KR100725317B1 - 보호층을 구비한 이미지 센서 - Google Patents

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Abstract

이미지 센서 다이는 기판 및 기판 위에 형성된 이미지 센서 어레이를 포함한다. 마이크로 렌즈는 이미지 센서 어레이 위에 장착된다. 보호층은 마이크로 렌즈 상에 형성되어 마이크로 렌즈가 입자 오염되는 것을 방지한다.
이미지 센서 어레이, 마이크로 렌즈, 사이드 바이 사이드 구조, 적층 구조, 보호층, 입자 오염

Description

보호층을 구비한 이미지 센서{IMAGE SENSOR WITH A PROTECTION LAYER}
도 1은 본 발명에 따른 사이드 바이 사이드 구조를 갖는 패키지의 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 적층 구조를 갖는 패키지의 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따른 이미지 센서 다이의 개략도이다.
도 4는 본 발명에 따른 마이크로 렌즈 상의 보호층의 개략도이다.
본 발명은 본 출원과 동일한 양수인에 의해 출원된, 함께 진행중인 출원 번호 10/833,345에 관련된 출원으로, 상기 출원은 2004. 4. 28에 출원되었고, 명칭은 "이미지 센서 모듈의 구조물 및 웨이퍼 레벨 패키지 제조 방법"이다. 상기 출원은 여기서 참조로서 병합된다.
본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로, 더 상세하게는 마이크로 렌즈 상에서 입자 오염없는 이미지 센서 구조물 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
반도체 기술은 매우 급속히 발전하고 있고, 특히 반도체 다이(semiconductor dice)는 소형화되는 경향이 있다. 그러나, 반도체 다이의 기능에 대한 요구사항들 은 다양성에 반하는 경향을 갖는다. 즉, 반도체 다이는 더 작은 영역에 더 많은 I/O 패드를 보유하여, 핀의 밀도가 신속히 높아져야 한다. 이는 반도체 다이의 패키징을 더 어렵게 하고 양품률을 떨어뜨린다. 패키지 구조의 주 목적은 외부 손상으로부터 다이를 보호하는 것이다. 또한, 다이에 의해 발생되는 열은 다이의 작동을 보장하기 위해 패키지 구조를 통해 효과적으로 발산되어야 한다. 대부분의 패키지 기술은 웨이퍼 상의 다이를 각각의 다이로 분리하고 다음으로 각각의 개별 다이를 각각 패키지하고 테스트한다. "웨이퍼 레벨 패키지(WLP)"로 불리는, 또다른 패키지 기술은 다이를 각각의 다이로 분리하기 전에 웨이퍼 상의 다이를 패키지 할 수 있다. 상기 WLP 기술은, 생산 사이클 시간 단축, 비용 절감, 및 언더필(under-fill) 또는 몰딩(molding)의 불요와 같은 몇가지 장점을 갖는다.
디지털 이미지 기술은 디지털 카메라, 이미지 스캐너 등과 같은 이미지 슈팅 기구에 널리 적용되어 왔다. 종래의 CMOS 센서는 회로 보드 상에 장착되었다. 상기 CMOS 센서는 그 안에 고정된 칩을 구비한다. 렌즈 시트(seat)는 포커싱 렌즈를 구비하여 이미지를 CMOS 센서의 칩 상으로 포커싱한다. 렌즈를 통해, 이미지 신호는 칩에 의해 디지털 프로세서에 발송되어 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한다. CMOS 센서의 칩은 적외선 및 먼지 입자에 비교적 민감하다. 원치 않는 입자가 센서로부터 제거되지 않는다면, 이는 소자의 품질을 떨어뜨린다. 상기 목적을 달성하기 위해, 수작업으로의 제거는 민감한 칩을 손상시킬 수 있다. 일반적으로, 이미지 센서 모듈은 COB 또는 LCC 의 방법을 사용하여 형성된다. COB의 한가지 단점은 센싱 영역상에서 입자 오염으로 인해 패키징 프로세스 동안의 낮은 산품률이다. 또한, LCC의 단점은 높은 패키징 비용 및 센싱 영역상에서 입자 오염으로 인한 낮은 산품률이다.
또한, 마이크로 렌즈는 고체 상태 이미징 소자로서 사용되는 반도체 상의 광학 요소이다. 마이크로 렌즈의 설계 및 제조에서 가장 중요한 고려점 중의 하나는 감광성(photosensitivity)이다. 마이크로 렌즈 감광성이 감소될 수 있는 한가지 이유는 각 마이크로 렌즈의 면적이 최적 값 이하로 감소해 왔다는 것이다. 게다가, SHELL CASE 회사는 또한 웨이퍼 레벨 패키지 기술을 개발하고 있는데, SHELL CASE에 의해 패키지 된 이미지 센서 다이는 두개의 글래스 판 및 복잡한 프로세스를 요구하므로 고가이다. 그리고, 에폭시가 닳기 때문에 투명성이 나쁘고, 잠재 신뢰도가 감소할 수 있다. Yoshikazu Sano 등의 1996.5.7일 등록된 미 국 특허 번호 5,514,888(On-chip screen type solid state image sensor and manufacturing method thereof)은 실리콘 기판 상에 전하결합소자(charge-coupled devices:CCDS)를 형성하는 방법을 개시한다. 마이크로 렌즈 어레이는 종래의 리소그래피(lithography) 및 리플로우(re-flow) 기술을 사용하여 상기 CCD 어레이 위에 형성된다.
그러므로, 센싱 영역 상에 입자 오염없는 새로운 이미지 센서 구조물을 제공하는 것이 바람직하다.
그러므로, 본 발명은 종래 기술의 상술된 바와 같은 문제점의 견지에서 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은 마이크로 렌즈 상에서 입자 오염없는 이미지 센서 다이 구조물 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
이미지 센서 다이는 기판 및 상기 기판 위에 형성되는 이미지 센서 어레이를 포함한다. 마이크로 렌즈는 이미지 센서 어레이 상에 장착된다. 발수성(water repellency) 및/또는 발유성(oil repellency)의 특성을 갖는 보호층은 마이크로 렌즈 상에 형성되어 마이크로 렌즈가 입자 오염되는 것을 방지한다. 보호층은 바람직하게 낮은 굴절률 층이다. 보호층은 PMMA(Polymethylmethacrylat), SOG(Spin on Glass), 폴리탄산에스테르(Polycarbonate), 불소중합체(Fluoropolymer), SiO2, Al2O3를 포함한다. 이미지 센서 어레이는 CMOS 또는 CCD를 포함한다. 이미지 센서 다이는 또한 보호층 상에 형성된 필터링 층을 포함한다. 이미지 센서 다이는 또한 이미지 센서 어레이 위에 형성된 컬러 필터(color filter)를 포함한다.
본 발명의 몇가지 실시예가 이하 보다 상세히 설명될 것이다. 그럼에도 불구하고, 본 발명은 그러한 명백히 기술된 것 외에 다른 실시예의 넓은 범위에서도 실시될 수 있고, 본 발명의 범위는 수반되는 청구항에서 구체화된 바를 제외하고 표현상으로 제한되지 않음이 인식되어야 한다. 다음으로, 상이한 요소의 구성 성분은 일정 비율로 도시되지 않는다. 관련된 요소들의 일부 치수는 과장되었고 의미없는 부분들은 본 발명의 보다 명확한 설명 및 이해를 제공하기 위해 도시되지 않았다.
웨이퍼 레벨 패키지 구조물이 도 1에 도시된 바와 같이 제공된다. 상기 패 키지 구조물은 절연 베이스(isolating base)(200), 이미지 센서 다이(201) 및 다이(202), 제1 유전체층(205), 제2 유전체층(207), 접촉 전도층(206), 절연층(isolation layer)(209) 및 솔더 볼(208)을 포함한다. 절연 베이스(200)의 재료는 글래스, 실리콘, 세라믹 또는 수정 결정 등일 수 있고, 원형 또는 각형 형상을 가질 수 있다. 이미지 센서 다이(201) 및 다이(202)는 사이드 바이 사이드 구조(side by side structure)로 패키지된다. 상기 이미지 센서 다이(201) 및 다이(202)는 양호한 열전도성을 갖는 UV 경화 타입 및/또는 열 경화 타입 접착 재료(203)에 의해 절연 베이스(200)에 접착된다. 제1 유전체층(205)는 절연 베이스(200) 상에 형성되고 절연 베이스(200) 상의 이미지 센서 다이(201) 및 다이(202)를 제외한 공간에 채워진다. 제1 유전체층(205)의 재료는 실리콘 고무일 수 있다.
제2 유전체층(207)은 이미지 센서 다이(201) 상에 형성되어 이미지 센서 다이(201)의 센싱 영역을 커버한다. 제2 유전체층(207)의 재료는 보호 필름이 될 SiO2이다. 게다가, 필터링 필름은 제2 유전체층(207) 상에 형성될 수 있고, 상기 필터링 필름은 예를 들어, 필터가 될 IR 필터링 층이다.
접촉 전도층(206)은 이미지 센서 다이(201)의 금속 패드(210) 및 다이(202)의 금속 패드(204) 상에 형성되어 금속 패드(210, 204)를 커버한다. 즉, 상기 접촉 전도층(206)은 금속 패드(210, 204) 각각에 전기적으로 결합될 수 있다. 상기 접촉 전도층(206)의 재료는 Ni, Cu, Au 및 그 조합으로부터 선택될 수 있다. 상기 금속 패드(210, 204)는, 예를 들어, Al 패드일 수 있다. 절연층(209)은 접촉 전도 층(206) 상에 형성되고, 접촉 전도층(206) 상에 개구를 형성한다. 절연층(209)의 재료는 에폭시, 합성 수지, SINR(Siloxane polymer) 또는 BCB로부터 선택된다. 금속 솔더링 볼(208)은 용접 방법에 의해 개구 상에 형성되어 금속 솔더링 볼(208)이 접촉 전도층(206)과 각각 전기적으로 결합된다. 금속 솔더링 볼(208)은 솔더 볼(208)일 수 있다.
상기 다이(202)는 DSP 다이, 액티브 다이(active die), 패시브 다이(passive die), 서포트 다이(support die), CPU 다이 또는 프로세서 다이로부터 선택될 수 있고, 상기 이미지 센서 다이(201)는 CMOS 이미지 센서 다이이다. 상기 이미지 센서 다이(201)는 사이드 바이 사이드 구조로 상기 다이(202)와 패키지 된다.
또한, 도 2에 또다른 웨이퍼 레벨 패키지 구조물이 제공된다. 일실시예에서, 상기 다이는, 적층 구조로 패키지 된다. 상기 패키지 구조물은 절연 베이스(300), 이미지 센서 다이(301) 및 다이(302), 제1 유전체층(303), 제2 유전체층(304), 제3 유전체층(311), 접촉 전도층(305a, 305b), 절연층(306) 및 솔더 볼(307)을 포함한다. 절연 베이스(300)의 재료는 글래스, 실리콘, 세라믹 또는 수정 결정 등일 수 있고, 원형 또는 각형 형상을 가질 수 있다. 이미지 센서 다이(301) 및 다이(302)는 적층 구조(stacking structure)로 패키지된다. 상기 다이(302)는 양호한 열전도성을 갖는 UV 경화 타입 및/또는 열 경화 타입 접착 재료(310a)에 의해 절연 베이스(300)에 접착된다. 제1 유전체층(303)은 절연 베이스(300) 상에 형성되고 절연 베이스(300) 상의 다이(302)를 제외한 공간에 채워진다. 제1 유전체층(303)의 재료는 실리콘 고무일 수 있다.
접촉 전도층(305a)은 다이(302)의 금속 패드(309) 상에 형성되어 금속 패드(309)를 커버하고 금속 패드(309)에 각각 전기적으로 결합한다. 상기 이미지 센서 다이(301)는 양호한 열전도성을 갖는 UV 경화 타입 및/또는 열 경화 타입 접착 재료(310b)에 의해 다이(302)에 접착된다. 제2 유전체층(304)은 제1 유전체층(303) 상에 형성되고 이미지 센서 다이(301)를 제외한 공간에 채워지고, 제2 유전체층(304)은 접촉 전도층(305a) 상에 형성된 비아 홀(312)을 구비한다. 제2 유전체층(304)의 재료는 SiO2이다.
또한, 제3 유전체층(311)은 이미지 센서 다이(301) 상에 형성되어 이미지 센서 다이(301)의 센싱 영역을 커버한다. 그러나, 제3 유전체층(311)은 이미지 센서 다이(301)의 기능에 영향을 주어서는 안 된다. 제3 유전체층(311)의 재료는 보호 필름이 될 SiO2이다. 특히, 필터링 필름은 이미지 센서 다이(301) 상의 제3 유전체층(311) 상에 형성될 수 있고, 상기 필터링 필름은 예를 들어, 필터가 될 IR 필터링 층이다.
상기 접촉 전도층(305b)은 이미지 센서 다이(301)의 금속 패드(308)에 형성되고 비아 홀(312)에 채워져 금속 패드(308)를 커버한다. 즉, 접촉 전도층(305b)은 금속 패드(308) 및 접촉 전도층(305a)에 전기적으로 결합된다. 상기 접촉 전도층(305a, 305b)의 재료는 Ni, Cu, Au 및 그 조합으로부터 선택될 수 있다. 상기 금속 패드(308, 309)는, 예를 들어 Al 패드이다. 절연층(306)은 접촉 전도층(305b) 상에 형성되고, 접촉 전도층(305b) 상에 개구를 구비한다. 절연층(306)의 재료는 에폭시, 합성 수지 및 그 조합으로부터 선택된다.
상기 금속 솔더링 볼(307)은 용접 방법에 의해 개구 상에 형성되어 금속 솔더링 볼(307)이 접촉 전도층(305b)과 각각 전기적으로 결합된다. 금속 솔더링 볼(307)은 솔더 볼(307)일 수 있다.
상기 다이(302)는 DSP 다이, 액티브 다이(active die), 패시브 다이(passive die), 서포트 다이(support die), CPU 다이 또는 프로세서 다이로부터 선택될 수 있고, 상기 이미지 센서 다이(301)는 CMOS 이미지 센서 다이이다. 상기 이미지 센서 다이(301)는 적층 구조로 상기 다이(302)와 패키지 된다.
도 3에서, 마이크로 렌즈 어레이(140)가 실리콘 칩의 상면 상에 전체적으로 형성된다. 기판(100)은 복수의 CMOS 소자를 센싱 영역(102)에 갖고 있다. 상기 이미지 센서는 기판(100) 위에 형성된 절연층(110)을 포함한다. 다음으로 컬러 필터층(120)은 기판(100) 내 액티브 소자와 적절히 정렬된 서브-픽셀 영역을 갖으며 절연층(110) 위에 형성된다. 또다른 층(130)은 상기 컬러 필터층(120) 위에 전체적으로 형성된다. 마이크로 렌즈 어레이를 형성하는 몇가지 방법이 기술 분야 전문가에게 공지되어 있다. 렌즈 형성 재료층(140)은 기판에 도포된다. 상기 애플리케이션에 적합한 것으로 밝혀진 한 가지 재료는 멜라민 수지(melamine resin) 및 지네릭 노볼락 베이스 수지(generic novolac base resin)의 혼합물이다. 각각의 렌즈 영역은 노출(exposure)이 마스크되고 현상됨(developing)으로써 렌즈 재료층(140)에 형성된다. 예를 들어, 포토레지스트(PR; 미도시)가 렌즈 재료층(140) 위에 증착된다. 다음으로 종래의 리소그래픽 기술은 노출 및 현상 단계를 사용함으로써 PR에 패턴을 형성하기 위해 이용된다. 다음으로 PR은 스트립(strip)된다. 상기 소자는 시간 및 온도를 제어하여 적절한 광학 형태로 마이크로 렌즈(140)를 리-플로우하기 위해 베이크(bake)되어 단단하다. 각각의 레드/그린/블루(RGB) 서브-픽셀 영역(120R, 120G, 120B) 각각은 종래 기술에 공지된 바와 같이 기판(100) 내 대응하는 CMOS 소자 위에 정렬되어 보여진다.
본 발명은 도 3에서 보여지는 바와 같은 이미지 센서 소자를 제공한다. 기판(100)의 재료는 글래스, 반도체 재료, 세라믹 또는 수정 등 일 수 있다. 또한, 보호층(150)은 마이크로 렌즈(140) 상에 커버될 수 있다. 보호층(150)의 재료는 스핀 코팅(spin coating)에 의해 형성된 SiO2 또는 Al2O3를 포함한다. 또한, 보호층(150)의 재료는 PMMA(Polymethylmethacrylat), SOG(Spin on Glass), 폴리탄산에스테르(PolyCarbonate), 불소중합체(Fluoropolymer)일 수 있다. 보호층(150)의 두께는 0.5 마이크론 미터(㎛) 이하로 조절되어 CMOS 센서의 기능에 영향을 주지 않을 것이다. 대안으로, 보호층(150)은 도 4에서 도시된 바와 같이, 필터로서 역할을 하기 위해 보호층(150) 상에 형성된, 필터링층(160), 예를 들어 IR 필터링층을 포함할 수 있다. 보호층(150)은 마이크로 렌즈가 입자 오염(particle contamination)되는 것을 방지할 수 있다. 사용자는 마이크로 렌즈에 손상을 가하지 않고 보호층(150) 상의 입자를 제거하기 위해 액체 또는 에어 플러쉬(liquid or air flush)를 사용할 수 있다. 보호층은 발수성 및/또는 발유성이다. 바람직하게, 보호층은 낮은 굴절률층이다.
절연층(미도시)은 기판(100) 위에 형성되고 이미지를 용이하게 센싱하기 위해 이미지 센싱 영역을 커버하지 않도록 개구를 구비한다. 절연층의 재료는 에폭시, 합성 수지 및 그 조합으로부터 선택된다.
특정 실시예가 도시되고 설명되었으나, 첨부되는 청구항에 의해 제한되도록 의도되는 것에서 벗어나지 않고 다양한 변형이 가능함은 기술 분야 전문가에게 명백할 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명은 마이크로 렌즈 상에 발수성 및/또는 발유성의 특성을 갖는 보호층이 형성되어 마이크로 렌즈가 입자 오염되는 것을 방지한다.

Claims (7)

  1. 기판;
    상기 기판 위에 형성되는 이미지 센서 어레이로서, 상기 이미지 센서는 CMOS 또는 CCD를 포함하는 이미지 센서 어레이;
    상기 이미지 센서 어레이 상에 배치되는 마이크로 렌즈; 및
    상기 마이크로 렌즈가 입자 오염되는 것을 방지하기 위해 상기 마이크로 렌즈 상에 형성되는 발수성 및 발유성 특성을 갖는 보호층으로서, 상기 보호층은 PMMA(Polymethylmethacrylate), 폴리탄산에스테르(Polycarbonate), 불소중합체(Fluoropolymer)를 포함하는 보호층
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 다이.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 보호층 상에 형성되는 필터링 층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 다이.
  4. 제1항에 있어서, 상기 이미지 센서 어레이 위에 형성되는 컬러 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 다이.
  5. 제1항에 있어서, 상기 기판의 재료는 글래스, 반도체, 세라믹 또는 수정을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 다이.
  6. 제1항에 있어서, 상기 보호층의 두께는 0.5 마이크론 미터(㎛) 이하인 것을 특징으로 하는 이미지 센서 다이.
  7. 삭제
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