TWI809124B - 背照式感測器及製造感測器之方法 - Google Patents

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大衛 L 布朗
村松雅治
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大塚慎也
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Abstract

本發明揭示一種用於電子或短波長光之影像感測器，其包含一半導體薄膜、於該半導體薄膜之一表面上形成之電路元件及該半導體薄膜之另一表面上之一純硼層。該等電路元件由包括一耐火金屬之金屬互連件連接。一抗反射或保護層可於該純硼層之頂部上形成。此影像感測器即使依高通量連續使用多年亦具有高效率及良好穩定性。該影像感測器可使用CCD (電荷耦合裝置)或CMOS (互補金屬氧化物半導體)技術來製造。該影像感測器可為二維區域感測器或一維陣列感測器。

Description

背照式感測器及製造感測器之方法
本申請案係關於適合於感測深UV (DUV)及真空UV (VUV)波長之輻射的影像感測器及製造此等影像感測器之方法。此等感測器適合用於光掩膜、光罩或晶圓檢測系統中及用於其他應用。
以下描述及實例不能因其包含於此章節中而被承認為先前技術。
積體電路產業需要具有越來越高解析度之檢測工具來解析積體電路、光掩膜、光罩、太陽能電池、電荷耦合裝置等等之越來越小特徵及偵測其大小約為或小於該等特徵大小之缺陷。
在諸多情況中，依短波長(例如短於約250 nm之波長)操作之檢測系統可提供此解析度。明確言之，可期望光掩膜或光罩檢測使用相同於或接近將用於微影之波長(即，接近當代微影之193.4 nm及接近未來EUV微影之13.5 nm)之一波長來檢測，因為由圖案引起之檢測光之相移將相同於或非常類似於微影期間所引起之相移。為檢測半導體圖案化晶圓，在一相對寬波長範圍(諸如包含近UV、DUV及/或VUV範圍內之波長之一波長範圍)內操作之檢測系統可較為有利，因為一寬波長範圍可減小對層厚度或圖案尺寸之小改變(其會引起一個別波長之大反射率改變)之敏感度。
為偵測光掩膜、光罩及半導體晶圓上之小缺陷或粒子，需要高信雜比。需要高光子通量密度來確保高速檢測時之高信雜比，因為偵測光子數目之統計波動(泊松(Poisson)雜訊)係信雜比之一基本限制。在諸多情況中，每像素需要約100,000個或更多個光子。因為檢測系統通常每天24小時在用且僅具有短暫停止，所以在僅數月操作之後感測器被暴露於大劑量輻射。
具有250 nm之一真空波長之一光子具有約5 eV之能量。二氧化矽之能帶隙係約10 eV。儘管此等波長光子看似無法由二氧化矽吸收，然生長於矽表面上之二氧化矽在與矽之界面處必須具有一些懸鍵，因為二氧化矽結構無法完美匹配矽晶體之結構。此外，因為單個二氧化物係非晶的，所以材料內亦可能存在一些懸鍵。實際上，在氧化物內及與下伏半導體之界面處將存在可吸收具有DUV波長之光子(尤其是波長短於約220 nm之光子)之不可忽略密度之缺陷及雜質。此外，在高輻射通量密度下，兩個高能光子可在一非常短時間間隔(數奈秒或數皮秒)內到達相同位置附近，此可導致電子因兩個快速連續吸收事件或雙光子吸收而激發至二氧化矽之導帶。
用於檢測、度量及相關應用之感測器之另一要求係高敏感度。如上文所解釋，需要高信雜比。若感測器無法將大部分入射光子轉換成信號，則將需要比具有一更高效感測器之一檢測或度量系統更高強度之一光源來維持相同檢測或量測速度。一較高強度光源將使光學儀器及受檢測或量測樣品暴露於較高光強度以可能引起隨時間損壞或劣化。一較高強度光源亦更昂貴，或尤其無法用於DUV及VUV波長。
DUV及VUV波長由矽強烈吸收。此等波長可主要吸收於矽之表面之約10 nm或數十nm內。依DUV或VUV波長操作之一感測器之效率取決於在電子重組之前由所吸收之光子產生之電子可被收集多少。二氧化矽可與矽形成具有一低缺陷密度之一高品質界面。大多數其他材料(包含諸多常用於抗反射塗層之材料)若直接沈積於矽上，則導致矽之表面處之一非常高密度電缺陷。對意欲依可見波長操作之一感測器而言，矽之表面上之一高密度電缺陷可能不是問題，因為此等波長通常可在被吸收之前行進至矽中約100 nm或更多且因此幾乎不受矽表面上之電缺陷影響。然而，DUV及VUV波長在矽表面接近處被吸收，使得表面上及/或帶電捕獲於表面上之(若干)層內之電缺陷可導致所產生之大部分電子在矽表面處或矽表面附近重組而損失以導致一低效率感測器。
Chern等人之兩個美國專利9,496,425及9,818,887描述影像感測器結構及製造影像感測器之方法，影像感測器包含沈積於影像感測器之至少一暴露後表面上之硼層。揭示用於沈積硼之不同溫度範圍，其包含約400°C至約450°C之一範圍及約700°C至約800°C之一範圍。發明人已發現，硼之一較高沈積溫度(諸如約600°C至約900°C之間的一沈積溫度)之一優點在於：在此等溫度處，硼擴散至矽中以在光敏後表面上提供一非常薄之重p型摻雜矽層。此p型摻雜矽層對確保DUV及VUV輻射之一高量子效率而言係很重要的，因為其在表面附近產生使電子加速遠離表面而至矽層中之一靜電場。p型矽亦增加矽之後表面之導電性，其對一影像感測器之高速操作而言係很重要的，因為由感測器之前表面上之電極上之信號切換誘發之接地電流需要一返回路徑。
然而，高於450°C之處理溫度無法用於包含習知CMOS電路之半導體晶圓上，因為450°C接近熔點金屬，諸如常用於製造CMOS裝置之鋁及銅。在高溫(諸如高於450°C之溫度)處，此等金屬膨脹，變軟，且會分層。此外，在高溫處，銅易於擴散通過矽，其將修改CMOS電路之電性質。在任何金屬沈積於其上之前薄化一晶圓允許一硼層在600°C至900°C之間的一溫度處沈積於後表面上(如以下專利中所描述)以使硼能夠在硼層之沈積期間或硼層之沈積之後擴散至表面中。隨後，可在前表面上形成金屬互連件。在已將晶圓之影像感測器區薄化至(例如)約25 μm或更薄之一厚度之後，薄化區會明顯翹曲且可能具有多達數十微米或更大之峰谷不平坦度。因此，需要使用相對較寬金屬互連線及通孔(諸如數微米寬或更大)來確保線及通孔連接，不管由不平坦度引起之未對準如何。此等寬金屬互連件及通孔增大與該等線及通孔相關聯之每單位面積電容。此外，寬互連件及通孔可能難以或無法使一大面積感測器上之所有信號與約100萬或更多個像素互連。在一些情況中，可能需要多晶矽跳線來將金屬互連件連接在一起，但多晶矽具有比任何金屬高得多之電阻率，因此，使用此等跳線會限制一感測器之最大操作速度。
因此，需要能夠在無劣化但克服一些或所有上述缺點之情況下高效率偵測高能光子之一影像感測器。特定言之，製造在其後表面上具有一硼層及硼摻雜之一背薄化影像感測器同時允許在一相對較平坦晶圓(即，具有約10 μm或更小之一平坦度)上形成金屬互連件的一方法將允許使用較精細設計規則(諸如對應於一0.35 μm程序或更精細之設計規則)。此一方法將允許較窄金屬線連接至臨界特徵(諸如浮動擴散區)以實現較小浮動擴散電容及較高電荷至電壓轉換比。較精細設計規則亦允許感測器之每單位面積更多互連線且允許更靈活連接影像感測器上之電路。
本發明描述用於使DUV及/或VUV成像之具有高量子效率之影像感測器及製造影像感測器之方法。此等影像感測器能夠在DUV及VUV輻射之高通量下長壽命操作。此等方法包含在一半導體(較佳為矽)晶圓上之一層中形成光敏主動及/或被動電路元件及在感測器之電元件之間形成金屬互連之程序步驟。此等影像感測器可包含精細金屬互連件及通孔(諸如符合約0.35 μm或更精細設計規則之金屬互連件及通孔)，同時具有塗覆有一硼層之一背側表面且具有緊鄰硼層之一高度摻雜p型矽層。金屬互連可包括鎢、鉬或其他耐火(即，高熔點)金屬。在一實施例中，金屬互連可僅由耐火金屬組成。在一實施例中，用於形成金屬互連之沈積程序可經組態以減小金屬層內之應力。在一實施例中，包括鋁或銅之額外金屬互連可添加於包括耐火金屬之金屬互連之頂部上且連接至該等金屬互連。
製造一影像感測器之一例示性方法包含：形成一磊晶層於一基板上；形成一閘極層於該磊晶層上，該閘極層包括一或多層介電材料，諸如二氧化矽及氮化矽；形成電路元件於包括多晶矽及介電材料之該閘極層上；形成第一金屬通孔及第一金屬互連件以將至少一些該等電路元件連接在一起；使該基板薄化以暴露該磊晶層之至少一部分(該暴露磊晶層在本文中指稱一半導體薄膜)；直接形成一純硼層於該磊晶層之該等暴露部分上；在形成該硼層期間及/或形成該硼層之後使硼擴散至該磊晶層中；及視情況直接形成一或多個抗反射層於該硼層之表面上。如本文中所使用，片語「電路元件」係指光敏裝置(諸如電荷耦合裝置及光二極體)、其他半導體裝置(諸如電晶體、二極體、電阻器及電容器)及其等之間的電互連(通常稱為互連件)。使用包含(但不限於)光微影、沈積、蝕刻、離子植入及退火之標準半導體製程來形成此等電路元件。該等第一金屬互連件包括諸如鎢或鉬之一耐火金屬。可使用離子蝕刻、化學蝕刻及/或拋光來執行樣品(例如一晶圓)薄化。值得注意的是，此薄化可提高該影像感測器對照射後表面之光之敏感度。一抗反射塗層可形成於該硼層上。該方法可進一步包含在形成該純硼層之後形成位於該等第一互連件之頂部上且連接至該等第一互連件之一或多個額外互連層。該等額外互連層可包括諸如鋁或銅之一金屬，因為此等層無需暴露於大於約450°C之溫度。可遵循對應於一1 μm程序或更粗糙之設計規則來製造該等額外互連層，使得其可形成於可具有10 μm或更大不平坦度之一表面上。
製造一影像感測器之另一方法包含：形成一磊晶層於一基板上，接著形成電路元件於該磊晶層上。此步驟包含形成金屬互連件。該等金屬互連件可包括諸如鎢及鉬之耐火金屬或可完全由該等耐火金屬組成。一保護層可形成於該等電路元件上。一處置晶圓可接合至包含該等電路元件之表面。接著，薄化該基板以暴露該磊晶層之至少部分。如上文所指示，此薄化可提高該影像感測器對照射後表面之光之敏感度。一純硼層形成於該薄化程序中所暴露之該磊晶層之表面上。該純硼層可以高於600°C之一溫度沈積或可在沈積之後升高至高於600°C之一溫度以引起硼擴散至該磊晶層中。一抗反射塗層可形成於該硼層上。
本發明描述用於DUV及/或VUV輻射之具有高量子效率及長壽命操作之影像感測器。此等影像感測器自背側表面薄化，使得其對照射該等影像感測器之背側表面之輻射高度敏感(其中此等影像感測器係背照式)。該等影像感測器包含第一金屬互連件，其等包括諸如鎢及鉬之耐火金屬或完全由該等耐火金屬組成。一薄(例如約2 nm至約20 nm之間厚)層高純度非晶硼直接沈積於磊晶層之後表面上。在一實施例中，一或多個額外材料層可塗覆於硼上。各層之厚度及材料可經選擇以增加一關注波長透射至該影像感測器中及/或保護該硼層免受損壞。在一實施例中，第二金屬互連件可形成於該等第一金屬互連件之頂部上且連接至該等第一金屬互連件。該等第二金屬互連件可包括鋁及銅之一者，且可根據1 μm或更粗糙設計規則來配置。
可使用CCD (電荷耦合裝置)或CMOS (互補金屬氧化物半導體)技術來製造本文中所描述之影像感測器。該等影像感測器可為二維區域感測器或一維陣列感測器。
相關申請案 本申請主張2018年6月18日申請且以引用的方式併入本文中之名稱為「BACK-ILLUMINATED SENSOR AND A METHOD OF MANUFACTURING A SENSOR」之美國臨時專利申請案62/686,667之優先權。
圖1係描繪根據本發明之一例示性實施例之一影像感測器100之一部分的一橫截面側視圖，影像感測器100經組態以感測深紫外線(DUV)輻射、真空紫外線(VUV)輻射、極紫外線(EUV)輻射或帶電粒子。影像感測器100包含形成於一半導體薄膜101之一上(第一)表面101U上之一電路元件103、安置於電路元件103上方之介電材料層112中之第一金屬互連件110及形成於半導體薄膜101之一下(第二)表面101L上之一純硼層106。
在一實施例中，半導體薄膜101包括一層輕p摻雜磊晶矽，其具有10 μm至40 μm之一範圍內的一厚度T1及約1013 cm-3 至1014 cm-3 之一範圍內的一p型(硼)摻雜劑濃度。
電路元件103包含形成於半導體薄膜101之一上(第一)表面101U上(即，形成至半導體薄膜101之上(第一)表面101U中及半導體薄膜101之上(第一)表面101U上方)之一感測器裝置(例如一光敏裝置，諸如一光二極體)及相關聯控制電晶體。在所描繪之例示性實施例中，電路元件103包含自上表面101U延伸至半導體薄膜101之對應部分中之間隔開之n+摻雜擴散區103-11、103-12及103-13及分別藉由介入閘極氧化層來與上表面101U分離之多晶矽閘極結構103-21及103-22。形成電路元件103之擴散區及閘極結構之描繪組態僅用於描述例示性電路元件結構且不意欲表示一功能感測器裝置或限制隨附申請專利範圍。
在一實施例中，使用下文將描述之技術來形成純硼層106，使得純硼層106具有2 nm至20 nm之範圍內的一厚度T2。在一實施例中，純硼層106包括80%或更高之硼濃度，其中相互擴散之矽原子及氧原子主要構成剩餘20%或更低。
根據一第一態樣，影像感測器100包含自下表面101L延伸至半導體薄膜101中之一重p摻雜區102 (即，使得p摻雜區102緊鄰純硼層106安置)。在一實施例中，p摻雜區102係藉由在形成純硼層106期間或形成純硼層106之後即時擴散硼原子穿過下表面101L來形成之摻硼區。較佳地，p摻雜區102應具有緊鄰下表面101L之一最大摻雜劑濃度，其中摻雜劑濃度隨遠離下表面101L進入半導體薄膜101之距離而減小。在一例示性實施例中，p摻雜區102具有緊鄰下表面101L之大於1019 cm-3 之一標稱p型摻雜濃度且在遠離該下表面10 nm至50 nm之間的一距離內減小至類似於半導體薄膜101之摻雜劑濃度的一摻雜劑濃度(例如1013 cm-3 至1014 cm-3 之範圍內的一摻雜劑濃度)。
根據一第二態樣，由於下文將澄清之原因，第一金屬互連件110及對應第一金屬通孔115包括一耐火金屬(例如鎢及鉬之一或兩者)。在例示性實施例中，第一金屬互連件包含分別形成為三個金屬化程序M1、M2及M3之部分的金屬線110-1、110-2及110-3，其亦包括形成第一金屬通孔115，使得第一金屬互連件110電連接至電路元件103之相關聯部分。第一金屬互連件110及第一金屬通孔115之組態係出於繪示目的而任意描繪且不意在限制(例如，第一金屬互連件110可形成於任何數目個金屬層中)。
在另一特定實施例中，一選用抗反射塗層108沈積於純硼層106之一下(向外)表面106L上，且純硼層106之厚度T2係在3 nm至10 nm之範圍內。
在一實施例中，影像感測器100包含一選用保護層104，其形成於介電層112上方，使得(第一)金屬互連件110完全安置於保護層104與半導體薄膜101之間。在替代實施例中，保護層104由一處置晶圓(例如單晶矽或玻璃)之一部分實施或由附接/形成於介電層112上方之一層保護材料(例如二氧化矽、氮化矽或氮氧化矽)實施。在一實施例中，保護層104具有0.5 μm至3 μm之範圍內的一厚度。在其他實施例中，完全省略保護層104。
在一實施例中，一或多個第二金屬互連件120形成於一第二介電層122中，第二金屬互連件120位於第一金屬互連件110上方且藉由第二金屬通孔來耦合至電路元件103。例如，第二金屬互連件120-1藉由第二金屬通孔125-1來直接連接至電路元件103之一部分，且第二金屬互連件120-2藉由第二金屬通孔125-2及第一金屬互連件110-2來電連接至電路元件103。在一實施例中，第二金屬互連件120包括鋁及銅之至少一者。在一實施例中，第二金屬互連件120安置於保護層104上方，且第二金屬通孔125-1及125-2延伸穿過保護層104。
圖2及圖3繪示用於製造一影像感測器之一例示性技術200。在此實施例中，可在步驟201中使用包含光微影、沈積、離子植入、退火及蝕刻之標準半導體處理步驟來產生電路元件。在一實施例中，亦可在步驟201中產生CCD及/或CMOS感測器元件及裝置。此等電路元件產生於晶圓之前側表面上之一磊晶(epi)層中。在較佳實施例中，磊晶層係約10 μm至約40 μm厚。磊晶層經輕p摻雜(p-)。在一實施例中，磊晶層電阻率係在約10 Ωcm至約1000 Ωcm之間。在步驟201中使用鎢、鉬或其他耐火金屬來產生第一金屬互連件，使得金屬互連件可在後續步驟中(特定言之，在步驟209及/或211中)耐受高溫(諸如高於約600°C之溫度)。較佳地，第一金屬互連件之組成及用於沈積該等互連件之程序可經選擇以減小金屬中之應力。例如，Schmitz等人在「The Dependence of the Stress of Chemical Vapor Deposited Tungsten Films on Deposition Parameters」(J. Electrochem. Soc.，141，pp843-848 (1994))中描述用於沈積減小應力鎢之沈積程序。此文件以引用的方式併入本文中。
在步驟203中，可保護晶圓之前側表面。此保護可包含沈積一或多個保護層於步驟201期間所形成之電路元件之頂部上。一或多個保護層可包括二氧化矽、氮化矽或其他材料。此保護亦可或代以包含將晶圓附接至一處置晶圓，諸如一矽晶圓、一石英晶圓或由其他材料製成之一晶圓。處置晶圓可包含用於連接至電路元件之通孔，其包括諸如鎢或鉬之一耐火金屬。
步驟205涉及自背側薄化晶圓以暴露(至少)主動感測器區中之磊晶層。此步驟可涉及拋光、蝕刻或兩者。在一些實施例中，背薄化整個晶圓。在其他實施例中，僅將主動感測器區一直薄化至磊晶層。
步驟207包含在硼沈積之前清潔及製備背側表面。在此清潔期間，應自背側表面移除原生氧化物及包含有機物及金屬之任何污染物。在一實施例中，可使用一稀釋HF溶液或使用一RCA清潔程序來執行此清潔。在清潔之後且在製備期間，可使用馬氏(Marangoni)乾燥技術或一類似技術來乾燥晶圓以使表面乾燥且無水痕。
在較佳實施例中，在步驟207與209之間(使用(例如)乾燥氮氣)保護晶圓於一受控氣氛中以最小化清潔之後之原生氧化物再生長。
在步驟209中，沈積硼於晶圓之背側表面上。在一較佳實施例中，可在約600°C至約900°C之一溫度處使用乙硼烷及氫氣之一混合物來完成此沈積以藉此產生一高純度非晶硼層。在一替代實施例中，可使用以氮氣稀釋之乙硼烷或乙硼烷-氫氣混合物來完成沈積。沈積硼層之厚度取決於感測器之預期應用。通常，硼層厚度將在約2 nm至約20 nm之間，較佳地在約3 nm至約10 nm之間。根據一無針孔均勻膜之要求來設定最小厚度，而最大厚度取決於硼對光子或關注帶電粒子之吸收及晶圓可耐高溫之最大時長。
在步驟209中，晶圓可在一還原環境(諸如氫氣)中保持數分鐘高溫。在較佳實施例中，晶圓可在約800°C至約850°C之一溫度處保持約1分鐘至約4分鐘。此高溫可移除可能在步驟207之後再生長之任何原生氧化層。
關於硼沈積之更多細節可見於Sarubbi等人之「Chemical vapor deposition of a-boron layers on silicon for controlled nanometer-deep p+ -n junction formation」(J. Electron. Material，vol. 39，pp162-173，2010)中，其以引用的方式併入本文中。
在步驟211中，使晶圓保持高溫(諸如約600°C至約900°C之間的一溫度)數分鐘(諸如約1分鐘至約10分鐘之間的一時間)以允許硼擴散至磊晶層之表面中(例如，藉此僅在薄膜101之表面101L內形成摻硼區(摻雜層) 102)。步驟211中所使用之溫度可類似於或高於209中用於沈積硼層之溫度。較佳地，在氮氣、氬氣或其他惰性氣體之一環境中執行步驟211。
在步驟211之後，可沈積其他層於硼層之頂部上。此等其他層可包含由一或多個材料(諸如二氧化矽、氮化矽、氧化鋁、二氧化鉿、氟化鎂及氟化鋰)組成之抗反射塗層。此等其他層可包含一薄保護層，其包括諸如釕、鎢或鉬之一金屬。可使用(原子層沈積) ALD來沈積此等其他層之一或多者。使用一ALD程序來沈積此等層之一優點係ALD程序通常允許非常精確(單一單層)控制(若干)沈積層之厚度。在一替代實施例中，可在一隨後程序步驟(諸如圖3中所描繪之一步驟)之後沈積其他層於硼層之頂部上。
在一實施例中，可在步驟213中部分或完全移除保護性前側層及/或處置晶圓以暴露至少一些電路元件及/或第一金屬互連件。
在一實施例中，可在步驟215中製造位於晶圓之前側上且連接至第一金屬互連件及/或電路元件之第二金屬互連件。第二金屬互連件可包括任何實用金屬(包含銅或鋁)，因為第二金屬互連件不用在隨後處理步驟期間經受高溫(諸如超過450°C之溫度)。可藉由包含(但不限於)電鍍、無電電鍍、化學氣相沈積(CVD)、ALD或物理氣相沈積(PVD)之任何適當處理技術來沈積第二金屬互連件。由於步驟215中之晶圓可能不如步驟201中之晶圓平坦，所以第二金屬互連件之圖案可遵循相對較大設計規則(諸如對應於一1 μm或更粗糙程序之設計規則)且可藉由掩膜對準器、接觸掩膜或其他相對較低解析度微影程序來印刷。第二金屬互連件可形成與選定第一金屬互連件平行之一導電路徑以藉此減小該等互連件之總電阻且能夠依比僅第一金屬互連件可實現之速度高之速度操作影像感測器，因為第一金屬互連件可歸因於使用一耐火金屬而具有相對較高電阻。
在步驟223中，製造位於晶圓上且(例如)藉由連接至第一金屬互連件或第二金屬互連件來電連接至電路元件之外部連接，諸如接合墊或凸塊墊。步驟223中所形成之外部連接可位於晶圓之前側、背側或兩側上。在一實施例中，將外部連接連接至第一金屬互連件或第二金屬互連件可涉及在處置晶圓、保護性前側層或晶圓中產生、打通或暴露通孔。在一實施例中，使用穿矽通孔來將晶圓之背側上之外部連接連接至晶圓之前側上之第一金屬互連件或第二金屬互連件。
在步驟225中，可將所得結構封裝成一適合封裝。封裝步驟可包括將裝置覆晶接合或引線接合至基板。封裝可包含透射關注波長之一視窗，或其可包括用於與一真空密封界接之一凸緣或密封件。
圖4A至圖4I繪示經受方法200 (圖2及圖3)之一晶圓之例示性橫截面。圖4A繪示形成於一基板401之前側上之一磊晶(epi)層402。磊晶層402較佳為一p磊晶層。在一實施例中，磊晶層電阻率係在約10 Ωcm至約1000 Ωcm之間。
圖4B繪示包含形成於磊晶層上之第一金屬互連件之各種電路元件403 (步驟201)。因為形成第一金屬互連件410，同時基板401亦有數百微米厚且因此不會嚴重翹曲，所以第一金屬互連件410可使用常規亞微米CMOS處理技術來形成且可包含多層高密度金屬互連件。第一金屬互連件410包括諸如鎢或鉬之一耐火金屬。在一實施例中，第一金屬互連件410完全由耐火金屬組成。在一實施例中，圍繞影像感測器陣列之一或多個邊緣產生多個穿矽通孔(TSV) 403A以允許連接至電路元件403。
圖4C繪示附接至電路元件403之頂部之一支撐或處置晶圓404 (步驟203)。應注意，圖中展示但未標記穿矽通孔以免使圖式過度複雜。在一替代實施例中，可使用一保護層來代替或補充支撐或處置晶圓404。在一實施例(圖中未展示)中，在晶圓或層404中形成通孔以允許連接至電路元件403。
圖4D繪示背薄化基板401 (步驟205)以暴露磊晶層402之背側表面(即，與形成電路元件403之表面對置之表面)之部分或全部之後之晶圓。若完全移除基板401，則磊晶層402形成半導體薄膜。如圖4D中所描繪，一原生氧化物402A可形成於因背薄化而暴露之磊晶層402之表面上。
圖4E繪示清潔及製備背側表面(步驟207)之後之晶圓。
圖4F繪示形成於磊晶層402之背側表面上(步驟209)之後之一純硼層406。硼擴散至磊晶層中產生相鄰於硼層之磊晶層之表面處之一薄(數奈米至數十奈米)重p摻雜矽層(圖中未展示)(步驟211)。
圖4G繪示沈積於純硼層406之頂部上之一或多個選用抗反射或保護層408。可使用一ALD程序來沈積至少一層。
圖4H繪示其中已完全或部分移除保護層或支撐或處置晶圓404 (步驟213)且在前側上製造第二金屬互連件(409)(步驟215)之一實施例中之晶圓。如上文參考圖2及圖3所解釋，第二金屬互連件409可包括諸如鋁或銅之一金屬且可遵循比用於包含於電路元件403中之第一金屬互連件之設計規則更粗略得多之設計規則來圖案化。
圖4I繪示藉由適當圖案化、蝕刻及沈積步驟來製造金屬墊407a及407b (步驟223)之後之晶圓。墊407a製造於前側上且電連接至(例如)第二金屬互連件409。墊407b製造於背側上且電連接至TSV 403A。如上文參考圖2及圖3所解釋，影像感測器可包含僅在前表面上之墊(諸如墊407a)、僅在後表面上之墊(諸如墊407b)或在前表面及後表面兩者上之墊。應注意，若不存在選用第二金屬互連件，則金屬墊將直接電連接至電路元件403。
以上實例不意謂限制本發明之範疇。其僅意謂繪示可如何使用包括耐火金屬或由耐火金屬組成之第一金屬互連件來製造一影像感測器，影像感測器隨後在其光敏表面上塗覆有一硼層。因為第一金屬互連件包含耐火金屬，所以其可在硼沈積及擴散期間耐受高溫。
圖5繪示根據本發明之特定實施例之併入一影像感測器504、一矽中介層502及其他電子器件之一例示性偵測器總成500。
在本發明之一態樣中，偵測器總成500可包含安置於一中介層502之表面上之一或多個光敏感測器504。在一實施例中，總成500之一或多個中介層502可包含(但不限於)一矽中介層。在本發明之另一態樣中，總成500之一或多個光敏感測器504經背薄化且根據背光照明來進一步組態以包含本文中所描述之一硼層及相鄰於硼層之一高度摻雜層。
在本發明之另一態樣中，可將總成500之各種電路元件安置於中介層502上或內建至中介層502中。在一實施例中，可將一或多個放大電路(例如電荷轉換放大器)(圖中未展示)安置於中介層502上或內建至中介層502中。在另一實施例中，可將一或多個轉換電路508 (例如類比轉數位轉換電路，即，數位轉換器508)安置於中介層502上或內建至中介層502中。在另一實施例中，可將一或多個驅動器電路506安置於中介層502上或內建至中介層502中。例如，一或多個驅動器電路506可包含一時序/串列驅動電路。例如，一或多個驅動器電路506可包含(但不限於)時脈驅動器電路或重設驅動器電路。在另一實施例中，可將一或多個去耦合電容器(圖中未展示)安置於中介層502上或內建至中介層502中。在另一實施例中，可將一或多個串列傳輸器(圖5中未展示)安置於中介層502上或內建至中介層502中。
在本發明之另一態樣中，可將一或多個支撐結構安置於光敏陣列感測器504之底面與中介層502之頂面之間以對感測器504提供實體支撐。在一實施例中，可將複數個焊球516安置於光敏陣列感測器504之底面與中介層502之頂面之間以對感測器504提供實體支撐。在此應認識到，儘管感測器504之成像區可不包含外部電連接，然感測器504之背薄化引起感測器504變得越來越可撓。因而，可利用焊球516來依強化感測器504之成像部分之一方式將感測器504連接至中介層502。在一替代實施例中，可將一底膠填充材料安置於光敏陣列感測器504之底面與中介層502之頂面之間以對感測器504提供實體支撐。例如，可將環氧樹脂安置於光敏陣列感測器504之底面與中介層502之頂面之間。
在本發明之另一態樣中，將中介層502及各種額外電路(例如放大電路、驅動器電路506、數位轉換器電路508及其類似者)安置於一基板510之一表面上。在另一態樣中，基板510包含具有高導熱性之一基板(例如陶瓷基板)。在此方面，基板510經組態以對感測器504/中介層502總成提供實體支撐，同時亦提供使總成500將熱高效率導離成像感測器504及各種其他電路(例如驅動器電路506、數位轉換器508、放大器及其類似者)之一構件。在此應認識到，基板可包含此項技術中已知之任何剛性高度導熱基板材料。例如，基板510可包含(但不限於)一陶瓷基板。例如，基板510可包含(但不限於)氮化鋁。
在另一實施例中，基板510可經組態以提供與一插座或一下伏印刷電路板(PCB)之一界面。例如，如圖5中所展示，基板510可經由互連件512來提供中介層502與一插座或一PCB之間的互連。熟習技術者應認識到，基板510可操作耦合至一下伏PCB且依各種方式進一步電耦合至一插座或PCB，其等全部應被解譯為在本發明之範疇內。
上文所描述之本發明之結構及方法之各種實施例僅繪示本發明之原理且不意欲使本發明之範疇受限於所描述之特定實施例。例如，可將額外步驟添加至圖2及圖3中所描繪之流程圖，或可依不同於所展示之序列的序列完成所展示之一些步驟。因此，本發明僅受限於以下申請專利範圍及其等效物。
100‧‧‧影像感測器 101‧‧‧半導體薄膜 101L‧‧‧下(第二)表面 101U‧‧‧上(第一)表面 102‧‧‧p摻雜區 103‧‧‧電路元件 103-11‧‧‧n+摻雜擴散區 103-12‧‧‧n+摻雜擴散區 103-13‧‧‧n+摻雜擴散區 103-21‧‧‧多晶矽閘極結構 103-22‧‧‧多晶矽閘極結構 104‧‧‧保護層 106‧‧‧純硼層 106L‧‧‧下(向外)表面 108‧‧‧抗反射塗層 110‧‧‧第一金屬互連件 110-1‧‧‧金屬線 110-2‧‧‧金屬線 110-3‧‧‧金屬線 112‧‧‧介電材料層 115‧‧‧第一金屬通孔 120‧‧‧第二金屬互連件 120-1‧‧‧第二金屬互連件 120-2‧‧‧第二金屬互連件 122‧‧‧第二介電層 125-1‧‧‧第二金屬通孔 125-2‧‧‧第二金屬通孔 200‧‧‧技術/方法 201‧‧‧步驟 203‧‧‧步驟 205‧‧‧步驟 207‧‧‧步驟 209‧‧‧步驟 211‧‧‧步驟 213‧‧‧步驟 215‧‧‧步驟 223‧‧‧步驟 225‧‧‧步驟 401‧‧‧基板 402‧‧‧磊晶層 402A‧‧‧原生氧化物 403‧‧‧電路元件 403A‧‧‧穿矽通孔(TSV) 404‧‧‧支撐或處置晶圓 406‧‧‧純硼層 407a‧‧‧金屬墊 407b‧‧‧金屬墊 408‧‧‧抗反射或保護層 409‧‧‧第二金屬互連件 410‧‧‧第一金屬互連件 500‧‧‧偵測器總成 502‧‧‧中介層 504‧‧‧影像感測器/光敏感測器/光敏陣列感測器/成像感測器 506‧‧‧驅動器電路 508‧‧‧轉換電路/數位轉換器/數位轉換器電路 510‧‧‧基板 512‧‧‧互連件 516‧‧‧焊球 M1‧‧‧金屬化程序 M2‧‧‧金屬化程序 M3‧‧‧金屬化程序 T1‧‧‧厚度 T2‧‧‧厚度
圖1係展示根據本發明所產生之一例示性影像感測器的一橫截面圖。
圖2及圖3繪示用於製造一影像感測器之一例示性方法。
圖4A至圖4I繪示經受參考圖2及圖3所描述之方法之一晶圓之例示性橫截面。
圖5繪示併入一影像感測器、一矽中介層及其他電子器件之一例示性偵測器總成。
100‧‧‧影像感測器
101‧‧‧半導體薄膜
101L‧‧‧下(第二)表面
101U‧‧‧上(第一)表面
102‧‧‧p摻雜區
103‧‧‧電路元件
103-11‧‧‧n+摻雜擴散區
103-12‧‧‧n+摻雜擴散區
103-13‧‧‧n+摻雜擴散區
103-21‧‧‧多晶矽閘極結構
103-22‧‧‧多晶矽閘極結構
104‧‧‧保護層
106‧‧‧純硼層
106L‧‧‧下(向外)表面
108‧‧‧抗反射塗層
110‧‧‧第一金屬互連件
110-1‧‧‧金屬線
110-2‧‧‧金屬線
110-3‧‧‧金屬線
112‧‧‧介電材料層
115‧‧‧第一金屬通孔
120‧‧‧第二金屬互連件
120-1‧‧‧第二金屬互連件
120-2‧‧‧第二金屬互連件
122‧‧‧第二介電層
125-1‧‧‧第二金屬通孔
125-2‧‧‧第二金屬通孔
M1‧‧‧金屬化程序
M2‧‧‧金屬化程序
M3‧‧‧金屬化程序
T1‧‧‧厚度
T2‧‧‧厚度

Claims (24)

  1. 一種用於感測深紫外線(DUV)輻射、真空紫外線(VUV)輻射、極紫外線(EUV)輻射及帶電粒子之至少一者之影像感測器，該影像感測器包括：一半導體薄膜，其包含於該半導體薄膜之一第一表面上形成之電路元件及形成於該等電路元件上方之第一金屬互連件；一純硼層，其形成於該半導體薄膜之一第二表面上；及一保護層，其形成於該等電路元件上方，使得該等第一金屬互連件完全安置於該半導體薄膜與該保護層之間，其中該半導體薄膜包含一摻硼區，該摻硼區自第二表面延伸至該半導體薄膜中，使得該摻硼區緊鄰該純硼層安置，其中該等第一金屬互連件包括一耐火金屬，及其中該保護層包括單晶矽及玻璃之一或多者。
  2. 如請求項1之影像感測器，其中該半導體薄膜包括具有10μm至40μm之範圍內之一厚度T1的一磊晶層。
  3. 如請求項1之影像感測器，其中該純硼層具有2nm至20nm之範圍內的一厚度T2。
  4. 如請求項1之影像感測器，該影像感測器進一步包括沈積於該純硼層之一向外表面上之一抗反射塗層。
  5. 如請求項1之影像感測器，其中該等第一金屬互連件包括鎢及鉬之至少一者。
  6. 如請求項3之影像感測器，其中該影像感測器包括一電荷耦合裝置(CCD)及一CMOS裝置之一者。
  7. 一種用於感測深紫外線(DUV)輻射、真空紫外線(VUV)輻射、極紫外線(EUV)輻射及帶電粒子之至少一者之影像感測器，該影像感測器包括：一半導體薄膜，其包含於該半導體薄膜之一第一表面上形成之電路元件、形成於該等電路元件上方之第一金屬互連件及安置於該等第一金屬互連件上方且耦合至該等電路元件之第二金屬互連件；及一純硼層，其形成於該半導體薄膜之一第二表面上，其中該等第一金屬互連件包括一耐火金屬，及其中該等第二金屬互連件包括鋁及銅之至少一者。
  8. 如請求項7之影像感測器，其中該半導體薄膜包括具有10μm至40μm之範圍內之一厚度T1的一磊晶層。
  9. 如請求項7之影像感測器，其中該純硼層具有2nm至20nm之範圍內的一厚度T2。
  10. 如請求項7之影像感測器，該影像感測器進一步包括沈積於該純硼層之一向外表面上之一抗反射塗層。
  11. 如請求項7之影像感測器，其進一步包括形成於該等電路元件上方之一保護層，使得該等第一金屬互連件完全安置於該半導體薄膜與該保護層之間。
  12. 如請求項11之影像感測器，其中該保護層包括單晶矽及玻璃之一或多者。
  13. 如請求項7之影像感測器，其中該等第一金屬互連件包括鎢及鉬之至少一者。
  14. 如請求項7之影像感測器，其中該影像感測器包括一電荷耦合裝置(CCD)及一CMOS裝置之一者。
  15. 一種用於感測深紫外線(DUV)輻射、真空紫外線(VUV)輻射、極紫外線(EUV)輻射及帶電粒子之至少一者之影像感測器，該影像感測器包括：一半導體薄膜，其具有一第一p型摻雜濃度且包含於其一第一表面上形成之電路元件；第一金屬互連件，其等連接至該等電路元件之至少一者，該等第一金屬互連件包括一耐火金屬； 第二金屬互連件，其等安置於該等第一金屬互連件上方且耦合至該等電路元件；一純硼層，其形成於該半導體薄膜之一第二表面上；及一p摻雜層，其形成於該半導體薄膜中緊鄰該純硼層，該p摻雜層具有大於該第一p型摻雜濃度之一第二p型摻雜濃度，其中該等第二金屬互連件包括鋁及銅之至少一者。
  16. 如請求項15之影像感測器，其中該純硼層之一厚度係在2nm至20nm之間，且其中該半導體薄膜之一厚度係在10μm至40μm之間。
  17. 如請求項16之影像感測器，該影像感測器進一步包括一抗反射或保護層，且其中該純硼層之該厚度係在3nm至10nm之間。
  18. 如請求項16之影像感測器，其中該等第一金屬互連件包括鎢及鉬之至少一者。
  19. 一種製造一影像感測器之方法，該方法包括：於一基板上形成一磊晶層；於該磊晶層上形成一電路元件；形成包括一耐火金屬、連接至該電路元件之一第一金屬互連件；薄化該基板以產生一薄化基板，該薄化基板暴露該磊晶層之至少部 分；於該磊晶層之該等暴露部分上形成一純硼層；及於相鄰於該純硼層之該磊晶層之表面處形成一摻雜層；其中該方法進一步包括在形成該摻雜層之後形成一第二金屬互連件，其中該第二金屬互連件耦合至該電路元件，且其中該第二金屬互連件包括鋁及鎢之至少一者。
  20. 如請求項19之方法，其中該耐火金屬包括鎢及鉬之至少一者。
  21. 如請求項19之方法，其中形成該摻雜層包括將該磊晶層加熱至600℃至900℃之間的一溫度。
  22. 如請求項19之方法，其中該方法進一步包括在薄化該基板之前將一處置晶圓附接至該等電路元件。
  23. 如請求項22之方法，其中該方法進一步包括在形成該純硼層之前於該磊晶層及該處置晶圓之至少一者中形成通孔。
  24. 如請求項23之方法，其中該方法進一步包括在形成該摻雜層之後暴露該等通孔。
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