CN100356574C - 具有变薄前挖空的接触孔的彩色图像传感器的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种制造图像传感器的方法。该方法包括：在半导体晶片(10)的前面上形成一系列有源区，这些有源区包括若干个图像检测电路，每个图像检测电路对应于相应的图像传感器，每个有源区由若干个输入/输出焊盘(22)环绕；传递该晶片，以其前面贴着支撑衬底(20)的前面；除去该半导体晶片的厚度的主要部分，在该衬底上留下已变薄的半导体薄膜。此外该方法包括：在变薄的半导体晶片上沉积若干滤色片层(18)并进行蚀刻；在传递该半导体晶片到该衬底之前，在该晶片的前面上形成若干个镀金属的孔(25)，并使其延伸而比在该半导体晶片表面上形成的图像检测电路之元件更深，该变薄步骤包括从后面除去镀金属孔的镀金属(22)。

Description

具有变薄前挖空的接触孔的彩色图像传感器的制造方法

本发明涉及电子图像传感器，具体是涉及很小尺寸的传感器，其尺寸使得可以制造微型照相机，如被组合在移动电话中的微型照相机。

图像传感器除了非常小外，还应具有在弱光下的高灵敏度和很好的色度性能。

另外，需要以尽可能最经济的方法制造整个照相机，以便使装置不会在成本上令人望而止步。

为了实现这种效果，首先如果可能要在相同的硅衬底上制造图像传感器和电子处理电路，其次是尽可能共同地在包括很多相同传感器的硅晶片上实现不同层的沉积、蚀刻操作、热处理操作等，然后将晶片切割成若干个单个的传感器。

然而，根据这个观点，至今提出的制造彩色图像传感器的方法和这些传感器的结构并不完全令人满意。这些制造方法在工业上并不是有效的，它们对于大规模制造应用仍然成本太高及效率太低，要不就是图像传感器的性能不是足够好。

本发明提出一种制造方法和相应的图像传感器，使得制造的成本最低，同时提供极佳的质量，特别是尺寸小、高灵敏度和高色度性能。

为此目的，本发明提出一种制造图像传感器的方法，包括：

在半导体晶片的前面上形成一系列有源区，这些有源区包括若干个图像检测电路，每一个图像检测电路对应于一个相应的图像传感器，每一个有源区由若干个输入/输出焊盘环绕，

传递该晶片，以其前面贴着一个支撑衬底的前面，

除去该半导体晶片的厚度的主要部分，在该衬底上留下很薄的半导体层，该薄的半导体层包括所述图像检测电路，

该方法的特征在于：

首先，在由此变薄的半导体层上沉积若干滤色片层，然后进行蚀刻，

其次，在传递该半导体晶片到该衬底之前，在该晶片的前面上形成若干个镀金属的孔并使其延伸到大于在该晶片表面上形成的所述图像检测电路之元件的深度，所述除去该半导体晶片的厚度的主要部分的步骤包括从后面除去所述镀金属的孔的镀金属的覆盖部分，

最后，在所述滤色片的沉积和蚀刻后，将该衬底分割成若干个单个的传感器。

优选的是，这些有源区包括一个光敏元件阵列、以及该阵列的控制电路和相关联的图像处理电路，这些图像处理电路接收来自有源区的光敏元件的信号。这些与该阵列相关联的电路优选是由一铝层屏蔽阻光，只有该阵列受到光照。

传递该半导体晶片到支撑衬底可以通过胶合、传统的焊接、阳极键合或通过简单的分子附着(即，通过两个具有很好的平面性的表面之间接触的极大的力)来实现。

在传递到衬底后和沉积滤光片前使半导体晶片变薄可以采用很多方式来实现：通过研磨而变薄、化学变薄、两种变薄的组合(首先是机械变薄，然后是化学精整，或者是在施加化学制品的情况下进行机械切削)。也可以以期望的切割水平通过初步脆化晶片来实现变薄，特别是在期望的切割平面通过深入的氢植入。在这种情况中，氢植入是在传递晶片到衬底之前、在半导体晶片中在浅深度实现。然后通过热处理实现变薄，该热处理在植入的切割平面的水平分裂晶片，使薄半导体层接触衬底。

该晶片的大大变薄减小其厚度，从传递到衬底前的数百微米减小到传递到衬底后的3至20微米。变薄是传感器的质量中的一个主要因素，因为它增强了色度性能和灵敏度。未变薄的传感器由其中形成有很多绝缘和导电层(用于限定图像检测电路)的一面光照，利用未变薄的传感器，已穿过滤色片的光被散射在对应于不同颜色的光敏点，因此削弱色度性能。此外，变薄的传感器的灵敏度被改善，因为与在未变薄传感器的情况相比，光子到达更宽的硅区，由于它们不会被金属层阻挡，这些金属层是不透明的，并占据对应于每个光敏点的表面面积的大部分。

应当理解的是，然而变薄使得制造的问题变得复杂，因为在变薄后，硅的刚性降低，并变得非常易碎，而且还出现使图像检测电路与外部连接的问题。本发明的技术方案减轻这个困难，并能够使图像传感器的制造非常有效率。

这样制造的传感器的连接焊盘是在衬底的前面，位于变薄的硅的一侧，从相同的一侧接收的光用于图像的形成。

衬底和硅层紧密接触，因此晶片的有源电路元件在此侧面被很好地保护。

最后，在变薄的硅层上覆盖有滤色片，可以设置透明片或钝化层或者还有面向每个传感器的微透镜。这些操作最好是在衬底上以晶片形式进行，然后晶片被切割成若干个单个的传感器。

例如，对于直径为15至20厘米的衬底，衬底的厚度约为500微米。硅晶片的厚度在变薄前是500至1000微米(直径为15至30厘米)，然后在变薄后为3至20微米。

平面化层(例如由聚酰亚胺制成)可被沉积在硅晶片上，然后传送到中间衬底。

以下结合附图详细描述本发明，使得本发明的特征和优点表述更清楚，其中：

图1示出在设置滤色片之前、在硅晶片上制造的图像传感器的结构示意图；

图2示出在晶片上形成填充镀金属层的孔的示意图；

图3示出传送硅晶片通过其前面到一支撑衬底的操作的示意图；

图4示出晶片变薄后具有硅晶片的支撑衬底的示意图；

图5示出承载变薄的硅层的衬底(在该硅层上已沉积滤色片的拼块)的示意图。

图1示出硅晶片的一般结构图，在硅晶片上已使用传统技术制造多个图像传感器的图像检测电路。

对于150至300毫米的直径，硅晶片10具有数百微米的厚度。

图像检测电路(光敏点、晶体管和互连的矩阵)被制造在硅晶片的一面，该面可被称为前面，在图1中是上面。制造首先包括从晶片的上面开始在硅中进行扩散和嵌入的各种操作，以特别形成若干个光敏区12，其次包括导电层14和绝缘层16的沉积和蚀刻的连续操作，在光敏区12的顶部上形成层叠。绝缘层和导电层形成部分图像检测电路并能够聚集通过投射在传感器上的图像而在光敏区中产生的电荷。

如果通过传统技术制造传感器，那么滤色片的拼块将被沉积在晶片的表面。根据本发明，它们不在这一阶段被沉积，并执行初步的操作。

对于在硅晶片上形成的每一个单个的图像传感器，若干个输入/输出焊盘环绕一个有源表面，该有源表面包含光敏区和相关电路构成的一个矩阵。

这些输入/输出焊盘(图2中的22)连接导电层14，且在本发明中被形成如下：在绝缘层16的叠层中以及在硅衬底的深度中挖空若干个孔25。孔25的深度大于在硅晶片中形成的所有图像检测电路(光敏区、互连等)的深度。这个深度或多或少对应于在硅随后变薄后将保持、以及将包含这些图像检测电路的硅厚度。

硅的变薄将沿晶片的后部进行，在原理上将精确达到孔25的底部。然而，将会看到的是，孔25的深度可以稍微不同于变薄的硅的期望厚度。孔25的深度一般约为在晶片的硅内5至20微米，即在导体和绝缘层14、16的叠层表面以下约15至30微米。

在孔25中，优选的是首先形成有绝缘层26。然后一金属层被沉积和蚀刻。这个金属层将形成连接焊盘22。这些连接焊盘接触导电层14之一。如果为此目的有必要为层14的局部暴露而制造若干个孔，覆盖层14的绝缘层16被局部挖空，然后将金属层沉积在孔25中。

在这个阶段不沉积滤色片，而是将晶片以其前面传送到支撑衬底20(图3)。衬底是具有与晶片10相同直径和相同厚度的晶片，以确保在它被制造时结构的刚性。而且它可以由另一个硅晶片构成。该传送可以是在沉积平面化层之后完成，通过对导电和绝缘层的叠层的沉积和蚀刻操作，该平面化层用于填充在硅晶片的前面上产生的凹凸地形。这个平面化层并非必须是透明的。

图3以比图1更小的比例显示其结构，以便示出包括有源区ZA和有源区ZA周围的连接焊盘22的整个单独的传感器。

传送硅晶片到支撑衬底20可以通过几种手段实现。最简单的手段可能是通过分子附着来固定晶片的方式，因为在接触面的表面极佳的平面性产生很高的接触力。粘合也是可能的。也可以借助于在衬底20中预先形成的连接焊盘22和相应的焊盘执行焊接。在这种情况下，还可以设想衬底20将包括辅助的有源或无源电路元件，它们连接这些焊盘并因此能够直接连接图像传感器。

在硅晶片已通过其前面被传送到支撑晶片后，硅晶片10的厚度的主要部分被除去，以便只留下约8至30微米的厚度，包括若干层的叠层的厚度。剩余的硅晶片对于层14、16叠层不多于数微米(例如约10微米)的重叠，对于剩余硅厚度约为3至20微米，包括光敏区12。剩余厚度是图4的层30的厚度，其中包含图1的光敏区12。

变薄使连接焊盘22的镀金属露出，使得它们变为通过硅晶片的后面而可电接通(前面是图1中的上面，在图4和5中朝上并被衬底20覆盖)。

如果该变薄稍微超过镀金属的最深部分，它必须使该镀金属的一部分能够保留，以便可以进行接通。如果该变薄稍微达不到镀金属的最深部分(差数微米)，可以设想通过变薄硅的后面的通孔的随后开口，这些孔使镀金属22露出。

变薄操作的实现可以通过机械切削(研磨)加最后的化学切削、或仅通过化学切削、或通过在施加化学品的情况下的机械切削、或再通过初步埋置所必要的特定的方法分离平面中的脆化杂质，该平面将区分变薄的硅层。

在通过埋置分离杂质的情况下，埋置必须是在传送硅晶片到支撑晶片之前完成。埋置的确是通过硅晶片的前面、整个晶片的表面并在将限定切割平面的深度完成的。初步埋置优选是氢埋置。它可以在晶片制造的各个阶段被完成，但是，只是在硅晶片已被附着在支撑晶片时，才可以完成沿埋置的切割平面对晶片厚度的分离。

可以处理变薄的硅层30的上表面(精密研磨、化学清洗、机械/化学抛光等)，以便消除表面缺陷，产生一种多传感器晶片，其整体结构是图2的结构。

然后滤色片18的拼块被沉积在层30的表面上(图4)。然而，在沉积滤色片之前可以沉积一个或多个附加层，特别是若干钝化层、抗反射层和其它层、电激活层等。

在滤色片的沉积和蚀刻之后，在该结构的后面(将被照射的表面)上可以沉积用于图像传感器的玻璃薄膜、或单个透镜、或具有与滤色片18相同间隔间距的微透镜矩阵。

已通过变薄操作被暴露的连接焊盘可被用于“引线键合”型连接(被焊接在焊盘上的引线54)或“倒装片”型连接(芯片被倒置并具有连接焊盘，该连接焊盘相对于具有中间导电凸起部56的印刷电路板的对应焊盘)。在此情况下，通过印刷电路板的顶部使传感器受到光照，并且该电路板必须具有朝向光敏矩阵的孔。

在这些不同的实施例中，借助于连接焊盘可以在晶片上测试在衬底40上形成的结构。该测试可以在有光、图像构图等的情况下执行。

该结构被切割成若干个单个的传感器，以便只在此制造工艺结束时进行封装。

Claims (3)

1、一种制造图像传感器的方法，包括：

在半导体晶片(10)的前面上形成一系列有源区(ZA)，这些有源区包括若干个图像检测电路，每一个图像检测电路对应于一个相应的图像传感器，每一个有源区由若干个输入/输出焊盘(22)环绕，

传递该晶片，以其前面贴着一个支撑衬底(20)的前面，

除去该半导体晶片的厚度的主要部分，在该衬底上留下薄的硅层(30)，该薄的硅层包括所述图像检测电路，

该方法的特征在于：

首先，在由此变薄的半导体层上沉积若干滤色片层(18)，然后进行蚀刻，

其次，在传递该半导体晶片到该衬底之前，在该晶片的前面上形成若干个镀金属的孔(25)，并使其延伸到大于在该晶片表面上形成的所述图像检测电路之元件的深度，所述除去该半导体晶片的厚度的主要部分的步骤包括从后面除去所述镀金属的孔的镀金属(22)的覆盖部分，

最后，在所述滤色片的沉积和蚀刻后，将该衬底分割成若干个单个的传感器。

2、根据权利要求1的方法，其特征在于该变薄的半导体层的剩余厚度为3至20微米。

3、根据权利要求1和2中任一项的方法，其特征在于在覆盖有滤色片的该变薄的半导体层上设置一片透明材料。

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