TWI484652B - 半導體裝置及其製作方法 - Google Patents

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Chih Chang Huang
Ing Ju Lee
Ching Yao Sun
Jyun Ru Wu
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Szu An Wu
Ying Lang Wang
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Description

半導體裝置及其製作方法
本發明係有關於半導體技術，且特別是有關於一種半導體裝置及其製作方法。
背照式(backside illumination，BSI)影像感測晶片因具有較佳的光子捕捉效率而逐漸取代前照式影像感測晶片。形成背照式影像感測晶片時，影像感測器及邏輯電路形成於一晶圓之矽基板上，隨後於此矽晶片前側形成一內連接結構。
背照式影像感測晶片中的影像感測器受到光子刺激時可產生電子信號，此電子信號(例如電流)的大小視各個影像感測器接收到的入射光強度而定。然而這些影像感測器有非光學產生信號的問題，其包括溢漏信號(leakage signals)、熱產生信號(thermally generated signals)、暗電流(dark currents)等。因此，這些由影像感測器所產生的電子信號需要經過校正，以從影像感測器的輸出信號中消除不需要的信號。為消除這些非光學產生信號，形成黑色參考影像感測器(black reference image sensors)以產生非光學產生信號，因而需要防止這些黑色參考影像感測器接收光信號。
本發明一實施例提供一種半導體裝置，包括：一半導體基板，具有一前側及背側；一第一光敏性半導體裝置，設置於半導體基板之表面上，其中第一光敏性半導體裝置 被配置以接收來自半導體基板之背側的一光信號並轉換光信號為一電子信號；一類非晶接著層，設置於半導體基板之背側上，其中類非晶接著層包括一含氮及金屬之化合物；以及一金屬遮蔽層，設置於半導體基板之背側上並與類非晶接著層接觸。
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，其包括一前側表面及一背側表面，其中背側表面在前側表面上方；一第一光敏性半導體裝置及一第二光敏性半導體裝置，位於半導體基板之前側表面；一介電層，設置於半導體基板之背側表面上；一類非晶接著層，設置於介電層上，其中類非晶接著層包括一含氮及金屬之化合物；以及一金屬遮蔽層，設置於類非晶接著層上並與類非晶接著層接觸，其中金屬遮蔽層對準設置於第一光敏性半導體裝置上方，其中金屬遮蔽層不延伸至第二光敏性半導體裝置上方。
本發明又一實施例提供一種半導體裝置的製作方法，包括：於一半導體基板之一前側表面上形成一第一光敏性半導體裝置及一第二光敏性半導體裝置；於半導體基板之一背側表面上形成一介電層，其中介電層設置於半導體基板之一背側上；於介電層上沈積一類非晶接著層，其中類非晶接著層包括一含氮及金屬化合物；於類非晶接著層上形成一金屬遮蔽層並與其接觸，其中類非晶接著層及金屬遮蔽層設置於半導體基板之背側；以及圖案化類非晶接著層及金屬遮蔽層，以移除類非晶接著層之一第一部份及金屬遮蔽層之一第一部份，其中在圖案化步驟後於介電層上 留下類非晶接著層之一第二部份及金屬遮蔽層之一第二部份。
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。
本發明提供背照式影像感測晶片之金屬遮蔽結構及其製作方法之不同實施例，以下說明金屬遮蔽結構製作方法的中間步驟，並討論不同實施例的差異。在各個不同圖式及實施例之中，可能使用重複的代號標示相似構件。
第1至6圖係繪示出根據本發明不同實施例之背照式影像感測晶片金屬遮蔽結構在中間步驟的剖面示意圖。第1圖繪示了影像感測晶片20，其可為一未切割晶圓22的一部分。影像感測晶片20包括半導體基板26，半導體基板26可為一結晶矽基板或以其它材料形成之半導體基板。全文中表面26A可視為半導體基板26的前側表面，表面26B可視為半導體基板26的背側表面。影像感測器24(包括24A及24B)形成於半導體基板的表面26A上，影像感測器24被配置以轉換光信號(光子)為電子信號，且其可為一光敏性金氧半電晶體或光敏性二極體。因此，其對應之晶圓22可為一影像感測晶圓。在一些實施例中，影像感測 器24由前側表面26A延伸進半導體基板26。影像感測器24A及24B的結構可彼此相同。
前側內連接結構28形成於半導體基板26上，且被用以電性內連接影像感測晶片20中的裝置。前側內連接結構28包括介電層30、金屬線32、及介電層30中的介層窗34。全文中同一介電層30中的金屬線32可共同視為一金屬層。前側內連接結構28包括金屬層，其包括M1、M2......至Mtop，其中金屬層M1為內連接結構28的底部金屬層，金屬層Mtop為內連接結構28的頂部金屬層。在一些實施例中，介電層30中下層可使用低介電常數介電材料，其具有低的介電常數，例如小於約3.0，介電層30中上層可使用低介電常數介電材料或非低介電常數介電材料，例如介電常數大於約3.9或大於約4.5。鈍化保護層38形成於頂部金屬層Mtop上，鈍化保護層38可使用一介電常數大於3.9的非低介電常數介電材料，在一些實施例中，鈍化保護層38包括一氧化矽層及位於氧化矽層上的一氮化矽層。
影像感測晶片20包括主動影像感測像素區100及黑色參考像素區200。主動影像感測像素區100包括形成於其中的主動影像感測器24A，其用以產生感測光線所產生電子信號。雖然此處只繪示單一影像感測器24A，實際上可具有複數影像感測器24A而形成主動影像感測像素陣列40(未繪示於第1圖，請參見第7圖)。主動影像感測像素陣列40整體設置於主動影像感測像素區100。黑色參考像素區200包括形成於其中的黑色參考影像感測器24B，其可用以產生參考之黑階信號(black level signals)。同樣地， 雖然此處只繪示單一影像感測器24B，實際上可具有複數影像感測器24B而形成黑階參考像素陣列42(未繪示於第1圖，請參見第7圖)。黑階參考像素陣列42整體設置於黑色參考像素區200。
接著，參照第2圖，翻轉晶圓22並將其接著至其下方的一載板(未繪出)。因此，如第1圖之各個特徵的上表面成為下表面，反之亦然。在翻轉後，半導體基板26面朝上，隨後實施一背面研磨以薄化半導體基板26，直到晶圓22的厚度小於約30微米或小於約5微米。在所得之半導體基板26的背側表面26B標記。藉由具有小厚度的半導體基板26，光可以由背側表面26B穿透進入半導體基板26以到達影像感測器24A。
在進行薄化步驟之後，緩衝層46形成於半導體基板26的表面上。在一些實施例中，緩衝層46包括一氧化矽層、位於氧化矽層上的一底部抗反射(BARC)層、及位於底部抗反射層上的另一氧化物層。需知緩衝層46可具有不同結構，且可具有與繪示者不同層數。
在一些實施例中，緩衝層48形成於緩衝層46上，緩衝層48可由氧化矽所構成。接著層50形成於緩衝層48上，接著層50用以提昇隨後形成之金屬遮蔽層52(未繪示於第2圖，請參照第3圖)與其下方膜層(例如，緩衝層48)之間的接著性。此外，接著層50可用以作為阻障，避免上方膜層及下方膜層之間的相互擴散。在一些實施例中，接著層50包括氮及金屬，其可為鉭、鈦、或前述之組合。根據一些實施例，接著層50包括一下部位50A(其由 鉭所構成)。及一上部位50B，(其由氮化鉭所構成)。在其他實施例中，接著層50整體包括氮及金屬之化合物，例如氮化鉭。
接著層50的形成方法包括物理氣相沈積(PVD)，其中所需的金屬(例如，鉭及/或鈦)包含於物理氣相沈積反應室中之靶材。用於形成接著層50的製程氣體可包括氮氣(N2 )及氬氣(Ar)，在形成接著層50時，氮氣在全部製程氣體中具有高體積百分比及流量比。舉例來說，在形成接著層50時，流量比FN/(FN+FAr)大於約35%，且可介於約35%與80%之間，其中FN為氮氣的流量，FAr為氬氣的流量。此外，在沈積接著層50的製程反應室中，分壓比PN/(PN+PAr)可大於約35%，且可介於約35%至80%之間，其中PN為製程反應室中氮氣的分壓，PAr為製程反應室中氬氣的分壓。在形成接著層50時，晶圓22的溫度可介於約-20℃與約150℃之間。接著層50的厚度可介於約20埃與約2000埃。
在一些實施例中，接著層50中氮的原子百分比大於約15%或介於約15%至60%之間，接著層50因而在一些實施例中為一富含氮層。若在形成接著層50時氮的流量及/或氮氣的分壓上升，接著層50的晶粒尺寸可變得更小。接著層50中如果有晶粒的話，其尺寸在一些實施例中小於約50埃。當氮氣的流量或分壓比大於某臨界值，例如約35%，其對應之接著層50為一類非晶態(amorphous-like)層，其實質上為非晶態層，或為包括非常小的晶粒，其具有晶粒尺寸小於約50埃。因此，在一些實施例中，接著層50 實質上不具有尺寸大於約50埃的晶粒。另外，類非晶態接著層50亦可包括極少量的較大晶粒，但整體上仍然為非晶態。
參照第3圖，金屬遮蔽層52形成並接觸於接著層50上。在一些實施例中，金屬遮蔽層52包括鋁銅合金(aluminum copper)，但亦可使用其它金屬，例如銅、鋁、銀、鎳等等。金屬遮蔽層52的厚度可介於約2千埃(kÅ)與6千埃之間，但其厚度亦可更大或更小。形成方法可包括物理氣相沈積(PVD)及其它適用方法，例如一些化學氣相沈積(CVD)方法。
參照第4圖，形成緩衝層54。在一些實施例中，緩衝層54可包括單一層，或者緩衝層54可為一複合層，包括複數介電層。在一些實施例中，緩衝層54包括氧化矽，其可使用電漿輔助化學氣相沈積(PECVD)形成。
如第5圖所示，圖案化緩衝層54、金屬遮蔽層52及接著層50。亦可圖案化緩衝層48。膜層48、50、及52的圖案化可使用相同蝕刻罩幕(未繪示於圖中)，使膜層48、50、及52各個邊緣對齊。在圖案化之後，接著層50及金屬遮蔽層52在主動影像感測器陣列區100的部份被移除。另一方面，不移除接著層50及金屬遮蔽層52在黑色參考像素區200中的部份。在黑色參考像素區200中接著層50及金屬遮蔽層52的部份垂直對準於影像感測器24B及黑階參考像素陣列42(第7圖)。
參照第6圖，形成鈍化保護層60以覆蓋晶圓22背側特徵之表面。鈍化保護層60可包括以電漿輔助化學氣相沈 積形成之氧化矽層。另外，鈍化保護層60可包括複數膜層，其配置降低入射光62的反射。金屬遮蔽層52具有阻擋及反射入射光62的功能。主動影像感測器24A不被金屬遮蔽層52覆蓋，因此暴露在入射光62下。黑階影像感測器24B被金屬遮蔽層52覆蓋，而未暴露在入射光62下。因此，主動影像感測器24A可使用黑階影像感測器24B來校正。在一些實施例中，此校正包括從主動影像感測器24A產生的電子信號減去由黑階影像感測器24B產生的電子信號。
第7圖係繪示出一實施例之背照式影像系統70功能方塊示意圖，其包括主動影像感測像素陣列40、黑階參考像素陣列42及黑階校正電路72。主動影像感測像素陣列40包括複數主動影像感測器24A。黑階參考像素陣列42包括複數黑色參考影像感測器24B。當背照式影像系統70用以產生影像時，主動影像感測器24A暴露在光線下，各個主動影像感測器24A產生一電子信號以反應對應之光強度(光子數)。黑階校正電路72使用黑階參考像素陣列42產生的電子信號校正此主動影像感測器24A的電子信號，並輸出主動影像感測器24A之校正電子信號。此電子信號中不需要的部份，其可包括非光學產生信號(例如，溢漏信號、熱產生信號、暗電流等)，可自主動影像感測器24A的電子信號中消除。
在這些實施例中，藉由形成非晶態接著層50(第6圖)，上方之金屬遮蔽層52因而具有一平滑的上表面，因而造成黑色參考影像感測器24B的功能效能提昇。實驗結 果指出使用傳統製程時，其流量比FN/(FN+FAr)為約26%，其對應之氮化鉭接著層50為一多晶層。其對應之灰階均勻度(其以(晶圓邊緣灰階-晶圓中央灰階)/晶圓中央灰階測定)，通常大於約7%，且灰階均勻度之變異性(variation)高。由於「7%」的灰階均勻度為分辨樣本是否失效的分界點，所得樣本裝置有很高的失效機率。比較之下，採用上述實施例時，其流量比FN/(FN+FAr)增加至約50%，對應之氮化鉭接著層50為一非晶層。其對應之灰階均勻度被提昇至實質小於約7%。因此，樣本裝置的失效率非常低。此結果指出了接著層50的結構明顯影響晶片20的品質，且非晶態接著層50對灰階均勻度較具有效益。
根據本發明一實施例，提供一種半導體裝置，包括：一半導體基板，具有一前側及背側；一第一光敏性半導體裝置，設置於半導體基板之表面上，其中第一光敏性半導體裝置被配置以接收來自半導體基板之背側的一光信號並轉換光信號為一電子信號；一類非晶接著層，設置於半導體基板之背側上，其中類非晶接著層包括一含氮及金屬之化合物；以及一金屬遮蔽層，設置於半導體基板之背側上並與類非晶接著層接觸。
根據本發明另一實施例，提供一種半導體裝置，包括：一半導體基板，其包括一前側表面及一背側表面，其中背側表面在前側表面上方；一第一光敏性半導體裝置及一第二光敏性半導體裝置，位於半導體基板之前側表面；一介電層，設置於半導體基板之背側表面上；一類非晶接著層，設置於介電層上，其中類非晶接著層包括一含氮及金屬之 化合物；以及一金屬遮蔽層，設置於類非晶接著層上並與類非晶接著層接觸，其中金屬遮蔽層對準設置於第一光敏性半導體裝置上方，其中金屬遮蔽層不延伸至第二光敏性半導體裝置上方。
根據本發明又一實施例，提供一種半導體裝置的製作方法，包括：於一半導體基板之一前側表面上形成一第一光敏性半導體裝置及一第二光敏性半導體裝置；於半導體基板之一背側表面上形成一介電層，其中介電層設置於半導體基板之一背側上；於介電層上沈積一類非晶接著層，其中類非晶接著層包括一含氮及金屬化合物；於類非晶接著層上形成一金屬遮蔽層並與其接觸，其中類非晶接著層及金屬遮蔽層設置於半導體基板之背側；以及圖案化類非晶接著層及金屬遮蔽層，以移除類非晶接著層之一第一部份及金屬遮蔽層之一第一部份，其中在圖案化步驟後於介電層上留下類非晶接著層之一第二部份及金屬遮蔽層之一第二部份。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，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，當可作更動、替代與潤飾。本發明之保護範圍並未侷限於說明書內所述特定實施例中的製程、機器、製造、物質組成、裝置、方法及步驟，任何所屬技術領域中具有通常知識者可從本發明揭示內容中理解現行或未來所發展出的製程、機器、製造、物質組成、裝置、方法及步驟，只要可以在此處所述實施例中實施大體相同功能或獲得大體相同結果皆可使用於本發明中。因此，本發明之保護範圍 包括上述製程、機器、製造、物質組成、裝置、方法及步驟。另外，每一申請專利範圍構成個別的實施例，且本發明之保護範圍也包括各個申請專利範圍及實施例的組合。
100‧‧‧主動影像感測像素區
200‧‧‧黑色參考像素區
20‧‧‧影像感測晶片
22‧‧‧晶圓
24‧‧‧影像感測器
24A‧‧‧主動影像感測器
24B‧‧‧黑色參考影像感測器
26‧‧‧半導體基板
26A‧‧‧半導體基板的前側表面
26B‧‧‧半導體基板的背側表面
28‧‧‧內連接結構
30‧‧‧介電層
32‧‧‧金屬線
34‧‧‧介層窗
38、60‧‧‧鈍化保護層
40‧‧‧主動影像感測像素陣列
42‧‧‧黑階參考像素陣列
46、48、54‧‧‧緩衝層
50‧‧‧接著層
50A‧‧‧接著層之上部位
50B‧‧‧接著層之下部位
52‧‧‧金屬遮蔽層
62‧‧‧入射光
70‧‧‧背照式影像系統
72‧‧‧黑階校正電路
M1-Mtop‧‧‧金屬層
第1至6圖係繪示出根據本發明不同實施例之背照式影像感測晶片金屬遮蔽結構在中間步驟的剖面示意圖。
第7圖係繪示出一實施例之背照式影像系統功能方塊示意圖。
100‧‧‧主動影像感測像素區
200‧‧‧黑色參考像素區
20‧‧‧影像感測晶片
22‧‧‧晶圓
24‧‧‧影像感測器
24A‧‧‧主動影像感測器
24B‧‧‧黑色參考影像感測器
26‧‧‧半導體基板
28‧‧‧內連接結構
38、60‧‧‧鈍化保護層
46、48、54‧‧‧緩衝層
50‧‧‧接著層
52‧‧‧金屬遮蔽層
62‧‧‧入射光

Claims (10)

  1. 一種半導體裝置，包括：一半導體基板，具有一前側及背側；一第一光敏性半導體裝置，設置於該半導體基板之表面上，其中該第一光敏性半導體裝置被配置以接收來自該半導體基板之該背側的一光信號並轉換該光信號為一電子信號；一類非晶接著層，設置於該半導體基板之該背側上，其中該類非晶接著層包括一含氮及金屬之化合物；以及一金屬遮蔽層，設置於該半導體基板之該背側上並與該類非晶接著層接觸。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之半導體裝置，更包括一第二光敏性半導體裝置，其中該金屬遮蔽層及該類非晶接著層對準設置於該第一光敏性半導體裝置上方，且其中該金屬遮蔽層及該類非晶接著層不延伸至該第二光敏性半導體裝置上方。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之半導體裝置，其中該類非晶接著層中全部晶粒之尺寸實質上小於50埃。
  4. 一種半導體裝置，包括：一半導體基板，其包括一前側表面及一背側表面，其中該背側表面在該前側表面上方；一第一光敏性半導體裝置及一第二光敏性半導體裝置，位於該半導體基板之前側表面；一介電層，設置於該半導體基板之該背側表面上；一類非晶接著層，設置於該介電層上，其中該類非晶 接著層包括一含氮及金屬之化合物；以及一金屬遮蔽層，設置於該類非晶接著層上並與該類非晶接著層接觸，其中該金屬遮蔽層對準設置於該第一光敏性半導體裝置上方，其中該金屬遮蔽層不延伸至該第二光敏性半導體裝置上方。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之半導體裝置，更包括一鈍化保護層，其包括一第一部份對準設置於該金屬遮蔽層上方，一第二部份設置於該金屬遮蔽層之側壁上，及一第三部份對準設置於該第二光敏性半導體裝置上方。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之半導體裝置，其中該第二光敏性半導體裝置被配置以接收由該背側表面穿透該半導體基板的光子，且其中該金屬遮蔽層阻擋該第一光敏性半導體裝置接收光子。
  7. 如申請專利範圍第4項所述之半導體裝置，其中該類非晶接著層實質上不具有尺寸大於50埃的晶粒。
  8. 一種半導體裝置的製作方法，包括：於一半導體基板之一前側表面上形成一第一光敏性半導體裝置及一第二光敏性半導體裝置；於該半導體基板之一背側表面上形成一介電層，其中該介電層設置於該半導體基板之一背側上；於該介電層上沈積一類非晶接著層，其中該類非晶接著層包括一含氮及金屬化合物；於該類非晶接著層上形成一金屬遮蔽層並與其接觸，其中該類非晶接著層及該金屬遮蔽層設置於該半導體基板之該背側；以及 圖案化該類非晶接著層及該金屬遮蔽層，以保留該類非晶接著層之一第一部份及該金屬遮蔽層之一第一部份，其中在該圖案化步驟後於該介電層上移除該類非晶接著層之一第二部份及該金屬遮蔽層之一第二部份。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之半導體裝置的製作方法，其中沈積該類非晶接著層之步驟使用氮氣及氬氣作為製程氣體，且其中在沈積該類非晶接著層之步驟時，氮氣流量對氮氣加氬氣流量的流量比大於35%，氮氣分壓對氮氣加氬氣分壓的分壓比大於35%。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之半導體裝置的製作方法，其中該類非晶接著層之第一部份及該金屬遮蔽層之第一部份對準設置於該第一光敏性半導體裝置上方，其中該類非晶接著層之第二部份及該金屬遮蔽層之第二部份對準設置於該第二光敏性半導體裝置上方。
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