CN111370436B - 一种传感器封装结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种传感器封装结构及其制备方法，该方法包括以下步骤：提供一半导体衬底，所述半导体衬底包括多个分立的感光结构以及位于相邻感光结构之间的隔离结构，在所述半导体衬底的所述第二表面上形成光刻胶层，接着在所述光刻胶层上形成多个间隔设置的环形凹槽；接着在所述环形凹槽中形成栅格结构，接着去除相邻栅格结构之间的光刻胶层，以在相邻栅格结构之间形成间隙，在所述栅格结构中形成凹腔结构，在所述间隙中形成第一弹性缓冲层，在所述凹腔结构的四周侧壁和底面上形成第二弹性缓冲层和第三弹性缓冲层，接着在所述凹腔结构中形成滤色层，接着在所述滤色层上形成透镜层。
Description
技术领域
本发明涉及半导体封装技术领域，特别是涉及一种传感器封装结构及其制备方法。
背景技术
图像传感器是利用光电器件的光电转换功能。将感光面上的光像转换为与光像成相应比例关系的电信号。与光敏二极管，光敏三极管等“点”光源的光敏元件相比，图像传感器是将其受光面上的光像，分成许多小单元，将其转换成可用的电信号的一种功能器件。图像传感器分为光导摄像管和固态图像传感器。与光导摄像管相比，固态图像传感器具有体积小、重量轻、集成度高、分辨率高、功耗低、寿命长、价格低等特点。因此在各个行业得到了广泛应用。
然而，随着器件集成度的提高，单位面积内图像传感器中像素单元的数量也随之增大，相邻像素单元的稳定性引起了人们的广泛关注。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种传感器封装结构及其制备方法。
为实现上述目的，本发明提出的一种传感器封装结构的制备方法，包括以下步骤：
(1)提供一半导体衬底，所述半导体衬底包括第一表面和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分立的感光结构以及位于相邻感光结构之间的隔离结构，所述半导体衬底的所述第一表面露出所述感光结构。
(2)接着从所述半导体衬底的所述第二表面对所述半导体衬底进行减薄处理。
(3)接着在所述半导体衬底的所述第二表面上形成减反射层。
(4)接着在所述半导体衬底的所述第二表面上形成光刻胶层，接着在所述光刻胶层上形成多个间隔设置的环形凹槽；接着在所述环形凹槽中形成栅格结构。
(5)接着去除相邻栅格结构之间的光刻胶层，以在相邻栅格结构之间形成间隙，接着在所述间隙中形成第一弹性缓冲层，所述第一弹性缓冲层的颜色为黑色。
(6)接着去除所述栅格结构中的光刻胶层，以在所述栅格结构中形成凹腔结构，在所述凹腔结构的四周侧壁上形成第二弹性缓冲层，并在所述凹腔结构的底面形成第三弹性缓冲层。
(7)接着在所述凹腔结构中形成滤色层。
(8)接着在所述滤色层上形成透镜层。
作为优选，对所述半导体衬底进行减薄处理之前，在所述半导体衬底的所述第一表面上形成重布线层，所述重布线层包括介质层以及位于所述介质层中的一层或多层金属层，所述金属层与所述感光结构电连接。
作为优选，在所述步骤(2)中，将所述半导体衬底减薄至30-50微米。
作为优选，通过PECVD法、热氧化、ALD或磁控溅射法形成所述减反射层，所述减反射层的材料为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氧化铝以及二氧化钛中的一种或多种。
作为优选，在所述步骤(5)中，通过涂布法在所述间隙中形成第一弹性缓冲层，在所述步骤(6)中，通过喷涂工艺形成所述第二弹性缓冲层和所述第三弹性缓冲层。
作为优选，所述滤色层包括多个滤色单元，所述滤色单元包括红色滤色单元、蓝色滤色单元以及绿色滤色单元。
本发明还提出一种传感器封装结构，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：
图像传感器在使用过程中，在随着应用的环境温度的升高，图像传感器中的滤色单元发生热膨胀，进而影响相邻滤色单元的稳定性，在本发明的传感器封装结构的制备过程中，通过在相邻栅格结构之间形成间隙，接着在所述间隙中形成第一弹性缓冲层，并在形成滤色层之前，在所述栅格结构中形成的凹腔结构的四周侧壁上形成第二弹性缓冲层，并在所述凹腔结构的底面形成第三弹性缓冲层，即使滤色单元发生热膨胀，由于第一、第二、第三弹性缓冲层的存在，第一、第二、第三弹性缓冲层发生相应的形变，进而消除滤色单元发生热膨胀所产生的应力，使得整个图像传感器的稳定性得到大大的提高，进而延长了图像传感器的使用寿命。
附图说明
图1-图8为本发明实施例中传感器封装结构制备过程的结构示意图。
具体实施方式
本发明提出一种传感器封装结构的制备方法，包括以下步骤：
(1)提供一半导体衬底，所述半导体衬底包括第一表面和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分立的感光结构以及位于相邻感光结构之间的隔离结构，所述半导体衬底的所述第一表面露出所述感光结构。
(2)接着从所述半导体衬底的所述第二表面对所述半导体衬底进行减薄处理。
(3)接着在所述半导体衬底的所述第二表面上形成减反射层。
(4)接着在所述半导体衬底的所述第二表面上形成光刻胶层，接着在所述光刻胶层上形成多个间隔设置的环形凹槽；接着在所述环形凹槽中形成栅格结构。
(5)接着去除相邻栅格结构之间的光刻胶层，以在相邻栅格结构之间形成间隙，接着在所述间隙中形成第一弹性缓冲层，所述第一弹性缓冲层的颜色为黑色。
(6)接着去除所述栅格结构中的光刻胶层，以在所述栅格结构中形成凹腔结构，在所述凹腔结构的四周侧壁上形成第二弹性缓冲层，并在所述凹腔结构的底面形成第三弹性缓冲层。
(7)接着在所述凹腔结构中形成滤色层。
(8)接着在所述滤色层上形成透镜层。
进一步的，对所述半导体衬底进行减薄处理之前，在所述半导体衬底的所述第一表面上形成重布线层，所述重布线层包括介质层以及位于所述介质层中的一层或多层金属层，所述金属层与所述感光结构电连接。
进一步的，在所述步骤(2)中，将所述半导体衬底减薄至30-50微米。
进一步的，通过PECVD法、热氧化、ALD或磁控溅射法形成所述减反射层，所述减反射层的材料为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氧化铝以及二氧化钛中的一种或多种。
进一步的，在所述步骤(5)中，通过涂布法在所述间隙中形成第一弹性缓冲层，在所述步骤(6)中，通过喷涂工艺形成所述第二弹性缓冲层和所述第三弹性缓冲层。
进一步的，所述滤色层包括多个滤色单元，所述滤色单元包括红色滤色单元、蓝色滤色单元以及绿色滤色单元。
下面结合图1-图8的传感器封装结构制备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包括第一表面和与所述第一表面相对的第二表面，所述半导体衬底100包括多个分立的感光结构101以及位于相邻感光结构101之间的隔离结构102，所述半导体衬底100的所述第一表面露出所述感光结构101，所述感光结构101包括光敏元件，例如CCD照相机像素、色彩光传感器、光电发射元件例如感光二极管，所述感光结构用于吸收光线，并对所吸收的光线进行光电转换，多个所述感光结构101构成了感光阵列。所述隔离结构102为浅沟槽隔离结构或深沟槽隔离结构，其用于防止相邻感光结构101之间的光学串扰。
所述半导体衬底100的材质为单晶硅、多晶硅或非晶硅，此外，所述半导体衬底100的材质还可以是单晶锗、多晶锗、砷化镓、锗化硅、绝缘体上硅衬底(SOI衬底)。
请参考图2，对所述半导体衬底100进行减薄处理之前，在所述半导体衬底100的所述第一表面上形成重布线层110，所述重布线层110包括介质层以及位于所述介质层中的一层或多层金属层，所述金属层与所述感光结构电连接，所述重布线层110用于将感光结构101的信号进行处理和传输。
所述介质层为氧化硅、氮化硅、氧化铝、氮氧化硅中的一种或多种，所述金属层的材质为铜、铝、银中的一种或多种的合金，在重布线层110具体制备过程中，先通过PECVD法衬底一层氮化硅层，然后在所述感光结构101的焊盘区域对所述氮化硅层进行开孔，然后形成在所述氮化硅层的表面以及开孔中形成电镀种子层，进而进行电镀处理形成金属铜层，然后通过图案化处理以形成第一金属铜线路层，然后再通过PECVD法一层氮化硅层以覆盖所述第一金属铜线路层，通过干法刻蚀或湿法刻蚀在所述氮化硅层中形成通孔，进而沉积金属铜形成金属插塞，然后在所述氮化硅层上形成第二金属铜线路层，使得所述第二金属铜线路层通过金属插塞与所述第一金属铜线路层电连接，然后在所述第二金属铜线路层上形成氧化铝钝化层，对所述钝化层进行开孔处理，然后在开孔中形成金属铜柱，进而将该感光芯片与后续的逻辑芯片进行电连接。
请参考图3，接着从所述半导体衬底100的所述第二表面对所述半导体衬底进行减薄处理，以将所述半导体衬底100减薄至30-50微米，减薄处理的具体工艺为先通过刻蚀液对所述半导体衬底的第二表面进行粗化刻蚀处理，然后通过抛光工艺以在所述半导体衬底的第二表面形成平坦光滑的表面。在具体实施例中，减薄后的半导体衬底的厚度不能少于30微米，如果减薄后的衬底的厚度过薄，则容易造成碎片现象，进而使得图像传感器制备的良率大大降低，如果减薄后的半导体衬底的厚度过后，则影响其灵敏度。更为优选的是，所述半导体衬底减薄至40微米。
请参考图4，接着在所述半导体衬底100的所述第二表面上形成减反射层120，所述减反射层120是单层结构或多层复合结构，通过PECVD法、热氧化、ALD或磁控溅射法形成所述减反射层120，所述减反射层120的材料为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氧化铝以及二氧化钛中的一种或多种，所述减反射层120用于减少或消除反射光，进而增加透光量，消除杂散光，进而提高感光结构的灵敏度。
请参考图5，接着在所述半导体衬底100的所述第二表面上形成光刻胶层130，接着在所述光刻胶层130上形成多个间隔设置的环形凹槽131；接着在所述环形凹槽131中形成栅格结构140。在具体的实施例中，首先在所述半导体衬底100的第二表面上旋涂形成光刻胶层130，然后通过包括显影工艺以形成多个间隔设置的环形凹槽131，接着在所述环形凹槽131中形成栅格结构140，所述栅格结构140为单层金属结构，具体材质为单质金属或金属合金，例如铜、铝、钨、铜铝合金、钨铜合金等，通过利用掩膜进行热蒸镀或磁控溅射法形成金属层，然后回刻蚀光刻胶层130表面的金属材料，进而形成栅格结构140。所述栅格结构可以为多层复合结构，所述多层复合结构包括介电材料和金属材料，通过依次沉积介电材料和金属材料以形成多层复合结构的栅格结构140。
请参考图6，接着去除相邻栅格结构之间的光刻胶层，以在相邻栅格结构之间形成间隙，接着在所述间隙中形成第一弹性缓冲层150，所述第一弹性缓冲层150的颜色为黑色，所述第一弹性缓冲层的材料包括天然橡胶、丁苯橡胶、异戊橡胶、顺丁橡胶、氯丁橡胶，丁腈橡胶以及硅橡胶中的一种或多种，并在橡胶中添加黑色染料，通过涂布法在所述间隙中形成第一弹性缓冲层150，制备的具体工艺为，在所述半导体衬底100上涂布软化的弹性缓冲层，然后在130-140℃的条件下利用压合装置对所述弹性缓冲层进行压合，进而使得部分的弹性缓冲层嵌入到所述间隙中，然后去除未嵌入到间隙中的弹性缓冲层，以形成所述第一弹性缓冲层150。
请参考图7，接着去除所述栅格结构中的光刻胶层，以在所述栅格结构中形成凹腔结构，在所述凹腔结构的四周侧壁上形成第二弹性缓冲层160，并在所述凹腔结构的底面形成第三弹性缓冲层170，在具体的制备过程中，所述第二弹性缓冲层160以及第三弹性缓冲层170的材料为透明弹性树脂，具体为乙丙橡胶、乙烯-乙酸乙烯酯、氯醇橡胶或丁基橡胶等，通过喷涂工艺或旋涂工艺形成弹性缓冲层，然后通过研磨或切割工艺形成所述第二弹性缓冲层160和所述第三弹性缓冲层170。
请参考图8，接着在所述凹腔结构中形成滤色层180，所述滤色层180包括多个滤色单元，所述滤色单元包括红色滤色单元、蓝色滤色单元以及绿色滤色单元。在具体实施例中，在第一感光结构上形成红色滤色材料，厚度大于1.5微米，通过蚀刻工艺形成矩形方块的红色滤色单元，在第二感光结构上形成绿色滤色材料，厚度大于1.5微米，通过蚀刻工艺形成矩形方块绿色滤色单元，在第三感光结构上形成蓝滤色材料，厚度大于1.5微米，通过蚀刻工艺形成矩形方块蓝色滤色单元，各滤色单元组成所述滤色层，各滤色单元具体可以为负型感光树脂。接着在所述滤色层上形成透镜层190，具体为：旋涂光刻胶，其厚度大于等于1微米，进一步，分别在红色滤色单元、蓝色滤色单元以及绿色滤色单元的上方形成相应的光刻胶方块，每个光刻胶方块平面尺寸为相应滤色单元平面尺寸的70％～85％，所述光刻方块的中心位置分别正对各滤色单元的中心位置，进一步，通过刻蚀工艺形成透镜形状。
本发明还提出一种传感器封装结构，其采用上述方法制备形成的。
图像传感器在使用过程中，在随着应用的环境温度的升高，图像传感器中的滤色单元发生热膨胀，进而影响相邻滤色单元的稳定性，在本发明的传感器封装结构的制备过程中，通过在相邻栅格结构之间形成间隙，接着在所述间隙中形成第一弹性缓冲层，并在形成滤色层之前，在所述栅格结构中形成的凹腔结构的四周侧壁上形成第二弹性缓冲层，并在所述凹腔结构的底面形成第三弹性缓冲层，即使滤色单元发生热膨胀，由于第一、第二、第三弹性缓冲层的存在，第一、第二、第三弹性缓冲层发生相应的形变，进而消除滤色单元发生热膨胀所产生的应力，使得整个图像传感器的稳定性得到大大的提高，进而延长了图像传感器的使用寿命。
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 (7)
1.一种传感器封装结构的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)提供一半导体衬底，所述半导体衬底包括第一表面和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分立的感光结构以及位于相邻感光结构之间的隔离结构，所述半导体衬底的所述第一表面露出所述感光结构；
(2)接着从所述半导体衬底的所述第二表面对所述半导体衬底进行减薄处理；
(3)接着在所述半导体衬底的所述第二表面上形成减反射层；
(4)接着在所述半导体衬底的所述第二表面上形成光刻胶层，接着在所述光刻胶层上形成多个间隔设置的环形凹槽；接着在所述环形凹槽中形成栅格结构；
(5)接着去除相邻栅格结构之间的光刻胶层，以在相邻栅格结构之间形成间隙，接着在所述间隙中形成第一弹性缓冲层，所述第一弹性缓冲层的颜色为黑色；
(6)接着去除所述栅格结构中的光刻胶层，以在所述栅格结构中形成凹腔结构，在所述凹腔结构的四周侧壁上形成第二弹性缓冲层，并在所述凹腔结构的底面形成第三弹性缓冲层；
(7)接着在所述凹腔结构中形成滤色层；
(8)接着在所述滤色层上形成透镜层。
2.根据权利要求1所述的传感器封装结构的制备方法，其特征在于：对所述半导体衬底进行减薄处理之前，在所述半导体衬底的所述第一表面上形成重布线层，所述重布线层包括介质层以及位于所述介质层中的一层或多层金属层，所述金属层与所述感光结构电连接。
3.根据权利要求1所述的传感器封装结构的制备方法，其特征在于：在所述步骤(2)中，将所述半导体衬底减薄至30-50微米。
4.根据权利要求1所述的传感器封装结构的制备方法，其特征在于：通过PECVD法、热氧化、ALD或磁控溅射法形成所述减反射层，所述减反射层的材料为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氧化铝以及二氧化钛中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的传感器封装结构的制备方法，其特征在于：在所述步骤(5)中，通过涂布法在所述间隙中形成第一弹性缓冲层，在所述步骤(6)中，通过喷涂工艺形成所述第二弹性缓冲层和所述第三弹性缓冲层。
6.根据权利要求1所述的传感器封装结构的制备方法，其特征在于：所述滤色层包括多个滤色单元，所述滤色单元包括红色滤色单元、蓝色滤色单元以及绿色滤色单元。
7.一种传感器封装结构，其特征在于，采用权利要求1-6任一项所述的方法制备形成的。
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