TW201332089A

TW201332089A - 半導體裝置及其製作方法

Info

Publication number: TW201332089A
Application number: TW101116460A
Authority: TW
Inventors: Shiu-Ko Jangjian; Kei-Wei Chen; Ying-Lang Wang
Original assignee: Taiwan Semiconductor Mfg
Priority date: 2012-01-31
Filing date: 2012-05-09
Publication date: 2013-08-01
Also published as: US20130193538A1; TWI476910B; JP2013157605A; KR101489038B1; US8890273B2; CN103227178A; JP5511999B2; CN103227178B; KR20130088705A

Abstract

本發明提供一種半導體裝置及其製作方法。在一實施例中，一背照式互補式金氧半導體影像感測裝置包括一半導體基板，其具有一像素陣列區，包括形成於該半導體基板之前側表面之複數光感測器，各個光感測器形成該像素陣列區中的一像素；一光柵材料層設置於該半導體基板的背側表面，該光柵材料層被圖案化以形成一光柵，其包圍該像素陣列區之各個像素且延伸至該半導體基板上方；以及一高反射層形成於該光柵上，包括一純度至少99%之純金屬層，以及一折射係數大於約2.0之高介電常數介電層鍍覆於該純金屬層上。

Description

半導體裝置及其製作方法

本發明係有關於半導體裝置及其製作方法，且特別是有關於一種背照式互補式金氧半導體影像感測裝置及其製作方法。

數位相機(包括可攜式裝置上的靜物攝影機及視訊攝影機)的使用創造了對影像感測裝置(image sensors)的需求，而在可攜式裝置及電池供電裝置(battery powered devices)例如平板電腦、智慧型手機、筆記型電腦及網頁視頻播放器(web-based video players)上相機的使用也持續增加中。

早期數位相機主要仰賴電荷耦合裝置(charge coupled devices，CCDs)作為影像感測裝置，近年來互補式金氧半導體影像感測裝置(CMOS image sensors，CIS)則逐漸普及。互補式金氧半導體影像感測技術提供一種不同於類比裝置的數位裝置，因為互補式金氧半導體影像感測裝置使用互補式金氧半導體電晶體或二極體技術，使得額外的數位處理及邏輯電路可輕易併入影像積體電路(imaging integrated circuit)，其聚光效率(量子效率，quantum efficiency or“QE”)亦可大於電荷耦合裝置。

互補式金氧半導體影像感測裝置是以光敏二極體(light-sensitive photo diode)為基礎，此光敏二極體可形成為二極體或電晶體的一部份(即一光電晶體，photo transistor)。當此光電二極體照光時，產生與光子數成正比的電子流，形成一可反映在給定時段內光子總數的電壓信號。此信號隨後轉換為一數位信號並可藉由上述裝置上的電路輸出。一像素(picture elements，”pixels”)陣列形成於上述半導體裝置上，額外的電路可形成於上述陣列之外以提供數位信號處理，例如濾波(filtering)或影像處理(例如藉此提供系統一介面電路)。

最初用於互補式金氧半導體影像感測裝置的為前照式(front side illuminated，FSI)陣列，但在前照式互補式金氧半導體影像感測裝置中光子必需通過金屬層及介電層才能撞擊至光感測器，這些光子可能被吸收或散射而降低量子效率。使用低光條件(light condition)的裝置需要高的量子效率，因而發展出背照式(back side illuminated，BSI)互補式金氧半導體影像感測裝置。利用從半導體基板背側接收入射光，其光徑(light path)較短且不需通過例如金屬層或介電層等中間層。藉由使用晶圓薄化(wafer thinning)及磊晶半導體層，可將基板進一步薄化或甚至移除，使光感測器非常接近裝置背側表面而可大幅提昇量子效率。故背照式互補式金氧半導體影像感測裝置在現今產品中逐漸普及。

本發明一實施例提供一種半導體裝置的製作方法，包括：形成一光柵材料層於一半導體基板背側之一像素陣列區上方；以微影製程圖案化該光柵材料層以形成一光柵，該光柵位於該像素陣列區上方且包圍該像素陣列區各個分區中之像素感測器；沈積一純金屬層於該光柵上，該純金屬層包括一純度至少99%的金屬；沈積一介電層於該純金屬層上，該介電層的折射係數大於約2.0；圖案化該純金屬層及該介電層以形成一反射層於該光柵各條柵線之頂部及側壁；以及沈積一保護層於該光柵上，該保護層的折射係數小於約2.0。

本發明另一實施例提供一種半導體裝置，包括：一半導體基板，其具有一像素陣列區，其包括複數光感測器位於該半導體基板上，該複數光感測器對應至該像素陣列區中各個像素；以及一光柵材料層，用以形成一光柵，其位於該半導體基板背側且包圍該像素陣列區各個分區中之像素感測器，其中該光柵更包括一純度至少大於99%的純金屬層位於基底之光柵材料層上，以及一折射係數大於2.0的高介電常數介電材料位於該純金屬層上。

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：

本發明較佳實施例的製作與使用詳述於後。然而需要注意的是，用以說明之實施例提供數個可應用的發明概念在各種特定背景下的具體實現，這些討論的特定實施例僅說明製作與使用的特定方式，並非用以限定本發明。

本發明實施例包括在一背照式互補式金氧半導體影像感測裝置上形成一光柵的方法及裝置。藉由增加光柵的反射率，可提昇信噪比(signal to noise ratios)、降低信號吸收、以及降低像素干擾，使裝置的量子效率得到提昇。

本發明實施例提供數種藉由一光感測器陣列上方的金屬層或介電層形成一光柵的方法。首先形成一純金屬層於柵線(grid lines)上，其次形成一介電層，例如高介電常數介電層，最後形成一作為保護層之介電層於上述光柵上。相較於傳統金屬光柵而言，上述光柵因此具有高反射率、低消散係數(extinction coefficient)且不吸收光。使用本發明實施例之光柵可防止在像素區之間的光學串擾(optical cross talk)，提昇信噪性能。

雖然這些實施例為形成一背照式互補式金氧半導體影像感測裝置之高反射率光柵的特定實施例，但這些實施例亦可用以提供適用於其它用途之位於金屬層上的反射層。例如本發明實施例之方法及裝置可用於一前照式互補式金氧半導體影像感測裝置、一電荷耦合裝置陣列、或需要一高反射率金屬的其它應用。本發明實施例之方法及裝置不限於此處例示之製程，且說明用之範例並非用以限定本發明。

光柵可防止像素間的光學串擾並提昇信噪比，改善影像感測裝置性能。傳統使用高反射率金屬例如鋁(Al)、銀(Ag)於光學系統中，例如在波長約550奈米的可見光下，銀展現了最佳反射率(～98%)，鋁展現了良好的反射率(～92%)。此外鋁不僅在紫外光區展現良好的反射率(～93%)，在紅外光區亦有良好的性能。故鋁在光學薄膜受到廣泛應用。然而，鋁的耐化學性低(chemical resistance，即例如受到後續化學製程損傷)且易於氧化形成氧化鋁(AlO_x)薄膜，覆蓋其它材料時，鋁的接著性有時無法達到需求。同樣地，銀在大氣中也易於氧化形成氧化銀(AgO_x)薄膜(即銀的失澤)。

此外，雖然這些金屬可反射特定波長的光，但也可能會吸收特定波長的光(視材料種類及厚度而定)，其對特定波長的光吸收率可介於百分之30至100。在一金氧半導體影像感測裝置中，這種特性可能實質上降低光照射至像素陣列的質與量，造成量子效率降低。

本發明實施例提供在一背照式互補式金氧半導體影像感測裝置之光柵系統上鏡面鍍膜的概念，包括提供一金屬層及一高介電常數介電層以增加光柵的反射率到至少95%或更大。如此可明顯提昇量子效率及光照射至基板光感測器的質與量，上述光柵亦可降低像素間光的串擾，提昇信噪比性能。

第1圖繪示一剖面圖，用以說明在本發明數實施例中，形成一背照式互補式金氧半導體影像感測裝置之第一中間製程步驟的裝置100結構。第1圖顯示了一背側朝上的半導體基板11。裝置位向為便於說明而如圖式中所示，此裝置亦可被旋轉。注意基板11可為一矽基板或其它半導體材料，可使用砷化鎵、鍺、矽、碳、砷化銦、磷化銦、或合金半導體例如矽鍺碳化物、鎵銦磷化物、鎵銦砷化物等。此基板通常可為一半導體材料晶圓。晶圓等級製程(wafer level processing，WLP)亦可用於本發明實施例中，且可視為提供額外實施例，雖然其非本發明實施例所必要。在其它實施例中，上述基板11可為一絕緣層上磊晶層，例如一「絕緣層上矽晶(SOI)」。此半導體材料晶圓可被接合或堆疊而為多層結構中的一層。基板11通常以晶圓研磨法例如化學機械研磨(chemical-mechanical polishing，CMP)、機械晶圓研磨或半導體蝕刻進行薄化。在一些實施例中，上述基板11在薄化之後可薄至厚度T大於或等於2.0微米。

第1圖繪示了一像素陣列區31及一金屬遮蔽區33、及一外圍區域35。在基板11的像素陣列區31中具有像素感測器13，在此實施例中，繪示了三個像素感測器13。上述像素感測器13可為例如光電二極體、或一光電晶體的源極/汲極區域。注意在此剖面圖中為簡化僅繪示了三個感測器13，但在實際裝置中提供一數以百計、數以千計或更多像素感測器的陣列，通常排列成行列狀。此感測器13可延伸至基板11「前側」的擴散或摻雜區。此基板可包括一磊晶層，感測器13可形成於此磊晶層中。基板11可包括摻雜之p型或n型井，且感測器13可由一井中相反摻雜之擴散區形成。感測器13可為一光電二極體，此光電二極體可包括一p-n介面。感測器13可包括一「釘紮」(pinned)之光電二極體。感測器13亦可包括其它構件，包括一電晶體，例如可輸出電壓之轉換電晶體(transfer transistor)，此輸出電壓對應於一時段中光電二極體收集的光子數。

金屬遮蔽區33以一金屬層遮蔽並提供感測器13一黑色位準比對(black level correlation，BLC)。此區域不接收任何光子，故可提供感測操作一比較值，使電路可以由感測位準中減去黑色噪音(black noise)，提昇像素性能。基板11中的外圍區域35為一像素陣列區31之外的區域，用於連接以及像素陣列區的額外邏輯功能。在第1圖中，隔離區域15可為例如一淺溝渠隔離(shallow trench isolation，STI)區域形成於基板11中，此外也可包括區域矽氧化(local oxidation of silicon，LOCOS)隔離。一層間介電層17，例如一氧化層，設置於該基板上。在第一金屬區具有一金屬間間介電層19以及一金屬1焊墊25。如此可提供一導體連接上述陣列至例如外部焊墊或焊接連接部。一導孔(via)連接金屬1焊墊25至其它層(未顯示於圖中)。基板11可包括數層層間介電層、金屬間介電層、及金屬層以提供映射(mapping)及連接至上述感測器13、此裝置上其它電路、及外部接頭。因裝置100的光照來自於背側，或第1圖中的頂部表面，而感測器位於第1圖中基板11的底部表面，在基板11前面的感測器13上使用各種膜層是沒有問題的。

第2圖繪示了裝置100的後續製程。在第2圖中，一塗層例如一抗反射層(antireflective coating，ARC)41設置於基板11的背側(如第2圖的上表面)，此塗層可為一有機材料。一介電塗層43例如一氧化物覆蓋於上述抗反射層41上方。

第3圖繪示了裝置100的後續製程。在第3圖中，一用以形成光柵的光柵材料層45設置於基板11上，此光柵材料層45可選自例如以電鍍法(electrochemical plating，ECP)形成的導體，例如鋁或銅(Cu)。舉例而言，可濺鍍一晶種層(seed layer)於基板上，剩餘部份再以電鍍法形成。除金屬材料之外，亦可使用其它材料例如消光值(extinction value)k>0的介電材料。在一實施例中，此光柵材料層使用鋁。

第4圖繪示了裝置100的後續製程。在第4圖中，一光阻層47形成於光柵材料層45上方，光阻層47用以圖案化光柵材料層45以形成光柵圖案，分隔各個像素區。

第5圖繪示了一剖面圖，用以說明裝置100的後續製程。在第5圖中，繪示了微影圖案化後的光阻層47，此微影圖案化包括使用光罩並以光能或準分子雷射(excimer laser)能曝光光阻層47、一硬化步驟、顯影此光阻層47以形成圖案。

第6圖繪示了一剖面圖，用以說明裝置100隨後蝕刻光柵材料層45的步驟。在第6圖中，光柵材料層45被圖案化以形成具有光柵部份451、453、455的光柵及金屬遮蔽部份48，其餘部份則被移除。此步驟可使用傳統金屬蝕刻製程，隨後藉由例如一光阻去除或灰化(PR strip or ashing)步驟移除殘留光阻。光柵部份451、453、455的各個部份相互連接並且包圍像素陣列區。

第7圖繪示了一剖面圖，用以說明在一實施例中，裝置100製作反射層之後續製程。在第7圖中，繪示了各個光柵部份451、453、455具有一純金屬層51、一高介電常數介電層53、及一保護介電層55於整面基板上，以提供上述裝置光學最佳化及保護作用。

第8圖繪示了一剖面圖及一放大圖，用以說明第7圖中光柵部份453部份結構。提供一純金屬層51(例如鋁或銅)於光柵部份453頂部及側壁，此純金屬層的純度可>99%，在一實施例中為>99.9%的純鋁。此鋁或銅金屬厚度可為例如20奈米至100奈米。此鍍層可使用例如一電漿氣相沈積(plasma vapor deposition，PVD)製程形成。在此鍍層形成後，一高介電常數介電層53形成於純金屬層51上，其具有一折射係數n例如大於2。此高介電常數介電層可為折射係數大於約2的任何高介電常數材料，例如鉭基氧化物(TaO_x)、鈦基氧化物包括TiO_x、鋁氧化物例如Al₂O₃、及其它類似介電材料。一高介電常數介電質的介電常數k大於二氧化矽或約3.8。在本發明實施例中，高介電常數介電層的介電常數k可更大，例如大於約9.0。此高介電常數介電層的厚度可為例如10奈米至100奈米，以化學氣相沈積(CVD)或物理氣相沈積(PVD)製程沈積。在形成純金屬層51及高介電常數介電層53的製程步驟可分別或同時圖案化這些層，以形成第8圖之結構。最後提供一保護介電層55於光柵部份例如453上。此保護層可為例如一低折射係數(n<2)之氧化物，例如富矽二氧化矽(Si rich SiO₂)。不同於在光柵部份451、453、455上的鍍層，此層應不折射或反射。

使用純金屬層、高折射係數介電層及保護層時，光柵材料層45的反射率可大幅提昇。例如當使用一純鋁鍍層形成的鋁金屬光柵時，反射率可大於95%且可能大於98%。因此在本發明實施例中使用鏡面鍍膜可增加反射率，並且促進背照式互補式金氧半導體影像感測裝置的量子效率。

第9圖繪示了一剖面圖，用以說明本發明實施例之操作。圖中繪示了光柵材料層45的二個部份，其包圍一像素區。這些部份可為例如第7圖之453、455，其個別具有純金屬層及高折射係數介電層於光柵部份的側壁及頂部以增加反射率。在繪示之實施例中，撞擊上述光柵部份453、455的紅光波長光子L1、綠光波長光子L2及藍光波長光子L3反射進入基板並且不被吸收，因此提昇量子效率。將此光柵材料層45置於像素感測器分區之間，藉由反射光進入最近的感測器13而不進入鄰接的像素區，可提昇信噪比並降低像素間的光學串擾。

第10圖繪示了一俯視圖，用以說明光柵材料層45於基板11上之結構。各個由光柵包圍的部份定義像素區102。在實際裝置中，提供數以千計或數以百萬計的像素。光柵材料層45、純金屬層51、高介電常數介電層53及保護層55皆可以一晶圓等級製程形成，且在完成保護層後可單粒化上述影像裝置。或者如上所述，可在薄化背照式基板之晶圓薄化步驟後處理個別裝置。

在上述數實施例中，具有鏡面鍍層的光柵可應用於前照式裝置，例如電荷耦合裝置成像器(CCD imagers)及其它成像裝置，這些實施例及申請專利範圍亦可應用於本揭示內容之外的應用。

第11圖繪示了一系列流程圖，用以說明本發明一實施例之背照式互補式金氧半導體影像感測裝置的製作方法。

在步驟63，沈積一純金屬層於上述光柵材料層上。在步驟65，沈積一折射係數大於2的高介電常數介電層於此純金屬層上。在步驟67，圖案化上述鍍層使各個光柵部份的頂部及側壁具有高反射率的鍍層。

在步驟69，一富矽介電材料的保護層形成於上述光柵材料層及反射鍍層上。

除了此處所述之例示性結構外，上述基板亦可包括其它裝置，包括形成於基板其它部份的主動電晶體(active transistor)、二極體、電容、電感、電阻、雙極性電晶體裝置、金氧半導體場效電晶體裝置、記憶體單元、類比裝置、濾波器、收發器(transceivers)等。並且，在此處所述之本發明實施例蝕刻基板的步驟之後，層間介電層、導體層、形成於上層的額外裝置、封裝材料可設置於基板上以形成一完整微電路零件例如積體電路、太陽能電池、處理器等。

本發明實施例提供一高反射率光柵材料。這些實施例與現行半導體製程相容，使用現行金屬沈積、圖案化、蝕刻、移除製程，不需對設備或所使用之化學物質做出改變或重組。

在一實施例中，一半導體裝置的製作方法包括形成一光柵材料層於一像素陣列區，其位於一半導體基板背側；使用一光學微影製程圖案化此光柵材料層以形成一光柵，此光柵設置於上述像素陣列區上方並且各個部份包圍像素陣列區中一像素感測器；沈積一純金屬層於上述光柵上，此純金屬層包括一純度至少99%的金屬；沈積一折射係數大於約2.0的介電層於純金屬層上；圖案化此純金屬層及介電層以形成一反射層於上述光柵各個部份的頂部及側壁；沈積一保護層於上述光柵上，此保護層的折射係數小於約2.0。

在另一實施例中，上述方法更包括上述純金屬層選自銅或鋁。在另一實施例中，形成一光柵材料層包括沈積一導體。在又一實施例中，此導體選自實質上由鋁及銅組成之族群。在又一實施例中，此方法包括藉由沈積一介電常數大於約3.8的介電質，沈積一折射係數大於約2.0的介電層於上述純金屬層。在又一實施例中，此方法包括藉由沈積選自氧化鉭、氧化鈦及氧化鋁之一，沈積一折射係數大於約2.0的介電層於上述純金屬層上。在又一實施例中，上述方法包括形成一光柵材料層於一半導體基板之像素陣列區背側，更包括形成一導體材料層。

在另外又一實施例中，沈積一保護層於上述光柵上，此保護層的折射係數小於約2.0，其更包括沈積一富矽介電層。在另外又一實施例中，沈積一保護層於上述光柵上，此保護層的折射係數小於約2.0，其更包括沈積富矽氧化矽。在另外又一實施例中，所得的光柵反射率大於95%。在另外又一實施例中，沈積一純金屬層於上述光柵上，此純金屬層為一純度至少99%的金屬，包括沈積純度至少99%的鋁或銅。

在另一實施例中，一半導體裝置包括一半導體基板，具有一像素陣列區包括複數光感測器設置於基板中，各個光感測器對應至上述像素陣列中的各個像素；一光柵材料層於此半導體基板背側形成一光柵並包圍上述像素陣列中的個別像素，其中上述光柵更包括一純金屬層於一純度至少99%的基底之光柵層材料，及一折射係數大於約2.0的高介電常數材料於此純金屬層上。在又一實施例中，此純金屬層選自實質上由銅及鋁組成的族群之一。在另外又一實施例中，在上述高介電常數介電材料上的裝置更包括一介電常數k大於3.8的介電材料。在另外又一實施例中，此半導體裝置更包括一保護層於上述光柵上，此保護層包括一折射係數小於約2.0的介電材料。

在另外又一實施例中，一背照式互補式金氧半導體影像感測裝置包括一半導體基板，其具有一像素陣列區，包括複數光感測器形成於此半導體基板的一前面表面，各個光感測器形成一像素陣列區中的像素；一光柵材料層設置於此半導體基板的一背側表面，圖案化此光柵材料以形成一光柵，其包圍像素陣列中各個像素且延伸至半導體基板上，此光柵部份具有側壁及一頂部部份；以及一高反射層形成於光柵部份上，包括一純度至少99%的純金屬層，及一折射係數大於約2.0的高介電常數介電層於此純金屬層上。

在另外又一實施例中，一背照式互補式金氧半導體影像感測裝置包括一保護層覆蓋於上述光柵及基板背側，包括一折射係數小於約2.0的介電材料。在另外又一實施例中，此背照式互補式金氧半導體影像感測裝置包括一純度至少99%的純金屬層，其更包括銅或鋁之一。在此背照式互補式金氧半導體影像感測裝置另外又一實施例中，上述純金屬層上的高介電常數介電層更包括氧化鉭、氧化鈦或氧化鋁。在另外又一實施例中，此互補式金氧半導體影像感測裝置中在光柵材料層上包括一導體層選自銅或鋁。

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。

11．．．基板

13．．．感測器

15．．．隔離區域

17．．．層間介電層

19．．．金屬間介電層

23．．．導孔

25．．．金屬1焊墊

31．．．像素陣列區

33．．．金屬遮蔽區

35．．．外圍區域

41．．．抗反射層

43．．．介電塗層

45．．．光柵材料層

451、453、455．．．光柵層分區

47．．．光阻層

48、58．．．金屬遮蔽分區

51．．．純金屬層

53．．．高介電常數介電層

55．．．保護介電層

61、63、65、67、69．．．步驟

100．．．裝置

102．．．像素區

L1．．．紅光波長光子

L2．．．綠光波長光子

L3．．．藍光波長光子

第1圖為一剖面圖，用以說明在本發明數實施例中，中間製程步驟的半導體裝置結構。

第2圖為一剖面圖，用以說明第1圖中結構的後續製程。

第3圖為一剖面圖，用以說明第2圖中結構的後續製程。

第4圖為一剖面圖，用以說明第3圖中結構的後續製程。

第5圖為一剖面圖，用以說明第4圖中結構的後續製程。

第6圖為一剖面圖，用以說明第5圖中結構的後續製程。

第7圖為一剖面圖，用以說明在一實施例中，第6圖中結構的後續製程。

第8圖為一剖面圖，用以說明第7圖之部份結構。

第9圖為一剖面圖，用以說明在本發明數實施例中，第7圖之部份結構。

第10圖為一俯視圖，用以說明第7圖之結構。

第11圖為一系列流程圖，用以說明本發明一實施例之半導體裝置製作方法的步驟。