CN111584531A - 一种图像传感器封装结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种图像传感器封装结构及其制备方法，该方法包括以下步骤：处理芯片的制备，感测芯片的制备，将所述第一半导体衬底和所述第二半导体衬底键合在一起，接着进行减薄处理；接着形成层叠介质层；接着形成栅格结构，每个所述栅格结构包括四个侧壁，接着在每个所述栅格结构所围绕区域中形成滤光层，然后利用掩膜刻蚀所述格栅结构，以在所述栅格结构的每个侧壁上均形成一第二凹槽，接着刻蚀所述第二凹槽两侧的部分滤光层，以形成第三凹槽，所述第三凹槽的宽度稍大于所述栅格结构的所述侧壁的宽度，接着在所述第三凹槽中形成橡胶块，使得所述橡胶块与所述滤光层紧密接触；接着在所述滤光层上形成透镜层。
Description
技术领域
本发明涉及半导体封装技术领域，特别是涉及一种图像传感器封装结构及其制备方法。
背景技术
图像传感器是一种将光信号转换为电信号的半导体器件。现有的图像传感器分为电荷耦合器件CCD图像传感器和互补金属氧化物CMOS图像传感器。CCD图像传感器特有的工艺，具有低照度效果好、信噪比高、通透感强、色彩还原能力佳等优点，在交通、医疗等高端领域中广泛应用。由于其成像方面的优势，在很长时间内还会延续采用，但同时由于其成本高、功耗大也制约了其市场发展的空间；CMOS图像传感器采用一般半导体电路最常用的CMOS工艺，具有集成度高、功耗小、速度快、成本低等特点，最近几年在宽动态、低照度方面发展迅速。CMOS即互补性金属氧化物半导体，主要是利用硅和锗两种元素所做成的半导体，通过CMOS上带负电和带正电的晶体管来实现基本的功能。这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片记录和解读成影像。现有的CMOS图像传感器包括前照式(FSI)图像传感器和背照式(BSI)图像传感器，在背照式图像传感器中，光从图像传感器的背面入射到图像传感器中的感光二极管上，从而将光信号转换为电信号。而随着背照式图像传感器的像素尺寸减小，其性能受到了影响。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种图像传感器封装结构及其制备方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种图像传感器封装结构的制备方法，包括以下步骤：
1)处理芯片的制备：提供第一半导体衬底，在所述第一半导体衬底上形成多个间隔设置的功能区，接着在所述第一半导体衬底上形成第一布线层，在所述第一布线层上形成第一嵌入式导电块。
2)感测芯片的制备：提供第二半导体衬底，在所述第二半导体衬底上形成多个间隔设置的感光结构，所述第二半导体衬底包括相对的第一表面和第二表面，所述感光结构从所述第二半导体衬底的第一表面露出，接着在所述第二半导体衬底的所述第一表面上形成第二布线层，在所述第二布线层上形成第二嵌入式导电块。
3)将所述第一半导体衬底和所述第二半导体衬底键合在一起，进而使得所述第一嵌入式导电块与相应的第二嵌入式导电块相互键合。
4)接着从所述第二半导体衬底的第二表面对所述半导体衬底进行减薄处理。
5)接着在所述第二半导体衬底的第二表面上形成层叠介质层。
6)接着在所述层叠介质层上形成光刻胶层，接着在所述光刻胶层中形成第一凹槽；接着在所述凹槽中形成栅格结构，每个所述栅格结构包括四个侧壁，然后去除所述光刻胶层。
7)接着在每个所述栅格结构所围绕区域中形成滤光层，然后利用掩膜刻蚀所述格栅结构，以在所述栅格结构的每个侧壁上均形成一第二凹槽，接着刻蚀所述第二凹槽两侧的部分滤光层，以形成第三凹槽，所述第三凹槽的宽度稍大于所述栅格结构的所述侧壁的宽度，接着在所述第三凹槽中形成橡胶块，使得所述橡胶块与所述滤光层紧密接触。
8)接着在所述滤光层上形成透镜层。
作为优选，在所述步骤1)中，所述第一布线层包括第一介电层，在所述第一介电层中形成多个通孔以及多层互连金属层，在所述第一介电层上形成第一粘结层，所述第一嵌入式导电块嵌入到所述第一粘结层中。
作为优选，在所述步骤2)中，所述感光结构包括光电二极管，所述第二布线层包括第二介电层，在所述第二介电层中形成多个通孔以及多层互连金属层，在所述第二介电层上形成第二粘结层，所述第二嵌入式导电块嵌入到所述第二粘结层中。
作为优选，在所述步骤3)中，将所述第一半导体衬底和所述第二半导体衬底键合之前，对所述处理芯片和所述感测芯片进行表面等离子体处理。
作为优选，在所述步骤5)中，所述层叠介质层包括第一介质层、第二介质层和第三介质层，所述层叠介质层通过PECVD、ALD、磁控溅射或热氧化制备。
作为优选，在所述步骤6)中，所述栅格结构的材料为金、银、铜、铝、钨、钛、钯、镍、铂中的一种或多种，通过热蒸镀、磁控溅射、电子束蒸发、电镀或化学镀形成所述栅格结构。
作为优选，在所述步骤7)中，所述橡胶块的颜色为黑色，所述橡胶块的材料为天然橡胶或合成橡胶。
本发明还提出一种图像传感器封装结构，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：
在本发明的图像传感器封装结构的制备过程中，首先在每个所述栅格结构所围绕区域中形成滤光层，然后利用掩膜刻蚀所述格栅结构，以在所述栅格结构的每个侧壁上均形成一第二凹槽，接着刻蚀所述第二凹槽两侧的部分滤光层，以形成第三凹槽，所述第三凹槽的宽度稍大于所述栅格结构的所述侧壁的宽度，接着在所述第三凹槽中形成橡胶块，使得所述橡胶块与所述滤光层紧密接触，上述橡胶块的设置，在滤光层在使用过程中发生膨胀时，橡胶块的存在可以起到缓冲作用，进而消除因滤光层发生膨胀而影响相邻像素单元的性能。
附图说明
图1-图7为本发明的图像传感器封装结构的制备方法中各工序对应的结构示意图。
具体实施方式
下面将参照附图来详细描述本公开的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本公开的范围。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。也就是说，本文中的结构及方法是以示例性的方式示出，来说明本公开中的结构和方法的不同实施例。然而，本领域技术人员将会理解，它们仅仅说明可以用来实施的本公开的示例性方式，而不是穷尽的方式。此外，附图不必按比例绘制，一些特征可能被放大以示出具体组件的细节。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
本发明提出一种图像传感器封装结构的制备方法，包括以下步骤：
1)处理芯片的制备：提供第一半导体衬底，在所述第一半导体衬底上形成多个间隔设置的功能区，接着在所述第一半导体衬底上形成第一布线层，在所述第一布线层上形成第一嵌入式导电块，所述第一布线层包括第一介电层，在所述第一介电层中形成多个通孔以及多层互连金属层，在所述第一介电层上形成第一粘结层，所述第一嵌入式导电块嵌入到所述第一粘结层中。
2)感测芯片的制备：提供第二半导体衬底，在所述第二半导体衬底上形成多个间隔设置的感光结构，所述第二半导体衬底包括相对的第一表面和第二表面，所述感光结构从所述第二半导体衬底的第一表面露出，接着在所述第二半导体衬底的所述第一表面上形成第二布线层，在所述第二布线层上形成第二嵌入式导电块，所述感光结构包括光电二极管，所述第二布线层包括第二介电层，在所述第二介电层中形成多个通孔以及多层互连金属层，在所述第二介电层上形成第二粘结层，所述第二嵌入式导电块嵌入到所述第二粘结层中。
3)将所述第一半导体衬底和所述第二半导体衬底键合在一起，进而使得所述第一嵌入式导电块与相应的第二嵌入式导电块相互键合，将所述第一半导体衬底和所述第二半导体衬底键合之前，对所述处理芯片和所述感测芯片进行表面等离子体处理。
4)接着从所述第二半导体衬底的第二表面对所述半导体衬底进行减薄处理。
5)接着在所述第二半导体衬底的第二表面上形成层叠介质层，所述层叠介质层包括第一介质层、第二介质层和第三介质层，所述层叠介质层通过PECVD、ALD、磁控溅射或热氧化制备。
6)接着在所述层叠介质层上形成光刻胶层，接着在所述光刻胶层中形成第一凹槽；接着在所述凹槽中形成栅格结构，每个所述栅格结构包括四个侧壁，然后去除所述光刻胶层，所述栅格结构的材料为金、银、铜、铝、钨、钛、钯、镍、铂中的一种或多种，通过热蒸镀、磁控溅射、电子束蒸发、电镀或化学镀形成所述栅格结构。
7)接着在每个所述栅格结构所围绕区域中形成滤光层，然后利用掩膜刻蚀所述格栅结构，以在所述栅格结构的每个侧壁上均形成一第二凹槽，接着刻蚀所述第二凹槽两侧的部分滤光层，以形成第三凹槽，所述第三凹槽的宽度稍大于所述栅格结构的所述侧壁的宽度，接着在所述第三凹槽中形成橡胶块，使得所述橡胶块与所述滤光层紧密接触，所述橡胶块的颜色为黑色，所述橡胶块的材料为天然橡胶或合成橡胶。
8)接着在所述滤光层上形成透镜层。
本发明还提出一种图像传感器封装结构，其采用上述方法制备形成的。
下面结合图1至图7描述根据本公开的示例性实施例的图像传感器封装结构的制备方法。
如图1所示，处理芯片的制备：提供第一半导体衬底10，在所述第一半导体衬底10上形成多个间隔设置的功能区11，相邻功能区11之间具有隔离件14，接着在所述第一半导体衬底10上形成第一布线层12，在所述第一布线层12上形成第一嵌入式导电块13，所述第一布线层12包括第一介电层，在所述第一介电层中形成多个通孔以及多层互连金属层，在所述第一介电层上形成第一粘结层，所述第一嵌入式导电块13嵌入到所述第一粘结层中。
其中，所述第一半导体衬底10可以由适合于半导体装置的任何半导体材料制成，具体的所述第一半导体衬底10可以为单晶硅衬底、多晶硅衬底、非晶硅衬底、单晶锗、多晶锗衬底，碳化硅衬底、硅锗衬底。第一半导体衬底10也可以为绝缘体上硅(SOI)、绝缘体上锗硅等各种复合衬底的半导体部分，此外，第一半导体衬底10还可以是玻璃、陶瓷或树脂等绝缘基板，进而在所述绝缘基板上形成有半导体外延层。所述功能区为CMOS功能区。此外，所述第一半导体衬底10的掺杂类型可以是N型掺杂或P型掺杂，进而CMOS功能区具有相同或相反的掺杂类型。
其中，所述第一介质层的材质氮化硅、氧化硅、氮氧化硅中的一种或多种，所述第一介质层通过PECVD法制备形成，所述多个通孔以及多层互连金属层的材质为铜、铝、银、硅、钛、钯、金中的一种或多种的合金，具体为铝、硅铝合金、铜。所述多个通孔以及多层互连金属层通过蒸镀、磁控溅射或电镀工艺形成。在所述第一布线层12上形成第一嵌入式导电块13的具体步骤为：在所述第一布线层12上形成第一粘结层，第一粘结层可以为树脂、氮化硅、氮氧化硅、氧化硅或氧化铝，且通过旋涂、喷涂、PECVD或ALD法形成，然后通过光刻、刻蚀工艺在所述第一布线层12上的第一粘结层中形成暴露互连金属层的开口。接着溅射形成种晶层，进而电镀形成金属层，所述金属层的厚度优选为3μm～9μm，进一步优选为5-7μm。接着对金属层进行化学机械抛光处理，得到镶嵌在通孔中的第一嵌入式导电块13。
如图2所示，感测芯片的制备：提供第二半导体衬底20，在所述第二半导体衬底20上形成多个间隔设置的感光结构21，相邻感光结构21之间具有隔离结构24，所述第二半导体衬底20包括相对的第一表面和第二表面，所述感光结构21从所述第二半导体衬底20的第一表面露出，接着在所述第二半导体衬底20的所述第一表面上形成第二布线层22，在所述第二布线层22上形成第二嵌入式导电块23，所述感光结构21包括光电二极管，所述第二布线层22包括第二介电层，在所述第二介电层中形成多个通孔以及多层互连金属层，在所述第二介电层上形成第二粘结层，所述第二嵌入式导电块23嵌入到所述第二粘结层中。
其中，所述第二半导体衬底20可以由适合于半导体装置的任何半导体材料制成，具体的所述第一半导体衬底20可以为单晶硅衬底、多晶硅衬底、非晶硅衬底、单晶锗、多晶锗衬底，碳化硅衬底、硅锗衬底。第一半导体衬底20也可以为绝缘体上硅(SOI)、绝缘体上锗硅等各种复合衬底的半导体部分，此外，第一半导体衬底10还可以是玻璃、陶瓷或树脂等绝缘基板，进而在所述绝缘基板上形成有半导体外延层。所述第一半导体衬底10的掺杂类型可以是P型掺杂，构成光电二极管的N型的掺杂区域可以是通过离子注入处理而形成的，即通过向P型的半导体衬底10中注入N型的掺杂剂而形成掺杂区域。本领域技术人员可以理解，半导体衬底10还可以是N型掺杂的，在这种情况下，形成光电二极管的掺杂区域为P型掺杂的。还可以通过热扩散工艺形成所述掺杂区。
其中，所述第二介质层的材质氮化硅、氧化硅、氮氧化硅中的一种或多种，所述第二介质层通过PECVD法制备形成，所述多个通孔以及多层互连金属层的材质为铜、铝、银、硅、钛、钯、金中的一种或多种的合金，具体为铝、硅铝合金、铜。所述多个通孔以及多层互连金属层通过蒸镀、磁控溅射或电镀工艺形成。在所述第二布线层22上形成第二嵌入式导电块23的具体步骤为：在所述第二布线层12上形成第二粘结层，第二粘结层可以为树脂、氮化硅、氮氧化硅、氧化硅或氧化铝，且通过旋涂、喷涂、PECVD或ALD法形成，然后通过光刻、刻蚀工艺在所述第二布线层22上的第一粘结层中形成暴露互连金属层的开口。接着溅射形成种晶层，进而电镀形成金属层，所述金属层的厚度优选为3μm～9μm，进一步优选为5-7μm。接着对金属层进行化学机械抛光处理，得到镶嵌在通孔中的第二嵌入式导电块23。
如图3所示，将所述第一半导体衬底10和所述第二半导体衬底20键合在一起，进而使得所述第一嵌入式导电块13与相应的第二嵌入式导电块23相互键合，将所述第一半导体衬底10和所述第二半导体衬底20键合之前，对所述处理芯片和所述感测芯片进行表面等离子体处理，具体工序为：使用氧气或氩气等离子体对所述处理芯片和所述感测芯片进行表面处理30-50秒，处理功率为200-300W，具体为280W，然后将第一半导体衬底10的第一嵌入式导电块13与第二半导体衬底20的第二嵌入式导电块23相互对齐，接着使用2-5MPa的压力将二者键合，并在180-220℃下烘烤40-60分钟。
如图4所示，接着从所述第二半导体衬底20的第二表面对所述半导体衬底进行减薄处理，将所述第二半导体衬底20进行减薄至30-60微米，具体的通过化学机械抛光处理对所述第二半导体衬底20进行抛光处理，通过减薄处理以得到合适的厚度。
如图5所示，接着在所述第二半导体衬底20的第二表面上形成层叠介质层30，所述层叠介质层30包括第一介质层、第二介质层和第三介质层，所述层叠介质层30通过PECVD、ALD、磁控溅射或热氧化制备，所述层叠介质层30的材质为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氧化铝、氮化铝中的一种或多种，通过调节层叠介质层30的厚度和折射率，减少反射光，增加透光量，进而提高图像传感器的灵敏度。
如图6所示，接着在所述层叠介质层30上形成光刻胶层40，接着在所述光刻胶层40中形成第一凹槽；接着在所述凹槽中形成栅格结构50，每个所述栅格结构50包括四个侧壁，然后去除所述光刻胶层40，所述栅格结构50的材料为金、银、铜、铝、钨、钛、钯、镍、铂中的一种或多种，通过热蒸镀、磁控溅射、电子束蒸发、电镀或化学镀形成所述栅格结构50。，具体的，先在所述层叠介质层30上旋涂光刻胶材料，进而通过曝光、显影以及刻蚀工艺形成光刻胶层40以及位于所述光刻胶层40中的第一凹槽41，接着通过电镀工艺在所述第一凹槽中电镀铜，以得到栅格结构50。
如图7所示，接着在每个所述栅格结构50所围绕区域中形成滤光层60，然后利用掩膜刻蚀所述格栅结构50，以在所述栅格结构50的每个侧壁上均形成一第二凹槽，接着刻蚀所述第二凹槽两侧的部分滤光层60，以形成第三凹槽，所述第三凹槽的宽度稍大于所述栅格结构50的所述侧壁的宽度，接着在所述第三凹槽中形成橡胶块70，使得所述橡胶块70与所述滤光层60紧密接触，所述橡胶块70的颜色为黑色，所述橡胶块70的材料为天然橡胶或合成橡胶，接着在所述滤光层60上形成透镜层80。其中，通过旋涂工艺形成所述滤光层60，所述滤光层的材料是有机材料。然后沉积氮化硅作为刻蚀掩膜，在所述刻蚀掩膜中形成开口以暴露所述栅格结构50的每个侧壁的一部分，接着通过湿法刻蚀或干法刻蚀工艺形成第一凹槽，进一步通过干法刻蚀工艺刻蚀所述第二凹槽51两侧的部分滤光层60，以形成第三凹槽52，接着通过狭缝涂布工艺或热压合工艺在所述第三凹槽52中形成橡胶块70，具体的，所述橡胶块70的材质为天然橡胶，其材质还可以是异戊橡胶、丁苯橡胶、顺丁橡胶、氯丁橡胶、硅橡胶等合成橡胶。
在本发明的图像传感器封装结构的制备过程中，首先在每个所述栅格结构所围绕区域中形成滤光层，然后利用掩膜刻蚀所述格栅结构，以在所述栅格结构的每个侧壁上均形成一第二凹槽，接着刻蚀所述第二凹槽两侧的部分滤光层，以形成第三凹槽，所述第三凹槽的宽度稍大于所述栅格结构的所述侧壁的宽度，接着在所述第三凹槽中形成橡胶块，使得所述橡胶块与所述滤光层紧密接触，上述橡胶块的设置，在滤光层在使用过程中发生膨胀时，橡胶块的存在可以起到缓冲作用，进而消除因滤光层发生膨胀而影响相邻像素单元的性能。
虽然已经通过示例对本公开的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本公开的范围。在此公开的各实施例可以任意组合，而不脱离本公开的精神和范围。本领域的技术人员还应理解，可以对实施例进行多种修改而不脱离本公开的范围和精神。本公开的范围由所附权利要求来限定。
Claims (8)
1.一种图像传感器封装结构的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)处理芯片的制备：提供第一半导体衬底，在所述第一半导体衬底上形成多个间隔设置的功能区，接着在所述第一半导体衬底上形成第一布线层，在所述第一布线层上形成第一嵌入式导电块；
2)感测芯片的制备：提供第二半导体衬底，在所述第二半导体衬底上形成多个间隔设置的感光结构，所述第二半导体衬底包括相对的第一表面和第二表面，所述感光结构从所述第二半导体衬底的第一表面露出，接着在所述第二半导体衬底的所述第一表面上形成第二布线层，在所述第二布线层上形成第二嵌入式导电块；
3)将所述第一半导体衬底和所述第二半导体衬底键合在一起，进而使得所述第一嵌入式导电块与相应的第二嵌入式导电块相互键合；
4)接着从所述第二半导体衬底的第二表面对所述半导体衬底进行减薄处理；
5)接着在所述第二半导体衬底的第二表面上形成层叠介质层；
6)接着在所述层叠介质层上形成光刻胶层，接着在所述光刻胶层中形成第一凹槽；接着在所述凹槽中形成栅格结构，每个所述栅格结构包括四个侧壁，然后去除所述光刻胶层；
7)接着在每个所述栅格结构所围绕区域中形成滤光层，然后利用掩膜刻蚀所述格栅结构，以在所述栅格结构的每个侧壁上均形成一第二凹槽，接着刻蚀所述第二凹槽两侧的部分滤光层，以形成第三凹槽，所述第三凹槽的宽度稍大于所述栅格结构的所述侧壁的宽度，接着在所述第三凹槽中形成橡胶块，使得所述橡胶块与所述滤光层紧密接触；
8)接着在所述滤光层上形成透镜层。
2.根据权利要求1所述的图像传感器封装结构的制备方法，其特征在于：在所述步骤1)中，所述第一布线层包括第一介电层，在所述第一介电层中形成多个通孔以及多层互连金属层，在所述第一介电层上形成第一粘结层，所述第一嵌入式导电块嵌入到所述第一粘结层中。
3.根据权利要求1所述的图像传感器封装结构的制备方法，其特征在于：在所述步骤2)中，所述感光结构包括光电二极管，所述第二布线层包括第二介电层，在所述第二介电层中形成多个通孔以及多层互连金属层，在所述第二介电层上形成第二粘结层，所述第二嵌入式导电块嵌入到所述第二粘结层中。
4.根据权利要求1所述的图像传感器封装结构的制备方法，其特征在于：在所述步骤3)中，将所述第一半导体衬底和所述第二半导体衬底键合之前，对所述处理芯片和所述感测芯片进行表面等离子体处理。
5.根据权利要求1所述的图像传感器封装结构的制备方法，其特征在于：在所述步骤5)中，所述层叠介质层包括第一介质层、第二介质层和第三介质层，所述层叠介质层通过PECVD、ALD、磁控溅射或热氧化制备。
6.根据权利要求1所述的图像传感器的制备方法，其特征在于：在所述步骤6)中，所述栅格结构的材料为金、银、铜、铝、钨、钛、钯、镍、铂中的一种或多种，通过热蒸镀、磁控溅射、电子束蒸发、电镀或化学镀形成所述栅格结构。
7.根据权利要求1所述的图像传感器封装结构的制备方法，其特征在于：在所述步骤7)中，所述橡胶块的颜色为黑色，所述橡胶块的材料为天然橡胶或合成橡胶。
8.一种图像传感器封装结构，其特征在于，采用权利要求1-7任一项所述的方法制备形成的。
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| CN112866533A (zh) * | 2021-01-20 | 2021-05-28 | 全红杰 | 一种基于广角摄像头的教育行为智能监控设备及其制造方法 |
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2020
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