TWI323035B - Backside illuminated image sensor - Google Patents

Description

1323035 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種背照式影像感測元件’更特別關 於可進行晶圓級測試之元件結構及其形成方法。 【先前技術】

一般的影像偵測元件之格狀像素具有光敏二極體或 光電二極體、重置電晶體（reset transistor)、源極隨搞極電 晶體（source follower transistor)、針札層（pinned layer)光 電二極體、及/或轉換電晶體（transfer transistor)以記錄光 之強度或亮度。像素累積光電效應產生之電荷，光子數 越多，電荷量越大。電荷經電路處理後可產生不同強度 的顏色，上述現象可應用於多種用途如數位相機。常見 格狀像素種類包括電荷耦合元件（CCD)及互補式金氧半 (CMOS)影像感測元件。 ί知、式影像感測元件中’入射光係照射基板之背 Φ 面。像素位於基板正面，且基板厚度需薄到使來自基板 背面入射之光線可到達像素。與前照式（fr〇nt_side illuminated)影像感測元件相較’背照式影像感測元件具 有高填充因子（fill factor)且可減少破壞性干涉。 背照式影像感測元件的問題在於，為了使足夠的光 線穿過基板’必需薄化基板。為達到薄化基板的目的， 通常將基板正面貼附至附加元件如承載晶圓，即在晶圓 正面之金屬線與其他後端層上貼附附加元件。承載晶圓 0503-A32157TWF/hsuhuche 5 1323035 一般可為半導體材料（如砍）或透光材料（如玻璃）’其厚度 大於200 /xm。然而承載晶圓的存在會阻擋感測元件之銲 墊。多種測試如晶圓允收測試、探針測試及設計表現測 試均無法進行。探針測試可測量元件表現或製程參數如 電晶體表現、線路、及線寬以確認是否符合規格。設計 表現測試可測試晶片功能以確認是否符合設計規格。 目前亟需一種背照式影像偵測元件及其形成方法， 其不需穿過厚承載晶圓即可進行晶圓級測試。

【發明内容】 本發明提供一種背照式影像感測元件，包括基板； 第一銲墊，位於基板之正面上；第二銲墊，位於可從基 * ^ 板背面接觸之位置；以及電性連接，用以連接第一銲墊 與第二銲墊並形成金屬延伸銲墊。 本發明亦提供一種背照式影像感測元件之形成方 法，包括提供第一銲墊組於背照式影像感測元件中，且 Φ 位於基板之正面；相對於基板，提供至少一第二銲墊於 第一銲墊組之正下方；電性連接第二銲墊與第一銲墊 組；以及使第二銲墊從基板之背面露出。 本發明更提供一種背照式影像感測元件封裝，包括 背照式感測元件，具有上表面與下表面，下表面包括承 載結構，上表面包括複數個露出之延伸銲墊；封裝體， 包括凹處及複數個外部連接器，凹處包括支撐部份接合 並固定背照式感測元件之下表面；以及複數個導體，連 0503-A32157TWF/hsuhuche 6 1323035 接露出之延伸銲塾與外部連接器。 【實施方式】 為方便起見，在下列說明中，不同實施例可能使用 相同符號標明類似元件。但並不代表相同標號之元件在 不同實施例間具有相同的對應關係。 在第1圖中，影像感測元件50具有複數個像素1〇〇。 在一實施例中，每一像素1〇〇具有光電二極體、重置電 • 晶體、源極隨耦極電晶體、以及選擇電晶體。此即俗稱 之三電晶體COMS影像感測元件（3TCIS)。在3TCIS中， 每一像素可具有一光電二極體於三電晶體上。在另一實 . 施例中，每一像素100具有針扎層光電二極體、重置電 r 晶體、源極隨耦極電晶體、選擇電晶體、以及轉換電晶 體。此即俗稱之四電晶體COMS影像感測元件（4T CIS)。 在4T CIS中’每一像素可具有一針扎層光電二極體於四 電晶體上。除了上述種類，影像感測元件50可為其他種 • 類如CCD、CMOS CIS、主動像素感測元件（active-pixel sensor，APS)或被動像素感測元件（passive-pixel sensor)。 為提供像素之操作環境及進一步支援外部通訊，在格狀 像素100附近通常可增設附加電路及輸入/輸出電路。 在第2圖之實施例中，影像感測元# 50具有基板 110，包括元素如矽、鍺、或鑽石碳。基板110亦可為含 有矽及氧化矽之絕緣層上矽（SOI)、磊晶層、或上述之組 合。在其他實施例中，基板11 〇可為化合物如碳化石夕、 0503-A32157TWF/hsuhuche 7 1323035 砷化鎵、砷化銦、或磷化銦。基板lio亦可為合金如矽 化鍺、碳矽化鍺、磷砷化鍺、或磷化銦鎵。 在本實施例中’基板110為氧化石夕基底上之p型石夕。 掺雜矽之方法可為離子佈植或擴散等製程。基板no上 亦具有橫向絕緣結構以分隔基板上的不同元件。基板110 之厚度可由蝕刻基板背面薄化。薄化基板厚度的方法包 括背面研磨、鑽石研磨、化學機械研磨（CMP)、濕式或乾 式蝕刻、或其他類似技術。

»

影像感測元件50具有複數個像素形成於半導體基板 110正面之表面上。在較佳實施例中，像素100分為100R 及100G分別對應紅光及綠光。像素100可更包括對應其 他顏色如藍光之像素。影像感測元件50可更包括其他層 如第一、第二、及第三金屬層120、122、及123，以及 金屬層與金屬層或其他層之間的層間介電層（IMD) 124。 上述之第一、第二、及第二金屬層120、122、123可為 鋁為主材料，或以鑲嵌製程形成之銅為主材料。一般的 金屬層為三層金屬内連線，但在系統晶片 (System-On-Chip，S〇C)的應用上可為四層金屬内連線， 甚至是六層金屬内連線。層間介電層124可為電漿增強 式化學氣相沉積(PECVD)形成之低介電常數(i〇w_k)材 料。在這裏low-k指的是比氧化石夕之介電常數(4 2)低。此 外，層間介電I m可為捧雜碳之氧切、接雜氣之氧 化矽、氧化矽、氮化矽、及或有機1〇心材料。在s〇c 的應用上’層間介電層124之介電常數需低於。 0503-A32157TWF/hsuhuche 8 附加電路之功能可用來決定何種像素100應該作用 以處理感測光之種類。在一些實施例中，影像感測元件 5〇為SoC之一部份。可以理解的是，此實施例之光為紅 光、藍光、及綠光’而影像感測元件50為光電二極體。 此外為圖示方便，第2圖只包括第一、第二、及第三金 屬層120、122、124 ’但在不違反本發明精神的原則下， • 影像感測元件可具有其他金屬層。 影像感測元件50係用以感測矽基板11〇其背面表面 •照射之光150。為了使光感測區域最大，光徑上不會有任 何阻礙物如閘極或金屬線。光150並不限定於可見光， 亦包括紅外線(IR)、紫外線(UV)、或其他射線。 • 衫像感測元件50之彩色渡光片層16〇具有多種顏色 - 之遽光片如紅藍綠色’可位於入射光之光徑使入射光照 射其上並穿越之。在一實施例中，彩色濾光片可由高分 子材料（正光阻或負光阻）或樹脂形成。若採用負光阻，較 佳為含有顏料之聚丙烯酸高分子。此實施例之彩色濾光 •片160R及160G分別對應像素i〇〇R及i〇〇G。 影像感測元件50具有複數個鏡片170如微鏡片，以 多種排列方式對應畫素1〇〇及彩色濾光片層16〇設置。 上述之鏡片170使背照之光15〇可聚焦於感光區域。 在製造晶圓的過程或後段製程中，將提供一支撐結 構至晶圓上之影像感測元件50。在本實施例中，影像感 測元件50之最上層將接合至承載晶圓14〇。可以理解的 是，承載晶圓140可為介電層、保護層、聚亞醯胺 0503-A32157TWF/hsuhuche 9 1323035 (polyimide)、或其他合適材料。承載晶圓140之厚度需大 於200 /mi，以提供額外支撐力至薄化之基板110上的影 像感測元件50。然而承載晶圓140之厚度過厚，使晶圓 級測試如探針測試、設計表現測試無法進行。因探針無 法穿過承載晶圓140接觸下述銲墊如測試銲墊。 接下來在第3圖中，具有第一銲墊組210之感測晶 片50a可依照本發明之實施例作各種變化或改良。第一 銲墊組210之金屬層120、122、及123各自具有金屬墊 • 240、250、230，以及電性連接金屬墊之插塞280。可理 解的是金屬層並不限定於圖示之三層。延伸銲墊210係 由金屬墊230、240、或250延伸（第3圖中係金屬墊230) . 至感測晶片50a之邊界251以外之切割線區域。. ’ 延伸銲墊200除了第一銲墊組210外，更包括部份 或全部之第二銲墊組220位於感測晶片50a其邊界251 外的切割線區域（虛線區域）。如圖所示，第二銲墊組220 之金屬層120、122、及123，各自具有金屬墊260、270 Φ 及230。在此實施例中，第二銲墊組220位於晶圓基板上 之兩相鄰感測晶片50a之間的切割線區域。 由於第二銲墊組220位於切割線區域内，穿過基板 110不會損傷或影響感測晶片50a。此外若第二銲墊組220 用於組裝，其可位於感測晶片50a之周邊而非切割線區 域。可利用習知製程形成開口 300於基板110上。舉例 來說，可形成圖案化之光阻層於基板110之背面，接著 以蝕刻製程形成開口 300。除此之外，開口 300亦可由化 0503-A32157TWF/hsuhuche 10 1323035 學及/或機械製程完成。相較於較厚之承載晶圓140，較 薄之基板110可輕易形成開口 300。開口 300之位置與第 二銲墊組220重疊，因此第一金屬層120之金屬墊260 可由探針302探測。探測金屬墊260即可完成同時測試 延伸銲墊200及感測晶圓50a。 第4A圖係另一實施例，圖中感測晶片50b具有一金 屬延伸400。金屬延伸400具有類似第3圖之第一鲜塾組 210，其金屬層120、122、及123各自具有金屬墊240、 ^ 250及230，以及金屬墊間之插塞280。 金屬延伸400與第3圖之延伸銲墊200之差異在於 更包括另一金屬墊460位於基板110背面之表面上或表 . 面附近，且具有複數個插塞470於金屬墊240與460之 ' 間。金屬墊460可為電源墊或接地墊。為提供足夠之機 械強度，金屬墊460之厚度或面積需大於第一銲墊組 210，較佳為第一銲墊組210之1.5倍。在此實施例中， 插塞470電性連接金屬墊240及460,並穿過兩者間的多 Φ 層結構如層間介電層124及基板110。由於金屬墊460位 於金屬墊240上，因此藉由探針480可偵測金屬層120 上之金屬墊240。經由金屬墊460，探針480不需穿過承 載晶圓140即可完成上述偵測。綜上所述，本發明可完 成晶圓級測試。值得注意的是，雖然圖示中只有單一金 屬墊460於基板上，但在不違反本發明精神的前提下可 包含更多金屬墊於基板上或基板下。 第4B圖中係本發明另一實施例，感測晶片50c金屬 0503-A32157TWF/hsuhuche 11 1323035

延伸棚具有與第3圖類似之第-銲塾組21〇,其金屬層 120、122、及123各自具有金屬塾240、250、及230, 金屬塾之間為複數個插塞⑽。探針480穿過基板110之 開口 482,由背面探測金屬㈣〇。在此實施例中，形成 開口 482之方法為飯刻石夕基板11〇與層間介電層】24。層 間介電層12何為掺雜之氧化石夕或1〇^介電材料。開口 482之寬度較佳介於3〇 _至鹰_。在此實施例中， 金屬阻障層490為開口 482表面之概墊層，位於金屬塾 240之背面上。接著形成導體層492於金屬阻障層上。 第5圖係第3圖之實施例之俯視圖，顯示晶圓5〇〇 上之背照式影像制晶片5Ga。在第5 w中，感測晶片 5如中每一延伸銲墊2〇〇均具有第一銲墊組21〇與第二銲 塾組220。在此實施财，第一鮮塾组21〇位於感測晶片 5〇a之周邊區域。如前述之第一銲墊組21〇，其經由金屬 延伸230與第二銲墊組22〇電性連接。第二銲墊組 位於切割線區域510。切割線區域51〇位於感測晶片5以 以外之區域，用以定義晶圓5〇〇使其切割成個獨立的晶 粒或晶片50a。在此實施例中，切割線區域51〇其面積已 擴大，因此在將晶圓切割成晶粒前可先利用探針偵測第 二銲墊組220。藉由探測切割線區域51〇之第二銲墊組 220 ’可輕易探測輕合至背面金屬層24〇之銲塾。 在另一實施例中，一個感測晶片50a的多組銲塾中， 只有一組銲墊包含延伸銲墊200。此外，第一銲塾組21〇 不必然位於感測晶片50a之周邊，且第二銲塾組22〇亦 0503-A32157TWF/hsuhuche 12 1323035 不必然位於切割線區域。舉例來說，第二銲墊組220可 位於晶片50a之其他區域，只要確定第二銲墊組220之 位置能進行晶圓級探測即可。 第6圖係第4A-B圖之實施例的俯視圖，顯示晶圓 500上之背照式影像感測晶片50b。在第6圖中，感測晶 片50b具有第一銲墊組210及第二銲墊460。與第5圖之 感測晶片50a不同，由於第二銲墊460直接位於第一銲 墊組210上，因此其位於感測晶片50b而非切割線區域 • 510。藉由探測第二銲墊460，可探測經插塞470耦合之 第一銲墊組210，不需穿過承載晶圓140。綜上所述，此 實施例可完成晶圓級測試。 . 在第7圖中，感測晶片可自晶圓移至封裝體700。封 ， 裝體700含有座架710、透明薄膜720如玻璃、外部連接 器730如一組針腳/凸塊/球腳。外部連接器730電性連接 至上述之延伸銲墊。在實施例中，接合打線740經由凸 塊770連接至第3圖之感測晶片50a的第二銲墊組220， • 如同連接至第4圖之感測晶片50b之第二銲墊460。 至此已完成一典型的背照式感測元件。在一實施例 中，感測元件含有基板、第一銲塾組、第二鲜墊組、以 及連接第一銲墊組與第二銲墊組之電性連接。第一銲墊 組位於基板正面，而第二銲墊組位於可從該基板背面接 觸之位置。 在一些實施例中，第一銲墊組位於背照式感測元件 之周邊，而第二銲墊組位於切割線區域，且切割線區域 0503-A32157TWF/hsuhuche 13 1323035 鄰接背照式影像感測元件。 在一些實施例中，第二銲墊組位於基板背面。 本發明亦提供形成金屬延伸於背照式影像感測元件 之方法。在一實施例中，此方法包括提供基板，以及提 供第一銲墊組與第二銲墊組於基板正面。此方法更包括 提供一金屬延伸以電性連接第一銲墊組與第二銲墊組， 並使第二銲墊組之一銲墊自基板背面露出以利後續探測 工作。

在另一實施例中，形成金屬延伸於背照式影像感測 元件之方法包括提供第一銲墊組於基板正面；接著相對 於基板，提供第二銲墊於第一銲墊組之正下方。此方法 更包括電性連接至少一第一銲墊至第二銲墊，並將第二 銲墊自基板背面露出。 雖然本發明已以數個較佳實施例揭露如上，然其並 非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識 者，在不脫離本發明之精神和範圍内，當可作任意之更 動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利 範圍所界定者為準。 0503-A32157TWF/hsuhuche 14 1323035 【圖式簡單說明】 第1圖係本發明中，具有格狀像素之感測元件示意 圖； 第2圖係本發明中背照式感測元件一實施例之剖面 圖，其中背照式影像感測元件貼附至承載晶圓； 第3、4A、及4B圖係本發明中背照式感測元件其他 實施例之剖視圖，其中第一銲墊與第二銲墊具有不同相 對位置；

第5及6圖係本發明中背照式感測元件其他實施例 之俯視圖，分別對應第3及苐4A-B圖， 第7圖係本發明一組裝後之背照式感測元件的剖視

主要元件符號說明】 50a、5Ob〜感測晶片， 120~第一金屬層； 123〜第三金屬層； 140〜承載晶圓； 160〜彩色濾光片層； > 200〜延伸銲墊； 220〜第二銲墊組； 270〜金屬墊； 50〜影像感測元件； 100、100R、100G〜像素；

110〜基板； 122〜第二金屬層； 124〜層間介電層； 15 0〜光； 160R、160G〜彩色濾光片 170〜鏡片； 210〜第一銲墊組； 230 、 240 ' 250 ' 260 、 0503-A32157TWF/hsuhuche 15 1323035 251〜感測晶片50a之邊界；

280、470〜插塞； 302、480〜探針； 460〜第二銲墊； 492〜導體層； 510〜切割線區域， 710〜座架； 730〜外部連接器； 770〜凸塊。 300、482〜開口； 400〜金屬延伸； 490〜金屬阻障層； 5 00〜晶圓， 700〜封裝體； 720〜透明薄膜； 740〜接合打線；

0503-A32157TWF/hsuhuche 16

Claims (1)

1323035 第95M3340號申請專利範圍修正本. 十、申請專利範圍： 1.種旁知'式影像感測元件，包括： 一基板； 一第一銲墊，位於該基板之正面上； 第一知墊，位於可從該基板背面接觸之位置；以 電11連接，用卩連接該第一銲塾與該第二銲整並 形成一金屬延伸銲墊，· 其令該第-銲塾位於該背照式影像感測元件周邊， ”墊位於一切割線區域’且該切割線區域鄰接該 为照式影像感測元件； 二中°亥第一銲墊係係一第一銲墊組之-部份，該第 ^塾組具有複數個金屬層；其中該電性連接係由-金 屬線連接該第-銲塾財至少—金屬層至該第二鲜塾。 件 t申Μ專利祀圍第1項所述之背照式影像感測元 ’、該第二銲墊位於該基板背面上。 件 3甘利*圍第2項所述之背照式影像感測元 〃中該電性連接係至少一插塞。 件 4承如申請專利範圍第2項所述之背照式影像感測元 匕括一開口穿過該基板以從該第二銲墊之背面探 測該第二銲塾。 5甘如申請專利範圍第4項所述之背照式影像感測元 件’其中該開口之寬度約介於3〇 _至· _之間。 如申。月專利範圍第4項所述之背照式影像感測元 0503-A32157TWFl/hsuhuch( 17 1323035 第95143340號申請專利範圍修正本 修正曰期：98.8.13 件，更包括一金屬阻障層覆蓋該第二銲墊之背面。 0503-A32157TWFl/hsuhuche 18