TWI543343B - 半導體裝置及其製造方法 - Google Patents

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TWI543343B
TWI543343B TW102146358A TW102146358A TWI543343B TW I543343 B TWI543343 B TW I543343B TW 102146358 A TW102146358 A TW 102146358A TW 102146358 A TW102146358 A TW 102146358A TW I543343 B TWI543343 B TW I543343B
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Description

半導體裝置及其製造方法
本發明係有關於一種半導體裝置，且特別是有關於一種影像感測裝置。
背照式(backside illumination)影像感測晶片(image sensor chip)目前正取代前照式影像感測晶片，因其在捕捉光子上有更好的效率。在背照式影像感測晶片的形成中，影像感測器，如發光二極體以及邏輯電路，形成於一晶圓之矽基板上，並接著在矽晶粒的前側形成一內連線結構。在背照式影像感測晶粒中之影像感測器，因光子的刺激而產生電子訊號。
本發明提供一種半導體裝置，包括：一晶粒，包括：多個第一邊緣；以及一半導體基板在前述晶粒中，其中前述半導體基板包括：一第一部分，包括多個第二邊緣，其未對準相對應之前述多個第一邊緣；以及一第二部分，其係自前述多個第二邊緣之一延伸至前述晶粒之前述多個第一邊緣之一，其中前述第二部分包括一第一端連接至前述多個第二邊緣之一，以及一第二端，其具有一邊緣對準於前述晶粒之前述多個第一邊緣之一。
本發明亦提供一種半導體裝置，包括：一背照式影像感測晶片，包括：多個第一邊緣；一具有多個邊緣的封環，前述多個邊緣鄰近並平行於前述多個第一邊緣之其一；以及一半導體基板位於前述背照式感測晶片中，其中前述半導體基板包括：一主體部分位於前述封環之中，其中前述主體部分包括多個第二邊緣，前述多個邊緣鄰近並平行於前述多個第一邊緣之其一；以及多個長條，且前述多個長條連接前述多個第二邊緣之其一，其中所有前述多個長條自前述封環內延伸至前述封環外。
本發明另提供一種半導體裝置的製造方法，包括：形成多個積體電路裝置於一晶圓之多個晶片中；以及蝕刻前述晶圓之一半導體基板成多個部分，其中前述半導體基板之多個部分包括：多個主體部分，各位於前述多個晶片中；以及多個長條部分，各互連位於鄰近的兩個晶片中之前述多個主體區域之其二。
10‧‧‧晶片
12‧‧‧切割線
14‧‧‧封環
16‧‧‧切割線內特徵
20A、20B、20C‧‧‧基板部分
20A’、20B’、20C’、21、200A‧‧‧邊緣
22‧‧‧內連線結構
24‧‧‧介電層
26‧‧‧鈍化層
30‧‧‧金屬線
32‧‧‧導孔
34‧‧‧影像感測陣列
36‧‧‧影像感測器
38‧‧‧邏輯電路
42‧‧‧底部抗反射塗層
44‧‧‧緩衝氧化層
46‧‧‧金屬柵格
48‧‧‧金屬罩
50‧‧‧淺溝槽隔離區域
52‧‧‧溝槽
53、60‧‧‧介電層
54‧‧‧接合墊
56‧‧‧開口
62‧‧‧彩色濾鏡
64‧‧‧微透鏡
100‧‧‧晶圓
102‧‧‧黏合劑
104‧‧‧載體
200‧‧‧晶粒
d1‧‧‧距離
L1‧‧‧長度
W1‧‧‧寬度
第1A-1B、2A-2B、3A-3D圖顯示為一背照式影像感測晶圓實施例之形成過程中，各階段之俯視圖以及截面圖；以及第4圖顯示為一實施例之背照式影像感測晶片俯視圖，其切割自上述背照式影像感測晶圓。
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。
在一些實施例中，提供一背照式影像感測晶片以及其形成方法，並說明形成影像感測晶片之各階段步驟。此處討論影像感測晶圓以及影像感測晶片的各種型態變化。在各個圖式及說明中使用相同的標號來表示相同或相似的部件。
在背照式影像感測晶片的形成中，發光二極體以及邏輯電路形成於一晶圓之矽基板上，並接著在矽晶片的前側形成一內連線結構。內連線結構包括複數個金屬層，其包括從底部金屬層M1至頂部金屬層Mtop。
接著可將晶圓翻轉。然後可施行一背側研磨於矽基板的背側上。可形成一緩衝氧化層於剩下的矽基板背面，並蝕刻晶圓中之矽基板。在蝕刻矽基板的過程中，位在切割線(scribe lines)的矽基板部份被移除。在各個影像感測晶片中餘下之矽基板因此與其他影像感測晶片中之矽基板部分隔開。
由於矽基板經過蝕刻的關係，多個溝槽形成於矽基板中，開口接著形成在溝槽中，其中淺溝槽隔離墊以及其下方之層間介電質的部分亦受到蝕刻，而使在底部金屬層M1的金屬墊裸露出來。接著多個金屬墊形成於開口中以電性連接至底部金屬層M1中之金屬墊。金屬墊可用於接合背照式晶片。
於其上所述之製程中，在矽基板中的溝槽形成一柵格，以及矽基板其他餘下的部份可彼此完全隔離。此在矽基板餘下的部份中產生應力，而其可能是不平衡的，並對矽基板中之裝置有不利的影響。此類問題可透過第1-4圖中所示之實 施例得到解決。
第1A圖所示為一些實施例中晶圓100之俯視圖。晶圓100包括晶片10以及聯接的切割線12。封環14形成於每一晶片10中，其中封環14的外邊界定出晶片10的外邊界。在一些實施例中，可能有多於一個封環(雖僅繪出一封環)，其中最外圍之封環環繞內部封環。在此些實施例中，各晶片中所繪之封環14皆為多個封環中最外圍之封環。切割線12為位於相鄰晶片10之封環14間之晶圓100的部份。因此，每一切割線12皆聯接兩排(或兩列)晶片10並位於其間，且可聯接兩排(或兩列)封環14並位於其間。
在一些實施例中，切割線內特徵16(within-scribe-line feature)形成於切割線12中。切割線內特徵16示於圖中，並可包括，例如用於監測晶圓100製程的測試裝置、切割線預記號(scribe-line primary mark)、覆蓋記號等等。
第1B圖所示為第1A圖中之晶圓100的部份截面圖，其中此截面示圖係截自第1A圖中1B-1B截線平面。如第1B圖所示，晶圓100係連附於一載體104(可為玻璃載體)，例如可藉由黏合劑102。晶圓100包括基板20，其延展分布於整個晶圓100並延伸入晶片10與切割線12中。基板20為一半導體基板，包括一半導體材料，如Si、SiC、三五族半導體、Ge等等。內連線結構22形成基板20之一側(此後視作“前側”)上。內連線結構22包括形成於多個介電層24中之金屬線30以及導孔32。介電層24可具有一低介電常數(k值)，其約低於3.5，或例如約低於3.0。鈍化層26(可為多層)亦包括於晶片10中，其中鈍 化層26可不具有低介電常數，高於約3.9。
在一些實施例中，晶片10為影像感測晶片，其可為背照式影像感測晶片。影像感測陣列34形成於每一晶片10之中並包括將影像感測器36以行列的方式配置。影像感測器36可為發光二極體、光電晶體等，其能夠將光子轉為電子訊號。每一晶片10可包括邏輯電路38，用以處理電子訊號，例如影像感測陣列34所產生之電子訊號。
各個封環14皆可延伸至所有低介電常數之介電層24中，並可以延伸或不延伸至鈍化層26中。封環14亦可包括部分接觸於基板20(未繪出)。封環14形成鄰近各個晶片10之邊緣區域的固態金屬環，以在晶圓100鋸成多個晶片後，讓水氣與不利的化學物質無法穿透進晶片10並接觸到位於封環14內之裝置與內連線結構。
在第1B圖中標記了晶片10之邊界以及切割線12。切割線內特徵16示於圖中，並可形成以延伸進一或多個(以任何組合方式)之基板20以及內連線結構22。此外，切割線內特徵16可包括位於內連線結構22所在之前側之反側部分(背側)。在圖示中，切割線內特徵16之背側部分顯示為位在基板20上之一部分。
基板20係削薄至，例如，幾微米左右。在一些實施例中，在基板20上置有底部抗反射塗層42，其形成基板20之背面20B之上。在一些實施例中，底部抗反射塗層42可包括SiON，然亦可使用其他材料。緩衝氧化層44形成於底部抗反射塗層42上方。緩衝氧化層44可例如以氧化矽形成，然亦可使用 其他介電材料。緩衝氧化層44以電漿強化型化學氣相沈積法(plasma enhance chemical vapor deposition)，因此有時亦可稱為電漿強化型氧化物，然亦可使用其他形成方法。
在一些實施例中，在各個晶片10中，金屬柵格46以及金屬罩48(shield)形成於緩衝氧化層44上方。金屬柵格46於俯視下可具有一柵格形狀，而同時此柵格中之開口對準於影像感測器36。金屬罩48疊覆於邏輯電路38以防止邏輯電路38中之裝置受到照光的負面影響。金屬柵格46以及金屬罩48可以鈦、氮化鈦、鉭、氮化鉭、銅鋁合金、前述材料之合金，及/或前述之多層結構。金屬柵格46以及金屬罩48可同時形成，故包括同樣的材料。
接著蝕刻基板20以及在基板20上的層(例如包括底部抗反射塗層42、緩衝氧化層44)。得到之結構如第2A、2B圖所示，各為其俯視圖以及截面圖。此截面示圖係截自第2A圖中穿過2B-2B截線的平面。如第2B圖所示，蝕刻的施行係以淺溝槽隔離區域50(shallow trench isolation region)作為蝕刻中止層。因此在蝕刻後，淺溝槽隔離區域50係裸露出的。蝕刻使溝槽52形成於基板20中。
參照至第2A圖，蝕刻使得基板20圖案化為多個晶片內基板部分20A(亦可視作主體部分)，其中各個晶片內基板部分20A係位於其對應之晶片10的邊界內。此外，一些在晶片10中並靠近晶片10邊界的基板20的外側部份亦可經由蝕刻步驟移除，使基板部分20A的邊緣21不對準晶片10的邊界(由封環14界定)。於俯視視圖中，邊緣21亦位於其對應的晶片10內。 在一些實施例中，邊緣21與其對應的晶片10具有大於約100μm的距離D1。基板20所剩餘的部份包括基板部分20B，此即切割線內特徵16形成之位置。
另外，基板20所剩餘的部份亦包括基板部分20C，其中各個基板部分20C互連兩個基板部分20A。基板部分20C具有顯著大於其寬度的長度，故亦可稱作基板條20C。各個基板部分20C可橫過整個切割線12，並可延伸至兩相鄰晶片10中。藉由基板部分20C，所有晶圓100中之基板部分20A可互連，雖各基板部分20A本身為彼此斷開的。在一些實施例中，基板部分20A之邊緣21連接至1、2、3或更多個基板部分20C。在所示之實施例中，同一邊緣21之兩異側邊緣連接有兩個基板部分20C，且其間具有一基板部分20B。基板部分20C之寬度W1係介於20-80μm。在一些實施例中，基板部分20C之寬度W1為相對應的基板部分20A的相對側長度L1的0.5-2.0%。基板部分20C可使其縱向邊緣垂直於其連接之對應的邊緣21。因各基板部分20A可包括四邊，基板部分20C形成以連接至基板部分20A之四邊。在一些實施例中，基板部分20B係從基板部分20A以及基板部分20C斷開。
基板部分20A在基板蝕刻步驟後可具有不利的應力，其影響晶片10中之裝置的性能。藉由基板部分20C內連線晶片10之各個基板部分20A所提供之一針對鄰近基板部分20A的拉力或推力至少可減少或實質上消除不利的應力。
參照第3A-3D圖，形成晶圓100中剩餘的特徵。第3B、3C、3D圖所示為截自第3A圖中3B-3B、3C-3C、3D- 3D各截線之平面。第3A、3B圖所示為接合墊54形成於晶片10中。接合墊54穿過淺溝槽隔離區域50並電性連接基板20前側之金屬層。在一些實施例中，形成過程包括在淺溝槽隔離區域50中形成開口56，其中開口56更形成於由於移除基板20而形成的溝槽52中。介電層53形成以覆蓋於溝槽52與開口56之側壁。一些介電層53的水平部分會受到移除以裸露出金屬線30之其一，其可位於金屬層中，如底部金屬層(M1)或其他金屬層。一導電層(未繪出)接著形成以延伸至開口56中，並再使此導電層圖案化。導電層之剩餘部分形成接合墊54，其延伸至開口56中。接合墊54電性連接至內連線結構22，並可電性連接影像感測陣列34及/或邏輯電路38。
此外，如第3B、3C、3D圖中所示，係背照式之晶片10的剩餘元件之形成，包括介電層60、彩色濾光片62、微透鏡64等。介電層60可填入金屬柵格46與金屬罩48間之間隙中並形成一平坦表面，以進行後續彩色濾光片62以及微透鏡64的形成。各個後續彩色濾光片62以及微透鏡64可對準至影像感測器36之其一。第3B所示之截面圖為取自橫過接合墊54以及基板20之基板部分20A的平面，故接合墊54以及基板部分20A皆繪於圖中。第3C所示之截面圖為取自橫過基板部分20C所在的平面，故基板部分20C以及基板部分20A皆繪於視圖中。第3D所示之截面圖為取自橫過無接合墊54以及基板部分20C的平面，故所示為溝槽52延伸穿過切割線12至鄰近晶片10中。
然後，在第3A-3D圖中之晶圓100形成後，晶圓100沿著切割線12切割，以形成多個相同的晶片。第4圖所示為其 中之一晶粒200，其包括晶片10於其中。所示之晶粒200，在晶片10部分旁如第3A圖中所示，亦可包括第3A圖中所示之切割線12之剩餘部分。另外各基板部分20C亦受到切割，且各基板部分20C皆具有一部分留於晶粒200中。基板部分20A可包括四個邊緣21，其實質上平行於晶粒200之各邊緣200A。基板部分20C的剩餘部分具有邊緣20C’，其係由於切割而產生。邊緣20C’對準於晶粒200之各邊緣200A。可以有兩個或以上的基板部分20C連接至同一邊緣21以最大化減少應力的效益，然在其他實施例中，可以只有一個基板部分20C連接至一邊緣21。在一些實施例中，基板部分20B(第3A圖)係被完全割開的，故基板部分20B不位於晶粒200中。在另一實施例中，基板部分20B可留下一些殘留物。因此，在圖中，以虛線繪出基板部分20B以指出其可能存在或不存在於晶粒200中。如所示之一些實施例中，基板部分20B係位於兩個連接至同一邊緣21之基板部分20C間。在此情況下，基板部分20B具有留在晶粒200中之部分，各基板部分20B之邊緣20B’，因切割步驟的關係，對準於邊緣200A其一。部分之基板部分20C橫跨過封環14，而其他部分之基板部分20C係位於封環14中。
根據本發明之實施例，藉由在蝕刻各基板時，留下基板條(例如基板部分20C)不進行蝕刻，基板條可互連各影像感測晶粒中之基板部分以成一整合單元。當感測晶粒中之基板部分有應力及/或受到應力時，基板條可推或拉鄰近的基板部分以至少減少或實質上消除因部分移除基板所產生之不利應力。基板條的形成不需額外的製程成本，因其係在基板蝕刻 步驟時同時形成。在切割晶圓後，可在產生的晶片中觀察到基板條的剩餘部分。
在一些實施例中，一晶粒包括：多個第一邊緣；以及一半導體基板在前述晶粒中。前述半導體基板包括一第一部分，包括多個第二邊緣，其未對準相對應之前述多個第一邊緣。前述半導體基板更包括一第二部分，其係自前述多個第二邊緣之一延伸至前述晶粒之前述多個第一邊緣之一。前述第二部分包括一第一端連接至前述多個第二邊緣之一，以及一第二端，其具有一邊緣對準於前述晶粒之前述多個第一邊緣之一。
在一些其他實施例中，一背照式影像感測晶片包括：多個第一邊緣；一具有多個邊緣的封環，前述多個邊緣鄰近並平行於前述多個第一邊緣之其一。一半導體基板位於前述背照式感測晶片中。前述半導體基板包括一主體部分位於前述封環之中，其中前述主體部分包括多個第二邊緣，前述多個邊緣鄰近並平行於前述多個第一邊緣之其一。前述半導體基板更包括多個長條，且前述多個長條連接前述多個第二邊緣之其一。所有前述多個長條自前述封環內延伸至前述封環外。
在另一些實施例中，一種方法包括：形成多個積體電路裝置於一晶圓之多個晶片中；以及蝕刻前述晶圓之一半導體基板成多個部分。前述半導體基板之多個部分包括：多個主體部分，各位於前述多個晶片中；以及多個長條部分，各互連位於鄰近的兩個晶片中之前述多個主體區域之其二。
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。舉例來說，任何所屬技術領域中具有通常知識者可輕易理解此處所述的許多特徵、功能、製程及材料可在本發明的範圍內作更動。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。
10‧‧‧晶片
12‧‧‧切割線
14‧‧‧封環
16‧‧‧切割線內特徵
20A、20B、20C‧‧‧基板部分
21‧‧‧邊緣
54‧‧‧接合墊
52‧‧‧溝槽
L1‧‧‧長度
W1‧‧‧寬度
100‧‧‧晶圓

Claims (10)

  1. 一種半導體裝置，包括：一晶粒，包括：多個第一邊緣；以及一半導體基板在該晶粒中，其中該半導體基板包括：一第一部分，包括多個第二邊緣，其未對準相對應之該多個第一邊緣；以及一第二部分，自該多個第二邊緣之一延伸至該晶粒之該多個第一邊緣之一，其中該第二部分包括一第一端連接至該多個第二邊緣之一，以及一第二端，其具有一邊緣對準於該晶粒之該多個第一邊緣之一。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之半導體裝置，其中該半導體基板包括多個部分，自該第一部分之該多個第二邊緣之同一邊緣延伸至該晶粒之該多個第一邊緣之同一邊緣，以及其中該半導體基板之該多個部分具有彼此平行之縱向，並垂直於該晶粒之該多個第一邊緣之同一邊緣。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之半導體裝置，其中該晶粒更包括一封環鄰近於該晶粒之該多個邊緣，其中該第二部分自該封環內橫跨過該封環延伸至該封環外，其中該半導體基板更包括一第三部分位於該封環外，以及其中該第三部分與該晶粒之該第一部分以及該第二部分係斷開的。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之半導體裝置，更包括一接合墊，其位在俯視角度下之該晶粒的該多個第一邊緣之第一與該裝置之該多個第二邊緣之第二之間，其中該多個第一 邊緣之第一與該多個第二邊緣之第二彼此平行。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之半導體裝置，更包括：多個影像感測器位於該晶粒中；以及多個彩色濾鏡以及多個微透鏡對準於該多個影像感測器。
  6. 一種半導體裝置的製造方法，包括：形成多個積體電路裝置於一晶圓之多個晶片中；以及蝕刻該晶圓之一半導體基板成多個部分，其中該半導體基板之多個部分包括：多個主體部分，各位於該多個晶片中；以及多個長條部分，各互連位於鄰近的兩個晶片中之該多個主體區域之其二。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之半導體裝置的製造方法，其中在該蝕刻步驟後，該晶圓中之該半導體基板之該多個主體部分皆透過該多個長條部分互連。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之半導體裝置的製造方法，其中形成該多個積體電路裝置之步驟包括形成一影像感測陣列，以及其中該方法更包括：形成一接合墊於該半導體基板之一溝槽中，其中該溝槽係藉由該半導體基板之該蝕刻步驟所形成；形成多個彩色濾鏡以及多個微透鏡，使其對準於該影像感測陣列；以及透過在該晶圓中之多個切割線鋸開該晶圓，以使該多個晶片彼此分開，其中該多個長條部分皆被鋸開。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之半導體裝置的製造方法，其中 該多個長條部分包括兩個長條部分互連該多個主體部分中之同一主體部分之同一邊緣，以及其中該兩個長條部分係彼此斷開的。
  10. 如申請專利範圍第6項所述之半導體裝置的製造方法，其中該多個主體部分以及該多個長條部分係於同一蝕刻步驟中同時形成。
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