专利名称：图像传感器的互连封装方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体制作技术，特别涉及一种图像传感器的互连封装方法。
技术背景
感光集成电路是图像传感器的重要组成部分，广泛应用于数码相机、数码摄像机、 手机和其他许多便携式设备中。一般来说，图像传感器是一种半导体器件，其作用是把光学 图像信号转换为电信号，并进行存储和传输。图像传感器大体上可以分为两类，即一类为 电荷耦合器件(CCD，Charge-coupled Device)，另一类为互补型金属氧化物半导体(CMOS， Complementary Metal Oxide kmiconductor)。两者都是利用光电二极管进行光电转换， 将光学图像转换为电信号，而其主要差异是信号传送的方式不同。CCD图像传感器通过对电 信号传输方向上的潜在井深的持续控制来传输电信号。CMOS图像传感器是用(包括在像 素unit cell里的)一个或多个晶体管和光电二极管来实现光学图像传感的，其中光电二 极管作为光学传感器。由于CCD图像传感器相比CMOS图像传感器具有低噪声、高灵敏度和 高图像品质(分辨率)的优点，其更适用于数码照相机。相反，一般来说，CMOS图像传感器 相比CXD图像传感器功耗较小，只有CXD图像传感器的1%。特别地，由于CMOS图像传感 器采用一般半导体电路最常用的半导体制造工艺，可以轻易地把CMOS图像传感器集成到 外围电路系统中，例如放大器和信号处理器的操作系统，从而大大降低了制造成本。此外， CMOS图像传感器运算速度较快。因此，CMOS图像传感器已经应用在移动电话和个人数字 助理(PDA, Personal digital Assistant)的摄像头中。不过，随着CMOS图像传感器的技 术发展，CMOS图像传感器和CCD图像传感器之间的技术差异正在逐步缩小。到目前为止， 在CMOS图像传感器制造中是用CMOS图像传感器芯片引线结合方法封装。但是，引线结合 方法产生的异物会引起CMOS图像传感器感应窗口的图像缺陷，因此在CMOS图像传感器封 装过程中的成品率减少，并且CMOS图像传感器的深宽高都会增加，给CMOS图像传感器尺 寸的减小造成困难。随着消费者对设备轻便性需求的增加，一种通过硅通孔(TSV，Through Silicon Via)实现的三维封装技术的发展大大减小了 CMOS图像传感器的器件尺寸。但是， 当互连硅通孔的尺寸减小到微米级时，就对现今的半导体工业技术提出了挑战。传统硅通 孔是从晶圆器件面开始进行刻蚀，直到晶圆另一面，但这种方法由于没有刻蚀停止层会造 成硅通孔深度的不均勻，从而导致晶圆另一面的化学机械研磨(CMP，Chemical Mechanical Polishing)控制的困难。为了克服上述问题，美国专利公开号20080217715A1的专利申请 提出了一种另一面硅通孔的封装方法。
图1为现有技术采用硅通孔法互连CMOS图像传感器的方法，图加 2g为现有技 术采用硅通孔法互连CMOS图像传感器的方法结构简化剖面图，具体步骤为，
步骤101，在晶圆10器件面IOa形成有源区隔离沟道30 ；
此步骤包括，在晶圆10器件面IOa光刻和刻蚀出隔离区20，得到如图加所示的结 构，包括晶圆10和隔离区20 ；
在这个步骤中，隔离区20的光刻和刻蚀包括一下几个步骤
首先在晶圆10器件面IOa涂抹一层光刻胶，然后按照需要的掩模板图案进行曝光 和显影使光刻胶图案化，对晶圆10器件面IOa没有被光刻胶图案覆盖的部分进行刻蚀，最 后清洗残留在晶圆10器件面IOa的光刻胶；
如图2b，对刻蚀出的隔离区20采用化学气相沉积(CVD，Chemical VaporDeposition)方法沉积二氧化硅绝缘材料，形成隔离沟道30 ；
步骤102，晶圆10器件面IOa进行CMOS图像传感器70的半导体制造工艺并加电 极40和粘合透镜和玻璃80，得到如图2c所示的结构，包括晶圆10，隔离沟道30，电极40， CMOS图像传感器70(其中包括CMOS图像传感器的导电栓塞排列和CMOS图像传感器的金属 层，未画出)，以及器件上方的透镜和玻璃80 (具体结构省略，未画出)；
此步骤中，透镜和玻璃80把CMOS图像传感器70及电极40与外界环境隔离，起到 保护CMOS图像传感器70及电极40的作用；
步骤103，对晶圆10的另一面IOb进行化学机械研磨，得到如图2d所示的结构，化 学机械研磨的目的是使随后在晶圆10的另一面IOb处的硅通孔步骤更容易进行；
此步骤中，化学机械研磨后的晶圆厚度要能够满足晶圆坚固性(耐磨性)的要求， 一般来说，对研磨之后晶圆的厚度范围最好控制在50微米到100微米之间；
步骤104，从晶圆10另一面IOb的电极40下方对应的位置刻蚀硅通孔90，硅通孔 90要形成从晶圆10另一面IOb直到电极40下方的穿透结构，得到如图加所示的结构，包 括隔离沟道30，电极40，图像传感器70，透镜和玻璃80和硅通孔90 ；
在这个步骤中，硅通孔可以用干法刻蚀的方法直接形成，另外硅通孔也可以采用 先干法刻蚀形成非穿透性硅通孔，再用干法或湿法刻蚀去掉晶圆上残留部分的方法形成； 在这里，硅通孔的直径范围是50微米到100微米，最佳取值为70微米。虽然硅通孔形状一 般为圆形，但也可以是各种形状，例如三角形、四边形或多边形；硅通孔的尺寸可以大于、 小于或等于电极40下方尺寸的大小；
整个硅通孔过程需要对各层不同材料进行刻蚀，例如包括COMS图像传感器的 层间介质(ILD, Interlayer Dielectrics)和包括COMS图像传感器的金属间介质(IMD， Intermetal Dielectrics)，由于材料差异，造成刻蚀控制的困难。此外，这种硅通孔法形成 的硅通孔深度大，有较大的深宽比，会造成硅通孔绝缘薄膜沉积和硅通孔金属化的困难；
步骤105，在硅通孔及晶圆另一面的表面沉积绝缘薄膜；
在本步骤中，绝缘薄膜沉积采用化学气相沉积方法沉积二氧化硅绝缘材料；
步骤106，刻蚀掉电极下方的绝缘薄膜100，露出电极，得到如图2f所示的结构，包 括电极40，图像传感器70，透镜和玻璃80，硅通孔90和绝缘薄膜100 ；
在本步骤中，首先在硅通孔90和晶圆10另一面IOb的绝缘薄膜100表面涂抹一 层光刻胶，然后按照需要的掩模板图案进行曝光和显影使光刻胶图案化，对位于电极下方 没有被光刻胶图案覆盖的硅通孔绝缘薄膜表面部分进行刻蚀，最后清洗残留在硅通孔和晶 圆另一面的二氧化硅绝缘薄膜表面的光刻胶；
步骤107，在硅通孔90中填入金属并在金属表面加焊球120，得到如图2g所示的 结构，包括绝缘薄膜100，金属化硅通孔110和焊球120 ；
步骤108，进行晶圆划片。
在以上过程中，形成硅通孔过程需要对各层不同材料进行刻蚀，由于材料差异，使刻蚀控制困难。此外，这种硅通孔法形成的硅通孔深度大，并有较大的深宽比，会造成硅通 孔绝缘薄膜沉积和金属填充的困难，降低CMOS图像传感器的制造可行性和成品率。发明内容
有鉴于此，本发明解决的技术问题是使用硅通孔法需要刻蚀穿过各层不同材料 从而造成刻蚀控制的困难，并形成较大的硅通孔深度和深宽比，不利于随后绝缘薄膜沉积 和金属填充工艺的进行。
为解决上述问题，本发明的技术方案具体是这样实现的
一种图像传感器的互连封装方法，该方法包括在电极下方的晶圆器件面制作导 电沟道；在所述晶圆器件面用于制作器件的区域制作图像传感器，并在用于制作封装连线 的区域制作用于电连接导电沟道和图像传感器的连接结构；在晶圆另一面进行刻蚀，形成 娃通孑L ；
在硅通孔内壁沉积绝缘薄膜；
在绝缘薄膜沉积后，刻蚀掉导电沟道下方的绝缘薄膜；
在硅通孔中填入金属，并在金属表面加焊球。
所述制作导电沟道的过程为
在有源区隔离阶段，在晶圆器件面用于制作封装连线的区域增加沟道区，在沉积 二氧化硅作为绝缘介质后，对沟道区的二氧化硅进行光刻和部分刻蚀，然后在沟道区内沉 积导电材料作为导电介质，最后导电沟道进行化学机械研磨，去除多余的表面导电材料和 二氧化硅绝缘介质。
所述对沟道的二氧化硅进行刻蚀时，深度不超过沟道的深度。
在本步骤中，在沟道内沉积导电材料为导电金属或掺杂多晶硅；
所述二氧化硅和导电材料的沉积用化学气相沉积方法进行。
所述在用于制作封装连线的区域制作用于电连接导电沟道和图像传感器的连接 结构的过程为
在导电沟道上方加入COMS图像传感器的导电栓塞排列形成电接触，再制作COMS 图像传感器的金属层与导电栓塞电连通，直到导电沟道与晶圆器件面的电极形成电连通。
所述在晶圆另一面进行刻蚀，是用干法刻蚀实现。
所述在晶圆另一面进行刻蚀，是直到刻蚀掉导电沟道下方的二氧化硅露出导电沟 道。
所述形成硅通孔，深度小于50微米。
所述形成硅通孔，直径范围是1微米到50微米之间。
所述在硅通孔中填入金属，还包括在金属表面加焊球。
所述在硅通孔内壁沉积绝缘薄膜，是用化学气相沉积方法沉积二氧化硅实现。
由上述的技术方案可见，本发明在有源区隔离过程中在电极下方形成导电沟道， 在导电沟道上方加入CMOS图像传感器件的导电栓塞排列、金属层和电极，使导电沟道和导 电栓塞排列形成电接触，并通过导电栓塞与COMS图像传感器的各金属层的连通使导电沟 道与晶圆器件面的电极形成电连通，使随后在晶圆另一面的硅通孔刻蚀可以停止在导电沟 道处，即导电沟道作为硅通孔刻蚀的停止层，减小了硅通孔刻蚀的控制难度、深宽比，小的硅通孔尺寸不仅有利于绝缘薄膜沉积和金属填充，而且可以节约电极区面积，增加有源区 的晶体管数，从而提高用硅通孔法进行互连的CMOS图像传感器的制造可行性和成品率。
图1为现有技术硅通孔法图像传感器封装互连流程图加 图2g为现有技术硅通孔法图像传感器封装互连过程的结构简化剖面图3为本发明采用导电沟道硅通孔法封装互连图像传感器流程图如 图4i为本发明采用导电沟道硅通孔法封装互连图像传感器过程的结构简 化剖面图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案、及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例， 对本发明进一步详细说明。
本发明提出了一种CMOS图像传感器的互连封装方法，该方法首先在有源区隔离 过程中于晶圆器件面用于制作封装连线的区域制作导电沟道，然后在晶圆器件面用于制作 器件的区域制作图像传感器，并在用于制作封装连线的区域制作用于电连接导电沟道和图 像传感器的连接结构，如CMOS图像传感器件的导电栓塞排列、金属层和电极，使导电沟道 和导电栓塞排列形成电接触，并通过导电栓塞与金属层的连通使导电沟道与晶圆器件面的 电极形成电连通，最后在晶圆另一面进行刻蚀，形成与导电沟道导通的硅通孔，在硅通孔刻 蚀中，刻蚀可以停止在导电沟道处，即导电沟道作为晶圆另一面硅通孔刻蚀的停止层，减小 了硅通孔刻蚀的控制难度、深宽比，小的硅通孔尺寸不仅有利于绝缘薄膜沉积和金属填充， 而且可以节约电极区面积，增加有源区的晶体管数量，从而提高用硅通孔法进行互连的传 统CMOS图像传感器的制造可行性和成品率。
结合图如 图4i所示的采用导电沟道与CMOS图像传感器的层间互连技术改进 晶圆硅通孔法的结构简化剖面图，具体说明图3所示本发明采用导电沟道与CMOS图像传感 器的导电栓塞排列的电接触实现减小硅通孔刻蚀深度的流程图，其具体步骤为
步骤301、在晶圆10器件面IOa形成导电沟道31和有源区隔离沟道30 ；
该步骤包括，首先在晶圆10器件面IOa进行光刻、刻蚀和二氧化硅沉积工艺制作 有源区隔离沟道30和电极位置隔离沟道11，得到图如所示的结构；
本步骤中的光刻和刻蚀是指，先在晶圆10器件面IOa涂抹一层光刻胶，然后按照 需要的掩模板图案进行曝光和显影使光刻胶图案化，对晶圆10器件面IOa没有被光刻胶图 案覆盖的部分刻蚀，形成隔离区，最后清洗残留在晶圆10器件面IOa的光刻胶；
本步骤中的二氧化硅沉积工艺是指对刻蚀出的隔离区采用化学气相沉积方法沉 积二氧化硅绝缘材料，形成有源区隔离沟道30和电极位置隔离沟道11 ；
其次，在隔离沟道11中光刻和刻蚀出导电沟道区21，得到图4b所示的结构；
本步骤中的光刻和刻蚀是指，首先在晶圆10器件面IOa涂抹一层光刻胶，然后按 照需要的掩模板图案进行曝光和显影使光刻胶图案化，对晶圆10器件面IOa没有被光刻胶 图案覆盖的部分进行刻蚀，最后清洗残留在晶圆10器件面IOa的光刻胶；
再次，在导电沟道区21中沉积导电材料，形成导电沟道31，得到图如所示的结构；
最后，对晶圆10器件面IOa进行化学机械研磨，多余的表面导电材料和二氧化硅 绝缘介质；
在本步骤中，有源区隔离沟道30深度和电极位置的隔离沟道31深度相同；
在本步骤中，在沟道沉积导电材料为金属或掺杂多晶硅，以多晶硅为佳；
步骤302、在导电沟道31上方加入CMOS图像传感器件的导电栓塞排列51、金属层 61和电极40，其中，导电沟道31与COMS图像传感器的导电栓塞排列51形成电接触，再通 过导电栓塞排列51与COMS图像传感器的金属层61相连通，直到导电沟道31与晶圆器件 面的电极40形成电连通，得到图4d所示的结构；
在本步骤中，在导电沟道31上方加入CMOS图像传感器件的导电栓塞排列51、金属 层61和电极40所采用的半导体制造工艺为现有技术，这里不再赘述；
步骤303、CMOS图像传感器70和电极40上方粘合透镜和玻璃80，得到图如所示 的结构；
在本步骤中，透镜和玻璃80粘合为现有技术，这里不再赘述，透镜和玻璃80把 CMOS图像传感器及电极与外界环境隔离，起到保护CMOS图像传感器及电极的作用；
步骤304、对晶圆10另一面IOb进行化学机械研磨，得到如图4f所示的结构，化学 机械研磨的目的是使随后在晶圆10另一面IOb处的硅通孔步骤更容易进行；
此步骤中，化学机械研磨后的晶圆厚度要能够满足晶圆坚固性(耐磨性)的要求， 一般来说，对研磨之后晶圆的厚度范围最好控制在5微米到50微米之间；
步骤305、从晶圆10另一面IOb刻蚀硅通孔91，得到图4g所示的结构；
在本步骤中，从晶圆10另一面IOb刻蚀硅通孔，刻蚀穿过晶圆的硅衬底，直到完全 刻蚀掉到导电沟道下方的二氧化硅层，以导电沟道作为刻蚀停止层；
在本步骤中，硅通孔可以用干法刻蚀的方法直接形成，另外硅通孔也可以采用先 干法刻蚀形成直到导电沟道下方的二氧化硅层的硅通孔，再用干法或湿法刻蚀去掉导电沟 道下方的二氧化硅层的方法形成；在这里，硅通孔91的深度在50微米以内，最好少于30微 米，硅通孔91的直径范围是1微米到50微米之间，最佳取值为1微米到10微米。小的硅 通孔尺寸不仅有利于金属的填充，而且可以节约电极区面积，增加有源区的晶体管数量。虽 然硅通孔形状一般为圆形，但也可以是各种形状，例如三角形、四边形或多边形；硅通孔 的尺寸可以大于、小于或等于电极40下方尺寸的大小；
步骤306、在硅通孔91及晶圆10另一面IOb沉积绝缘薄膜100 ；
在本步骤中，绝缘薄膜沉积采用化学气相沉积方法沉积二氧化硅绝缘材料；
步骤307、刻蚀掉导电沟道下方的绝缘薄膜，得到图4h所示的结构；
在本步骤中，首先在硅通孔和晶圆另一面的绝缘薄膜表面涂抹一层光刻胶，然后 按照需要的掩模板图案进行曝光和显影使光刻胶图案化，对位于电极下方没有被光刻胶图 案覆盖的绝缘薄膜表面进行刻蚀，最后清洗残留在硅通孔和晶圆另一面的二氧化硅绝缘薄 膜表面的光刻胶；
步骤308、金属填充硅通孔91和制作焊球120，得到图4i所示的结构；
步骤309、晶圆划片。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护 范围之内。
权利要求
1.一种图像传感器的互连封装方法，包括在晶圆器件面用于制作封装连线的区域制 作导电沟道；在所述晶圆器件面用于制作器件的区域制作图像传感器，并在用于制作封装 连线的区域制作用于电连接导电沟道和图像传感器的连接结构；在晶圆另一面进行刻蚀， 形成硅通孔，所述硅通孔与导电沟道导通；在硅通孔内壁沉积绝缘薄膜；在绝缘薄膜沉积后，刻蚀掉导电沟道下方的绝缘薄膜；在硅通孔中填入金属。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述制作导电沟道的过程为在有源区隔离阶段，在晶圆器件面用于制作封装连线的区域增加沟道区，在沉积二氧 化硅作为绝缘介质后，沟道区的二氧化硅进行光刻和部分刻蚀，然后在沟道区内沉积导电 材料作为导电介质，最后对导电沟道进行化学机械研磨，去除多余的表面导电材料和二氧 化硅绝缘介质。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在用于制作封装连线的区域制作用于 电连接导电沟道和图像传感器的连接结构的过程为在导电沟道上方加入CMOS图像传感器件的导电栓塞排列、金属层和电极的过程为在导电沟道上方加入COMS图像传感器的导电栓塞排列形成电接触，再制作COMS图像 传感器的金属层与导电栓塞电连通，直到导电沟道与晶圆器件面的电极形成电连通。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述对沟道的二氧化硅进行刻蚀时，深度不 超过沟道的深度。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述在沟道内沉积导电材料为导电金属或掺杂多晶硅。
6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述二氧化硅和导电材料的沉积用化学气 相沉积方法进行。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在晶圆另一面进行刻蚀，是用干法刻蚀 实现。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在晶圆另一面进行刻蚀，是直到刻蚀掉 导电沟道下方的二氧化硅露出导电沟道。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述形成硅通孔，深度小于50微米。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述形成硅通孔，直径范围是1微米到50 微米之间。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在硅通孔中填入金属，还包括在金属 表面加焊球。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在硅通孔内壁沉积绝缘薄膜，是用化学气 相沉积方法沉积二氧化硅实现。
全文摘要
本发明公开了一种CMOS图像传感器的互连封装方法，该方法包括先在晶圆器件面用于制作封装连线的区域制作导电沟道，然后在晶圆器件面用于制作器件的区域制作图像传感器，并在用于制作封装连线的区域制作用于电连接导电沟道和图像传感器的连接结构，最后在晶圆另一面进行刻蚀，形成与导电沟道导通的硅通孔。该方法还包括在沟道中填充掺杂多晶硅或金属，使导电沟道与CMOS图像传感器的导电栓塞排列形成电接触，并与CMOS图像传感器的金属层和电极形成互连。本发明提供的方法改进了硅通孔法，使刻蚀更容易进行，减小了硅通孔的深宽比，使硅通孔绝缘层和导电金属的填充更加容易，提高了产品成品率。
文档编号H01L21/822GK102034756SQ200910196809
公开日2011年4月27日 申请日期2009年9月29日 优先权日2009年9月29日
发明者刘钊, 朱虹, 杨承, 高关且 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司