TWI481016B - 影像感測晶片及其形成方法 - Google Patents
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Description
本發明主要是關於一種裝置及其形成方法，特別是關於一背面發光式影像感測器晶片中的一網格結構及其形成方法。
背面發光式(Backside Illumination；BSI)影像感測器晶片正逐漸取代正面發光式感測器晶片，因為背面發光式影像感測器晶片在捕捉光子方面展現較高的效率。在背面發光式影像感測器晶片的形成方法中，是將影像感測器例如光學二極體、以及邏輯電路形成在一晶圓的一矽基板上。然後，在上述矽基板的正面形成一內連線結構。
上述背面發光式影像感測器晶片中的影像感測器是對光子的刺激產生反應，產生電性訊號。上述電性訊號(例如電流)的強度是取決於個別的影像感測器接收的入射光的強度。為了減少被不同的影像感測器接收的光線的光學上的串音(optical cross-talk)，則形成複數個金屬網格來隔離光線。為了使影像感測器的量子效率最大化，較好為使光損失及光學上的串音最小化。
本發明的一實施例是提供一種裝置，包含：一半導體基板、一第一光敏裝置、彼此平行的一第一柵線(grid line)與一第二柵線、一黏著層、一金屬層以及一高折射係數層。上述半導體基板是具有一正面與一背面，上述第一光敏裝置是設置在該半導體基板的該正面上，上述第一柵線與上述第二柵線是在上述半導體基板的上述背面上並置於上述半導體基板上，上述金屬層是在該黏著層上，上述高折射係數層是在上述金屬層上。上述黏著層、上述金屬層與上述高折射係數層是實質上共形(conformal)的，並延伸至上述第一及第二柵線的上表面與側壁。
在上述之裝置中，較好為：上述第一光敏裝置是置於上述第一柵線與上述第二柵線之間的一空間的下方並對齊於上述空間，且上述黏著層、上述金屬層與上述高折射係數層是不具有位於上述第一光敏裝置上方且與上述第一光敏裝置對齊的部分。
在上述之裝置中，較好為：上述黏著層包含鉻；上述金屬層包含銀；上述第一柵線與上述第二柵線包含一陶瓷；以及上述高折射係數層包含氧化矽且其折射係數大於1.5或包含一高介電常數介電材料且其折射係數大於2.0。
在上述之裝置中，較好為更包含一第二光敏裝置及一光學檔板層。上述第二光敏裝置較好為設置在上述半導體基板的上述正面上。上述光學檔板層較好為在上述第二光敏裝置上方並對齊上述第二光敏裝置，其中上述光學檔板層的形成材料是相同於上述第一柵線與上述第二柵線，且上述光學檔板層實質上與上述第一柵線及上述第二柵線在同一水平，且上述黏著層、上述金屬層與上述高折射係數層是延伸至上述光學檔板層的上表面。
本發明的另一實施例是提供一種裝置，包含：一半導體基板、複數個柵線、複數個光敏裝置、一鉻層、一銀層以及一高折射係數層。上述半導體基板是具有一正面與一背面，上述柵線是在該半導體基板的該背面上並形成複數個網格(grid)。上述光敏裝置是在上述柵線之間的複數個網格開口的下方並對齊上述網格開口。上述光敏裝置是在上述半導體基板的上述正面，並被安裝來接受來自上述半導體基板的上述背面的光線並將上述光線轉換成一電性訊號。上述鉻層是具有複數個鉻層上表面部與複數個鉻層側壁部，上述鉻層上表面部是在上述柵線的上表面上，上述鉻層側壁部是在上述柵線的側壁上。上述銀層是具有複數個銀層上表面部與複數個銀層側壁部，上述銀層上表面部是在上述鉻層上表面部上，上述銀層側壁部是在上述鉻層側壁部上。上述高折射係數層是具有複數個高折射係數層上表面部與複數個高折射係數層側壁部，上述高折射係數層上表面部是在上述銀層上表面部上，上述高折射係數層側壁部是在上述銀層側壁部上。
在上述之裝置中，上述鉻層、上述銀層與上述高折射係數層較好是實質上的共形層，上述鉻層、上述銀層與上述高折射係數層較好為不具對齊於該些光敏裝置的部分。
在上述之裝置中，上述柵線較好是金屬線或陶瓷線。
在上述之裝置中，較好為更包含一影像感測器及一光學檔板層。上述影像感測器較好為置於上述半導體基板的上述正面，上述光學檔板層較好在上述影像感測器上方並對齊上述影像感測器。上述光學檔板層的形成材料較好是相同於上述柵線，且上述光學檔板層較好是實質上與上述柵線在同一水平，且上述鉻層、上述銀層與上述高折射係數層較好是延伸至上述光學檔板層的上表面與側壁。
本發明的又另一實施例是提供一種裝置的形成方法，包含：在一半導體基板的一正面上形成複數個光敏裝置；在上述半導體基板的一背面形成一網格層；圖形化上述網格層以形成複數個柵線，其中在上述柵線之間的複數個網格開口是對齊於上述光敏裝置；在上述柵線的上表面與側壁上形成一堆疊層；以及圖形化上述堆疊層而移除上述堆疊層之對齊於上述光敏裝置的部分。形成上述堆疊層的步驟包含：形成一黏著層；在上述黏著層上形成一金屬層；及在上述金屬層上形成一高折射係數層。
在上述之裝置的形成方法中，較好為更包含在上述半導體基板的上述正面形成一額外的影像感測器，其中在執行圖形化上述網格層的步驟之後，上述網格層的一部分留在上述額外的影像感測器的上方並對齊於上述額外的影像感測器，而且在執行圖形化上述堆疊層的步驟之後，上述堆疊層的一部分留在上述額外的影像感測器的上方並對齊於上述額外的影像感測器。
在上述之裝置的形成方法中，較好為：上述黏著層的形成包含形成一鉻層。
在上述之裝置的形成方法中，較好為：形成上述金屬層的步驟包含形成一銀層。
在上述之裝置的形成方法中，較好為：形成上述網格層的步驟包含形成一陶瓷層。
在上述之裝置中，較好為更包含：在圖形化上述堆疊層的步驟後，將一氧化物層填入上述網格開口；以及平坦化上述氧化物層。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
要瞭解的是本案專利說明書以下的揭露內容提供許多不同的實施例或範例，以實施本發明的不同特徵。而本說明書以下的揭露內容是敘述各個構件及其排列方式的特定範例，以求簡化發明的說明。當然，這些特定的範例並非用以限定本發明。例如，若是本說明書以下的揭露內容敘述了將一第一特徵形成於一第一特徵之上或上方，即表示其包含了所形成的上述第一特徵與上述第二特徵是直接接觸的實施例，亦包含了尚可將附加的特徵形成於上述第一特徵與上述第二特徵之間，而使上述第一特徵與上述第二特徵可能未直接接觸的實施例。另外，本說明書以下的揭露內容可能在各個範例中使用重複的元件符號，以使說明內容更加簡化、明確，但是重複的元件符號本身不會使不同的實施例及/或結構之間產生關聯。
本發明的各種例示的實施例是提供一背面發光式影像感測器晶片中的一網格結構及其形成方法。形成上述網格結構的中間階段是繪示於圖式中，並會討論到實施例的不同變化。在圖示的實施例及各幅圖式中，是對類似的元件賦予類似的元件符號。
第1~6圖是一系列的剖面圖，是顯示某些例示的實施例之背面發光式影像感測器晶片的製造方法的中間階段。第1圖是繪示一影像感測晶片20，其可以是一未切割的晶圓22的一部分。半導體基板26可以是一結晶質的矽基板或是以其他半導體材料形成的一半導體基板。在整篇說明書中，表面26A指的是半導體基板26的一正面，表面26B指的是半導體基板26的一背面。影像感測器24(包含24A與24B)是形成於半導體基板26的表面26A。影像感測器24是被設置來將光訊號(光子)轉換成電性訊號，且可以是光敏式的金氧半(Metal-Oxide-Semiconductor；MOS)電晶體或光敏式二極體。因此，個別的晶圓22可為一影像感測器晶圓。在某些例示的實施例中，影像感測器24是從表面26A延伸至半導體基板26。影像感測器24A與24B的結構可相同於彼此。
正面內連線結構28是形成於半導體基板26的上方，並用來電性連接影像感測晶片20中的裝置。正面內連線結構28包含複數個介電層30、與介電層30中的複數個金屬線32與複數個介層窗34。在整篇說明書中，在同一介電層30中的金屬線32會總稱為一金屬層。正面內連線結構28可包含複數個金屬層。在某些例示的實施例中，介電層30是包含低介電常數介電層與鈍化層。上述低介電常數介電層是具有低介電常數，例如低於3.0。上述鈍化層可以以介電常數大於3.9之非低介電常數介電層來形成。在某些實施例中，上述鈍化層包含氧化矽層與位於上述氧化矽層上的氮化矽層。
影像感測晶片20包含主動影像感測器畫素區100與黑色參考畫素區(black reference pixel region) 200。主動影像感測器畫素區100包含形成於其內的主動影像感測器24A，影像感測器24A是用來從感應到的光線產生電性訊號。影像感測器24A可形成一主動影像感測器畫素陣列，此主動影像感測器畫素陣列包含呈行列排列的複數個影像感測器。黑色參考畫素區200包含形成於其內的黑色參考影像感測器24B，黑色參考影像感測器24B是用來產生參考黑階訊號(reference black level signals)。雖然圖式僅繪示一個影像感測器24B，但實際上是具有複數個影像感測器24B。
執行一背面研磨步驟來薄化半導體基板26，將晶圓22的厚度裁減為例如小於30μm或小於5μm。藉由半導體基板26具有小的厚度值，光線可以從後表面26B穿透進入半導體基板26，而到達影像感測器24A。
在薄化的步驟之後，在半導體基板26的表面上形成緩衝層40。在某些例示的實施例中，緩衝層40包含一底部抗反射層(Bottom Anti-Reflective Coating；BARC)36、與位於底部抗反射層36上方的氧化矽層38。可瞭解緩衝層40可具有不同的結構，且可具有與圖式所示不同的層數。
將網格層42形成於緩衝層40的上方。在某些實施例中，網格層42包含至少一種金屬或一金屬合金，其中網格層42中的金屬包含鎢、鋁、銅等等。在替代性的實施例中，網格層42可以是一陶瓷層。亦可以以部分透明的材料來形成網格層42，網格層42亦可以是一導電層或一介電層。網格層42的厚度T1可例如大於500。可以瞭解在整篇說明書中揭露的尺寸均僅僅是舉例，並可能改變為不同的值。將光阻44形成於網格層42的上方，然後予以圖形化。
圖形化的光阻44是作為一蝕刻罩幕來蝕穿網格層42。請參考第2圖，網格層42的剩下的部分是形成複數個柵線46，柵線46的長度方向是平行於半導體基板26的表面26A。柵線46包含平行於彼此的複數個第一柵線與平行於彼此的複數個第二柵線。上述複數個第一柵線是與上述複數個第二柵線直交，以形成網格。複數個網格開口48是形成於柵線46之間。每個網格開口48可位於其中一個主動影像感測器24A的上方並與此主動影像感測器24A對準。圖形化的網格層42還包含位於黑色參考影像感測器24B的上方並與此黑色參考影像感測器24B對準之部分47。部分47在後文會被稱為光學檔板47，其可以是一金屬檔板或一陶瓷檔板。
第3圖與第4圖是繪示在柵線46上形成一覆層，其中此覆層包含複數個堆疊層。請參考第3圖，形成一黏著層50、一金屬反射層52以及一高折射係數層54。黏著層50、金屬反射層52、高折射係數層54的每一個可以是實質上的共形(conformal)層，各層的垂直走向部分與水平走向部分具有實質相同的厚度。在某些實施例中，黏著層50是一鉻層，但亦可使用可改善金屬反射層52與柵線46之間的黏著性的其他材料。在某些例示的實施例中，黏著層50的厚度T2可以是50~200。金屬反射層52可以是一銀層，其可由實質上的純銀形成，實質上的純銀指的是銀含量大於95%或大於99%者。在替代性的實施例中，金屬反射層52可以是一鋁層，其可由實質上的純鋁形成，實質上的純鋁指的是鋁含量大於95%或大於99%者。金屬反射層52的厚度T3可小於1000，而在某些例示的實施例中可小於500。請注意雖然厚度低於1000的金屬層可能會是部分透明的，但藉由本發明的實施例的結構，光線在金屬反射層52的表面具有近乎完美的反射，因此小厚度T3不會反而造成不同的網格之間的光學性的串音。
高折射係數層54的折射係數(n值)可大於1.5或大於2.0。在某些實施例中，是以富矽氧化物來形成高折射係數層54，其折射係數大於1.5。可藉由增加高折射係數層54中的矽的百分比來調整折射係數使其進入所欲範圍。在替代性的實施例中，高折射係數層54具有一高介電常數介電材料，其折射係數大於2.0。例示的高介電常數介電材料包含氧化鉿、氧化鑭、氧化鉭與上述之組合。高折射係數層54的厚度T4可例如為100~1,000。
請參考第4圖，對黏著層50、金屬反射層52及高折射係數層54施以圖形化。黏著層50、金屬反射層52及高折射係數層54的剩下的部分包含第一部分與第二部分，上述第一部分是在柵線46的上表面與側壁上，上述第二部分是在黑色參考畫素區200。上述第二部分可更包含一上部與側壁部，其中上述上部是在光學檔板47的上方，上述側壁部是在光學檔板47的側壁上。黏著層50、金屬反射層52及高折射係數層54之對準於主動影像感測器24A的水平部分是受到移除。
第5圖是繪示氧化物層56的形成，氧化物層56可以是使用電漿增益化學氣相沉積(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition；PECVD)而形成的一氧化矽層。在某些實施例中，是執行一平坦化步驟例如化學氣相研磨(Chemical Mechanical Polish；CMP)來使氧化物層56的上表面齊平。氧化物層56是填滿網格開口48，並可更包含位於柵線46上方的部分。在後續的製程步驟中，如第6圖所示，形成額外的構件例如彩色濾光片58與微透鏡60，其中每個彩色濾光片58與微透鏡60是對準於其中一個主動影像感測器24A。在某些實施例中，氧化物層56的折射係數是小於高折射係數層54的折射係數。高折射係數層54與氧化物層56之間的折射係數差例如可大於0.5。氧化物層56的折射係數亦可小於1.5。
第7圖是繪示柵線46及其上的黏著層50、金屬反射層52、高折射係數層54的放大圖。箭號62是代表例示的光線方向。金屬反射層52的表面52A是將光線62反射。在某些實施例中，反射率是大於95%，且亦可能大於98%。因此，有大量的光線被反射且被個別的主動影像感測器24A接收。藉此，提升了量子效率。另外，隨著有愈多的光線在金屬反射層52的表面上被反射，可穿透柵線46而到達相鄰的網格的光線則愈少。因此，減少了光學上的串音，並增加了信噪比(signal-to-noise ratio)。
請再度參考第6圖，黏著層50、金屬反射層52及高折射係數層54亦被形成於黑色參考畫素區200。因此，黏著層50、金屬反射層52、高折射係數層54及其下方的光學檔板47改善了防止光線穿透的能力。
本發明的一實施例是提供一種裝置，包含：一半導體基板、一第一光敏裝置、彼此平行的一第一柵線(grid line)與一第二柵線、一黏著層、一金屬層以及一高折射係數層。上述半導體基板是具有一正面與一背面，上述第一光敏裝置是設置在該半導體基板的該正面上，上述第一柵線與上述第二柵線是在上述半導體基板的上述背面上並置於上述半導體基板上，上述金屬層是在該黏著層上，上述高折射係數層是在上述金屬層上。上述黏著層、上述金屬層與上述高折射係數層是實質上共形(conformal)的，並延伸至上述第一及第二柵線的上表面與側壁。
本發明的另一實施例是提供一種裝置，包含：一半導體基板、複數個柵線、複數個光敏裝置、一鉻層、一銀層以及一高折射係數層。上述半導體基板是具有一正面與一背面，上述柵線是在該半導體基板的該背面上並形成複數個網格(grid)。上述光敏裝置是在上述柵線之間的複數個網格開口的下方並對齊上述網格開口。上述光敏裝置是在上述半導體基板的上述正面，並被安裝來接受來自上述半導體基板的上述背面的光線並將上述光線轉換成一電性訊號。上述鉻層是具有複數個鉻層上表面部與複數個鉻層側壁部，上述鉻層上表面部是在上述柵線的上表面上，上述鉻層側壁部是在上述柵線的側壁上。上述銀層是具有複數個銀層上表面部與複數個銀層側壁部，上述銀層上表面部是在上述鉻層上表面部上，上述銀層側壁部是在上述鉻層側壁部上。上述高折射係數層是具有複數個高折射係數層上表面部與複數個高折射係數層側壁部，上述高折射係數層上表面部是在上述銀層上表面部上，上述高折射係數層側壁部是在上述銀層側壁部上。
本發明的又另一實施例是提供一種裝置的形成方法，包含：在一半導體基板的一正面上形成複數個光敏裝置；在上述半導體基板的一背面形成一網格層；圖形化上述網格層以形成複數個柵線，其中在上述柵線之間的複數個網格開口是對齊於上述光敏裝置；在上述柵線的上表面與側壁上形成一堆疊層；以及圖形化上述堆疊層而移除上述堆疊層之對齊於上述光敏裝置的部分。形成上述堆疊層的步驟包含：形成一黏著層；在上述黏著層上形成一金屬層；及在上述金屬層上形成一高折射係數層。
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，任何本發明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，當可作些許之更動與潤飾，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
24‧‧‧影像感測器
24A‧‧‧影像感測器
24B‧‧‧影像感測器
26‧‧‧半導體基板
26A‧‧‧表面
26B‧‧‧表面
28‧‧‧正面內連線結構
30‧‧‧介電層
32‧‧‧金屬線
34‧‧‧介層窗
36‧‧‧底部抗反射層
38‧‧‧氧化矽層
40‧‧‧緩衝層
42‧‧‧網格層
44‧‧‧光阻
46‧‧‧柵線
47‧‧‧部分(光學檔板)
48‧‧‧網格開口
50‧‧‧黏著層
52‧‧‧金屬反射層
52A‧‧‧表面
54‧‧‧高折射係數層
56‧‧‧氧化物層
58‧‧‧彩色濾光片
60‧‧‧微透鏡
62‧‧‧光線(箭號)
100‧‧‧主動影像感測器畫素區
200‧‧‧黑色參考畫素區
第1圖是一剖面圖，是顯示某些例示的實施例之背面發光式影像感測器晶片的製造方法的中間階段。
第2圖是一剖面圖，是顯示某些例示的實施例之背面發光式影像感測器晶片的製造方法的中間階段。
第3圖是一剖面圖，是顯示某些例示的實施例之背面發光式影像感測器晶片的製造方法的中間階段。
第4圖是一剖面圖，是顯示某些例示的實施例之背面發光式影像感測器晶片的製造方法的中間階段。
第5圖是一剖面圖，是顯示某些例示的實施例之背面發光式影像感測器晶片的製造方法的中間階段。
第6圖是一剖面圖，是顯示某些例示的實施例之背面發光式影像感測器晶片的製造方法的中間階段。
第7圖是一示意圖，是顯示在網格結構上的光徑(light path)。
20‧‧‧影像感測晶片
22‧‧‧晶圓
24A‧‧‧影像感測器
24B‧‧‧影像感測器
26‧‧‧半導體基板
26A‧‧‧表面
26B‧‧‧表面
28‧‧‧正面內連線結構
36‧‧‧底部抗反射層
38‧‧‧氧化矽層
46‧‧‧柵線
47‧‧‧部分(光學檔板)
50‧‧‧黏著層
52‧‧‧金屬反射層
54‧‧‧高折射係數層
56‧‧‧氧化物層
58‧‧‧彩色濾光片
60‧‧‧微透鏡
100‧‧‧主動影像感測器畫素區
200‧‧‧黑色參考畫素區
Claims (10)
- 一種影像感測晶片，包含：一半導體基板，具有一正面與一背面；一第一光敏裝置，設置在該半導體基板的該正面上；彼此平行的一第一柵線(grid line)與一第二柵線，其中該第一柵線與該第二柵線是在該半導體基板的該背面上並置於該半導體基板上；一黏著層；一金屬層，在該黏著層上；以及一高折射係數層在該金屬層上，其中該黏著層、該金屬層與該高折射係數層是實質上共形(conformal)的，並延伸至該第一及第二柵線的上表面與側壁。
- 如申請專利範圍第1項所述之影像感測晶片，其中該第一光敏裝置是置於該第一柵線與該第二柵線之間的一空間的下方並對齊於該空間，且該黏著層、該金屬層與該高折射係數層是不具有位於該第一光敏裝置上方且與該第一光敏裝置對齊的部分。
- 如申請專利範圍第1項所述之影像感測晶片，其中：該黏著層包含鉻；該金屬層包含銀；該第一柵線與該第二柵線包含一陶瓷；以及該高折射係數層包含氧化矽且其折射係數大於1.5或包含一高介電常數介電材料且其折射係數大於2.0。
- 如申請專利範圍第1項所述之影像感測晶片，更包含： 一第二光敏裝置，設置在該半導體基板的該正面上；以及一光學檔板層在該第二光敏裝置上方並對齊於該第二光敏裝置，其中該光學檔板層的形成材料是相同於該第一柵線與該第二柵線，且該光學檔板層實質上與該第一柵線及該第二柵線在同一水平，且該黏著層、該金屬層與該高折射係數層是延伸至該光學檔板層的上表面。
- 一種影像感測晶片，包含：一半導體基板，具有一正面與一背面；複數個柵線在該半導體基板的該背面上並形成複數個網格(grid)；複數個光敏裝置在該些柵線之間的複數個網格開口的下方並對齊於該些網格開口，其中該些光敏裝置是在該半導體基板的該正面，並被安裝來接受來自該半導體基板的該背面的光線並將該光線轉換成一電性訊號；一鉻層，具有複數個鉻層上表面部與複數個鉻層側壁部，該些鉻層上表面部是在該些柵線的上表面上，該些鉻層側壁部是在該些柵線的側壁上；一銀層，具有複數個銀層上表面部與複數個銀層側壁部，該些銀層上表面部是在該些鉻層上表面部上，該些銀層側壁部是在該些鉻層側壁部上；以及一高折射係數層，具有複數個高折射係數層上表面部與複數個高折射係數層側壁部，該些高折射係數層上表面部是在該些銀層上表面部上，該些高折射係數層側壁部是在該些銀層側壁部上。
- 如申請專利範圍第5項所述之影像感測晶片，其中該鉻層、該銀層與該高折射係數層是實質上的共形層，且該鉻層、該銀層與該高折射係數層不具對齊於該些光敏裝置的部分。
- 如申請專利範圍第5項所述之影像感測晶片，其中該些柵線是金屬線或陶瓷線。
- 如申請專利範圍第5項所述之影像感測晶片，更包含：一影像感測器置於該半導體基板的該正面；以及一光學檔板層在該影像感測器上方並對齊於該影像感測器，其中該光學檔板層的形成材料是相同於該些柵線，且該光學檔板層實質上與該些柵線在同一水平，且該鉻層、該銀層與該高折射係數層是延伸至該光學檔板層的上表面與側壁。
- 一種影像感測晶片的形成方法，包含：在一半導體基板的一正面上形成複數個光敏裝置；在該半導體基板的一背面形成一網格層；圖形化該網格層以形成複數個柵線，其中在該些柵線之間的複數個網格開口是對齊於該些光敏裝置；在該些柵線的上表面與側壁上形成一堆疊層；以及圖形化該堆疊層而移除該堆疊層之對齊於該些光敏裝置的部分；其中形成該堆疊層的步驟包含：形成一黏著層；在該黏著層上形成一金屬層；以及在該金屬層上形成一高折射係數層。
- 如申請專利範圍第9項所述之影像感測晶片的形成方法，更包含在該半導體基板的該正面形成一額外的影像感測器，其中在執行圖形化該網格層的步驟之後，該網格層的一部分留在該額外的影像感測器的上方並對齊於該額外的影像感測器，而且在執行圖形化該堆疊層的步驟之後，該堆疊層的一部分留在該額外的影像感測器的上方並對齊於該額外的影像感測器。
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