CN111384077B - 一种半导体传感器封装及其形成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种半导体传感器封装及其形成方法，该方法包括以下步骤：一半导体衬底包括多个呈矩阵排列的光电二极管阵列，在所述光电二极管阵列中的每个光电二极管的周围区域形成第一沟槽，并在每个所述光电二极管的正对区域形成第二沟槽，在所述第一沟槽中形成隔离结构，并在所述第二沟槽中填充柔性材料，接着在所述半导体衬底的第二表面上形成减反射层，接着形成光刻胶层，并在对应所述隔离结构的区域形成第三沟槽，进一步刻蚀所述隔离结构以形成与所述第三沟槽贯通的第四沟槽，接着在所述第三沟槽和所述第四沟槽中填充金属材料以形成光隔离结构，接着在所述光隔离结构所围绕的区域中形成滤色器单元，在所述滤色器单元上形成微透镜。
Description
技术领域
本发明涉及半导体封装技术领域，特别是涉及一种半导体传感器封装及其形成方法。
背景技术
感光器件是工业摄像机最为核心的部件，图像传感器有CMOS和CCD两种，与CCD相比，CMOS具有体积小，耗电量不到CCD的1/10，售价也比CCD便宜1/3的优点。与CCD产品相比，CMOS是标准工艺制程，可利用现有的半导体设备，不需额外的投资设备，且品质可随著半导体技术的提升而进步。同时，全球晶圆厂的CMOS生产线较多，日后量产时也有利于成本的降低。另外，CMOS传感器的最大优势，是它具有高度系统整合的条件。理论上，所有图像传感器所需的功能，例如垂直位移、水平位移暂存器、时序控制、CDS、ADC…等，都可放在集成在一颗晶片上，甚至于所有的晶片包括后端晶片(Back-end Chip)、快闪记忆体(Flash RAM)等也可整合成单晶片(SYSTEM-ON-CHIP)，以达到降低整机生产成本的目的，现有的CMOS图像传感器在使用过程中，暗电流会逐渐变大，进而影响CMOS图像传感器的性能。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种半导体传感器封装及其形成方法。
为实现上述目的，本发明提出的一种半导体传感器封装的形成方法，包括以下步骤：
(1)提供一半导体衬底，所述半导体衬底具有第一表面以及与所述第一表面相对的第二表面，所述半导体衬底包括多个呈矩阵排列的光电二极管阵列，所述光电二极管阵列从所述半导体衬底的第一表面露出。
(2)从所述半导体衬底的第二表面对所述半导体衬底进行刻蚀，以在所述光电二极管阵列中的每个光电二极管的周围区域形成第一沟槽，并在每个所述光电二极管的正对区域形成第二沟槽。
(3)在所述第一沟槽中形成隔离结构，并在所述第二沟槽中填充柔性材料。
(4)接着在所述半导体衬底的第二表面上形成减反射层。
(5)接着在所述减反射层上形成光刻胶层，在所述光刻胶层中对应所述隔离结构的区域形成第三沟槽，进一步刻蚀所述隔离结构以形成与所述第三沟槽贯通的第四沟槽。
(6)接着在所述第三沟槽和所述第四沟槽中填充金属材料以形成光隔离结构，然后去除所述光刻胶层。
(7)接着在所述光隔离结构所围绕的区域中形成滤色器单元。
(8)接着在所述滤色器单元上形成微透镜。
作为优选，通过湿法刻蚀或干法刻蚀形成所述第一沟槽以及所述第二沟槽，所述第一沟槽的深度大于所述第二沟槽的深度。
作为优选，所述隔离结构包括从下到上依次层叠的第一介质层、金属层以及第二介质层，所述柔性材料包括聚酰亚胺、聚酯化合物、环烯烃聚合物、液晶聚合物、橡胶、硅树脂中的一种或多种。
作为优选，所述减反射层包括氮化硅、氧化硅、氮氧化硅中的一种或多种，所述减反射层为单层结构或多层结构。
作为优选，所述金属材料为铜、铝、钨、金、银、铂、钛、钯中的一种或多种。
作为优选，所述滤色器单元为含有染料的有机树脂，所述微透镜的材料为树脂。
本发明还提出一种半导体传感器封装，其采用上述方法制备形成的。
本发明与现有技术相比具有下列优点：
本发明的半导体传感器封装的形成过程中，通过在每个所述光电二极管的正对区域形成第二沟槽，并在所述第二沟槽中填充柔性材料，该柔性材料的存在，当滤色器单元在使用过程中因为温度升高而发生膨胀时，该柔性材料可以发生相应的形变，进而不会对半导体衬底产生压应力，进而不会造成图像传感器的暗电流变大，进而不会影响图像传感器的性能。
此外，在本发明中，通过同一图案化掩膜进行刻蚀，以在所述光电二极管阵列中的每个光电二极管的周围区域形成第一沟槽，并在每个所述光电二极管的正对区域形成第二沟槽，节约了制备工序，降低了制造难度，提高了生产效率。
附图说明
图1-图7为本发明实施例中半导体传感器封装的形成过程的结构示意图。
具体实施方式
本发明提出的一种半导体传感器封装的形成方法，包括以下步骤：
(1)提供一半导体衬底，所述半导体衬底具有第一表面以及与所述第一表面相对的第二表面，所述半导体衬底包括多个呈矩阵排列的光电二极管阵列，所述光电二极管阵列从所述半导体衬底的第一表面露出。
(2)从所述半导体衬底的第二表面对所述半导体衬底进行刻蚀，以在所述光电二极管阵列中的每个光电二极管的周围区域形成第一沟槽，并在每个所述光电二极管的正对区域形成第二沟槽。
(3)在所述第一沟槽中形成隔离结构，并在所述第二沟槽中填充柔性材料。
(4)接着在所述半导体衬底的第二表面上形成减反射层。
(5)接着在所述减反射层上形成光刻胶层，在所述光刻胶层中对应所述隔离结构的区域形成第三沟槽，进一步刻蚀所述隔离结构以形成与所述第三沟槽贯通的第四沟槽。
(6)接着在所述第三沟槽和所述第四沟槽中填充金属材料以形成光隔离结构，然后去除所述光刻胶层。
(7)接着在所述光隔离结构所围绕的区域中形成滤色器单元。
(8)接着在所述滤色器单元上形成微透镜。
作为优选，通过湿法刻蚀或干法刻蚀形成所述第一沟槽以及所述第二沟槽，所述第一沟槽的深度大于所述第二沟槽的深度。
作为优选，所述隔离结构包括从下到上依次层叠的第一介质层、金属层以及第二介质层，所述柔性材料包括聚酰亚胺、聚酯化合物、环烯烃聚合物、液晶聚合物、橡胶、硅树脂中的一种或多种。
作为优选，所述减反射层包括氮化硅、氧化硅、氮氧化硅中的一种或多种，所述减反射层为单层结构或多层结构。
作为优选，所述金属材料为铜、铝、钨、金、银、铂、钛、钯中的一种或多种。
作为优选，所述滤色器单元为含有染料的有机树脂，所述微透镜的材料为树脂。
本发明还提出一种半导体传感器封装，其采用上述方法制备形成的。
下面结合图1-图7的半导体传感器封装的形成过程的结构示意图进行详细的说明。
请参考图1，提供一半导体衬底100，所述半导体衬底100具有第一表面以及与所述第一表面相对的第二表面，所述半导体衬底100包括多个呈矩阵排列的光电二极管阵列101，所述光电二极管阵列101从所述半导体衬底的第一表面露出。
在具体的制备过程中，首先提供一半导体衬底100，在所述半导体衬底上定义出光电二极管阵列区域以及周边区域，接着在所述半导体衬底100上形成图案化的光致抗刻蚀层，再以光致抗刻蚀层为掩膜，进行离子注入工艺或热扩散工艺，将掺杂离子注入到所述半导体衬底中，以形成光电二极管阵列101，之后，再将光致抗刻蚀层去除。所述半导体衬底100的厚度为300-500微米，优选的所述半导体衬底100的厚度为350-450微米，所述半导体衬底100具体可以为单晶硅衬底、多晶硅衬底、单晶锗衬底、多晶锗衬底，此外，所述半导体衬底100还可以是锗化硅衬底、碳化硅衬底、砷化镓衬底或氮化镓等适合应用于图像传感器的材料，所述半导体衬底100还可以为绝缘体上硅衬底、绝缘体上锗衬底或者是具有外延功能层的绝缘衬底，其中，所述绝缘层为玻璃衬底或陶瓷衬底。
还包括在所述半导体衬底100的第一表面上形成至少一电介质层，所述电介质层的材料为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氧化铝中的一种或多种，通过PECVD法或热氧化法或ALD法形成所述电介质层，接下来进行至少一金属内连线工艺，所述金属内连线工艺通过所述电介质层的开口与所述光电二极管阵列101电连接。所述金属内连线包括多个金属层，以及位于所述多个金属层中的导电通孔。所述金属内连线的材料是铜、铝、钛、钯、银、钽、金、镍、钴中的一种或多种，所述金属内连线的形成工艺为蒸镀、磁控溅射、电镀或化学镀中的一种。
请参考图2，从所述半导体衬底100的第二表面对所述半导体衬底进行刻蚀，以在所述光电二极管阵101中的每个光电二极管的周围区域形成第一沟槽110，并在每个所述光电二极管的正对区域形成第二沟槽120，通过湿法刻蚀或干法刻蚀形成所述第一沟槽110以及所述第二沟槽120，所述第一沟槽110的深度大于所述第二沟槽120的深度，优选的，所述第一沟槽110的深度为250-450微米，所述第二沟槽120的深度为150-350微米。在具体的实施利用，在所述半导体衬底100的第二表面上形成光刻胶层，通过曝光显影工艺，在所述光刻胶层中形成对应所述光电二极管阵101中的每个光电二极管的周围区域的第一开口，在所述光刻胶层中形成每个所述光电二极管的正对区域的第二开口，接着通过激光烧蚀工艺或化学刻蚀溶液刻蚀所述半导体衬底，以在所述光电二极管阵101中的每个光电二极管的周围区域形成第一沟槽110，并在每个所述光电二极管的正对区域形成第二沟槽120，当刻蚀的第二沟槽的深度达到目标深度时，在所述第二沟槽所对应的区域中形成光刻胶掩膜，进一步刻蚀所述第一沟槽110，使得所述第一沟槽110达到合适的深度。
请参考图3，在所述第一沟槽110中形成隔离结构200，并在所述第二沟槽120中填充柔性材料300，在具体的实施例中，所述隔离结构200包括从下到上依次层叠的第一介质层、金属层以及第二介质层，所述第一介质层和第二介质层的材质为氮化硅、氧化硅、氮氧化硅、氧化铝中的一种或多种，所述第一介质层和所述第二介质层通过等离子体增强化学气相沉积工艺或原子层沉积工艺形成，所述金属层的材质是铜、铝、银、镍、钛、钯中的一种或多种，并通过蒸镀或磁控溅射工艺形成所述金属层，所述金属层的存在可以起到屏蔽作用，接着通过旋涂、喷涂、狭缝涂布等工艺在所述所述半导体衬底100的第二表面形成柔性材料层，进而使得部分柔性材料填充满所述第二沟槽120，然后通过CMP或平坦化工艺处理所述半导体衬底，以使得仅在所述第二沟槽中具有柔性材料，所述柔性材料包括聚酰亚胺、聚酯化合物、环烯烃聚合物、液晶聚合物、橡胶、硅树脂中的一种或多种。
请参考图4，接着在所述半导体衬底100的第二表面上形成减反射层400，所述减反射层400包括氮化硅、氧化硅、氮氧化硅中的一种或多种，所述减反射层400为单层结构或多层结构，通过PECVD法或热氧化法沉积形成。通过设置减反射层，有效减少光反射，进而提高光电二极管阵101的灵敏度。
请参考图5，接着在所述减反射层400上形成光刻胶层500，在所述光刻胶层500中对应所述隔离结构200的区域形成第三沟槽501，以暴露所述隔离结构200，进一步刻蚀所述隔离结构200以形成与所述第三沟槽501贯通的第四沟槽502，通过湿法刻蚀或干法刻蚀形成所述第三沟槽501和所述第四沟槽502。
请参考图6，接着在所述第三沟槽501和所述第四沟槽502中填充金属材料以形成光隔离结构600，然后去除所述光刻胶层500，所述金属材料为铜、铝、钨、金、银、铂、钛、钯中的一种或多种，所述光隔离结构600的沉积方式是热蒸镀、电子束蒸发或磁控溅射。
请参考图7，接着在所述光隔离结构600所围绕的区域中形成滤色器单元700。具体的，通过旋涂滤色层的材料以形成滤色器单元700，所述滤色器单元700为含有染料的树脂材料，具体为含有染料的光刻胶材料，接着在所述滤色器单元700上形成微透镜800，所述微透镜的材料为树脂，具体为先旋涂树脂材料，进而通过模压工艺以形成所述微透镜800。
本发明还提出一种半导体传感器封装，其采用上述方法制备形成的。
本发明的半导体传感器封装的形成过程中，通过在每个所述光电二极管的正对区域形成第二沟槽，并在所述第二沟槽中填充柔性材料，该柔性材料的存在，当滤色器单元在使用过程中因为温度升高而发生膨胀时，该柔性材料可以发生相应的形变，进而不会对半导体衬底产生压应力，进而不会造成图像传感器的暗电流变大，进而不会影响图像传感器的性能。
此外，在本发明中，通过同一图案化掩膜进行刻蚀，以在所述光电二极管阵列中的每个光电二极管的周围区域形成第一沟槽，并在每个所述光电二极管的正对区域形成第二沟槽，节约了制备工序，降低了制造难度，提高了生产效率。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种半导体传感器封装的形成方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)提供一半导体衬底，所述半导体衬底具有第一表面以及与所述第一表面相对的第二表面，所述半导体衬底包括多个呈矩阵排列的光电二极管阵列，所述光电二极管阵列从所述半导体衬底的第一表面露出；
(2)从所述半导体衬底的第二表面对所述半导体衬底进行刻蚀，以在所述光电二极管阵列中的每个光电二极管的周围区域形成第一沟槽，并在每个所述光电二极管的正对区域形成第二沟槽；
(3)在所述第一沟槽中形成隔离结构，并在所述第二沟槽中填充柔性材料；
(4)接着在所述半导体衬底的第二表面上形成减反射层；
(5)接着在所述减反射层上形成光刻胶层，在所述光刻胶层中对应所述隔离结构的区域形成第三沟槽，进一步刻蚀所述隔离结构以形成与所述第三沟槽贯通的第四沟槽；
(6)接着在所述第三沟槽和所述第四沟槽中填充金属材料以形成光隔离结构，然后去除所述光刻胶层；
(7)接着在所述光隔离结构所围绕的区域中形成滤色器单元；
(8)接着在所述滤色器单元上形成微透镜；
其中，通过湿法刻蚀或干法刻蚀形成所述第一沟槽以及所述第二沟槽，所述第一沟槽的深度大于所述第二沟槽的深度，所述第一沟槽的深度为250-450微米，所述第二沟槽的深度为150-350微米；
其中，所述柔性材料包括聚酰亚胺、聚酯化合物、环烯烃聚合物、液晶聚合物、橡胶、硅树脂中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的半导体传感器封装的形成方法，其特征在于：所述隔离结构包括从下到上依次层叠的第一介质层、金属层以及第二介质层。
3.根据权利要求1所述的半导体传感器封装的形成方法，其特征在于：所述减反射层包括氮化硅、氧化硅、氮氧化硅中的一种或多种，所述减反射层为单层结构或多层结构。
4.根据权利要求1所述的半导体传感器封装的形成方法，其特征在于：所述金属材料为铜、铝、钨、金、银、铂、钛、钯中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的半导体传感器封装的形成方法，其特征在于：所述滤色器单元为含有染料的有机树脂，所述微透镜的材料为树脂。
6.一种半导体传感器封装，其特征在于，采用权利要求1-5任一项所述的方法制备形成的。
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