一种CMOS图像传感器封装结构及其制造方法技术

一种CMOS图像传感器封装结构及其制造方法，属传感器领域。光学交互区位于硅衬底正面第一表面的中央，在光学交互区的上方形成有金属互连层，微镜头阵列放置在金属互联层上方，金属互联层外侧有第一保护层；在第一表面制作未穿透硅衬底的硅通孔和重分布层，光学交互区周围的I/O通过重分布层连接硅通孔；硅通孔孔壁上有作钝化层并填充；在重分布层上有第二保护层；硅衬底同玻璃片键合，玻璃片和硅衬底之间设空腔；硅衬底的第二表面减薄暴露出硅通孔；硅衬底第二表面上制作线路层将硅通孔连接到焊盘垫，线路层上制作防焊层并暴露出焊盘垫；焊球在焊盘垫上。本发明专利技术改善了封装结构中玻璃和硅衬底之间的分层问题，提高了可靠性，封装结构适合更大尺寸芯片。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体元器件制造
本专利技术提供了一种CMOS图像传感器封装结构以及所述CMOS图像传感器的制造方法。
技术介绍
图像传感器属于光电产业里的光电元件类。是一种半导体模块，是一种将光学图像转换成为电子信号的设备，电子信号可以被用来做进一步处理或被数字化后被存储，或用于将图像转移至另一显示装置上显示等。它被广泛应用在数码相机和其他电子光学设备中。图像传感器如今主要分为电荷耦合器件(CXD)和CMOS图像传感器(CIS，CMOS ImageSensor)。虽然C⑶图像传感器在图像质量以及噪声等方面优于CMOS图像传感器，但是CMOS传感器可用传统的半导体生产技术制造，生产成本较低。同时由于所用的元件数相对较少以及信号传输距离短，CMOS图像传感器具备功耗低、电容、电感和寄生延迟降低等优点。 与CXD图像传感器相比，CMOS图像传感器具有更方便的驱动模式并且能够实现各种扫描类型；同时，将信号处理电路(IC)集成到单个芯片中从而使得小型化CMOS图像传感器成为可能。此外，通过使用广泛兼容的CMOS技术，CMOS图像传感器有助于更低的功耗并降低制造成本。因此，CMOS图像传感器具有更广泛的应用。图1所示为一款传统的CMOS图像传感器(CIS)的封装示意图。所示CMOS传感器通包括陶瓷基底2，在陶瓷基底2顶部表面上安装有集成电路4 (1C)，粘接剂层3位于集成电路4 (IC)和陶瓷基底2之间。在集成电路4 (IC)表面上有制作好的IC表面的焊盘6，通过引线7同陶瓷基底2上的基底表面的焊盘8相连接。图像感光区5位于集成电路4(IC)的顶部，图像感光区5包括能够接受光线产生电信号的光学交互元件(如光敏电二极管，photodiode)阵列。同所述光学交互元件相对应的玻璃透镜10被安装到框架I上，框架I通过粘接剂9同陶瓷基底2连接。图1所示的CMOS传感器结构有很多可以改进的方面。第一，由于该封装使用了体积庞大的玻璃透镜10，这对减小封装的体积极为不利，因此可以通过采用微透镜来减小封装的体积。第二，可以将陶瓷基底2换为硅衬底，通过在硅衬底表面制作重分布层(RDL)将集成电路4 (IC)边缘的1/0 (图上未示出)同基地表面的焊盘8相连接，这样可以进一步的减小封装结构的尺寸。第三，所示封装结构不能够用成本更低的晶圆级加工和表面安装技术。随着CMOS技术的日益发展，集成度也越来越高，这就使得图像传感区的面积越来越来以实现更大面积的感光区域。而对于采用玻璃同晶圆键合这种CIS封装结构，更大的观光区面积会导致玻璃同硅衬底之间的分层现象也越来越严重。为解决以上问题，本专利技术提供了一种CMOS图像传感器(CIS)封装结构。通过在玻璃同半导体衬底之间的键合区域设置台阶式的突起结构，增强半导体衬底同玻璃之间的键合可靠性，从而改善了现有封装结构中玻璃和硅衬底之间的分层问题，提高了封装可靠性，同时使该封装结构适合芯片尺寸更大的芯片尺寸封装。同时本专利技术的实施方式还提供了一种所述CMOS图像传感器(CIS)封装的制造方法，通过在硅衬底正面制作硅通孔(TSV)，并通过线路重分布层同光学交互区外围的I/O相连接，经TSV连接到硅衬底的背面。通过本专利技术的实施不仅缩小了封装后的体积尺寸、降低了封装成本、提高了封装效率，而且更加符合高密度封装的要求；同时由于由于数据传输路径短、稳定性高，这种封装在降低能耗的同时还提升了数据传输的速度和稳定性。
技术实现思路
本专利技术的第一方面是提供了一种改进的CMOS图像传感器(CIS)封装结构，以适合芯片尺寸更大的CMOS图像传感器(CIS)封装。本专利技术所述的CMOS图像传感器包括硅衬底200，所述硅衬底200的正面为形成有微镜头230、金属互联层220和光学交互区210的第一表面201,所述娃衬底200的背面 为第二表面202。其中光学交互区210位于硅衬底200正面第一表面201的中央，在光学交互区210的上方形成有金属互连层220,微镜头230阵列放置在金属互联层220上方,金属互联层220外侧形成有第一保护层235。通过在第一表面201制作没有穿透硅衬底200的硅通孔260 (TSV)和重分布层(RDL)，将光学交互区210周围的I/O通过重分布层(RDL)连接到硅通孔260 (TSV)0硅通孔260 (TSV)孔壁上制作有作钝化层265并用电镀工艺将孔填充。在重分布层(RDL)上用聚合物材料制作有台阶式突起或凹槽结构的第二保护层240。硅衬底200同玻璃片250之间通过聚合物键合胶255键合在一起，通过曝光显影在玻璃片250和硅衬底200之间形成空腔。通过对硅衬底200的第二表面202进行研磨、蚀刻等工艺，对硅衬底进行减薄并暴露出硅通孔260(TSV)。通过在硅衬底200的第二表面202上制作线路层将硅通孔260 (TSV)连接到焊盘垫290，在线路层上制作防焊层280 (SMF)并暴露出焊盘垫290以保护第二表面202上的线路层。焊球295制作在焊盘垫290上。所述的保护层材料为氮化硅。所述的聚合物材料为由树脂、溶剂、感光化合物和添加剂等组成。本专利技术的第二方面是提供了一种制造所述CMOS图像传感器的制造方法，包括以下步骤第一步提供硅衬底所述硅衬底包括形成有微镜头，集成电路IC和光学交互区的第一表面以及相对于第一表面的第二表面。第二步在硅衬底的第一表面蚀刻出TSV孔洞在这一步中首先在硅衬底正面涂布一层光刻胶，经过曝光显影形成蚀刻窗口 ；采用干法蚀刻工艺形成TSV孔洞，所述的干法蚀刻工艺包括深反应离子刻蚀(DRIE)。第三步在TSV孔洞内和硅衬底的第一表面形成一层钝化层通过采用等离子体化学气相沉积(PECVD)在TSV孔洞内和硅衬底的正面形成一层钝化层，所述钝化层材料为聚合物电介质材料。第四步暴露出光学交互区外围的1/0通过对硅衬底第一表面沉积的钝化层进行曝光显影形成蚀刻窗口，采用干法蚀刻暴露出光学交互区外围的I/o。第五步电镀填充TSV实现电性互连通过电镀工艺将形成的TSV孔洞填充并覆盖第一表面，从而使硅通孔(TSV)同光学交互区外围的I/o相连接形成重分布层(RDL)，实现电性互连。第六步形成保护层并安置微镜头在硅衬底的第一表面形成第二保护层时，通过曝光显影和蚀刻工艺在硅衬底同玻璃的键合区形成台阶式的突起或凹槽结构的第二保护层；然后在硅衬底的第一表面金属互联层上方安置微镜头。第七步硅衬底同玻璃进行键合在这一步中，首先将聚合物间隔胶涂布在经过前处理清洗过的玻璃表面，预处理清洗包括酸洗中和、等离子清洗等；然后经过曝光显影等工艺在聚合物胶上形成空腔 ’最后通过在聚合物间隔件表面涂布一层树脂胶并利用键和机台将硅衬底同玻璃进行键合。第八步对硅衬底第二表面进行研磨蚀刻在这一步中，首先对硅衬底的第二表面进行研磨减薄；其次对研磨后的硅衬底的第二表面进行去应力等离子蚀刻，以去除因研磨残留在晶圆内的内应力，减小晶圆的翘曲并暴露出硅通孔(TSV)。第九步制作硅衬底第二表面的线路层在这一步中，首先在硅衬底背面沉积一层绝缘层；然后通过溅射一层金属并将其图案化形成以形成线路层和焊盘垫；最后在线路层上涂布一层防焊层(SMF)并暴露出焊盘垫并保护形成的线路。第十步制作焊球通过植球工艺将焊球形成与焊盘垫上。在所述的第七步本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种CMOS图像传感器封装结构，其特征在于：其包括硅衬底(200)，所述硅衬底(200)的正面为形成有微镜头(230)、金属互联层(220)和光学交互区(210)的第一表面(201)，所述硅衬底(200)的背面为第二表面(202)；其中光学交互区(210)位于硅衬底(200)正面第一表面(201)的中央，在光学交互区(210)的上方形成有金属互连层(220)，微镜头(230)阵列放置在金属互联层(220)上方，金属互联层(220)外侧形成有第一保护层(235)；通过在第一表面(201)制作未穿透硅衬底(200)的硅通孔(260)和重分布层，光学交互区(210)周围的I/O通过重分布层连接到硅通孔(260)；硅通孔(260)孔壁上制作有作钝化层(265)并用电镀工艺将孔填充；在重分布层上用聚合物材料制作有台阶式突起或凹槽结构的第二保护层(240)；硅衬底(200)同玻璃片(250)之间通过聚合物键合胶(255)键合在一起，玻璃片(250)和硅衬底(200)之间设置有通过曝光显影形成的空腔；通过对硅衬底(200)的第二表面(202)进行研磨、蚀刻，对硅衬底(200)进行减薄后暴露出硅通孔(260)；在硅衬底(200)的第二表面(202)上制作线路层将硅通孔(260)连接到焊盘垫(290)，在线路层上制作防焊层(280)并暴露出焊盘垫(290)以保护第二表面(202)上的线路层；焊球(295)制作在焊盘垫(290)上。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：秦飞，武伟，安彤，刘程艳，陈思，夏国峰，朱文辉，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：