Cis芯片及其形成方法

文档序号:7256345阅读:873来源:国知局
Cis芯片及其形成方法
【专利摘要】一种器件包括半导体衬底、位于半导体衬底的正面处的图像传感器以及位于图像传感器上方的多个介电层。滤色器和微透镜设置在多个介电层上方并且与图像传感器对准。通孔穿透半导体衬底。再分布线(RDL)设置在多个介电层上方,其中,RDL与通孔电连接。聚合物层覆盖RDL。本发明还提供了CIS芯片及其形成方法。
【专利说明】CIS芯片及其形成方法
【技术领域】
[0001]本发明一般地涉及半导体【技术领域】,更具体地来说,涉及半导体器件及其形成方法。
【背景技术】
[0002]自集成电路发明以来,由于各种电子部件(即,晶体管、二极管、电阻器、电容器等)的集成密度的不断改进,半导体工业经历了持续的快速增长。在极大程度上,集成密度上的这种改进是由于最小部件尺寸的不断减小,从而允许更多的部件被集成到给定的芯片面积中。
[0003]这些集成度改进实际上基本上是二维(2D)的,因此集成部件所占据的体积基本上位于半导体晶圆的表面上。尽管光刻方面的显著改进导致2D集成电路形成大幅改进,但是存在以二维实现的密度的物理限制。这些限制之一是制造这些部件所需的最小尺寸。此夕卜,当将更多的器件置于一个芯片中时,需要更复杂的设计。
[0004]随着器件数目的增加,其他限制来自于器件之间的互连的数目和长度的大幅增力口。当互连的数目和长度增加时,电路RC延迟和功耗都增加。
[0005]在用于解决上述局限性的各种努力中,三维集成电路(3DIC)和堆叠管芯是最常用的。硅通孔(TSV)通常用在3DIC和用于连接管芯的堆叠管芯中。在这种情况下,TSV用于将管芯上的集成电路连接至该管芯的背面。此外,TSV还可以用来提供短接地路径以将集成电路中的地线连接至该管芯的背面。

【发明内容】

[0006]为了解决现有技术中所存在的缺陷,根据本发明的一方面,提供了一种器件,包括:半导体衬底;图像传感器,位于所述半导体衬底的正面处;多个介电层,位于所述图像传感器上方;通孔,穿透所述半导体衬底;第一再分布线(RDL),位于所述多个介电层上方,所述RDL与所述通孔电连接;以及聚合物层,覆盖所述第一 RDL。
[0007]在该器件中,所述聚合物层与所述第一 RDL的顶面和侧壁接触。
[0008]在该器件中,所述聚合物层包括感光聚合物。
[0009]该器件进一步包括:微透镜,位于所述多个介电层上方;以及氧化物层,位于所述微透镜上方。
[0010]在该器件中,所述氧化物层进一步包括位于所述聚合物层的顶面上的部分。
[0011]在该器件中,所述聚合物层没有与所述微透镜重叠的部分。
[0012]在该器件中,所述通孔进一步穿透所述多个介电层,并且所述通孔的顶端与所述第一 RDL接触。
[0013]该器件进一步包括:第二 RDL,位于所述半导体衬底的背面上;以及电连接件,位于所述半导体衬底的背面上,所述电连接件与所述第二 RDL和所述通孔电连接。
[0014]根据本发明的另一方面,提供了一种器件,包括:半导体衬底;图像传感器阵列,位于所述半导体衬底的正面处;互连结构,位于所述图像传感器上方,所述互连结构包括:多个介电层;和钝化层,位于所述多个介电层上方;多个通孔,穿透所述半导体衬底、所述多个介电层和所述钝化层;多条再分布线(RDL),位于所述钝化层上方;聚合物层,位于所述多条RDL的顶面和侧壁上;以及多个电连接件,位于所述半导体衬底的下方,所述多个电连接件通过所述多个通孔与所述多条RDL电连接。
[0015]在该器件中,所述多个电连接件包括焊料区。
[0016]该器件进一步包括:多个金属焊盘,位于所述钝化层下方和所述半导体衬底上方,所述多个金属焊盘通过所述多条RDL和所述多个通孔与所述多个电连接件电连接。
[0017]该器件进一步包括:多个滤色器,位于所述多个介电层上方;以及多个微透镜,位于所述多个滤色器上方,所述多个滤色器中的每一个滤色器和所述多个微透镜中的每一个微透镜都与所述图像传感器阵列中的图像传感器对准。
[0018]在该器件中,没有含焊料的连接件位于所述钝化层上方。
[0019]在该器件中,所述聚合物层包括相互分离的多个离散部分,每一个离散部分都覆盖所述多条RDL中的一条。
[0020]在该器件中,所述聚合物层与所述图像传感器阵列不重叠。
[0021]根据本发明的又一方面,提供了一种方法,包括:蚀刻多个介电层和所述多个介电层下方的半导体衬底以形成通孔开口,其中,在所述半导体衬底的顶面处形成图像传感器,并且所述通孔开口从所述顶面延伸至所述半导体衬底中;填充所述通孔开口以形成通孔;形成位于所述通孔上方并且电连接至所述通孔的再分布线(RDL);形成位于所述多个介电层上方并与所述图像传感器对准的滤色器和微透镜;形成覆盖所述RDL的聚合物层;以及图案化所述聚合物层以去除所述聚合物层与所述微透镜重叠的第一部分,其中,在所述图案化步骤之后,保留所述聚合物层与所述RDL重叠的第二部分。
[0022]该方法进一步包括:减薄所述半导体衬底以暴露所述通孔;以及形成与所述通孔电连接的电连接件,所述电连接件和所述聚合物层位于所述半导体衬底的相对侧。
[0023]该方法进一步包括:在形成所述微透镜的步骤之后,在所述微透镜上方形成氧化物层;以及在减薄步骤之前,将载具附接至所述氧化物层。
[0024]该方法进一步包括:切割包括所述半导体衬底的晶圆,在切割步骤之后,在所述微透镜上保留所述氧化物层。
[0025]该方法进一步包括:在所述多个介电层和所述半导体衬底中形成多个通孔,其中,在图案化所述聚合物层的步骤之后,所述聚合物层的剩余部分包括多个相互分离的离散部分,并且每一个离散部分都位于所述多个通孔中的一个上方。
【专利附图】

【附图说明】
[0026]为了更充分地理解实施例及其优点,现在将结合附图所进行的以下描述作为参照,其中:
[0027]图1至图16A是根据一些示例性实施例处于制造互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器(CIS)芯片的中间阶段的截面图;以及
[0028]图16B和16C是根据示例性实施例CIS芯片的俯视图。【具体实施方式】
[0029]在下面详细讨论本发明的实施例的制造和使用。然而,应该理解,实施例提供了许多可以在各种具体环境中实现的可应用的发明构思。所讨论的具体实施例仅仅是示例性的,而不用于限制本发明的范围。
[0030]提供了一种用于在互补金属氧化物(CMOS)图像传感器(CIS)芯片中形成衬底通孔(TSV,还被称为硅通孔、半导体通孔或者通孔)的工艺。根据一些示例性实施例示出了制造CIS芯片的中间阶段。本文论述了实施例的变型例。在本发明的各幅附图和示例性实施例中,相同的参考标号用于指定相同的元件。
[0031]参考图1,形成了包括衬底10的晶圆2。衬底10可以是诸如块状硅衬底的半导体衬底。可选地,衬底10可以包括诸如III族、IV族和/或V族元素的其他半导体材料。可以在衬底10的顶面处形成(图1中朝上的面)诸如晶体管、电阻器、电容器等的集成电路器件12A。集成电路器件12A可以形成数字控制器、数字图像处理电路等。此外,也可以在衬底10的顶面处形成可以是光电二极管的图像传感器12B。因此,晶圆2是图像传感器晶圆。
[0032]正面互连结构14形成在半导体衬底10的上方,并且用于电互连图像传感器晶圆2中的器件12A和图像传感器12B。正面互连结构14包括介电层16和位于介电层16中的接触塞、金属线和通孔(示意性地示出为18)。介电层16可以包括层间电介质(ILD)、位于ILD上方的金属间介电(IMD)层以及位于IMD层上方的钝化层17。例如,ILD可以由磷娃玻璃(PSG)、硼硅玻璃(BSG)、掺硼磷硅玻璃(BPSG)、四乙基原硅酸盐(TEOS)氧化物等形成。IMD层可以由低k介电材料形成,例如具有小于约2.5的k值。钝化层17具有大于3.9的非低k值,并且例如可以包括氧化物层和位于氧化物层上方的氮化物层。在整个说明书中,位于同一介电层16中的金属线被统称为金属层。正面互连结构14可以包括多个金属层,该多个金属层可以包括四个或更多的金属层。
[0033]图2示出光刻胶22的形成和图案化,通过该光刻胶暴露下面的介电层16 (诸如钝化层17)。然后实施第一蚀刻以在介电层16中形成TSV开口 20。然后,例如,使用各向异性蚀刻蚀刻衬底10,使得TSV开口 20进一步延伸至衬底10中。在形成TSV开口 20之后,去除光刻胶22。
[0034]图3示出绝缘层24的形成。绝缘层24可以是覆盖层,因此可以包括位于TSV开口 20的侧壁和底部上的部分。绝缘层24进一步包括位于介电层16上方的水平部分。绝缘层24可以由诸如氮化硅、碳化硅、氮氧化硅等的介电材料形成。接下来,施加光刻胶26并且图案化该光刻胶26,去除与TSV焊盘28重叠的光刻胶26的部分。然后,蚀刻通过图案化光刻胶26暴露的绝缘层24的部分,从而暴露下面的TSV焊盘28。然后,去除光刻胶26。TSV焊盘28可以是金属焊盘,其形成在钝化层(诸如钝化层17)中的一个的下方。根据一些实施例,TSV焊盘28例如通过金属线/通孔/接触塞18电连接至器件12A和/或图像传感器12B。而且,TSV焊盘28可以由铝铜形成,但是也可以使用其他金属材料。
[0035]参考图4,以覆盖方式形成扩散阻挡层30 (有时还被称为粘合层)以覆盖TSV开口 20的侧壁和底部。扩散阻挡层30可以包括选自钛、氮化钛、钽、氮化钽和它们的组合的材料,并且可以使用物理汽相沉积(PVD)、等离子体增强化学汽相沉积(PECVD)等形成该扩散阻挡层30。[0036]然后,在扩散阻挡层30上以覆盖方式形成薄的晶种层(也表示为30)。晶种层30的可用材料包括铜或者铜合金。而且,还可以使用诸如银、金、铝的金属或者它们的组合。在一些实施例中,使用PVD形成晶种层30。
[0037]图5示出掩模34的形成。在一些实施例中,掩模34是干膜,因此在说明书中被称为干膜34。干膜34可以包括诸如味之素积层(Ajinimoto buildup film, ABF)的有机材料。在掩模34是干膜的实施例中,在图4所示的结构上层压干膜34。然后,将热和压力施加给层压的干膜以使其软化,使得形成平坦的顶面。然后,图案化层压的干膜34。在可选实施例中,掩模34是光刻胶。在一些示例性实施例中,需要将生成的TSV40(图6)通过TSV焊盘28电连接至器件12A和/或12B。因此,在干膜34中形成开口 36,从而暴露扩散阻挡层/晶种层30的部分,该部分位于TSV焊盘28、TSV开口 20和它们之间的区域上方。
[0038]在图6中,用金属材料填充TSV开口 20,从而在开口 20中形成TSV40。在一些实施例中,填充材料包括铜或者铜合金。然而,还可以使用诸如铝、银、金的其他金属和它们的组合。例如,形成方法可以是化学镀。在填充开口 20之后,可以继续用相同的金属材料填充开口 36,从而形成再分布线(RDL)42。RDL42还被称为钝化后互连(PPI)线42,其将TSV焊盘28电连接至TSV40。
[0039]然后去除掩模34。从而暴露了阻挡层/晶种层30的部分,该部分位于干膜34的下方。然后去除阻挡层/晶种层30的暴露部分。图7示出了生成的结构。阻挡层/晶种层30形成生成的TSV40和RDL42的部分,因此在随后的附图中没有标记。
[0040]接下来,如图8所示,采用聚合物层44并且将其固化。然后在聚合物层44上执行图案化步骤以去除一些部分,而保持聚合物层44的一些其他部分未被去除。聚合物层44可以由聚酰亚胺、聚苯并恶唑(PBO)、苯并环丁烯(BCB)等形成,其可以是感光材料。通过使用感光材料来形成聚合物44,简化了聚合物层44的图案化步骤而且降低了相应的制造成本。去除聚合物层44与图像传感器12B重叠的部分。另一方面,聚合物层44的剩余部分覆盖金属线42的顶面和侧壁。因此,通过聚合物层44来保护金属线42,并且使金属线42与可能损坏金属线42和TSV40的有害物质(诸如水分和化学物质)隔离。
[0041]接下来,参考图9,形成滤色器48,其可以包括红色滤色器、绿色滤色器和蓝色滤色器。滤色器48可以由聚合物形成,滤色器48被配置成选择性地允许红光、绿光和蓝光等通过。用于每一滤色器48的形成工艺可以包括沉积步骤和蚀刻步骤。在后续的工艺步骤中,如图10所示,形成诸如微透镜52的额外的部件,每一滤色器48和微透镜52与图像传感器12B之一重叠。
[0042]在图11中,保护层54形成在微透镜52上,并且可以形成在聚合物层44的顶面和侧壁上。保护层54防止微透镜52在后续的载具56(图12和图15)的安装和分离期间被损害。保护层54的厚度可以更小,使得保护层54是用于可见光的透明层。在一些实施例中,保护层54是可以使用PECVD等形成的氧化物层(诸如氧化硅层)。保护层54还可以是TEOS氧化物(其也是氧化硅)、无掺杂的硅玻璃(USG)等。
[0043]参考图12,例如,通过粘合剂58将晶圆2安装到载具56上,其中,晶圆2的顶面朝着载具56。例如,载具56可以是玻璃载具。接下来,如图13所示,在衬底10的背面上执行减薄步骤,直至暴露绝缘层24的部分。还在衬底10的背面上形成介电层59。介电层59可以包括氧化物、氮化物等。可以实施进一步的研磨,并且去除介电层59的部分和生成的绝缘层24的暴露部分以暴露TSV40。在研磨之后,TSV40突出到介电层59之外。在后续的处理步骤中,如图14所示,例如使用类似于用于形成RDL42的方法的方法(图6)在晶圆2的背面上形成可以包括RDL60和接触焊盘62的背面互连结构。
[0044]图15示出电连接件64的形成。电连接件64可以是金属柱、焊球以及包括金属柱和上方的预焊层的复合连接件等。在后续的步骤中,将载具56与晶圆2分离。在图16A示出了生成的晶圆2。然后,可以将晶圆2切割成具有彼此相同的结构的多个管芯100。
[0045]在图16A所示的结构中,在芯片100的背面上形成电连接件64,并且通过金属层和TSV40将电连接件64电连接至集成电路(诸如12A和12B)。在芯片100的正面(所示的顶面)上,可能不存在用于接合目的的任何电连接件(诸如焊料区)。在芯片100的正面上形成滤色器48和微透镜52,因此所生成的芯片是前照式CMOS图像传感器芯片。聚合物层44防止正面的RDL42被敞开空间的物质损害。另一方面,聚合物层可以保护或者不保护背面的RDL60。当不保护背面的RDL60时,在后续的接合工艺中,可以分配底部填充物以保护背面的RDL60。
[0046]图16B示出芯片100的示意性俯视图。如图16B所示,芯片100可以包括图像传感器阵列110,其包括被布置为阵列的图像传感器12B(图16A)。数字控制器112形成为芯片100的一部分,该数字控制器112可以包括模拟数字转换器(ADC)、相关双采样电路(CDS,还示出为72)、行解码器或者其他逻辑电路。聚合物层44可以覆盖或者可以不覆盖数字控制器112。聚合物层44覆盖TSV40和RDL42,因此在图16B中没有示出。在一些实施例中,如图16B所示,聚合物层44被图案化为相互分离的多个离散部分,每一部分都覆盖一个TSV40和一个RDL42。在可选实施例中,如图16C所示,可以将所示的聚合物44的部分互连为集成块。此外,在这些实施例中,聚合物层44可以包括或者可以不包括与数字控制器112对准的部分。
[0047]根据实施例,一种器件包括:半导体衬底,位于半导体衬底的正面处的图像传感器以及位于图像传感器上方的多个介电层。滤色器和微透镜设置在多个介电层上方并且与图像传感器对准。通孔穿过半导体衬底。RDL设置在多个介电层上方,其中,RDL电连接至通孔。聚合物层覆盖RDL。
[0048]根据其他实施例,一种器件包括:半导体衬底,位于半导体衬底的正面处的图像传感器阵列,以及位于图像传感器上方的互连结构。互连结构包括多个介电层和位于多个介电层上方的钝化层。多个通孔穿透半导体衬底、多个介电层以及钝化层。多条RDL设置在钝化层的上方。聚合物层位于多条RDL的顶面和侧壁上。多个电连接件位于半导体衬底的下方,其中多个电连接件通过多个通孔与多条RDL电连接。
[0049]根据又一实施例,一种方法包括:蚀刻多个介电层和位于多个介电层下方的半导体衬底以形成通孔开口。在半导体衬底的顶面处形成图像传感器,其中,通孔开口从顶面延伸至半导体衬底中。该方法包括:填充通孔开口以形成通孔,形成位于通孔上方并且电连接至通孔的RDL,形成位于多个介电层上方滤色器和微透镜并且与图像传感器对准的滤色器和微透镜,以及形成覆盖RDL的聚合物层。图案化聚合物层以去除与微透镜重叠的聚合物的第一部分,其中在图案化步骤之后保留聚合物层与RDL重叠的第二部分。
[0050]尽管已经详细地描述了实施例及其优点势,但应该理解,可以在不背离所附权利要求限定的实施例的构思和范围的情况下,进行各种改变、替换和更改。而且,本申请的范围并不仅限于本说明书中描述的工艺、机器、制造、材料组分、装置、方法和步骤的特定实施例。作为本领域普通技术人员根据本发明应很容易理解,根据本发明可以利用现有的或今后开发的用于执行与本文所述相应实施例基本上相同的功能或者获得基本上相同的结果的工艺、机器、制造、材料组分、装置、方法或步骤。因此,所附权利要求预期在其范围内包括这样的工艺、机器、制造、材料组分、装置、方法或步骤。此外,每条权利要求都构成单独的实施例,并且多个权利要求和实施例的组合在本发明的范围内。
【权利要求】
1.一种器件,包括: 半导体衬底; 图像传感 器,位于所述半导体衬底的正面处; 多个介电层,位于所述图像传感器上方; 通孔,穿透所述半导体衬底; 第一再分布线(RDL),位于所述多个介电层上方,所述RDL与所述通孔电连接;以及 聚合物层,覆盖所述第一 RDL。
2.根据权利要求1所述的器件,其中,所述聚合物层与所述第一RDL的顶面和侧壁接触。
3.根据权利要求1所述的器件,其中,所述聚合物层包括感光聚合物。
4.根据权利要求1所述的器件,进一步包括: 微透镜,位于所述多个介电层上方;以及 氧化物层,位于所述微透镜上方。
5.根据权利要求4所述的器件,其中,所述氧化物层进一步包括位于所述聚合物层的顶面上的部分。
6.根据权利要求4所述的器件,其中,所述聚合物层没有与所述微透镜重叠的部分。
7.根据权利要求1所述的器件,其中,所述通孔进一步穿透所述多个介电层,并且所述通孔的顶端与所述第一 RDL接触。
8.根据权利要求1所述的器件,进一步包括: 第二 RDL,位于所述半导体衬底的背面上;以及 电连接件,位于所述半导体衬底的背面上,所述电连接件与所述第二 RDL和所述通孔电连接。
9.一种器件,包括: 半导体衬底; 图像传感器阵列,位于所述半导体衬底的正面处; 互连结构,位于所述图像传感器上方,所述互连结构包括: 多个介电层;和 钝化层,位于所述多个介电层上方; 多个通孔,穿透所述半导体衬底、所述多个介电层和所述钝化层; 多条再分布线(RDL),位于所述钝化层上方; 聚合物层,位于所述多条RDL的顶面和侧壁上;以及 多个电连接件,位于所述半导体衬底的下方,所述多个电连接件通过所述多个通孔与所述多条RDL电连接。
10.一种方法,包括: 蚀刻多个介电层和所述多个介电层下方的半导体衬底以形成通孔开口,其中,在所述半导体衬底的顶面处形成图像传感器,并且所述通孔开口从所述顶面延伸至所述半导体衬底中; 填充所述通孔开口以形成通孔; 形成位于所述通孔上方并且电连接至所述通孔的再分布线(RDL);形成位于所述多个介电层上方并与所述图像传感器对准的滤色器和微透镜; 形成覆盖所述RDL的聚合物层;以及 图案化所述聚合物层以去除所述聚合物层与所述微透镜重叠的第一部分,其中,在所述图案化步骤之后,保留所述·聚合物层与所述RDL重叠的第二部分。
【文档编号】H01L27/146GK103579266SQ201310080462
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2013年3月13日 优先权日:2012年7月25日
【发明者】余振华, 邱文智, 林俊成 申请人:台湾积体电路制造股份有限公司
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