TWI463646B - 背照式影像感測器 - Google Patents

Description

背照式影像感測器

本發明是有關於影像感測器，且特別是有關於背照式影像感測器。

互補式金氧半導體影像感測器(CMOS image sensor,CIS)與互補式金氧半導體的製程相容，易與其他周邊電路整合在同一晶片上，而且能夠大幅降低影像感測器的成本以及消耗功率。近年來，在低價位領域的應用上，互補式金氧半導體影像感測器已成為電荷耦合元件的代替品，進而使得互補式金氧半導體影像感測器的重要性與日俱增。

典型的互補式金氧半導體影像感測器係將感光區設置在基底中，並將後段連線層、彩色濾光陣列以及微透鏡係設置在基底的同一側上。因此，光除了通過微透鏡以及彩色濾光陣列之外，還必須經過後段連線層，方能到達設置在基底中的感光區。由於後段連線層中的金屬為不透光，會阻擋光，因此，可以到達畫素陣列的光量非常有限。

背照式影像感測器是一種可以用以偵測來自基底背面的光量的感測器，此種感測器係將後段連線層設置在基底的正面，而將感光區、彩色濾光陣列以及微透鏡設置在基底的背面。光從基底的背面照射，僅需通過微透鏡以及彩色濾光陣列即可到達感光區，並不需要經過後段連線層，因此，可以避免光被後段連線層阻擋的問題，因此可以使得每單位區域的靈敏度更高、量子效率更高，並可減少干擾和光響應非均勻性，進而顯著改善影像畫質。而且正由於這種像素架構的演變，使CMOS影像感測器能與CCD感測器相抗衡，使應用不再僅限於手機，而能擴展至汽車、醫療設備和監視攝影機等。然而，背照式影像感測器在進行測試和封裝時，測試針頭、焊接線或焊接球時常會接觸銲墊開口周圍基底而發生短路的問題。此外，由於銲墊的厚度相當薄，因此，在進行測試時，測試針頭也有刺穿銲墊的情形；封裝時，也有焊接線或焊接球與銲墊焊接不良的問題。

本發明提供一種背照式影像感測器，其可避免在測試和封裝的過程中，測試針頭、焊接線或焊接球與基底之間的電性短路問題。

本發明還提供一種背照式影像感測器，其可在測試的過程中減少測試針頭刺穿銲墊的情形。

本發明又提供一種背照式影像感測器，其可避免在封裝的過程中，焊接線或焊接球與銲墊焊接不良的問題。本發明提供一種背照式影像感測器，包括基底、多數個感光區、後段連線層、銲墊、彩色濾光陣列、多數個微透鏡及保護層。基底具有第一表面與第二表面，基底中具有從第一表面貫穿至第二表面之銲墊開口。感光區位於基底中。後段連線層位於基底的第一表面上。銲墊位於後段連線層中，銲墊開口裸露出銲墊。彩色濾光陣列位於基底的第二表面上。多數個微透鏡位於彩色濾光陣列上。保護層至少覆蓋銲墊開口之頂角與側壁。

在本發明之一實施例中，上述之保護層之材質包括無機介電材料、有機材料或其組合。

在本發明之一實施例中，上述之無機介電材料包括氧化矽、氮化矽或氮氧化矽或其組合。

在本發明之一實施例中，上述之有機材料包括正型光阻材料或負型光阻材料。

在本發明之一實施例中，上述之背照式影像感測器更包括位於基底與彩色濾光陣列之間的抗反射層，且保護層包括與抗反射層相同之材質。

在本發明之一實施例中，上述之保護層包括與彩色濾光陣列相同之材質。

在本發明之一實施例中，上述之保護層包括與微透鏡相同之材質。

在本發明之一實施例中，上述之背照式影像感測器更包括覆蓋於微透鏡上的頂蓋層，且保護層包括與頂層相同之材質。

在本發明之一實施例中，上述之保護層為單層。

在本發明之一實施例中，上述之保護層為堆疊結構。

在本發明之一實施例中，上述之堆疊結構包括第一材料層與第二材料層，其中第一材料層與第二材料層至少其中之一覆蓋銲墊開口之頂角與側壁。

在本發明之一實施例中，上述之第一材料層與第二材料層之材質不同。

在本發明之一實施例中，上述之第一材料層之材質與無機介電材料層、抗反射層、彩色濾光陣列或微透鏡之材質相同。

在本發明之一實施例中，上述之第二材料層之材質與無機介電材料層、抗反射層、彩色濾光陣列、微透鏡或頂蓋層之材質相同。

在本發明之一實施例中，上述之保護層包括第一部分與第二部分，第一部分位於基底的第二表面上，第二部分位於銲墊開口的側壁上且與第一部分連接。

在本發明之一實施例中，上述之第一部分與第二部分之材質相同。

在本發明之一實施例中，上述之第一部分與第二部分之材質不同。

在本發明之一實施例中，上述之保護層更延伸至基底與彩色濾光陣列之間。

在本發明之一實施例中，上述之背照式影像感測器更包括一金屬遮蔽層，覆蓋該銲墊以及一光學黑區上的該保護層。

在本發明之一實施例中，上述之背照式影像感測器更包括設置於基底的第一表面上的工作晶圓(handle wafer)，使後段連線層位於操作晶圓與基底之間。

基於上述，本發明透過保護層的形成可以保護銲墊開口的頂角與側壁，避免在測試和封裝的過程中，測試針頭、焊接線或焊接球接觸銲墊開口周圍基底所造成電性短路問題。

本發明之背照式影像感測器，將金屬遮蔽層留在銲墊上，可以視為銲墊的一部份，其可在測試的過程中減少測試針頭刺穿銲墊的情形，並且可避免在封裝的過程中，焊接線或焊接球與銲墊焊接不良的問題。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1是本發明實施例之一種背照式影像感測器的剖面示意圖。

請參照圖1，背照式影像感測器包括基底10、多個感光區12、後段連線層14、銲墊22、彩色濾光陣列24、多個微透鏡26、保護層28以及頂蓋層40。

基底10具有第一表面10a與第二表面10b，其厚度比一般常用的半導體晶圓的厚度薄，例如是1微米(um)至10um。基底10中具有銲墊開口30，從第一表面10a貫穿至第二表面10b。基底10可以是厚度經過薄化的半導體晶圓，例如是經過薄化的矽晶圓。薄化製程通常是在後段連線層14形成之後，且於彩色濾光陣列24形成之前，透過拋光來達成。此外，基底10中的銲墊開口30可以在進行拋光之後，利用微影與蝕刻製程來形成。

感光區(photo sensitive region)12，位於基底10中。在一實施例中，感光區12例如是二極體摻雜區。二極體摻雜區例如是位於基底10接近第一表面10a之處。在一實施例中，基底10為P型基底，二極體摻雜區例如是N型摻雜區，其形成的方法例如是離子植入法。

後段連線層14(Back-end-of-line,BEOL)，其位於基底10的第一表面10a上。後段連線層14包括介電層16以及多重金屬內連線18。介電層16之材質例如是氧化矽、矽玻璃、磷矽玻璃(PSG)、硼磷矽玻璃(BPSG)、氟摻雜矽玻璃(FSG)、無摻雜矽玻璃(USG)、低介電常數(low k)材料、或具有相似之材料者。介電層16的形成方法例如是化學氣相沉積法。多重金屬內連線18是由多層橫向的金屬層19以及多個縱向的介層窗插塞20所構成。金屬層19的材質例如是銅、鋁、鋁銅合金或鋁矽銅合金。介層窗插塞20的材質例如是銅或鎢。

銲墊22，位於後段連線層14中，銲墊22被銲墊開口30裸露出來。銲墊22可以是由多重金屬內連線18中最接近基底10第一表面10a的第一層金屬層所構成，或是由多重金屬內連線18中基底10第一表面10a上的第二層金屬層所構成，然而，本發明並不以此為限。

由於基底10的厚度相當薄，為提升背照式影像感測器整體的結構性，在後段連線層14下方還可以包括工作晶圓50。工作晶圓可以在後段連線層14形成之後，在進行基底10的拋光薄化製程之前，貼附於後段連線層14上。

彩色濾光陣列24，位於基底10的第二表面10b上。彩色濾光陣列24的位置與感光區12的位置大致相對應。彩色濾光陣列24例如紅色濾光單元、綠色濾光單元、藍色濾光單元、黑色矩陣、或其它濾光單元、或其組合。彩色濾光陣列24的材質包括有機材料，例如是負型光阻材料。彩色濾光陣列24的形成方法係在進行基底10的拋光薄化製程之後，將所需的各種顏色的彩色濾光材料膜圖案化。

多個微透鏡26，位於彩色濾光陣列24上。微透鏡26之材質包括有機材料，例如是正型光阻材料。微透鏡26的形成方法係在彩色濾光陣列24形成之後將微透鏡材料層塗佈在彩色濾光陣列24上，之後，進行圖案化，再透過高溫熱烘烤(約140~210℃)，以固化(curing)形成圓弧狀的微透鏡26。

保護層28，至少覆蓋銲墊開口30之頂角與側壁，且裸露出銲墊22表面。保護層28之材質包括無機介電材料、有機材料或其組合。無機介電材料例如是氧化矽、氮化矽或氮氧化矽、氧化鉿、氟化鎂、氧化鉭(Ta₂ O₅ )或其組合。有機材料例如是正型光阻材料或負型光阻材料。保護層28的厚度例如是約100埃至約10,000埃。保護層28包括第一部分32與第二部分34，其中第一部分位於基底10第二表面10b上接近頂角之處，第二部分34位於銲墊開口30的側壁上，且與該第一部分32連接。第一部分32與第二部分34之材質可以相同或相異。保護層28的第一部分32與第二部分34可以分別是由單一材質(單層)所構成，或是由兩種不同的材料層所組成的堆疊結構。

頂蓋層40，覆蓋上述微透鏡26、基底10以及保護層28。頂蓋層40之材質包括絕緣材料，例如是氧化矽。頂蓋層40形成方法可以利用化學氣相沉積法，頂蓋層40的厚度例如是約10nm至約300nm。

在圖1中，僅是簡單的繪示出來本發明之背照式影像感測器具有保護層28，但是，保護層28的形狀與結構並不以圖1為限，以下舉數個例實施例說明如下：在一些實施例中，基底10與彩色濾光陣列24之間還包括抗反射層42。此處所述的抗反射層42是指對於可見光(波長範圍約380nm至約700nm)之光線具有抗反射之功效者。在一實施例中，抗反射層42之折射率(n 值)介於基底10與彩色濾光陣列24之間，用以提升抗反射之特性。在一實施例中，基底10的材質為矽，其n 值約為3.5，彩色濾光陣列24的材質的n 值約為1.6時，所選用之保護層28的折射率介於1.6至3.5之間，其材質例如是氮氧化矽或是氮化矽。請參照圖2，在一實施例中，保護層28的第一部分32的材質與基底10和彩色濾光陣列24之間的抗反射層42的材質相同，其可以與抗反射層42連接或分隔(圖式中僅繪出保護層28的第一部分32與抗反射層42連接的情形)。保護層28的第二部分34的材質可以和抗反射層42的材質相同或相異。在一實施例中，保護層28的第一部分32為抗反射層42的延伸，其形成方法係在形成銲墊開口30之前，將抗反射材料層形成在基底10上，再利用微影與蝕刻製程圖案化抗反射材料層並在基底10中蝕刻出銲墊開口30，留下抗反射層42與保護層28的第一部分32。保護層28的第二部分34則可以在銲墊開口30形成之後，再沈積另一層抗反射層或其他的介電材料，然後再經由回蝕刻移除覆蓋在銲墊開口30底部的另一層抗反射層或其他的介電材料，使銲墊22裸露出來。

在一實施例中，請參照圖3，保護層28之材質為上述無機介電材料，其不僅覆蓋銲墊開口30之頂角與側壁，而且還延伸至基底10與彩色濾光陣列24之間。保護層28的形成方法例如是在基底10中形成銲墊開口30之後，以化學氣相沈積的方法沈積上述無機介電材料之後，再透過微影與蝕刻的方法，移除銲墊開口30底部的無機介電材料，使銲墊22的表面裸露出來。在一實施例中，延伸至基底10與彩色濾光陣列24之間的保護層28還可做為抗反射層。

在另一實施例中，請參照圖4，保護層28的第一部分32與第二部分34之材質與彩色濾光陣列24的材質相同。其形成方法例如是在彩色濾光材料層形成在基底10上之後，在進行圖案化的過程中，同時將銲墊開口30底部的彩色濾光材料層移除，使銲墊22裸露出來，留下來的彩色濾光材料層做為彩色濾光陣列24與保護層28。

在又一實施例中，請參照圖5，保護層28的第一部分32與第二部分34之材質與微透鏡26之材質相同。其形成方法例如是在微透鏡材料層形成在基底10上之後，在進行圖案化的過程中，同時將銲墊開口30底部的微透鏡材料層移除，使銲墊22裸露出來，留下來的微透鏡材料層做為微透鏡26與保護層28。

在另一實施例中，請參照圖6，保護層28之材質與頂蓋層40之材質相同。其形成方法例如是在頂蓋材料層形成在基底10上之後，在利用微影與蝕刻製程進行圖案化，將銲墊開口30底部的頂蓋材料層移除，使銲墊22裸露出來，留下來的頂蓋材料層做為頂蓋層40與保護層28。

在一些實施例中，請參照圖7，保護層28是由兩層材質不同的材料層堆疊而成之堆疊結構，第一材料層36覆蓋銲墊開口30的頂角以及側壁，以及接近銲墊開口30之頂角的基底10上，第二材料層38則覆蓋第一材料層36。第一材料層36/第二材料層38之材質可以分別與上述無機介電材料層/抗反射層42、上述無機介電材料層/彩色濾光陣列24、上述無機介電材料層/微透鏡26、抗反射層42/彩色濾光陣列24、抗反射層42/微透鏡26或彩色濾光陣列24/微透鏡26的材料相同。

在一些實施例中，請參照圖8，保護層28是由兩層材料層堆疊而成之堆疊結構，第一材料層36位於接近銲墊開口30之頂角的基底10上且還延伸至基底10與彩色濾光陣列24之間，第二材料層38則覆蓋部分的第一材料層36並且覆蓋銲墊開口30的側壁。第一材料層36/第二材料層38之材質可以分別與上述無機介電材料層/抗反射層42、上述無機介電材料層/彩色濾光陣列24、上述無機介電材料層/微透鏡26、抗反射層42/彩色濾光陣列24或抗反射層42/微透鏡26的材料相同。

在一些實施例中，請參照圖9，保護層28是由兩層材料層堆疊而成之堆疊結構，第一材料層36覆蓋銲墊開口30的頂角以及側壁，以及靠近銲墊開口30的頂角的基底10上，第二材料層38則覆蓋第一材料層36。第二材料層38與頂蓋層40相連。第一材料層36/第二材料層38之材質可以分別與上述無機介電材料層/頂蓋層40、抗反射層42/頂蓋層40、彩色濾光陣列24/頂蓋層40或微透鏡26/頂蓋層40的材料相同。

在部分實施例中，是以雙層堆疊結構之保護層來說明，然而，本發明並不以此為限。當製程需要時，上述的保護層可以是更多層材料層所構成的堆疊結構。

為能減少在進行測試時測試針頭刺穿銲墊，並避免在封裝的過程中，焊接線或焊接球與銲墊焊接不良的問題，以下的實施例配合圖10與11，分別提出一種具有加厚銲墊之背照式影像感測器。

請參照圖10與11之背照式影像感測器，分別和圖2與圖3相同，同樣包括基底10、多個感光區12、後段連線層14、銲墊22、彩色濾光陣列24、多個微透鏡26、保護層28以及頂蓋層40，此外，還包括金屬遮蔽層(metal shield)60。

金屬遮蔽層60至少包括位於光學黑區(optical black area)62的第一部分60a以及位於銲墊22上的第二部分60b以及位於電路區上的部分(未繪示)。較佳的金屬遮蔽層60並不會覆蓋接觸銲墊開口側壁以及頂角上所覆蓋的保護層，避免在測試和封裝的過程中，測試針頭、焊接線或焊接球接觸銲墊開口周圍的基底所造成電性短路問題。金屬遮蔽層60的形成方式可以先以沈積方式在基底50上形成金屬遮蔽材料層，接著透過微影與蝕刻製程，即可將金屬遮蔽材料層圖案化，同時形成位於光學黑區62的第一部分60a以及位於銲墊22上的第二部分60b。金屬遮蔽層60的材料例如是鋁、鎢、鈦、氮化鈦或其組合。金屬遮蔽層60的厚度例如是1000埃至2500埃。

在本發明上述實施例之背照式影像感測器中，留在銲墊上的金屬遮蔽層可以視為用來加厚銲墊的部分，其可在測試的過程中減少測試針頭刺穿銲墊的情形，並且可避免在封裝的過程中，焊接線或焊接球與銲墊焊接不良的問題。綜上所述，本發明透過保護層的形成可以保護銲墊開口的頂角與側壁，避免在測試和封裝的過程中，測試針頭、焊接線或焊接球接觸銲墊開口周圍的基底所造成電性短路問題。本發明實施例的保護層的製作方法可以與現有的背照式影像感測器的製程整合，僅需透過簡單的步驟即可完成。此外，本發明之背照式影像感測器還將金屬遮蔽層留在銲墊上，可以在測試的過程中減少測試針頭刺穿銲墊的情形，並且可避免在封裝的過程中，焊接線或焊接球與銲墊焊接不良的問題。另一方面，由於銲墊上的金屬遮蔽層可與光學黑區上的金屬遮蔽層同時透過微影與蝕刻製程完成，因此，並不會增加製程的步驟與成本。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

10．．．基底

10a、10b．．．表面

12．．．感光區

14．．．後段連線層

16．．．介電層

18．．．多重金屬內連線

19．．．金屬層

20．．．介層窗插塞

22．．．銲墊

24．．．彩色濾光陣列

26．．．微透鏡

28．．．保護層

30．．．銲墊開口

32．．．第一部分

34．．．第二部分

36．．．第一材料層

38．．．第二材料層

40．．．頂蓋層

50．．．工作晶圓

60．．．金屬遮蔽層

60a、60b．．．部分

圖1至9分別是依據本發明實施例所繪示之一種背照式影像感測器的剖面示意圖。

圖10至11分別是依據本發明實施例所繪示之一種具有加厚的銲墊的背照式影像感測器的剖面示意圖。

10．．．基底

10a、10b．．．表面

12．．．感光區

14．．．後段連線層

16．．．介電層

18．．．多重金屬內連線

19．．．金屬層

20．．．介層窗插塞

22．．．銲墊

24．．．彩色濾光陣列

26．．．微透鏡

28．．．保護層

30．．．銲墊開口

32．．．第一部分

34．．．第二部分

40．．．頂蓋層

50．．．工作晶圓

Claims (13)

1. 一種背照式影像感測器，包括：一基底，具有一第一表面與一第二表面，該基底中具有一銲墊開口，從該第一表面貫穿至該第二表面；多數個感光區，位於該基底中；一後段連線層，位於該基底的該第一表面上；一銲墊，位於該後段連線層中，該銲墊開口裸露出該銲墊；一彩色濾光陣列，位於該基底的該第二表面上；多數個微透鏡，位於該彩色濾光陣列上；以及一保護層，至少覆蓋該銲墊開口之頂角與側壁，其中具有同一材質之該保護層與該彩色濾光陣列係構成單層結構，及其中該保護層更包括覆蓋該銲墊開口之頂角的一第一部分與覆蓋該銲墊開口之一側壁的一第二部分。
2. 如申請專利範圍第1項所述之背照式影像感測器，其中該保護層之材質包括無機介電材料、有機材料或其組合。
3. 如申請專利範圍第2項所述之背照式影像感測器，其中該無機介電材料包括氧化矽、氮化矽或氮氧化矽或其組合。
4. 如申請專利範圍第2項所述之背照式影像感測器，其中該有機材料包括正型光阻材料或負型光阻材 料。
5. 如申請專利範圍第1項所述之背照式影像感測器，更包括抗反射層位於該基底與該彩色濾光陣列之間，且該保護層包括與該抗反射層相同之材質。
6. 如申請專利範圍第1項所述之背照式影像感測器，其中該保護層包括與該些微透鏡相同之材質。
7. 如申請專利範圍第1項所述之背照式影像感測器，更包括一頂蓋層覆蓋於該些微透鏡上且該保護層包括與該頂層相同之材質。
8. 如申請專利範圍第1項所述之背照式影像感測器，其中該保護層包括一第一部分與一第二部分，該第一部分位於該基底的該第二表面上，該第二部分位於該銲墊開口的側壁上，且與該第一部分連接。
9. 如申請專利範圍第8項所述之背照式影像感測器，其中該第一部分與該第二部分之材質相同。
10. 如申請專利範圍第8項所述之背照式影像感測器，其中該第一部分與該第二部分之材質不同。
11. 如申請專利範圍第1項所述之背照式影像感測器，其中該保護層更延伸至該基底與該彩色濾光陣列之間。
12. 如申請專利範圍第11項所述之背照式影像感測器，更包括一金屬遮蔽層，覆蓋該銲墊以及一光學黑區上的該保護層。
13. 如申請專利範圍第1項所述之背照式影像感測 器，更包括一工作晶圓(handle wafer)，設置於該基底的第一表面上，使該後段連線層位於該操作晶圓與該基底之間。