[发明专利]低成本、高集成度之背照式图像传感器封装

说明书

【技术领域】

本发明涉及半导体基图像传感器，特别涉及背面发光式半导体基图像传感器。

【背景技术】

半导体基图像传感器，如互补金属氧化物半导体（CMOS）图像传感器，通常都用作将可视图像转变为相应电信号的变换器。半导体基图像传感器一般包括光感应元件和信号处理电子器件，一旦捕获到一个图像，信号处理电子器件就处理从光感应元件产生的电子信号，其中光感应元件和信号处理电子器件都制作和集成在一个半导体衬底上。在一个典型的实施中，光感应元件是光电二极管，信号处理电子器件是由CMOS晶体管来实现。有很多种此类型的实施，请参考Gamal A.E.和Eltoukhy H.(2005)的“CMOS image sensors,”IEEE Circuits&Device Magazine,pp.6-20,May/June 2005,以及Bigas M.、Cabrua E.、Forest,J.和Salvi,J.(2006)的“Review of CMOS image sensors,”Microelectronics Journal,pp.433-451,2006,以及Ohta J.(2007)的Smart CMOS Image Sensors and Applications,CRC Press,2007。所有这些都通过引用而结合入本申请。

半导体衬底有一前侧面和一背侧面。前侧面上通常生长有高质量的外延层，在其上再制作电子元件如晶体管和二极管。一般来说，也是在前侧面上制作光感应元件和信号处理电子元件的。在这些光感应元件和信号处理电子元件上，通常还有一层或多层金属化层或金属线，它们由绝缘介质层隔开。

在图像传感器的半导体衬底的前侧接收图像，是前照式（frontside-illuminated(FSI)）图像传感器。在这种图像传感器中，图像是需要经过金属化层的，因此有些光能量会被其中的金属线反射，而导致光感应元件捕获光子的机会减少，从而减低传感器的灵敏度。这个缺点可以通过使用背照式（backside-illuminated(BSI)）图像传感器而避免。在BSI图像传感器中，半导体衬底的背侧面经过专门处理，去除了背侧面上的大量半导体材料，使得光感应元件可以紧靠处理后的背侧面。当图像光到达背侧面时，仅需要穿透少量半导体材料，然后达到光感应元件，因此减少了图像的衰减。在现有技术里，为传统结构的BSI图像传感器去除大量半导体材料，可以通过一种机械研磨过程或一种化学机械平面化（CMP）过程而完成。这两种过程都需要精密机械工具去进行精密机械加工步骤，所以成本高昂。

因此需要有一种新的BSI图像传感器，其不需要机械研磨过程或CMP过程去制作。

【发明内容】

本发明的第一方面是BSI图像传感器，其包括一半导体衬底、在半导体衬底内的多个光感应元件、和一形成在半导体衬底内的空腔。光感应元件以平面方式排列，因此形成一平面排列的光感应元件阵列以接收来自半导体衬底之外的图像光。空腔有一基面在光感应元件之上。空腔的出现允许图像经过空腔基面而到达光感应元件，使得来自半导体衬底之外的图像光行进的距离要小于没有空腔的情况。

优选地，空腔是通过蚀刻半导体衬底而形成的。空腔的侧壁可以是斜的或竖直的。

优选地，图像传感器还包括多个微光学器件在空腔基面上，其中每个微光学器件用于光学地处理一部分图像光，并将这部分图像光在光学处理后传导到一个光感应元件上。最好每个微光学器件都包括微透镜和颜色滤镜。

优选地，图像传感器还包括抗反射膜在空腔上。

半导体衬底有第一衬底表面和第二衬底表面，其中第一衬底表面在第二衬底表面的反面。空腔形成在半导体衬底内，从第一衬底表面延伸到空腔基面。

可选地，图像传感器包括一个或多个从空腔基面延伸到第二衬底表面的第一通孔、和在第一衬底表面和第二衬底表面之间的一个或多个第一电路径，其中每个第一电路径都经过一个第一通孔。因此允许第二衬底表面上的一个或多个第一器件和可与第一衬底表面连接的一个或多个第二器件之间的电子信号通信。

可选地，图像传感器包括一个或多个从第一衬底表面延伸到第二衬底表面的第二通孔、和在第二衬底表面和第一衬底表面之间的一个或多个第二电路径，其中每个第二电路径都经过一个第二通孔。因此允许第二衬底表面上的一个或多个第三器件和可与第一衬底表面连接的一个或多个第四器件之间的电子信号通信。可选地，至少一个第二通孔的横截面是相同的或不是相同的。