純物的底部層46A與上部層46C的p型不純物的濃度可小於9E19/cm3。因此，在沉積底部層46A與上部層46C的過程中，可將p型不純物的供應源(含p型不純物的氣體)關閉，而p型不純物就不會被帶進底部層46A與上部層46C中。在形成中間層46B時，打開p型不純物的供應源，而將p型不純物引入用來形成複晶矽層46的沉積反應室中。
在形成複晶矽層46後不久，中間層46B可具有實質上均勻的p型不純物分佈。在一替代的實施例中，中間層46B可具有一漸變的p型不純物分佈，其中中間層46B的中間部分的p型不純物的濃度高於中間層46B的上部部分與底部部分的p型不純物的濃度。
請參考第5圖，在上述表面處理步驟之後，形成介電層48，並與複晶矽層46接觸。在某些實施例中，介電層48的折射率大於2。介電層48亦可包含一高介電常數介電
層，其可以是碳化矽、氧氮化系、一鉿系(hafnium-based)氧化物、一鋁系(aluminum-based)氧化物、一鑭系(lanthanum-based oxide)氧化物、上述之組合以及上述之多層膜。可使用一化學氣相沉積法來形成介電層48，上述化學氣相沉積法可以是電漿增益化學氣相沉積(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition；PECVD)。
第6圖是繪示背面發光式影像感測器的剩下的部分的形成。此形成製程可包含：施以蝕刻步驟來移除原本在切割線區域300與連接墊區域400之部分的介電層48、複晶矽層46、薄氧化矽層44、與半導體基板22。此外，在上述蝕刻步驟之後，在半導體基板22形成複數個開口，這些開口從半導體基板22的後表面22B延伸至半導體基板22的前表面22A。在上述開口中，形成導電墊50。導電墊50是用來形成一電性連接構件例如為一銲線(未繪示)，以電性連接至上述電路及影像感測器24。導電墊50可經由內連線結構28而電性連接於影像感測器24。
也是如第6圖所示，形成金屬檔板層52，然後將其圖形化。結果，在主動影像感測器畫素區100上方的金屬檔板層52被移除，主動影像感測器畫素區100是在半導體基板22的前表面22A具有影像感測器24A。金屬檔板層52的一部分是在黑色參考畫素區(black reference pixel region)200的上方並對齊於黑色參考畫素區200，黑色參考畫素區200並具有形成於其內的黑色參考影像感測器24B。黑色參考影像感測器24B是用來校正由主動影像感測器例如影像感測器24A所形成的訊號。在某些實施例
中，金屬檔板層52包含鋁銅(aluminum copper)，但是亦可使用其他金屬例如銀、鎳等等。第6圖亦繪示鈍化層54的形成，鈍化層54是形成於主動影像感測器畫素區100與黑色參考畫素區200，作為一頂部介電層。
本發明的一實施例是提供一種裝置，包含：一半導體基板、一複晶矽層以及一介電層。上述半導體基板是具有一正面與一背面。上述複晶矽層是在上述半導體基板的上述背面上，其中上述複晶矽層具有一部分，在上述部分摻雜有p型不純物。上述介電層是在上述半導體基板的上述背面上，其中上述複晶矽層是位於上述半導體基板與上述複晶矽層之間。
本發明的另一實施例是提供一種裝置，包含：一半導體基板、一第一影像感測器與一第二影像感測器、一氧化物層、一複晶矽層、一金屬擋板層以及一鈍化層。上述第一影像感測器與上述第二影像感測器在上述半導體基板的一前表面。上述氧化物層是在上述半導體基板的一後表面上方並接觸上述半導體基板的上述後表面。上述複晶矽層是在上述氧化物層的上方，其中上述複晶矽層具有p型不純物。上述金屬擋板層是在上述複晶矽層的上方，其中上述金屬擋板層是在上述第一影像感測器的上方並對齊於上述第一影像感測器。上述鈍化層是在上述金屬擋板層的上方。
本發明的另一實施例是提供一種裝置的形成方法，包含：研磨一半導體基板的一背面，其中上述半導體基板的一剩下部分具有一後表面；在上述半導體基板的上述後表
面的上方沉積一複晶矽層，其中上述複晶矽層是在上述半導體基板的上述背面上；以及在沉積上述複晶矽層的步驟的過程，就地(in-situ)將p型不純物摻雜於上述複晶矽層中。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何本發明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，當可作些許之更動與潤飾，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。
20‧‧‧影像感測晶圓
22‧‧‧半導體基板
22A‧‧‧前表面
22B‧‧‧後表面
24‧‧‧影像感測器
24A‧‧‧影像感測器
24B‧‧‧影像感測器
26‧‧‧接觸插塞
28‧‧‧內連線結構
30‧‧‧層間介電層
32‧‧‧金屬線/墊
34‧‧‧介層窗
36‧‧‧鈍化層
40‧‧‧載板
42‧‧‧黏著劑
44‧‧‧薄氧化矽層
46‧‧‧複晶矽層
46A‧‧‧底部層
46B‧‧‧中間層
46C‧‧‧上部層
48‧‧‧介電層
50‧‧‧導電墊
52‧‧‧金屬擋板層
54‧‧‧鈍化層
100‧‧‧主動影像感測器畫素區
200‧‧‧黑色參考畫素區
300‧‧‧切割線區域
400‧‧‧連接墊區域
M1‧‧‧金屬層
M2‧‧‧金屬層
Mtop‧‧‧(頂部)金屬層
第1圖是一剖面圖，是顯示某些例示的實施例之背面發光式影像感測器晶圓的製造方法的中間階段。
第2圖是一剖面圖，是顯示某些例示的實施例之背面發光式影像感測器晶圓的製造方法的中間階段。
第3圖是一剖面圖，是顯示某些例示的實施例之背面發光式影像感測器晶圓的製造方法的中間階段。
第4圖是一剖面圖，是顯示某些例示的實施例之背面發光式影像感測器晶圓的製造方法的中間階段。
第5圖是一剖面圖，是顯示某些例示的實施例之背面發光式影像感測器晶圓的製造方法的中間階段。
第6圖是一剖面圖，是顯示某些例示的實施例之背面發光式影像感測器晶圓的製造方法的中間階段。
20‧‧‧影像感測晶圓
22A‧‧‧前表面
22B‧‧‧後表面
24‧‧‧影像感測器
24A‧‧‧影像感測器
24B‧‧‧影像感測器
28‧‧‧內連線結構
36‧‧‧鈍化層
44‧‧‧薄氧化矽層
46‧‧‧複晶矽層
48‧‧‧介電層
50‧‧‧導電墊
52‧‧‧金屬擋板層
54‧‧‧鈍化層
100‧‧‧主動影像感測器畫素區
200‧‧‧黑色參考畫素區
300‧‧‧切割線區域
400‧‧‧連接墊區域
M1‧‧‧金屬層
M2‧‧‧金屬層
Mtop‧‧‧(頂部)金屬層
Claims (10)
- 一種裝置，包含：一半導體基板，具有一正面與一背面；一複晶矽層在該半導體基板的該背面上，其中該複晶矽層具有一部分，在該部分摻雜有p型不純物；以及一介電層在該半導體基板的該背面上，其中該複晶矽層是位於該半導體基板與該複晶矽層之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之裝置，更包含：一第一影像感測器，該第一影像感測器是設置在該半導體基板的該正面上；一第二影像感測器，設置在該半導體基板的該正面上；一金屬擋板層，位於該第一影像感測器上方且對準於該第一影像感測器，其中該第二影像感測器並未對準於該金屬擋板層，且該複晶矽層是位於該金屬擋板層與該半導體基板之間，且該複晶矽層是對準於該第一影像感測器與該第二影像感測器；以及一氧化物層，該氧化物層是位於該半導體基板的一後表面與該複晶矽層之間，且該氧化物層是接觸該半導體基板的該後表面與該複晶矽層，其中該氧化物層具有該半導體基板的材料的氧化物。
- 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該複晶矽層包含：一底部層；一中間層；以及一上部層；其中： 該中間層是位於該底部層與該上部層之間；該中間層具有上述p型不純物的一第一濃度；以及在該底部層與該上部層內的上述p型不純物的第二濃度，是低於該第一濃度或實質上為零。
- 一種裝置，包含：一半導體基板；一第一影像感測器與一第二影像感測器在該半導體基板的一前表面；一氧化物層，在該半導體基板的一後表面上方並接觸該半導體基板的該後表面；一複晶矽層在該氧化物層的上方，其中該複晶矽層具有p型不純物；一金屬擋板層在該複晶矽層的上方，其中該金屬擋板層是在該第一影像感測器的上方並對齊於該第一影像感測器；以及一鈍化層，在該金屬擋板層的上方。
- 如申請專利範圍第4項所述之裝置，其中上述p型不純物是分布在該複晶矽層的一中間層，其中該複晶矽層的一底部層與一上部層是實質上不含上述p型不純物，且該上部層與該底部層是分別位於該中間層的上方與下方。
- 如申請專利範圍第4項所述之裝置，其中該金屬擋板層並未對準於該第二影像感測器。
- 如申請專利範圍第4項所述之裝置，更包含一介電層，該介電層是位於該金屬擋板層與該複晶矽層之間。
- 一種裝置的形成方法，包含： 研磨一半導體基板的一背面，其中該半導體基板的一剩下部分具有一後表面；在該半導體基板的該後表面的上方沉積一複晶矽層，其中該複晶矽層是在該半導體基板的該背面上；以及在沉積該複晶矽層的步驟的過程，就地(in-situ)將p型不純物摻雜於該複晶矽層中。
- 如申請專利範圍第8項所述之裝置的形成方法，其中沉積該複晶矽層的步驟包含：沉積該複晶矽層的一第一層，其中在沉積該複晶矽層的該第一層的步驟的過程中，未摻雜p型不純物；在該第一層的上方沉積該複晶矽層的一第二層，其中在沉積該複晶矽層的該第二層的步驟的過程中，摻雜上述p型不純物；以及在該第二層的上方沉積該複晶矽層的一第三層，其中在沉積該複晶矽層的該第三層的步驟的過程中，未摻雜p型不純物。
- 如申請專利範圍第8項所述之裝置的形成方法，更包含：在研磨該半導體基板的步驟之後與沉積該複晶矽層的步驟之前，在該半導體基板的該後表面執行氫退火(hydrogen anneal)，其中在該氫退火的過程中，該半導體基板的一後表面層是受到氧化而形成一氧化物層；在沉積該複晶矽層的步驟後，在該複晶矽層的上方形成一介電層；在該介電層的上方形成一金屬擋板層；以及 圖形化該金屬擋板層。
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