专利名称：低成本、高集成度之背照式图像传感器封装的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体基图像传感器，特别涉及背面发光式半导体基图像传感器。背景技术：
半导体基图像传感器，如互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器，通常都用作将可视图像转变为相应电信号的变换器。半导体基图像传感器一般包括光感应元件和信号处理电子器件，一旦捕获到一个图像，信号处理电子器件就处理从光感应元件产生的电子信号，其中光感应元件和信号处理电子器件都制作和集成在一个半导体衬底上。在一个典型的实施中，光感应元件是光电二极管，信号处理电子器件是由CMOS晶体管来实现。有很多种此类型的实施，请参考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 SmartCMOS Image Sensors and Applications, CRC Press, 2007。所有这些都通过引用而结合入本申请。半导体衬底有一前侧面和一背侧面。前侧面上通常生长有高质量的外延层，在其上再制作电子元件如晶体管和二极管。一般来说，也是在前侧面上制作光感应元件和信号处理电子元件的。在这些光感应元件和信号处理电子元件上，通常还有一层或多层金属化层或金属线，它们由绝缘介质层隔开。在图像传感器的半导体衬底的前侧接收图像，是前照式(frontside-iIluminated(FSI))图像传感器。在这种图像传感器中，图像是需要经过金属化层的，因此有些光能量会被其中的金属线反射，而导致光感应元件捕获光子的机会减少，从而减低传感器的灵敏度。这个缺点可以通过使用背照式(backside-illuminated (BSI))图像传感器而避免。在BSI图像传感器中，半导体衬底的背侧面经过专门处理，去除了背侧面上的大量半导体材料，使得光感应元件可以紧靠处理后的背侧面。当图像光到达背侧面时，仅需要穿透少量半导体材料，然后达到光感应元件，因此减少了图像的衰减。在现有技术里，为传统结构的BSI图像传感器去除大量半导体材料，可以通过一种机械研磨过程或一种化学机械平面化(CMP)过程而完成。这两种过程都需要精密机械工具去进行精密机械加工步骤，所以成本高昂。因此需要有一种新的BSI图像传感器，其不需要机械研磨过程或CMP过程去制作。
发明内容本发明的第一方面是BSI图像传感器，其包括一半导体衬底、在半导体衬底内的多个光感应元件、和一形成在半导体衬底内的空腔。光感应元件以平面方式排列，因此形成一平面排列的光感应元件阵列以接收来自半导体衬底之外的图像光。空腔有一基面在光感应元件之上。空腔的出现允许图像经过空腔基面而到达光感应元件，使得来自半导体衬底之外的图像光行进的距离要小于没有空腔的情况。优选地，空腔是通过蚀刻半导体衬底而形成的。空腔的侧壁可以是斜的或竖直的。优选地，图像传感器还包括多个微光学器件在空腔基面上，其中每个微光学器件用于光学地处理一部分图像光，并将这部分图像光在光学处理后传导到一个光感应元件上。最好每个微光学器件都包括微透镜和颜色滤镜。优选地，图像传感器还包括抗反射膜在空腔上。半导体衬底有第一衬底表面和第二衬底表面，其中第一衬底表面在第二衬底表面的反面。空腔形成在半导体衬底内，从第一衬底表面延伸到空腔基面。可选地，图像传感器包括一个或多个从空腔基面延伸到第二衬底表面的第一通孔、和在第一衬底表面和第二衬底表面之间的一个或多个第一电路径，其中每个第一电路 径都经过一个第一通孔。因此允许第二衬底表面上的一个或多个第一器件和可与第一衬底表面连接的一个或多个第二器件之间的电子信号通信。可选地，图像传感器包括一个或多个从第一衬底表面延伸到第二衬底表面的第二通孔、和在第二衬底表面和第一衬底表面之间的一个或多个第二电路径，其中每个第二电路径都经过一个第二通孔。因此允许第二衬底表面上的一个或多个第三器件和可与第一衬底表面连接的一个或多个第四器件之间的电子信号通信。可选地，至少一个第二通孔的横截面是相同的或不是相同的。优选地，图像传感器还包括一贴附在第一衬底表面上的透明盖板。可选地，透明盖板是玻璃盖板。可选地，一个或多个第五器件贴附在透明盖板上，透明盖板包括一个或多个第三通孔，使得在一个或多个第五器件和第二衬底表面上的电子电路之间有可以有电连接。因此达到高度的器件集成。可选地，图像传感器还包括一贴附在第二衬底表面上的支撑衬底，因此提供额外的机械支撑给图像传感器。根据本发明的第二方面，制作披露的BSI图像传感器的方法包括准备一晶圆，在其第二晶圆侧面上制作集成电路，第一晶圆侧面在第二晶圆侧面的反面，其中集成电路至少包括光感应元件、电子电路、和金属线，金属线用于至少连接一个或多个电子电路到一个或多个光感应元件；贴附一晶圆尺寸的支撑衬底到晶圆的第二晶圆侧面上；蚀刻第一晶圆侧面，使得第一晶圆侧面改变形状而在其上形成多个空腔；形成多个通孔从第一晶圆侧面延伸到第二晶圆侧面；在第一晶圆侧面和第二晶圆侧面之间形成电路径，其中每个电路径都穿过一个通孔；在第一晶圆侧面上形成多个抗反射膜，在空腔上形成多个微光学器件；执行钝化然后切割，在切割图像传感器之后得到晶片，图像传感器有一支撑衬底，其是晶圆尺寸的支撑衬底的一部分。可选地，蚀刻第一晶圆侧面的步骤包括在执行蚀刻时搅动。该方法还包括贴附一透明盖板到图像传感器上。
参照以下附图，更详细地描述本发明实施例。图I显示本发明的BSI图像传感器的示例性实施例；图2显示制作本发明BSI图像传感器的方法步骤；
图3显示本发明的BSI图像传感器的另一个示例性实施例；图4显示制作本发明BSI图像传感器的另一个方法步骤。
具体实施方式在以下描述中，制作低成本背照式CMOS图像传感器的结构和方法将作为最佳实施例。对于那些不偏离本发明范围和精神的修改，包括添加和/或删减，对本领域技术人员来说都是显而易见的。为了不至使本发明模糊不清，将会省略具体细节，不详细描述所属领域技术人员所知晓的方法、设备或系统。但是，本披露会使本领域技术人员不需要过多的试验就能实施本教导。在说明书和所附权利要求中使用的术语“通孔”是广义的，意指任何在电金属层里的开孔，其允许层与层之间的传导连接。其他各种类似的术语如沟槽或通道都包含在本发 明使用的术语“通孔”的范围之中。为简化描述，在此披露的BSI图像传感器的结构以绝缘体上硅(SOI)构造来描述。但是本发明并不受限于SOI构造。有了此披露，其他构造的BSI图像传感器结构的制作，对本领域普通技术人员来说是显而易见的。和制作BSI图像传感器相关的半导体过程，请参考 Plummer, J. D.，、Deal,M.和 Griffn, P. D. (2000)的“Silicon VLSI Technology:Fundamentals, Practice, and Modeling, Prentice Hall, 2000”。其通过引用结合入本申请。本发明的第一个方面是BSI图像传感器。该图像传感器的一个示例性实施例如图I显示。BSI图像传感器10包括半导体衬底110。而且，BSI图像传感器包括多个光感应元件120在半导体衬底110里。光感应元件120通常以平面的方式排列，而形成一个平面排列的光感应元件120，以接收来自半导体衬底110外面的一个图像。光感应元件120将图像里承载的光能量转换为电信号。这多个光感应元件120的一个例子是CMOS图像传感器里的光电二极管阵列。图像传感器10还包括一个形成在半导体衬底110里的空腔130。另夕卜，该空腔130有一基面135位于光感应元件120之上。由于有空腔130，图像光就被允许穿过空腔基面135而到达光感应元件120，使得图像光从半导体衬底110外经过的距离要小于没有空腔130的情况。优选地，图像传感器10包括多个微光学器件155在空腔基面135上。每个微光学器件155光学地处理一部分图像，并将这部分图像在光学处理后传导到一个光感应元件120。最好是每个微光学器件155都包括一个微透镜和一个颜色滤镜。微透镜用来将这部分图像导向到所述的一个光感应元件120上。颜色滤镜使得所述的一个光感应元件120能检测到这部分图像中的一个想要的颜色成分，如红、绿或蓝。由于示例性实施例使用SOI构造来作描述，半导体衬底110包括体区(bulk) IlOa和一活性区110b，它们之间由一嵌入绝缘体112分隔开，体区IlOa用作为空腔130的侧壁。嵌入绝缘体112的一个例子是二氧化硅。在图3所示的另一个示例性实施例中，使用环状的阻挡层(stopper)701来替代体区IlOa以隔离每个空腔。它们和残留体区702 —起形成空腔130的侧壁。阻挡层701可以是一富氧层(oxide rich layer),或者由类金刚石(DLC)、SiC、或AlN材料制成。在这两个实施例中，活性区IlOb是一外延层，其上可以制作电子器件包括光感应元件120。活性区IlOb可以包含电子电路150a、150b，用于处理和选择由光感应元件120产生的电子信号。电子电路150a、150b的例子包括缓存器、地址解码器、多路复用器、模数转换器和放大器。通常，电子电路150a、150b是通过绝缘层140上和之间的金属线145与光感应元件120电连接的。绝缘层140可以由二氧化硅构成。活性区IlOb深度的通常范围是从2 iim到lOiim，而体区IlOa的深度范围通常是从20 y m到100 u m。最希望的是空腔基面135非常靠近嵌入绝缘体112，使得来自半导体衬底110外的图像经过的距离可以是一个很小的数值，从而降低图像信号衰减。当然，空腔130的深度非常接近体区IlOa的深度。空腔基面135的面积也大于光感应元件120的图像接收面积。因此，空腔130的尺寸足够大，使得从半导体衬底10去除一块半导体材料可以通过不限于机械研磨过程和CMP过程的一个制作步骤来完成。优选地，可以使用蚀刻。特别地，湿蚀刻和干蚀刻都可以采用。制作空腔130的更多细节将在以下描述。空腔130的侧壁可以是斜的或竖直的。一般来说，斜的侧壁可以由湿蚀刻或干蚀刻如反应离子蚀刻(RIE)来制作。在湿蚀刻的情况下，侧壁倾斜的角度大约是54. 7°。或者，竖直的侧壁可以通过深反应离子蚀刻(DRIE) Bosch工艺来制作。
半导体衬底110有第一衬底表面115a和第二衬底表面115b,第一衬底表面115a在第二衬底表面115b的反面。通常第二衬底表面115b被当作是半导体衬底110的前侧面，第一衬底表面115a被当作是背侧面。可选地，图像传感器10还包括一个或多个从空腔基面135延伸到第二衬底表面115b的第一通孔160以及一个或多个位于第二衬底表面115b和第一衬底表面115a之间的第一电路径165,其中每个第一电路径165都穿过一个第一通孔160。这种构造方便与第一衬底表面115a电连接的一个或多个第一器件和制作在第二衬底表面115b上的一个或多个第二器件之间的电子信号通讯。可选地，图像传感器10还包括一个或多个从第一衬底表面115a延伸到第二衬底表面115b的第二通孔167以及一个或多个位于第二衬底表面115b和第一衬底表面115a之间的第二电路径168，其中每个第二电路径168都穿过一个第二通孔167。类似地，这种构造允许与第一衬底表面115a电连接的一个或多个第三器件和制作在第二衬底表面115b上的一个或多个第四器件之间的电子信号通讯。任何一个第二通孔167的横截面可以是相同的。可选地，任何一个第二通孔167的横截面可以是不相同的(未在图I中显示)。优选地，图像传感器10还包括抗反射膜170在空腔130上。优选地，抗反射膜170覆盖了空腔130上至少一部分第一电路径165。如果没有反射膜170，入射到所述部分第一电路径165上或空腔130上的光或被反射到一个或多个微光学器件155上并被捕获，因此会引入不必要的干扰到图像传感器的光感应元件120上。优选地，图像传感器10还包括一透明的盖板210，其贴附在第一衬底表面115a上。在此说明书和所附权利要求书中，透明盖板是指该盖板对在某个波长范围内的光波是透明的，其中所述某个波长范围不仅限于人眼可见光光谱。例如，一个透明盖板可以是对红外光来说是透明的。另个例子是透明盖板是只对可见光是透明的。透明盖板210对图像传感器10提供保护。可选地，透明盖板210是玻璃盖板。可选地，一个或多个第五器件220贴附在透明盖板210上，第五器件220可以是无源器件如去耦电容器器或IC如自动对焦驱动器，而且透明盖板210包括一个或多个第三通孔230，因此。一个或多个第五器件220和第二衬底表面115b上的电子电路150a、150b之间可以有电连接。当然就可以达到高度的器件集成，因为电子器件可以分布在第二衬底表面115b和透明盖板210上，从而小型化图像传感器10。可选地，图像传感器10还包括一支撑衬底310贴附在第二衬底表面115b，用于提供额外的机械支撑和保护给图像传感器10。本发明的第二方面是披露了制作该图像传感器的方法。该方法通过图2进行描述，图2显示了该方法步骤。在方法的第一步骤401，准备一个晶圆。该晶圆有相对的第一晶圆侧面和第二晶圆侧面。在第二晶圆侧面制作集成电路。集成电路至少包括光感应元件、电子电力和金属线，金属线用于至少连接一个或多个电子电路到一个或多个光感应元件。晶圆包括多个晶片(die)，每个晶片包括一部分集成电路，其中该部分集成电路包含用于实现BSI图像传感器的电子元件。通常来说，第一晶圆侧面和第二晶圆侧面分别被当作是该晶圆的背侧面和前侧面。在第二步骤402，一个晶圆尺寸的支撑衬底被贴附在第二晶圆侧面上。该晶圆尺寸的支撑衬底覆盖了至少一部分的第二晶圆侧面。该晶圆尺寸的支撑衬底形成一个基底，用于支撑该晶圆，以便在执行该方法的随后步骤里能更容易和方便地处理该晶圆。在第三步骤403，在第一晶圆侧面上执行蚀刻，使得第一晶圆侧面被改变形状，以在其上形成多个空腔。特别地，每个空腔都是用于放置BSI图像传感器的一个腔体。可以使用湿蚀刻或干蚀刻。可选地，可以增加化学溶液搅动或添加表面活性剂如二己酸己酯硫代玻拍酸(dihexyl ester of sodium sulfosuccinic acid),以减小湿蚀刻晶圆的表面粗糙度。在制作图像传感器中使用SOI构造的好处是过蚀刻的可能性会降低，因为通过使用合适的蚀刻剂，嵌入式绝缘体的蚀刻率要低于硅的蚀刻率。但是，在此披露的方法并不只限于SOI构造。如果不使用SOI构造，过蚀刻的可能性也可能会降低的，由于半导体衬底的体区和活性区(有外延层)有不同的掺杂程度，当选择合适的蚀刻剂如SF6和O2时，不同的掺杂程度衬底的蚀刻率可以是不同的。在该方法的第四步骤404，形成多个通孔从第一晶圆侧面到第二晶圆侧面。第四步骤404之后，第五步骤405是形成电路径在第一晶圆侧面和第二晶圆侧面之间，其中每个电路径穿过一个通孔。在该方法的第六步骤406，在第一晶圆侧面上形成多个抗反射膜，在空腔上实现多个微光学器件。如上所述，最好每个微光学器件都包括一个微透镜和一个颜色滤镜。在第六步骤406后的一个可选步骤407，一个透明盖板连同一个或多个第二器件，例如无源元件如解耦电容器或IC如自动对焦驱动器，被贴附在图像传感器上，并从图像传感器上去除支撑衬底。在第八步骤408，在晶圆上执行钝化保护，然后切割该晶圆。在切割该图像传感器后得到晶片。参见图4，在另一个实施例中使用环状阻挡层来隔离每个空腔，制作该图像传感器的方法在第一和第三步骤上不同。在第一步骤准备晶圆期间，在光阻图案化(photoresistpatterning)之后，在非像素区域801进行氧离子注入。氧离子注入嵌入到体区层803内形成富氧层802，环绕于重掺杂Epi晶圆层804之下。在第三步骤，富氧层802当作阻挡层的、作用用于体区层803的蚀刻，最好是湿蚀刻或除蚀刻方法外的其他机械去除方法，而形成空腔805。阻挡层和残留的体区806 —起，形成空腔805的侧壁。或者，阻挡层可以是如类金刚石(DLC)、SiC、AlN之类的物质，预先嵌入在体区层内。在不偏离本发明的精神和实质特征的情况下，本发明可以有其他特定形式的实施例。因此在所有方面本实施例都是描述性的而非限制性的。本发明的范围是由所附权利要求限定而不是前述描述，因此所有落入权·利要求等同物范围内的修改都将包含在内。
权利要求
1.一种背照式图像传感器，包括 半导体衬底，其有第一衬底表面和第二衬底表面，所述第一衬底表面位于所述第二衬底表面的反面； 一个或多个光感应元件，其位于所述半导体衬底内，所述光感应元件被安排用于接收来自所述半导体衬底外面的图像光； 形成在半导体衬底内的空腔，所述空腔有一基面在所述光感应元件上，所述空腔从所述第一衬底表面延伸到所述基面； 其中所述第一衬底表面是所述图像传感器的背侧面； 其中所述图像光被允许穿过所述基面而到达所述光感应元件，所述图像光到达所述图像传感器的背侧面和到达所述光感应元件的所行进的距离比没有所述空腔的情况要短。
2.如权利要求I所述的图像传感器，其中所述空腔是通过在所述半导体衬底上进行蚀刻而形成的。
3.如权利要求I所述的图像传感器，其中所述空腔的侧壁形成包含氧离子注入；其中所述氧离子注入在蚀刻所述半导体衬底而形成空腔的期间充当阻挡的作用。
4.如权利要求I所述的图像传感器，还包括 多个微光学器件，其位于所述空腔基面上，其中每个微光学器件被设置用来光学地处理一部分图像光，并将该光学处理后的部分图像光传导到一个光感应元件上。
5.如权利要求4所述的图像传感器，其中一个所述微光学器件包括透镜和颜色滤镜。
6.如权利要求I所述的图像传感器，还包括一抗反射膜在所述空腔上。
7.如权利要求I所述的图像传感器，还包括 一个或多个通孔，其从所述第一衬底表面或所述空腔基面延伸到所述第二衬底表面； 一个或多个电路径，其位于所述第二衬底表面和所述第一衬底表面之间，其中每个电路径都穿过一个通孔，因此允许在所述第二衬底表面上的一个或多个第一器件和可与所述第一衬底表面电连接的一个或多个第二器件之间的电子信号通信。
8.如权利要求7所述的图像传感器，还包括一透明盖板贴附在所述第一衬底表面上。
9.如权利要求8所述的图像传感器，其中所述透明盖板是一玻璃盖板。
10.如权利要求8所述的图像传感器，其中可电连接到所述第一衬底表面的所述第二器件贴附在所述透明盖板上，因此允许高度的器件集成。
11.如权利要求7所述的图像传感器，还包括一支撑衬底，其贴附在所述第二衬底表面上，因此提供额外的机械支撑给所述图像传感器。
12.如权利要求7所述的图像传感器，其中至少一个所述通孔的横截面是相同的，或是不相同的。
13.一种制作BSI图像传感器的方法，包括 准备一晶圆，其有第一晶圆侧面和第二晶圆侧面，第一晶圆侧面在第二晶圆侧面的反面，集成电路制作在所述第二晶圆侧面上，其中所述集成电路至少包括光感应元件、电子电路、和金属线，所述金属线用于至少连接一个或多个电子电路和一个或多个光感应元件； 蚀刻所述第一晶圆侧面，使得所述第一晶圆侧面改变形状而在其上形成多个空腔； 形成多个通孔，其从所述第一晶圆侧面延伸到所述第二晶圆侧面；在所述第一晶圆侧面和所述第二晶圆侧面之间形成电路径，其中每个所述电路径穿过一个所述通孔；在第一晶圆侧面上形成多个抗反射膜，在所述空腔上形成多个微光学器件； 执行钝化，然后切割，由此在切割所述图像传感器后而得到晶片。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述蚀刻第一晶圆侧面的步骤包括 当进行蚀刻时，包括搅动。
15.如权利要求13所述的方法，还包括将一晶圆尺寸的支撑衬底贴附到所述晶圆的第二晶圆侧面，其中所述图像传感器有一支撑衬底，其是一部 分的晶圆尺寸的支撑衬底。
16.如权利要求13所述的方法，还包括将一透明盖板贴附到所述图像传感器上。
17.如权利要求13所述的方法，其中所述准备晶圆包括注入氧离子到非像素区，形成一富氧层在所述晶圆体区层内，在所述蚀刻第一晶圆侧面时用做阻挡层。
全文摘要
本发明披露了背照式图像传感器及其制作方法，其在制作过程中不需要涉及机械研磨过程或化学机械平面化过程。在一个实施例中，图像传感器包括一半导体衬底、在半导体衬底内的多个光感应元件、和一形成在半导体衬底内的空腔。光感应元件以平面方式排列。空腔有一基面在光感应元件之上。空腔的出现允许图像经过空腔基面而到达光感应元件。空腔可以通过蚀刻半导体衬底而制作。当进行蚀刻时，还可以使用搅动。
文档编号H01L27/146GK102751299SQ201210169718
公开日2012年10月24日 申请日期2012年5月28日 优先权日2012年5月4日
发明者丘树坚, 徐逸杰, 杨丹, 罗珮璁 申请人:香港应用科技研究院有限公司