[發明專利]改進的背面照明圖像傳感器架構及其制造方法

有效

• 申請號: 201210117321.0
• 申請日: 2012-04-20
• 公開（公告）號: CN103311256A
• 公開（公告）日: 2013-09-18
• 發明（設計）人: V.奧加涅相
• 申請（專利權）人: 奧普蒂茲公司
• 主分類號: H01L27/146
• 分類號: H01L27/146
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 劉春元;李家麟

技術領域

本發明涉及CMOS圖像傳感器，更特別地涉及背面照明圖像傳感器和封裝配置。

背景技術

半導體器件的趨勢是封裝在更小封裝（其在提供離芯片信令連接性的同時保護芯片）中的更小的集成電路（IC）器件（也稱為芯片）。一個示例是圖像傳感器，其是包括將入射光變換成電信號（其以良好的空間分辨率準確地反映入射光的強度和色彩信息）的光電檢測器的IC器件。圖像傳感器可以是正面照明（FSI）或背面照明的（BSI）。

常規正面照明（FSI）圖像傳感器具有在硅芯片的表面處形成的光電檢測器，被成像的光在該表面處入射。用于光電檢測器的支持電路在光電檢測器上形成，其中，孔口（即光管）允許光通過電路層到達光電檢測器。濾色器和微透鏡被設置在包含光電檢測器的表面上。FSI圖像傳感器存在的缺點是電路層限制孔口的尺寸，用于每個像素的入射光必須通過該孔口傳播。隨著像素尺寸由于對更高數目的像素和更小芯片尺寸的需求而縮小，像素面積與總傳感器面積的比減小。這降低了傳感器的量子效率（QE）。

常規背面照明（BSI）圖像傳感器類似于FSI圖像傳感器，不同的是光電檢測器通過芯片的背表面接收光（即，光進入芯片的背表面，并穿過硅襯底直至其到達光電檢測器）。濾色器和微透鏡被安裝到芯片的背表面。用此配置，入射光避免電路層。然而，BSI圖像傳感器存在的缺點包括由硅襯底中的擴散引起的像素串話（即，不存在形成有孔開口以使用于每個像素的傳播光分離的電路或其它結構—藍光尤其易受此擴散現象的影響）和由于較短光程而引起的對較厚微透鏡的需要。

BSI圖像傳感器存在的另一顯著問題是通過硅襯底的不同色彩的光的量子效率由于被硅吸收（即衰減）的光的量基于波長而變而改變。這意味著在均勻厚度硅襯底的情況下，朝光電檢測器方向前進的紅色、綠色和藍色的吸收量不是相同的。為了均衡衰減，不同的色彩將不得不通過相同厚度的硅。在下表中針對光的三個不同色彩提供了用于硅的吸收系數以及用于均衡衰減的硅的厚度比：

表1

從上可知，作為示例，對于藍色的1μm、對于綠色的1.65μm和對于紅色的5.70μm的硅厚度將提供對于全部三個色彩波長的均勻吸收。吸收的另一度量是“吸收深度”，其是初始強度的約64%（1-1/e）被吸收且約36%（1/e）通過處的襯底的厚度。表格顯示對于藍色的0.625μm、對于綠色的1.03μm和對于紅色的3.56μm的硅厚度將提供約64%的均勻吸收，并且使得光的36%通過硅。

可以用諸如紅色、綠色和藍色的三個添加原色的線性組合來在一定范圍內表示任何色彩。為了使得傳感器陣列能夠感測色彩，在傳感器陣列上覆蓋具有紅色、綠色和藍色濾光器元件的濾色器陣列，使得濾色器陣列的每個濾色器元件與傳感器陣列的一個光電檢測器對準（即每個光電檢測器及其關聯濾色器形成被捕捉的圖像的像素）。紅色濾光器元件阻擋綠光和藍光，并僅允許紅光到達傳感器陣列的相應光電檢測器，其因此僅輸出圖像的紅色分量。綠色濾光器元件阻擋紅光和藍光，并僅允許綠光到達傳感器陣列的相應光電檢測器，其因此僅輸出圖像的綠色分量。藍色濾光器元件阻擋紅光和綠光，并僅允許藍光到達傳感器陣列的相應光電檢測器，其因此僅輸出圖像的藍色分量。因此，入射在濾色器陣列上的光的三分之二被阻止到達傳感器陣列，顯著地降低了用于彩色圖像的傳感器陣列的總體檢測靈敏度，從而顯著地降低了用于彩色圖像的傳感器陣列的分辨率。

使用基于半導體的圖像傳感器來在照相機中捕捉色彩信息的常見方法是采用馬賽克，諸如交替紅色、綠色和藍色像素的拜耳圖案（Bayer?pattern）。到達這些像素的光被由諸如聚酰亞胺的材料制成的相應紅光、綠光或藍光過濾膜過濾。

遺憾的是，隨著像素尺寸變小，某些光未被聚焦到光電檢測器上，其促使光被損耗且像素響應減少。主射線是通過入射光瞳的中心的射線，并且在入射光瞳的中心附近的光在陣列的中心處進入像素。主射線的角通常被稱為主射線角（CRA）。在感測陣列的周界邊緣處，像素響應下降至其零度角響應的某個百分比（例如80%）以下（其中，像素垂直于入射光）。在傳感器陣列的中心軸附近入射的光與中心軸接近平行地進入像素。然而，距離中心軸更遠地入射的光以不平行于中心軸的角度進入像素。結果，在遠離陣列中心定位的像素之間可能存在串話。串話在圖像傳感器中產生噪聲。