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TW201349469A - 形成半導體元件的方法及成像裝置 - Google Patents

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TW201349469A TW102113721A TW102113721A TW201349469A TW 201349469 A TW201349469 A TW 201349469A TW 102113721 A TW102113721 A TW 102113721A TW 102113721 A TW102113721 A TW 102113721A TW 201349469 A TW201349469 A TW 201349469A
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Szu-Ying Chen
Dun-Nian Yaung
Jen-Cheng Liu
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Abstract

本揭示提供當形成CMOS影像感測器時除去玻璃的方法，所提供形成半導體元件的方法包含在元件晶圓上形成複數個畫素陣列，將載體晶圓接合至元件晶圓的第一側，將基底接合在元件晶圓的第二側之上，薄化載體晶圓，形成電性連接至元件晶圓的第一側，接著將基底從元件晶圓的第二側脫離，以及接著從元件晶圓將這些畫素陣列分離成個別的畫素陣列。此外，還揭示成像裝置。

Description

形成半導體元件的方法及成像裝置
本發明係有關於成像裝置，特別有關於形成CMOS影像感測器時玻璃除去的方法。
由於積體電路傾向更小尺寸封裝的工業發展趨勢，其驅使了具有貫穿矽導通孔(through silicon via；TSV)，有時稱為貫穿基底導通孔(through substrate via；TSV)的連接作用之晶粒採用三維(3D)的堆疊方式，並且對元件採用晶圓級封裝，這些技術在互補式金氧半導體(complementary metal oxide semiconductor；CMOS)影像感測器的領域上越來越具有優勢。
在傳統的製造過程中，首先提供了主動元件晶圓，其包含例如CMOS影像感測器元件，接著可在CMOS影像感測器上方形成彩色濾光片陣列(color filter array；CFA)和微透鏡(microlens；ML)材料，彩色濾光片陣列和微透鏡材料沈積在對應至CMOS影像感測器內的光電二極體的位置上，使得照射的光線可以被引導至光電二極體上。
可將玻璃基底接合至主動元件晶圓上方，並且位於光電二極體上方，在此結構的相反表面上可進行貫穿導通孔 的製程，例如貫穿矽導通孔(TSV)製程，將導通孔開通至金屬化層。在貫穿導通孔內可形成隔絕氧化物，然後可在貫穿導通孔內沈積導電材料，並且導電材料可延伸至金屬化層，以形成電性連接至CMOS影像感測器元件。在貫穿導通孔上方可形成重分佈層(redistribution layer；RDL)，並且將重分佈層圖案化以形成導線。可在導線上形成外部連接器，以完成CMOS影像感測器元件的封裝。然後可進行鋸開或切割操作，將主動元件晶圓和玻璃基底一起分離成個別的積體電路模組，每個積體電路模組形成用在系統中的CMOS影像感測器元件。
傳統的CMOS影像感測器(CMOS image sensor；CIS)元件包含一些限制，例如(1)用在元件的製造上之頂端的玻璃層降低了光學效能；以及(2)在例如具有元件形成於其上的主動元件晶圓與例如用在製造上的玻璃基底之間的熱膨脹係數(coefficient of thermal expansion；CTE)不匹配，其引起晶圓翹曲(warping)和彎曲(bowing)，造成在效能上的不均勻，並且影響信賴性。
在一方法的實施例中，此方法包含在元件晶圓上形成複數個畫素陣列；將基底接合至元件晶圓；將元件晶圓薄化；於基底接合至元件晶圓之後，在元件晶圓上形成複數個電性連接；將該基底從元件晶圓脫離(de-bonding)；以及從元件晶圓將這些畫素陣列分離成個別的畫素陣列。在進一步的實施例中，上述方法中的分離步驟包含鋸開(sawing)、雷射、切割(scribing)、壓製(pressing)、蝕刻以及前述之組合。在另一實 施例中，於上述的方法中，該基底包括玻璃。在另一實施例中，元件晶圓包含前照式(front side illumination；FSI)互補式金氧半導體(CMOS)影像感測器。在更進一步的實施例中，於上述方法中，基底藉由加熱釋放接合材料(heat release bonding material)與元件晶圓接合。在另一實施例中，於上述方法中，在元件晶圓上形成電性連接的步驟更包括將元件晶圓薄化，暴露出在元件晶圓內的導電貫穿導通孔。在另一實施例中，於上述方法中，在元件晶圓上形成電性連接的步驟包含在元件晶圓上形成導電重分佈層。在另一實施例中，於上述方法中，在元件晶圓上形成電性連接的步驟包含形成焊球耦接至元件晶圓上的導電重分佈層。
在另一替代的實施例中，形成元件的方法包含在元件晶圓上形成複數個畫素陣列；將載體晶圓接合至元件晶圓的第一側；將基底接合至元件晶圓的第二側之上；將載體晶圓薄化；形成複數個電性連接至元件晶圓的第一側；之後將基底從元件晶圓的第二側脫離；以及從元件晶圓將這些畫素陣列分離成個別的畫素陣列。在進一步的實施例中，將基底脫離的步驟包括施加熱至接合材料。在另一實施例中，將基底脫離的步驟包括施加紫外光至接合材料。在另一實施例中，將基底脫離的步驟包括施加化學釋放劑(chemical release agent)至接合材料。在進一步的實施例中，於上述方法中，形成電性連接至元件晶圓的步驟更包括蝕刻出複數個貫穿通孔，貫穿載體晶圓，延伸至位於元件晶圓之上的金屬化層。在另一實施例中，形成 電性連接的步驟更包括沈積導電重分佈層材料到這些貫穿通孔內。在另一實施例中，形成電性連接的步驟更包括形成外部連接器耦接至導電重分佈層材料。在另一實施例中，形成電性連接的步驟更包括形成外部連接器，此外部連接器係選自於由焊球(solder balls)、焊接凸塊(solder bumps)、導電柱(conductive pillars)、導電圓柱(conductive columns)、鉛基焊料(lead based solder)、無鉛焊料(lead free solder)、嵌柱凸塊(stud bumps)以及打線接合(wire bonds)所組成的群組。在另一實施例中，於上述方法中，這些畫素陣列包括背照式(back side illuminated；BSI)元件。
裝置的實施例包含元件晶圓，其包括複數個光電二極體排列成複數個畫素陣列；彩色濾光片陣列材料形成於這些光電二極體之上和元件晶圓的第一表面之上；微透鏡材料形成於彩色濾光片陣列材料之上；以及複數個外部連接器形成於元件晶圓的第二表面之上，其中微透鏡材料係暴露出來。在進一步的實施例中，於上述裝置中，元件晶圓更包括背照式影像感測器。在另一實施例中，於上述裝置中，元件晶圓更包括前照式影像感測器。
11、51‧‧‧主動元件晶圓
11A、11B‧‧‧前照式(FSI)影像感測器元件
13‧‧‧半導體晶圓
15‧‧‧後段製程層
17‧‧‧多晶矽閘極
21‧‧‧微透鏡
23‧‧‧光電二極體
25‧‧‧阻障材料
27‧‧‧彩色濾光片陣列
29、57‧‧‧貫穿導通孔
31‧‧‧外部墊金屬化層
33‧‧‧晶圓的正面表面
35‧‧‧晶圓的背面表面
37‧‧‧暫時的接合材料
39、59‧‧‧隔離層
41‧‧‧玻璃基底
43、63‧‧‧重分佈層
45、65‧‧‧外部連接器
47、67‧‧‧鈍態層
55‧‧‧載體晶圓
51A、51B‧‧‧背照式(BSI)影像感測器元件
為了讓本揭示之目的、特徵、及優點能更明顯易懂，以下配合所附圖式作詳細說明如下：第1圖顯示實施例所使用的前照式CMOS影像感測器(FSI CIS)示範元件之主動元件晶圓的剖面示意圖； 第2圖顯示第1圖的主動元件晶圓經過更多製程的剖面示意圖；第3圖顯示第2圖的主動元件晶圓經過更多製程的剖面示意圖；第4圖顯示第3圖的主動元件晶圓經過更多製程的剖面示意圖；第5圖顯示第4圖的主動元件晶圓經過脫離製程的剖面示意圖；第6圖顯示第5圖的主動元件晶圓在分離製程中的剖面示意圖；第7圖顯示實施例所使用的背照式CMOS影像感測器(BSI CIS)示範元件之主動元件晶圓的剖面示意圖；第8圖顯示第7圖的主動元件晶圓經過更多製程的剖面示意圖；第9圖顯示第8圖的主動元件晶圓經過更多製程的剖面示意圖；第10圖顯示第9圖的主動元件晶圓經過更多製程的剖面示意圖；第11圖顯示第10圖的主動元件晶圓在脫離製程中的剖面示意圖；以及第12圖顯示第11圖的主動元件晶圓在分離製程中的剖面示意圖。
除非特別指明，在不同圖式中相對應的數字和符號通常用 於相對應的部件。為了清楚地顯示各種實施例的相關概念，圖式的繪製可以不需要按照實際比例繪製。
以下詳述作為示範說明的各實施例之製造與使用，然而，可以理解的是，這些實施例提供許多可應用的發明概念，其可以在各種不同的特定背景中實施，在此所討論的特定示範實施例僅用於說明製造與使用這些實施例的特定方式，並非用以限定其應用的範圍、實施方式或附加的申請專利範圍。
在此作為示範說明的實施例包含在具有貫穿導通孔的主動元件晶圓上之玻璃除去(glass-removal)步驟，主動元件晶圓包含例如CMOS影像感測器(CIS)，在此提供的玻璃除去步驟是為了改善元件效能和可靠度。在此所揭示的實施例之優點特徵可包含，但不限於增加光源的穿透度，以改善光學效能，例如改善影像感測器的量子效率(quantum efficiency；QE)；以及避免矽晶圓與玻璃基底之間的熱膨脹係數(CTE)不匹配，其中矽晶圓具有元件形成於其上，而玻璃基底則是在先前技術的方法中所使用。
一般而言，在所附圖式中說明的實施例係提供玻璃基底，其經由暫時的接合材料黏著至CMOS影像感測器(CIS)晶圓，在適當的製程步驟之後，可簡單地藉由加熱方式，或藉由使用紫外光來釋放對紫外光敏感的黏著劑，或者藉由使用化學釋放劑(chemical release agent)，讓玻璃基底從CIS晶圓脫離(de-bonded)。在加熱釋放的例子中，熱施加至臨界溫度之上， 其改變暫時黏著劑的特性並釋放玻璃基底。此玻璃基底的脫離行為發生在將CIS晶圓切割成各自獨立的元件(例如晶粒)之前，然後可將CIS晶圓清潔，以除去任何黏著劑的殘留物，並且繼續進行製程將CIS晶圓切割成個別的元件，然後這些個別的CIS元件例如可用在系統中。
雖然在此列舉的例子是以包含CMOS影像感測器的主動元件晶圓作為實施例進行說明，但是此方法也可以應用在其他類型的晶圓，這些晶圓的製程中使用載體基底。例如，在任何數量的不同類型的元件上，可進行晶圓薄化的操作，用於製造貫穿導通孔，這些元件包含處理器，例如數位信號處理器、類比處理器、微處理器、RISC或ARM處理器，這些處理器在3D結構中可以與其他元件結合，例如揮發性和非揮發性記憶體元件。在主動元件晶圓的背面上進行的製程可能需要將晶圓暫時地接合至玻璃基底，這些實施例的使用可應用在許多不同的晶圓之製程概念上，並不限於在此描述的特定例子，這些特定例子為包含前照式(FSI)和背照式(BSI)CMOS影像感測器的主動元件晶圓。
針對說明的實施例，第1圖顯示包含前照式(FSI)影像感測器元件11A和11B的主動元件晶圓11在製造過程的一中間階段之剖面示意圖，如第1圖所示，針對這兩個元件11A和11B的每一個元件，在半導體晶圓13上都形成有光電二極體(photodiodes)23的畫素陣列。各種電性組件已經形成在晶圓13之上的後段製程(back end of line；BEOL)層15中，其通常為習 知技術，例如，多晶矽閘極材料17可在光電二極體23和其他元件上方形成，其他元件例如為電晶體、電容器、二極體以及類似的元件，這些元件可在晶圓13內形成或在後段製程層15中形成。半導體晶圓13包含兩個CIS元件11A和11B的一部分，其形成在晶圓13的中央部分的每一側。如第1圖所示，光電二極體23在外部墊金屬化層31的每一側形成兩個畫素陣列，而且雖然只有繪出晶圓13的一小部分，此對稱結構在晶圓13上形成對稱的感測器元件11A和11B。在實際的主動元件晶圓11中，每一個感測器11A和11B都具有數百萬個光電二極體23，並且半導體晶圓13具有許多感測器元件例如11A和11B形成於其上。在實際的主動元件晶圓中將形成許多感測器元件，每一個感測器元件具有數百萬的光電二極體排成陣列，並且包含存取電晶體(access transistors)、重置電晶體(reset transistors)以及傳輸電晶體(transfer transistors)，藉此在接收光線之後讀取存放的電荷。
後段製程(BEOL)層15也包含數層的金屬化層，從第一金屬層或金屬-1，此金屬層通常最靠近晶圓13的表面，一直到靠近後段製程(BEOL)層15的最上方表面之頂層金屬或頂端金屬。金屬化層31形成外部連接至光電二極體，並且可包含銅金屬化層或鋁金屬化層或前述之組合，可使用單鑲嵌或雙鑲嵌製程來形成這些金屬化層。晶圓13具有後段製程(BEOL)層15在正面表面33上，並且晶圓13還具有相反的背面表面35，圖示之貫穿導通孔29形成在晶圓13內，這些貫穿導通孔在前段製程(front end of line；FEOL)期間形成，並且可藉由矽蝕刻或雷射 鑽孔(drilling)操作形成，此操作在晶圓13內形成深溝槽。貫穿導通孔29例如可在導通孔在前(via first)的製程中形成，貫穿導通孔29可以用阻障材料25作為內襯，阻障材料25可以是氧化物、氮化矽或類似的阻障材料，並且阻障材料25可包含例如鉭或鈦以及其氮化物。貫穿導通孔29可以使用導體填充，可使用鋁或銅或類似的材料，可使用電鍍或其他金屬沈積，例如物理氣相沈積(PVD)來形成導體。此外，可使用導電插塞(plug)，例如鎢插塞來填充貫穿導通孔29。
第2圖顯示主動元件晶圓經過更多製程的另一剖面示意圖，在第2圖中，彩色濾光片陣列(color filter array；CFA)材料27在後段製程(BEOL)層15暴露出來的表面上方形成，彩色濾光片陣列材料讓特定光譜的光通過至對應的光電二極體23，並且與光電二極體一起形成彩色畫素陣列，例如可使用紅色、綠色以及藍色(RGB)彩色濾光片。接著在彩色濾光片陣列材料27上方形成微透鏡(microlens；ML)材料21，藉由集中初始的光線通過彩色濾光片陣列材料至光電二極體23上，而增加系統內的效能。彩色濾光片陣列和微透鏡材料可使用塗佈或其他沈積步驟形成塗層，並且使用後續的微影製程將塗層圖案化而形成，例如使用在塗層上方已經圖案化的光阻形成蝕刻遮罩，並且在圖案化步驟之後進行光阻剝離。
如上述所述，主動元件晶圓11的剖面示意圖繪出兩個CIS感測元件11A和11B的一部分，這兩個CIS感測元件使用晶圓級製程同時形成，因此在此繪出彩色濾光片陣列材料和 微透鏡材料的兩個位置對稱的部分，每一個部分係針對這兩個元件的每一個元件。在實際的主動元件晶圓中，數百或更多的CIS感測元件將排列在單一晶圓13上。
暫時的接合材料37在彩色濾光片陣列27和微透鏡21材料之上形成，在一示範的實施例中，此暫時的接合材料可以是用在半導體製程的熱釋放黏著劑(heat release adhesive)，在一個非限定及說明用的例子中，WaferBONDTMHT是出自於美國密蘇里(Rolla,Missouri,USA)的Brewer Science,Inc.公司的熱釋放型暫時的黏著劑，此材料提供用於接合晶圓或基底的熱釋放型暫時的接合黏著劑，此接合之後將藉由施加在臨界溫度之上的熱而鬆開。其他用在暫時的接合材料的材料包含紫外光可釋放(UV releasable)黏著劑以及化學釋放(chemical release)黏著劑，這些黏著劑形成其他的實施例。這些材料可在液態的形式下施加，其可以旋轉塗佈至晶圓上，或者這些材料可用膜的形式施加，或者這些材料可用膠布材料的形式提供。其他的替代方案包含例如壓力釋放(pressure release)接合材料，這些暫時的接合材料係設計成當釋放步驟進行時，接合材料從黏著性質轉變成非黏著性質，使得釋放得以實現。
玻璃或其他類似的基底41藉由使用暫時的接合材料37黏著至主動元件晶圓11的正面表面上，玻璃基底41在之後的各種製程期間對晶圓13提供機械支撐。晶圓13的晶圓薄化將描述如下，並且可包含在其他製程之間，其所形成的非常薄的晶圓13將具有可撓曲性，並且不具有額外的機械支撐，因此可 能無法承受以下描述的各種額外的製程步驟。
第3圖顯示主動元件晶圓11經過更多製程步驟的另一剖面示意圖，從第2圖的製程階段轉變至第3圖所示之階段，晶圓13的背面表面35被薄化，晶圓的薄化進行到至少抵達一處，在此處晶圓13足夠薄至使得貫穿導通孔29的底部部分被暴露出來。晶圓的薄化可使用機械研磨(mechanical grinding)、化學基底蝕刻、以及化學機械研磨(chemical mechanical polishing；CMP)的其中一個或更多來實現，以移除晶圓材料。在晶圓薄化製程之後，晶圓13可以薄化至200微米或更薄，並且可以在從80至250微米的厚度範圍內，在一示範的實施例中，使用100微米的厚度。
貫穿導通孔29現在從晶圓13的背面35延伸，並且提供穿過晶圓13至後段製程(BEOL)層15的金屬化層31之電性導電路徑，如以下更進一步的描述，貫穿導通孔29現在可以形成從主動元件晶圓11的背面到例如光電二極體23，或者到其他電路的電性連接。
第4圖顯示主動元件晶圓11經過更多製程步驟的另一剖面示意圖，從第3圖所示之階段轉變至第4圖的階段將進行數個步驟，隔離層39在晶圓13的背面表面35之上形成，隔離層39可以是熱氧化物，或者可藉由化學氣相沈積(CVD)、電漿增強型化學氣相沈積(PECVD)以及類似的製程形成，其他介電質例如氮化矽或氮氧化矽也可使用。導電的重分佈層(redistribution layer；RDL)43在隔離層39之上形成，並且延伸 到隔絕層39的開口中至貫穿導通孔29，導電的重分佈層的材料形成電性連接至貫穿導通孔29，重分佈層43可以是銅、鋁或前述之合金，並且可以用電鍍或其他沈積方式形成，例如，可使用物理氣相沈積(PVD)沈積製程沈積重分佈層。鈍態層47在重分佈層43之上形成，在鈍態層內形成開口，鈍態層可以是氮化矽、高分子層、聚亞醯胺(polyimide)或其他鈍態材料。外部連接器例如球柵陣列(ball grid array；BGA)端子(terminals)45在開口中形成，並且延伸至重分佈層43，而且還穿過鈍態層47形成在開口中，外部連接器45將形成至系統的電性連接，以用於最終的CIS感測器元件。在第4圖中顯示的外部連接器45為球柵陣列(BGA)焊球，並且可藉由使用焊料電鍍製程形成，之後進行熱回焊將焊球塑形。另外，也可使用焊料凸塊；此外，導電柱例如桐柱也可使用；可使用嵌柱凸塊(stud bump)或打線接合球凸塊(wire bond ball bump)；圓柱(column)、柱子(pillar)、球(ball)以及凸塊(bump)都是可用在外部連接器45的可能形狀。銅以及包含鎳和金的合金也可使用，焊球45可由鉛基焊料(lead based solder)或包含銀、錫、銅共熔合金的無鉛焊料(lead free solder)形成。外部最後加工可使用例如無電鍍鎳(electroless nickel)、無電鍍鎳浸金(electroless nickel immersion gold；ENIG)以及無電鍍鎳無電鍍鈀浸金(electroless nickel electroless palladium immersion gold；ENEPIG)、金、鎳以及前述之合金。
第5圖顯示主動元件晶圓11在脫離(de-bonding)製程中的剖面示意圖，暫時的接合材料37(在第5圖中未繪出，例 如參閱第4圖)已經移除，此材料的形成帶有釋放機制，其將材料從黏著材料改變成非黏著材料，WaferbondTM HT為熱釋放材料，其他暫時的接合材料可以是紫外光可釋放的，亦即此材料對特定光能量例如紫外光具有敏感性，並且當其暴露在紫外光時將轉變成釋放狀態，一些材料可在伴隨有機械壓力時釋放，或者當暴露在化學釋放劑時釋放，這些機制導致材料上的轉變。
在脫離步驟之後，例如藉由施加足夠的熱進行之後，玻璃基底41從主動元件晶圓11的正面移除，藉由在此階段移除玻璃基底41，使用本實施例可得到數個有益的結果，不像先前技術的方法，其在最終的元件中玻璃基底仍保留在CIS感測器上方，而如第5圖所示之實施例的結構，進入CIS感測器的初始光線不會被玻璃基底和接合材料阻礙，使用本實施例這兩者皆被移除，因此在光電二極體上初始光線的量會增加，進而增加感測器的量子效率(QE)。
此外，在此階段玻璃基底的移除也除去了在後續製程中熱膨脹係數(CTE)不匹配的來源，以及當最終感應器在系統應用中使用時潛在的熱膨脹係數(CTE)不匹配。因為玻璃基底41與矽或半導體晶圓13具有本質上不同的熱性質，如果保留玻璃作為最終感應器的一部份，在後續的各種製程中，例如切割，或者在系統中使用感測器的期間，矽晶圓13可能會發生扭曲(warping)及彎曲(bowing)。
第6圖顯示主動元件晶圓11在切割(dicing)操作中 的剖面示意圖，藉由將晶圓13切割成個別的積體電路元件或晶粒，使得CIS感測器11A和11B互相分開。切割操作可藉由機械的晶圓鋸開(sawing)、雷射切割或前述之組合進行，或者藉由畫線(scribing)、挖溝槽(trenching)以及蝕刻操作進行，以及藉由前述之組合或類似的操作進行。在實施例的方法中，當玻璃基底41在切割操作之前移除(參閱上述第5圖)，此切割操作比較不會有壓力，因為只有晶圓13需要被切開，與先前技術的方法比較之下，先前技術的方法需要同時鋸開矽晶圓和玻璃基底，因此使用本實施例更進一步降低了在主動元件晶圓上的震動與機械應力。
如第6圖中所示之箭頭，在CIS感測器11A和11B分開之後，這些個別的積體電路元件(晶粒)可以被固定在系統板或另一基底上，並使用BGA端子45作為連接器。感測器的微透鏡21和彩色濾光片陣列27材料不會被任何接合材料包圍，並且在感測器元件與系統透鏡之間沒有玻璃基底存在，因此相較於先前技術的FSI CIS結構，本實施例之感測器結構在光電二極體上的初始光線會增加。微透鏡材料暴露在周遭環境的空氣中或者可能是真空，並且來自系統透鏡的光線在照射到微透鏡材料21上之前不需要穿過任何其他的材料。
第7圖顯示另一實施例之中間階段的剖面示意圖，在第7圖中繪出主動元件晶圓51，並且將形成背照式(BSI)感測器。此實施例的數個部件與第1-6圖中所示之前照式(FSI)實施例相同，並且使用類似的數字標示類似的部件。在第7圖 中所示之半導體晶圓13例如為矽晶圓，具有光電二極體23形成於其中，為了說明第7圖所示之實施例，晶圓13從上述第1-6圖說明的圖式旋轉180度，使得包含外部墊金屬化層31的後段製程(BEOL)層15顯示在晶圓13底下，亦即正面表面在晶圓13之下。載體晶圓55為接合至後段製程(BEOL)層15的晶圓，載體晶圓55可以是矽晶圓、或另一種半導體晶圓，例如砷化鎵、銦、鍺或類似的半導體材料。
如上所述，主動元件晶圓51包含許多CIS感測器元件，在第7圖中所示之晶圓51的部份僅繪出兩個元件51A和51B的一部分，這兩個元件圍繞著中心線對稱排列。每一個BSI影像感測器元件51A和51B具有光電二極體23的陣列在晶圓13中，以及金屬化層31在後段製程(BEOL)層15中，並且接合至載體晶圓55。在實際的元件晶圓中可形成許多感測器元件，每個感測器元件具有數千個光電二極體排成陣列，並且包含存取電晶體、重置電晶體以及傳輸電晶體，以讀取接收光線之後儲存的電荷。
第8圖顯示主動元件晶圓51經過更多製程步驟的剖面示意圖，從第7圖所示之中間製程階段轉變至第8圖所示之階段，彩色濾光片陣列材料27在晶圓13的背面表面35之上形成，微透鏡材料21在彩色濾光片陣列材料27之上形成。相較於第1-6圖的前照式(FSI)實施例，在使用後照式(BSI)的實施例中，照射在光電二極體23上的光線將不會穿過後段製程(BEOL)層15，因此對於後照式(BSI)CIS元件而言，照射在光電二極體 23上的光線的量將會增加，並且因此而增加其效能。因此，增加了後照式(BSI)影像感測器的使用，但是如上所示，本實施例並非限於後照式(BSI)的實施例。
在第8圖中，暫時的接合材料37施加在彩色濾光片陣列(CFA)27和微透鏡(ML)21材料之上，此材料形成黏著劑，並且玻璃基底41使用接合材料37進行暫時的接合並位於晶圓13之上。如上所述，此接合材料37可以是熱可釋放的材料，或者可使用紫外光或化學可釋放的接合材料作為替代的實施例。
第9圖顯示主動元件晶圓51經過更多製程步驟的另一剖面示意圖，在第9圖中，載體晶圓55已經使用晶圓薄化製程薄化，晶圓薄化製程可包含化學機械研磨(CMP)、機械研磨、矽蝕刻或前述之組合，以降低載體晶圓的厚度至例如80到250微米的範圍，在一實施例中，使用100微米的厚度。
在載體晶圓55上進行晶圓薄化製程之後，使用微影與蝕刻製程蝕刻出貫穿載體晶圓55的通孔57，這些導通孔將形成貫穿導通孔至針對每一個元件51A和51B所示之金屬化層31的外部墊部分，載體晶圓蝕刻可使用乾蝕刻，例如反應性離子蝕刻(reactive ion etching；RIE)進行，也可使用電漿蝕刻或其他的矽蝕刻製程進行。
第10圖顯示第9圖的主動元件晶圓51經過更多製程步驟的剖面示意圖，從第9圖所示之中間階段轉變至第10圖的過程中，進行外部連接和鈍態製程。隔離層59形成於載體晶圓55暴露出來的表面之上，此隔離層可以是熱氧化物，或者可 以是氮化物或氮氧化物或類似的材料，隔離層59可以用熱成長方式形成，或使用化學氣相沈積(CVD)、電漿增強型化學氣相沈積(PECVD)或類似的氧化物沈積製程形成。藉由氧化物蝕刻讓隔離層59在貫穿導通孔57內形成開口，然後沈積重分佈層(RDL)63，導電的重分佈層63形成在貫穿導通孔57內，並且接觸金屬化層31的接墊部分。在此方法中，可從例如載體晶圓55暴露出來的表面製成電性連接至主動元件晶圓內的光電二極體23。鈍態層67可以是氮化矽、或聚亞醯胺、或類似的材料，其形成在重分佈層63之上，然後藉由微影與蝕刻在重分佈層63選擇的部分之上讓鈍態層形成開口，重分佈層63在載體晶圓55的底部上形成導線。外部連接器65例如可以是用於球柵陣列(BGA)封裝的焊球，其形成在這些鈍態層的開口內，使得外部連接至重分佈層63。外部連接器65可以是焊球、焊料凸塊、導電柱例如銅柱、導電圓柱、嵌柱凸塊(stud bump)、打線接合凸塊(wire bond bump)或上述類似的連接器，如上所述，可在外部連接器65之上進行最終的電鍍。
第11圖顯示玻璃基底41從主動元件晶圓51脫離，處理暫時的接合材料(未繪出)釋放玻璃基底41，在一說明的實施例中，使用熱釋放接合材料，其他的材料包含化學釋放和紫外光釋放接合材料，可藉由施加紫外光至紫外光敏感型接合材料而達到釋放玻璃基底41，另外，可使用合適的溶劑將接合材料溶解，其他替代的材料為在此技術領域中具有通常知識者可瞭解，包含一材料的應用，此材料與接合材料互相作用以對抗 接合材料起作用，或者用其他方式抵銷接合材料的黏著/有結合力的性質。
玻璃或其他基底41在晶圓薄化和上述的貫穿導通孔的製程期間可提供支撐作用，但是在晶圓13切割成個別的積體電路(晶粒)之前移除玻璃或其他基底41，不像使用習知方法形成的背照式(BSI)感測器，最終的元件51A和51B將不具有玻璃基底41或暫時的接合材料(未繪出)在這些元件之上，並且在系統透鏡與光電二極體之間的光線路徑中也不具有玻璃基底41或暫時的接合材料，因此使用本實施例增加了在光電二極體的有效光線，並且因此改善了背照式(BSI)影像感測器的量子效率(QE)。
第12圖顯示主動元件晶圓51在切割(dicing)操作中的剖面示意圖，藉由在元件之間的部份內將晶圓鋸開或將晶圓13切割，元件51A和51B將被分開，每一個元件51A和51B(以及許多更多的元件，為了簡化只繪出兩個元件，但是晶圓13將具有許多BSI元件形成於其上)將會是BSI CIS積體電路，這些元件可以使用外部連接器65固定在系統中。
使用本實施例可提供在系統透鏡與CIS感測器的微透鏡材料之間的路徑中不具有先前方法形成的CIS感測器之玻璃基底和接合材料的CIS感測器，FSI和BSI CIS感測器兩者都可以從使用本實施例得到好處，採用本實施例形成的感測器具有微透鏡材料在光電二極體之上，微透鏡材料暴露在空氣或周遭環境中，不會被玻璃或接合材料覆蓋，因此增加了在光電 二極體的光量。
11‧‧‧主動元件晶圓
11A、11B‧‧‧前照式(FSI)影像感測器元件
13‧‧‧半導體晶圓
15‧‧‧後段製程層
17‧‧‧多晶矽閘極
21‧‧‧微透鏡
23‧‧‧光電二極體
27‧‧‧彩色濾光片陣列
29‧‧‧貫穿導通孔
31‧‧‧外部墊金屬化層
33‧‧‧晶圓的正面表面
39‧‧‧隔離層
43‧‧‧重分佈層
45‧‧‧外部連接器
47‧‧‧鈍態層

Claims (10)

  1. 一種形成半導體元件的方法，包括：在一元件晶圓上形成複數個畫素陣列；將一基底接合至該元件晶圓；薄化該元件晶圓；於該基底接合至該元件晶圓之後，在該元件晶圓上形成複數個電性連接；將該基底從該元件晶圓脫離；以及從該元件晶圓將該些畫素陣列分離成個別的畫素陣列。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之形成半導體元件的方法，其中該基底包括玻璃。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之形成半導體元件的方法，其中該元件晶圓包含一前照式互補式金氧半導體影像感測器。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之形成半導體元件的方法，其中該基底藉由一加熱釋放的接合材料接合至該元件晶圓。
  5. 一種形成半導體元件的方法，包括：在一元件晶圓上形成複數個畫素陣列；將一載體晶圓接合至該元件晶圓的一第一側；將一基底接合至該元件晶圓的一第二側之上；薄化該載體晶圓；形成複數個電性連接至該元件晶圓的該第一側；將該基底從該元件晶圓的該第二側脫離；以及從該元件晶圓將該些畫素陣列分離成個別的畫素陣列。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之形成半導體元件的方法，其中 將該基底脫離的該步驟包括施加熱、紫外光或一化學釋放劑至一接合材料。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之形成半導體元件的方法，其中形成該些電性連接至該元件晶圓的該步驟更包括：蝕刻出複數個貫穿通孔，貫穿該載體晶圓延伸至位於該元件晶圓之上的複數個金屬化層；沈積一導電重分佈層材料到該些貫穿通孔內；以及形成複數個外部連接器耦接至該導電重分佈層材料。
  8. 如申請專利範圍第5項所述之形成半導體元件的方法，其中該些畫素陣列包括背照式元件。
  9. 一種成像裝置，包括：一元件晶圓，包括複數個光電二極體排列成複數個畫素陣列；一彩色濾光片陣列材料，形成於該些光電二極體之上和該元件晶圓的一第一表面之上；一微透鏡材料，形成於該彩色濾光片陣列材料之上；以及複數個外部連接器，形成於該元件晶圓的一第二表面之上；其中該微透鏡材料暴露出來。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之成像裝置，其中該元件晶圓更包括一背照式影像感測器或一前照式影像感測器。
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