TWI677995B - 半導體影像感測器及其形成方法 - Google Patents

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施俊吉
Jhy-Jyi Sze
黃益民
Yimin Huang
楊敦年
Dun-Nian Yaung
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台灣積體電路製造股份有限公司
Taiwan Semiconductor Manufacturing Company Ltd.
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Abstract

根據本發明的一些實施例，一種半導體影像感測器包含：一第一基板，其包含一第一前側及一第一後側；一第一互連結構，其放置於第一基板之第一前側上方；一第二基板，其包含一第二前側及一第二後側；一第二互連結構，其放置於第二基板之第二前側上方；一第三基板，其包含一第三前側及一第三後側；及一第三互連結構，其放置於第三基板之第三前側上方。第一基板包含複數個第一感測裝置，且第二基板包含複數個第二感測裝置。第二基板之第二後側面向第一基板之第一前側，且第二基板之第二前側面向第三基板之第三前側。

Description

半導體影像感測器及其形成方法
本發明實施例係有關半導體影像感測器及其形成方法。
數位相機及其他成像裝置採用影像感測器。影像感測器將光學影像轉換為可表示為數位影像之數位資料。一影像感測器包含像素感測器之一陣列及支援邏輯電路。該陣列中之像素感測器係用於量測入射光之單元裝置，且支援邏輯電路促進對量測之讀出。通常用於光學成像裝置中之一種類型之影像感測器係一後側照明(BSI)影像感測器。可將BSI影像感測器製作整合至習用半導體製程中以達成低成本、較小大小及高度整合。此外，BSI影像感測器具有低操作電壓、低電力消耗、高量子效率、低讀出雜訊且允許隨機存取。
本發明的一實施例係關於一種半導體影像感測器，其包括：一第一光感測層，其包括複數個第一感測裝置；一第二光感測層，其包括複數個第二感測裝置；一第一互連結構，其夾置於該第一光感測層與該第二光感測層之間；一第二互連結構；一第一邏輯裝置，其介於該第一光感測層與該第一互連結構之間；及一第二邏輯裝置，其介於該第二光感測層與該第 二互連結構之間，其中該第二光感測層係介於該第一邏輯裝置與該第二邏輯裝置之間。
本發明的一實施例係關於一種半導體影像感測器，其包括：一第一基板，其包括一第一前側及與該第一前側相對之一第一後側，且該第一基板包括複數個第一感測裝置；一第一互連結構，其放置於該第一基板之該第一前側上方；一第二基板，其包括一第二前側及與該第二前側相對之一第二後側，且該第二基板包括複數個第二感測裝置；一第二互連結構，其放置於該第二基板之該第二前側上方；一第三基板，其包括一第三前側及與該第三前側相對之一第三後側；及一第三互連結構，其放置於該第三基板之該第三前側上方，其中該第二基板之該第二後側面向該第一基板之該第一前側，且該第二基板之該第二前側面向該第三基板之該第三前側。
本發明的一實施例係關於一種用於形成一半導體影像感測器之方法，其包括：提供一第一基板，該第一基板包括一第一前側及與該第一前側相對之一第一後側，該第一基板包括複數個第一感測裝置；將該第一基板接合至一第二基板，該第二基板包括一第二前側及與該第二前側相對之一第二後側，其中該第一前側面向該第二前側；將一絕緣結構放置於該第一基板之該第一後側上方，其中該絕緣結構包括複數個介電質光柵圖案；及將該第一基板接合至一第三基板，該第三基板包括一第三前側及與該第三前側相對之一第三後側，其中該第一後側面向該第三前側，該第三基板包括複數個第二感測裝置。
100‧‧‧半導體影像感測器/半導體結構
110‧‧‧光感測層
112‧‧‧複數個感測裝置/感測裝置
113‧‧‧邏輯裝置
114‧‧‧隔離結構
116‧‧‧鈍化層
120‧‧‧光感測層
122‧‧‧感測裝置
123‧‧‧邏輯裝置
124‧‧‧隔離結構
130‧‧‧連接層
132‧‧‧互連結構
134‧‧‧層間介電質層
136a‧‧‧介電質光柵圖案
136b‧‧‧介電質層
140‧‧‧連接層
142‧‧‧互連結構/第二互連結構
144‧‧‧層間介電質層
146‧‧‧導電反射體
150‧‧‧光學層
152‧‧‧彩色濾光器
154‧‧‧低n結構
160‧‧‧經接合結構
162‧‧‧經接合結構
164‧‧‧金屬至金屬接合界面
166‧‧‧金屬至介電質接合界面
170‧‧‧導體
200‧‧‧半導體影像感測器/半導體影像感測器結構/雙層級半導體影像感測器
210‧‧‧基板/第三基板
210B‧‧‧後側/第三後側
210F‧‧‧前側/第三前側
212‧‧‧感測裝置/第一感測裝置/層級1感測裝置
213‧‧‧邏輯裝置/第二邏輯裝置
214‧‧‧隔離結構
216‧‧‧鈍化層/絕緣層
220‧‧‧基板/第一基板
220B‧‧‧後側/第一後側
220F‧‧‧前側/第一前側
222‧‧‧感測裝置/第二感測裝置/層級2感測裝置
223‧‧‧邏輯裝置/第一邏輯裝置
224‧‧‧隔離結構
228‧‧‧第三接墊
232‧‧‧互連結構/第三互連結構
234‧‧‧層間介電質層/第三層間介電質層
236‧‧‧絕緣結構
236a‧‧‧介電質光柵圖案
236b‧‧‧介電質層
238‧‧‧第四接墊
242‧‧‧互連結構/第一互連結構
244‧‧‧層間介電質層/第一層間介電質層
246‧‧‧導電反射體
248‧‧‧第一接墊
252‧‧‧彩色濾光器
254‧‧‧低n結構
260‧‧‧經接合結構/第二經接合結構
262‧‧‧經接合結構/第一經接合結構
270‧‧‧導體
280‧‧‧基板/第二基板
280B‧‧‧後側/第二後側
280F‧‧‧前側/第二前側
288‧‧‧第二接墊
292‧‧‧互連結構/第二互連結構
294‧‧‧層間介電質層/第二層間介電質層
D‧‧‧大小
P‧‧‧間距
T‧‧‧厚度
當藉助附圖閱讀時，自以下詳細說明最佳地理解本揭露之態樣。應注意，根據工業中之標準實踐，各種構件未按比例繪製。實際上，為論述 清晰起見，可任意地增加或減小各種構件之尺寸。
圖1係圖解說明根據本揭露之方面之一半導體影像感測器之一示意圖。
圖2係根據本揭露之方面之一半導體影像感測器之一部分的一部分放大視圖。
圖3係圖解說明根據本揭露之方面之一半導體影像感測器之一示意圖。
圖4展示表示根據本揭露之方面之用於形成一半導體影像感測器之方法的一流程圖。
圖5A至圖12係根據一或多項實施例中之本揭露之方面而構造之處於各種製作階段處之一半導體影像感測器的一系列剖面圖。
以下揭露提供用於實施所提供標之物之不同構件之諸多不同實施例或實例。下文闡述組件及配置之特定實例以簡化本揭露。當然，此等僅係實例且並非意欲係限制性的。舉例而言，在說明中一第一構件在一第二構件上方或該第二構件上形成可包含其中第一構件與第二構件直接接觸地形成之實施例且亦可包含其中額外構件可形成於第一構件與第二構件之間使得第一構件與第二構件可不直接接觸之實施例。另外，本揭露可在各種實例中重複參考編號及/或字母。此重複係出於簡單及清晰目的且並非本質上指示所論述之各種實施例及/或組態之間的一關係。
此外，可在本文中為易於說明而使用空間相對術語(諸如「下方」、「下面」、「下部」、「上面」、「上部」、「上」及諸如此類)來闡述一個元件或構件與另一元件或構件之關係，如各圖中所圖解說明。該等空 間相對術語意欲囊括在使用或操作中之裝置之除各圖中所繪示定向之外的不同定向。設備可以其他方式定向(旋轉90度或以其他定向)且可因此同樣地理解本文中所使用之空間相對描述語。
如本文中所使用，諸如「第一」、「第二」及「第三」之術語闡述各種元件、組件、區域、層及/或區段，此等元件、組件、區域、層及/或區段不應由此等術語限制。此等術語可僅用於將一個元件、組件、區域、層或區段與另一元件、組件、區域、層或區段區分開。諸如「第一」、「第二」及「第三」之術語當在本文中使用時並不暗指一序列或次序，除非內容脈絡明確指示。
如本文中所使用，術語「大約」、「實質上」、「實質」及「約」用於闡述並計及小的變化。當連同一事件或情況一起使用時，該等術語可係指其中該事件或情況精確地發生之例項以及其中該事件或情況接近近似地發生之例項。舉例而言，當連同一數值一起使用時，該等術語可係指小於或等於彼數值之±10%(諸如小於或等於±5%、小於或等於±4%、小於或等於±3%、小於或等於±2%、小於或等於±1%、小於或等於±0.5%、小於或等於±0.1%或者小於或等於±0.05%)之一變化範圍。舉例而言，若兩個數值之間的一差小於或等於該等值之一平均值之±10%(諸如小於或等於±5%、小於或等於±4%、小於或等於±3%、小於或等於±2%、小於或等於±1%、小於或等於±0.5%、小於或等於±0.1%或者小於或等於±0.05%)，則該等數值可被視為「實質上」相同或相等的。舉例而言，「實質上」平行可係指相對於0°小於或等於±10°(諸如小於或等於±5°、小於或等於±4°、小於或等於±3°、小於或等於±2°、小於或等於±1°、小於或等於±0.5°、小於或等於±0.1°或者小於或等於±0.05°)之一角度變化範圍。 舉例而言，「實質上」垂直可係指相對於90°小於或等於±10°(諸如小於或等於±5°、小於或等於±4°、小於或等於±3°、小於或等於±2°、小於或等於±1°、小於或等於±0.5°、小於或等於±0.1°或者小於或等於±0.05°)之一角度變化範圍。
半導體影像感測器包含像素感測器之一陣列。通常，像素感測器經組態以接收電磁輻射且將該電磁輻射轉換成電荷。對於大部分而言，在處於可見、近紅外線(NIR)及短波紅外線(SWIR)光譜中之一室外或室內場景中所感測之電磁輻射由反射產生。在某些實施例中，因此針對不同光譜提供不同像素感測器。舉例而言，提供影像感測裝置以接收可見光且擷取一物件之一影像，而提供深度感測裝置以接收IR及/或NIR以判定一影像感測器與物件之間的一距離。在某些實施例中，構造包含用以判定距物件之距離且擷取物件之影像之不同感測裝置之一複合像素。然而，仍需要針對可見及NIR電磁輻射兩者獲得相同解析度。此外，既需要防止因長波長可見光所致的受污染IR或NIR訊號亦需要IR或NIR背景消除能力以防止可見成像中之色彩保真度損失。
本揭露因此提供一種半導體影像感測器，其包含整合式可見光感測裝置及IR/NIR感測裝置。在某些實施例中，半導體影像感測器之可見光感測裝置及IR/NIR感測裝置包含相同解析度。此外，在某些實施例中，當改良IR/NIR消除能力時，NIR訊號損失及可見光污染皆減小。本揭露進一步提供一種用於形成半導體影像感測器之方法，該方法能夠簡化後段製程(BEOL)佈線且改良可見光感測裝置與IR/NIR感測裝置之整合。
圖1係根據某些實施例中之本揭露之方面之一半導體影像感測器100的一剖面圖。在某些實施例中，半導體影像感測器100包含一光感測層 110，且光感測層110可為一塊體半導體基板，諸如一塊體矽(Si)基板或一絕緣體上矽(SOI)基板，但本揭露並不限於此。光感測層110可包含複數個感測裝置112，該複數個感測裝置配置成列及行且經組態以自入射於其上之光子累積電荷(例如，電子)。此外，至少一個邏輯裝置113(諸如一電晶體)可經組態以達成對感測裝置112之讀出。感測裝置112經放置以接收具有一預定波長之光。在某些實施例中，感測裝置112可經操作以感測入射光之可見光。半導體影像感測器100包含另一光感測層120，該另一光感測層包含複數個感測裝置122。在某些實施例中，感測裝置122不同於感測裝置112。如上文所提及，至少一個邏輯裝置123(諸如一電晶體)可經組態以達成對感測裝置122之讀出。感測裝置122經放置以接收具有一預定波長之光。在某些實施例中，感測裝置122可經操作以感測入射光之紅外線(IR)及/或近紅外線(NIR)。在某些實施例中，感測裝置112中之每一者與感測裝置122中之一者對準。此外，光感測層120係介於邏輯裝置113與邏輯裝置123之間，如圖1中所展示。
在某些實施例中，複數個隔離結構114(諸如深溝槽隔離(DTI)結構)放置於光感測層110中，且複數個隔離結構124(諸如DTI結構)放置於光感測層120中，如圖1中所展示。在某些實施例中，隔離結構114中之每一者及隔離結構124中之每一者可包含由一塗層(未展示)塗覆之一絕緣材料。塗層可包含一金屬，諸如鎢(W)、銅(Cu)或鋁銅(AlCu)或者具有小於Si之一折射率(n)之一低n材料。低n材料可包含氧化矽(SiO)或氧化鉿(HfO)，但本揭露並不限於此。在某些實施例中，絕緣材料可包含低n絕緣材料，但本揭露並不限於此。在某些實施例中，環繞感測裝置112並介於該等感測裝置之間的隔離結構114在相鄰感測裝置112之間提供光學隔離，藉此 用作一基板隔離柵格且減小串擾。類似地，環繞感測裝置122並介於該等感測裝置之間的隔離結構124在相鄰感測裝置122之間提供光學隔離，藉此用作一基板隔離柵格且減小串擾。
參考圖1，在某些實施例中，包含對應於感測裝置112之複數個彩色濾光器152之一光學層150放置於光感測層110上方。在某些實施例中，一鈍化層116可放置於光學層150與光感測層110之間，但本揭露並不限於此。在某些實施例中，光學層150進一步包含放置於彩色濾光器152之間的複數個低n結構154。低n結構154形成一柵格結構且彩色濾光器152位於柵格內。因此，低n結構154環繞每一彩色濾光器152，且將彩色濾光器152彼此分離，如圖1中所展示。低n結構154可為一複合結構，該複合結構包含具有小於彩色濾光器152之折射率之一折射率之若干層。在某些實施例中，低n結構154可包含一複合堆疊，該複合堆疊包含至少一金屬層及放置於該金屬層上方之一介電質層。在某些實施例中，金屬層可包含W、Cu或AlCu。介電質層包含具有小於彩色濾光器152之折射率之一折射率之一材料或具有小於Si之一折射率之一折射率之一材料，但本揭露並不限於此。由於低折射率，因此低n結構154用作用以將光引導或反射至彩色濾光器152之一光導。因此，低n結構154有效地增加入射至彩色濾光器152中之光之量。此外，由於低折射率，因此低n結構154在相鄰彩色濾光器152之間提供光學隔離。在某些實施例中，光學層150進一步包含放置於彩色濾光器152上方之複數個微透鏡(未展示)。微透鏡用於將入射光聚焦至對應感測裝置112上。應容易地理解，每一微透鏡之位置及面積與彩色濾光器152之位置及面積或感測裝置112之位置及面積對應。
在某些實施例中，彩色濾光器152分別允許一預定義光譜之傳入電磁 輻射通過。換言之，彩色濾光器152經指派至對應色彩或波長之光，且經組態以濾除除了所指派色彩或波長之光之外的全部光。舉例而言，彩色濾光器152指派在紅色光、綠色光與藍色光之間交替，使得彩色濾光器152包含紅色彩色濾光器、綠色彩色濾光器及藍色彩色濾光器。在某些實施例中，紅色彩色濾光器、綠色彩色濾光器及藍色彩色濾光器配置成一拜耳(Bayer)馬賽克圖案，但本揭露並不限於此。因此，在某些實施例中，包含微透鏡及彩色濾光器152之光學層150與光感測層110構造一RGB影像感測系統，且感測裝置112可分別係一紅色影像感測裝置、一綠色影像感測裝置及一藍色影像感測裝置，但本揭露並不限於此。
仍參考圖1，半導體結構100進一步包含一連接層130。在某些實施例中，連接層130包含夾置於光感測層110與光感測層120之間的一互連結構132。並且邏輯裝置113放置於光感測層110與互連結構132之間。在某些實施例中，互連結構132包含堆疊於一層間介電質(Inter-Layer Dielectric，ILD)層134中之複數個BEOL金屬化層。互連結構132之一或多個接點電連接至放置於光感測層110上方之邏輯裝置113。在某些實施例中，ILD層134可包含一低介電係數材料(亦即，具有小於3.9之一介電常數之一介電質材料)或一種氧化物，但本揭露並不限於此。互連結構132可包含一金屬，諸如Cu、W或Al，但本揭露並不限於此。
半導體影像感測器100進一步包含另一連接層140。在某些實施例中，連接層140包含一互連結構142。如圖1中所展示，光感測層120夾置於互連結構132與互連結構142之間。並且邏輯裝置123放置於光感測層120與互連結構142之間。在某些實施例中，互連結構142包含堆疊於一ILD層144中之複數個BEOL金屬化層。互連結構142之一或多個接點電連 接至放置於光感測層120上方之邏輯裝置123。在某些實施例中，ILD層144可包含一低介電係數材料或一種氧化物，但本揭露並不限於此。互連結構142可包含一金屬，諸如Cu、W或Al，但本揭露並不限於此。在某些實施例中，另一基板(未展示)可經組態以電連接至互連結構142，但本揭露並不限於此。在某些實施例中，半導體影像感測器100進一步包含放置於連接層140之ILD層144中之複數個導電反射體146。在某些實施例中，導電反射體146接近於光感測層120而放置於連接層140中，但本揭露並不限於此。在某些實施例中，導電反射體146中之每一者分別對應於感測裝置122中之一者，但本揭露並不限於此。在某些實施例中，導電反射體146可與互連結構142實體且電隔離。
在某些實施例中，半導體影像感測器100包含放置於整個互連結構132與光感測層120之間的至少一個經接合結構160。此外，半導體影像感測器100包含電連接至第二互連結構142之至少一個經接合結構162。因此，另一基板(未展示)可經組態以透過經接合結構162而電連接至互連結構142，但本揭露並不限於此。在某些實施例中，半導體影像感測器100進一步包含穿透連接層130及光感測層120之一部分之至少一個導體170。更重要地，導體170電連接經接合結構160與第二互連結構142，如圖1中所展示。因此，互連結構132可透過經接合結構160、導體170、互連結構142及經接合結構162而電連接至其他裝置。
參考圖2，其係半導體影像感測器100之一部分之一部分放大視圖。在某些實施例中，經接合結構160包含一混合接合結構。舉例而言但不限於，經接合結構160包含至少一金屬至金屬接合界面164及一金屬至介電質接合界面166。在某些實施例中，經接合結構160可包含一介電質至介 電質接合界面(未展示)。
在某些實施例中，半導體影像感測器100進一步包含夾置於互連結構132與光感測層120之間的複數個介電質光柵圖案136a。在某些實施例中，連接層130可進一步包含放置於ILD層134與光感測層120之間的一介電質層136b，且介電質光柵圖案136a嵌入於介電質層136b中。在某些實施例中，經接合結構160穿透介電質層136b及介電質光柵圖案136a之一部分，如圖2中所展示，但本揭露並不限於此。在某些實施例中，介電質光柵圖案136a可包含介電質材料，諸如SiO、碳化矽(SiC)、氮化矽(SiN)或氮氧化矽(SiON)，但本揭露並不限於此。在某些實施例中，介電質光柵圖案136a及介電質層136b可包含不同介電質材料，但本揭露並不限於此。介電質光柵圖案136a中之每一者可包含一厚度T，且在某些實施例中厚度T可介於約90奈米(nm)與約220nm之間，但本揭露並不限於此。在某些實施例中，介電質光柵圖案136a之一間距P可介於約0.55微米(μm)與約0.75μm之間，但本揭露並不限於此。在某些實施例中，一大小D對間距P之一工作比可介於約25%與約75%之間，但本揭露並不限於此。
在某些實施例中，半導體影像感測器100包含介電質光柵圖案136a，該等介電質光柵圖案經引入以將可見光往回反射至構造RGB影像感測系統之感測裝置112。因此，減小可見光污染。此外，IR及/或NIR由導電反射體146往回反射至感測裝置122。因此，改良IR及/或NIR波長中之量子效率(QE)。
圖3係根據某些實施例中之本揭露之方面之一半導體影像感測器200的一剖面圖。應注意，圖1至圖2及圖3中相同之元件可包含相同材料，且因此為簡潔起見而省略彼等細節。在某些實施例中，半導體影像感測器 200包含一基板210，該基板包含一前側210F及與前側210F相對之一後側210B。在某些實施例中，基板210可為一塊體半導體基板，諸如一塊體Si基板或一SOI基板，但本揭露並不限於此。此外，基板210包含放置於其中之複數個感測裝置212。在某些實施例中，感測裝置212可經操作以感測入射光之可見光。如上文所提及，至少一個邏輯裝置213(諸如一電晶體)可形成於基板210之前側210F上方且經組態以達成對複數個感測裝置212之讀出。
在某些實施例中，複數個隔離結構214(諸如DTI結構)放置於基板210中以在相鄰感測裝置212之間提供光學隔離，藉此用作一基板隔離柵格且減小串擾。在某些實施例中，一互連結構232放置於基板210之前側210F上方且電連接至邏輯裝置213。如上文所提及，互連結構232包含堆疊於一ILD層234中之複數個BEOL金屬化層。在某些實施例中，分別與複數個感測裝置212對準之複數個光學結構(諸如彩色濾光器252及微透鏡(未展示))在後側210B上放置於基板210上方。在某些實施例中，一鈍化層216可放置於彩色濾光器252與基板210之間，但本揭露並不限於此。在某些實施例中，複數個低n結構254放置於彩色濾光器252之間，且低n結構254用作用以將光引導或反射至彩色濾光器252之一光導。用於將入射光聚焦至對應感測裝置212上之微透鏡(未展示)放置於彩色濾光器252及低n結構254上方。如上文所提及，彩色濾光器252經指派至對應色彩或波長之光，使得彩色濾光器252包含紅色彩色濾光器、綠色彩色濾光器及藍色彩色濾光器。在某些實施例中，紅色彩色濾光器、綠色彩色濾光器及藍色彩色濾光器配置成一拜耳馬賽克圖案，但本揭露並不限於此。因此，在某些實施例中，微透鏡、彩色濾光器252及感測裝置212可為一RGB影像感 測系統。
半導體影像感測器200進一步包含一基板220，該基板包含一前側220F及與前側220F相對之一後側220B。如上文所提及，基板220可為一塊體半導體基板，諸如一塊體Si基板或一SOI基板，但本揭露並不限於此。此外，基板220包含放置於其中之複數個感測裝置222。複數個感測裝置222經放置以接收具有一預定波長之光。在某些實施例中，感測裝置222可經操作以感測入射光之IR及/或NIR。在某些實施例中，複數個感測裝置212中之每一者與複數個感測裝置222中之一者對準。在某些實施例中，複數個隔離結構224(諸如DTI結構)放置於基板220中以在相鄰感測裝置222之間提供光學隔離，藉此用作一基板隔離柵格且減小串擾。如上文所提及，至少一個邏輯裝置223(諸如一電晶體)可形成於基板220之前側220F上方且經組態以達成對複數個感測裝置222之讀出。
在某些實施例中，一互連結構242放置於基板220之前側220F上方且電連接至邏輯裝置223。如上文所提及，互連結構242包含堆疊於一ILD層244中之複數個BEOL金屬化層。在某些實施例中，複數個導電反射體246放置於ILD層244中。在某些實施例中，導電反射體246接近於感測裝置222而放置於互連結構242中，但本揭露並不限於此。在某些實施例中，導電反射體246中之每一者分別對應於感測裝置222中之一者，但本揭露並不限於此。在某些實施例中，導電反射體246可與互連結構242實體且電隔離。在某些實施例中，一絕緣結構236放置於基板220之後側220B上方。在某些實施例中，絕緣結構236包含嵌入於一介電質層236b中之複數個介電質光柵圖案236a。介電質光柵圖案236a及介電質層236b之材料可與上文所詳述之材料類似，因此為簡單起見而省略彼等細節。類似地，介 電質光柵圖案236a之厚度T、間距P及工作比可與上文所詳述之厚度T、間距P及工作比類似，因此為簡單起見而省略彼等細節。
半導體影像感測器200進一步包含一基板280，該基板包含一前側280F及與前側280F相對之一後側280B。如上文所提及，基板280可為一塊體半導體基板，諸如一塊體Si基板或一SOI基板，但本揭露並不限於此。在某些實施例中，基板280包含讀出電路、影像訊號處理(ISP)電路及/或特殊應用積體電路(ASIC)，但本揭露並不限於此。在某些實施例中，一互連結構292放置於基板280之前側280F上方且電連接至該等電路。如上文所提及，互連結構292包含堆疊於一ILD層294中之複數個BEOL金屬化層。
應注意，互連結構232、242及292放置於基板210、220及280之前側210F、220F及280F上方。更重要地，基板220之後側220B面向基板210之前側210F，且基板220之前側220F面向基板280之前側280F。此外，位於基板220之前側220F上方之互連結構242接合至位於基板280之前側280F上方之互連結構292，而位於基板210之前側210F上方之互連結構232接合至基板220之後側220B。在某些實施例中，半導體影像感測器200進一步包含放置於互連結構232與基板220之間的至少一個經接合結構260。經接合結構260幫助進行基板210與基板220之間的接合。在某些實施例中，經接合結構260放置於介電質光柵圖案236a與互連結構232之間，但本揭露並不限於此。在某些實施例中，經接合結構260穿透介電質層236b及介電質光柵圖案236a之一部分，如圖3中所展示，但本揭露並不限於此。此外，經接合結構260電連接至互連結構232。在某些實施例中，經接合結構260包含一混合接合結構。舉例而言但不限於，經接合結構260可包含 至少一金屬至金屬接合界面、一金屬至介電質接合界面及一介電質至介電質接合界面(未展示)。
在某些實施例中，半導體影像感測器200進一步包含放置於互連結構242與互連結構292之間的至少一個經接合結構262。經接合結構262幫助進行基板220與基板280之間的接合。在某些實施例中，經接合結構262穿透ILD層244之一部分及ILD層294之一部分，如圖3中所展示，但本揭露並不限於此。此外，經接合結構262電連接至互連結構242及互連結構292。在某些實施例中，經接合結構262包含一混合接合結構。舉例而言但不限於，經接合結構262可包含至少一金屬至金屬接合界面、一金屬至介電質接合界面及一介電質至介電質接合界面(未展示)。
在某些實施例中，半導體影像感測器200進一步包含至少一個導體270，該至少一個導體穿透介電質層236b之一部分、基板220以及ILD層244之一部分。更重要地，導體270電連接經接合結構260與互連結構242，如圖2中所展示。因此，位於基板210上之電路可透過互連結構232、經接合結構260、導體270、互連結構242、經接合結構262及互連結構292而電連接至位於基板280上之電路。
在某些實施例中，半導體影像感測器200包含介電質光柵圖案236a，該等介電質光柵圖案將可見光往回反射至構造RGB影像感測系統之感測裝置212。因此，減小可見光污染。此外，IR及/或NIR由導電反射體246往回反射至感測裝置222。因此，改良IR及/或NIR波長中之QE。此外，由於位於基板220之前側220F上方之互連結構242面向基板280，因此互連結構242不再位於一直接光路徑中。因此，簡化了用於互連結構242之BEOL佈線，此乃因直接光路徑並非互連結構242之一問題。此外，由於基板 220之後側220B面向基板210，因此可進一步薄化基板220且因此進一步減小IR/NIR損失。
請參考圖4及圖5A至圖12。圖4展示表示根據本揭露之方面之用於形成一半導體影像感測器之方法的一流程圖，且圖5A至圖12係根據一或多項實施例中之本揭露之方面而構造之處於各種製作階段處之一半導體影像感測器的一系列剖面圖。在本揭露中，亦揭示一種製造一半導體影像感測器300之方法。在某些實施例中，一半導體影像感測器結構200可藉由方法300而形成。方法300包含若干個操作且不應將說明及圖解說明視為對操作之序列之一限制。方法300包含若干個操作(302、304、306及308)。另外，應注意，圖2及圖5A至圖12中相同之元件由相同編號指定，且可包含相同材料，因此為簡潔起見而省略彼等細節。
在操作302中，提供或接收一第一基板220，如圖5A中所展示。在某些實施例中，第一基板220包含一第一前側220F及與第一前側220F相對之一第一後側220B。在第一基板220中形成複數個第一感測裝置222。在某些實施例中，在第一前側220F附近形成第一感測裝置222，如圖5A中所展示。在某些實施例中，第一感測裝置222可經操作以感測入射光之紅外線(IR)及/或近紅外線(NIR)，但本揭露並不限於此。此外，至少一個第一邏輯裝置223(諸如一第一電晶體)可經組態以達成對第一感測裝置222之讀出。第一基板220進一步包含放置於第一前側220F上方之一第一互連結構242。在某些實施例中，第一互連結構242包含堆疊於一第一ILD層244中之複數個BEOL金屬化層。第一互連結構242之一或多個接點電連接至第一邏輯裝置223。在某些實施例中，半導體影像感測器200進一步包含放置於第一ILD層244中之複數個導電反射體246。在某些實施例中，導電反 射體246接近於第一基板220而放置於第一ILD層244中，但本揭露並不限於此。在某些實施例中，可在形成第一互連結構242之前或期間形成導電反射體246。在某些實施例中，導電反射體246可與第一互連結構242實體且電隔離。在某些實施例中，導電反射體246與第一感測裝置222對準且與該等第一感測裝置重疊，如圖5A中所展示，但本揭露並不限於此。此外，將至少一個第一接墊248放置於第一互連結構242上方。如圖5A中所展示，第一接墊248實體且電連接至第一互連結構242。
在某些實施例中，可提供或接收一第二基板280，如圖5B中所展示。第二基板280包含一第二前側280F及與第二前側280F相對之一第二後側280B。在某些實施例中，第二基板280包含讀出電路、影像訊號處理(ISP)電路及/或特殊應用積體電路(ASIC)，但本揭露並不限於此。在某些實施例中，將一第二互連結構292放置於第二基板282之第二前側280F上方且電連接至該等電路。如上文所提及，第二互連結構292包含堆疊於一第二ILD層294中之複數個BEOL金屬化層。此外，將至少一個第二接墊288放置於第二互連結構292上方，且將第二接墊288電連接至第二互連結構292。
在操作304中，將第一基板220接合至第二基板280。參考圖6，將第一基板220倒置，使得第一基板220之第一前側220F面向第二基板280之第二前側280F。因此，將第一互連結構242形成為面向第二互連結構292。藉由第一接墊248及第二接墊288而將第一基板220接合至第二基板280且將第一互連結構242接合至第二互連結構292。因此，獲得至少一個第一經接合結構262，該至少一個第一經接合結構放置於整個第一互連結構242與整個第二互連結構292之間，如圖6中所展示。此外，第一互連結構 242、第二互連結構292及經接合結構262全部放置於第一基板220與第二基板280之間。如上文所提及，第一經接合結構262可包含一混合接合結構，該混合接合結構包含至少一金屬至金屬界面及一介電質至介電質界面。在某些實施例中，第一經接合結構262可包含一金屬至介電質界面。
參考圖7，在某些實施例中，可在將第一基板220接合至第二基板280之後執行一薄化操作以自第一後側220B使第一基板220變薄。因此，減小第一基板220之一厚度。在某些實施例中，執行薄化操作以使感測裝置222暴露，如圖7中所展示。
參考圖8，在自第一後側220B使第一基板220變薄之後，將複數個隔離結構214(諸如DTI結構)放置於第一基板220中以在相鄰感測裝置222之間提供光學隔離，藉此用作一基板隔離柵格且減小串擾。
在操作306中，將一絕緣結構236放置於基板220之後側220B上方。在某些實施例中，絕緣結構236包含嵌入於一介電質層236b中之複數個介電質光柵圖案236a。介電質光柵圖案236a及介電質層236b之材料可與上文所詳述之材料類似，因此為簡單起見而省略彼等細節。類似地，介電質光柵圖案236a之厚度T、間距P及工作比可與上文所詳述之厚度T、間距P及工作比類似，因此為簡單起見而省略彼等細節。此外，形成至少一個導體270，該至少一個導體穿透介電質層236b之一部分、基板220以及ILD層244之一部分。更重要地，將導體270電連接至第一互連結構242，如圖9中所展示。在某些實施例中，將介電質層236b之一部分放置於第一基板220之第一後側220B上方，且形成導體270以穿透介電質層236b之部分。此後，在第一基板220之第一後側220B上方形成介電質光柵圖案236a以及介電質層236b之另一部分。因此，介電質層236b之至少一部分及介電質 光柵圖案236a之至少一部分環繞導體270，如圖9中所展示。然而，在某些實施例中，將介電質層236b之一部分放置於第一基板220之第一後側220B上方，然後將介電質光柵圖案236a放置於介電質層236b之該部分上方，且在介電質光柵圖案236a上方形成介電質層236b之另一部分。然後形成導體270以穿透介電質層236b及介電質光柵圖案236a，如圖9中所展示。在形成導體270之後，將一第三接墊228放置於基板220之後側220B上方。如圖9中所展示，將第三接墊228電連接至導體270。在某些實施例中，透過導體270、第一互連結構242、第一經接合結構262及第二互連結構292而將第三接墊228電連接至位於第二基板280上方之電路。
參考圖10，在某些實施例中，提供或接收一第三基板210。第三基板210包含一第三前側210F及與第三前側210F相對之一第三後側210B。此外，第三基板210包含放置於其中之複數個第二感測裝置212。在某些實施例中，第二感測裝置212可經操作以感測入射光之可見光。如上文所提及，至少一個第二邏輯裝置213(諸如一電晶體)可形成於第三基板210之第三前側210F上方且經組態以達成對複數個第二感測裝置212之讀出。在某些實施例中，將一第三互連結構232放置於第三基板210之第三前側210F上方且電連接至第二邏輯裝置。如上文所提及，第三互連結構232包含堆疊於一第三ILD層234中之複數個BEOL金屬化層。此外，將至少一個第四接墊238放置於第三互連結構232上方，且將第四接墊238電連接至第三互連結構232。
在操作308中，將第一基板220接合至第三基板210，其中第一後側220B面向第三前側210F。更重要地，將第一基板220之第一後側220B接合至第三基板210之第三前側210F。如圖11中所展示，將第三基板210倒 置，使得將第三互連結構232形成為面向第一基板220之第一後側220B。然後藉由第三接墊228及第四接墊238而將第三互連結構232接合至第一基板220。因此，獲得至少一個第二經接合結構260，該至少一個第二經接合結構放置於整個第三互連結構232與第一基板220之間，如圖11中所展示。如上文所提及，第二經接合結構260可包含一混合接合結構，該混合接合結構包含至少一金屬至金屬界面及一介電質至介電質界面。在某些實施例中，第二經接合結構260可包含一金屬至介電質界面。因此，透過第二經接合結構260及導體270而將第一互連結構242電連接至第三互連結構232。另外，第一感測裝置222分別與第二感測裝置212對準。此外，將第一感測裝置222放置於第一邏輯裝置223與第二邏輯裝置213之間。
在某些實施例中，可在將第三基板210接合至第一基板220之後執行另一薄化操作以自第三後側210B使第三基板210變薄。因此，減小第三基板210之一厚度。在某些實施例中，執行薄化操作以使第二感測裝置212暴露。在某些實施例中，將複數個隔離結構214(諸如DTI結構)放置於第三基板210中以在相鄰第二感測裝置212之間提供光學隔離，藉此用作一基板隔離柵格且減小串擾。在某些實施例中，將一絕緣層216放置於第三基板210之第三後側210B上方。
參考圖12，接下來，將複數個光學結構放置於第三基板210之第三後側210B上方。舉例而言，將分別與複數個感測裝置212對準之複數個光學結構(諸如彩色濾光器252及微透鏡)在第三後側210B上方放置於第三基板210上方。在某些實施例中，可將一鈍化層216放置於彩色濾光器252與第三基板210之間，但本揭露並不限於此。在某些實施例中，將複數個低n結構254放置於彩色濾光器252之間，且低n結構254用作用以將光引導或 反射至彩色濾光器252之一光導。將用於將入射光聚焦至對應感測裝置212上之微透鏡(未展示)放置於彩色濾光器252及低n結構254上方。如上文所提及，將彩色濾光器252指派至對應色彩或波長之光，因此微透鏡、彩色濾光器252及第二感測裝置212可為一RGB影像感測系統。
仍參考圖12，因此獲得包含可見光感測裝置及IR/NIR感測裝置之一雙層級半導體影像感測器200。如圖12中所展示，在某些實施例中，將第一感測裝置212(其係可見光感測裝置)稱為層級1感測裝置，而將第一感測裝置222(其係IR/NIR感測裝置)稱為層級2感測裝置。並且層級1感測裝置212及層級2感測裝置222兩者皆採用後側照明(BSI)方法。由於第二感測裝置212中之每一者與第一感測裝置222中之每一者重疊，因此使IR/NIR解析度增加至與可見光解析度實質上相同。並且由於IR/NIR自第一基板220之第一後側220B進入第一感測裝置222，因此位於第一基板220之第一前側220F上方之第一互連結構242不再位於直接光路徑中。因此，可簡化用於第一互連結構242之BEOL佈線。此外，容易地整合諸如薄化操作、DTI結構形成及介電質光柵圖案236a引入等後側操作。如上文所提及，藉由自第一後側220B薄化第一基板220，可縮短IR/NIR路徑且因此進一步減小IR/NIR損失。如上文所提及，藉由將介電質光柵圖案236a引入於第一基板220與第三基板210之間的絕緣結構236中，使可見光往回反射至第二感測裝置212。因此，減小可見光污染。此外，IR及/或NIR由導電反射體246往回反射至第一感測裝置222。因此，改良IR及/或NIR波長中之QE。
因此，本揭露因此提供一種雙層級半導體影像感測器，其包含整合式可見光感測裝置與IR/NIR感測裝置。在某些實施例中，半導體影像感 測器之可見光感測裝置與IR/NIR感測裝置包含相同解析度。此外，在某些實施例中，當改良IR/NIR消除能力時，NIR訊號損失及可見光污染皆減小。本揭露進一步提供一種用於形成半導體影像感測器之方法，該方法能夠簡化BEOL佈線、將後側操作整合至可見光感測裝置及IR/NIR感測裝置兩者且改良可見光感測裝置與IR/NIR感測裝置之整合。
在某些實施例中，提供一種半導體影像感測器。該半導體影像感測器包含：一第一光感測層，其包含複數個第一感測裝置；一第二光感測層，其包含複數個第二感測裝置；一第一互連結構，其夾置於該第一光感測層與該第二光感測層之間；一第二互連結構；一第一邏輯裝置，其介於第一感測層與該第一互連結構之間；及一第二邏輯裝置，其介於該第二光感測層與該第二互連結構之間。在某些實施例中，該第二光感測層係介於該第一邏輯裝置與該第二邏輯裝置之間。
在某些實施例中，提供一種半導體影像感測器。該半導體影像感測器包含：一第一基板，其包含一第一前側及與該前側相對之一第一後側；一第一互連結構，其放置於該第一基板之該第一前側上方；一第二基板，其包括一第二前側及與該第二前側相對之一第二後側；一第二互連結構，其放置於該第二基板之該第二前側上方；一第三基板，其包含一第三前側及與該第三前側相對之一第三後側；及一第三互連結構，其放置於該第三基板之該第三前側上方。在某些實施例中，該第一基板包含複數個第一感測裝置，且該第二基板包含複數個第二感測裝置。在某些實施例中，該第二基板之該第二後側面向該第一基板之該第一前側，且該第二基板之該第二前側面向該第三基板之該第三前側。
在某些實施例中，提供一種用於形成一半導體影像感測器之方法。 該方法包含：提供一第一基板，該第一基板包含一第一前側及與該第一前側相對之一第一後側，且該第一基板包含複數個第一感測裝置；將該第一基板接合至一第二基板，該第二基板包含一第二前側及與該第二前側相對之一第二後側，其中該第一基板之該第一前側面向該第二基板之該第二前側；將一絕緣結構放置於該第一基板之該第一後側上方，其中該絕緣結構包含複數個介電質光柵圖案；及將該第一基板接合至一第三基板，該第三基板包含一第三前側及與該第三前側相對之一第三後側，且該第三基板包含複數個第二感測裝置。
前述內容概述數個實施例之構件，使得熟習此項技術者可較佳地理解本揭露之態樣。熟習此項技術者應瞭解，其可容易地使用本揭露作為設計或修改用於實施與本文中介紹之實施例相同之目的及/或達成與該等實施例相同之優點之其他程序及結構之一基礎。熟習此項技術者亦應認識到，此等等效構造並不背離本揭露之精神及範疇，且其可在不背離本揭露之精神及範疇之情況下在本文中做出各種改變、替換及更改。

Claims (10)

  1. 一種半導體影像感測器，其包括：一第一光感測層，其包括複數個第一感測裝置，其中該等第一感測裝置之一厚度等於該第一光感測層之一厚度；一第二光感測層，其包括複數個第二感測裝置，其中該等第二感測裝置之一厚度等於該第二光感測層之一厚度；一第一互連結構，其夾置於該第一光感測層與該第二光感測層之間；一第二互連結構；一第一邏輯裝置，其介於該第一光感測層與該第一互連結構之間；及一第二邏輯裝置，其介於該第二光感測層與該第二互連結構之間，其中該第二光感測層係介於該第一邏輯裝置與該第二邏輯裝置之間。
  2. 如請求項1之半導體影像感測器，其進一步包括夾置於該第一互連結構與該第二光感測層之間的複數個介電質光柵圖案。
  3. 如請求項1之半導體影像感測器，其進一步包括放置於該第一互連結構與該第二感測層之間的至少一個經接合結構。
  4. 如請求項3之半導體影像感測器，其進一步包括穿透該第二光感測層之至少一個導體，且該導體電連接至該經接合結構。
  5. 一種半導體影像感測器，其包括：一第一基板，其包括一第一前側及與該第一前側相對之一第一後側，且該第一基板包括複數個第一感測裝置，其中該等第一感測裝置之一厚度等於該第一基板之一厚度；一第一互連結構，其放置於該第一基板之該第一前側上方；一第二基板，其包括一第二前側及與該第二前側相對之一第二後側，且該第二基板包括複數個第二感測裝置，其中該等第二感測裝置之一厚度等於該第二基板之一厚度；一第二互連結構，其放置於該第二基板之該第二前側上方；一第三基板，其包括一第三前側及與該第三前側相對之一第三後側；及一第三互連結構，其放置於該第三基板之該第三前側上方，其中該第二基板之該第二後側面向該第一基板之該第一前側，且該第二基板之該第二前側面向該第三基板之該第三前側。
  6. 如請求項5之半導體影像感測器，其中該第一基板進一步包括放置於該第一後側上方之複數個光學結構，且該第二基板進一步包括放置於該第二後側上方之一絕緣結構。
  7. 如請求項5之半導體影像感測器，其進一步包括介於第一互連結構與該第二基板之間的至少一個第一經接合結構，及介於該第二互連結構與該第三互連結構之間的至少一個第二經接合結構。
  8. 如請求項7之半導體影像感測器，其進一步包括電連接該第一經接合結構與該第二互連結構之一導體。
  9. 一種用於形成一半導體影像感測器之方法，其包括：提供一第一基板，該第一基板包括一第一前側及與該第一前側相對之一第一後側，該第一基板包括複數個第一感測裝置，其中該等第一感測裝置之一厚度等於該第一基板之一厚度；將該第一基板接合至一第二基板，該第二基板包括一第二前側及與該第二前側相對之一第二後側，其中該第一前側面向該第二前側；將一絕緣結構放置於該第一基板之該第一後側上方，其中該絕緣結構包括複數個介電質光柵圖案；及將該第一基板接合至一第三基板，該第三基板包括一第三前側及與該第三前側相對之一第三後側，其中該第一後側面向該第三前側，該第三基板包括複數個第二感測裝置，其中該等第二感測裝置之一厚度等於該第三基板之一厚度。
  10. 如請求項9之方法，其進一步包括將複數個光學結構放置於該第三基板之該第三後側上方。
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