CN108269820A - 三维背光源结构cmos图像传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于图像传感器技术领域，具体为一种三维背光源结构CMOS图像传感器及其制备方法。本发明方法包括以下步骤：对制作在硅衬底上的CMOS图像传感器芯片层进行双层互连；将CMOS图像传感器芯片层和载物层进行暂时性粘合；对衬底进行减薄处理至预设厚度，并进行应力消除；将衬底和背光源进行永久性的粘合；将CMOS图像传感器芯片层上的载物层解除；制作硅通孔插入层；以及将CMOS图像传感器芯片层和所述硅通孔插入层进行互连。本发明有效消除了传统芯片级封装器件结构因应力所导致的不稳定性，能够在小尺寸的情况下提高器件对光的吸收能力，从而提高灵敏度。
Description
技术领域
本发明属于图像传感器技术领域，具体涉及一种三维背光源结构CMOS图像传感器及其制备方法。
背景技术
图像传感器有诸多的性能参数，填充因子（Fill Factor）是其中非常重要的参数之一。随着半导体器件特征尺寸的进一步等比例缩小，传统的微棱镜结构中互联层也越来越多。金属线对可见光的大量吸收，以及光线在多层互联之间的散射导致到达光电二极管（PD）的光大大降低。为进一步提高器件的性能，技术人员开始对新结构，新材料，新工艺进行积极的探索。近年来，各种新型的图像传感器结构得到了迅速发展。
其中，背光源结构可以做到将光线从衬底入射，避开多层的金属互联线，使得在器件微缩情况下依然让传感器对光线的吸收得到较大的提高。背光源结构的图像传感器是当下的一个研究热点，新型结构的设计，有助于提高器件的填充系数，实现器件对光有更大的响应。
发明内容
本发明的目的在于提供一种稳定性好、灵敏度高的三维背光源结构CMOS图像传感器及其制备方法。
本发明提出的三维背光源结构CMOS图像传感器制备方法，包括以下步骤：
对制作在硅衬底上的CMOS图像传感器芯片层进行双层互连；
将所述CMOS图像传感器芯片层和载物层进行暂时性粘合；
对所述衬底进行减薄处理至预设厚度，并进行应力消除；
将所述衬底和背光源进行永久性的粘合；
将所述CMOS图像传感器芯片层上的载物层解除；
制作硅通孔插入层；以及
将所述CMOS图像传感器芯片层和所述硅通孔插入层进行互连。
本发明方法中，所述预设厚度优选为5μm以下，例如为2-5μm。
本发明方法中，所述对制作在硅衬底上的CMOS图像传感器芯片层进行双层互连，优选的制作步骤为：
以硬掩膜方式，通过电子束蒸发制备第一电极；
形成金属插塞；
以及再次以硬掩膜方式，通过电子束蒸发制备第二电极，形成双层互连。
本发明方法中，所述制作硅通孔插入层，优选的制作步骤为：
对硅片进行光刻形成通孔图案，并刻蚀形成沟渠；
在所述沟渠中填充导电金属层；
将所述硅片上表面与载物层进行暂时性粘合；
对所述硅片背面进行减薄处理，直至使所述导电金属层暴露；以及
将所述载物层解除。
本发明方法中，所述沟渠的深度优选为60μm至80μm，直径优选为12μm至18μm。
本发明方法中，在所述沟渠中填充导电金属层，优选的制作步骤为：
采用物理气相沉积方法在硅通孔结构的表面沉积一层SiO2薄层作为隔离层；
采用电子束蒸发淀积TiN层作为阻挡层；
采用电子束蒸发淀积Cu，并对形成在沟渠外的Cu和TiN进行回刻平坦化处理。
本发明还公开由上述方法制备的三维背光源结构CMOS图像传感器，包括：
制作在硅衬底上的CMOS图像传感器芯片层，所述硅衬底被减薄处理至预设厚度并消除应力，所述CMOS图像传感器芯片层形成有双层互连，背光源，与所述硅衬底相互粘合；以及硅通孔插入层，与所述CMOS图像传感器芯片层互连。
本发明的三维背光源结构CMOS图像传感器中，所述预设厚度优选为5μm以下。
本发明的三维背光源结构CMOS图像传感器中，所述硅通孔的直径优选为12μm至18μm，径深优选为60μm至80μm之间。
本发明的三维背光源结构CMOS图像传感器中，所述背光源优选为LED背光源。
本发明的三维背光源结构CMOS图像传感器及其制备方法，通过在CMOS图像传感器芯片层上直接做好双层互连电极，实现CMOS图像传感器芯片层和背光源的无缝粘连，并且对Si衬底层进行厚度的精确控制。该结构在层与层之间没有空隙，消除了传统芯片级封装器件结构存在的因应力所导致的不稳定性。三维背光源结构的CMOS图像传感器的设计能够在小尺寸的情况下提高器件对光的吸收能力，从而提高灵敏度。
附图说明
图1是三维背光源结构CMOS图像传感器制备方法的流程图。
图2是形成双层互连后的CMOS图像传感器芯片的结构示意图。
图3是将CMOS图像传感器芯片层与载物层暂时性粘合后的器件结构示意图。
图4是衬底减薄后的器件结构示意图。
图5是将减薄后的衬底与背光源粘合后的器件结构示意图。
图6是将CMOS图像传感器芯片层上的载物层解除后的器件结构示意图。
图7是形成硅通孔插入层的沟渠后的器件结构示意图。
图8是在沟渠中填充导电金属后的器件结构示意图。
图9是硅通孔插入层与载物层粘合后的器件结构示意图。
图10是对硅片背面进行薄化处理漏出导电金属层后的器件结构示意图。
图11是将硅通孔插入层上的载物层解除后的器件结构示意图。
图12是将硅通孔插入层与CMOS图像传感器芯片层相互连的器件结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语 “上”、“下”、“背面”、“垂直”“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。除非在下文中特别指出，器件中的各个部分可以由本领域的技术人员公知的材料构成，或者可以采用将来开发的具有类似功能的材料。
图1是三维背光源结构CMOS图像传感器制备方法的流程图。以下结合图1针对三维背光源结构CMOS图像传感器制备方法的具体步骤进行说明。在步骤S1中，对CMOS图像传感器芯片（CIS）进行双层互连。在具体的一例中，首先在CMOS图像传感器芯片100的上表面以硬掩膜方式通过电子束蒸发制备第一电极如Al电极。然后，在CMOS图像传感器芯片 100的上表面旋涂聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）作为钝化层101，并曝光显影，干法刻蚀形成沟渠区并填充金属如W，形成W插塞；接下来，再一次以硬掩膜方式通过电子束蒸发制备第二电极如Al电极，形成双层互连102。在图2中示出了形成双层互连后的CMOS图像传感器芯片的器件结构示意图。
在步骤S2中，将CMOS图像传感器芯片和载物层进行暂时性粘合。具体而言，可以采用ZoneBOND（商标）技术，通过粘合层103 将CMOS图像传感器芯片100和载物层104进行暂时性粘合。在图3中示出了将CMOS图像传感器芯片与载物层暂时性粘合后的器件结构示意图。其中，载物层例如可以是硅片。
在步骤S3中，对CMOS图像传感器芯片100的硅衬底进行减薄处理至预设厚度，并进行应力消除。该预设厚度优选为5µm以下。具体而言，将载物层104固定住，并对CMOS图像传感器芯片100的衬底进行磨平处理，将衬底磨薄至5µm厚，再对硅衬底表面进行快速湿法刻蚀，并进行等离子体应力消除。在图4中示出了衬底减薄后的器件结构示意图。
在步骤S4中，将硅衬底和背光源进行永久性的粘合。采用ZoneBOND（商标）技术，将CMOS图像传感器芯片100和背光源利用透明的粘合剂进行永久性的粘合。背光源优选为LED背光源，包括彩色滤光片105和聚光源玻璃106。在图5中示出了将CMOS图像传感器芯片层与背光源粘合后的器件结构示意图。
在步骤S5中，将CMOS图像传感器芯片层上的载物层解除。将之前暂时粘合的载物层104通过溶解解除，得到基本的背光源结构CMOS图像传感器模块。图6中示出了将CMOS图像传感器芯片层上的载物层解除后的器件结构示意图。
在步骤S6中，制作硅通孔插入层。具体而言，包括以下子步骤，对硅片200进行光刻形成通孔图案，并刻蚀形成沟渠(trench)。在具体的一例中，在Si片上旋涂光刻胶，进行光刻形成硅通孔（TSV）图案，采用反应离子束(RIE)刻蚀方法进行刻蚀，形成直径为12µm至18µm，径深为60µm至80µm的沟渠。在图7中示出了形成硅通孔插入层的沟渠后的器件结构示意图。然后，在沟渠中形成导电金属层。采用物理气相沉积(PECVD)方法在硅通孔结构的表面沉积一层SiO2薄层作为隔离层201。然后，采用电子束蒸发淀积TiN层作为阻挡层202。之后，采用电子束蒸发淀积Cu层203对沟渠进行填充，并对形成在沟渠外的Cu和TiN进行回刻平坦化处理。图8中示出了在沟渠中填充导电金属后的器件结构示意图。在本实施方式中，所填充的导电金属为Cu，但是本发明不限定于此，也可以使其他合适的导电金属如Au、Ag等。之后，将硅片200与载物层104通过粘合层103进行暂时性粘合。图9中示出了硅通孔插入层与载物层粘合后的器件结构示意图。接下来，对硅片200进行减薄处理，直至使Cu层203暴露。具体而言，固定载物层104，采用化学机械抛光（CMP）等技术将衬底进行磨平薄化处理，使所淀积的Cu层203能够从下部暴露出来。图10中示出了对硅片进行薄化处理漏出导电金属层后的器件结构示意图。最后，将载物层104解除。具体来说，通过溶解的方式将暂时粘合住的载物层与硅通孔插入层进行粘合的解除，得到硅通孔插入层，所得结构如图11所示。
在步骤S7中，将CMOS图像传感器芯片层和硅通孔插入层进行连接。具体而言，将之前制备完成的双层互连CMOS图像传感器芯片层的Al电极与硅通孔插入层的Cu金属部分进行电极的引出，形成焊接凸点300。通过热压的方法将CMOS图像传感器芯片层和硅通孔插入层进行连接，完成三维背光源结构的CMOS图像传感器的制备，所得结构如图12所示。
以上，针对本发明的三维背光源结构CMOS图像传感器制备方法的具体实施方式进行了详细说明，但是本发明不限定于此。各步骤的具体实施方式根据情况可以不同。此外，部分步骤的顺序可以调换，部分步骤可以省略等。
本发明的三维背光源结构CMOS图像传感器包括制作在硅衬底上的CMOS图像传感器芯片层，其中，硅衬底被减薄处理至预设厚度并消除应力，CMOS图像传感器芯片层上形成有双层互连。背光源与硅衬底相互粘合。硅通孔插入层与CMOS图像传感器芯片层互连，即将硅通孔插入层的导电金属与CMOS图像传感器芯片层的电极相互连接。
优选地，硅衬底被减薄处理到5µm以下。背光源为LED背光源。硅通孔的直径为 12µm至18µm，径深为60µm至80µm之间。
本发明的三维背光源结构CMOS图像传感器及其制备方法，通过在CMOS图像传感器芯片层上直接做好二层互连电极，实现CMOS图像传感器芯片层和背光源的无缝粘连，并且对Si衬底层进行厚度的精确控制。该结构在层与层之间没有空隙，消除了传统芯片级封装器件结构存在的因应力所导致的不稳定性。三维背光源结构的CMOS图像传感器的设计能够在小尺寸的情况下提高器件对光的吸收能力，从而提高灵敏度。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种三维背光源结构CMOS图像传感器制备方法，其特征在于，具体步骤为：
对制作在硅衬底上的CMOS图像传感器芯片层进行双层互连；
将所述CMOS图像传感器芯片层和载物层进行暂时性粘合；
对所述衬底进行减薄处理至预设厚度，并进行应力消除；
将所述衬底和背光源进行永久性的粘合；
将所述CMOS图像传感器芯片层上的载物层解除；
制作硅通孔插入层；以及
将所述CMOS图像传感器芯片层和所述硅通孔插入层进行互连。
2.根据权利要求1所述的三维背光源结构CMOS图像传感器制备方法，其特征在于，所述预设厚度为5μm以下。
3.根据权利要求1所述的三维背光源结构CMOS图像传感器制备方法，其特征在于，所述对制作在硅衬底上的CMOS图像传感器芯片层进行双层互连的步骤具体为：
以硬掩膜方式，通过电子束蒸发制备第一电极；
形成金属插塞；以及
再次以硬掩膜方式，通过电子束蒸发制备第二电极，形成双层互连。
4.根据权利要求1所述的三维背光源结构CMOS图像传感器制备方法，其特征在于，所述制作硅通孔插入层的步骤具体为：
对硅片进行光刻形成通孔图案，并刻蚀形成沟渠；
在所述沟渠中填充导电金属层；
将所述硅片上表面与载物层进行暂时性粘合；
对所述硅片背面进行减薄处理，直至使所述导电金属层暴露；以及
将所述载物层解除。
5.根据权利要求1所述的三维背光源结构CMOS图像传感器制备方法，其特征在于，所述沟渠的深度为60μm至80μm，直径为12μm至18μm。
6.根据权利要求1所述的三维背光源结构CMOS图像传感器制备方法，其特征在于，在所述沟渠中填充导电金属层的具体步骤为：
采用物理气相沉积方法在硅通孔结构的表面沉积一层SiO2薄层作为隔离层；
采用电子束蒸发淀积TiN层作为阻挡层；
采用电子束蒸发淀积Cu，并对形成在沟渠外的Cu和TiN进行回刻平坦化处理。
7.一种三维背光源结构CMOS图像传感器，其特征在于，包括：
制作在硅衬底上的CMOS图像传感器芯片层，所述硅衬底被减薄处理至预设厚度并消除应力，所述CMOS图像传感器芯片层形成有双层互连，
背光源，与所述硅衬底相互粘合；以及
硅通孔插入层，与所述CMOS图像传感器芯片层互连。
8.根据权利要求7所述的三维背光源结构CMOS图像传感器，其特征在于，所述预设厚度为5μm以下。
9.根据权利要求7所述的三维背光源结构CMOS图像传感器，其特征在于，所述硅通孔的直径为12μm至18μm，径深为60μm至80μm之间。
10.根据权利要求7所述的三维背光源结构CMOS图像传感器，其特征在于，所述背光源为LED背光源。
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- 2018-02-07 CN CN201810124408.8A patent/CN108269820A/zh active Pending
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