专利名称：具有强化垫结构的背面照明成像传感器的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及成像传感器，且尤其但非排他地涉及背面照明成像传感器。
背景技术：
现今的许多半导体成像传感器为正面照明(FSI)的。即，其包括制造在半导体晶 圆的正面上的成像阵列，其中在成像阵列处自同一正面接收光。然而，正面照明成像传感器 具有许多缺点，其中之一为有限的填充因子。背面照明(BSI)成像传感器为正面照明成像 传感器的替代选择，其解决了与正面照明相关联的填充因子的问题。背面照明成像传感器 包括制造在半导体晶圆的前表面上的成像阵列，但其穿过晶圆的后表面而接收光。滤色片 及微透镜可包括在晶圆的后表面上以改良背面照明传感器的灵敏度。然而，为了检测来自 背面的可见光，晶圆优选地为极薄。晶圆的厚度亦可减小以便改良灵敏度。然而，晶圆越薄， 其在各种制造阶段期间变得越容易受到物理损害。即，随着半导体晶圆的减薄，其可更容易 被破坏。附图简述参考以下附图描述本发明的非限制性且非穷尽性实施例，其中除非另有指定，否 则相同附图标记贯穿各视图指代相同部分。
图1为示出根据本发明的实施例的背面照明成像传感器的框图。图2A为根据本发明的实施例的具有强化垫结构的背面照明成像传感器的截面 图。图2B为图2A的强化垫结构的放大图。图2C为图2B的强化垫结构的平面图或仰视平面图。图3A为根据本发明的实施例的具有强化垫结构的背面照明成像传感器的截面 图。图;3B为图3A的强化垫结构的放大图。图3C为图;3B的强化垫结构的仰视图。图4A为根据本发明的实施例的具有强化垫结构的背面照明成像传感器的截面 图。图4B为图4A的强化垫结构的放大图。图4C为图4B的强化垫结构的仰视图。图5为示出根据本发明的实施例的制造具有强化垫结构的背面照明成像传感器 的方法的流程图。图6为示出根据本发明的实施例的制造具有强化垫结构的背面照明成像传感器 的方法的流程图。
具体实施例方式本文中描述具有强化垫结构的背面照明成像传感器的实施例。在以下描述中，阐述众多特定细节以提供对这些实施例的透彻理解。然而，本领域普通技术人员将认识到，可 在没有这些特定细节中的一个或多个的情况下或使用其它方法、组件、材料等实践本文中 所描述的技术。在其他示例中，未展示或详细描述熟知的结构、材料或操作以避免混淆特定 方面。贯穿本说明书对“一个实施例”或“一实施例”的提及意味着结合该实施例而描述 的特定特征、结构或特性包括于本发明的至少一个实施例中。因此，贯穿本说明书在各处出 现的短语“在一个实施例中”或“在一实施例中”未必皆指代相同的实施例。此外，可在一 个或多个实施例中以任何合适方式组合特定特征、结构或特性。简言之，本发明的实施例包括背面照明成像传感器，其具有用于引线接合至金属 垫的开口。将框架置于这些开口内以加强金属垫而使其足以耐受引线接合牵拉、剪切测试 或其它各种接合技术。下文详细地描述这些以及其他实施例。图1为示出根据本发明的实施例的背面照明成像传感器100的框图。成像传感器 100的所示实施例包括成像阵列105、读出电路110、功能逻辑115及控制电路120。成像阵列105为背面照明成像传感器或像素(例如，像素P1、P2.....Pn)的二维
(“2D”)阵列。在一个实施例中，每个像素为有源像素传感器(“APS”)，诸如互补金属氧 化物半导体(“CMOS”)成像像素。如所说明，每个像素排列成行(例如，行Rl至Ry)及列 (例如，列Cl至Cx)以获取人、场所或对象的图像数据，接着可使用该图像数据来呈现该人、 场所或对象的2D图像。在操作中，在每个像素已获取其图像数据或图像电荷之后，由读出电路110读出 该图像数据且将该图像数据转移至功能逻辑115。读出电路110可包括放大电路、模数转 换电路或其它电路。功能逻辑115可仅储存图像数据，或甚至通过应用后期图像效果(例 如，剪裁、旋转、移除红眼、调整亮度、调整对比度或其它)而操纵该图像数据。在一个实施 例中，读出电路110可沿读出列线一次读出一行图像数据(已示出)，或可使用各种其它技 术读出该图像数据(未示出)，其他技术诸如串行读出或同时对所有像素的全并列读出。控制电路120耦合至成像阵列105以控制成像阵列105的操作特性。举例而言， 控制电路120可生成用于控制图像获取的快门信号(shutter signal) 0图2A为根据本发明的实施例的具有强化垫结构的背面照明成像传感器200的截 面图。成像传感器200为图1中所示的成像传感器100的一个可能实现。成像传感器200 的所示示例包括器件层202、金属叠层204、钝化层206、载体层208、强化框架216及接合引 线222。器件层202示成包括成像阵列210、外围电路212及开口 214。金属叠层204示成 包括金属互连层Ml至M4及金属间介电层220A至220C。金属互连层Ml示成包括金属垫 218。在图2A所示的实施例中，成像阵列210形成于正面203中，且配置成从器件层202 的背面205接收光。在一个实施例中，器件层202为用于在其中形成成像阵列210及外围 电路212的硅衬底或晶圆。成像阵列210可包括排列成多个行和列的成像像素的阵列(例 如，图1中所示的成像阵列105)。外围电路212可包括读出电路100、功能逻辑115及控制 电路120，亦如图1中所示。成像传感器200视情况包括滤色片(未示出)以实现彩色成像 传感器，以及微透镜(也未示出)以将光聚焦至成像阵列210的像素上。可选的滤色片及 微透镜皆可耦合至器件层202的背面205。
在图2A的实施例中亦示出耦合至钝化层206的载体层208，其用以向成像传感器 200提供结构支撑。要注意图2A中所示的成像传感器200的所示实施例未按比例绘制。举 例而言，载体层208可具有比器件层202的厚度大得多的厚度。作为示例，载体层208可以 是比器件层202厚100倍的数量级。在一个实施例中，单独地制造载体层208，且接着通过 诸如按压接合的方法将其接合至钝化层206。如图2A中所示，成像传感器200包括金属叠层204，该金属叠层204耦合至器件层 202的正面203。金属叠层204的所示实施例包括四个金属互连层M1、M2、M3及M4，这些金 属互连层分别由金属间介电层220A、220B及220C分隔。虽然图2A示出四层金属叠层，但 金属叠层204可包括更多或更少层以用于在器件层202的正面上方路由信号。在一个实施 例中，金属互连层Ml、M2、M3及M4为诸如钨、铝、铜、铝铜合金或其他合金的金属。在操作中，金属互连层路由由成像阵列210的像素所生成的电信号，且将外围电 路212电连接至成像阵列210。金属互连层亦可路由从成像传感器200外部的装置接收到 的电信号。举例而言，金属互连层可路由从外部电源接收到的供电信号或接地基准。另外， 金属互连层可将在成像传感器200上所生成的信号路由至在成像传感器200外部的装置。 举例而言，金属互连层可将图像信号路由至另一装置。为了接入这些金属互连层以电耦合至外部装置，在器件层202中形成开口 214以 曝露金属互连层Ml的金属垫218。在所示实施例中，接合引线222被引线接合或球形接合 至金属垫218以将成像传感器200电连接至另一衬底或印刷电路板。举例而言，在封装期 间，接合引线222可接合至金属垫218以将成像传感器200电耦合至芯片载体(未示出)的 金属导线。然而，在处理期间，器件层202被减薄以允许光从背面205传播通过器件层202 以使成像阵列210接收。开口 214界定于该减薄的器件层202内，且在各种接合技术期间 可能无法提供足够的结构支撑来维持金属垫218的完整性。因此，本发明的实施例通过，例 如在开口 214内形成强化框架216来提供强化垫结构。在一个实施例中，通过在已形成开口 214之后在背面205上沉积强化薄膜(例如， 金属、氮化物或氧化物)来形成强化框架216。接着蚀刻该强化薄膜以形成具有基本上框 架形状的框架216。图2B为图2A的强化垫结构的放大图，且图2C为图2B的强化垫结构 的仰视平面图。如图2B及图2C中所示，强化框架216具有邻接开口 214的周边232的基 本上框架形状，同时也曝露金属垫218的内部部分。图2B将开口 214示成具有高度2 及 宽度228。在一个实施例中，强化框架216具有基本上相等的宽度2 与高度234。强化框 架216的宽度2 亦可基本上等于开口 214的高度224。在另一实施例中，强化框架216的 宽度2 可基本上等于器件层202的厚度(例如，在图2C中亦示成为高度224)。如上文 所提及，通过首先在背面205上沉积强化薄膜且接着蚀刻该薄膜以形成框架形状来形成框 架216。在一个实施例中，使用各向同性蚀刻技术来蚀刻该薄膜。因此，所得强化框架216 可包括如图2B中所示的倾斜表面(angled surface) 2360如图2B中所说明，倾斜表面236 为强化框架216的内表面，且在开口 214的周边232处在金属垫218与器件层202的背面 205之间延伸。要注意图2B及图2C中所示的强化垫结构的所示实施例未按比例绘制。举例而言， 开口 214的宽度2 可在IOOym的范围内，而强化框架216的宽度2 可在Iym的范围 内。
图3A为根据本发明的实施例的具有强化垫结构的背面照明成像传感器300的截 面图。成像传感器300为图1中所示的成像传感器100的可能实现。成像传感器300的所 示示例包括器件层202、金属叠层204、钝化层206、载体层208、强化框架316及接合引线 222。成像传感器300的所示实施例包括强化框架316，该强化框架316使用额外遮蔽步 骤形成以进一步强化金属垫218。在一个实施例中，通过在已形成开口 214之后在背面205 上沉积强化薄膜(例如，金属、氮化物或氧化物)来形成强化框架316。接着形成掩膜且接 着蚀刻该强化薄膜以形成框架316。图;3B为图3A的强化垫结构的放大图，且图3C为图;3B 的强化垫结构的仰视平面图。如图3C中所示，形成强化框架316以曝露金属垫218的内部 部分。图3B将金属垫218的曝露部分示成具有宽度328，该宽度3 可小于开口 214的宽 度228。在一个实施例中，用于形成强化框架316的额外遮蔽步骤允许该框架进一步延伸 至金属垫218的内部区中(即，允许宽度3 小于宽度228)。金属垫218的曝露部分的减 小的宽度3 提供对金属垫的更大的强化，同时也允许足够的区域用于引线接合至金属垫 218。如图;3B中所示，强化框架316包括第一水平部分316A、垂直部分316B及第二水平 部分316C。如上文所论述，可通过或多或少地遮蔽第一水平部分316A来调整宽度328。此 外，置于器件层202的背面205上的第二水平部分316C的量可由相同的遮蔽步骤来控制。 举例而言，现返回参考图3A，可通过遮蔽强化薄膜来形成强化框架316，以使强化框架316 在器件层202的背面205上延伸。在一个实施例中，强化框架316在外围电路212下方在 器件层202的背面205上延伸。强化框架316亦可在器件层202的背面205上延伸至器件 层202的外边缘302。如上文所论述，强化框架316可为氮化物或氧化物。因此，在一个实施例中，强化 框架316置于开口 214内和/或器件层202的背面205上，以防止接合引线222电接触器 件层202(即，使器件层202与接合引线222电绝缘)。图4A为根据本发明的实施例的具有强化垫结构的背面照明成像传感器的截面 图。成像传感器400为图1中所示的成像传感器100的可能实现。成像传感器400的所示 示例包括器件层402、金属叠层204、钝化层206、载体层208、强化框架416及接合引线222。 器件层402示成包括成像阵列210、外围电路212及一开口 414。在图4A的所示实施例中，开口 414从器件层202的背面205延伸，穿过不存在的 金属互连层Ml及金属间电介质220A，到达金属互连层M2的金属垫418。成像传感器400的所示实施例包括强化框架416，该强化框架416是通过使用额外 遮蔽步骤而形成以进一步强化金属垫418。在一个实施例中，通过在已形成开口 414之后在 背面205上沉积强化薄膜(例如，金属、氮化物或氧化物)来形成强化框架416。接着形成 掩膜且接着蚀刻该强化薄膜以形成框架416。图4B为图4A的强化垫结构的放大图，且图 4C为图4B的强化垫结构的仰视平面图。如图4B中所示，强化框架416延伸开口 414的整 个深度424，且可使器件层202的表面电绝缘，同时也在结构上强化金属互连层M2的金属垫 418。图5为示出根据本发明的实施例的制造具有强化垫结构的背面照明成像传感器 的方法500的流程图。参考图5及图2A描述方法500。
在处理块506中，对载体晶圆(例如，载体层208)进行晶圆接合以向成像传感器 提供结构支撑，之后减薄器件层202的背面205。在一个实施例中，通过诸如按压接合的方 法将载体层208接合至钝化层206。接着在处理块508中减薄器件层202的背面205。可 将器件层202减薄至在约1 μ m到约10 μ m的范围内的厚度(例如，参见图2B中的厚度尺 寸 234)。在处理块510中，可执行任何杂项背面处理。举例而言，在处理块510中，可执行 任何背面注入或退火。接下来，在处理块512中，在器件层的背面上蚀刻出垫开口。在图 2A及图3A的实施例中，将垫开口 214蚀刻穿过器件层202以曝露金属互连层Ml的金属垫 218。在图4A的实施例中，将垫开口 414蚀刻穿过器件层202、金属互连层Ml及金属间电介 质220A以曝露金属互连层M2的金属垫418。接下来，在处理块514中，在器件层202的背面205上及在处理块512中所形成的 垫开口内沉积强化薄膜。如上文所论述，该强化薄膜可为金属、氧化物或氮化物。在处理块 516中，蚀刻该强化薄膜以形成强化框架216。图6为说明根据本发明的实施例的制造具有强化垫结构的背面照明成像传感器 的方法600的流程图。方法600类似于上文所论述的方法500，但在蚀刻之前包括额外遮蔽 处理以形成诸如图3A的强化框架316或图4A的强化框架416的强化框架。在处理块515 中，在器件层202的背面205上对强化薄膜进行遮蔽。因此，通过或多或少地遮蔽所沉积的 强化薄膜，可控制所曝露的金属垫(即，金属垫318或418)的量。另外，遮蔽的添加允许强 化框架在器件层202的背面205上在除了成像阵列210下方以外的区域中形成。处理块中的一些或全部在以上处理中的每一个处理中出现的次序不应视为限制 性的。实情为，受益于本发明的本领域普通技术人员将理解，这些处理块中的一些可按照未 经说明的各种次序执行。本发明的所说明实施例的以上描述，包括发明摘要中所描述的内容，不意味着穷 尽的或将本发明限于所揭示的精确形式。虽然在本文中出于说明的目的描述本发明的特定 实施例及示例，但本领域普通技术人员将认识到在本发明的范畴内的各种修改是可能的。可鉴于上文的详细描述对本发明作出这些修改。以下权利要求中所使用的术语不 应解释为将本发明限于本说明书中所揭示的特定实施例。实情为，将完全通过以下权利要 求来确定本发明的范围，权利要求将根据所建立的权利要求解释准则来解释。
权利要求
1.一种背面照明成像传感器，包括器件层，其具有形成于所述器件层的正面中的成像阵列，其中所述成像阵列调适成从 所述器件层的背面接收光；金属叠层，其耦合至所述器件层的所述正面，其中所述金属叠层包括具有金属垫的至 少一个金属互连层；开口，其从所述器件层的所述背面延伸至所述金属垫以曝露所述金属垫来用于引线接 合；以及框架，其置于所述开口内以在结构上强化所述金属垫。
2.如权利要求1所述的背面照明成像传感器，其特征在于，所述框架包括高度及宽度， 其中所述高度基本上等于所述宽度。
3.如权利要求2所述的背面照明成像传感器，其特征在于，所述开口的高度基本上等 于所述框架的所述高度及宽度。
4.如权利要求1所述的背面照明成像传感器，其特征在于，所述框架邻接所述开口的 周边。
5.如权利要求1所述的背面照明成像传感器，其特征在于，所述框架包括第一水平部分，其置于所述金属垫上；第二水平部分，其置于所述器件层的所述背面上；以及垂直部分，其置于所述第一水平部分与所述第二水平部分之间。
6.如权利要求1所述的背面照明成像传感器，其特征在于，所述至少一个金属互连层 为具有所述金属垫的第一金属互连层，其中所述金属叠层进一步包括置于所述第一金属互 连层与所述器件层的所述正面之间的第二金属互连层。
7.如权利要求1所述的背面照明成像传感器，其特征在于，所述框架为金属、氮化物或 氧化物。
8.如权利要求1所述的背面照明成像传感器，其特征在于，其进一步包括接合至所述 金属垫的接合引线，其中所述框架设置成使所述接合引线与所述器件层电绝缘。
9.如权利要求1所述的背面照明成像传感器，其特征在于，所述成像阵列为互补金属 氧化物半导体(“CMOS”)成像阵列。
10.一种背面照明成像传感器，包括器件层，其具有形成于所述器件层的正面中的成像阵列，其中所述成像阵列调适成从 所述器件层的背面接收光；金属叠层，其耦合至所述器件层的所述正面，其中所述金属叠层包括具有金属垫的至 少一个金属互连层；开口，其从所述器件层的所述背面延伸至所述金属垫以曝露所述金属垫来用于引线接 合；以及用于在结构上强化所述金属垫的装置，其置于所述开口内。
11.如权利要求10所述的背面照明成像传感器，其特征在于，所述用于在结构上强化 所述金属垫的装置邻接所述开口的周边。
12.如权利要求10所述的背面照明成像传感器，其特征在于，所述用于在结构上强化 所述金属垫的装置包括用于使所述器件层的所述背面电绝缘的装置。
13.如权利要求10所述的背面照明成像传感器，其特征在于，所述至少一个金属互连 层为具有所述金属垫的第一金属互连层，其中所述金属叠层进一步包括置于所述第一金属 互连层与所述器件层的所述正面之间的第二金属互连层。
14.如权利要求10所述的背面照明成像传感器，其特征在于，所述成像阵列为互补金 属氧化物半导体(“CMOS”)成像阵列。
15.一种制造背面照明成像传感器的方法，所述方法包括 提供背面照明成像传感器，所述成像传感器包括器件层，其具有形成于所述器件层的正面中的成像阵列，其中所述成像阵列调适成从 所述器件层的背面接收光；金属叠层，其耦合至所述器件层的所述正面，其中所述金属叠层包括具有金属垫的至 少一个金属互连层；以及开口，其从所述器件层的所述背面延伸至所述金属垫以曝露所述金属垫来用于引线接合；在所述器件层的所述背面上及在所述开口内沉积薄膜；以及 蚀刻所述薄膜以在所述开口内形成框架，从而在结构上强化所述金属垫。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，蚀刻所述薄膜包括蚀刻所述薄膜以形成 具有基本上与所述开口的高度相等的高度及宽度的所述框架。
17.如权利要求15所述的方法，其特征在于，蚀刻所述薄膜包括蚀刻所述薄膜以曝露 所述金属垫使得所述框架邻接所述开口的周边。
18.如权利要求15所述的方法，其特征在于，进一步包括在蚀刻所述薄膜之前遮蔽所 述薄膜。
19.如权利要求15所述的方法，其特征在于，沉积所述薄膜包括在所述器件层的所述 背面上沉积金属、氮化物或氧化物。
20.如权利要求15所述的方法，其特征在于，进一步包括将接合引线引线接合至所述金属垫。
全文摘要
一种具有强化垫结构的背面照明成像传感器包括器件层、金属叠层、开口及框架。该器件层具有形成于该器件层的正面中的成像阵列，且该成像阵列调适成从该器件层的背面接收光。该金属叠层耦合至该器件层的正面，其中该金属叠层包括具有金属垫的至少一个金属互连层。开口从器件层的背面延伸至金属垫以曝露金属垫来用于引线接合。框架置于开口内以在结构上强化金属垫。
文档编号H01L23/48GK102074567SQ20101056450
公开日2011年5月25日 申请日期2010年11月16日 优先权日2009年11月17日
发明者D·毛, H·E·罗兹, V·韦内齐亚, 戴幸志, 钱胤 申请人:美商豪威科技股份有限公司