DE60223053T2 - Verfahren zur herstellung eines farbbildsensors mit auf dem substrat gehaltener, verschweisster verbindung-auf-verbindung - Google Patents

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Description

  • Die Erfindung betrifft die elektronischen Bildsensoren, und insbesondere die Sensoren mit sehr kleinen Abmessungen, die es erlauben, Miniaturkameras wie diejenigen herzustellen, die man ggf. in ein Mobiltelefon einbauen möchte.
  • Außerdem einem stark reduzierten Platzbedarf wünscht man, dass der Bildsensor eine gute Empfindlichkeit bei schwachem Licht und gute kolorimetrische Eigenschaften hat.
  • Andererseits ist es notwendig, die gesamte Kamera durch Verfahren herzustellen, die so wirtschaftlich wie möglich sind, um nicht zu inakzeptablen Kosten des Geräts zu kommen.
  • Um dies zu erreichen, versucht man einerseits, den Bildsensor und die zugeordneten elektronischen Schaltungen wenn möglich auf dem gleichen Siliciumsubstrat herzustellen, und andererseits versucht man, so weit wie möglich das Aufbringen von verschiedenen Schichten, die Ätzungen, die Wärmebehandlungen usw. auf kollektive Weise auf einer Siliciumscheibe (oder "Wafer") durchzuführen, die viele gleiche Sensoren aufweist, ehe die Scheibe in einzelne Sensoren zerschnitten wird.
  • Die Herstellungsverfahren und die Aufbauten von Bildsensoren, die bisher vorgeschlagen wurden, sind diesbezüglich aber nicht ganz zufriedenstellend: Die Herstellungsverfahren sind industriell nicht effizient; sie bleiben zu teuer und haben einen zu geringen Wirkungsgrad für Massenanwendungen, oder aber die Leistungen des Bildsensors sind nicht gut genug. Die Druckschrift US-B-6,257,491 beschreibt ein Verfahren zur Bildung einer optischen Vorrichtung. Die Druckschrift EP-A-1094511 beschreibt ein Verfahren zur Verdünnung von Elektronikchips.
  • Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, ein Herstellungsverfahren und einen entsprechenden Bildsensor vorzuschlagen, das die Herstellungskosten minimiert und gleichzeitig gute Qualitäten und insbesondere einen geringen Platzbedarf, eine gute Empfindlichkeit und gute kolorimetrische Leistungen aufweist.
  • Zu diesem Zweck schlägt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Bildsensors vor, das aufweist:
    • – die Bildung, auf der Vorderseite einer Halbleiterscheibe, vorzugsweise aus monokristallinem Silicium, einer Reihe von aktiven Zonen, die Bilderfassungsschaltungen aufweisen und je einem Bildsensor entsprechen, wobei jede aktive Zone von Eingangs-/Ausgangs-Anschlusskontakten umgeben ist,
    • – den Übertrag der Scheibe mit ihrer Vorderseite auf die Vorderseite eines Trägersubstrats,
    • – das Entfernen des größten Teils der Dicke der Halbleiterscheibe, wobei auf dem Substrat eine dünne Halbleiterschicht gelassen wird, die die Bilderfassungsschaltungen enthält,
    wobei dieses Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass:
    • – einerseits auf die so verdünnte Halbleiterscheibe Schichten von Farbfiltern aufgebracht und später geätzt werden,
    • – andererseits das Substrat Anschlusskontakte aufweist, die mit der gleichen Geometrie wie die Anschlusskontakte jeder aktiven Zone angeordnet sind, um beim Übertrag gegenüber diesen Anschlusskontakten angeordnet zu werden, um einen jeweiligen Anschlusskontakt des Substrats an einen entsprechenden Anschlusskontakt der Halbleiterscheibe zu schweißen,
    • – und schließlich nach dem Aufbringen und dem Ätzen der Farbfilter das Substrat in einzelne Sensoren zerschnitten wird.
  • Das Substrat kann ein einfaches Trägersubstrat sein, um die Halbleiterscheibe vor, während und nach ihrer Verdünnung steif zu halten.
  • Man kann aber auch vorsehen, dass das Substrat, das Anschlusskontakte trägt, auch Anschlussleiter und ggf. auch aktive oder passive Schaltungselemente trägt, zum Beispiel Steuerschaltungen der Bilderfassungsschaltungen, die in der Halbleiterscheibe vorhanden sind, oder auch dem Bildsensor zugeordnete Signalverarbeitungsschaltungen.
  • Nach der Verdünnung der Halbleiterscheibe werden im Prinzip in der Dicke der verbleibenden Halbleiterschicht tiefe Öffnungen geformt, die bis zur Unterseite der Anschlusskontakte gehen, die vorher auf der Scheibe vor dem Übertrag auf das Substrat geformt wurden. Diese Öffnungen ermöglichen den Zugang zu den Anschlusskontakten, die dann Eingangs-/Ausgangs-Anschlusskontakte des Sensors bilden.
  • Der Übertrag der Halbleiterscheibe auf das Substrat erfolgt zum Beispiel durch Wiederaufschmelzen von Indiumkugeln, die auf den Anschlusskontakten angeordnet sind, während die Scheibe und das Substrat mit ihren Anschlusskontakten einander gegenüberliegend in Kontakt sind.
  • Die aktiven Zonen der Scheibe können eine Matrix von fotoempfindlichen Elementen, Steuerschaltungen der Matrix, sowie Bildverarbeitungsschaltungen aufweisen, die Signale empfangen, die von den fotoempfindlichen Elementen der aktiven Zone stammen.
  • Die Verdünnung der Scheibe nach dem Übertrag auf das Substrat und vor dem Aufbringen der Farbfilter kann auf verschiedene Weise erfolgen: Verdünnung durch Läppen, chemische Verdünnung, Kombination der zwei Typen (zuerst mechanisch und dann chemische Endbearbeitung, oder mechanische Bearbeitung in Gegenwart von chemischen Produkten); man kann auch eine Verdünnung durch vorhergehende Versprödung der Scheibe in Höhe der gewünschten Schnittebene durchführen, insbesondere durch das Tiefeinbringen von Wasserstoff in die gewünschte Schnittebene. In diesem letzteren Fall erfolgt das Einbringen von Wasserstoff in geringer Tiefe in die Halbleiterscheibe vor dem Übertrag der Scheibe auf das Substrat. Die Verdünnung erfolgt anschließend durch eine Wärmebehandlung, die die Scheibe in Höhe der eingebrachten Schnittebene trennt und eine dünne Halbleiterschicht mit dem Substrat in Kontakt lässt.
  • Die sehr starke Verdünnung der Scheibe lässt deren Dicke von einigen hundert Mikron vor dem Übertrag auf das Substrat auf 10 bis 20 Mikron oder sogar zwischen 3 und 10 Mikron nach dem Übertrag auf das Substrat gehen. Die Verdünnung ist ein wichtiger Qualitätsfaktor der Sensoren, da sie die kolorimetrischen Leistungen und die Empfindlichkeit erhöht. Mit nicht verdünnten Sensoren, die von der Seite beleuchtet werden, wo viele isolierende und leitende Schichten geformt sind, die zur Definition der Bilderfassungsschaltungen dienen, wird das Licht, das einen Farbfilter durchquert hat, auf fotoempfindliche Punkte gestreut, die verschiedenen Farben entsprechen, wodurch die kolorimetrischen Leistungen verschlechtert werden. Außerdem wird die Empfindlichkeit eines verdünnten Sensors verbessert, da die Photonen in einer breiteren Halbleiterzone ankommen als bei den nicht verdünnten Sensoren, da sie nicht von den Metallschichten verändert werden, die undurchsichtig sind und einen großen Teil der Fläche einnehmen, die jedem fotoempfindlichen Punkt entspricht.
  • Man versteht, dass die Verdünnung aber die Probleme der Herstellung dadurch verkompliziert, dass das Silicium nach der Verdünnung seine Steifheit verliert und sehr zerbrechlich wird, und dass ein Problem der Verbindung der Bilderfassungsschaltungen mit der Außenumgebung auftritt. Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht es, diese Schwierigkeit zu beseitigen und erlaubt es, Bildsensoren mit gutem Wirkungsgrad herzustellen.
  • Zum Beispiel beträgt die Dicke des Trägersubstrats etwa 500 Mikrometer bei einem Substrat von 15 bis 20 Zentimeter Durchmesser; die Dicke der Siliciumscheibe beträgt 500 bis 1000 Mikrometer vor der Verdünnung (Durchmesser von 15 bis 30 Zentimeter), dann 3 bis 20 Mikrometer nach der Verdünnung.
  • Eine Füllsubstanz (Harz) ist im Allgemeinen in den Zwischenräumen zwischen den Anschlusskontakten vorgesehen, um die Steifheit des Verhaltens der Verbindung zwischen dem Substrat und der Siliciumscheibe zu verbessern. Dieser Füllstoff schützt die aktiven Schaltungselemente der Scheibe.
  • Die Beleuchtung des Sensors erfolgt von der Seite der verdünnten Siliciumschicht und nicht von der Seite des Trägersubstrats.
  • Schließlich kann auf die mit den Farbfiltern bedeckte verdünnte Siliciumschicht eine Folie aus einem transparenten Stoff oder eine Passivierungsschicht aufgebracht werden. Diese Vorgänge können entweder auf den einzelnen abgeschnittenen Sensoren oder auch vorzugsweise auf dem scheibenförmigen Substrat vor dem Zerschneiden in einzelne Sensoren erfolgen.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung hervor, die sich auf die beiliegenden Zeichnungen bezieht. Es zeigen:
  • 1 den Aufbau eines Bildsensors, der auf einer Siliciumscheibe hergestellt wurde, vor dem Einsetzen von Farbfiltern;
  • 2 den Vorgang des Übertrags der Siliciumscheibe mit ihrer Vorderseite auf ein Trägersubstrat;
  • 3 das Trägersubstrat mit der Siliciumscheibe nach Verdünnung der Scheibe;
  • 4 das Trägersubstrat, das eine verdünnte Siliciumschicht trägt, auf die ein Mosaik von Farbfiltern aufgebracht wurde und in der Zugangsöffnungen zu Anschlusskontakten geformt wurden.
  • 1 zeigt den allgemeinen Aufbau einer Siliciumscheibe, auf der durch übliche Techniken die Bilderfassungsschaltungen einer Vielzahl von Bildsensoren hergestellt wurden.
  • Die Siliciumscheibe 10 (oder "Wafer") hat eine Dicke von mehreren hundert Mikrometern bei einem Durchmesser von 150 bis 300 Millimetern.
  • Die Bilderfassungsschaltungen (Matrix von fotoempfindlichen Punkten, Transistoren, Verbindungen) werden auf einer Seite der Siliciumscheibe hergestellt, die man Vorderseite nennen kann und die die Oberseite in 1 ist. Die Herstellung impliziert einerseits Streuungen und verschiedene Einbringungen in das Silicium ausgehend von der Oberseite der Scheibe, um insbesondere fotoempfindliche Zonen 12 zu formen, und andererseits Beschichtungen und aufeinanderfolgende Ätzungen von leitenden Schichten 14 und von isolierenden Schichten 16, die eine Stapelung oberhalb der fotoempfindlichen Zonen 12 formen. Die isolierenden und leitenden Schichten sind Teil der Bilderfassungsschaltungen und ermöglichen das Auffangen der elektrischen Ladungen, die in den fotoempfindlichen Zonen von einem auf den Sensor projizierten Bild erzeugt werden.
  • Eine der leitenden Schichten 14, im Prinzip die als letzte aufgebrachte Schicht, dient dazu, Eingangs-/Ausgangs-Anschlusskontakte jedes einzelnen Sensors (in 1 nicht sichtbare Anschlusskontakte) um eine aktive Zone herum zu formen, die die Matrix von fotoempfindlichen Punkten enthält. Diese Anschlusskontakte fluchten mit der Oberseite der Siliciumscheibe, die ggf. mit einer Planarisierungsschicht bedeckt ist, die dazu bestimmt ist, die Erhöhungen und Vertiefungen zu entfernen, die auf der Fläche der Scheibe nach der Bildung des Stapels von geätzten Schichten 14 und 16 vorhanden sind.
  • Wenn der Sensor mit einer klassischen Technologie hergestellt würde, hätte man dann an der Oberfläche der Scheibe ein Mosaik von Farbfiltern.
  • Erfindungsgemäß werden in diesem Stadium keine Farbfilter aufgebracht, sondern man überträgt die Scheibe mit ihrer Vorderseite auf ein Trägersubstrat 20 (2). Das Trägersubstrat ist eine Scheibe mit dem gleichen Durchmesser wie die Scheibe 10 und mit analoger Dicke, um die Steifheit des Aufbaus während der Herstellung zu gewährleisten; es kann übrigens aus einer anderen Siliciumscheibe bestehen.
  • In 2 ist der Aufbau in kleinerem Maßstab als in 1 dargestellt, um die Gesamtheit eines einzelnen Sensors zu zeigen, der eine aktive Zone ZA und Anschlusskontakte 22 um die aktive Zone ZA herum aufweist.
  • Das Trägersubstrat 20 weist auf seiner Vorderseite (in der 2 nach unten gerichtet) leitende Anschlusskontakte 32 auf, die genau gegenüber den Anschlusskontakten 22 angeordnet sind. Der Übertrag der Siliciumscheibe 10 auf das Substrat 20 erfolgt durch Schweißen der Anschlusskontakte 22 auf die Anschlusskontakte 32 auf der ganzen Fläche der Siliciumscheibe.
  • Das Schweißen kann durch Wiederaufschmelzen der Kugeln (zum Beispiel aus Indium) 34 erfolgen, die vorher auf die Anschlusskontakte 22 der Scheibe oder auf die Anschlusskontakte 32 des Trägersubstrats aufgebracht und geschweißt wurden.
  • Wie man in 3 sieht, ist ein Füllharz 36 vorzugsweise zwischen der Scheibe und dem Substrat in dem nicht von den Anschlusskontakten 22 und 32 besetzten Raum vorgesehen. Dieses Harz dient dazu, das mechanische Verhalten des Aufbaus nach dem Vorgang der Verdünnung der Siliciumscheibe zu gewährleisten.
  • Nach dem Übertrag der Siliciumscheibe mit ihrer Vorderseite auf die Trägerscheibe entfernt man den größten Teil der Dicke der Siliciumscheibe 10, um von ihr nur eine Dicke von etwa 8 bis 30 Mikrometer übrig zu lassen, einschließlich der Dicke des Stapels von Schichten 14, 16. Was von der Siliciumscheibe übrig bleibt, ist nur noch eine Überlagerung von einigen Mikrometern (zum Beispiel 5 bis 10) für die Stapelung von Schichten 14, 16 und etwa 3 bis 20 Mikrometern für die verbleibende Siliciumdicke, einschließlich der fotoempfindlichen Zonen 12. Die verbleibende Dicke ist die Schicht 30 der 3, die die fotoempfindlichen Zonen 12 1 enthält.
  • Der Vorgang der Verdünnung kann durch mechanische Bearbeitung (Läppen), beendet durch eine chemische Bearbeitung, oder nur durch eine chemische Bearbeitung, oder durch eine mechanische Bearbeitung in Gegenwart von chemischen Produkten, oder auch durch ein besonderes Trennverfahren erfolgen, das vorher ein Einbringen einer Versprödungs-Verunreinigung in die Ebene erfordert, die die verdünnte Siliciumschicht begrenzen wird.
  • Im Fall dieser Trennung durch Einbringen von Verunreinigungen muss das Einbringen vor dem Übertrag der Siliciumscheibe auf die Trägerscheibe erfolgen. Das Einbringen erfolgt nämlich über die Vorderseite der Siliciumscheibe über deren ganze Fläche und bis in eine Tiefe, die die Schnittebene definieren wird. Das vorhergehende Einbringen ist vorzugsweise ein Einbringen von Wasserstoff. Es kann in verschiedenen Stadien der Herstellung der Scheibe durchgeführt werden, aber die Trennung der Dicke der Scheibe gemäß der angeordneten Schnittebene erfolgt erst, wenn die Siliciumscheibe auf die Trägerscheibe aufgesetzt wurde.
  • Die Oberfläche der verdünnten Siliciumschicht 30 (in 3 nach unten weisende Seite) kann behandelt werden (Feinläppen, chemische Reinigung, mechanischchemisches Polieren, usw.), um Oberflächenfehler zu entfernen, was zu einer Scheibe mit vielen Sensoren führt, deren allgemeiner Aufbau derjenige der 3 ist.
  • Dann wird ein Mosaik von Farbfiltern 18 auf die Oberfläche der Schicht 30 aufgebracht (4). Man kann aber vor dem Aufbringen der Farbfilter eine oder mehrere andere Schichten wie Passivierungsschichten, Antireflex-Schichten, elektrische Aktivierungsschichten usw. aufbringen.
  • Wenn nötig, wird eine Planarisierungsschicht 24 auf das Mosaik von Filtern aufgebracht. Sie muss transparent sein.
  • Öffnungen 45 werden in der verdünnte Siliciumscheibe 20 vor oder nach dem Einsetzen der Farbfilter ausgehöhlt, um einen elektrischen Zugang zur Rückseite der Anschlusskontakte 22 zu erlauben, die auf der Vorderseite der Siliciumscheibe geformt worden waren.
  • Der elektrische Zugang kann direkt im Inneren dieser Öffnungen erfolgen, wie dies im linken Teil der 4 sichtbar ist; man schweißt dann Drähte 43 auf die Anschlusskontakte im Inneren der Öffnungen 45. Der elektrische Zugang kann auch indirekt erfolgen, indem erneut eine leitende Schicht 47 aufgebracht wird, die im Inneren der Öffnungen 45 mit den Anschlusskontakten 22 in Kontakt kommt und die einen Teil außerhalb der Öffnungen 45 aufweist. Diese Variante ist im rechten Teil der 4 dargestellt; sie erlaubt insbesondere einen Übertrag vom Typ "Flip-Chip" (umgedrehter Chip) auf eine IC-Karte. Leitende Buckel 49 können zu diesem Zweck auf den Metallbeschichtungen 47 geformt werden.
  • Nach dem Einsetzen der Farbfilter und Bildung der Zugangsöffnungen zu den Anschlusskontakten 22 können eine dünne Glasschicht oder eine einzelne Linse für den Bildsensor oder eine Matrix von Mikrolinsen mit gleichem Abstand wie die Farbfilter 18 auf die Rückseite (diejenige, die beleuchtet werden wird) des Aufbaus aufgebracht werden. Diese Elemente sind in den Figuren nicht dargestellt.
  • Man stellt fest, dass der auf dem Substrat 20 geformte Aufbau auf der Scheibe mittels der so hergestellten Anschlusskontakte getestet werden kann. Der Test kann in Gegenwart von Licht, Bildmustern usw. durchgeführt werden.
  • Der Aufbau wird erst am Ende dieses Herstellungsprozesses in einzelne Sensoren mit dem Ziel einer Verkapselung zerschnitten.
  • Schließlich kann das Substrat 20 selbst aus einem Siliciumsubstrat bestehen, in dem Verbindungen oder sogar integrierte Schaltungen geformt wurden, die dazu bestimmt sind, den Bilderfassungsschaltungen des Sensors zugeordnet zu werden (zum Beispiel Folgesteuerungsschaltungen der Steuersignale von Zeilen und Spalten der fotoempfindlichen Matrix, die in der Siliciumscheibe 10 enthalten ist). Es sind dann die Eingangs-/Ausgangs-Anschlusskontakte dieser im Substrat 20 enthaltenen integrierten Schaltungen, die als elektrische Anschlusspunkte mit Eingangs-/Ausgangs-Anschlusskontakten der Bilderfassungsschaltungen des Sensors und als Schweißpunkte für den Übertrag der Scheibe 10 auf das Substrat 20 dienen können.

Claims (6)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Bildsensors, das aufweist: – die Bildung, auf der Vorderseite einer Halbleiterscheibe (10), einer Reihe von aktiven Zonen (ZA), die Bilderfassungsschaltungen aufweisen und je einem Bildsensor entsprechen, wobei jede aktive Zone von Eingangs-/Ausgangs-Anschlusskontakten (22) umgeben ist, – den Übertrag der Scheibe mit ihrer Vorderseite auf die Vorderseite eines Trägersubstrats (20), – das Entfernen des größten Teils der Dicke der Halbleiterscheibe, wobei auf dem Substrat eine dünne Halbleiterschicht (30) gelassen wird, die die Bilderfassungsschaltungen enthält, wobei dieses Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass: – einerseits auf die so verdünnte Halbleiterscheibe Schichten von Farbfiltern (18) aufgebracht und später geätzt werden, – andererseits das Substrat Anschlusskontakte (32) aufweist, die mit der gleichen Geometrie wie die Anschlusskontakte (22) jeder aktiven Zone angeordnet sind, um beim Übertrag gegenüber diesen Anschlusskontakten (22) angeordnet zu werden, um einen jeweiligen Anschlusskontakt (32) des Substrats (20) an einen entsprechenden Anschlusskontakt (22) der Halbleiterscheibe (10) zu schweißen, – und schließlich nach dem Aufbringen und dem Ätzen der Farbfilter das Substrat in einzelne Sensoren zerschnitten wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägersubstrat (20) Schaltungen trägt, die den in der Halbleiterscheibe enthaltenen Bilderfassungsschaltungen zugeordnet sind.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Verdünnung der Halbleiterscheibe in der Dicke der verbleibenden Halbleiterschicht (30) tiefe Öffnungen (45) geformt werden, die bis zur Unterseite der Anschlusskontakte (22) gehen, die vorher auf der Scheibe (10) vor dem Übertrag auf das Substrat geformt wurden.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschichtdicke (30), die nach der Verdünnung verbleibt, etwa 5 bis 20 Mikrometer beträgt.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Füllsubstanz (36) in den Zwischenräumen zwischen den Anschlusskontakten (22) vorgesehen ist, um den Halt der Verbindung zwischen dem Substrat und der Halbleiterscheibe zu verbessern.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass auf die mit den Farbfiltern (18) bedeckte verdünnte Halbleiterschicht (30) eine Folie aus einem transparenten Stoff oder eine Passivierungsschicht aufgebracht wird.
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