TWI517375B - 半導體裝置及其製作方法 - Google Patents
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Description
本發明係有關於影像感測技術，且特別是有關於一種具有影像感測器的半導體裝置及其製作方法。
因為具有較高的光子捕捉效率，背照式(Backside Illumination，BSI)影像感測晶片逐漸取代了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(例如光電二極體)及邏輯電路形成於一晶圓之矽基板上，隨後於一矽晶片前側形成一內連接結構。之後薄化此晶圓，且於此矽基板背側形成例如彩色濾光片及微透鏡等背側結構。
背照式影像感測晶片之影像感測器受到光子激發時可產生電子信號，電子信號(例如電流)的大小取決於各個影像感測器所接收到的入射光強度。為了提高影像感測器的量子效率，影像感測器在用於像素單元之晶片區域佔有高比例較佳，而像素單元包括影像感測器。由於像素單元亦包括影像感測器之外的其它裝置，例如包括轉換閘極電晶體、重置電晶體、源極隨耦器、及列選擇器等，因而使量子效率的提高受限。
本發明一實施例提供一種半導體裝置，包括：一第一晶片，其內包括一影像感測器；一第二晶片，其接合至第
一晶片，其中第二晶片包括一邏輯裝置，其選自由重置電晶體、選擇器、列選擇器、或前述之組合所組成之族群，其中邏輯裝置及影像感測器彼此電性耦接且為同一像素單元的一部分。
本發明另一實施例提供一種半導體裝置，包括：一第一晶片，包括：一感測器陣列，包括複數影像感測器；複數轉換閘極電晶體，其中轉換閘極電晶體各個電性耦接至影像感測器其中之一；以及一第一複數金屬墊，設置於第一晶片之前側表面，其中第一複數金屬墊電性耦接至影像感測器及轉換閘極電晶體；以及一第二晶片，接合至第一晶片，其中第二晶片包括：複數重置電晶體、複數源極隨耦器、以及複數列選擇器電性耦接至影像感測器及轉換閘極電晶體，以形成一像素單元陣列，其包括複數像素單元；以及一第二複數金屬墊，設置於第二晶片之前側表面，其中第二複數金屬墊電性耦接至重置電晶體、源極隨耦器、以及列選擇器，且第二複數金屬墊各個接合至第一複數金屬墊其中之一。
本發明又一實施例提供一種半導體裝置的製作方法，包括：接合一第一晶片至一第二晶片，其中第一晶片包括：一第一半導體基板；以及一影像感測器，設置於第一半導體基板之一表面上，其中第二晶片包括：一第二半導體基板；以及一邏輯裝置，其選自由重置電晶體、源極隨耦器、列選擇器、及前述之組合所組成之族群，且其設置於第二半導體基板之一表面，其中邏輯裝置及影像感測器彼此電性耦接，且形成同一像素單元的一部分；以及於第一晶片之表面上形成一接合墊，
其中接合墊電性耦接至第二晶片中的裝置。
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：
20、100‧‧‧影像感測晶片
22、102‧‧‧晶圓
24‧‧‧影像感測器/光電二極體
26、120‧‧‧半導體基板
26A、26B‧‧‧表面
28‧‧‧轉換閘極電晶體
30‧‧‧閘極
32‧‧‧浮置擴散電容
34、134‧‧‧內連接結構
36、136‧‧‧介電層
38、138‧‧‧金屬導線
40、140‧‧‧介層窗
42、42A、142‧‧‧金屬墊
50、50A、50B‧‧‧上方膜層
52‧‧‧通孔電極
54‧‧‧電連接體
56‧‧‧彩色濾光片
58‧‧‧微透鏡
122‧‧‧邏輯電路
123‧‧‧像素單元部
124‧‧‧週邊電路
126‧‧‧列選擇器
128‧‧‧源極隨耦器
130‧‧‧重置電晶體
200‧‧‧像素單元
VDD‧‧‧像素電源供應電壓
GND‧‧‧接地
T‧‧‧傳輸線
RST‧‧‧重置線
SEL‧‧‧選擇線
第1~5圖繪示了根據本發明數實施例所作之一堆疊影像感測器晶圓/晶片之製造方法的中間步驟之剖面示意圖。
第6圖繪示了根據本發明數實施例所作之像素單元的電路圖。
第7圖繪示了根據本發明一實施例之像素單元的平面示意圖，其被分隔為二個堆疊晶片。
以下說明本發明實施例之製作與使用。然而，可輕易了解本發明實施例提供許多合適的發明概念而可實施於廣泛的各種特定背景。所揭示的特定實施例僅僅用於說明以特定方法製作及使用本發明，並非用以侷限本發明的範圍。
本發明提供堆疊之影像感測晶片/晶圓及其製作方法的各種實施例，並說明形成堆疊之影像感測晶片及其對應之堆疊晶圓的中間步驟，且討論不同實施例。在不同圖式及實施例中可能使用重複的參考符號以標示相同元件。
第1~5圖為一系列剖面圖，為根據本發明數實施例所作之一堆疊影像感測器晶圓/晶片之製造方法的中間步驟。第1圖繪示了影像感測晶片20，其為包括複數影像感測晶
片20之晶圓22的一部分。影像感測晶片20包括半導體基板26，其可為結晶矽基板或由其他半導體材料所形成之半導體基板。在本發明說明中，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形成於半導體基板26的前側表面，影像感測器24被配置以將光信號(光子)轉換為電子信號，且其可為光感測金屬氧化物半導體(Metal-Oxide-Semiconductor，MOS)電晶體或光感測二極體。因此，在本發明說明中，影像感測器24亦可視為光電二極體24，但其可為其他類型的影像感測器。在一些實施例中，光電二極體24由前側表面26A延伸進入半導體基板26，形成一影像感測器陣列，其繪示於第7圖所示之平面示意圖中。
在一些實施例中，各個光電二極體24電性耦接至包括閘極30之轉換閘極電晶體28的一第一源/汲極區域。轉換閘極電晶體的28的第一源/汲極區域可與連接之光電二極體24共用。浮置擴散電容32形成於基板26中，例如可藉由佈植進入基板以形成一p-n接面，其可作為浮置擴散電容32。浮置擴散電容32可形成於轉換閘極電晶體28之一第二源/汲極區域中，浮置擴散電容32的電容板之一因而電性耦接至轉換閘極電晶體28之第二源/汲極區域。
在一些實施例中，至少一些、較可能為全部週邊電路被用以處理未形成於影像感測晶片20及晶圓22中之光電二極體24的信號。這些週邊電路包括影像信號處理(Image Signal Processing，ISP)電路，其可包括類比數位轉換器(Analog-to-Digital Converters，ADC)、相關式雙重取樣
(Correlated Double Sampling，CDS)電路、列解碼器等。
請再參照第1圖，前側之內連接結構34形成於半導體基板26上，且用以內連接影像感測晶片20中的裝置。前側之內連接結構34包括介電層36、以及介電層36中的金屬導線38及介層窗40。在本發明說明中，在同一個介電層36中的金屬導線38整體可視為一金屬層。內連接結構34可包括複數金屬層。介電層36可包括低介電常數介電層，且可能包括一低介電常數介電層上之鈍化保護層。低介電常數介電層具有低的介電常數值，例如小於約3.0。鈍化保護層可使用介電常數值大於3.9之一非低介電常數介電材料形成。
金屬墊42設置於晶圓22的前側表面，其頂部表面實質上切齊或高於介電層36頂層之頂部表面。金屬墊42可包括銅、鋁、或其他金屬。在一些實施例中，轉換閘極電晶體28之閘極30各個電性耦接至金屬墊42其中之一。一些金屬墊42，例如金屬墊42A，可連接至基板接地，如第6圖所繪示之GND。因此，閘極30可透過金屬墊42接收轉換信號。各個浮置擴散電容32電性耦接至金屬墊42其中之一，擴散電容32中儲存之電荷可透過其耦接之金屬墊42而被釋放至晶片100(未繪示於第1圖，請參照第3圖)。因此，各個像素單元200(參考第3、7圖)可包括金屬墊42其中之二。各個像素單元200中的金屬墊42數量與像素單元200的配置方式有關，因此，各個像素單元200可包括不同數量的金屬墊42，例如可為三個、四個、五個等等。
第2圖繪示了裝置晶片100之剖面示意圖，其位於包括與裝置晶片100相同之複數裝置晶片的晶圓102中。裝置晶
片100包括基板120、形成於基板120前側表面之邏輯電路122及週邊電路124。在一些實施例中，基板120為一矽基板。或者，基板120可使用其它半導體材料形成，例如矽化鍺、矽化碳、Ⅲ-V族化合物半導體材料等。根據一些實施例，邏輯電路122包括複數電晶體，其包括列選擇器126、源極隨耦器128、及重置電晶體130。列選擇器126、源極隨耦器128、及重置電晶體130可形成複數像素單元部123，各個像素單元部123包括列選擇器126其中之一、源極隨耦器128其中之一、及重置電晶體130其中之一。
邏輯電路124可包括一或多個影像信號處理電路，例如類比數位轉換器、相關式雙重取樣電路、列解碼器等。內連接結構134形成並電性耦接於週邊電路124及像素單元部123上。內連接結構134包括位於複數介電層136中的複數金屬層，金屬導線138和介層窗140設置於介電層136中。在一些實施例中，介電層136包括低介電常數介電層。低介電常數介電層可具有低於約3.0之介電常數值。介電層136可更包括由介電常數值大於3.9之非低介電常數介電材料所形成之鈍化保護層。在一些實施例中，鈍化保護層包括例如一氧化矽層、一未摻雜矽玻璃(Un-doped Silicate Glass，USG)層。
金屬墊142形成於晶圓102之表面，其頂部表面實質上切齊或高於介電層136頂層之頂部表面。金屬墊142亦可包括銅、鋁、或其他金屬。在一些實施例中，各個像素單元部123電性耦接至一或多個金屬墊142。
參照第3圖，晶圓22及102透過將金屬墊42接合至
對應之金屬墊142相互接合。此接合可為金屬對金屬直接接合，例如藉由在高溫下對金屬墊142壓合金屬墊42。上述接合使光電二極體24、轉換閘極電晶體28、浮置擴散電容32、列選擇器126、源極隨耦器128、及重置電晶體130耦接以形成複數像素單元200。在一些實施例中，像素單元200形成對應於影像感測器陣列之陣列，如第7圖所示。金屬墊42及142亦可排列為陣列。
第6圖繪示了像素單元200之一實施例的電路圖。在一些實施例中，光電二極體24具有接地的一陽極，及一陰極耦接至轉換閘極電晶體28之一源極，轉換閘極電晶體28具有一閘極30耦接至單一導線。此單一導線T(傳輸線)繪示於第3圖並標示為「T」。像素單元200之傳輸線可連接至第3圖之影像信號處理電路124以接收控制信號。如第6圖所示，轉換閘極電晶體28的汲極可耦接至重置電晶體130的汲極及源極隨耦器128的閘極。重置電晶體130具有一閘極耦接至一重置線RST，其可連接至影像信號處理電路124(第3圖)以接收更多控制信號。重置電晶體130的一源極可耦接至一像素電源供應電壓VDD。浮置擴散電容32可耦接於轉換閘極電晶體的源/汲極及源極隨耦器128的閘極之間。重置電晶體130用以預設浮置擴散電容32的電壓為VDD。源極隨耦器128的一汲極耦接至電源供應電壓VDD。源極隨耦器128的一源極耦接至列選擇器126。源極隨耦器128提供像素單元200一高阻抗輸出。列選擇器126作為對應之像素單元200的選擇電晶體，且列選擇器126的閘極耦接至選擇線SEL，其可電性耦接至影像信號處理電路124。列選擇器
126的一汲極耦接至一輸出線，其耦接至第3圖之影像信號處理電路124以輸出光電二極體24所產生之信號。
在像素單元200的操作中，當光電二極體24接收到光線，光電二極體24會產生電荷，其中電荷數量與入射光強度或亮度有關。可藉由施加一傳輸信號至轉換閘極電晶體28的閘極，使轉換閘極電晶體28開啟而傳送電荷。電荷可以儲存於浮置擴散電容32中，此電荷可開啟源極隨耦器128，因而使光電二極體24產生電荷以通過源極隨耦器128至列選擇器126。需要採樣時，可開啟選擇線SEL，使電荷流過列選擇器126至資料處理電路，例如影像信號處理電路124，其連接至列選擇器126的輸出端。
需注意的是，雖然第3圖及第6圖繪示了背照式影像感測晶片中像素單元200之一實施例的示意圖(分割為晶片20及100之像素單元200)，然而亦可用於其他類型的影像感測晶片，例如前照式影像感測晶片。亦需注意的是，雖然第3圖及第6圖繪示了在四電晶體結構中的一像素，發明所屬技術領域中具有通常知識者可知四電晶體結構僅為一實施例，本發明不限於此。發明所屬技術領域中具有通常知識者可在不脫離本發明之精神和範圍內作更動、替代與潤飾，例如可包括但不限於三電晶體像素、五電晶體像素等實施例。
其次，如第4圖所示，實施一背側研磨以薄化半導體基板26，減少半導體基板26的厚度。隨著半導體基板的厚度26減少，光可由背側26B穿透而進入半導體基板26以到達影像感測器24。在薄化製程中，晶圓102可作為載板以提供晶圓22
機械性支持，因而防止晶圓22破裂，即使晶圓22在薄化之後厚度極小。因此，在背側研磨時，無需額外的載板。
基板26薄化之後，於半導體基板26的背側表面形成上方膜層50(有時亦可視為緩衝層)。在一些實施例中，上方膜層50包括一層或多層底部抗反射層(Bottom Anti-Reflective Coating，BARC)、氧化矽層、及氮化矽層，其以50A及50B標示。
第5圖繪示了通孔電極52的形成，其穿透上方膜層50及半導體基板26。通孔電極52亦可穿透一些內連接結構34。如此一來，通孔電極52可電性耦接至金屬墊42及142，並電性耦接至晶圓102中的電路。通孔電極52的形成可包括實施一蝕刻步驟以形成一介層開口(由通孔電極52所使用)並以導電材料填充進此介層開口，其可包括鋁、銅、鋁銅合金、鎢、鎳、金等等。接著，形成電連接體54，例如可藉由沉積一導電材料(例如鋁銅合金)，隨後圖案化此導電材料而形成。電連接體54可為一接合墊，例如用以形成打線接合之接合墊。透過電連接體54及其它未繪示之電連接體，其對應之晶片20及晶片100可電性耦接至外部電路構件(未繪示)。
請再參照第5圖，根據一些實施例，在形成電連接體54之前或之後，額外構件例如金屬網(未繪示)、彩色濾光片56、微透鏡58等可進一步形成於晶片20的背側上。所得之堆疊晶圓22及102隨後被切割為晶粒，其中各個晶粒包括一晶片20及一晶片100。
在上述實施例中，藉由從晶片20中移出列選擇器
126、源極隨耦器128、重置電晶體130中至少一些、或為全部，可提昇像素單元200的填充因子，其中此填充因子可藉由將光電二極體24所佔用的晶片面積除以對應之像素單元200的晶片總面積來計算。填充因子的提昇可改善量子效率、信噪比、靈敏度、及像素的動態範圍。此外，因為列選擇器126、源極隨耦器128、重置電晶體130、及週邊電路124為邏輯裝置，其未與形成的光電二極體24及轉換閘極電晶體28耦接，可消除因形成邏輯裝置而對光電二極體24效能所造成的不良影響。
根據本發明之實施例，提供一種半導體裝置，包括：一第一晶片，其內包括一影像感測器；一第二晶片，其接合至第一晶片，其中第二晶片包括一邏輯裝置，其選自由重置電晶體、選擇器、列選擇器、或前述之組合所組成之族群，其中邏輯裝置及影像感測器彼此電性耦接且為同一像素單元的一部分。
根據本發明另一實施例，提供一種半導體裝置，包括：一第一晶片，包括：一感測器陣列，包括複數影像感測器；複數轉換閘極電晶體，其中轉換閘極電晶體各個電性耦接至影像感測器其中之一；以及一第一複數金屬墊，設置於第一晶片之前側表面，其中第一複數金屬墊電性耦接至影像感測器及轉換閘極電晶體；以及一第二晶片，接合至第一晶片，其中第二晶片包括：複數重置電晶體、複數源極隨耦器、以及複數列選擇器電性耦接至影像感測器及轉換閘極電晶體，以形成一像素單元陣列，其包括複數像素單元；以及一第二複數金屬墊，設置於第二晶片之前側表面，其中第二複數金屬墊電性耦
接至重置電晶體、源極隨耦器、以及列選擇器，且第二複數金屬墊各個接合至第一複數金屬墊其中之一。
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：接合一第一晶片至一第二晶片，其中第一晶片包括：一第一半導體基板；以及一影像感測器，設置於第一半導體基板之一表面上，其中第二晶片包括：一第二半導體基板；以及一邏輯裝置，其選自由重置電晶體、源極隨耦器、列選擇器、及前述之組合所組成之族群，且其設置於第二半導體基板之一表面，其中邏輯裝置及影像感測器彼此電性耦接，且形成同一像素單元的一部分；以及於第一晶片之表面上形成一接合墊，其中接合墊電性耦接至第二晶片中的裝置。
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。再者，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。
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。
20‧‧‧影像感測晶片
22‧‧‧晶圓
24‧‧‧影像感測器/光電二極體
28‧‧‧轉換閘極電晶體
30‧‧‧閘極
32‧‧‧浮置擴散電容
34‧‧‧內連接結構
42、142‧‧‧金屬墊
50‧‧‧上方膜層
52‧‧‧通孔電極
54‧‧‧電連接體
56‧‧‧彩色濾光片
58‧‧‧微透鏡
100‧‧‧影像感測晶片
102‧‧‧晶圓
124‧‧‧週邊電路
126‧‧‧列選擇器
128‧‧‧源極隨耦器
130‧‧‧重置電晶體
200‧‧‧像素單元
Claims (6)
- 一種半導體裝置，包括：一第一晶片，其內包括：一影像感測器；一轉換閘極電晶體，其中該轉換閘極電晶體電性耦接至該影像感測器；一浮置擴散電容，其中該浮置擴散電容電性耦接至該轉換閘極電晶體之源/汲極，其中該影像感測元件、該轉換閘極電晶體及該浮置擴散電容為同一像素單元的一部分；以及兩個金屬墊，位於該第一晶片的一表面上，且該轉換閘極電晶體及該浮置擴散電容各個電性耦接至上述兩個金屬墊；一第二晶片，其接合至該第一晶片，其中該第二晶片包括一邏輯裝置，其選自由重置電晶體、選擇器、列選擇器、或前述之組合所組成之族群；以及兩個額外的金屬墊，位於該第二晶片的一表面上且各個接合至上述兩個金屬墊，其中該邏輯裝置及該影像感測器彼此電性耦接且為該像素單元的一部分。
- 如申請專利範圍第1項所述之半導體裝置，更包括：一第一半導體基板，位於該第一晶片中；一第一內連接結構，位於該第一晶片中，其中該第一內連接結構包括複數金屬層，其位於該第一半導體基板之前側上；一第二半導體基板，位於該第二晶片中； 一第二內連接結構，位於該第二晶片中，其中該第二內連接結構包括複數金屬層，其位於該第二半導體基板之前側上，且其中上述兩個金屬墊及上述兩個額外金屬墊位於該第一內連接結構及該第二內連接結構之間。
- 一種半導體裝置，包括：一第一晶片，包括：一感測器陣列，包括複數影像感測器；複數轉換閘極電晶體，其中該等轉換閘極電晶體各個電性耦接至該等影像感測器其中之一；複數浮置擴散電容，其中該等浮置擴散電容電性耦接至該等轉換閘極電晶體其中之一的源/汲極，且該等影像感測器、該等轉換閘極電晶體及該等浮置擴散電容形成複數像素單元中對應之像素單元的一部分；一第一複數金屬墊，設置於該第一晶片之前側表面，其中該第一複數金屬墊電性耦接至該等浮置擴散電容及該等轉換閘極電晶體；以及一第二晶片，接合至該第一晶片，其中該第二晶片包括：複數重置電晶體、複數源極隨耦器、以及複數列選擇器電性耦接至該等影像感測器及該等轉換閘極電晶體，以形成一像素單元陣列，其包括該等像素單元；以及一第二複數金屬墊，設置於該第二晶片之前側表面，其中該第二複數金屬墊電性耦接至該等重置電晶體、該等源極隨耦器、以及該等列選擇器，且該第二複數金屬墊各個接合至該第一複數金屬墊其中之一。
- 如申請專利範圍第3項所述之半導體裝置，其中該等轉換閘極電晶體之閘極被配置以接收來自該第二晶片的控制信號。
- 如申請專利範圍第3項所述之半導體裝置，更包括：一第一半導體基板，設置於該第一晶片中；一第一內連接結構，設置於該第一晶片中，其中該第一內連接結構包括複數金屬層，其設置於該第一半導體基板之前側；一第二半導體基板，設置於該第二晶片中；以及一第二內連接結構，設置於該第二晶片中，其中該第二內連接結構包括複數金屬層，其設置於該第二半導體基板之前側，其中該第一及該第二內連接結構以及該第一及該第二複數金屬墊介於該第一及該第二半導體基板之間。
- 一種半導體裝置的製作方法，包括：接合一第一晶片至一第二晶片，其中該第一晶片包括：一第一半導體基板；以及一影像感測器，設置於該第一半導體基板之一表面上；一轉換閘極電晶體，其中該轉換閘極電晶體電性耦接至該影像感測器；一浮置擴散電容，其中該浮置擴散電容電性耦接至該轉換閘極電晶體之源/汲極，其中該影像感測元件、該轉換閘極電晶體及該浮置擴散電容為同一像素單元的一部分；以及兩個金屬墊，位於該第一晶片的一表面上，且該轉換閘極電晶體及該浮置擴散電容各個電性耦接至上述兩個金屬 墊；其中該第二晶片包括：一第二半導體基板；一邏輯裝置，其選自由重置電晶體、源極隨耦器、列選擇器、及前述之組合所組成之族群，且其設置於該第二半導體基板之一表面，其中該邏輯裝置及該影像感測器彼此電性耦接，且形成該像素單元的一部分；以及兩個額外的金屬墊，位於該第二晶片的一表面上且各個接合至上述兩個金屬墊。
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