图像传感器芯片的封装结构及封装方法技术

本发明专利技术提供一种图像传感器芯片的封装结构及封装方法，采用芯片背面的衬底沟槽刻蚀工艺来避免使用硅穿孔工艺，同时将沟槽底部暴露出的焊盘的外周边缘修正为阶梯状结构，由此来降低布线金属层的填充难度，增加后续填充的布线金属层与焊盘的接触面积，提高布线金属层的连接可靠性。

【技术实现步骤摘要】
图像传感器芯片的封装结构及封装方法
本专利技术涉及半导体制造
，尤其涉及一种图像传感器芯片的封装结构及封装方法。
技术介绍
CMOS图像传感器(CMOSImageSensor,CIS)是数字摄像头的重要组成部分，其成像的原理是通过光敏器件进行感光，从而将光信号转换为电信号，然后输出图像。目前，主流的CIS芯片封装技术包括：CSP(ChipScalePackage)、COB(ChipOnBoard)及FC(FlipChip)。其中CSP是指芯片尺寸封装和芯片核心尺寸基本相同的芯片封装技术，目前普遍应用在中低端、低像素(2M像素或以下)图像传感器的Waferlevel(晶圆级)封装方面。CSP封装技术一般是将图像传感器芯片正面作为感光窗口，使用晶圆级玻璃(芯片正面的透光盖板)与晶圆绑定，并在晶圆的图像传感器芯片之间使用围墙隔开，然后在研磨后的晶圆的焊盘区域，通过制作焊盘表面连接的(或焊盘面内孔侧面环金属连接的)硅穿孔(ThroughSiliconVia，TSV)或切割后焊盘侧面的T型金属来接触晶圆上的图像传感器芯片，并在晶圆背面延伸线路后制作焊球栅阵列(BallGridArray，BGA)，从而将芯片正面的焊盘通过一定的方式重新分布到芯片背面，实现与外界的互联，最后切割晶圆以形成单个密封空腔的图像传感器单元，后端通过表面贴装技术(SurfaceMountTechnology，SMT)形成模块组装结构。CSP内核面积与封装面积的比例约为1:1.1，凡是符合这一标准的封装都可以称之为CSP。这样的封装形式大大提高了印刷电路板(PCB)上的集成度，减小了电子器件的体积和重量，提高了产品的性能。上述的硅穿孔技术，一般是先在芯片背面的硅本体上利用干法刻蚀的方法形成硅通孔，然后对暴露出的芯片衬底硅及孔内的硅进行绝缘化处理，并在孔底部开出互联窗口以便后续填充金属与焊盘形成接触，接着在孔内填充金属，以及重新分布金属线路层。然而，这种晶圆级图像传感器封装方式由于引入了硅通孔互联，使得封装结构复杂；并且硅通孔互联技术还不成熟，往往由于孔内绝缘不好、互联窗口不完整以及金属填充不实等问题导致失效或可靠性不好，使得这类利用硅通孔互联进行的晶圆级图像传感器封装存在工艺难度大、互联可靠性低的问题。同时，硅通孔互联工艺的复杂性也导致采用该技术的晶圆级图像传感器封装价格比较昂贵。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种图像传感器芯片的封装结构及方法，能够简化封装结构、降低工艺难度和工艺成本。为解决上述问题，本专利技术提出一种图像传感器芯片的封装方法，包括以下步骤：提供封装基板和图像传感器芯片，所述封装基板具有透光区，所述图像传感器芯片形成在一半导体衬底的正面上，且所述图像传感器芯片周围的半导体衬底正面上形成有多个焊盘，每个焊盘是由多层金属层互连而成的金属结构；粘合所述封装基板与所述半导体衬底的正面，其中，所述透光区对应所述图像传感器芯片的感光区；对所述半导体衬底的背面进行刻蚀以形成沟槽，所述沟槽暴露所述焊盘的最底层金属层；刻蚀所述焊盘以使所述焊盘的多层金属层形成阶梯状结构，并在所述半导体衬底的背面形成绝缘层，所述绝缘层暴露所述阶梯状结构的各个台阶表面；在所述绝缘层以及所述阶梯状结构表面形成布线金属层，所述布线金属层与所述阶梯状结构的每层金属层接触；在所述布线金属层表面形成保护层，并刻蚀所述保护层形成暴露出所述布线金属层的多个开口；以及在所述开口中设置凸点。进一步的，提供所述图像传感器芯片的步骤包括：提供所述半导体衬底；在所述半导体衬底的正面上形成至少一个图像传感单元，所述图像传感单元所在区域为所述感光区；在每个图像传感单元的周围形成多个焊盘。进一步的，所述图像传感单元以及各个焊盘均部分形成在所述半导体衬底正面的钝化层中。进一步的，采用点胶、画胶、印刷胶、滚胶或光刻工艺图案化胶的方式，粘合所述封装基板与所述半导体衬底的正面。进一步的，在形成所述沟槽之后，先不同程度地刻蚀所述沟槽处的焊盘的各层金属层以形成阶梯状结构，然后在所述半导体衬底的背面形成绝缘层。进一步的，在形成所述沟槽之后，先在所述半导体衬底的背面形成绝缘层，然后不同程度地刻蚀所述沟槽处的焊盘的各层金属层以形成阶梯状结构。进一步的，形成所述阶梯状结构时，从焊盘的最底层金属层至其最顶层金属层的刻蚀程度依次均匀递减，以使得所述最底层金属层至所述最顶层金属层在沟槽侧壁的延伸长度依次均匀加长。进一步的，在刻蚀所述沟槽处的焊盘的各层金属层以形成阶梯状结构时，所述焊盘的各层金属层中至少保留其最顶层金属层不被刻蚀。进一步的，所述绝缘层包括氧化硅、氮化硅、氮氧化硅和有机聚合物中的至少一种。进一步的，通过回流焊法、植球法、蒸发法、化学镀法、电镀法、置球法、焊膏模板印制法或者印刷焊膏法在开口位置形成凸点。进一步的，所述凸点的材料包括铝、锡、银、铅、铜、锌、铋、铟、金和锑中的一种或者多种。本专利技术还提供一种图像传感器芯片的封装结构，包括：半导体衬底；图像传感器芯片，形成在所述半导体衬底的正面上；沟槽，形成于所述半导体衬底背面；多个焊盘，分布在所述图像传感器芯片周围的半导体衬底中，且所述沟槽处的焊盘是由多层金属层互连而成的阶梯状结构；绝缘层，覆盖所述半导体衬底的背面，并暴露出所述阶梯状结构的各个台阶表面；布线金属层，覆盖所述绝缘层以及所述暴露出的所述阶梯状结构的台阶表面，并与所述阶梯状结构的各个台阶的金属层接触；保护层，覆盖所述布线金属层表面，且具有暴露所述布线金属层的多个开口；以及凸点，设置在所述开口中，并与所述布线金属层导电接触。进一步的，所述图像传感器芯片位于一晶圆上，所述晶圆上包括半导体衬底以及形成在所述半导体衬底正面上的至少一个图像传感器芯片。进一步的，所述晶圆的正面还覆盖有钝化层，所述图像传感器芯片的图像传感单元以及分布于所述图像传感单元周围的各个焊盘均部分形成在所述钝化层中。进一步的，所述阶梯状结构中，最底层金属层至最顶层金属层在沟槽侧壁的延伸长度依次均匀加长。进一步的，所述凸点的材料包括铝、锡、银、铅、铜、锌、铋、铟、金和锑中的一种或者多种。与现有技术相比，本专利技术提供的图像传感器芯片的封装结构及方法，具有以下有益效果：(1)本专利技术先在芯片周围的焊盘底部的半导体衬底位置形成沟槽，且沟槽底部暴露出焊盘的背部表面；然后修整各个焊盘的各层金属层，将焊盘边缘修改为阶梯状结构；最后通过在沟槽中形成导电接触所述阶梯状结构的布线金属层，从而实现芯片电信号从芯片正面转移到芯片背面；与硅穿孔互联相比，结构相对简单；(2)由于本专利技术形成的沟槽底部尺寸较大，后续的沟槽内的填充布线金属层工艺难度减小，避免了由于硅穿孔内金属填充不实造成可靠性不良的问题；(3)由于本专利技术的阶梯状结构增加了布线金属层与焊盘的接触面积，避免了现有技术中填充的布线金属层仅与焊盘的最顶层金属层表面或最底层金属表面接触的不利影响，从而避免了由于硅穿孔内布线金属层与焊盘连接可靠性不良的问题；(4)由于本专利技术避免采用硅穿孔互连技术，封装结构及工艺简化，封装成本降低。附图说明图1是本专利技术具体实施例的图像传感器芯片的封装方法流程图；图2A至2F是图1所示封装方法中的器件剖面结构示意图。具体实施方式本专利技术的核心思想在于，提供一种无硅穿孔、低成本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种图像传感器芯片的封装方法，其特征在于，包括以下步骤：提供封装基板和图像传感器芯片，所述封装基板具有透光区，所述图像传感器芯片形成在一半导体衬底的正面上，且所述图像传感器芯片周围的半导体衬底正面上形成有多个焊盘，每个焊盘是由多层金属层互连而成的金属结构；粘合所述封装基板与所述半导体衬底的正面，其中，所述透光区对应所述图像传感器芯片的感光区；对所述半导体衬底的背面进行刻蚀以形成沟槽，所述沟槽暴露所述焊盘的最底层金属层；刻蚀所述焊盘以使所述焊盘的多层金属层形成阶梯状结构，并在所述半导体衬底的背面形成绝缘层，所述绝缘层暴露所述阶梯状结构的各个台阶表面；在所述绝缘层以及所述阶梯状结构表面形成布线金属层，所述布线金属层与所述阶梯状结构的每层金属层接触；在所述布线金属层表面形成保护层，并刻蚀所述保护层形成暴露出所述布线金属层的多个开口；以及在所述开口中设置凸点。

【技术特征摘要】
1.一种图像传感器芯片的封装方法，其特征在于，包括以下步骤：提供封装基板和图像传感器芯片，所述封装基板具有透光区，所述图像传感器芯片形成在一半导体衬底的正面上，且所述图像传感器芯片周围的半导体衬底正面上形成有多个焊盘，每个焊盘是由多层金属层互连而成的金属结构；粘合所述封装基板与所述半导体衬底的正面，其中，所述透光区对应所述图像传感器芯片的感光区；对所述半导体衬底的背面进行刻蚀以形成沟槽，所述沟槽暴露所述焊盘的最底层金属层；刻蚀所述焊盘以使所述焊盘的多层金属层形成阶梯状结构，并在所述半导体衬底的背面形成绝缘层，所述绝缘层暴露所述阶梯状结构的各个台阶表面；在所述绝缘层以及所述阶梯状结构表面形成布线金属层，所述布线金属层与所述阶梯状结构的每层金属层接触；在所述布线金属层表面形成保护层，并刻蚀所述保护层形成暴露出所述布线金属层的多个开口；以及在所述开口中设置凸点。2.如权利要求1所述的封装方法，其特征在于，提供所述图像传感器芯片的步骤包括：提供所述半导体衬底；在所述半导体衬底的正面上形成至少一个图像传感单元，所述图像传感单元所在区域为所述感光区；在每个图像传感单元的周围形成多个焊盘。3.如权利要求2所述的封装方法，其特征在于，所述图像传感单元以及各个焊盘均部分形成在所述半导体衬底正面的钝化层中。4.如权利要求1所述的封装方法，其特征在于，采用点胶、画胶、印刷胶、滚胶或光刻工艺图案化胶的方式，粘合所述封装基板与所述半导体衬底的正面。5.如权利要求1所述的封装方法，其特征在于，在形成所述沟槽之后，先不同程度地刻蚀所述沟槽处的焊盘的各层金属层以形成阶梯状结构，然后在所述半导体衬底的背面形成绝缘层。6.如权利要求1所述的封装方法，其特征在于，在形成所述沟槽之后，先在所述半导体衬底的背面形成绝缘层，然后不同程度地刻蚀所述沟槽处的焊盘的各层金属层以形成阶梯状结构。7.如权利要求1或5或6所述的封装方法，其特征在于，形成所述阶梯状结构时，从焊盘的最底层金属层至其最顶层金属层的刻蚀程度依次均匀递减，以使得所述最底层金属层至...

【专利技术属性】
技术研发人员：何明，
申请(专利权)人：中芯国际集成电路制造上海有限公司，中芯国际集成电路制造北京有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31