TW201344888A - 後側照光影像感測晶片及其製造方法 - Google Patents
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Abstract
一種後側照光影像感測晶片之製造方法，包括：形成複數個影像感測器於一半導體基板之一前側之上；形成一介電層於該半導體基板之一後側之上；圖案化該介電層，以形成複數個網格填充區，其中每一之該些網格填充區覆蓋了該些影像感測器之一；形成一金屬層於該些網格填充區之頂面與側壁之上；蝕刻該金屬層，以移除位於每一網格填充區之頂面上之該金屬層，進而於該些網格填充區之該側壁上形成一金屬網格；以及填入一透明材料於該金屬網格之數個網格開口之內。
Description
本發明係關於半導體裝置及其製作，且特別是關於一種後側照光影像感測晶片及其製造方法。
由於較佳之光子捕捉效率，後側照光(Backside illumination，BSI)影像感測晶片已取代了前側影像(front side illumination)感測晶片的使用。於後側照光影像感測晶片的製作中，於晶圓之矽基板上形成有如感光二極體(photo diodes)之影像感測器以及邏輯電路，並接著於半導體晶片之前側形成一內連結構。
後側照光影像感測晶片可針對光子之刺激而產生了電子訊號。電子訊號之強度(例如電流量)則依照為各別影像感測器所接收之入射光強度而定。為了降低不同的影像感測器所接受光線的光學串音(optical cross-talks)問題，便需要形成金屬網格(metal grid)以隔離光線。
依據一實施例，本發明提供了一種後側照光影像感測晶片之製造方法，包括：形成複數個影像感測器於一半導體基板之一前側之上；形成一介電層於該半導體基板之一後側
之上；圖案化該介電層，以形成複數個網格填充區，其中每一之該些網格填充區覆蓋了該些影像感測器之一；形成一金屬層於該些網格填充區之頂面與側壁之上；蝕刻該金屬層，以移除位於每一網格填充區之頂面上之該金屬層，進而於該些網格填充區之該側壁上形成一金屬網格；以及填入一透明材料於該金屬網格之數個網格開口之內。
依據又一實施例，本發明提供了一種後側照光影像感測晶片之製造方法，包括：形成複數個影像感測器於一半導體基板之一前側，其中該些影像感測器形成了一陣列；形成一介電層於該半導體基板之一後側之上；圖案化該介電層，形成複數個第一網格填充區，其中該些第一網格填充區覆蓋了該陣列內之複數個第一影像感測器，而其中該些第一影像感測器包括了於該陣列中之每一行與每一列內之每隔一個之影像感測器；形成一金屬層於該些第一網格填充區之頂面與側壁之上；以及蝕刻該金屬層，移除該金屬層之數個水平部，其中該金屬層之數個垂直部仍被保留以形成一金屬網格。
依據另一實施例，本發明提供了一種後側照光影像感測晶片，包括：一半導體基板，具有一前側與一後側；複數個影像感測器，設置於該半導體基板之該前側之上，其中該些影像感測器形成了一陣列；一金屬網格，位於該半導體基板之該後側之上；複數個第一網格填充區與複數個第二網格填充區，設置於該金屬網格之數個格狀開口內，其中該些第一網格填充區與該些第二網格填充區係依照一交替圖案而設置於該陣列內該些網格開口之每一行與每一列之內；以及一介電層，
位於該些第一網格填充區與該些第二網格填充區之上，其中於該介電層與該些第一網格填充區之間並未存在有明顯界面，而其中於該介電層與該些第二網格填充區之間則存在有明顯界面。
為讓本發明之上述目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附的圖式，作詳細說明如下。
20‧‧‧影像感測晶片
22‧‧‧晶圓
24、24A、24B‧‧‧影像感測器
25‧‧‧場佈植區
26‧‧‧半導體基板
26A、26B‧‧‧表面
28‧‧‧前側內連結構
30‧‧‧介電層
32‧‧‧金屬導線
34‧‧‧介層物
36‧‧‧底抗反射塗層
37‧‧‧載具
38‧‧‧氧化矽層
39‧‧‧氮化矽層
40‧‧‧緩衝層
42‧‧‧網格填充區
44‧‧‧金屬層/金屬網格
44A、44B‧‧‧側壁
46‧‧‧空隙
48‧‧‧透明層
50‧‧‧網格填充區
52‧‧‧界面
54‧‧‧彩色濾光物
56‧‧‧微透鏡
T1‧‧‧厚度
T2‧‧‧厚度
D1‧‧‧距離
W1‧‧‧長度/寬度
W2‧‧‧寬度
第1-7圖為一系列剖面圖，分別顯示了於依據本發明之一實施例之後側照光影像感測晶片之製造方法內一中間階段。
以下揭示依據本發明之多個實施例之後側照光影像感測晶片內之金屬網格(metal grid)及其製造方法。分別顯示了製造金屬格之中間階段的情形。且討論了此些實施例之變化情形。於不同圖式以及所繪示之實施例中，相同標號係代表了相同元件。
第1-6圖為一系列之剖面圖與上視圖，分別顯示了依據本發明一實施例之後側照光影像感測晶片之金屬網格之製造方法之一中間階段。第1圖顯示了影像感測晶片20，其可為未切割之晶圓22之一部。影像感測晶片20包括了半導體基板26。半導體基板26可為一結晶矽基板或由其他半導體材料所形成之一半導體基板。於本文中，表面26A係稱為半導體基板26之一前側表面(front surface)，而表面26B係稱為半導體基板26
之一後側表面(back surface)。於半導體基板26之表面26A之上係形成有數個影像感測器24。影像感測器24係用於將光線訊號(光子)轉換為電子訊號，且可為光敏感型金氧半導體電晶體(photo-senstive MOS transitor)或感光二極體(photo-senstive diodes)。如此，每一晶圓22可為一影像感測晶圓。於部分實施例中，影像感測器24自前側表面26A沿伸進入半導體基板26之內。影像感測器24包括了由複數個影像感測器24所形成之一影像感測陣列內之每一列與每一行中依照交替圖案(alternating pattern)設置之影像感測器24A與24B。影像感測器24A與24B雖然採用了不同之編號，但其為相同的。此些影像感測器24之間可藉由場佈植區(field implantation regions)25而互相分隔，而場佈植區係形成於半導體基板26內之部分區域之中。
於半導體基板26之上形成有一前側內連結構28，且其係用於電性連結影像感測晶片20內之元件。前側內連結構28包括了一介電層30以及位於介電層30內之數個金屬導線(metal lines)32與數個介層物(vias)34。於本文中，位於同一介電層30內之金屬導線32通稱為一金屬層。前側內連結構28可包括複數個金屬層。於部分實施例中，介電層30包括了數個低介電常數介電層與數個保護層(未顯示)。上述低介電常數介電層具有低的介電常數(dielectric constant，k)，例如為約低於3.0之介電常數。保護層可具有介電常數值高於3.9之不低的介電常數介電材料。於部分實施例中，保護層可包括氧化矽層與位於氧化矽層上之氮化矽層。
請參照第2圖，將一載具(carrier)37透過如氧化-氧
化結合方法(oxide-to-oxide bonding)而黏結於晶圓22之前側。接著針對半導體基板26施行一後側研磨(backside grinding)，而晶圓22之厚度可降低至約為30微米，或小於5微米。由於半導體基板26具有小的厚度，光線便可穿透後側表面26B而進入半導體基板26之內並抵達每一影像感測器24處。
於上述薄化步驟之後，於半導體基板26之上形成一緩衝層40(有時亦稱為一上方膜層)。於部分實施例中，緩衝層40包括一或多個之底抗反射塗層(BARC)36、氧化矽層38與氮化矽層39。於部分實施例中，氧化矽層38係採用電漿加強型化學氣相沉積(PECVD)所形成，故因此可稱為一電漿加強型氧化物(PE oxide)層38。值得注意的是，緩衝層40可具有圖示情形以外之不同結構、由不同材料所形成、及/或具有不同數量之膜層。
接著，如第3A圖與第3B圖所示，沈積一網格填充材料並接著將之圖案化，以形成複數個網格填充區(grid-filling region)42。每一網格填充區42係一對一地而對應於且覆蓋了此些影像感測器24之一，例如是位於一網格填充區42之下且其對準之此些影像感測器24A之一，而每一網格填充區42則覆蓋了此些影像感測器24A之一。第3A圖係顯示了一剖面圖。如第3A圖所示，網格填充區域42之一厚度T1為足夠少的，以使得光線可穿透此些網格填充區42。於部份實施例中，此些網格填充區42之厚度約介於1500-3000埃。然而，於上述描述中之數值僅作為範例之用而非用於限定本發明，且可改變為其他數值。於部份實施例中，此些網格填充區42包括一介電材料，其為透明
的，且可為氧化矽、氮化矽、或相似物，其形成方法例如包括如電漿加強型化學氣相沈積法(PECVD)之一化學氣相沈積法(CVD)。
第3B圖顯示了如第3A圖所示結構之一上視圖，其中第3A圖之剖面圖係得自於沿第3B圖內之一線段3A-3A之一平面。於部份實施例中，此些網格填充區42係依照一棋盤格圖案(checkerboard pattern)而設置，其中此些網格填充區42具有一棋盤上之非黑即白之一圖案。此些網格填充區42覆蓋了影像感測器24A，但其並不覆蓋影像感測器24B。此些網格填充區42具有正方形之上視形狀，雖然亦可使用為如長方形(具有長與寬不相同)之其他形狀。相鄰之網格填充區42間之一距離D1可大於此些網格填充區42之長度/寬度W1。於每一對之相鄰的網格填充區42之間則存在有覆蓋此些影像感測器24B之一之一空隙(space)。
請參照第4圖，於此些網格填充區42之頂面與側壁之上沈積一金屬層44。金屬層44亦沈積至相鄰之網格填充區42間之一空隙內。於部份實施例中，金屬層44包括一金屬或一金屬合金，其中金屬層44內之金屬可包括鎢、鋁、銅及或相似物。金屬層44之厚度T2小於網格填充區42之厚度T1。於部份實施例中，此厚度T2例如約為500-2000埃。金屬層44可藉由採用一順應沈積方法所形成，例如化學氣相沈積(CVD)、物理氣相沈積(PVD)或相似方法。如此，金屬層44之垂直部的厚度，即位於網格填充區42之側壁上之垂直部接近於位於網格填充區42之上之水平部之厚度。舉例來說，此垂直部之厚度可大於此水平
部之厚度約70%、80%或90%。
請參照第5A圖與第5B圖，使用如乾蝕刻之一非等向性蝕刻方法蝕刻金屬層44。第5A圖顯示了一剖面圖。如第5A圖所示，金屬層44之水平部數個，即包括位於水平部之頂面上以及位於緩衝層40上之之數個水平部之部份經過移除。部分之金屬層44之側壁部於蝕刻步驟後則未受到蝕刻。於蝕刻步驟之後，金屬層44之鄰近部份係藉由未填滿之空隙46所相分隔，而部分之金屬層44的鄰近部份係藉由此些網格填充區42所相分隔。蝕刻製程之結果為，金屬層44之剩餘部份可具有鄰近此些網格填充區42之側壁44A以及對稱於各側壁44A之側壁44B。側壁44A之輪廓則由此些網格填充區42之側壁所決定，且其可為大體垂直的。另一方面，側壁44B之輪廓會受到蝕刻製程的影響。舉例來說，側壁44B可為傾斜的，如圖內虛線所示，其可具有接近於網格填充區42之部份側壁44B之高度係高於遠離於網格填充區42之部份側壁的高度之情形。再者，如虛線所示，側壁44B之高度由接近網格填充區42之區域朝向遠離網格填充區42之區域逐漸且持續地減少。
第5B圖顯示了如第5A圖內之結構之一上視圖，其中第5A圖之剖面圖係得自於沿第5B圖內之一線段5A-5A之一平面。如圖所示，因此金屬層44之剩餘部可連結形成一金屬網格(metal grid)。於本文中金屬層44之剩餘部通稱為金屬網格44。於金屬網格44內之每一行與每一列內之網格開口之中，網格填充區42與空隙46係依照一交替圖案(alternating pattern)而設置。值得注意的是，藉由選擇適當之網格填充區42之厚度
T1(見於第4圖)、金屬層44之厚度T2以及介於網格填充區42間之距離D1(見於第3圖)，如第5B圖內所示之數個空隙46與數個網格填充區42之間可具有相互接近之上視尺寸。舉例來說，距離D1可經過選擇而大體等於W1+2*T2，而厚度T2則可經過選擇而小於厚度T1的30%。
第6A圖與第6B圖分別顯示了形成透明層48之一剖面圖與一上視圖，其為透明的且具有儘量小之厚度。於部份實施例中，透明層48為氧化物層。氧化物層48之材料可相同或不同於網格填充區42之材料。氧化物層48可由電漿加強型化學氣相沉積法(PECVD)或其他之沈積方法所形成。於沈積氧化物層48之後，可施行如化學機械研磨(CMP)製程之一平坦化步驟以平坦化氧化物層48之頂面。
氧化物層48填滿了空隙46(請參見第5A圖與第5B圖)。於下文中，填滿空隙46之氧化物層48部份亦稱為網格填充區50。氧化物48更包括位於網格填充區42與金屬網格44上之一部。較佳地，由於氧化物層48與網格填充區42係由不同製程步驟所形成，因此無論氧化物層48與網格填充區42係由相同材料或不同材料所形成，皆可能於氧化物層48與網格填充區42之間產生可分辨之一界面52。另一方面，由於網格填充區50與氧化層48之上方部係於相同之一製程步驟中形成，並由相同材料所形成，因此於其間並未產生有明顯之一界面。於部份實施例中，界面52大體水平於金屬網格44之頂端。於其他實施例中，依照於形成金屬網格44時之蝕刻步驟(請參照第5A圖)之製程條件，此界面52可稍微高於金屬網格44之頂部邊緣。
第6B圖顯示了如第6A圖所示結構之一上視圖，其中第6A圖之剖面圖係得自於沿第6B圖內之一線段6A-6A之一平面。可以觀察到的是，於由金屬網格44所定義形成之每一行與每一列內之數個格狀物中，網格填充區42與50係依照一交替圖案(alternating pattern)設置，於各棋盤狀圖案之間存在有一界面52。
於後續製程中，如第7圖所示，形成了如彩色濾光物54與微透鏡56之額外元件，而此些彩色濾光物54與微透鏡56分別位於網格填充區42與50之一之上。再者，每一彩色濾光物54與微透鏡56以及網格填充區42與50覆蓋了此些影像感測器24之一。
於如第7圖所示之結構中，可以觀察到的是，金屬網格44之寬度W2係部份地為金屬層44之厚度T2所決定，且可大體等於厚度T2。如此，金屬網格44之寬度W2的降低不再受限於微影限制，而上述微影限制係存在於用以形成後側照光影像感測晶片之金屬網格之習知製程之中。
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，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作更動與潤飾，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
24A、24B‧‧‧影像感測器
42‧‧‧網格填充區
44‧‧‧金屬網格
50‧‧‧網格填充區
52‧‧‧界面
Claims (10)
- 一種後側照光影像感測晶片之製造方法，包括：形成複數個影像感測器於一半導體基板之一前側之上；形成一介電層於該半導體基板之一後側之上；圖案化該介電層，以形成複數個網格填充區，其中每一之該些網格填充區覆蓋了該些影像感測器之一；形成一金屬層於該些網格填充區之頂面與側壁之上；蝕刻該金屬層，以移除位於每一網格填充區之頂面上之該金屬層，進而於該些網格填充區之該側壁上形成一金屬網格；以及填入一透明材料於該金屬網格之數個網格開口之內。
- 如申請專利範圍第1項所述之後側照光影像感測晶片之製造方法，其中該些網格填充區具有一棋盤格之白色圖案或黑色圖案。
- 如申請專利範圍第1項所述之後側照光影像感測晶片之製造方法，其中於圖案化該介電層之後，於該金屬網格內形成有數個空隙，而其中該些空隙與該些網格填充區係照一交替圖案而設置於該金屬網格之每一行與每一列之內。
- 如申請專利範圍第1項所述之後側照光影像感測晶片之製造方法，其中介於該些網格填充區之間之兩相鄰之網格填充區之間之一距離大體等於該些網格填充區之一之一寬度與該金屬層之一厚度的兩倍之總和。
- 一種後側照光影像感測晶片之製造方法，包括：形成複數個影像感測器於一半導體基板之一前側，其中該 些影像感測器形成了一陣列；形成一介電層於該半導體基板之一後側之上；圖案化該介電層，形成複數個第一網格填充區，其中該些第一網格填充區覆蓋了該陣列內之複數個第一影像感測器，而其中該些第一影像感測器包括了於該陣列中之每一行與每一列內之每隔一個之影像感測器；形成一金屬層於該些第一網格填充區之頂面與側壁之上；以及蝕刻該金屬層，移除該金屬層之數個水平部，其中該金屬層之數個垂直部仍被保留以形成一金屬網格。
- 如申請專利範圍第5項所述之後側照光影像感測晶片之製造方法，其中該些第一網格填充區並未覆蓋該陣列內之複數個第二影像感測器，且其中該些第一影像感測器與該些第二影像感測器係依照該陣列內之每一行與每一列之一交替圖案而設置。
- 如申請專利範圍第5項所述之後側照光影像感測晶片之製造方法，更包括：填入一透明材料於該金屬網格之數個網格開口內，以形成複數個第二網格填充區，其中該透明材料包括填入於該金屬網格內之該些網格開口之數個第一部，以及位於該些第二網格填充區上並接觸之的一第二部；以及形成複數個彩色濾光物與微透鏡，以覆蓋該些第一網格填充區與該些第二網格填充區。
- 一種後側照光影像感測晶片，包括： 一半導體基板，具有一前側與一後側；複數個影像感測器，設置於該半導體基板之該前側之上，其中該些影像感測器形成了一陣列；一金屬網格，位於該半導體基板之該後側之上；複數個第一網格填充區與複數個第二網格填充區，設置於該金屬網格之數個格狀開口內，其中該些第一網格填充區與該些第二網格填充區係依照一交替圖案而設置於該陣列內該些網格開口之每一行與每一列之內；以及一介電層，位於該些第一網格填充區與該些第二網格填充區之上，其中於該介電層與該些第一網格填充區之間並未存在有明顯界面，而其中於該介電層與該些第二網格填充區之間則存在有明顯界面。
- 如申請專利範圍第8項所述之後側照光影像感測晶片，其中該介電層與該些第一網格填充區與該些第二網狀填充區係由相同材料所形成，或其中該介電層與該些第二網格填充區係由不同材料所形成。
- 如申請專利範圍第8項所述之後側照光影像感測晶片，其中該金屬網格包括：複數個第一邊，接觸該些第一網格填充區，其中該些第一邊為大體垂直的；以及複數個第二邊，接觸該些第二網格填充區，其中該些第二邊大體傾斜，而較接近於該些第一網格填充區之部分之該些第二邊係高於較接近於該些第二網格填充區之該些第二邊。
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