CN101996899B - Cmos图像传感器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种CMOS图像传感器及其制造方法，所述CMOS图像传感器包括：晶圆，包括形成有图像传感区和电极垫的正面及相对于所述正面的背面；树脂层，用压模法覆盖在所述晶圆正面；聚光树脂，用压模法覆盖在所述树脂层上。所述CMOS图像传感器及其制造方法解决了现有技术采用涂胶法控制困难、成本高且可靠性差的问题。

Description

CMOS图像传感器及其制造方法
技术领域
本发明涉及图像传感器，特别是涉及CMOS图像传感器及其制造方法。
背景技术
图像传感器从物体接收光信号且将光信号转化为电信号，电信号可以被传输用于进一步的处理，诸如数字化，然后在诸如存储器、光盘或磁盘的存储器件中存储，或用于在显示器上显示等。图像传感器通常用于诸如数码相机、摄像机、扫描仪、传真机等装置。图像传感器通常包括电荷耦合器件(CCD)图像传感器和CMOS图像传感器(CIS，CMOS Image Sensor)。相比于CCD图像传感器，CMOS图像传感器具有集成度高、功耗小、生成成本低等优点。
现有的一种玻璃上贴片(COG，Chip on Glass)封装(package)结构的CMOS图像传感器如图1所示，所示CMOS图像传感器包括：硅衬底10，形成在硅衬底10上的图像传感区11和电极垫(electrode pad)12，焊球(solder ball)13、14，金属导电路径(metallization trace)15，涂胶层(glue layer)16，透光基板(light transparent substrate)例如玻璃17以及聚光透镜(或透镜组)18和透镜支架19。图像传感区11包括接收光线产生光电信号的光敏二极管(photodiode)阵列、控制光电信号输出的晶体管阵列和对应所述光敏二极管阵列的微透镜(micro lens)阵列(图中未示出)。
图像传感区11可以通过电极垫12、焊球13、14和金属导电路径15与外部电路连接；金属导电路径15沉积于透光基板17表面；涂胶层16填涂于硅衬底10上的电极垫12和透光基板17表面的金属导电路径15之间，用于粘接硅衬底10和透光基板17，以防止图像传感区11受到外界污染。聚光透镜(optical lensfor light collection)18由透镜支架19固定在透光基板17的上方，聚光透镜18的中心与图像传感区11的中心对准。
美国专利申请US20080217715公开了一种硅片直通孔(TSV，throughsilicon via)封装结构的CMOS图像传感器及其制造方法，其中，硅衬底和透光基板采用类似的方法粘接，即用环氧树脂(epoxy)连接硅衬底和透光基板。
现有技术中，通常采用涂胶法将粘接剂，例如胶水、环氧树脂等填涂于硅衬底和透光基板之间，为了不影响微透镜和光敏二极管接收光线，要求粘接剂应涂在电极垫的周围而不能涂在图像传感区，因而使得涂胶控制困难。并且，随着CMOS技术的高度集成化，图像传感区的面积逐渐增大以提供更大面积的感光区域，导致电极垫与图像传感区之间的涂胶区域变小，进而使得涂胶越来越难控制。另外，涂胶所用的点胶机成本高、且可靠性也低。
发明内容
本发明解决的是现有技术的CMOS图像传感器采用涂胶法粘接硅衬底和透光基板控制困难、成本高且可靠性低的问题。
为解决上述问题，本发明实施方式提供一种CMOS图像传感器的制造方法，包括：提供晶圆，所述晶圆包括形成有图像传感区和电极垫的正面及相对于所述正面的背面；用压模法在所述晶圆正面覆盖树脂层。
可选的，所述CMOS图像传感器的制造方法还包括：用压模法在所述晶圆正面覆盖树脂层后，在所述晶圆背面形成连接所述电极垫的连接结构。
可选的，所述CMOS图像传感器的制造方法还包括：在所述晶圆背面形成连接所述电极垫的连接结构后，在所述树脂层上增加透镜单元。
为解决上述问题，本发明实施方式还提供一种CMOS图像传感器，包括：晶圆，包括形成有图像传感区和电极垫的正面及相对于所述正面的背面；树脂层，用压模法覆盖在所述晶圆正面。
与现有技术相比，上述技术方案的CMOS图像传感器及其制造方法采用压模法在图像传感区上覆盖树脂层，由于压模工艺的操作简单、易于控制，可以直接将树脂层粘接在晶圆正面，因而不需要采用涂胶法和粘接剂，解决了现有技术用涂胶法控制困难、成本高且可靠性差的问题。
采用压模法在图像传感区上覆盖树脂层，以树脂层代替现有的透光基板和涂胶层，可以简化CMOS图像传感器的结构和制造工艺，并降低制造成本。
采用压模法将聚光树脂覆盖在树脂层表面，以聚光树脂代替现有的聚光透镜和透镜支架，可以进一步简化CMOS图像传感器的结构和制造工艺，并降低制造成本。
附图说明
图1是现有的一种CMOS图像传感器的结构示意图；
图2是本发明实施例的CMOS图像传感器的制造方法流程图；
图3A至图3E是本发明实施例的CMOS图像传感器的制造过程示意图；
图4是图2所示制造方法的步骤S12的压模示意图；
图5是图2所示制造方法的步骤S13的一个实例流程图；
图6是图2所示制造方法的步骤S14的压模示意图；
图7是图2所示制造方法完成后的晶圆俯视图。
具体实施方式
本发明实施方式采用工艺简单，易于控制的压模法(compression moldingmethod)在图像传感区上覆盖树脂层，以树脂层代替透光基板和涂胶层，简化了CMOS图像传感器的制造工艺和结构。
本发明实施方式的图像传感器的制造方法包括：提供晶圆(wafer)，所述晶圆包括形成有图像传感区和电极垫的正面(front side)及相对于所述正面的背面(back side)；用压模法在所述晶圆正面覆盖树脂层。下面结合附图和实施例对本发明实施方式进行详细的说明。
图2是本实施例的CMOS图像传感器的制造方法流程图，图3A至3E是所述制造方法的过程示意图。本实施例是以TSV封装结构的CMOS图像传感器及其制造方法为例进行说明的，对于其他封装结构的CMOS图像传感器，例如，COG封装结构、芯片尺寸封装(CSP，chip scale package)结构等，同样也可以应用上述实施方式的制造方法。
请结合参考图2和3A，首先执行步骤S11，提供晶圆30，所述晶圆30包括形成有图像传感区32和电极垫34a的正面30a及相对于所述正面30a的背面30b。如图3A所示，晶圆30包括：半导体衬底(例如硅衬底)31、层间介质层(ILD)33、金属互连结构(IMD)34和保护层(例如氮化硅层)35。图像传感区32包括层间介质层33中的多个光敏二极管(图中未示出)和分别对应连接光敏二极管的多个晶体管32b以及在保护层35上对应于光敏二极管的位置形成的多个微透镜32a，光敏二极管、晶体管和微透镜32a以阵列方式排列。电极垫34a形成于金属互连结构34中，以提供图像传感区32与外围电路的电性连接。
请结合参考图2和3B，接着执行步骤S12，用压模法在所述晶圆正面30a覆盖树脂层36。采用压模法可以直接使树脂层36粘接在晶圆正面30a，因而不需要粘接剂，树脂层36可以用于保护晶圆的图像传感区32不受外界环境污染和在后续晶圆背面研磨等工艺中支撑晶圆，并且可以透过外界光线，因此，树脂层可以代替现有的透光基板和粘胶层，简化了CMOS图像传感器的制造工艺和结构。
树脂层36的折射率小于微透镜32b的折射率，以达到聚光的目的，例如，树脂层36的折射率可以小于或等于1.5。树脂层36具有足够的强度和厚度以在后续晶圆背面研磨等工艺中能够支撑晶圆，树脂层36的厚度可以为200μm～700μm，本实施例中，树脂层36的厚度为400μm。因此，树脂层36的材料可以选用硅胶(silicone resin)或环氧树脂等透光性能好、折射率小、强度大的有机物。另外，压模工艺易于控制，可以减小形成的树脂层36的缺陷，例如，在真空条件进行压模，可以使得形成的树脂层36没有气泡(bubble)。
另外，根据光学原理：f’＝n’/(n’-n)*r，其中，f’为景深(imaging depth)，n为入射折射率，n’为微透镜的折射率，r为微透镜的半径。本实施例中，由于树脂层代替了透光基板，光线在树脂层中传播后入射微透镜代替了光线在空气中传播后(空气的折射率为1)入射微透镜，使得入射折射率n增大，因此，为了得到相同的景深，需要减小微透镜的半径r，这在微透镜的制作工艺中应当容易实现的。
图4是本实施例压模形成树脂层36(例如硅胶)的示意图，压模机的上架(top chase)41连接有吸盘41a，吸盘41a吸附图3A所示的晶圆30的背面，晶圆30的正面朝下，正对压模机的下架(low chase)42，传动装置43连接下架42，使下架42可以进行上下往复运动。下架42为根据实际需要压模的形状设计的模具，由于需要在晶圆正面30a覆盖一层硅胶36，下架42被设计为具有平坦表面的模具。预定厚度(例如400μm)的硅胶36涂在下架42的上表面，利用传动装置43移动下架42，以将硅胶36压覆在晶圆30的正面。
请继续参考图2、3C和3D，接着执行步骤S13，在晶圆背面30b形成连接所述电极垫34a的连接结构，使电极垫34a可以通过所述连接结构与外围电路实现电性连接，所述连接结构包括：通孔37、保护层38、填充在通孔37中的导电材料39a、形成在通孔37表面并连接所述导电材料39a的通孔接触(viacontact)39b和形成在通孔接触表面的焊块(solder bump)39c，图5是本实施例形成连接结构的流程图。
首先执行步骤S131，研磨晶圆背面30b。如图3C所示，可以采用化学机械研磨法(CMP)研磨晶圆背面30b，以减薄晶圆、缩小晶圆体积，同时便于后续工艺的进行，例如通过蚀刻在晶圆背面30b形成通孔(via)37。
接着执行步骤S132，在晶圆背面形成通孔37，以暴露出电极垫34a。如图3C所示，可以采用反应离子蚀刻法(RIE)刻蚀半导体衬底31和层间介质层33，形成暴露电极垫34a的通孔37，本实施例中，通孔37侧边具有一定的倾斜度，以便于后续在通孔37中形成保护层和填充金属，如半导体衬底31上的孔径大于电极垫34a上的孔径，孔径可以大于、小于或等于电极垫34a的宽度。
接着执行步骤S133，在晶圆背面和通孔37表面形成保护层38，并去除电极垫34a表面的保护层。如图3D所示，可以用等离子体化学气相沉积法(PECVD)在晶圆背面(即半导体衬底31表面)和通孔37表面沉积保护层38，并去除电极垫34a表面的保护层，暴露出电极垫34a。保护层38的材料可以是氧化物，例如二氧化硅；也可以是氮化物，例如氮化硅。
接着执行步骤S134，填充通孔并在通孔表面形成通孔接触。如图3D所示，在通孔中填充导电材料39a例如金属或合金，并在通孔表面形成与导电材料39a连接的通孔接触39b。可以用电镀法(plating)或印刷法(printing)将焊接材料(solder paste)连接导电材料39a，形成通孔接触39b。导电材料39a和通孔接触39b的材料可以相同，也可以不同，例如选自金(Au)、银(Ag)、铜(Cu)、铝(Al)、镍(Ni)、铬(Cr)、钨(W)或者所述金属的合金。
接着执行步骤S135，在通孔接触39b表面形成焊块39c。如图3D所示，在通孔接触39b的区域形成与通孔接触39b连接的焊块39c，焊块39c的材料可以是铜、金、镍/金合金、锡/金合金等导电材料。
在CMOS图像传感器的封装工艺完成后，接着在树脂层36上增加透镜单元，最后沿着晶圆的切割道(scrap line)将晶圆分割成多个晶格(die)，每个晶格包括一个透镜单元。
本实施例中，在树脂层36上增加透镜单元是指用压模法在树脂层上覆盖聚光树脂。在其他实施例中，在树脂层36上增加透镜单元也可以是用透镜支架(例如图1所示的透镜支架19)将聚光透镜(例如图1所示的聚光透镜18)固定在树脂层36上方。
请继续参考图2和图3E，接着执行步骤S14，用压模法在所述树脂层36上覆盖聚光树脂40。本实施例中，在TSV封装工艺(包括步骤S131至S135)完成后，用压模法在树脂层36上覆盖聚光树脂40。聚光树脂40具有弧形表面，聚光树脂40的覆盖范围应大于或等于图像传感区32，且聚光树脂40的中心与图像传感区32的中心对准。聚光树脂40可以选用硅胶或环氧树脂等聚光性能好的有机物。
图6是本实施例压模形成聚光树脂的示意图，压模机的上架(top chase)41连接有吸盘41a，吸盘41a吸附图3D所示的晶圆的背面，晶圆30的正面朝下，正对压模机的下架(low chase)45，传动装置43连接下架45，使下架45可以进行上下往复运动。下架45为根据实际需要压模的形状设计的模具，由于需要在晶圆正面的树脂层36上覆盖聚光树脂40，下架45被设计为具有弧形凹面阵列的模具。聚光树脂40涂在下架45的弧形凹面阵列中，利用传动装置43移动下架42，以将聚光树脂40压覆在晶圆正面的树脂层36上，形成覆盖有树脂层36和聚光树脂40的晶圆30结构，图7为覆盖有树脂层36和聚光树脂40的晶圆30的俯视图。
采用压模法可以直接使聚光树脂40粘接在树脂层36表面，聚光树脂可以代替现有的聚光透镜和透镜支架，进一步简化了CMOS图像传感器的制造工艺和结构。
最后，将图7所示的覆盖有树脂层36和聚光树脂40的晶圆30沿切割道30c分割成多个晶格(die)，每个晶格包括一个具有弧形表面的聚光树脂40。
对应地，本实施例的CMOS图像传感器的结构如图3E所示，包括：晶圆30，树脂层36、连接结构和聚光树脂40。
晶圆，包括形成有图像传感区32和电极垫34a的正面及相对于所述正面的背面。图像传感区32包括层间介质层33中的多个光敏二极管(图中未示出)和分别对应连接光敏二极管的多个晶体管32b以及在保护层35上对应于光敏二极管的位置形成的多个微透镜32a，光敏二极管、晶体管和微透镜32a以阵列方式排列。电极垫34a形成于金属互连结构34中。
树脂层36，用压模法覆盖在所述晶圆正面。树脂层36的折射率小于微透镜32a的折射率。所述树脂层的折射率小于或等于1.5。树脂层的材料可以为硅胶或环氧树脂。树脂层36的厚度为200μm～700μm。
连接结构包括通孔，形成在所述晶圆背面，并暴露出所述电极垫34a；保护层38，形成在所述晶圆背面和通孔表面，并暴露出所述电极垫34a；导电材料39a，填充所述通孔；通孔接触39b，形成在通孔表面并连接所述导电材料39a；焊块39c，形成在通孔接触39b表面。
聚光树脂40，用压模法覆盖在树脂层36上。聚光树脂40具有弧形表面，可以选用硅胶或环氧树脂等聚光性能好的有机物。
综上所述，上述技术方案的CMOS图像传感器及其制造方法采用压模法在图像传感区上覆盖树脂层，由于压模工艺的操作简单、易于控制，可以直接将树脂层粘接在晶圆正面，因而不需要采用涂胶法和粘接剂，解决了现有技术用涂胶法控制困难、成本高且可靠性差的问题。
采用压模法在图像传感区上覆盖树脂层，以树脂层代替现有的透光基板和涂胶层，可以简化CMOS图像传感器的结构和制造工艺，并降低制造成本。
采用压模法将聚光树脂覆盖在树脂层表面，以聚光树脂代替现有的聚光透镜和透镜支架，可以进一步简化CMOS图像传感器的结构和制造工艺，并降低制造成本。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (24)

1.一种CMOS图像传感器的制造方法，其特征在于，包括：
提供晶圆，所述晶圆包括形成有图像传感区和电极垫的正面及相对于所述正面的背面；
用压模法在所述晶圆正面覆盖树脂层，以所述树脂层作为透光基板。
2.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器的制造方法，其特征在于，所述图像传感区包括微透镜，所述树脂层的折射率小于所述微透镜的折射率。
3.根据权利要求2所述的CMOS图像传感器的制造方法，其特征在于，所述树脂层的折射率小于或等于1.5。
4.根据权利要求3所述的CMOS图像传感器的制造方法，其特征在于，所述树脂层的材料为硅胶或环氧树脂。
5.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器的制造方法，其特征在于，所述树脂层的厚度为200μm～700μm。
6.根据权利要求5所述的CMOS图像传感器的制造方法，其特征在于，所述树脂层的厚度为400μm。
7.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器的制造方法，其特征在于，用压模法在所述晶圆正面覆盖树脂层后，还包括：在所述晶圆背面形成连接所述电极垫的连接结构。
8.根据权利要求7所述的CMOS图像传感器的制造方法，其特征在于，在所述晶圆背面形成连接所述电极垫的连接结构包括：
研磨所述晶圆背面；
在所述晶圆背面形成通孔，以暴露出所述电极垫；
在所述晶圆背面和通孔表面形成保护层，并去除所述电极垫表面的保护层；
填充所述通孔并在通孔表面形成通孔接触；
在所述通孔接触表面形成焊块。
9.根据权利要求7所述的CMOS图像传感器的制造方法，其特征在于，在所述晶圆背面形成连接所述电极垫的连接结构后，还包括：在所述树脂层上增加透镜单元。
10.根据权利要求9所述的CMOS图像传感器的制造方法，其特征在于，在所述树脂层上增加透镜单元包括：用压模法在所述树脂层上覆盖聚光树脂。
11.根据权利要求10所述的CMOS图像传感器的制造方法，其特征在于，所述聚光树脂的材料为硅胶或环氧树脂。
12.根据权利要求9所述的CMOS图像传感器的制造方法，其特征在于，在所述树脂层上增加透镜单元包括：用透镜支架将聚光透镜固定在树脂层上方。
13.一种CMOS图像传感器，其特征在于，包括：
晶圆，包括形成有图像传感区和电极垫的正面及相对于所述正面的背面；
树脂层，用压模法覆盖在所述晶圆正面，以所述树脂层作为透光基板。
14.根据权利要求13所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述图像传感区包括微透镜，所述树脂层的折射率小于所述微透镜的折射率。
15.根据权利要求14所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述树脂层的折射率小于或等于1.5。
16.根据权利要求15所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述树脂层的材料为硅胶或环氧树脂。
17.根据权利要求13所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述树脂层的厚度为200μm～700μm。
18.根据权利要求17所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述树脂层的厚度为400μm。
19.根据权利要求13所述的CMOS图像传感器，还包括：连接所述电极垫的连接结构，形成在所述晶圆背面。
20.根据权利要求19所述的CMOS图像传感器的制造方法，其特征在于，所述连接结构包括：
通孔，形成在所述晶圆背面，并暴露出所述电极垫；
保护层，形成在所述晶圆背面和通孔表面，并暴露出所述电极垫；
导电材料，填充所述通孔；
通孔接触，形成在通孔表面并连接所述导电材料；
焊块，形成在所述通孔接触表面。
21.根据权利要求19所述的CMOS图像传感器，其特征在于，还包括：树脂层上的透镜单元。
22.根据权利要求21所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述透镜单元包括聚光树脂，用压模法覆盖在所述树脂层上。
23.根据权利要求22所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述聚光树脂的材料为硅胶或环氧树脂。
24.根据权利要求21所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述透镜单元包括：聚光透镜和将所述聚光透镜固定在树脂层上方的透镜支架。
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