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低成本、高集成度之背照式圖像傳感器封裝.pdf

摘要
申請專利號:

CN201210169718.4

申請日:

2012.05.28

公開號:

CN102751299B

公開日:

2015.01.21

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):H01L 27/146申請日:20120528|||公開
IPC分類號: H01L27/146 主分類號: H01L27/146
申請人: 香港應用科技研究院有限公司
發明人: 楊丹; 徐逸杰; 丘樹堅; 羅珮璁
地址: 中國香港新界沙田香港科學園科技大道西二號生物資訊中心三樓
優先權: 2012.05.04 US 13/464,939
專利代理機構: 深圳新創友知識產權代理有限公司 44223 代理人: 江耀純
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201210169718.4

授權公告號:

102751299B||||||

法律狀態公告日:

2015.01.21|||2012.12.19|||2012.10.24

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明披露了背照式圖像傳感器及其制作方法,其在制作過程中不需要涉及機械研磨過程或化學機械平面化過程。在一個實施例中,圖像傳感器包括一半導體襯底、在半導體襯底內的多個光感應元件、和一形成在半導體襯底內的空腔。光感應元件以平面方式排列。空腔有一基面在光感應元件之上。空腔的出現允許圖像經過空腔基面而到達光感應元件。空腔可以通過蝕刻半導體襯底而制作。當進行蝕刻時,還可以使用攪動。

權利要求書

1.一種背照式圖像傳感器,包括:
半導體襯底,其有第一襯底表面和第二襯底表面,所述第一襯底表面
位于所述第二襯底表面的反面;
一個或多個光感應元件,其位于所述半導體襯底內,所述光感應元件
被安排用于接收來自所述半導體襯底外面的圖像光;
形成在半導體襯底內的空腔,所述空腔有一基面在所述光感應元件
上,所述空腔從所述第一襯底表面延伸到所述基面;
其中所述第一襯底表面是所述圖像傳感器的背側面;
其中所述圖像光被允許穿過所述基面而到達所述光感應元件,所述圖
像光到達所述圖像傳感器的背側面和到達所述光感應元件的所
行進的距離比沒有所述空腔的情況要短。
2.如權利要求1所述的圖像傳感器,其中所述空腔是通過在所述半導
體襯底上進行蝕刻而形成的。
3.如權利要求1所述的圖像傳感器,其中所述空腔的側壁形成包含氧
離子注入;其中所述氧離子注入在蝕刻所述半導體襯底而形成空腔
的期間充當阻擋的作用。
4.如權利要求1所述的圖像傳感器,還包括:
多個微光學器件,其位于所述空腔基面上,其中每個微光學器件被
設置用來光學地處理一部分圖像光,并將該光學處理后的部分
圖像光傳導到一個光感應元件上。
5.如權利要求4所述的圖像傳感器,其中一個所述微光學器件包括透
鏡和顏色濾鏡。
6.如權利要求1所述的圖像傳感器,還包括一抗反射膜在所述空腔上。
7.如權利要求1所述的圖像傳感器,還包括:
一個或多個通孔,其從所述第一襯底表面或所述空腔基面延伸到所
述第二襯底表面;
一個或多個電路徑,其位于所述第二襯底表面和所述第一襯底表面
之間,其中每個電路徑都穿過一個通孔,因此允許在所述第二
襯底表面上的一個或多個第一器件和可與所述第一襯底表面電
連接的一個或多個第二器件之間的電子信號通信。
8.如權利要求7所述的圖像傳感器,還包括一透明蓋板貼附在所述第
一襯底表面上。
9.如權利要求8所述的圖像傳感器,其中所述透明蓋板是一玻璃蓋板。
10.如權利要求8所述的圖像傳感器,其中可電連接到所述第一襯底表
面的所述第二器件貼附在所述透明蓋板上,因此允許高度的器件集
成。
11.如權利要求7所述的圖像傳感器,還包括一支撐襯底,其貼附在所
述第二襯底表面上,因此提供額外的機械支撐給所述圖像傳感器。
12.如權利要求7所述的圖像傳感器,其中至少一個所述通孔的橫截面
是相同的,或是不相同的。
13.一種制作BSI圖像傳感器的方法,包括:
準備一晶圓,其有第一晶圓側面和第二晶圓側面,第一晶圓側面在
第二晶圓側面的反面,集成電路制作在所述第二晶圓側面上,
其中所述集成電路至少包括光感應元件、電子電路、和金屬線,
所述金屬線用于至少連接一個或多個電子電路和一個或多個光
感應元件;
蝕刻所述第一晶圓側面,使得所述第一晶圓側面改變形狀而在其上
形成多個空腔;
形成多個通孔,其從所述第一晶圓側面延伸到所述第二晶圓側面;
在所述第一晶圓側面和所述第二晶圓側面之間形成電路徑,其中每
個所述電路徑穿過一個所述通孔;
在第一晶圓側面上形成多個抗反射膜,在所述空腔上形成多個微光
學器件;
執行鈍化,然后切割,由此在切割所述圖像傳感器后而得到晶片。
14.如權利要求13所述的方法,其中所述蝕刻第一晶圓側面的步驟包括:
當進行蝕刻時,包括攪動。
15.如權利要求13所述的方法,還包括將一晶圓尺寸的支撐襯底貼附到
所述晶圓的第二晶圓側面,其中所述圖像傳感器有一支撐襯底,其
是一部分的晶圓尺寸的支撐襯底。
16.如權利要求13所述的方法,還包括將一透明蓋板貼附到所述圖像傳
感器上。
17.如權利要求13所述的方法,其中所述準備晶圓包括:注入氧離子到
非像素區,形成一富氧層在所述晶圓體區層內,在所述蝕刻第一晶
圓側面時用做阻擋層。

說明書

低成本、高集成度之背照式圖像傳感器封裝

【技術領域】

本發明涉及半導體基圖像傳感器,特別涉及背面發光式半導體
基圖像傳感器。

【背景技術】

半導體基圖像傳感器,如互補金屬氧化物半導體(CMOS)圖
像傳感器,通常都用作將可視圖像轉變為相應電信號的變換器。半導體基
圖像傳感器一般包括光感應元件和信號處理電子器件,一旦捕獲到一個圖
像,信號處理電子器件就處理從光感應元件產生的電子信號,其中光感應
元件和信號處理電子器件都制作和集成在一個半導體襯底上。在一個典型
的實施中,光感應元件是光電二極管,信號處理電子器件是由CMOS晶體
管來實現。有很多種此類型的實施,請參考Gamal?A.E.和Eltoukhy?H.(2005)
的“CMOS?image?sensors,”IEEE?Circuits&Device?Magazine,pp.6-20,
May/June?2005,以及Bigas?M.、Cabrua?E.、Forest,J.和Salvi,J.(2006)的
“Review?of?CMOS?image?sensors,”Microelectronics?Journal,pp.433-451,
2006,以及Ohta?J.(2007)的Smart?CMOS?Image?Sensors?and?Applications,
CRC?Press,2007。所有這些都通過引用而結合入本申請。

半導體襯底有一前側面和一背側面。前側面上通常生長有高質
量的外延層,在其上再制作電子元件如晶體管和二極管。一般來說,也是
在前側面上制作光感應元件和信號處理電子元件的。在這些光感應元件和
信號處理電子元件上,通常還有一層或多層金屬化層或金屬線,它們由絕
緣介質層隔開。

在圖像傳感器的半導體襯底的前側接收圖像,是前照式
(frontside-illuminated(FSI))圖像傳感器。在這種圖像傳感器中,圖像是
需要經過金屬化層的,因此有些光能量會被其中的金屬線反射,而導致光
感應元件捕獲光子的機會減少,從而減低傳感器的靈敏度。這個缺點可以
通過使用背照式(backside-illuminated(BSI))圖像傳感器而避免。在BSI
圖像傳感器中,半導體襯底的背側面經過專門處理,去除了背側面上的大
量半導體材料,使得光感應元件可以緊靠處理后的背側面。當圖像光到達
背側面時,僅需要穿透少量半導體材料,然后達到光感應元件,因此減少
了圖像的衰減。在現有技術里,為傳統結構的BSI圖像傳感器去除大量半
導體材料,可以通過一種機械研磨過程或一種化學機械平面化(CMP)過程
而完成。這兩種過程都需要精密機械工具去進行精密機械加工步驟,所以成
本高昂。

因此需要有一種新的BSI圖像傳感器,其不需要機械研磨過程
或CMP過程去制作。

【發明內容】

本發明的第一方面是BSI圖像傳感器,其包括一半導體襯底、
在半導體襯底內的多個光感應元件、和一形成在半導體襯底內的空腔。光
感應元件以平面方式排列,因此形成一平面排列的光感應元件陣列以接收
來自半導體襯底之外的圖像光。空腔有一基面在光感應元件之上。空腔的
出現允許圖像經過空腔基面而到達光感應元件,使得來自半導體襯底之外
的圖像光行進的距離要小于沒有空腔的情況。

優選地,空腔是通過蝕刻半導體襯底而形成的。空腔的側壁可
以是斜的或豎直的。

優選地,圖像傳感器還包括多個微光學器件在空腔基面上,其
中每個微光學器件用于光學地處理一部分圖像光,并將這部分圖像光在光
學處理后傳導到一個光感應元件上。最好每個微光學器件都包括微透鏡和
顏色濾鏡。

優選地,圖像傳感器還包括抗反射膜在空腔上。

半導體襯底有第一襯底表面和第二襯底表面,其中第一襯底表
面在第二襯底表面的反面。空腔形成在半導體襯底內,從第一襯底表面延
伸到空腔基面。

可選地,圖像傳感器包括一個或多個從空腔基面延伸到第二襯
底表面的第一通孔、和在第一襯底表面和第二襯底表面之間的一個或多個
第一電路徑,其中每個第一電路徑都經過一個第一通孔。因此允許第二襯
底表面上的一個或多個第一器件和可與第一襯底表面連接的一個或多個第
二器件之間的電子信號通信。

可選地,圖像傳感器包括一個或多個從第一襯底表面延伸到第
二襯底表面的第二通孔、和在第二襯底表面和第一襯底表面之間的一個或
多個第二電路徑,其中每個第二電路徑都經過一個第二通孔。因此允許第
二襯底表面上的一個或多個第三器件和可與第一襯底表面連接的一個或多
個第四器件之間的電子信號通信。可選地,至少一個第二通孔的橫截面是
相同的或不是相同的。

優選地,圖像傳感器還包括一貼附在第一襯底表面上的透明蓋
板。可選地,透明蓋板是玻璃蓋板。可選地,一個或多個第五器件貼附在
透明蓋板上,透明蓋板包括一個或多個第三通孔,使得在一個或多個第五
器件和第二襯底表面上的電子電路之間有可以有電連接。因此達到高度的
器件集成。

可選地,圖像傳感器還包括一貼附在第二襯底表面上的支撐襯
底,因此提供額外的機械支撐給圖像傳感器。

根據本發明的第二方面,制作披露的BSI圖像傳感器的方法包
括:準備一晶圓,在其第二晶圓側面上制作集成電路,第一晶圓側面在第
二晶圓側面的反面,其中集成電路至少包括光感應元件、電子電路、和金
屬線,金屬線用于至少連接一個或多個電子電路到一個或多個光感應元件;
貼附一晶圓尺寸的支撐襯底到晶圓的第二晶圓側面上;蝕刻第一晶圓側面,
使得第一晶圓側面改變形狀而在其上形成多個空腔;形成多個通孔從第一
晶圓側面延伸到第二晶圓側面;在第一晶圓側面和第二晶圓側面之間形成
電路徑,其中每個電路徑都穿過一個通孔;在第一晶圓側面上形成多個抗
反射膜,在空腔上形成多個微光學器件;執行鈍化然后切割,在切割圖像
傳感器之后得到晶片,圖像傳感器有一支撐襯底,其是晶圓尺寸的支撐襯
底的一部分。

可選地,蝕刻第一晶圓側面的步驟包括:在執行蝕刻時攪動。
該方法還包括貼附一透明蓋板到圖像傳感器上。

【附圖說明】

參照以下附圖,更詳細地描述本發明實施例。

圖1顯示本發明的BSI圖像傳感器的示例性實施例;

圖2顯示制作本發明BSI圖像傳感器的方法步驟;

圖3顯示本發明的BSI圖像傳感器的另一個示例性實施例;

圖4顯示制作本發明BSI圖像傳感器的另一個方法步驟。

【具體實施方式】

在以下描述中,制作低成本背照式CMOS圖像傳感器的結構和
方法將作為最佳實施例。對于那些不偏離本發明范圍和精神的修改,包括
添加和/或刪減,對本領域技術人員來說都是顯而易見的。為了不至使本發
明模糊不清,將會省略具體細節,不詳細描述所屬領域技術人員所知曉的
方法、設備或系統。但是,本披露會使本領域技術人員不需要過多的試驗
就能實施本教導。

在說明書和所附權利要求中使用的術語“通孔”是廣義的,意
指任何在電金屬層里的開孔,其允許層與層之間的傳導連接。其他各種類
似的術語如溝槽或通道都包含在本發明使用的術語“通孔”的范圍之中。

為簡化描述,在此披露的BSI圖像傳感器的結構以絕緣體上硅
(SOI)構造來描述。但是本發明并不受限于SOI構造。有了此披露,其
他構造的BSI圖像傳感器結構的制作,對本領域普通技術人員來說是顯而
易見的。和制作BSI圖像傳感器相關的半導體過程,請參考Plummer,J.D.,、
Deal,M.和Griffn,P.D.(2000)的“Silicon?VLSI?Technology:Fundamentals,
Practice,and?Modeling,Prentice?Hall,2000”。其通過引用結合入本申請。

本發明的第一個方面是BSI圖像傳感器。該圖像傳感器的一個
示例性實施例如圖1顯示。BSI圖像傳感器10包括半導體襯底110。而且,
BSI圖像傳感器包括多個光感應元件120在半導體襯底110里。光感應元
件120通常以平面的方式排列,而形成一個平面排列的光感應元件120,
以接收來自半導體襯底110外面的一個圖像。光感應元件120將圖像里承
載的光能量轉換為電信號。這多個光感應元件120的一個例子是CMOS圖
像傳感器里的光電二極管陣列。圖像傳感器10還包括一個形成在半導體襯
底110里的空腔130。另外,該空腔130有一基面135位于光感應元件120
之上。由于有空腔130,圖像光就被允許穿過空腔基面135而到達光感應
元件120,使得圖像光從半導體襯底110外經過的距離要小于沒有空腔130
的情況。

優選地,圖像傳感器10包括多個微光學器件155在空腔基面
135上。每個微光學器件155光學地處理一部分圖像,并將這部分圖像在
光學處理后傳導到一個光感應元件120。最好是每個微光學器件155都包
括一個微透鏡和一個顏色濾鏡。微透鏡用來將這部分圖像導向到所述的一
個光感應元件120上。顏色濾鏡使得所述的一個光感應元件120能檢測到
這部分圖像中的一個想要的顏色成分,如紅、綠或藍。

由于示例性實施例使用SOI構造來作描述,半導體襯底110包
括體區(bulk)110a和一活性區110b,它們之間由一嵌入絕緣體112分隔
開,體區110a用作為空腔130的側壁。嵌入絕緣體112的一個例子是二氧
化硅。

在圖3所示的另一個示例性實施例中,使用環狀的阻擋層
(stopper)701來替代體區110a以隔離每個空腔。它們和殘留體區702一
起形成空腔130的側壁。阻擋層701可以是一富氧層(oxide?rich?layer),
或者由類金剛石(DLC)、SiC、或AlN材料制成。

在這兩個實施例中,活性區110b是一外延層,其上可以制作
電子器件包括光感應元件120。活性區110b可以包含電子電路150a、150b,
用于處理和選擇由光感應元件120產生的電子信號。電子電路150a、150b
的例子包括緩存器、地址解碼器、多路復用器、模數轉換器和放大器。通
常,電子電路150a、150b是通過絕緣層140上和之間的金屬線145與光感
應元件120電連接的。絕緣層140可以由二氧化硅構成。

活性區110b深度的通常范圍是從2μm到10μm,而體區110a
的深度范圍通常是從20μm到100μm。最希望的是空腔基面135非常靠近
嵌入絕緣體112,使得來自半導體襯底110外的圖像經過的距離可以是一
個很小的數值,從而降低圖像信號衰減。當然,空腔130的深度非常接近
體區110a的深度。空腔基面135的面積也大于光感應元件120的圖像接收
面積。因此,空腔130的尺寸足夠大,使得從半導體襯底10去除一塊半導
體材料可以通過不限于機械研磨過程和CMP過程的一個制作步驟來完成。
優選地,可以使用蝕刻。特別地,濕蝕刻和干蝕刻都可以采用。制作空腔
130的更多細節將在以下描述。

空腔130的側壁可以是斜的或豎直的。一般來說,斜的側壁可
以由濕蝕刻或干蝕刻如反應離子蝕刻(RIE)來制作。在濕蝕刻的情況下,
側壁傾斜的角度大約是54.7°。或者,豎直的側壁可以通過深反應離子蝕刻
(DRIE)Bosch工藝來制作。

半導體襯底110有第一襯底表面115a和第二襯底表面115b,
第一襯底表面115a在第二襯底表面115b的反面。通常第二襯底表面115b
被當作是半導體襯底110的前側面,第一襯底表面115a被當作是背側面。

可選地,圖像傳感器10還包括一個或多個從空腔基面135延
伸到第二襯底表面115b的第一通孔160以及一個或多個位于第二襯底表面
115b和第一襯底表面115a之間的第一電路徑165,其中每個第一電路徑
165都穿過一個第一通孔160。這種構造方便與第一襯底表面115a電連接
的一個或多個第一器件和制作在第二襯底表面115b上的一個或多個第二
器件之間的電子信號通訊。

可選地,圖像傳感器10還包括一個或多個從第一襯底表面115a
延伸到第二襯底表面115b的第二通孔167以及一個或多個位于第二襯底表
面115b和第一襯底表面115a之間的第二電路徑168,其中每個第二電路
徑168都穿過一個第二通孔167。類似地,這種構造允許與第一襯底表面
115a電連接的一個或多個第三器件和制作在第二襯底表面115b上的一個
或多個第四器件之間的電子信號通訊。任何一個第二通孔167的橫截面可
以是相同的。可選地,任何一個第二通孔167的橫截面可以是不相同的(未
在圖1中顯示)。

優選地,圖像傳感器10還包括抗反射膜170在空腔130上。
優選地,抗反射膜170覆蓋了空腔130上至少一部分第一電路徑165。如
果沒有反射膜170,入射到所述部分第一電路徑165上或空腔130上的光
或被反射到一個或多個微光學器件155上并被捕獲,因此會引入不必要的
干擾到圖像傳感器的光感應元件120上。

優選地,圖像傳感器10還包括一透明的蓋板210,其貼附在第
一襯底表面115a上。在此說明書和所附權利要求書中,透明蓋板是指該蓋
板對在某個波長范圍內的光波是透明的,其中所述某個波長范圍不僅限于
人眼可見光光譜。例如,一個透明蓋板可以是對紅外光來說是透明的。另
個例子是透明蓋板是只對可見光是透明的。透明蓋板210對圖像傳感器10
提供保護。可選地,透明蓋板210是玻璃蓋板。

可選地,一個或多個第五器件220貼附在透明蓋板210上,第
五器件220可以是無源器件如去耦電容器器或IC如自動對焦驅動器,而且
透明蓋板210包括一個或多個第三通孔230,因此。一個或多個第五器件
220和第二襯底表面115b上的電子電路150a、150b之間可以有電連接。
當然就可以達到高度的器件集成,因為電子器件可以分布在第二襯底表面
115b和透明蓋板210上,從而小型化圖像傳感器10。

可選地,圖像傳感器10還包括一支撐襯底310貼附在第二襯
底表面115b,用于提供額外的機械支撐和保護給圖像傳感器10。

本發明的第二方面是披露了制作該圖像傳感器的方法。該方法
通過圖2進行描述,圖2顯示了該方法步驟。

在方法的第一步驟401,準備一個晶圓。該晶圓有相對的第一
晶圓側面和第二晶圓側面。在第二晶圓側面制作集成電路。集成電路至少
包括光感應元件、電子電力和金屬線,金屬線用于至少連接一個或多個電
子電路到一個或多個光感應元件。晶圓包括多個晶片(die),每個晶片包
括一部分集成電路,其中該部分集成電路包含用于實現BSI圖像傳感器的
電子元件。通常來說,第一晶圓側面和第二晶圓側面分別被當作是該晶圓
的背側面和前側面。

在第二步驟402,一個晶圓尺寸的支撐襯底被貼附在第二晶圓
側面上。該晶圓尺寸的支撐襯底覆蓋了至少一部分的第二晶圓側面。該晶
圓尺寸的支撐襯底形成一個基底,用于支撐該晶圓,以便在執行該方法的
隨后步驟里能更容易和方便地處理該晶圓。

在第三步驟403,在第一晶圓側面上執行蝕刻,使得第一晶圓
側面被改變形狀,以在其上形成多個空腔。特別地,每個空腔都是用于放
置BSI圖像傳感器的一個腔體。可以使用濕蝕刻或干蝕刻。可選地,可以
增加化學溶液攪動或添加表面活性劑如二己酸己酯硫代琥珀酸(dihexyl?
ester?of?sodium?sulfosuccinic?acid),以減小濕蝕刻晶圓的表面粗糙度。

在制作圖像傳感器中使用SOI構造的好處是過蝕刻的可能性
會降低,因為通過使用合適的蝕刻劑,嵌入式絕緣體的蝕刻率要低于硅的
蝕刻率。但是,在此披露的方法并不只限于SOI構造。如果不使用SOI構
造,過蝕刻的可能性也可能會降低的,由于半導體襯底的體區和活性區(有
外延層)有不同的摻雜程度,當選擇合適的蝕刻劑如SF6和O2時,不同的
摻雜程度襯底的蝕刻率可以是不同的。

在該方法的第四步驟404,形成多個通孔從第一晶圓側面到第
二晶圓側面。第四步驟404之后,第五步驟405是形成電路徑在第一晶圓
側面和第二晶圓側面之間,其中每個電路徑穿過一個通孔。

在該方法的第六步驟406,在第一晶圓側面上形成多個抗反射
膜,在空腔上實現多個微光學器件。如上所述,最好每個微光學器件都包
括一個微透鏡和一個顏色濾鏡。

在第六步驟406后的一個可選步驟407,一個透明蓋板連同一
個或多個第二器件,例如無源元件如解耦電容器或IC如自動對焦驅動器,
被貼附在圖像傳感器上,并從圖像傳感器上去除支撐襯底。

在第八步驟408,在晶圓上執行鈍化保護,然后切割該晶圓。
在切割該圖像傳感器后得到晶片。

參見圖4,在另一個實施例中使用環狀阻擋層來隔離每個空腔,
制作該圖像傳感器的方法在第一和第三步驟上不同。在第一步驟準備晶圓
期間,在光阻圖案化(photoresist?patterning)之后,在非像素區域801進
行氧離子注入。氧離子注入嵌入到體區層803內形成富氧層802,環繞于
重摻雜Epi晶圓層804之下。在第三步驟,富氧層802當作阻擋層的作用
用于體區層803的蝕刻,最好是濕蝕刻或除蝕刻方法外的其他機械去除方
法,而形成空腔805。阻擋層和殘留的體區806一起,形成空腔805的側
壁。或者,阻擋層可以是如類金剛石(DLC)、SiC、AlN之類的物質,預
先嵌入在體區層內。

在不偏離本發明的精神和實質特征的情況下,本發明可以有其
他特定形式的實施例。因此在所有方面本實施例都是描述性的而非限制性
的。本發明的范圍是由所附權利要求限定而不是前述描述,因此所有落入
權利要求等同物范圍內的修改都將包含在內。

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