Bsi圖像傳感器晶片中的焊盤結構的製作方法
2024-01-29 14:01:15 1
專利名稱：Bsi圖像傳感器晶片中的焊盤結構的製作方法
技術領域：
本發明涉及半導體領域，更具體地，本發明涉及一種BSI圖像傳感器晶片中的焊
盤結構。
背景技術：
為了捕獲光子的更高效率，用背照式(BSI)圖像傳感器晶片替換前照式傳感器晶片。在BSI圖像傳感器晶片的形成中，在晶圓的矽襯底上方形成圖像傳感器和邏輯電路，然後在矽晶片的正面上形成互連結構。互連結構包括多個金屬層，該多個金屬層包括底部金屬層Ml至頂部金屬層Mtop。然後，翻轉該晶圓，在矽襯底上從矽襯底的背面實施背面研磨。可以在保留的矽襯 底的背面的上方形成氧化物緩衝層，並且形成從氧化物緩衝層延伸的第一開口，在矽襯底中形成的淺溝槽隔離(STI)焊盤處停止。然而，在第一開口內部形成第二開口，從而進一步蝕刻STI焊盤和層間電介質(ILD)，該層間電介質位於STI焊盤的蝕刻部分正下方，從而將位於底部金屬層Ml中的金屬焊盤暴露出來。第二開口小於第一開口。然後，在第一開口和第二開口中形成鋁銅焊盤，並且該鋁銅焊盤電連接至位於金屬層Ml中的金屬焊盤。可以將鋁銅焊盤用於與BSI晶片相接合。過去發現，傳統的接合結構可能在球剪切試驗期間經受膜剝離。位於底部金屬層Ml中的金屬焊盤可能與下層蝕刻停止層分層，其中，金屬焊盤接合至鋁銅焊盤。可能由於在金屬焊盤和蝕刻停止層(通常由碳化矽形成)之間的劣質粘結導致剝離。
發明內容
為了解決現有技術中所存在的問題，根據本發明的一個方面，提供了一種集成電路結構，包括半導體襯底，包括正面和背面；低k介電層，位於所述半導體襯底的正面上；非低k介電層,位於所述低k介電層上；金屬焊盤,位於所述非低k介電層上；開口，從所述半導體襯底的背面延伸，穿透所述半導體襯底、所述非低k介電層、以及所述低k介電層，其中，所述開口暴露出所述金屬焊盤的表面；以及鈍化層，形成在所述開口的側壁和底部上，其中，位於所述開口的底部上的所述鈍化層部分地覆蓋了所述金屬焊盤所暴露出的表面。在該集成電路結構中，進一步包括介電焊盤，從所述半導體襯底的正面延伸到所述半導體襯底中，其中，所述開口進一步穿透所述介電焊盤。在該集成電路結構中，進一步包括圖像傳感器，被設置在所述半導體襯底的正面上。在該集成電路結構中，進一步包括凸塊，位於所述開口中，並且電連接至所述金
屬焊盤。在該集成電路結構中，述凸塊與所述金屬焊盤物理接觸。在該集成電路結構中，進一步包括金屬屏蔽層，位於所述半導體襯底的背面上。
在該集成電路結構中，所述鈍化層延伸以覆蓋所述金屬屏蔽層。
在該集成電路結構中，進一步包括粘合層，位於所述金屬焊盤和所述非低k介電層之間，其中，所述開口延伸到所述粘合層中。根據本發明的另一方面，提供了一種集成電路結構，包括半導體襯底；淺溝槽隔離(STI)焊盤，從所述半導體襯底的正面延伸到所述半導體襯底中；圖像傳感器，被設置在所述半導體襯底的正面上；多層介電層，覆蓋所述圖像傳感器和所述半導體襯底的正面；金屬焊盤，覆蓋所述多層介電層；開口，從所述半導體襯底的背面延伸到所述半導體襯底的正面，穿過所述STI焊盤和所述多層介電層，並且暴露出所述金屬焊盤的一部分；以及鈍化層，形成在所述開口的側壁和底部上，其中，位於所述開口的底部上的所述鈍化層部分地覆蓋了所述金屬焊盤所暴露出的部分。在該集成電路結構中，所述多層介電層包括至少一層低k介電層，位於所述半導體襯底的正面上方；以及第一非低k介電層，位於所述至少一層低k介電層上。在該集成電路結構中，進一步包括第二非低k介電層，位於所述第一非低k介電層上方。 在該集成電路結構中，進一步包括第一粘合層，位於所述金屬焊盤和所述第一非低k介電層之間；以及第二粘合層，位於所述金屬焊盤和所述第二非低k介電層之間。在該集成電路結構中，進一步包括凸塊，位於所述開口中，並且與所述金屬焊盤物理接觸。在該集成電路結構中，所述金屬焊盤包含鋁。根據本發明的又一方面，提供了一種背照式圖像傳感器器件，包括半導體襯底，包括正面和背面；多層介電層，位於所述半導體襯底的正面上；金屬焊盤，位於所述多層介電層上；開口，從所述半導體襯底的背面延伸，穿透所述半導體襯底和所述多層介電層，暴露出所述金屬焊盤的一部分；以及凸塊，形成在所述開口中，以電連接至所述金屬焊盤。在該背照式圖像傳感器器件中，進一步包括鈍化層，位於所述凸塊和所述多層介電層之間。在該背照式圖像傳感器器件中，進一步包括圖像傳感器，形成在所述半導體襯底的正面上，並且被所述多層介電層覆蓋。在該背照式圖像傳感器器件中，進一步包括淺溝槽隔離件，形成在所述半導體襯底的正面上，其中，所述開口穿透所述淺溝槽隔離件。在該背照式圖像傳感器器件中，進一步包括金屬屏蔽層，位於所述半導體襯底的背面上。在該背照式圖像傳感器器件中，所述金屬焊盤包含鋁。
為了更好地理解實施例及其優點，現在將結合附圖所進行的以下描述作為參考，其中圖I至圖6為根據各個實施例的製造背照式圖像傳感器晶圓的接合焊盤結構的中間階段的橫截面圖。
具體實施方式
下面，詳細論述本發明實施例的製造和使用。然而，應該理解，本實施例提供了許多可以在各種具體環境中實現的可應用的發明概念。所論述的具體實施例僅僅示出製造和使用本發明的具體方式，而不用於限制本公開的範圍。根據各個實施例提供了一種用於背照式(BSI)圖像傳感器器件的焊盤結構及其形成方法。示出了形成BSI焊盤結構的中間階段。論述了形成BSI焊盤結構的中間階段。論述了實施例的變型例。在整個附圖和所描述的實施例中，使用相同的參考標號表示相同的元件。圖I至圖6示出了根據一些實施例的製造焊盤結構的中間階段的橫截面圖。圖I示出了圖像傳感器晶片20，該圖像傳感器晶片可以為晶圓22的一部分。圖像傳感器晶片20包括半導體襯底26，該半導體襯底可以為由其他半導體材料形成的晶體矽襯底或半導體襯底。在通篇描述中，表面26A稱為半導體襯底26的正面，表面26B稱為半導體襯底26的背面。在半導體襯底26的表面處形成圖像傳感器24，該圖像傳感器可以為感光MOS電晶體或者感光二極體。因此，晶圓22可以為圖像傳感器晶圓。在通篇描述中，將圖像傳感器24所在的側面稱作半導體襯底的前面，並且將相反側面稱作半導體襯底26的背面。介電焊盤36 從半導體襯底26的頂面(該頂面為正面26A)延伸到半導體襯底26中，該介電焊盤可以為淺溝槽隔離(STI) 44焊盤。在半導體襯底26的上方形成互連結構28，將該互連結構用於將圖像傳感器晶片20中的器件電互連。互連結構28包括形成在半導體襯底26上方的層間介電層(ILD) 25，其中，可以在ILD 25中形成接觸塞(未示出)。金屬層包括位於介電層30中的金屬線/焊盤32和通孔34。圖像傳感器24可以電連接至金屬層Ml至Mtop中的金屬焊盤/線32和通孔34。將金屬層標記為M1、M2...以及Mtop,其中，金屬層Ml為互連結構28的底部金屬層，並且金屬層Mtop為互連結構28的頂部金屬層。在所示的實施例中，具有四個金屬層，並且金屬層Mtop為M4。然而，晶圓22可以包括更多或更少的金屬層。在實施例中，在介電層30中形成金屬層Ml至Mtop的金屬線32和通孔34，該介電層30具有低k值，例如，該低k值低於約3. O,或者低於約2. 5。介電層38形成在頂部金屬層Mtop上方。介電層38可以由非低k介電材料形成，該非低k介電材料具有大於3. 9的k值。在實施例中，介電層38由諸如未摻雜的娃玻璃(USG)、摻硼矽玻璃(BSG)、摻磷矽酸鹽玻璃(PSG)、或者摻硼磷矽酸鹽玻璃(BPSG)等的氧化物。介電層38還可以由氧化矽層和氧化矽層上的氮化矽層形成。粘合層40形成在介電層38上方，並且延伸到介電層38中的開口中，從而與金屬線32電連接,該金屬線位於金屬層Mtop中。在實施例中，粘合層40由鉭、氮化鉭、鈦、或氮化鈦等形成。金屬部件44形成在粘合層40上方，該金屬部件包括金屬焊盤44A和金屬線44B。金屬部件44可以包含鋁、鋁銅等。粘合層40可以位於介電層38和金屬部件44之間，並且與該介電層和金屬部件相接觸。還可以在金屬部件44的上方形成粘合層46，其中，粘合層46可以由鉭、氮化鉭、鈦、或者氮化鈦等形成。粘合層40和46以及金屬部件44的形成可以包括形成第一粘合層，在第一粘合層上方形成金屬層，在金屬層上方形成第二粘合層，以及使用相同的掩模圖案化第一粘合層、金屬層、和第二粘合層。因此，粘合層40和46以及金屬部件44可以為共邊界，其中，其相應邊緣相互垂直對準。
鈍化層47形成在粘合層46和介電層38上方。與介電層38類似，鈍化層47可以由非低k介電材料形成，該非低k介電材料具有大於3. 9的k值。在實施例中，鈍化層47由諸如USG、BSG、或者BPSG等的氧化物形成。例如，鈍化層47還可以由氧化矽層和位於氧化娃層上方的氮化娃層形成。鈍化層47完全封裝(encapsulate) 了粘合層40和46以及金屬部件44。參考圖2，翻轉晶圓2，並且將該晶圓附接至位於晶圓22下方的載體(未示出)。因此，在圖I中所示的部件中的每個的頂面變成底面，反之亦然。在圖2中，半導體襯底26面朝上。實施例如背面掩模，從而薄化半導體襯底26，直到晶圓22的厚度小於約20μ tm，或者小於約ΙΟμπι。標記生成的半導體襯底26的背面26Β。在該厚度處，光可以從半導體襯底26的背面(該背面與正面相反)穿透剩餘的半導體襯底26，並且到達圖像傳感器24。在薄化以後，可以在半導體襯底26的背面上方形成氧化物緩衝層48。在實施例中，氧化物緩衝層48包括氧化矽層、位於氧化矽層上方的底部防反射塗覆(BARC)層、以及位於BARC層上方的另一氧化層，但是緩衝層48可以具有不同結構，並且該緩衝層可以由不同材料形成。在晶圓22的上方形成掩模50，然後圖案化該掩模，該掩模可以為光刻膠。
參考圖3，蝕刻氧化物緩衝層48和半導體襯底26，從而形成開口 52。然後，去除掩模50。在蝕刻步驟中，將STI焊盤36用作蝕刻停止層，並且在STI焊盤36上蝕刻停止。因此，通過開口 52暴露出STI焊盤36的頂面。圖4示出了金屬屏蔽層55和氧化物緩衝層56的形成。在實施例中，金屬屏蔽層55的形成包括形成金屬層，然後，圖案化金屬層，從而將金屬屏蔽層55保留在半導體襯底26的一部分上方,使得金屬屏蔽層55可以防止光到達器件的一部分(例如，電晶體,未不出)，該器件位於金屬屏蔽層55正下方。金屬屏蔽層55可以包含鋁和/或銅。在形成金屬屏蔽層55以後，形成氧化物緩衝層56。氧化物緩衝層56可以由與氧化物緩衝層48的材料類似的材料形成。氧化物緩衝層56包括位於半導體襯底26正上方的第一部分，和延伸到開口 52中的第二部分。第二部分進一步包括位於半導體襯底26的側壁上的部分，和位於STI焊盤36正上方的部分。接下來，如圖5所示，形成和圖案化光刻膠58，並且使用光刻膠58作為掩模蝕刻STI焊盤36。因此，形成開口 60。注意，為了示出金屬層的細節，所示開口 60的長寬比大於在實際晶圓上形成的實際開口的長寬比。實際開口的水平尺寸可以顯著大於開口 60的高度(比如開口 60的幾十倍)。在蝕刻步驟期間，還蝕刻低k介電層30和非低k介電層38，並且該蝕刻停止於金屬焊盤44A上方。可以在蝕刻步驟期間將粘合層40的暴露於開口 60的部分去除。結果，金屬焊盤44A暴露於開口 60。然後，去除光刻膠58。在生成的結構中，開口 52和60形成連續開口。圖6示出了鈍化層62的形成，該鈍化層可以由氧化物層(例如，氧化矽層)和位於氧化物層上方的氮化物層(例如，氮化矽層)形成。鈍化層62在氧化物緩衝層56的頂面上延伸，並且延伸到開口 52和60中。鈍化層62包括位於開口 60的側壁上的部分，從而保護了低k介電層30免於受潮。執行圖案化步驟，從而去除了位於開口 60的底部處的鈍化層62的部分，並且暴露出金屬焊盤44A。另外，可以從圖像傳感器24的正上方去除鈍化層62。因此，光(標示為曲線箭頭70)可以穿透氧化物緩衝層48/56和半導體襯底26，到達圖像傳感器24，該圖像傳感器將光信號轉換為電信號。
在實施例中，實施引線接合，從而形成引線接合凸塊68，將該引線接合凸塊接合至金屬焊盤44A。引線接合凸塊68可以包括金、鋁等。可以在將晶圓22切割為圖像傳感器晶片以後實施引線接合。在生成的結構中，引線接合凸塊68可以與金屬焊盤44A物理接觸。在實施例中，將引線接合凸塊68接合至金屬凸塊44A,該金屬焊盤進一步位於粘合層46上方。粘合層46具有與鈍化層47和金屬焊盤44A的良好粘性。因此，該接合具有比傳統接合更好的機械強度。在傳統接合中，在底部金屬層Ml中的金屬部件上方形成引線接合凸塊，其中，由於劣質粘結，還由於低k介電材料的缺點，金屬部件可能與下層蝕刻停止層分層。根據實施例，一種集成電路結構包括半導體襯底；以及介電焊盤，從半導體襯底的低面向上延伸到半導體襯底中。低k介電層被設置在半導體襯底下方。第一非低k介電層位於低k介電層下方。金屬焊盤位於第一非低k介電層下方。第二非低k介電層位於金屬焊盤下方。開口從半導體襯底的頂面向下延伸，穿透半導體襯底、介電焊盤、以及低k介電層，其中，開口位於金屬焊盤的頂面上。鈍化層包括位於開口的側壁上的一部分，其中，位於開口底部上的鈍化層的部分。·根據其他實施例，集成電路結構包括半導體襯底。STI焊盤從半導體襯底的底面延伸到半導體襯底中。圖像傳感器被設置在半導體襯底的底面上。多個低k介電層位於半導體襯底下方。第一非低k介電層位於低k介電層下方。金屬焊盤位於第一非低k介電層下方。第一開口從半導體襯底的頂面延伸到STI焊盤的頂面。第二開口從STI焊盤的頂面延伸到金屬焊盤的頂面，其中，第一開口連接至第二開口，從而形成連續開口。鈍化層被形成為具有位於半導體襯底的正上方的第一部分，和位於第一開口的側壁上和第二開口的側壁上的第二部分。鈍化層具有位於第二開口底部上的開口。根據又一實施例，一種方法包括從半導體襯底的背面蝕刻半導體襯底,從而形成第一開口。第一開口停止於半導體襯底中的STI焊盤的頂面處。然後，蝕刻STI焊盤、位於STI焊盤下方的低k介電層、和位於低k介電層下方的非低k介電層，從而形成第二開口，其中，通過第二開口暴露出非低k介電層下方的金屬焊盤的頂面。第一開口和第二開口形成連續開口。在半導體襯底的上方形成鈍化層，其中，鈍化層在第一開口的側壁和底部以及第二開口的底部上延伸。從第二開口的底部去除鈍化層的底部，從而暴露出金屬焊盤，其中，鈍化層的側壁部分沒有被去除。儘管已經詳細地描述了本實施例及其優勢，但應該理解，可以在不背離所附權利要求限定的本實施例的主旨和範圍的情況下，做各種不同的改變，替換和更改。而且，本申請的範圍並不僅限於本說明書中描述的工藝、機器、製造、材料組分、裝置、方法和步驟的特定實施例。作為本領域普通技術人員應理解，通過本發明，現有的或今後開發的用於執行與本文所述相應實施例基本相同的功能或獲得基本相同結果的工藝、機器、製造，材料組分、裝置、方法或步驟根據本發明可以被使用。因此，所附權利要求應該包括在這樣的工藝、機器、製造、材料組分、裝置、方法或步驟的範圍內。此外，每條權利要求構成單獨的實施例，並且多個權利要求和實施例的組合在本發明的範圍內。
權利要求
1.一種集成電路結構，包括 半導體襯底，包括正面和背面； 低k介電層，位於所述半導體襯底的正面上； 非低k介電層，位於所述低k介電層上； 金屬焊盤，位於所述非低k介電層上； 開口，從所述半導體襯底的背面延伸，穿透所述半導體襯底、所述非低k介電層、以及所述低k介電層，其中，所述開口暴露出所述金屬焊盤的表面；以及 鈍化層，形成在所述開口的側壁和底部上，其中，位於所述開口的底部上的所述鈍化層部分地覆蓋了所述金屬焊盤所暴露出的表面。
2.根據權利要求I所述的集成電路結構，進一步包括介電焊盤，從所述半導體襯底的正面延伸到所述半導體襯底中，其中，所述開口進一步穿透所述介電焊盤，或者 進一步包括圖像傳感器，被設置在所述半導體襯底的正面上，或者
3.根據權利要求I所述的集成電路結構，進一步包括凸塊，位於所述開口中，並且電連接至所述金屬焊盤，並且 其中，所述凸塊與所述金屬焊盤物理接觸。
4.根據權利要求I所述的集成電路結構，進一步包括金屬屏蔽層，位於所述半導體襯底的背面上，並且 其中，所述鈍化層延伸以覆蓋所述金屬屏蔽層。
5.根據權利要求I所述的集成電路結構，進一步包括粘合層，位於所述金屬焊盤和所述非低k介電層之間，其中，所述開口延伸到所述粘合層中。
6.一種集成電路結構，包括 半導體襯底； 淺溝槽隔離(STI)焊盤，從所述半導體襯底的正面延伸到所述半導體襯底中； 圖像傳感器，被設置在所述半導體襯底的正面上； 多層介電層，覆蓋所述圖像傳感器和所述半導體襯底的正面； 金屬焊盤，覆蓋所述多層介電層； 開口，從所述半導體襯底的背面延伸到所述半導體襯底的正面，穿過所述STI焊盤和所述多層介電層，並且暴露出所述金屬焊盤的一部分；以及 鈍化層，形成在所述開口的側壁和底部上，其中，位於所述開口的底部上的所述鈍化層部分地覆蓋了所述金屬焊盤所暴露出的部分。
7.根據權利要求6所述的集成電路結構，其中，所述多層介電層包括至少一層低k介電層，位於所述半導體襯底的正面上方；以及第一非低k介電層，位於所述至少一層低k介電層上，並且 進一步包括第二非低k介電層,位於所述第一非低k介電層上方,並且 進一步包括 第一粘合層，位於所述金屬焊盤和所述第一非低k介電層之間；以及 第二粘合層，位於所述金屬焊盤和所述第二非低k介電層之間。
8.根據權利要求6所述的集成電路結構，進一步包括凸塊，位於所述開口中，並且與所述金屬焊盤物理接觸，或者其中，所述金屬焊盤包含鋁。
9.一種背照式圖像傳感器器件，包括 半導體襯底，包括正面和背面； 多層介電層，位於所述半導體襯底的正面上； 金屬焊盤，位於所述多層介電層上； 開口，從所述半導體襯底的背面延伸，穿透所述半導體襯底和所述多層介電層，暴露出所述金屬焊盤的一部分；以及 凸塊，形成在所述開口中，以電連接至所述金屬焊盤。
10.根據權利要求9所述的背照式圖像傳感器器件，進一步包括鈍化層，位於所述凸塊和所述多層介電層之間，或者 進一步包括圖像傳感器，形成在所述半導體襯底的正面上，並且被所述多層介電層覆蓋，或者 進一步包括淺溝槽隔離件，形成在所述半導體襯底的正面上，其中，所述開口穿透所述淺溝槽隔離件，或者 進一步包括金屬屏蔽層，位於所述半導體襯底的背面上，或者 其中，所述金屬焊盤包含鋁。
全文摘要
一種集成電路結構包括半導體襯底；以及介電焊盤，該介電焊盤從半導體襯底的底面向上延伸到半導體襯底中。低k介電層被設置在半導體襯底下方。第一非低k介電層位於低k介電層下方。金屬焊盤位於第一非低k介電層下方。第二非低k介電層位於金屬焊盤下方。開口從半導體襯底的頂面向下延伸，從而穿透半導體襯底、介電焊盤、以及低k介電層，其中，開口位於金屬焊盤的頂面上方。鈍化層的一部分位於開口的側壁上，其中，位於開口的底部的鈍化層的一部分被去除。本發明還提供了一種BSI圖像傳感器晶片中的焊盤結構。
文檔編號H01L27/146GK102915991SQ20111035306
公開日2013年2月6日 申請日期2011年11月9日 優先權日2011年8月4日
發明者林政賢, 楊敦年, 劉人誠, 王文德, 蔡雙吉, 林月秋 申請人:臺灣積體電路製造股份有限公司