CN105097854A - 具有改良光吸收效率的前感光式半导体结构及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

一种具有改善光吸收效率的前感光式半导体结构，其可通过在前感光式半导体结构底层附加一层光反射层来提高光吸收效率；其中，该反射层可在封装过程或半导体工艺中制作。

Description

具有改良光吸收效率的前感光式半导体结构及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种半导体结构，尤其地，涉及一种具有改良光吸收效率的前感光式半导体结构及其制作方法。
背景技术
公知技术中，前感光式半导体结构在吸收光线时，对于没有进入光感测组件的光线，以及第一次进入光感测组件但没有被完全吸收的部分光线，并无法有效再次利用，因此光吸收效率(lightabsorptionefficiency)并不好。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种前感光式半导体结构及其制作方法，其对该前感光式半导体结构的基底层底面进行处理，并在处理过后的基底层底面上形成光反射层。通过该光反射层将第一次没有被光感测组件所吸收的光线，反射回光感测组件，以增加光吸收效率。
本发明提供一种前感光式半导体结构，包含透光层、芯片结构以及反射层。所述透光层具有上表面与下表面，其中所述上表面用于接收入射光线，且该入射光线经过所述透光层后穿出所述下表面而形成出射光线。所述芯片结构包含光感测区以及基底层，其中一部分出射光线依次穿过所述光感测区及所述基底层。所述反射层形成在所述基底层的底面，用于将所述部分出射光线反射回所述光感测区而再次被所述光感测区吸收。
本发明还提供一种前感光式半导体结构，包含基底层、至少一金属线路层以及反射层。所述基底层具有底面及顶面，并包含多个光电二极管。所述至少一金属线路层形成于所述基底层的该顶面上方。所述反射层形成于所述基底层的所述底面，用于反射依次穿过所述至少一金属线路层及所述基底层的光线至所述光电二极管。
本发明还提供一种前感光式半导体结构的制作方法，包含下列步骤：提供影像感测芯片，其中该影像感测芯片包含基底层及多个金属线路层，所述基底层包含光感测区并具有顶面及底面，且所述多个金属线路层位于所述顶面上方；研磨所述影像感测芯片的所述底面至所述基底层介于2微米至30微米间；以及在研磨后的所述底面镀上反射层。
本发明实施例的前感光式半导体结构中，所述反射层例如可在封装过程中利用磨光(grinding)处理所述基底层的底面后镀上反射层而制作，或在半导体工艺中利用化学机械研磨(CMP)处理所述基底层的底面后镀上反射层而制作。
附图说明
图1为本发明一实施例的前感光式半导体结构的剖视图。
图2为图1的前感光式半导体结构的部分放大图。
图3为本发明一实施例的前感光式半导体结构的制作方法的流程图。
具体实施方式
以下说明内容包含本发明的实施方式，以便理解本发明如何应用于实际状况。须注意的是，在以下图式中，与本发明技术无关的部份已被省略，同时为彰显组件之间的关系，附图里各组件之间的比例与真实的组件之间的比例并不一定相同。
图1示出了本发明的一实施例。前感光式半导体结构10具有透光层101、芯片结构12、光感测区102、至少一电路部分103、基底层104以及反射层105；其中，该基底层104具有顶面401及底面402。
所述芯片结构12包含所述光感测区102、所述至少一电路部分103以及所述基底层104。所述光感测区102包含多个光电组件(optoelectronicdevice)用于感测光能量并产生电信号，例如包含呈阵列式排列的多个光电二极管1021(如图2所示)，并形成在所述基底层104中靠近所述顶面401的一侧，用于感测来自所述基底层104的顶面401方向的光线。在基底层形成多个光电组件的方式已为公知，因此这里不再赘述。
所述至少一电路部分103为形成在所述基底层104中的控制电路，用于控制该光感测区102的电荷获取(chargeacquisition)、重置(reset)及电荷转移(chargetransferring)，更具体而言，所述至少一电路部分103可包含多个晶体管(transistor)用于控制光电二极管1021的电荷获取、重置及电荷转移。某些实施例中，所述电路部分103还可直接进行影像信号后处理，可视不同应用而定。
以下概述各结构之间的相对位置关系，结合附图，以便了解本发明的作用。
所述透光层101具有上表面301及下表面302，其中所述上表面302用于接收入射光线，该入射光线经过所述透光层101之后，穿出所述下表面302而形成出射光线抵达所述芯片结构12。本发明中，所述芯片结构12所包含的光感测组件1021被设计为有效吸收光线的唯一组件。一般而言，穿过所述透光层101的光线(即出射光线)中，直接射到所述光感测组件1021的部分，例如图中的光线202，会直接被所述光感测组件1021吸收。但实际上，仍有些出射光线会被浪费掉，例如光线204，其代表抵达所述光感测组件1021的出射光线无法完全被吸收，而有一部分穿过了所述光感测区102及所述基底层104；又例如光线206，其并未抵达所述光感测组件1021，因而无法被所述光感测组件1021吸收。
本发明中，该基底层104具有经过表面处理的底面402，经过表面处理之后，可以在该底面402上形成反射层105。由此，当未被初次吸收的部分出射光线抵达该所述反射层105后，可以经由该反射层105的反射，再次将该部分出射光线反射回所述光感测区102，使该光感测区102能再次吸收反射的出射光线。例如图1中的光线204，便可穿过所述反射层105而再次被所述光感测区102吸收，以增加光吸收效率。
须注意，上述光线202、204用以说明本发明的作用，在真实实施例中，光线可能具有多种行进方向，但仍可经由本发明的反射层105结构，使光感测区102能够更有效率地吸收穿过所述透光层101的光线。
上述基底层104的表面处理可经由将该基底层104的底面402进行研磨来实现，例如半导体工艺中的化学机械研磨(CMP)，或者晶圆级封装(CSP)中的磨光(grinding)等，但并不以此为限。研磨的目的，是将所述基底层104的底面402形成平滑表面，以便后续形成所述反射层105时，能够较好地将光线反射回去；其中，所述反射层105的材质并无特定限制，只要能反射相对所述光感测区102的吸收频谱(absorptionspectrum)的光即可。当使用研磨来处理所述基底层104的表面时，可以将该基底层104的厚度保持在数个到数十个微米(micrometer)的范围；优选地，所述基底层104的厚度可介于2微米至30微米间。
为了将没有被初次吸收的光线反射回所述光感测区102，所述反射层105可设置于所述光感测区102下方，并至少与所述光感测区102占有相同尺寸的面积。考虑到光线可能以多个方向行进，优选地，所述反射层105所占有的面积可大于并涵盖所述光感测区102(或光电二极管1021)所占有的面积。
其它实施例中，若所述光感测区102的光吸收率良好，所述反射层105可仅相对于所述光感测区102的外缘而设置且向外延伸。在一实施例中，所述反射层105例如形成环状，而使得所述光感测区102(或光电二极管1021)的中间部分不相对于该反射层105，因此仅有经过所述光感测区102周围而未直接经过所述光感测区102的光线被所述环状光感测区102所反射。
上述透光层101的材质的选择以能够让目标颜色的光线穿过为基准，例如对于设计用来吸收可见光的产品，则需要选用透明的材质，使光线能够穿透，例如玻璃；对于设计用来吸收不可见光(例如，红外光)的产品，则可以选用不透明但允许红外光穿透的材质。所述透光层101也可再与滤光层结合，但非本发明的重点，熟知此项技术的人，可以在理解本发明之后加以应用，而不脱离本发明的范围。
上前透光层101也可与透镜结合，或者形成具有透镜功能的上表面和/或下表面，以使光线能够以较好的行进方向进入，而被光感测组件1021吸收。另外，所述光感测区102的表面还可经过处理，使其具有滤光或者透镜的功能，例如通过半导体工艺，在所述光感测区102的表面形成微透镜(micro-lens)。
例如，如图2所示，其为图1的芯片结构12的部分A的放大图；其中，该芯片结构12包含所述基底层104、光感测组件1021、形成于所述基底层124上的介电层122、第一金属线路层123、第二金属线路层124、滤光层125以及微透镜126；其中，所述第一金属线路层123及所述第二金属线路层124形成于所述基底层104上方，且最好不位于所述光感测组件1021上方，以避免阻挡光线进入。必须说明的是，图2中所示金属线路层的层数仅用以说明，并非用以限定本发明。
某些实施例中，所述滤光层125可选择不予实施，例如当所述透光层101已形成有滤光层时。所述滤光层125用以限制穿过至所述光感测组件1021的光频谱，因此最好相对所述光感测组件1021而设置。所述微透镜126用以增加该光感测组件1021的感光效率，因此最好相对所述光感测组件1021而设置。
可以了解的是，图2表示相对所述芯片结构12的一个光感测组件1021的部分剖视图，因此所述芯片结构12包含相对于所述光感测区102的多个滤光层125和/或多个微透镜126。此外，所述芯片结构12可包含多个隔离槽121(isolationgroove)用以分隔相邻的光感测组件1021。
本实施例中，所述芯片结构12为前感光式影像感测芯片，以使得光线204依次穿过所述第二金属线路层124、所述第一金属线路层123、所述介电层122以及所述基底层104而到达所述反射层105，而该反射层105再将光线204反射至所述光感测组件1021。更具体而言，本实施例中，所述第一金属线路层123及所述第二金属线路层124与所述反射层105分别位于所述基底层104的两不同侧。
上述透光层101的下表面可与所述光感测区102的表面保持适当距离，以避免所述透光层101接触挤压到所述多个光感测组件1021，而造成损坏。为此，可在所述透光层101与所述芯片结构12之间，设置凸起结构以作为垫片(spacer)50，由此维持所述透光层101与所述芯片结构12之间的预设距离。另外，可以在制造所述透光层101时，一体成型的形成凸起结构，或是在所述芯片结构12的表面的适当位置，形成凸起结构，以便当所述透光层101放置到所述芯片结构12上时，维持所述透光层101与所述芯片结构12之间的适当距离。
如图3所示，其为本发明实施例的前感光式半导体结构的制作方法的流程图，包含下列步骤：提供影像感测芯片(步骤S31)；研磨该影像感测芯片的所述底面至所述基底层介于2微米至30微米间(步骤S33)；以及在研磨后的所述底面镀上反射层(步骤S35)；其中，所述影像感测芯片12包含基底层104及所述多个金属线路层(例如图2的第一金属线路层123、第二金属线路层124)，所述基底层104包含光感测区102并具有顶面401及底面402，且所述多个金属线路层位于所述顶面401上方。由于本实施例为前感光式结构，光线系依次穿过所述多个金属线路层及所述基底层104后、才会被所述反射层105反射。如上文所述，所述反射层105可于封装过程或半导体工艺中制作，并利用涂层(coating)、溅镀(sputtering)或适当方式形成所述反射层105于研磨过的所述基底层104的底面上。此外，本实施例还可包含在所述顶面401上方形成相对于该光感测区102的多个滤光层125和/或多个微透镜126的步骤。
综上所述，传统前感光式半导体结构会有部分入射光未被光感测组件吸收的情形。因此，本发明还提出一种前感光式半导体结构(如图1～2)及其制作方法(如图3)，其通过在基底层的底面形成反射层，以反射未被光感测组件吸收的剩余光线至光感测组件，以提升光吸收效率。
虽然本发明已通过上述实施例公开，但是其并非用以限定本发明，任何本发明所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与修改。因此本发明的保护范围当以所附权利要求书所限定的为准。

Claims (19)

1.一种前感光式半导体结构，包含：
透光层，具有上表面与下表面，其中所述上表面用于接收入射光线，且所述入射光线经过所述透光层后穿出所述下表面而形成出射光线；
芯片结构，包含光感测区以及基底层，其中一部分出射光线依次穿过所述光感测区及所述基底层；以及
反射层，形成于所述基底层的底面，用于将所述部分出射光线反射回所述光感测区而再次被所述光感测区吸收。
2.根据权利要求1所述的前感光式半导体结构，其中所述透光层与所述芯片结构间通过至少一垫片而维持一预设距离。
3.根据权利要求1所述的前感光式半导体结构，其中所述芯片结构为前感光式影像感测芯片。
4.根据权利要求1所述的前感光式半导体结构，其中所述前感光式半导体结构还包含多个金属线路层，且所述多个金属线路层与所述反射层分别位于所述基底层的两不同侧。
5.根据权利要求1所述的前感光式半导体结构，其中所述芯片结构还包含控制电路，该控制电路用于控制所述光感测区的电荷获取、重置及电荷转移。
6.根据权利要求1所述的前感光式半导体结构，其中所述芯片结构还包含相对于所述光感测区的多个滤光层和/或多个微透镜。
7.根据权利要求1所述的前感光式半导体结构，其中所述基底层的厚度介于2微米至30微米间。
8.根据权利要求1所述的前感光式半导体结构，其中所述反射层的面积大于所述光感测区的面积。
9.根据权利要求1所述的前感光式半导体结构，其中所述光感测区包含多个光电二极管。
10.一种前感光式半导体结构，包含：
基底层，具有底面及顶面，并包含多个光电二极管；
至少一金属线路层，形成于所述基底层的所述顶面上方；及
反射层，形成于所述基底层的所述底面，用于反射依次穿过所述至少一金属线路层及所述基底层的光线至所述光电二极管。
11.根据权利要求10所述的前感光式半导体结构，其中所述反射层的面积大于所述光电二极管的总面积。
12.根据权利要求10所述的前感光式半导体结构，其中所述基底层的厚度介于2微米至30微米间。
13.根据权利要求10所述的前感光式半导体结构，其中所述前感光式半导体结构还包含分别相对所述光电二极管的多个滤光层和/或多个微透镜。
14.根据权利要求10所述的前感光式半导体结构，其中所述基底层还包含控制电路，该控制电路用于控制所述光电二极管的电荷获取、重置及电荷转移。
15.一种前感光式半导体结构的制作方法，包含：
提供影像感测芯片，其中所述影像感测芯片包含基底层及多个金属线路层，所述基底层包含光感测区并具有顶面及底面，且所述多个金属线路层位于所述顶面上方；
研磨所述影像感测芯片的所述底面至所述基底层介于2微米至30微米间；以及
在研磨后的所述底面镀上反射层。
16.根据权利要求15所述的制作方法，其中所述反射层的面积大于所述光感测区的面积。
17.根据权利要求15所述的制作方法，还包含：
在所述顶面上方形成相对于所述光感测区的多个滤光层。
18.根据权利要求15所述的制作方法，还包含：
在所述顶面上方形成相对于所述光感测区的多个微透镜。
19.根据权利要求15所述的制作方法，其中所述研磨的步骤实施在半导体工艺或晶圆级封装过程中。
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