CN107275321A - 晶片级接近度传感器 - Google Patents

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Abstract

一种晶片级接近度传感器，通过以下步骤形成：分别加工硅衬底晶片和硅帽盖晶片；将该帽盖晶片键合到该衬底晶片；在该衬底内形成硅穿孔的互连结构；以及单片切割该键合的晶片以产生单独封装的传感器。该晶片级接近度传感器比常规接近度传感器更小，并且可以使用更短的制造工艺以更低的成本来制造。该接近度传感器通过信号路径耦合至外部部件，该信号路径包括形成在该硅衬底的下表面上的这些硅穿孔和球栅阵列。该晶片级接近度传感器的设计使来自该光发射器的更多光通过，并且使更多光通过到达该光传感器。

Description

晶片级接近度传感器
技术领域
本公开总体上涉及传感器技术。
背景技术
电子传感器技术目前被结合到许多消费产品中，包括汽车、电器以及如智能电话等移动设备。电子微传感器器件可以用于检测如温度、湿度、降雨量、声音等环境条件。这种器件还可以用于检测它们被安装于其中的消费电器的操作模式，如智能电话的定位、语音命令的使用、环境光等。微传感器由于其大小、可靠性和低成本而提供了许多优势。随着电子微传感器变得越来越小且更便宜，对它们的需求越高。
电子微传感器的一个示例是在不需要物理接触的情况下检测附近物体的存在的接近度传感器。一些接近度传感器发射被目标物体反射的光束。反射光束然后被接近度传感器捕获并与发射光束或环境光水平进行比较，以便检测可以产生关于目标物体的信息的变化。
发明内容
一种适合用于智能电话中的微型接近度传感器被集成在晶片级硅衬底中。晶片级接近度传感器可以检测智能电话用户是否将电话拿起到他们的耳朵旁。如果是，则触摸屏可以被禁用直到将电话从用户的头部移开。一旦接近度传感器不再感测到用户头部在触摸屏附近的存在，就可以重新启用触摸屏。微型接近度传感器因此允许用户通电话而不会无意地从电话的触摸屏中选择其他功能，这可能以其他方式中断通话。
晶片级接近度传感器比常规接近度传感器更小，并且其可以使用更短的制造工艺并因此还以更低的成本来制造。接近度传感器阵列通过以下步骤形成：分别加工硅衬底和硅帽盖；将帽盖胶合到衬底；以及在衬底内形成硅穿孔的互连结构。光传感器和光发射器形成在衬底上或附接至衬底，并且通过信号路径耦合至外部部件，该信号路径包括形成在硅衬底的下表面上的硅穿孔和球栅阵列。该晶片级接近度传感器的设计可以接收来自光发射器的更多光，并且可以允许更多光到达光传感器。
附图说明
在附图中，相同的参考号标识相似的元件或者动作。附图中元件的尺寸和相对位置不一定是按比例绘制的。
图1是根据现有技术的常规接近度微传感器的横截面视图。
图2是根据如本文中所描述的实施例的完整晶片级接近度传感器的横截面视图。
图3是工艺流程图，示出了根据如本文中所描述的实施例的制造包括图2中所示出的晶片级接近度传感器的集成电路的方法中的步骤。
图4至图11是根据如本文中所描述的实施例的在图3中所示出的制造工艺中的各中间步骤之后的晶片级接近度传感器的横截面视图。
具体实施方式
在以下说明中，阐述了某些特定细节，以便提供对所公开的主题的各方面的全面理解。然而，可以在没有这些特定细节的情况下实践所公开的主题。在一些实例中，为了避免模糊对本公开的其他方面的描述，没有详细地描述包括本文中所公开的主题的实施例的众所周知的半导体工艺结构和方法。
除非上下文另有要求，否则贯穿本说明书和所附权利要求书， “包括”一词及其变体(比如，“包括(comprises)”和“包括(comprising)”)将以一种开放式的和包含性的意义来进行解释，即，作为“包括，但不限于(including,but not limited to)”。
贯穿本说明书提到的“一个实施例”或“实施例”是指结合该实施例而描述的特定特征、结构或特性被包括在至少一个实施例中。因此，贯穿本说明书在各处出现的短语“在一个实施例中”或在“在实施例中”不一定都指同一个方面。此外，可以在本公开的一个或多个方面中以任何适当的方式来组合特定特征、结构或特性。
贯穿本说明书提到的集成电路通常旨在包括在半导体衬底上建立的集成电路部件，不论这些部件是否一起耦合在电路中或者能够互连。贯穿本说明书，最广义地说，术语“层”用于包括薄膜、帽盖等，并且一个层可以包括多个子层。
贯穿本说明书提到的在硅衬底上形成层可能需要使用薄膜沉积技术(包括如化学气相沉积(CVD)、低压化学气相沉积(LPCVD)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、等离子体气相沉积(PVD)、原子层沉积(ALD)、分子束外延法(MBE)、电镀、非电镀等工艺)来沉积氮化硅、二氧化硅、金属、或类似材料。本文中参照这种工艺的示例来描述了特定实施例。然而，本公开和对某些沉积技术的提及不应受限于所描述的沉积技术。例如，在一些情况下，提及CVD的描述可以替代性地使用PVD来完成，或者指定电镀的描述可以替代性地使用非电镀来实现。此外，提到的常规薄膜形成技术可以包括原位生长膜。例如，在一些实施例中，可以通过在加热室中将硅表面暴露于氧气或者潮气来实现控制氧化物生长到所期望厚度。
贯穿本说明书对在半导体制造领域中已知的用于图案化各种薄膜的常规光刻技术的引用可以包括旋涂-曝光-显影工艺序列，通常接着是刻蚀工艺。替代性地或者附加地，光刻胶也可以用于图案化硬掩模(例如，氮化硅硬掩模)，其中，硬掩模又可以反过来用于图案化下面的膜。
贯穿本说明书对在用于选择性移除多晶硅、氮化硅、二氧化硅、金属、光刻胶、聚酰亚胺或类似材料的技术中已知的常规蚀刻技术的引用包括如下工艺：湿法化学蚀刻、反应离子(等离子)蚀刻(RIE)、冲洗、湿法清洁、预清洁、溅射清洁、化学机械平面化(CMP)等等。本文参照这种工艺的示例来描述了特定实施例。然而，本公开和对某些沉积技术的提及不应受限于所描述的沉积技术。在一些实例中，两种这样的技术可以互换。例如，剥离光刻胶可能需要将样本浸入在湿法化学浴中或替代性地直接将湿法化学品直接喷涂到样本上。
本文中参照已经生产的接近度传感器来描述了特定实施例；然而，本公开和对某些材料、尺寸以及工艺步骤的细节和顺序是示例性的并且不应当受限于熟知的那些。
现在转向附图，图1示出了常规接近度微传感器模块150的示例。常规接近度微传感器模块150容纳在芯片封装体151内部，该芯片封装体安装在衬底152(例如，印刷电路板)上。衬底152可由如本领域中已知的陶瓷材料或有机碳基材料制成。典型的芯片封装体151在2.0-4.0mm宽且约0.7-1.0mm高的范围内。
芯片封装体151包括导电迹线153、金属焊盘154、集成电路裸片156和157、以及帽盖158。导电迹线153承载来自集成电路裸片156、157的电信号以便经由键合接线160与外部设备连接。金属焊盘154与衬底152形成一体以便支撑集成电路裸片156。高度为约0.5-0.9mm的光发射区域162将帽盖158与集成电路裸片间隔开。光发射区域162可以用空气来填充，或者其可以用由硅制成的模制透明层或基于环氧树脂的透明材料等来填充。帽盖158覆盖集成电路裸片156、157以便保护裸片免受污染。帽盖158可以例如使用本领域众所周知的暴露裸片模制工艺由模制塑料或金属制成。暴露裸片模制工艺可能需要形成包括由不透明层覆盖的透明层的两层帽盖。
在常规接近度微传感器模块150中，裸片156是发射器裸片并且裸片157是传感器接收器裸片。发射器裸片156通过帽盖158中的第一开口164a将信号从常规接近度微传感器模块150中发射出去。发射器裸片156包括光源。第一开口164a的宽度可以为约0.4-0.5mm。传感器接收器裸片157感测通过帽盖158中的第二开口164b进入芯片封装体151中的光。第二开口164b的宽度可以为约0.2mm。第一和第二开口164a、164b可以是玻璃窗或镜头。帽盖158的竖直构件158a将发射器裸片156与传感器接收器裸片157分离。竖直构件158a充当光屏障，该光屏障阻止发射器裸片156发射的光沿着水平路径直接传播至传感器接收器裸片157。传感器接收器裸片157包括光传感器166。光传感器166安装在传感器接收器裸片157的顶表面上，在第二开口164b之下并且与该第二开口对准。
图2示出了根据一个实施例的晶片级接近度微传感器模块200。晶片级接近度微传感器模块200被制造为集成传感器封装体。首先，单独地处理硅衬底晶片202和硅帽盖晶片204。然后，将分开的晶片键合以便形成键合的晶片夹层。然后，进一步处理键合的晶片夹层的上表面和下表面，并且最后，将键合的晶片夹层单片切割成单独的接近度微传感器模块200。
相比常规接近度微传感器模块150，所产生的晶片级接近度微传感器模块200具有许多优点。例如，相比常规接近度微传感器模块150，晶片级接近度微传感器模块200更小、制造费用更少。
参照图2，单片切割的晶片级接近度微传感器模块200容纳在安装在硅衬底202上的微型晶片级芯片封装体201内。晶片级芯片封装体201包括硅帽盖204以及集成电路裸片206和208。硅帽盖204具有下表面209。微型晶片级芯片封装体201通过薄胶合层210附接至硅衬底202。微型晶片级芯片封装体201在1.4-1.6mm宽且约0.2-0.3mm厚的范围内。硅衬底202的厚度也是约0.2-0.3mm，从而使得晶片级接近度微传感器模块200(包括晶片级芯片封装体201和硅衬底202)的总厚度在约0.4-0.6mm的范围内，约为常规接近度微 传感器模块150的厚度的一半。减小的厚度使得晶片级接近度微传感器模块200特别适合于如令人期望地薄的智能电话等移动设备。
如本领域中熟知的，硅衬底202容纳采用迹线网络形式的金属导管的互连结构、硅穿孔(TSV)212、和下接触焊盘214。TSV从衬底202的顶表面一直延伸穿过硅衬底202到达衬底202的底表面。TSV的部分可以与上接触焊盘218、下接触焊盘214、焊球216和集成电路裸片206和208中的一者或多者抵靠接触。位于与附图的横截面平面平行的平面中的迹线(未示出)可以在衬底202的表面附近将TSV 212连接至集成电路裸片206和208。硅穿孔212和下接触焊盘214承载来自集成电路裸片206和208的电信号以便经由焊球216与外部设备连接。如本领域中所熟知的，可以以球栅阵列来安排焊球216，在硅衬底202的下表面217上对该球栅阵列进行图案化。在一个实施例中，焊球216具有约0.25mm的直径并且被间隔开从而使得相邻焊球216的中点到中点间距在约0.35-0.40mm的范围内。晶片级接近度微传感器模块200(包括焊球)的总厚度因此在约0.6-0.8mm的范围内。
在晶片级接近度微传感器模块200中，裸片208是发射器裸片并且裸片206是光传感器阵列。发射器裸片208通过帽盖204中的第一开口224a将光从晶片级接近度微传感器模块200中向外发射。发射器裸片208包括光源，例如，发光二极管或激光二极管。发射器裸片208通过上接触焊盘218而在结构上且电气地耦合至硅衬底202，该上接触焊盘进而耦合至硅穿孔212。金属层222可以将发射器裸片208耦合至接触焊盘218。光传感器阵列206感测穿过帽盖204中的第二开口224b进入晶片级芯片封装体201中的光。光传感器阵列206接收的信号可以与发射器裸片208发射的信号在时间上关联，以便将相关反射光信号与来自外部源的非相关环境光信号区分开。不像常规接近度微传感器模块150，硅帽盖204并不覆盖集成电路裸片206、208的任何部分。
光传感器阵列206可以例如使用光电检测器(例如，光电二极 管)来感测光从而对光子进行计数。如果在晶片级接近度微传感器模块200的约20-30cm内存在物体，则该物体将反射部分或全部光，从而使得到达光传感器阵列206的光子的数量将增加。替代性地，光传感器阵列206可以是飞行时间类型传感器，该飞行时间类型传感器感测来自发射器裸片208的被目标反射的信号。目标位置可以是使得所发射的光子行经的总距离高达50cm。
根据实施例，在将硅帽盖204附接至硅衬底202之前，可以使用已知的光刻和蚀刻技术来对硅帽盖204进行图案化。对硅帽盖204进行图案化在每个集成电路裸片206、208周围产生了光发射区域220。在一个实施例中，可以用透明环氧树脂来填充光发射区域220。
硅帽盖204的在图案化工艺期间被掩模处理的壁将发射器裸片208与光传感器阵列206分离，并且因此，发射器裸片在形成第一开口和第二开口224a、224b的整个蚀刻工艺内保持完好。在第一开口与第二开口224a、224b之间的硅帽盖204充当光屏障，该光屏障阻止发射器裸片208发射的光沿着水平路径直接传播至光传感器阵列206。第一开口224a和第二开口224b可以与对应集成电路裸片206、208的边缘相匹配或者延伸超过这些边缘。第一开口224a和第二开口224b可以通过光刻和蚀刻来被图案化并且然后可以用透明环氧树脂来填充，从而使得发射器裸片208发射的光在进入周围环境(例如，空气)之前穿过透明环氧树脂行进约0.2mm的距离。
图3示出了根据一个实施例的制造晶片级接近度微传感器模块200的方法300中的步骤。方法300中的步骤进一步由图4至图11中所示出的横截面视图展示并在下文中描述。
在302处，具有宽度230的多个光传感器阵列206和具有宽度232的上接触焊盘阵列218以交替模式镶入在硅衬底202中，如图4中所示出的。尽管上接触焊盘218在图中示出为延伸到硅衬底202中与光传感器阵列206相同的深度，但是上接触焊盘218可以替代性地延伸到与传感器接收器裸片的深度不同的深度，例如，上接触 焊盘218可以比光传感器阵列206更薄。
在一个实施例中，在第一蚀刻步骤中，第一沟槽阵列可以在硅衬底202中被蚀刻到第一深度。然后可以使用如本领域已知的镶嵌镀覆工艺在第一沟槽阵列中形成上接触焊盘218。然后可以采用相对于第一沟槽阵列的替代模式来形成第二沟槽阵列。当上接触焊盘218形成在光传感器阵列206中的每个光传感器阵列之间时，光传感器阵列206可以首先被制造(如硅衬底202中的集成电路)，并且然后被掩模处理。替代性地，光传感器阵列206可以被放置在第二沟槽阵列中。
间隔234形成在相邻光传感器阵列206与上接触焊盘218之间。间隔236形成在光传感器阵列206的相邻对与上接触焊盘218之间。通过设计，间隔236可以大于间隔234，以便允许单片切割集成电路裸片206、208对。
在304处，开口224a、224b阵列形成在与硅衬底202分离的硅帽盖晶片中，以便形成硅帽盖204，如图5中所示。对应相邻开口224a、224b的宽度230、232被设计成用于分别匹配或超过上接触焊盘218和光传感器阵列206的宽度。相邻开口224a、224b之间的间隔234被设计成用于匹配或略小于相邻光传感器阵列206与上接触焊盘218之间的间隔234。第一开口224a与第二开口224b对之间的间隔236被设计成用于匹配或略小于光传感器阵列206与上接触焊盘218对之间的间隔236。例如，可以使用具有光刻胶掩模的常规光刻和硅蚀刻工艺来对第一和第二开口224a、224b进行图案化。第一和第二开口224a、224b通常具有矩形或正方形轮廓。第一和第二开口224a、224b可以具有圆角轮廓。
在306处，第一和第二开口224a、224b分别与下接触焊盘214和光传感器阵列206对准。
在308处，如图6中所示出的，硅帽盖204使用任何可用的晶片到晶片键合技术键合到硅衬底202。键合工艺将第一和第二开口224a、224b包围，以便形成光发射区域220。键合可能需要使用本 领域众所周知的晶片到晶片键合技术将胶合层210涂敷于硅帽盖204的下表面209。胶合层210可以由例如常规环氧树脂键合材料制成。在一个实施例中，胶合层210小于一微米厚。
在310处，在晶片到晶片键合之后，背部研磨工艺应用于硅帽盖204，以便暴露光发射区域220，如图7中所示出的。这种暴露将允许访问上接触焊盘218以及允许填充光发射区域220。背部研磨工艺确定将光源与空气分离的材料量。在将硅帽盖204键合到硅衬底202之前或之后，可以完成硅帽盖204的背部研磨。
在312处，发光发射器裸片208被降低到光发射区域220中以便附接至上接触焊盘218，如图2和图7中所示出的。发射器裸片的示例包括基于半导体的竖直腔体表面发射激光(VCSEL)二极管。发射器裸片208具有约0.12mm的厚度。
在314处，用透明材料(例如，透明环氧树脂)来填充光发射区域220，如图8中所示出的。
在316处，通过背部研磨工艺来打薄硅衬底202，如图9中所示出的。
在318处，硅穿孔212和下接触焊盘214形成在在硅衬底202中，如图10中所示出的。TSV 212从下接触焊盘214一直延伸穿过硅衬底202的厚度到达胶合层210。可以使用如本领域熟知的硅穿孔工艺来形成硅穿孔212。TSV 212具有在约1.0-2.0mm范围内的宽度。TSV可以直接连接至发射器裸片208和光传感器阵列206，或者它们可以经由硅衬底202中的迹线或者发射器裸片208和光传感器阵列206上的迹线被耦合。
在320处，在硅衬底202的下表面217上形成焊球216的球栅阵列，如图10中所示出的。如图10和图11中所示出的，每个焊球216可以直接耦合至TSV 212。替代性地，如图2中所示出的，焊球216可以通过下接触焊盘214而耦合至TSV 212。可以将回流工艺应用于焊球216以便提供与下接触焊盘214的更稳健的连接。
在322处，键合的晶片被单片切割或者被划片，以便形成单独 的晶片级接近度微传感器模块200，如图10和图11中所示出的。图10展示了使用与间隔236对准的切割工具238来分离这些晶片级接近度微传感器模块200。切割工具238可以是锯子、激光束、或者适合于晶片单片切割的任何其他工具。图11中所示出的单片切割的晶片级接近度微传感器模块200中的每个晶片级接近度微传感器模块包括一个发射器裸片208、一个光传感器阵列206、多个TSV和多个焊球216。
将理解的是，尽管出于说明的目的在此描述了本披露的多个特定的实施例，在不背离本披露的精神和范围的情况下可以进行各种修改。因此，本公开除由所附权利要求书限制外不受限制。
鉴于以上详细的描述，可以对这些实施例做出这些和其他改变。一般而言，在以下权利要求书中，所使用的术语不应当被解释为将权利要求书局限于本说明书和权利要求书中所披露的特定实施例，而是应当被解释为包括所有可能的实施例、连同这些权利要求有权获得的等效物的整个范围。因此，权利要求书并不受到本公开的限制。
以上所描述的各个实施例可以被组合以提供进一步的实施例。在本说明书中所提及的和/或在申请资料表中所列出的所有美国专利、美国专利申请出版物、美国专利申请、国外专利、国外专利申请和非专利出版物都以其全文通过引用结合在此。如有必要，可以对实施例的方面进行修改，以便利用各专利、申请和出版物的概念来提供又进一步实施例。

Claims (20)

1.一种方法，包括：
在硅衬底的上表面上形成多个光传感器；
在所述硅衬底的所述上表面上形成多个接触焊盘；
在硅帽盖晶片的下表面中形成开口；
使所述开口对准所述光传感器和所述接触焊盘；
将所述硅帽盖晶片键合到所述硅衬底；
从所述硅帽盖晶片的上表面去除材料，以便暴露所述光传感器和所述接触焊盘；
将多个光发射器附接至所述接触焊盘中的对应接触焊盘；
打薄所述硅衬底；
用透明材料填充所述开口；
形成从所述硅衬底的所述上表面延伸到所述硅衬底的下表面的硅穿孔；
在所述硅衬底的所述下表面上形成球栅阵列，所述球栅阵列包括与所述硅穿孔中的对应硅穿孔电连接的多个焊球；以及
将所述键合的硅晶片单片切割成单独的传感器模块。
2.如权利要求1所述的方法，进一步包括：在所述硅衬底的所述下表面上形成球栅阵列接触焊盘，所述球栅阵列接触焊盘在所述硅穿孔与所述焊球中的对应焊球之间延伸。
3.如权利要求1所述的方法，其中，将所述硅帽盖晶片键合到所述硅衬底进一步包括在所述硅帽盖晶片与所述硅衬底之间形成环氧树脂层。
4.如权利要求1所述的方法，其中，每个传感器模块包括一个光发射器和一个光传感器。
5.如权利要求4所述的方法，其中，附接所述光发射器包括附接一个或多个发光二极管(LED)和激光二极管。
6.如权利要求1所述的方法，其中，所述光传感器和所述接触焊盘形成在所述硅衬底的同一层中。
7.如权利要求1所述的方法，其中，用透明材料填充所述开口包括用透明环氧树脂填充所述开口。
8.一种器件，包括：
硅衬底；
所述硅衬底上的光传感器；
接触焊盘，所述接触焊盘形成在所述硅衬底的上表面层中；
所述接触焊盘上的光发射器；
多个焊球，所述多个焊球与所述硅衬底的下表面接触；
多个硅穿孔，所述多个硅穿孔与所述硅衬底形成一体，每个硅穿孔延伸穿过所述整个硅衬底，以便将所述焊球中的所选择的焊球连接至所述接触焊盘中的所选择的接触焊盘；以及
硅帽盖，所述硅帽盖键合到所述硅衬底，所述硅帽盖包括尺寸被设定为匹配所述光传感器和所述光发射器的尺寸的透明部分。
9.如权利要求8所述的器件，其中，所述硅帽盖不覆盖所述光传感器或所述光发射器的任何部分。
10.如权利要求8所述的器件，其中，所述透明部分包括透明环氧树脂材料。
11.如权利要求8所述的器件，其中，所述硅帽盖通过具有在约0.5-15.0μm范围内的厚度的环氧树脂键合层键合至所述硅衬底。
12.如权利要求8所述的器件，其中，所述光传感器附接至所述硅衬底。
13.如权利要求8所述的器件，其中，所述光传感器形成在所述硅衬底中。
14.如权利要求8所述的器件，其中，所述光发射器是发光二极管。
15.如权利要求8所述的器件，其中，所述光发射器是激光二极管。
16.如权利要求8所述的器件，其中，所述键合的硅帽盖和硅衬底的厚度小于0.7mm。
17.一种智能电话，所述智能电话包括如权利要求16所述的器件。
18.一种触摸屏，所述触摸屏包括如权利要求16所述的器件。
19.如权利要求8所述的器件，其中，所述硅帽盖提供相邻透明部分之间的光屏障。
20.如权利要求8所述的器件，进一步包括在所述硅衬底的所述下表面上的球栅阵列接触焊盘，所述球栅阵列接触焊盘将所述焊球耦合至所述硅穿孔。
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