[发明专利]改进的背面照明图像传感器架构及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及CMOS图像传感器，更特别地涉及背面照明图像传感器和封装配置。

背景技术

半导体器件的趋势是封装在更小封装（其在提供离芯片信令连接性的同时保护芯片）中的更小的集成电路（IC）器件（也称为芯片）。一个示例是图像传感器，其是包括将入射光变换成电信号（其以良好的空间分辨率准确地反映入射光的强度和色彩信息）的光电检测器的IC器件。图像传感器可以是正面照明（FSI）或背面照明的（BSI）。

常规正面照明（FSI）图像传感器具有在硅芯片的表面处形成的光电检测器，被成像的光在该表面处入射。用于光电检测器的支持电路在光电检测器上形成，其中，孔口（即光管）允许光通过电路层到达光电检测器。滤色器和微透镜被设置在包含光电检测器的表面上。FSI图像传感器存在的缺点是电路层限制孔口的尺寸，用于每个像素的入射光必须通过该孔口传播。随着像素尺寸由于对更高数目的像素和更小芯片尺寸的需求而缩小，像素面积与总传感器面积的比减小。这降低了传感器的量子效率（QE）。

常规背面照明（BSI）图像传感器类似于FSI图像传感器，不同的是光电检测器通过芯片的背表面接收光（即，光进入芯片的背表面，并穿过硅衬底直至其到达光电检测器）。滤色器和微透镜被安装到芯片的背表面。用此配置，入射光避免电路层。然而，BSI图像传感器存在的缺点包括由硅衬底中的扩散引起的像素串话（即，不存在形成有孔开口以使用于每个像素的传播光分离的电路或其它结构—蓝光尤其易受此扩散现象的影响）和由于较短光程而引起的对较厚微透镜的需要。

BSI图像传感器存在的另一显著问题是通过硅衬底的不同色彩的光的量子效率由于被硅吸收（即衰减）的光的量基于波长而变而改变。这意味着在均匀厚度硅衬底的情况下，朝光电检测器方向前进的红色、绿色和蓝色的吸收量不是相同的。为了均衡衰减，不同的色彩将不得不通过相同厚度的硅。在下表中针对光的三个不同色彩提供了用于硅的吸收系数以及用于均衡衰减的硅的厚度比：

表1

从上可知，作为示例，对于蓝色的1μm、对于绿色的1.65μm和对于红色的5.70μm的硅厚度将提供对于全部三个色彩波长的均匀吸收。吸收的另一度量是“吸收深度”，其是初始强度的约64%（1-1/e）被吸收且约36%（1/e）通过处的衬底的厚度。表格显示对于蓝色的0.625μm、对于绿色的1.03μm和对于红色的3.56μm的硅厚度将提供约64%的均匀吸收，并且使得光的36%通过硅。

可以用诸如红色、绿色和蓝色的三个添加原色的线性组合来在一定范围内表示任何色彩。为了使得传感器阵列能够感测色彩，在传感器阵列上覆盖具有红色、绿色和蓝色滤光器元件的滤色器阵列，使得滤色器阵列的每个滤色器元件与传感器阵列的一个光电检测器对准（即每个光电检测器及其关联滤色器形成被捕捉的图像的像素）。红色滤光器元件阻挡绿光和蓝光，并仅允许红光到达传感器阵列的相应光电检测器，其因此仅输出图像的红色分量。绿色滤光器元件阻挡红光和蓝光，并仅允许绿光到达传感器阵列的相应光电检测器，其因此仅输出图像的绿色分量。蓝色滤光器元件阻挡红光和绿光，并仅允许蓝光到达传感器阵列的相应光电检测器，其因此仅输出图像的蓝色分量。因此，入射在滤色器阵列上的光的三分之二被阻止到达传感器阵列，显著地降低了用于彩色图像的传感器阵列的总体检测灵敏度，从而显著地降低了用于彩色图像的传感器阵列的分辨率。

使用基于半导体的图像传感器来在照相机中捕捉色彩信息的常见方法是采用马赛克，诸如交替红色、绿色和蓝色像素的拜耳图案（Bayer pattern）。到达这些像素的光被由诸如聚酰亚胺的材料制成的相应红光、绿光或蓝光过滤膜过滤。

遗憾的是，随着像素尺寸变小，某些光未被聚焦到光电检测器上，其促使光被损耗且像素响应减少。主射线是通过入射光瞳的中心的射线，并且在入射光瞳的中心附近的光在阵列的中心处进入像素。主射线的角通常被称为主射线角（CRA）。在感测阵列的周界边缘处，像素响应下降至其零度角响应的某个百分比（例如80%）以下（其中，像素垂直于入射光）。在传感器阵列的中心轴附近入射的光与中心轴接近平行地进入像素。然而，距离中心轴更远地入射的光以不平行于中心轴的角度进入像素。结果，在远离阵列中心定位的像素之间可能存在串话。串话在图像传感器中产生噪声。