专利名称：在具有三维堆叠结构的晶片中形成焊盘的方法
技术领域：
本发明涉及在具有三维堆叠结构的晶片中形成焊盘的方法，更具体地，涉及在具有三维堆叠结构的晶片中形成焊盘的方法，其中，在执行使器件晶片的背面变薄的工艺之后，不单独执行蚀刻Si衬底的工艺，在形成介电层之后，在超接触体的背面形成通孔，并且在通孔的背面形成焊盘。
背景技术：
对于下一代高端半导体来说，晶片堆叠技术将是关键技术。为了制造这种半导体， 众多公司从事研究与开发。晶片堆叠的重要技术之一是在结合之后形成焊盘的技术。图Ia至Ic示出根据传统技术形成焊盘的一系列工艺。图Ia示出根据传统技术，当在结合加工晶片和器件晶片之后执行使器件晶片的背面变薄的工艺时的剖面图。参照图la，在传统技术中，通过使背面变薄的工艺，Si衬底110具有约3. 5 μ m的厚度。图Ib示出根据传统技术，在蚀刻Si衬底的工艺和沉积介电材料的工艺之后的剖面图。参照图Ib，在第一步骤中，通过蚀刻，使Si衬底110的厚度从3. 5 μ m减少至3 μ m。 在第一步骤完成之后，在第二步骤中，在被蚀刻的Si衬底110的背面相继形成作为介电材料的 SiA 层 121、SiN 层 123 和 SiR 层 125。图Ic示出根据传统技术，在使介电层平坦化的工艺和形成焊盘的工艺之后的剖面图。参照图lc，在第一步骤中，通过CMP(化学机械抛光)使SiA层125平坦化。在第一步骤完成之后，通过执行本领域普遍公知的金属(Al)沉积、光刻和蚀刻形成焊盘130。形成焊盘的传统方法具有如下所述的问题。首先，在传统技术中，在使器件晶片IlOb的背面变薄之后，Si衬底110被单独蚀刻，如图Ib所示。因此，有必要考虑Si衬底110的最终厚度，并且超接触体120或Si衬底 110的表面可能受到损害从而导致图像传感器的成像特性退化。其次，由于超接触体120的数量和密度小，故当如图Ic所示使介电层平坦化时有可能发生凹陷。结果，后续工艺难以执行。此外，因为用于介电层的平坦化的目标设置是必须的，所以有必要将Si衬底110与焊盘130彼此隔离开。
发明内容
因此，因此，本发明致力于解决在本领域中出现的问题，并且本发明的目的是提供一种在具有三维堆叠结构的晶片中形成焊盘的方法，其中在使器件晶片的背面变薄的工艺之后，不单独执行蚀刻Si衬底的工艺，在形成介电层之后，在超接触体的背面形成通孔，并且在通孔背面形成焊盘，从而能够以简单方式实现焊盘而不会给超接触体和Si衬底的表面造成损害。为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种在具有三维堆叠结构的晶片中形成焊盘的方法，该方法包括(a)第一工艺，结合器件晶片与加工晶片；(b)第二工艺，在第一工艺之后使形成于器件晶片上的Si衬底的背面变薄；(c)第三工艺，在第二工艺之后形成抗反射层和PMD(优选金属沉积)介电层；(d)第四工艺，在第三工艺之后在形成于Si衬底上的超接触体的背面形成通孔；以及(e)第五工艺，在第四工艺之后形成焊盘。
在结合附图阅读以下详细描述之后，本发明的上述目的、其它特征和优点将变得更加显而易见，在附图中图Ia示出根据传统技术，当在结合加工晶片和器件晶片之后执行使器件晶片的背面变薄的工艺时的剖面图；图Ib示出根据传统技术，在蚀刻Si衬底的工艺和沉积介电材料的工艺之后的剖面图；图Ic示出根据传统技术，使介电层平坦化的工艺和形成焊盘的工艺之后的剖面图；图加示出根据本发明的一个实施方式，当在结合工艺之后执行使器件晶片的背面变薄的工艺时的剖面图；图2b示出根据本发明，在形成抗反射层和PMD(优选金属沉积)介电层的工艺之后的剖面图；图2c示出根据本发明，形成用于焊盘开口的通孔的工艺之后的剖面图；图2d示出根据本发明，形成焊盘的工艺之后的剖面图；图2e示出根据本发明，在开放焊盘的工艺和形成彩色滤光片和微透镜的工艺之后的完整剖面图；图3是说明本发明中的通孔的设计规格的视图；图如示出根据本发明的另一个实施方式，在形成抗反射层和PMD介电层的工艺之后的剖面图；图4b示出根据本发明，在通过执行用于双镶嵌的光刻工艺限定通孔和焊盘的空间之后的剖面图；图如示出根据本发明，在通过镶嵌工艺在焊盘的空间中填充金属并通过依靠CMP 工艺的平坦化移除剩余金属之后的剖面图；以及图4d示出根据本发明，在通过镶嵌工艺形成焊盘以及形成彩色滤光片和微透镜之后的完整的剖面图。
具体实施例方式下面更详细地参照本发明的优选实施方式，在附图中示出了本发明的示例。在可能的情况下，在附图和说明书中相同的标号用于表示相同或相似的部件。CN 102163566 A图加至加示出根据本发明的一个实施方式，形成焊盘的一系列工艺。通常，堆叠技术分为包括相互连接的堆叠结合工艺以及仅用于背面照射(back side illumination, BSI)的结合工艺。堆叠结合工艺是分别制造逻辑晶片和传感器晶片并随后使它们彼此结合的工艺。 在逻辑晶片中主要形成外围电路，在传感器晶片中主要形成光电二极管并且部分地形成晶体管。在背面照射的结合工艺中，逻辑电路和传感器形成于单个器件晶片上。随后，为了在器件晶片被翻转的状态下使用器件晶片，将其上仅沉积有氧化物而不执行任何其它工艺的加工晶片结合至器件晶片。因此，在根据本发明的实施方式的具有三维堆叠结构的晶片中，首先通过结合工艺使加工晶片200a和器件晶片200b彼此结合以用于背面照射。器件晶片200b包括图像传感器区域205和半导体电路区域207，在图像传感器区域205中形成图像传感器装置，在半导体电路区域207中形成常规半导体电路。在图像传感器区域205中，光电二极管201通过本领域普遍公知的方法形成，层间介电层202和多个金属布线203形成于光电二极管201的下表面以面向加工晶片200a的正面。由于这个事实，在本发明的实施方式中，不同于从光电二极管(PD)的正面实现光收集的正面照射(front side illumination, FSI)图像传感器，背面照射图像传感器被构造为在光电二极管(PD)下面，即从晶片背面，实现光收集。在半导体电路区域207中，层间介电层202和多个多层金属布线204形成于Si衬底210的下表面以面向加工晶片200a的正面。超接触体211以接触金属布线204的方式形成于Si衬底210中。下文，将参照图加至2e对在具有图像传感器区域205和半导体电路区域207的器件晶片200b与加工晶片200a结合之后执行的工艺进行描述。图加示出根据本发明的实施方式，当在结合工艺之后执行使器件晶片的背面变薄的工艺时的剖面图。参照图2a，通过对器件晶片执行使背面变薄的工艺，根据本发明的实施方式的Si 衬底210具有2 μ m至6 μ m的厚度，优选3 μ m。由于这一事实，本发明的实施方式与传统技术存在区别，在传统技术中，Si衬底110被蚀刻为具有3.5μπι至3μπι的厚度，从图Ib能
够看出。因此，不同于传统技术，在本发明的实施方式中，超接触体211不需要突出到Si衬底210外，从而能够防止超接触体211受到损害。图2b示出根据本发明，在形成抗反射层和PMD(优选金属沉积)介电层的工艺之后的剖面图。参照图2b，形成抗反射层221以面向Si衬底210的背面，并且随后在抗反射层221 的背面形成PMD介电层223。通过氮氧化物或氧化物-氮化物-氧化物将抗反射层221沉积为等于或小于 500A的厚度，并且PMD介电层223被沉积为1，000入至5,000人的厚度。图2c示出根据本发明，形成用于焊盘开口的通孔的工艺之后的剖面图。
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参照图2c，形成通孔220的工艺包括第一步骤，通过执行本领域公知的光刻来限定穿过PMD介电层223和抗反射层221的通孔；第二步骤，执行化学气相沉积(CVD)或物理气相沉积(PVD)以用钨(W)作为金属材料来填充通孔；以及第三步骤，通过执行化学机械抛光(CMP)使产生的结构平坦化。图2d示出根据本发明，形成焊盘的工艺之后的剖面图。参照图2d，根据本发明的实施方式，在PMD介电层223的背面执行形成焊盘230的工艺，使得焊盘230与通孔220背面电连接。焊盘230可以由导电材料形成，例如，金属和由至少两种金属混合的合金中的任何一种。优选地，焊盘230由铝(Al)形成。图加示出根据本发明，在开放焊盘的工艺以及形成彩色滤光片和微透镜的工艺之后的完整剖面图。参照图2e，与参照图2c所述的形成通孔220的工艺类似，在开放焊盘230的工艺中，将介电材料诸如氧化物或氮化物涂覆至焊盘230的背面，并且通过执行光刻来限定焊盘开放区域235。此外，为了改善用于背面照射的光电二极管210的光收集能力，本发明的实施方式可以包括第一步骤，在介电材料的背面形成传输指定波带的光的光学滤波器251 ；第二步骤，在光学滤波器251上形成使光聚焦的微透镜253。图3是说明本发明中的通孔的设计规格的视图。参照图3，可以考虑到超接触体的设计规格来控制本发明中的通孔布局的设计规格。也就是说，当设计规格被限定为宽度/间距时，本发明中的超接触体的设计规格变成0. 7 μ m/0. 7 μ m 3. 0 μ m/5. 0 μ m[宽度/间距]，并且考虑超接触体的这种设计规格来确定通孔的设计规格。优选地，本发明中的通孔的设计规格被确定为0. 1 μ m/0. 1 μ m 0· 5 μ m/0. 5 μ m [宽度 / 间距]。图如至4d示出根据本发明的另一个实施方式，形成焊盘的一系列工艺。图如示出根据本发明的另一个实施方式，在形成抗反射层和PMD介电层的工艺之后的剖面图。参照图4a，在完成结合和如前面参照图加所述的使器件晶片400b的背面变薄之后执行形成抗反射层421的工艺。抗反射层421被形成为面向Si衬底410的背面，PMD介电层423形成于抗反射层421背面。抗反射层421用氮氧化物形成并且被沉积为500人的厚度，并且PMD介电层423被沉积为1,000A至5,OOOA的厚度。图4b示出根据本发明，在通过执行用于双镶嵌的光刻工艺限定通孔和焊盘的空间之后的剖面图；并且图4c示出根据本发明，在通过镶嵌工艺在焊盘的空间中填充金属并通过依靠CMP工艺的平坦化移除剩余金属之后的剖面图。参照图4b和如，在本发明的实施方式中，通孔420和焊盘的空间430通过执行本领域公知的光刻来限定，从而能够执行双镶嵌工艺。钨(W)被填充至通孔420中，并且通过在执行其后的双镶嵌工艺使连接完全形成。参照图如，根据本发明的实施方式的镶嵌工艺包括第一步骤，通过电镀/非电镀在焊盘的空间430中填充铜(Cu)；以及第二步骤，通过依靠CMP (化学机械抛光)的平坦化移除填充在焊盘的空间430中的铜(Cu)的剩余量。图4d示出根据本发明，在通过镶嵌工艺形成焊盘以及形成彩色滤光片和微透镜之后的完整的剖面图。参照图4d，根据本发明的实施方式的在通过镶嵌工艺形成焊盘之后，为了改善用于背面照射的光电二极管401的光收集能力，本发明的实施方式包括第一步骤，在PMD介电材料423的背面形成传输指定波带的光的光学滤波器451 ；第二步骤，在光学滤波器451 上形成使光聚焦的微透镜453。如上述说明书所显而易见，在本发明中，所提供的优点在于，因为蚀刻Si衬底的工艺被省略，所以能够防止超接触体和Si衬底的表面受到损害，并且因为本领域普遍公知的形成超接触体和通孔的工艺能够按照它们现在的样子被应用，所以能够以简单方式形成具有三维堆叠结构的晶片的焊盘。虽然已经出于说明目的对本发明的优选实施方式进行了描述，但是本领域技术人员应理解，在不偏离所附权利要求中公开的本发明的范围和精神的前提下可以进行各种修改、添加和替换。
权利要求
1.一种在具有三维堆叠结构的晶片中形成焊盘的方法，包括(a)第一工艺，结合器件晶片与加工晶片；(b)第二工艺，在所述第一工艺之后使形成于所述器件晶片上的Si衬底的背面变薄；(c)第三工艺，在所述第二工艺之后形成抗反射层和PMD(优选金属沉积)介电层；(d)第四工艺，在所述第三工艺之后在形成于所述Si衬底上的超接触体的背面形成通孔；以及(e)第五工艺，在所述第四工艺之后形成焊盘。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述器件晶片包括图像传感器区域和半导体电路区域，在所述图像传感器区域中形成有图像传感器，在所述半导体电路区域中形成有半导体电路。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述图像传感器区域包括光电二极管、以及在面向设置有所述加工晶片的正面的方向上形成的层间介电层和多个金属布线，并且其中，光的收集是从所述光电二极管的背面实现的。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述半导体电路区域被形成以包括层间介电层和多层金属布线，所述层间介电层和多层金属布线在面向设置有所述加工晶片的正面的方向上相继形成，并且所述半导体电路区域被形成以使所述超接触体穿过所述Si衬底来确保所述金属布线与所述Si衬底之间的接触。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述第二工艺之后，当使所述Si衬底变薄时， 其具有2μπι至6μπι的厚度。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述第三工艺之后，所述抗反射层包括氮氧化物层或氧化物-氮化物-氧化物层。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述抗反射层被沉积为等于或小于500人的厚度。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述第三工艺中，所述PMD介电层被沉积为 1,OOOA 5,OOOA的厚度。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，形成通孔的第四工艺包括下列步骤第一步骤，执行光刻工艺并限定穿过所述PMD介电层和所述抗反射层的通孔；第二步骤，在所述通孔中填充金属材料；以及第三步骤，通过执行CMP (化学机械抛光)工艺使产生的结构平坦化。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述第四工艺中，所述超接触体和所述通孔的设计规格分别为0. 7 μ m/0. 7 μ m 3. 0 μ m/5. 0 μ m[宽度/间距]以及0. 1 μ m/0. 1 μ m 05ym/0. 5μπι[宽度 / 间距]。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，所述通孔用钨(W)填充。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述第五工艺中，所述焊盘由铝(Al)形成。
13.根据权利要求1所述的方法，其中，在形成焊盘的第五工艺之后，所述方法还包括(f)开放所述焊盘的工艺。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，开放所述焊盘的工艺被实现以通过执行光刻工艺来限定焊盘开放通孔。
15.根据权利要求1所述的方法，其中，在形成焊盘的第五工艺之后，所述方法还包括 (g) 一种工艺，该工艺包括形成传输指定波带的光的光学滤波器的第一步骤以及在所述光学滤波器上形成使光聚焦的微透镜的第二步骤，以改善形成于所述器件晶片上的用于背面照射(BSI)的所述光电二极管的光收集能力。
16.一种在具有三维堆叠结构的晶片中形成焊盘的方法，包括(a)第一工艺，结合器件晶片与加工晶片；(b)第二工艺，在所述第一工艺之后使形成于所述器件晶片上的Si衬底的背面变薄；(c)第三工艺，在所述第二工艺之后形成抗反射层和PMD(优选金属沉积)介电层；(d)第四工艺，在所述第三工艺之后通过执行光刻工艺限定焊盘和通孔的空间，以执行双镶嵌工艺；(e)第五工艺，在所述第四工艺之后通过执行镶嵌工艺在焊盘和通孔的空间中填充金属；以及(f)第六工艺，在所述第五工艺之后通过依靠CMP(化学机械抛光)工艺的平坦化移除填充在所述空间中的金属的剩余量。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，在所述第五工艺中，所述通孔的空间用钨(W) 填充。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，通过电镀/非电镀来实现钨的填充。
19.根据权利要求16所述的方法，其中，在所述第五工艺中，所述焊盘的空间用铜(Cu) 或铝(Al)填充。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，通过电镀/非电镀来实现铜或铝的填充。
全文摘要
一种在具有三维堆叠结构的晶片中形成焊盘的方法，包括(a)第一工艺，结合器件晶片与加工晶片；(b)第二工艺，在第一工艺之后使形成于器件晶片上的Si衬底的背面变薄；(c)第三工艺，在第二工艺之后形成抗反射层和PMD(优选金属沉积)介电层；(d)第四工艺，在第三工艺之后在形成于Si衬底上的超接触体的背面形成通孔；以及(e)第五工艺，在第四工艺之后形成焊盘。
文档编号H01L21/31GK102163566SQ20111004416
公开日2011年8月24日 申请日期2011年2月21日 优先权日2010年2月22日
发明者元俊镐, 全寅均, 吴世仲, 安熙均 申请人:(株)赛丽康