TWI629774B - 製作影像感測器及半導體裝置之方法 - Google Patents
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Abstract
一種影像感測器製作方法包含提供一半導體材料、一絕緣層及一邏輯層，其中該半導體材料包含複數個光電二極體。形成自該半導體材料穿過該絕緣層且延伸至該邏輯層中之一貫穿半導體通孔。以一覆蓋層覆蓋該貫穿半導體通孔。在該半導體材料中之一第一溝渠中安置一金屬墊。在該覆蓋層上及該半導體材料中之該第一溝渠中沈積絕緣材料。在該絕緣材料中之一第二溝渠中沈積一抗蝕劑，且該絕緣材料中之該第二溝渠與該金屬墊對準。移除該絕緣材料以曝露該覆蓋層，且亦移除該覆蓋層接近於該複數個光電二極體安置之一部分。接近於該複數個光電二極體形成一金屬柵格。
Description
本發明大體而言係關於影像感測器，且特定而言但非排他地，係關於影像感測器製作方法。
影像感測器已變得無所不在。其廣泛地用於數位靜態相機、蜂巢式電話、安全攝像機以及醫學、汽車及其他應用中。用於製造影像感測器之技術持續快速地進步。舉例而言，對較高解析度及較低功率消耗之需求已促進了此等裝置之進一步小型化及整合。
CMOS影像感測器有時被視為大量製造中之最初三維半導體裝置。隨著背側照明式影像感測器之出現，晶片堆疊被整合至製作過程中，背側照明式影像感測器涉及使電路、透鏡及光電二極體之結構次序與傳統前側照明式裝置相反。諸多背側照明式裝置需要將光敏晶片(即，具有光電二極體之晶片)附接至一邏輯晶圓。此可藉由以下操作來實現：翻轉光敏晶片、薄化晶片之背側及使用一直接氧化物接合來將晶片之前側接合至一讀出層。貫穿矽通孔通常用作圍繞背側照明式裝置之周界之互連件。
然而，隨著裝置架構之複雜性增加，製作時間及成本亦增加。額外程序步驟可提高生產費用且降低利潤率。
100‧‧‧實例性影像感測器/影像感測器
103‧‧‧像素區域
105‧‧‧周邊區域
107‧‧‧墊區域
109‧‧‧貫穿半導體通孔區域
111‧‧‧邏輯層
131‧‧‧絕緣層
133‧‧‧貫穿半導體通孔
135‧‧‧互連件
137‧‧‧金屬通孔
151‧‧‧半導體材料
153‧‧‧金屬墊
155‧‧‧深溝渠隔離件
161‧‧‧絕緣材料
163‧‧‧金屬柵格
165‧‧‧金屬屏蔽物
167‧‧‧覆蓋層
171‧‧‧抗蝕劑
173‧‧‧埋入式彩色濾光器陣列
191‧‧‧介電接合層
參考以下各圖闡述本發明之非限制性及非窮盡性實例，其中除非另有規定，否則貫穿各個視圖相似元件符號係指相似零件。
圖1A至圖1E圖解說明根據本發明之教示之一實例性影像感測器製作方法。
圖2係圖解說明根據本發明之教示之一實例性影像感測器製作方法之一流程圖。
貫穿圖式之數個視圖，對應參考字符指示對應組件。熟習此項技術者將瞭解，圖中之元件係為簡單及清晰起見而圖解說明的，且未必按比例繪製。舉例而言，為幫助改良對本發明之各種實施例之理解，圖中某些元件中之尺寸可相對於其他元件被放大。而且，通常不繪示一商業上可行之實施例中有用或必需之常見但眾所周知之元件以便促進對本發明之此等各種實施例之一較不受阻礙觀看。
本文中闡述用於用作一蝕刻停止層之一貫穿半導體通孔覆蓋層之一設備及方法之實例。在以下說明中，陳述眾多特定細節以便提供對諸實例之一透徹理解。然而，熟習相關技術者將認識到，本文中所闡述之技術可在無特定細節中之一或多者之情況下或以其他方法、組件、材料等來實踐。在其他例項中，未詳細展示或闡述眾所周知之結構、材料或操作以避免使特定態樣模糊。
在本說明書通篇提及「一項實例」或「一項實施例」意指結合實例闡述之一特定特徵、結構或特性包含在本發明之至少一項實例中。因此，
在本說明書通篇各處中出現之片語「在一項實例中」或「在一項實施例中」未必皆指同一實例。此外，在一或多項實例中可以任何適合方式組合該等特定特徵、結構或特性。
在本說明書通篇，使用數個技術術語。此等術語將呈現其在所屬技術中之普通含義，除非本文中另外具體定義或其用法之內容脈絡另外清晰地暗示。應注意，在本文件中，元件名稱及符號可互換地使用(例如，Si與矽)；然而，兩者具有相同含義。
圖1A至1E圖解說明在各個製作階段期間之一實例性影像感測器100。應注意，製作圖1A至1E中所圖解說明之影像感測器100之方法僅闡述該影像感測器製作程序之一部分。已省略數個步驟以便避免使特定態樣模糊。圖1A至1E中之某些圖或全部圖圖解說明之影像感測器100之各個製作階段之次序不應視為限制性的。而是，受益於本發明之熟習此項技術者將理解，圖1A至1E中所展示之影像感測器100之所圖解說明製作階段可以未圖解說明之各種次序進行或甚至並行地進行。
圖1A繪示提供影像感測器100之半導體材料151、絕緣層131及邏輯層111。絕緣層131安置於半導體材料151與邏輯層111之間。半導體材料151包含複數個光電二極體(其等位於像素區域103中且由深溝渠隔離件155個別地分離)及貫穿半導體通孔(TSV)133，該TSV自半導體材料151穿過絕緣層131而延伸至邏輯層111中。在所繪示實施例中，介電接合層191安置於絕緣層131與邏輯層111之間。TSV 133延伸穿過介電接合層191以到達邏輯層111。
在所繪示之實例中，金屬墊153已經形成且安置於半導體材料151中之一第一溝渠中。金屬墊153安置於墊區域107中。絕緣層131包含複數個
互連件135且金屬墊153延伸穿過半導體材料151且接觸複數個互連件135。此外，貫穿半導體通孔133橫向延伸至絕緣層131中且電耦合至複數個互連件135。複數個互連件135中之個別互連件彼此連接(藉由金屬通孔137)且連接至延伸至絕緣層131中之貫穿半導體通孔133之部分。在一項實例中，貫穿半導體通孔133之一部分自TSV區域109延伸穿過墊區域107且延伸至周邊區域105中。
在一或多項實例中，形成金屬墊153包含：(1)穿過覆蓋層167且向半導體材料151中蝕刻一第一溝渠；(2)在該第一溝渠之壁上形成絕緣材料161；及(3)在該第一溝渠中沈積金屬墊153。在此實例中，在第一溝渠之壁上形成絕緣材料161可涉及以絕緣材料161填充第一溝渠並在絕緣材料161中蝕刻至少一個孔。然後可在該至少一個孔中沈積金屬墊153。在一項實例中，絕緣材料161可包含氧化矽或任何其他適合氧化物。
在一或多項實例中，金屬墊153可包含鋁且複數個互連件135可包含銅。然而，在其他實例中，金屬墊153及複數個互連件135可包含任何適合導體，諸如鋁、銅、鈦、銀、金、錫、矽、鍺等等。
在所繪示之實例中，覆蓋層167已形成於貫穿半導體通孔133上，且覆蓋層167接近於半導體材料151安置。應注意，覆蓋層167之橫向界限延伸跨越貫穿半導體通孔133之橫向界限及複數個光電二極體(即，深溝渠隔離件155之間的區)之橫向界限。在一或多項實例中，覆蓋層167可包含SiN或任何其他適合介電質且可有助於在後續高溫處理步驟期間防止貫穿半導體通孔133中之金屬自TSV區域109擴散出去。
圖1B繪示在覆蓋層167上且在半導體材料151中之第一溝渠中沈積絕緣材料161。金屬墊153由絕緣材料161覆蓋。值得注意的是，一第二溝渠
形成於絕緣材料161中且該第二溝渠安置於金屬墊153上面。該第二溝渠可係將絕緣材料161沈積於第一溝渠中從而在絕緣材料161中產生一後續第二溝渠之結果。
在一項實例中，在覆蓋層167上沈積絕緣材料161包含沈積一種氧化物(諸如氧化矽等等)，且該氧化物之厚度大於30KÅ(更具體而言厚度係40KÅ)。
圖1C展示在絕緣材料161中之第二溝渠中沈積一抗蝕劑171。在一或多項實例中，抗蝕劑171可包含一聚合物或小分子光阻劑，或者可包含一選擇性蝕刻氧化物材料。
圖1D展示移除絕緣材料161以曝露覆蓋層167。值得注意的是，抗蝕劑171仍存在於裝置之表面上且安置於金屬墊153上面。此乃因在所繪示之實例中，使用一選擇性蝕刻來移除絕緣材料161在裝置之表面上之塊體。在一項實例中，可經由一蝕刻後溶劑洗滌來移除抗蝕劑171。
在一項實例中，拋光掉40KÅ之氧化物材料頗具挑戰性，此乃因當完成拋光時裝置之表面粗糙度可超過>1000Å RMS。此大表面粗糙度可以若干種方式使影像品質降級(包含但不限於提供一不均勻表面來構建裝置架構之其他層，諸如彩色濾光器層及微透鏡)。因此，本文所揭示之程序允許使用一蝕刻劑來移除絕緣材料161以便保持低表面粗糙度且不使最終影像感測器品質降級。
圖1E展示移除覆蓋層167的接近於複數個光電二極體安置之一部分，且接近於複數個光電二極體形成金屬柵格163，使得金屬柵格163與複數個光電二極體光學對準。埋入式彩色濾光器陣列173可經形成使得埋入式彩色濾光器陣列173中之個別彩色濾光器由金屬柵格163分離。在一項實
例中，金屬柵格163可防止複數個光電二極體之間的光學串擾。在另一或同一實例中，金屬柵格163可包含鈦，且深溝渠隔離件155可包含鎢。
圖2係圖解說明一實例性影像感測器製作方法200之一流程圖。應注意，圖2中之流程圖僅闡述影像感測器製作程序之一部分。已省略數個步驟以便避免使特定態樣模糊。此外，程序方塊201至215中之某些或全部程序方塊在方法200中出現之次序不應視為限制性的。而是，受益於本發明之熟習此項技術者將理解，方法200中之某些可以未圖解說明之各種次序或甚至並行地被執行。
程序方塊201繪示提供一半導體材料(例如，半導體材料151)、一絕緣層(例如，絕緣層131)及一邏輯層(例如，邏輯層111)。在一項實例中，絕緣層安置於半導體材料與邏輯層之間。在一項實例中，邏輯層可包含控制電路及讀出電路。控制電路可耦合至半導體材料中之複數個光電二極體且控制影像獲取。讀出電路可耦合至複數個光電二極體以讀出複數個光電二極體中產生之影像電荷。邏輯層亦可包含控制影像感測器及/或操縱自影像感測器提取之影像數據之其他硬體/軟體。
程序方塊203圖解說明形成一貫穿半導體通孔(例如，貫穿半導體通孔133)。在一或多項實例中，若半導體材料係一矽晶圓/層，則貫穿半導體通孔可係一貫穿矽通孔。可藉由蝕刻自半導體材料延伸穿過絕緣層且延伸至邏輯層中之一孔而達成形成穿半導體通孔。然後，可以絕緣材料(例如氧化物)及導電材料(諸如金屬，如銅)來回填通孔。絕緣材料可安置於該孔之壁上以隔絕裝置架構之其他組件與貫穿半導體通孔之導電部分。
程序方塊205展示在貫穿半導體通孔及複數個光電二極體上形成一覆蓋層。在一項實例中，覆蓋層包含氮化矽但可包含任何其他適合氧化物或
氮化物材料。在一項實例中，覆蓋層安置於貫穿半導體通孔在將導電材料沈積於貫穿半導體通孔中之後被曝露之部分上。此可用以防止貫穿半導體通孔中所使用之銅或其他金屬之外擴散。
作為在貫穿半導體通孔上形成覆蓋層之一附帶結果(byproduct)，裝置之像素區域也由覆蓋層覆蓋。在本實例中，此係所期望的，此乃因覆蓋層兼作一後續程序方塊中之一選擇性蝕刻停止層且防止損壞複數個光電二極體。
在程序方塊207中，在半導體材料中形成一金屬墊。金屬墊可經安置使得其接觸絕緣層中之金屬互連件。在一項實例中，金屬墊係鋁。為形成金屬墊，必須蝕刻半導體材料以形成自半導體材料之表面延伸至絕緣層中之一孔。在一或多項實例中，以一絕緣材料給該孔在半導體材料中之部分加襯以便防止金屬墊與半導體材料之間的非所要電通信。可藉由以一絕緣材料回填該孔且在絕緣材料中蝕刻一或多個較小孔以接觸絕緣層中之電互連件而達成給半導體材料中之孔加襯。
程序方塊209繪示在金屬墊上沈積絕緣材料。在一項實例中，此可防止金屬墊在後續半導體程序步驟期間被損壞。在另一或同一實例中，在金屬墊上沈積絕緣材料可包含沈積氧化物(例如氧化矽等等)。
值得注意的是，當在金屬墊上沈積絕緣材料時，絕緣材料亦在半導體材料/覆蓋層之表面上堆積。此可在金屬墊上面於絕緣材料中產生一凹坑(divot)(或第二溝渠)。
在程序方塊211中，在金屬墊上面之第二溝渠中沈積一抗蝕劑。此允許對絕緣材料之一後續蝕刻而不損壞金屬墊。
程序方塊213繪示移除絕緣材料且移除覆蓋層安置於複數個光電二極
體上方之部分。覆蓋層安置於貫穿半導體通孔上方之部分將保留，此乃因如先前所陳述，此防止金屬外擴散(其可污染裝置之其他部分)。
可經由化學蝕刻達成自半導體材料之表面移除絕緣材料，此乃因覆蓋層將在化學蝕刻劑到達半導體材料之前阻礙該蝕刻劑之前進。可經由化學機械拋光(CMP)等等來移除殘餘絕緣材料及覆蓋層。此外，可以習用手段(諸如溶劑洗滌或化學蝕刻，取決於所採用之抗蝕劑之類型)來移除抗蝕劑。
程序方塊215圖解說明在複數個光電二極體上面形成金屬柵格。藉由選擇性地圖案化並沈積一金屬而實現形成金屬柵格。圖案化可涉及使用一光阻劑等等來形成一預定義圖案。在一項實例中，一埋入式彩色濾光器層沈積於金屬柵格之間，使得金屬柵格防止複數個光電二極體中之個別光電二極體之間的光學串擾。在一項實例中，一金屬屏蔽物(亦即，金屬屏蔽物165)亦製作於半導體材料之周邊區域中。金屬屏蔽物可係形成金屬柵格之一附帶結果，且可經安置以防止光到達光敏裝置架構之層/元件。
在一項實例中，方法200可構成在形成包含於一數位相機、行動電話、膝上型電腦等等中之一高效能影像感測器中之數個關鍵步驟。在無方法200之情況下，影像感測器之生產成本可顯著提高。
對本發明之所圖解說明實例之以上說明(包含發明摘要中所闡述內容)不意欲係窮盡性的或將本發明限制於所揭示之精確形式。儘管本文中出於說明性目的而闡述了本發明之特定實例，但如熟習此項技術者將認識到，可在本發明之範疇內做出各種修改。
可鑒於以上詳細說明對本發明做出此等修改。以下申請專利範圍中所使用之術語不應理解為將本發明限制於本說明書中所揭示之特定實例。
而是，本發明之範疇將完全由以下申請專利範圍來判定，該申請專利範圍將根據請求項解釋之既定原則來加以理解。
Claims (20)
- 一種影像感測器製作方法，其包括： 提供一半導體材料、一絕緣層及一邏輯層，其中該絕緣層安置於該半導體材料與該邏輯層之間，其中該半導體材料包含複數個光電二極體，且其中一貫穿半導體通孔自該半導體材料穿過該絕緣層且延伸至該邏輯層中； 以一覆蓋層覆蓋該貫穿半導體通孔，其中該覆蓋層接近於該半導體材料安置，且其中該覆蓋層之橫向界限延伸跨越該貫穿半導體通孔之橫向界限及該複數個光電二極體之橫向界限； 形成安置於該半導體材料中之一第一溝渠中之一金屬墊； 在該覆蓋層上及該半導體材料中之該第一溝渠中沈積絕緣材料，其中該金屬墊由該絕緣材料覆蓋； 在該絕緣材料中之一第二溝渠中沈積一抗蝕劑，其中該絕緣材料中之該第二溝渠與該金屬墊對準； 移除該絕緣材料以曝露該覆蓋層； 移除該覆蓋層接近於該複數個光電二極體安置之一部分；及 接近於該複數個光電二極體形成一金屬柵格。
- 如請求項1之方法，其中該絕緣層包含複數個互連件，且其中該金屬墊延伸穿過該半導體材料並接觸該複數個互連件。
- 如請求項2之方法，其中該貫穿半導體通孔延伸至該絕緣層中且電耦合至該複數個互連件，且其中該複數個互連件中之個別互連件彼此連接且連接至該貫穿半導體通孔。
- 如請求項2之方法，其中該金屬墊包含鋁且該複數個互連件包含銅。
- 如請求項1之方法，其中該複數個光電二極體中之個別光電二極體由深溝渠隔離件分離，且其中該金屬柵格與該複數個光電二極體光學對準。
- 如請求項5之方法，其進一步包括形成一埋入式彩色濾光器陣列，其中該埋入式彩色濾光器陣列中之個別彩色濾光器由該金屬柵格分離，且其中該金屬柵格防止該複數個光電二極體之間的光學串擾。
- 如請求項5之方法，其中該深溝渠隔離件包含鎢，且其中該金屬柵格包含鈦。
- 如請求項1之方法，其中該絕緣材料包含氧化矽且該覆蓋層包含氮化矽。
- 如請求項1之方法，其中形成該金屬墊包含： 蝕刻該第一溝渠穿過該覆蓋層且進入該半導體材料中； 在該第一溝渠之各壁上形成該絕緣材料；及 在該第一溝渠中沈積該金屬墊。
- 如請求項1之方法，其中在該覆蓋層上沈積該絕緣材料包含沈積一氧化物，且其中該氧化物之厚度大於30 KÅ。
- 如請求項1之方法，其中該覆蓋層包含氮化矽。
- 一種半導體裝置製作方法，其包括： 形成包含一半導體材料、一絕緣層及一邏輯層之至少三個裝置層，其中該絕緣層安置於該半導體材料與該邏輯層之間，且其中該半導體材料包含複數個光電二極體； 形成自該半導體材料延伸至該邏輯層之一貫穿半導體通孔； 在該貫穿半導體通孔上形成一覆蓋層，其中該覆蓋層之橫向界限延伸跨越該貫穿半導體通孔及該複數個光電二極體； 形成安置於該半導體材料中之一第一溝渠中之一金屬墊； 在該覆蓋層上及該半導體材料中之該第一溝渠中沈積絕緣材料； 在該絕緣材料中之一第二溝渠中沈積一抗蝕劑，其中該絕緣材料中之該第二溝渠與該金屬墊對準； 移除該絕緣材料且移除該覆蓋層接近於該複數個光電二極體安置之一部分；及 在該複數個光電二極體上方形成一金屬柵格。
- 如請求項12之方法，其中該絕緣層包含複數個互連件，其中該金屬墊延伸穿過該半導體材料且接觸該複數個互連件，且其中該複數個互連件耦合至該貫穿半導體通孔。
- 如請求項13之方法，其中該貫穿半導體通孔延伸至該絕緣層中且電耦合至該複數個互連件，且其中該複數個互連件中之個別互連件彼此連接且連接至該貫穿半導體通孔。
- 如請求項13之方法，其中該複數個互連件包含銅。
- 如請求項12之方法，其中該複數個光電二極體中之個別光電二極體由深溝渠隔離件分離，且其中該金屬柵格與該複數個光電二極體光學對準。
- 如請求項12之方法，其中形成該金屬墊包含： 蝕刻該第一溝渠穿過該覆蓋層且進入該半導體材料中； 在該第一溝渠之各壁上形成該絕緣材料；及 在該第一溝渠中沈積該金屬墊。
- 如請求項17之方法，其中在該第一溝渠之各壁上形成該絕緣材料包含： 以該絕緣材料填充該半導體材料中之該第一溝渠；及 在該絕緣材料中蝕刻至少一個孔； 及在該至少一個孔中沈積該金屬墊，其中該金屬墊包含鋁。
- 如請求項12之方法，其中在該覆蓋層上沈積該絕緣材料包含沈積一氧化物，且其中該氧化物之厚度大於30 KÅ。
- 如請求項12之方法，其中移除該絕緣材料包含蝕刻該絕緣材料直至曝露該覆蓋層為止，且使用化學機械拋光來移除殘餘絕緣材料。
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