用于减少钝化应力的凸伸模型及其制造方法与流程

本申请是有关半导体制造。本申请尤其有关减少指纹传感器内的钝化应力。

背景技术：

指纹感测半导体被广泛用于计算装置，以支持指纹扫描应用。该传感器通常被嵌入计算装置的显示器之下，或在计算装置的金属外壳之后，或在计算装置的边框之内。在传感器制程期间执行双感测垫掩模钝化(dualpadmaskpassivation)，以便保护传感器不受湿气、腐蚀、或其他外部刺激的影响，且增加传感器对触摸的灵敏度。根据该方法，在该半导体上方形成的平坦化钝化图案的顶部上沉积一薄钝化层。不幸地，此钝化方案经常导致在该上方钝化薄膜的最易受伤害的区域中形成应力破裂(stressfracture)，因而降低了该钝化层的完整性。

解决该问题的一种方法是增加该上方钝化氧化物的厚度。然而，增加的厚度将降低传感器的性能，且将提高生产成本。因而存在对一种在最低的成本下形成具有用于防止钝化应力破裂的结构特征的传感器的装置及方法的需求。

技术实现要素：

本发明揭示的一方面是一种以最低成本形成具有用于防止钝化应力破裂的结构特征的传感器的方法。

本发明揭示的另一方面是一种用于防止钝化应力破裂的具有增加的凸伸的传感器。

下文的说明中将述及本发明揭示的额外方面及其他特征，且对所述领域技术人员在研究下文之后在某种程度上将易于得知该额外方面及其他特征，或者可自对本发明揭示的实施而学习到该额外方面及其他特征。尤其如最后的权利要求书指出的，可实现且获得本发明揭示的优点。

根据本发明的揭示，一种方法可在某种程度上实现某些技术效果，该方法包含下列步骤：在一传感器的逻辑区的第一顶部金属层以及该传感器的阵列区的第二顶部金属层上方被图案化的介电层上方形成一第一钝化层；将该第一钝化层及该介电层平坦化，以在第一顶部金属层及该第二顶部金属层上方形成一齐平表面；蚀刻该介电层，而根据一预定的凸伸值在该传感器的该阵列区中形成一感测垫开口，该感测垫开口露出该第二顶部金属层的表面的一部分；以及在该齐平表面及该阵列区中的该感测垫开口上方形成一第二钝化层。

本发明揭示的方面包含下列步骤：蚀刻该第二钝化层及该第二钝化层之下的该介电层，而根据该预定的凸伸值在该传感器的该逻辑区中形成一感测垫开口，该感测垫开口露出该第一顶部金属层的表面的一部分。进一步的方面包括该蚀刻步骤进一步包含下列步骤：在该第二钝化层的一部分上方沉积一蚀刻掩模，其中该沉积是根据该传感器的该逻辑区中的该感测垫开口的尺寸。另一方面包含：该逻辑区中的该感测垫开口的该尺寸是根据该预定的凸伸值，且其中该预定的凸伸值是自该感测垫开口到该第一顶部金属层与该第二钝化层之间的重叠的测量。

额外的方面包括该蚀刻步骤进一步包含下列步骤：在该介电层及该第一钝化层的一部分上方沉积一蚀刻掩模，其中该沉积是根据该传感器的该阵列区中的该感测垫开口的尺寸。另一方面包含：该阵列区中的该感测垫开口的该尺寸是根据该预定的凸伸值，且其中该预定的凸伸值是自该感测垫开口到该第二顶部金属层与该第二钝化层之间的重叠的测量。

额外的方面包含：该预定的凸伸值是根据该第一顶部金属层或该第二顶部金属层的变形形状与导致该第二钝化层中的应力优化的该第二钝化层的变形行为之间的相关性。另一方面包含：该相关性是根据有限元素分析(finiteelementanalysis；简称fea)。另一方面包括：包含高密度等离子(high-densityplasma；简称hdp)氧化物、硅或掺杂硅基低k介电质的该介电层。进一步的方面包括：包含四乙基硅烷(teos)的该第一钝化层、以及包含hdp氧化物及氮化物的该第二钝化层。

本发明揭示的另一方面是一种装置，该装置包含：一传感器的逻辑区内的第一顶部金属层；该传感器的阵列区内的第二顶部金属层；该逻辑区及该阵列区上方的介电层，该第一及第二顶部金属层上方的该介电层的高度大于该第一及第二顶部金属层之间的及周围的该介电层的高度；该第一及第二顶部金属层之间的及周围的该介电层上方的第一钝化层，该第一钝化层的高度与该第一及第二顶部金属层上方的该介电层的高度齐平；该传感器的逻辑区中具有根据一预定的凸伸值的尺寸的感测垫开口，该感测垫开口露出该第一顶部金属层；该传感器的该阵列区中具有根据该预定的凸伸值的尺寸的感测垫开口；以及该介电层、该第一钝化层、及该传感器的该阵列区中的该感测垫开口上方的第二钝化层。

该装置的方面包含：被连接到该第一顶部金属层的底面的通孔，该通孔将该传感器互连到一逻辑设备；以及被连接到该第二顶部金属层的底面的通孔，该通孔将该传感器互连到一阵列，其中该介电层是在该通孔上方，且其中该介电层包含hdp氧化物、硅或掺杂硅基低k介电质。另一方面包含该介电层及该第一钝化层的一部分上方的蚀刻掩模，其中该部分是根据该传感器的该阵列区中的该感测垫开口的尺寸。一进一步的方面包含该第二钝化层的一部分上方的蚀刻掩模，其中该部分是根据该传感器的该逻辑区中的该感测垫开口的尺寸。其他方面包含：该预定的凸伸值是自该阵列区中的该感测垫开口到该第二顶部金属层与该第二钝化层之间的重叠的测量。一进一步的方面包含：该预定的凸伸值是自该逻辑区中的该感测垫开口到该第一顶部金属层与该第二钝化层之间的重叠的测量。额外的方面包括：包含teos的该第一钝化层、以及包含hdp氧化物及氮化物的该第二钝化层。

本发明揭示的进一步的方面是一种方法，该方法进一步包含下列步骤：决定顶部金属层的变形形状与传感器的上钝化层的应力因子(stressfactor)之间的相关性；以及根据该相关性而决定一凸伸值，其中传感器的一区中的顶部金属层的上方将被蚀刻的感测垫开口的尺寸是根据该凸伸值。

本发明揭示的方面包含：该相关性是根据fea。另一方面包含：该预定的凸伸值是自该感测垫开口到该顶部金属层与第二钝化层之间的重叠的测量。

所述领域技术人员若参阅下文中的详细说明，将可易于了解本发明揭示的额外观点及技术效果，其中只是以举例说明预期用于实现本发明的揭示的最佳模式的方式说明本发明揭示的实施例。如将可了解的，在不脱离本发明的揭示的情形下，本发明的揭示能够有其他不同的实施例，且其数个细节能够在各明显的方面上被修改。因此，各图式及说明在本质上将被视为例示性，且不被视为限制性。

附图说明

将参照各附图而以举例且非限制的方式说明本发明的揭示，在该附图中，同样的组件符号参照到类似的组件，其中：

图1(先前技术)根据一实施例而示出传感器装置的钝化方案的横断面图；

图2a至图2e根据各实施例而以示意方式示出用于形成预防钝化应力破裂的具有增加的凸伸的传感器的流程；

图3a及图3b根据各实施例而以示意方式示出具有增加的凸伸的传感器的钝化方案的横断面图；以及

图3c及图3d根据一实施例而以示意方式示出有增加的凸伸的传感器的钝化方案的上视图。

具体实施方式

在下文的说明中，为了解说，述及了许多特定细节，以便提供对各实施例的彻底了解。然而，显然可在没有这些特定细节或利用等效安排的情形下实施该实施例。在其他的情形中，是以方块图的形式示出传统的结构及装置，而避免不必要地模糊了各实施例。此外，除非另有指示，否则本说明书及权利要求书中使用的表示成分的量、比率、及数值属性、以及反应条件等的所有数字将被理解为在所有的情况中被术语“大约”修饰。

本发明的揭示处理且解决在装置制造期间预防应力破裂发生在被应用于传感器装置的钝化层的问题。诸如用于支持指纹扫描及其他应用的传感器等的现有传感器需要双感测垫掩模钝化。如图1(先前技术)的传感器横断面图举例所示，双感测垫掩模钝化通常需要将一钝化层101(例如，氮化硅(sin))沉积在传感器的各种组件上方所形成的平坦化钝化图案(例如，诸如氧化硅(一氧化硅(sio)或二氧化硅(sio2)等的hdp氧化物)的顶部上。钝化层101因而充当用于预防该传感器的装配及封装期间的机械及化学损伤的绝缘保护层。

不幸地，氧化硅103上沉积的薄(上)钝化层101受到许多应力，此种情况尤其发生在该钝化层的易受伤害的区域105。此种情况进一步导致裂纹/破裂107的形成，因而降低了该钝化层的完整性，且限制该传感器的性能(例如，对触摸的感受性、灵敏度)。

尤其通过在最低成本/制造变化的情形下形成一种具有用于预防钝化应力破裂的增加的凸伸的传感器，而解决该问题。如将于本说明书的后文中讨论的，增加的凸伸减少了该最易受伤害的部分(亦即，该钝化层的氮化物弯曲/角落区域105)中发生的应力的量。举例而言，凸伸是顶部金属层111与钝化层之间的重叠区域的量。因此，凸伸值109可被决定及/或表示为自一感测垫开口113的所铺设的顶部/第二钝化层101的边缘到该传感器的顶部金属层111的边缘的距离。

根据本发明揭示的实施例的方法包含下列步骤：在一传感器的逻辑区的第一顶部金属层以及该传感器的阵列区的第二顶部金属层上方被图案化的介电层上方形成第一钝化层。将该第一钝化层及该介电层平坦化，而在第一顶部金属层及该第二顶部金属层之上形成一齐平表面。蚀刻该介电层，而根据一预定的凸伸值在该传感器的该阵列区中形成一感测垫开口，该感测垫开口露出该第二顶部金属层的表面的一部分；以及在该齐平表面及该阵列区中的该感测垫开口上方形成第二钝化层。

所属领域技术人员若参阅下文中的详细说明，将可易于了解额外的其他观点、特征、及技术效果，其中只是以举例说明预期的最佳模式的方式示出且说明较佳实施例。本发明的揭示能够有其他不同的实施例，且其数个细节能够在各明显的方面上被修改。因此，各图式及说明在本质上将被视为例示性，且不被视为限制性。

图2a至图2e根据各实施例而以示意方式示出用于形成具有预防钝化应力破裂的增加的凸伸的一传感器的流程。将该钝化方案的流程应用于图2a所示的传感器装置200。

在图2a中，传感器200是包含逻辑区201及阵列区203的半导体结构。逻辑区201相当于传感器200的用于与下方半导体的逻辑组件(为了说明的便利而未示出)相互作用的功能。通过连接到第一顶部金属层209的通孔207而形成传感器200与下方逻辑组件之间的互连。诸如在电容式触控侦测的情况中，第一顶部金属层209充当感测组件或电极。

阵列区203相当于传感器200的用于与其他传感器的阵列(为了说明的便利而未示出)相互作用的功能。通过通孔211及第二顶部金属层213而形成传感器200与该下方阵列之间的互连。诸如在电容式触控侦测的情况中，第二顶部金属层213充当感测组件或电极。在某些实施例中，可考虑将第一及第二顶部金属层209、213分别形成作为包含各种类型金属(例如，铝)及/或电容组件的金属-绝缘体-金属结构。此外，可考虑根据传统的金属镶嵌(damascene)处理或后段制程(backendofline；简称beol)处理技术而形成通孔207及211以及各别的顶部金属层209、213。

第一顶部金属层209及第二顶部金属层213以及它们各别的通孔207及211被一hdp氧化物层215围绕。在某些实施例中，hdp氧化物层215是介电层，且被形成作为诸如氧化硅(sio)或二氧化硅(sio2)等的硅或掺杂硅基的低k介电质，用以分隔传感器200的各别功能。因此，逻辑区201可支持该传感器与对应的感官知觉(senseperception)(根据阵列区203)及/或判断逻辑(根据逻辑区201)的介接。需要注意的是：可根据传统的蚀刻及掩模技术而将hdp氧化物层215相应地图案化，使该hdp氧化物层的高度分别大于第一及第二顶部金属层209、213的高度。

根据该例示钝化方案，在逻辑区201的第一顶部金属层209及阵列区203的第二顶部金属层213上方被图案化的hdp氧化物层215上方形成第一钝化层217。举例而言，第一钝化层217包含四乙基硅烷(teos)、teos臭氧化物(ozoneoxide)、或用于支持化学机械平坦化的任何其他传统材料。在另一制程步骤中，如图2b所示，第一钝化层217及hdp氧化物层215被平坦化，从而形成传感器200的齐平表面。根据该步骤，第一顶部金属层209及第二顶部金属层213的表面之上的第一钝化层217及hdp氧化物层215的高度是相同的。

在图2c中，根据预定的凸伸值蚀刻hdp氧化物层215，而在传感器200的阵列区203中形成一感测垫开口219。感测垫开口219因而露出第二顶部金属层213的表面的一部分，使该感测组件或电极能够积极地侦测外部刺激(亦即，触控)。在该例示实施例中，根据该预定的凸伸值而界定感测垫开口219的尺寸。因此，相对于阵列区203的第二顶部金属层213的固定尺寸，根据感测垫开口219而露出的表面积是可变的。

在某些实施例中，该凸伸值是自该感测垫开口到第二顶部金属层213与第二钝化层(例如，图2d中所示的层225)之间的重叠的测量。可将该凸伸值表示为自感测垫开口219到第二顶部金属层213的边缘的距离(单位为微米)、或面积值或面积差(第二顶部金属层213的面积减去感测垫开口219的面积)等的值。此外，可在传感器制造之前，根据对与该一或多个钝化层、该一或多个顶部金属层、及装置200的其他组件有关的已知特性及/或反应集合数据的有限元素分析(fea)(例如，根据有限元素方法(finiteelementmethodology；简称fem)或模型化)，而先将该凸伸值预定为一最佳值。根据fea或fem，可观测且关联该传感器的材料特性、设计要求、及其他组件。

例如，预定的凸伸值可根据特定顶部金属层的变形形状与导致(在第二钝化层的氮化物弯曲/角落区域105中观测的)优化应力因子的第二钝化层之间的相关性。根据该相关性，可决定该凸伸距离的最佳值或值的范围(例如，3-14微米)，且该最佳值或值的范围可适应于不同的钝化方案及传感器200类型。因此，请注意，该凸伸值可通知该蚀刻制程确保hdp氧化物层215有准确的图案化，以便根据任何传统的蚀刻手段而形成感测垫开口219。

图2c所示的该蚀刻制程步骤可进一步包含执行遮蔽制程(maskingprocess)。在该制程中，于蚀刻之前，在hdp氧化物层215及第一钝化层217的一部分上方沉积一蚀刻掩模。该蚀刻掩模的选择性沉积确保只有传感器200的将不被蚀刻的部分会被遮蔽，此遮蔽是根据阵列区203中的感测垫开口219的尺寸。因此，在装置制造期间，预定的凸伸值通知遮蔽制程，以便指定何处将铺设以及何处将不铺设掩模。

请注意，所示的感测垫开口219的形状只是为了说明的目的。感测垫开口219的形状、尺寸、及基本大小可根据预定的凸伸值的界定而改变。根据参照图2c所述的流程，所形成的传感器200包含表面齐平的第一钝化层217及hdp氧化物层215，其中在阵列区203中具有单一感测垫开口219。

在图2d中，在区201及203的该齐平表面以及阵列区203中的感测垫开口219上方形成第二钝化层225。第二钝化层225被形成(沉积)为一hdp氧化物层221具有额外的氮化物层223，其中，该额外的氮化物层223形成在该hdp氧化物层221顶上。作为最上方的钝化层，第二钝化层225具有适于保护包括感测组件/电极(第二顶部金属层213)的表面的传感器200不会由于外部刺激(亦即，污染、湿气等)而性能降低的厚度及材料成分。

在图2e中，在第二钝化层225之下的第二钝化层225及hdp氧化物层215被蚀刻，而在传感器200的逻辑区201中根据预定的凸伸值形成一感测垫开口227。感测垫开口227因而露出第一顶部金属层209的表面的一部分，使该感测组件或电极能够积极地侦测外部刺激(亦即，触控)。如前文中针对感测垫开口219所说明的，是根据预定的凸伸值而界定感测垫开口227的尺寸。因此，相对于逻辑区201的第一顶部金属层209的固定尺寸，根据感测垫开口227而露出的表面积是可变的。在某些实施例中，可考虑让用于阵列区203及逻辑区201的预定凸伸值根据设计及制造要求而是相同的或不同的。

图2e所示的蚀刻制程步骤可进一步包含执行一遮蔽制程。在该制程中，只在第二钝化层225的将不被蚀刻的部分上方沉积蚀刻掩模，亦即，没有掩模被铺设到第二钝化层225中用于将感测垫开口227图案化的区域。如前文中针对感测垫开口219所说明的，是根据感测垫开口227的尺寸而执行选择性遮蔽。

根据参照图2e所述的流程，所形成的传感器200包含根据感测垫开口219及227而界定的双感测垫。此外，在第二钝化层225上形成阵列区203中的感测垫开口219，而逻辑区201中的感测垫开口227被完全露出。在区201及203两者中，是根据预定的凸伸值而形成各别的感测垫开口227及219，因而预防发生第二钝化层225内的应力破裂。请注意，本发明所述的该流程能让传感器200的钝化应力反应针对通孔凸伸设计而预先决定、规画、及调整，且无须对制程作任何改变。

图3a及图3b根据各实施例而以示意方式示出具有增加的凸伸的传感器的钝化方案的横断面图。在图3a中，第二钝化层305包含hdp氧化物层303及氮化物层301，形成在传感器的顶部金属层307以及由teos形成的一平坦化的第一钝化层309上方。该第二钝化层305也形成在感测垫开口311a上方。自感测垫开口311a到顶部金属层307的边缘的距离313a(在本文中被称为凸伸)被加长。

图3c中示出具有加长的凸伸313a的前文所述的钝化方案的上视图。在图3c中，(在感测垫开口311a上方形成的)第二钝化层305与顶部金属层(m5层)307重叠。以微米(μ)为单位测量的凸伸值313a界定感测垫开口311a的尺寸。在该例子中，每一重叠端上的凸伸值是相同的。或者，可以平方单位(例如，平方微米)测量该凸伸，以便代表顶部金属层307与感测垫开口311a的面积之间的面积差。又此外，在一替代实施例中，不同重叠端上的该凸伸值可以是不同的。在后一种情况中，可根据有限元素分析(fea)而在传感器制程之前选择多个预定的凸伸值。

在图3b中，自感测垫开口311a到顶部金属层307的边缘的距离313b被加长。图3d的对应的上视图中示出此种情况，图3d示出较长的凸伸值313b所界定的感测垫开口311b的增加的尺寸。该增加的凸伸将第二钝化层305的弯曲/角落区域315上的应力反应(stressresponse)最小化。此种状况与图1(先前技术)的凸伸值109形成对比，而在图1中，较短的距离增加了弯曲/角落区域105上发生的应力量。请注意，在该例子中，增加的凸伸313b对应于感测垫开口311b的减少的尺寸及/或面积。因此，可根据预定的凸伸值而预先告知该开口的减少的尺寸，以便支持传感器设计及规画。

本发明揭示的该实施例可实现其中包括预防在传感器上方形成的钝化层中发生的应力破裂的数种技术效果。此外，本发明的揭示能够决定预定的(最佳)凸伸值或范围，以便规画、设计、及制造一传感器。此外，本发明的揭示在对成本或传感器性能没有不利影响的情况下支持具有增加的凸伸的传感器的开发。根据本发明揭示的实施例而形成的装置在诸如微处理器、智能型手机、移动电话、细胞式手机、机顶盒、数字多功能光盘(dvd)录像机及播放器、汽车导航、打印机及外围装置、网络及电信设备、游戏系统、及数字相机等的各种产业应用中都具有实用性。本发明的揭示在包括磁性随机存取内存(mram)、电阻式随机存取内存(reram)、或铁电内存(feram)的各种类型的半导体装置中的任何半导体装置中都具有产业利用性。

在前文的说明中，是参照本发明的特定实施例而说明本发明的揭示。然而，显然可在不脱离权利要求书中述及的本发明的揭示的较宽广的精神及范围下对该特定实施例作出各种修改及改变。因此，本说明书及各图式将被视为例示性且非限制性。应当理解：本发明的揭示能够使用各种其他组合及实施例，且能够在本说明书中所述的本发明的概念的范围内作出任何改变或修改。