CN112985471B - 一种电容传感器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及传感器领域，尤其涉及一种电容传感器及其制作方法。一种电容传感器，其特征在于，包括多个并排设置的像素单元，像素单元包括硅衬底、结构层和钝化层；结构层设置于硅衬底的上表面，结构层包括顶层金属层和介质层；介质层设置于顶层金属层的下方，钝化层设置于结构层的上表面；顶层金属层设置一个或多个通孔，通孔为圆形；钝化层设置一个或多个凹槽，凹槽的对称轴与通孔的对称轴重合。通过在像素单元的顶层金属层设置圆形通孔，改善了由于湿热环境导致的芯片失效的问题。

Description

一种电容传感器及其制作方法

技术领域

本申请涉及传感器领域，尤其涉及一种电容传感器及其制作方法。

背景技术

鉴于树脂低廉的原材料和生产成本、高效的量产优势，以环氧树脂为代表的树脂封装技术在当前及未来都是电子封装领域最重要的技术分支。然而，对以树脂为基体的塑封材料和以无机硅材料为主体的晶圆来说，二者是特性差异显著的两类不同材料。在湿热环境或者应力的作用下，容易出现塑封分层以至于芯片内部结构损伤，进而导致元器件功能完全或部分丧失的问题。特别的，对于塑封分层较为敏感的电容传感器来说，电容传感器的塑封分层现象很可能导致电容测量的不准确，甚至是芯片失效，以至于产品的可靠性降低。

发明内容

针对现有技术中电容传感器的塑封分层导致的可靠性降低的问题，本申请实施例提供了一种电容传感器及其制作方法。

本申请的实施例的第一方面提供了一种电容传感器，包括多个并排设置的像素单元，像素单元包括硅衬底、结构层和钝化层；

结构层设置于硅衬底的上表面，结构层包括顶层金属层和介质层；

介质层设置于顶层金属层的下方，钝化层设置于结构层的上表面；

顶层金属层设置一个或多个通孔，通孔为圆形；

钝化层设置一个或多个凹槽，凹槽的对称轴与通孔的对称轴重合。

根据第一方面，在一种可能的实现方式中，通孔的上开口为圆形；通孔的下开口为圆形；通孔的上开口的直径大于2μm。

根据第一方面，在一种可能的实现方式中，顶层金属层设置一个通孔；通孔的上开口的直径不小于7.5μm、并且不大于9.5μm，通孔的边缘与顶层金属层的边缘之间的最远距离小于或者等于35μm。

根据第一方面，在一种可能的实现方式中，通孔的中心与顶层金属层的中心的距离不大于6.9μm。

根据第一方面，在一种可能的实现方式中，通孔的中心与顶层金属层的中心的距离为6.7μm。

根据第一方面，在一种可能的实现方式中，通孔设置于顶层金属层的中心位置。

根据第一方面，在一种可能的实现方式中，通孔的上开口的直径为7.9μm；通孔的下开口的直径为7.5μm。

根据第一方面，在一种可能的实现方式中，顶层金属层设置四个通孔，四个通孔到顶层金属层的中心的距离相等，通孔的上开口的直径为4.5μm。

根据第一方面，在一种可能的实现方式中，还包括电容检测电路，电容检测电路设置在顶层金属层的下方，通孔设置在电容检测电路的非正上方的位置。

根据第一方面，在一种可能的实现方式中，凹槽设置在通孔的正上方，凹槽上开口的面积大于凹槽的底面的面积。

根据第一方面，在一种可能的实现方式中，凹槽设置在通孔的内部，凹槽上开口的面积大于凹槽的底面的面积。

根据第一方面，在一种可能的实现方式中，凹槽为U型凹槽或者圆台型凹槽，圆台型凹槽的上底面的面积大于圆台型凹槽的下底面的面积。

根据第一方面，在一种可能的实现方式中，凹槽的侧面形成的斜坡的角度随着水平高度的增加而减小。

根据第一方面，在一种可能的实现方式中，凹槽的下底面与凹槽的侧面形成一钝角。

根据第一方面，在一种可能的实现方式中，凹槽的下底面与凹槽的侧面形成的角度大于或者等于100度。

根据第一方面，在一种可能的实现方式中，凹槽的下底面与凹槽的侧面形成的角度等于145度。

根据第一方面，在一种可能的实现方式中，通孔为圆柱型通孔或者圆台型通孔；

圆台型通孔的上底面的面积大于圆台型通孔的下底面的面积；

圆台型通孔的侧面的倾斜角为85度。

根据第一方面，在一种可能的实现方式中，钝化层包括二氧化硅层和氮化硅层，氮化硅层设置于二氧化硅层的上方。

根据第一方面，在一种可能的实现方式中，顶层金属层的厚度不小于0.8μm，并且不大于0.9μm；顶层金属层为铝层；顶层金属层的长大于或者等于35μm；顶层金属层的宽大于或者等于35μm。

根据第一方面，在一种可能的实现方式中，顶层金属层的上表面的钝化层的厚度大于或者等于2.85μm。

根据第一方面，在一种可能的实现方式中，顶层金属层的上表面的钝化层的厚度为3.15μm；顶层金属层的厚度为0.9μm。

根据第一方面，在一种可能的实现方式中，还包括塑封层；塑封层设置于钝化层的上表面。

根据第一方面，在一种可能的实现方式中，像素单元的边长为45μm。

本申请的实施例的第二方面提供了一种电容传感器的制作方法，用于制作如第一方面中任一项的电容传感器，包括：

对电容传感器的像素单元的顶层金属层开设圆形通孔；

在电容传感器的结构层的上表面形成钝化层；结构层包括顶层金属层和介质层，介质层设置于顶层金属层的下方。

根据第二方面，在一种可能的实现方式中，对电容传感器的像素单元的顶层金属层开设圆形通孔之前，还包括：

通过溅射的方式沉积电容传感器的像素单元的顶层金属层；

距离像素单元的顶层金属层的中心不大于6.9μm标定圆形通孔的图案。

根据第二方面，在一种可能的实现方式中，对电容传感器的像素单元的顶层金属层开设圆形通孔包括：通过反应离子蚀刻工艺，根据图案在像素单元的顶层金属层蚀刻出圆形通孔。

根据第二方面，在一种可能的实现方式中，在电容传感器的结构层的上表面形成钝化层包括：使用化学气相沉积工艺，沉积钝化层。

与现有技术相比，本申请实施例的有益效果在于：不再局限于通过塑封材料和塑封工艺提升电容传感的可靠性，而是通过改进电容传感器的像素单元的结构设计，在其顶层金属层设置一个或多个圆形通孔，以改善由于塑封分层带来的电容传感器的可靠性问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一芯片封装清除掉塑封层之后的示意图 ；

图2为本申请实施例提供的一芯片失效后的剖面图；

图3为本申请实施例提供的又一芯片失效后的剖面图；

图4为本申请实施例提供的一芯片的剖面图；

图5为本申请实施例提供的一传感单元的俯视图以及剖面图；

图6为本申请实施例提供的一传感单元的立体结构示意图；

图7为本申请实施例提供的一传感单元的剖面图；

图8为本申请实施例提供的又一传感单元的剖面图；

图9为本申请实施例提供的一种电容传感器的制作方法的流程图；

图10为本申请实施例提供的再一种电容传感器的制作方法的流程图；

图11 为本申请实施例提供的再一种电容传感器的制作方法的流程图；

图12为本申请实施例提供的晶圆制造工艺各个步骤中晶圆的剖面的示意图；

图13为本申请实施例提供的一包括多个像素单元的电容传感器的局部的俯视图；

图14为本申请实施例提供的一种像素单元的顶层金属层设置4个矩形通孔的像素单元的俯视图；

图15为本申请实施例提供的一种像素单元的顶层金属层设置4个圆形通孔的像素单元的俯视图；

图16为本申请实施例提供的一种像素单元的顶层金属层设置1个圆形通孔的像素单元的俯视图；

图17为本申请实施例提供的凹槽上下沿最大剪应力对应于凹槽的斜坡的角度的最大剪应力变化趋势图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请的部分实施例采用举例的方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在各例子中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施例的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。

从失效机理来分析，湿热环境下导致塑封料分层的原因主要有三个方面：首先，环氧塑封料（Epoxy Molding Compound，EMC）在湿热环境下不可避免地会有 0.1%-0.2% 的吸湿率，水汽进入会使塑封料对裸片（Die）的粘附力降低一个数量级左右；其次，塑封分层的发生与材料的热膨胀系数（coefficient of thermal expansion，CTE）有关，热膨胀系数是材料的一个基本物理特性，随着温度升高，材料内部原子的热振动加剧，促使相邻原子的平均间距增大，最终造成材料的宏观膨胀产生引起分层的应力。热膨胀系数越大，温度升高时材料伸展的程度越大，即膨胀程度越大；温度降低时的情况则相反，此处不再赘述。

同时，树脂材料吸湿后溶胀现象明显，同时树脂材料有着远大于无机硅材料的热膨胀系数也会带来塑封料体积的增大，两种膨胀产生的应力进一步恶化塑封层与钝化层（Passivation layer，PA）的粘附界面；此外，已进入塑封结构的水分在高温下的气化还会带来额外应力，加剧塑封分层乃至造成塑封断裂，容易导致芯片失效。

基于以上分析，塑封分层的发生与否实际上取决于塑封界面粘附力与塑封体内应力两者之间的竞争。因此，改善塑封分层，可以从增强塑封界面粘附力和降低塑封体内应力两方面入手。为了解决塑封分层的问题，可以向塑封树脂中增加粘附助剂以直接增强塑封料的粘附力；另外，可以使用低吸湿率的有机树脂或者是减少亲水的无机填料的用量，通过降低塑封层吸水率，减少水汽对界面粘附力的恶化。从这些改善塑封分层的例子可以看出，可以通过改进塑封的材料来改善塑封分层的问题。然而，受生产工艺及材料参数规格所限，塑封料的粘附力、吸湿率、膨胀系数的优化已经接近极限。

在芯片封装或者使用的过程中，往往会遇到环境温度、湿度变化的情况，因此，需要对芯片失效风险进行评估，即失效分析。例如，可以进行高低温循环测试，经过高低温循环测试后，封装结构可能出现层裂、翘曲或者裂纹等缺陷。基于近年来芯片可靠性相关失效案例的分析，发现塑封分层的起始位置具有一定的规律性。

本实施例中，通过功能测试定位失效区域，配合聚焦离子束技术（Focused Ionbeam，FIB）对芯片进行分析，我们发现经历诸如55℃/95%相对湿度（Relative Humidity，RH）的高温高湿条件后，塑封分层几乎全部集中于图1中芯片表面的矩形凹槽位置，图1为一电容传感器芯片封装清理掉塑封层之后的示意图，图1仅仅为局部电容传感器芯片的俯视图，包含两个像素单元，每个像素单元的顶层金属层设置4个方形开槽结构，对该芯片进行FIB分析并选取矩形凹槽附近的区域进行观测可以获取到如图2、图3所示的塑封分层现象的示意图。塑封层1的下方设置有钝化层2，钝化层2可以为透明的，钝化层2的下方为顶层金属层（Top-mental Layer）3，塑封层1中有各种大小不一和形状各异的填料。如图2、图3中箭头处所示，塑封层1与钝化层2之间存在明显的缝隙。图1所采用的方案是在芯片的像素单元的顶层金属层设置方形凹槽，通过仿真受力情况可以发现，方形凹槽的四个边沿的中部容易产生局部应力集中现象，从粘附力的角度来看，方形凹槽内的污物不易清理，塑封料颗粒填料不易填充从而粘附力较低，因此，从受力状态和粘附力的角度来看，在芯片的像素单元的顶层金属层设置矩形凹槽不能很好地抑制塑封分层现象。

电容传感器的像素单元的顶层金属因尺寸关系需要设置释放应力的通孔（Through-hole），而不当的通孔设计会使塑封分层的风险进一步恶化。一般来说，晶圆（wafer）制造有确定的设计规则（Design Rule），例如，对于0.18μm及以下晶圆制造工艺，凡是出现 35μm×35μm以上的大面积连续金属层，都需要布置开槽结构。例如可以在像素单元的顶层金属层上布置如图1所示的矩形开槽（slot）。该矩形开槽结构在顶层金属层沉积后的化学机械抛光（Chemical Mechanical Polishing，CMP）工艺中起到应力缓冲作用，可有效解决过宽金属中间下沉导致的平坦化问题，同时也利于金属占比偏大区域蚀刻工艺均匀性的控制。从机械性能和工艺角度讲，连续大块金属层这样的开槽结构是不可避免的。

如图4中的（a）所示的电容传感器的剖面的示意图，该电容传感器包括多个像素单元，像素单元包括硅衬底4、设置于硅衬底4上方的结构层5以及设置于结构层表面的钝化层，该结构层5包括顶层金属层及其下方的各层介质及金属结构，可以理解为结构层5包括从硅衬底4上制作的掺杂阱及其往上到顶层金属层之间的各层金属层及介质层，如图4中的（b）所示为结构层5的局部放大示意图，该结构层5包括多层金属层及介质层，其中钝化层2设置于结构层的上表面，顶层金属层3设置有圆形通孔结构，该钝化层2可以通过化学气相沉积法（Chemical Vapor Deposition，CVD）沉积形成；图4中的（c）所示为像素单元的钝化层的凹槽结构的示意图，像素单元的顶层金属层3设置有圆形通孔，结构层的上表面设置有钝化层2，钝化层2设置有凹槽4，凹槽设置在圆形通孔的正上方。请参考图4中的（c），可以理解的是，CVD的台阶覆盖性很难达到100%的理想状态，因此，在钝化层形成圆台型凹槽的工艺难度较大。

基于上述实施例公开的内容，本实施例中，该钝化层上的凹槽4在通孔的正上方，当钝化层较薄的时候，该凹槽形状可以为U型凹槽，U型凹槽不要求特别高的台阶覆盖性。另外，请参考图4中的（c）所示，该凹槽的侧面随着水平高度的增加而更趋于平缓，即随着水平高度的增加，钝化层的凹槽的侧面形成的斜坡的角度减小，例如，对于图4中的（c）所示的凹槽的侧面AA处的角度接近90度，凹槽的侧面BB处接近平面，凹槽的侧面BB处的角度接近0度。

基于上述实施例公开的内容，本实施例中，请参考图5所示的像素单元的示意图，其中，图5中的(a)为其俯视图、图5中的 (b)为其剖面图，请参考图5中的（a）所示的像素单元的顶层金属层的俯视图，像素单元的顶层金属层33可以设置一个圆形通孔35，通孔的上开口和下开口都是圆形。如图5中的（b）所示的像素单元的剖面图，像素单元的顶层金属层33可以设置一个圆形通孔35，本实施例中，圆形通孔可以是圆柱型通孔或者圆台型通孔，图5中的（b）以圆形通孔35为圆台型通孔为例进行说明，该圆台型通孔35的上底面的面积大于其下底面的面积，这样有利于工艺实现。例如，圆台型通孔35的侧面的倾斜角可以为85度，倾斜角为85度的圆台型通孔更利于工艺的实现，有利于节省成本。对于圆柱型通孔来说，其上底面的面积等于其下底面的面积。请参考图5中的（b），顶层金属层33的上表面可以有钝化层32，本实施例中，钝化层设置于结构层的上表面，结构层包括顶层金属层和顶层金属层下方的介质层，钝化层不仅仅设置于顶层金属层的上表面，钝化层也设置于顶层金属层的通孔内。钝化层上设置有凹槽34，该凹槽34设置在通孔35的正上方，可以理解为凹槽34与通孔35呈轴对称，凹槽34与通孔35的对称轴重合。本实施例中，通孔设置为图5中的（b）所示的圆台型通孔，相较于圆柱型通孔来说，圆台型通孔在工艺上更容易实现。具体来说，离子蚀刻形成通孔的时候，顶层金属层暴露的时间越长，横向扩展的距离更宽，而对于圆柱型通孔，工艺上较难实现圆柱型通孔的侧面和底面垂直，圆柱型通孔的成本相对来说较高；另外，圆台型通孔相较于圆柱型通孔来说，更不容易出现塑封分层的问题，可以理解的是，圆台型通孔的上底面的面积大于其下底面的面积，因此，圆台型通孔的侧面与下底面之间形成的角度大于90度，在具有圆台型通孔的顶层金属层上形成钝化层后，钝化层的凹槽的下底面与侧面形成的角度更倾向于大于90度，即钝化层的凹槽的下底面与侧面之间更平缓，更有利于塑封层的填料与钝化层的充分接触。本申请实施例通过调整通孔的几何特征来降低塑封分层的发生概率，突破了改善塑封材料提高可靠性的技术局限与瓶颈，进一步改善了塑封界面应力，改善了塑封料填充的均匀性，在湿热环境下该改善效果尤为明显，能显著提升芯片可靠性。

本申请实施例提供的电容传感器由多个像素单元组成，以一个像素单元（Pixel）为例进行说明，请参考图6所示的一个像素单元的示意图，像素单元的顶层金属层上设置一个圆形通孔6，其直径φ大于2μm，当像素单元的顶层金属层仅仅设置一个通孔时，其直径φ可以设置在7.5μm至9.5μm之间，并且，通孔可以设置在顶层金属层的中心位置，通孔的边缘距离像素单元最远边界的距离小于或者等于35μm。如图5中的（a）所示，圆形通孔的直径φ可以设置为7.5μm至9.5μm中的任意值，例如，可以直接在顶层金属层设置直径为7.5μm或者7.8μm的圆形通孔。本实施例中的圆形通孔的上开口的直径可以等于下开口的直径，例如为圆柱型通孔，圆形通孔的上开口的直径和下开口的直径都等于7.5μm。另外，本实施例中的圆形通孔也可以为圆台型通孔，例如，圆台型通孔的上开口的直径为7.9μm，圆台型通孔的下开口的直径为7.5μm，这样更有利于工艺实现，可以节省成本。

对于塑封层来说，芯片封装所使用的树脂塑封料一般由环氧树脂基体、氧化硅、氧化铝颗粒填料及少量各类助剂组成。颗粒填料占比一般可以达到80%，因而颗粒填料能否顺利进入钝化层的凹槽区域，对于塑封体填充的均匀性有至关重要的影响。

基于对业界主要环氧树脂塑封料供应商提供的电容产品专用塑封料填料粒径统计，填料颗粒粒径分布中心值为9μm，且绝大多数填料颗粒粒径集中在6μm-10μm区间，3微米左右小粒径颗粒占比不到20%。基于塑封模流分析，考虑到塑封过程中有限的模流距离，过大粒径的填料颗粒无法填充到钝化层的直径较小的凹槽内，填充效果会很差，甚至可能因填充不完全产生微小空隙，成为塑封分层或裂纹的诱发因素。这种填充的不均匀性，在图2和图3所示的分析失效样品规律性的电子显微镜照片上能清晰看到，特别是通过图3可以直观的看出过大粒径的填料颗粒无法填充进钝化层上形成的较小的凹槽，因此，本实施例中设置圆形通孔的直径大于或者等于7.5μm，这样便于颗粒填料填充进钝化层上形成的小凹槽中，至少可确保六成左右的填料颗粒填充不受影响，进而大大改善塑封料填充效果；另外，顶层金属层的圆形通孔的直径小于或者等于9.5μm，以避免通孔太大而容易影响到电容传感器的信号强度，并有利于避开结构层中顶层金属层下方可能存在的易受外界干扰的电路结构，例如，电容检测电路。本实施例通过调整圆形通孔的直径，一方面保证芯片的可靠性，另外，有利于通孔设置位置与顶层金属层下方的电容检测电路的位置相互错开从而增加电路的稳定性。

基于上述实施例公开的内容，本实施例中，如图5中的（b）所示，钝化层32上形成的凹槽34设置在通孔35的正上方，并且凹槽34的底部与凹槽的侧面形成一钝角，该钝角大于或者等于100度，例如，该钝角可以等于145度。或者可以理解为凹槽34为一个倒圆台的形状，凹槽的侧面形成一斜坡，该斜坡的角度α小于80°，例如，该斜坡的角度可以为45度。由图5中的（b）可知，凹槽34的上开口的直径大于该凹槽的底面的直径，即该凹槽上底面的面积大于该凹槽的下底面的面积。

以电容传感器为铝制程的为例进行说明，顶层金属层上表面可以为二氧化硅层或者氮化硅层，即钝化层可以为二氧化硅层或者氮化硅层。另外，钝化层可以包括二氧化硅层和氮化硅层，当钝化层包括二氧化硅层和氮化硅层时，电容传感器的绝缘性很好，阻隔水汽的能力也较强，具体的，氮化硅层设置于二氧化硅层的表面，氮化硅层的绝缘性好，阻隔水汽的能力较强，但是氮化硅比较脆，容易损坏，因此，在氮化硅层的下面设置二氧化硅层可以提高钝化层的韧性，不易损坏。

本实施例中，可以通过控制顶层金属层及钝化层厚度获取斜坡为特定角度的凹槽，这里通过FIB获取到的剖面图进行举例说明：在厚度2.66μm的顶层金属层上沉积厚度2.74μm的钝化层所形成的像素单元的部分剖面图如图7所示，请参考图7，顶层金属层上表面的钝化层的厚度L2=2.74μm，顶层金属层的厚度L3=2.66μm，钝化层的凹槽的深度D1=3μm，在顶层金属层开口处的钝化层的厚度L1=1.2μm。在厚度0.73μm的顶层金属层上沉积厚度2.86μm的钝化层所形成的像素单元的部分剖面图如图8所示，请参考图8，顶层金属层上表面的钝化层的厚度L1=2.86μm，顶层金属层的厚度L2=0.73μm，钝化层的凹槽的深度D1=0.87μm，在顶层金属层开口处的钝化层的厚度L3=2.2μm，该凹槽的斜坡的角度为α≈45度。图7所示的凹槽的靠近凹槽底部的斜坡的角度明显大于45度，即，图7的凹槽比图8的凹槽陡很多。比较图7和图8可以看出，减小顶层金属层的厚度有利于获取更小的凹槽斜坡角度，增大钝化层厚度也有利于获取更小的凹槽斜坡角度，相反的，增大顶层金属层的厚度、减小钝化层厚度使得凹槽斜坡更陡，其原理类似于自然界雪花覆盖楼梯台阶。在图8所示的像素单元的部分剖面图中，顶层金属层和钝化层的厚度通过扫描电镜测量分别为0.73μm和2.86μm，获取的斜坡角度约为45°。另外，受CVD本身台阶覆盖特性的影响，实际斜坡的各个部分的角度会有所差异，并不是每一处的角度均严格等于45°。

本实施例中，通过控制顶层金属层的厚度和/或钝化层的厚度实现对钝化层的凹槽的斜坡的角度的调整。具体的，可以通过降低顶层金属层的厚度、增加钝化层的厚度以减小斜坡角度。斜坡的角度越小，填充颗粒更容易填充到该凹槽中，塑封层与钝化层的粘附力更大，更不容易出现塑封分层现象，另外，各层的厚度还应考虑机台实际工艺水平进行设置。

本申请实施例的方案可应用于电容传感器。对于电容传感器而言，顶层金属层起到电容极板的作用，通过待测目标的感应电容大小获取传感信息。其传感原理决定其传感功能易受塑封分层的影响，湿热环境下，微小的分层以及湿热水汽的聚集，会引起传感器的像素单元的单元感应电容值发生显著变化，进而导致器件失效。通过在像素单元的顶层金属层设置圆形通孔，可有效抑制电容传感器的这种塑封分层，进而显著提升芯片的可靠性。

以采用本方案的像素单元为例进行说明，如图6所示，呈立方体形状的电容传感器的像素单元顶部靠近中心位置设置有圆形通孔，或者顶层金属层的中心的位置设置有圆形通孔，该通孔可以为空心圆柱或者空心倒圆台；电容传感器由成百乃至上千个沿XY方向周期排列的像素单元组成，每个像素单元靠近中心的位置都可以设置这样的一个圆形通孔。在电容传感器的每个像素单元的顶层金属层的居中位置设置圆形通孔，可以有效降低湿热环境下晶圆与塑封料的界面应力，利于塑封料有效地均匀地被填充进钝化层的凹槽内，进而有效抑制塑封分层的发生。

本申请实施例提供的在像素单元的顶层金属层开通孔的结构，适用于电容传感器的常规铝制程工艺。在顶层金属层设置单个或多个圆形通孔，可以有效降低湿热环境下晶圆与塑封料的界面应力，并利于塑封料有效的均匀填充，进而抑制塑封分层的发生。另外可以通过调节顶层金属层和钝化层厚度，获取钝化层的凹槽的斜坡的角度目标值，例如凹槽的斜坡可以设置为45度，以改善塑封分层的问题。

基于上述实施例公开的内容，本实施例提供一种电容传感器的制作方法，以形成上述实施例公开的电容传感器，请参考图9，具体的，可以包括以下步骤：

S901：对电容传感器的像素单元的顶层金属层开设圆形通孔；

S902：在电容传感器的结构层的上表面形成钝化层；

基于上述实施例公开的内容，本实施例中，结构层包括顶层金属层和介质层，介质层设置于顶层金属层的下方。请参考图10，在步骤S901之前，还可以包括步骤：S1001：通过溅射的方式沉积电容传感器的像素单元的顶层金属层；距离像素单元的顶层金属层的中心不大于6.9μm标定圆形通孔的图案。其中，步骤S1001可以为在顶层金属层的中心标定圆形通孔的图案。本实施例中，可以通过以溅射为代表的物理沉积工艺制作顶层金属层，在顶层金属层上通过光刻工艺定义通孔形状为圆形，并通过反应离子蚀刻工艺实现在顶层金属层上形成通孔。图10中的步骤S1002、S1003与前述实施例中的步骤S901、S902相同或者近似，此处不再赘述。

基于上述实施例公开的内容，本实施例中，步骤S901可以包括：通过反应离子蚀刻工艺，根据图案在像素单元的顶层金属层上蚀刻出圆形通孔。

基于上述实施例公开的内容，以电容传感器为例，进一步说明电容传感器的制作方法，请参考图11，其方法包括以下步骤：

S1101：制作电容传感器的CMOS、各层金属及介质层结构；

步骤S1101可以完成前序制程，该前序制程包括晶圆厂前道、中道以及后道大部分制程，以电容传感器为例，可以理解为完成电容传感器互补金属氧化物半导体(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS)及各层金属、介质层结构的制作，经过步骤S1101的前序制程形成的芯片结构的剖面图如图12中的（a）所示。

S1102：通过溅射的方式沉积顶层金属层；

在步骤S1102中可以完成制作沉积顶层金属层，例如，以溅射的工艺来实现，对于在S1101中完成前序各层结构加工的晶圆，经抛光和清洗流程后，再执行步骤S1102，通过溅射的方式沉积顶层金属层，顶层金属层的厚度不小于0.8μm，并且不大于0.9μm。例如，通过溅射的方式沉积0.8μm厚的金属铝层，即顶层金属层可以为0.8μm厚的铝层，另外，考虑到沉积工艺能力，允许有15%的尺寸公差。例如，顶层金属层的厚度也可以为0.73μm。经过步骤S1102形成的芯片结构的剖面图如图12中的（b）所示。

S1103：表面涂布光刻胶、经深紫外曝光后在顶层金属层的表面标定圆形通孔的位置；

步骤S1103的步骤也可以称之为光刻，经过步骤S1102之后，晶圆已经完成了金属沉积，对其清洗后，在晶圆表面涂布光刻胶，然后经前烘、深紫外曝光、后烘、显影等一系列光刻工艺，最后在晶圆的顶层金属层的上表面标定圆形通孔的位置，例如，在晶圆居中的位置定义单个圆形图案，本申请实施例中标定圆形通孔的位置的目的是用作下一步的蚀刻掩膜，经过步骤S1103形成的芯片结构的剖面图如图12中的（c）所示。

S1104：通过反应离子蚀刻工艺，在顶层金属层蚀刻出圆形通孔；

步骤S1104也可以称之为反应离子刻蚀，即通过反应离子蚀刻工艺，将光刻图形转移到顶层金属层上。可以理解为在晶圆的顶层金属层蚀刻出圆形通孔结构，另外，通过反应离子刻蚀也可以同时蚀刻出顶层金属的其它结构。蚀刻完成后可以进行后处理及清洗制程, 经过步骤S1104形成的芯片结构的剖面图如图12中的（d）所示。

S1105：在有顶层金属层的晶圆表面沉积钝化层；

步骤S1205完成了沉积钝化层，可以通过CVD工艺，在顶层金属层的表面沉积二氧化硅层和氮化硅层，沉积厚度例如在2.85μm以上, 即顶层金属层的表面的钝化层的厚度可以大于或者2.85μm，例如，顶层金属层的上表面的钝化层的厚度可以设置为3.15μm，顶层金属层的厚度可以设置为0.9μm，在特定厚度的顶层金属层上沉积特定厚度的钝化层，这样钝化层的凹槽的斜坡的角度更缓，对电容传感器的塑封分层问题改善更明显。经过步骤S1105形成的芯片结构的剖面图如图12中的（e）所示。

S1106：对晶圆进行打线、Pad开窗；

步骤S1106可以完成沉积钝化层之后的后续制程，例如，完成打线、电极（Pad）开窗等一列后续晶圆制程，经过步骤S1106形成的芯片结构的剖面图如图12中的（f）所示。

制备完成的像素单元的顶层金属层的通孔的形状可以参考图5中的（a）所示，该通孔的直径φ可以为7.8μm。电容传感器芯片包括多个并排的像素单元，请参考图13所示的电容传感器的俯视图，每个像素单元的顶层金属层的靠近中心的位置都设置有一个圆形的通孔，本实施例中圆形通孔可以设置在像素单元的中心，需要说明的是，该通孔也可以基于居中位置有小幅偏移。如果顶层金属层的下方有容易被外界影响的电路结构，例如电容、差分放大器等，电容包括补偿电容、反馈电容等，为了使得通孔避让敏感电路结构，圆形通孔可以基于晶圆的中心位置偏移0μm -6.9μm，以保护电容检测电路。例如，对于边长为50μm的像素单元，其顶层金属层的圆形通孔的中心可以偏离像素单元的中心少于6.4μm，再例如，对于边长为45μm的像素单元，若其顶层金属层的圆形通孔的直径为7.5μm，圆形通孔的中心可以基于像素单元的居中位置偏移6.7μm，圆形通孔的边缘到像素单元的边缘的距离不超过35μm。本实施例中，偏移指的是水平方向上的偏移，即通孔的中心与顶层金属层的中心的距离指的是水平方向的距离。

基于上述实施例公开的内容，本实施例中，通孔的中心与像素单元的顶层金属层的中心的距离不大于6.9μm，具体的，通孔的中心与顶层金属层的中心的距离可以为6.7μm，本实施例通过调整通孔与像素单元边缘的距离以使得通孔设置位置与顶层金属层下方的电容检测电路的位置相互错开从而增加电路的稳定性。

本实施例中，基于工艺的不同，通孔的几何参数也会有所差异，顶层金属层的圆形通孔也不会给晶圆制程带来困难。

通过对塑封界面进行力学仿真，可以得到湿热环境下芯片的应力分布情况。以三种不同结构的像素单元为例进行比较，第一种结构如图14所示，电容传感器的像素单元的顶层金属层设置四个矩形通孔，其中，每个矩形通孔的面积为4μm×4μm；第二种结构如图15所示，电容传感器的像素单元的顶层金属层设置四个均匀分布的圆形通孔，其中，每个圆形通孔的直径为φ=4.5μm，并且每个通孔到顶层金属层的中心的距离相等；第三种结构如图16所示，电容传感器的像素单元的顶层金属层设置一个圆形通孔，其圆形通孔的直径为φ=9μm。可以通过仿真分析这三种结构在湿热环境下的应力情况。

升温或吸湿后，因芯片的树脂塑封料的体积变化远大于无机的钝化层材料的体积变化，因此，在塑封层与钝化层的连接界面产生剪切应力。当剪切应力超过塑封料与钝化层的粘附力时，便发生塑封分层。通过力学仿真分析可以得到，相比于图14所示的具备4个矩形通孔的顶层金属层结构，图15所示的具备4个同面积的圆形通孔的顶层金属层结构的通孔附近区域最大剪应力约为图14的结构的最大剪应力的78%，且图15所示的结构的较高应力区域明显减少；而对于图16的具备单个大圆形通孔的顶层金属层来说，其通孔附近区域最大剪应力约为图14所示的结构的最大剪应力的45%，图15和图16的结构对湿热应力的缓解效果明显。另外，比较图15和图16的结构对应的应力分布可知，圆形通孔的面积越大，更便于缓解应力。当通孔总面积维持固定时，相比于在顶层金属层设置4个小通孔的方案，无论是从湿热环境下所受的剪应力还是塑封料填充效果角度分析，在顶层金属层设置1个大通孔的方案的塑封料的填充效果更好。

从晶圆制程的角度分析，对于相同面积的矩形通孔和圆形通孔，在顶层金属层上设置圆形通孔的封装结构更有利于塑封前的晶圆制程工艺，特别是对于凹槽内粘附污物的有效清洗这一步骤来说，圆形通孔结构更便于清洗粘附污物，进而提升塑封层粘附力。可以理解的是，矩形通孔这种侧边带有角落的通孔在结构上不利于塑封前序制程中清洗液对角落污物的有效清洗，而圆形通孔避免了两个侧边形成的90度的角落，便于塑封前的晶圆制程中晶圆的清洗。

对于钝化层形成的凹槽来说，倒圆台形状的凹槽有利于减少塑封层和钝化层之间的剪应力，可以通过力学仿真分析可以验证不同斜坡角度下凹槽在湿热环境下的受力情况。采用相同大小的凹槽的上开口面积及其它建模参数，仅通过调整凹槽底部面积控制斜坡角度可以得到不同方案的应力分布，例如，方案1、方案2、方案3、方案4、方案5中钝化层的凹槽的斜坡的角度分别为90度、86.7度、83度、80.5度、77.4度。方案1的钝化层的侧面垂直于顶层金属层，该凹槽结构上沿区域应力集中明显，上沿区域即靠近塑封层的区域是湿热环境下塑封分层的高分风险区域。而随着凹槽的斜坡角度的不断降低，高剪应力的区域明显减少。当斜坡角度小于80°后，剪应力有明显下降，再进一步降低斜坡角度，斜坡区域剪应力分布将趋于一致，基本都比较低。具体的，方案1、方案2、方案3、方案4、方案5的详细数据如表1所示，“Max”表示最大应力值，“Min”表示最小应力值，“P-上开口”表示在上开口处某一点的应力值，“P-底”表示在底面的某一点的应力值，另外，还可以参考图17所示的凹槽上下沿最大剪应力变化趋势图，由表1以及图4中的数据可知，当角度α等于83°、80.5°或者77.4°时，钝化层的凹槽的上开口处的应力相比于角度α等于86.7°或者90°时显著降低。因此，可以理解的是，当凹槽的斜坡的角度小于或者等于80度时，湿热状态下的应力有明显减小。凹槽上沿即“P-上开口”附近的应力随角度减小而减小，凹槽下沿即“P-底”附近的应力随角度减小仅仅略有增大，简单来说，斜坡越缓，越接近没有凹槽的状态，应力分布越均匀。本申请实施例中，表1和图4中的数据的单位均为无量纲a.u，仅仅用于对比应力的变化趋势。

表1：不同斜坡角度应力对比表

像素单元的顶层金属层设置圆形通孔的方案，可以应用于电容传感器。对承担电容传感极板作用的晶圆的像素单元的顶层金属层来说，电容传感器芯片功能基本不受该圆形通孔的影响。参考电容指纹芯片的应用场景，对不同通孔情况下的传感芯片电信号仿真，容值仿真结果如表2所示：

表2：顶层金属层不同通孔方案对电容传感功能影响的分析表

表中C_max、 C_min分别为手指按压后指纹脊、谷区域对应的电容值，△C 和C 分别为指纹脊、谷电容值的差值和传感芯片本底电容值，其中△C 和C影响按压后信号量大小，两者比值△C/C影响电容传感灵敏度。表2中Pixel开槽情况“4方形 总面积36μm^2”表示像素单元的顶层金属层有4个面积相等的方形的通孔的方案，4个方形的通孔的总面积为36μm^2；表2中Pixel开槽情况“4圆形 总面积72μm^2”表示像素单元的顶层金属层有4个面积相等的圆形通孔的方案，4个圆形通孔的总面积为72μm^2；表2中Pixel开槽情况“2圆形 总面积72μm^2”表示像素单元的顶层金属层有2个面积相等的圆形通孔的方案，2个圆形通孔的总面积为72μm^2。从表1的数据可以看出，改变通孔形状或者是在一定范围内增大通孔面积一般不会对电容传感器功能造成影响。顶层金属层配置单个圆形通孔的结构也一般不会对电容传感器功能造成影响，顶层金属层配置的单个圆形通孔的面积可以为 64μm^2。

在顶层金属层设置圆形通孔的方案可以有效抑制塑封界面分层，进而提升电容传感器的可靠性，另外，不会对以信号量为基础的功能产生不利影响。当然，考虑到电容传感诸如信噪比等功能参数，顶层金属层以下的电路结构特别是部分敏感电路的布局可以适当避让顶层金属层的通孔区域，以达到更好地屏蔽效果，可以理解的是，当顶层金属层设置通孔，顶层金属层下方的电路没有金属覆盖/屏蔽时，外界电磁杂波就会对内部电路上感应出电流，这样可能会影响到顶层金属层下方电路的正常工作。本实施例中，可以通过调整通孔的尺寸或者位置来提升电容传感器的性能，若芯片包括电容、放大器等元器件，这些电路设置在顶层金属层的下方，则通孔可以设置在这些元器件的非正上方的位置，例如，电容检测电路设置在顶层金属层的下方，通孔设置在电容检测电路的非正上方的位置，也可以理解为通孔和顶层金属层下方的电路在垂直方向上不重叠。

本实施例提供的电容传感器包括前述实施例中的任意一种像素单元，多个像素单元并排设置。请参考图13，图13所示的每一个矩形框内为一个电容传感单元，或者称之为像素单元。足够数量的像素单元并排设置承担传感功能，像素单元的边长不小于40μm并且不大于50μm，例如，像素单元的边长可以为45μm，本实施例中，像素单元的形状可以为正方体。另外，顶层金属层的长大于或者等于35μm，顶层金属层的宽大于或者等于35μm。图13中中间的像素单元表面的浅色圆形阴影为显微镜对焦的标志，以用于表示对焦准确。本申请实施例提供的电容传感器的具体实现上述参见上述实施例，此处不再赘述。

应理解，在本申请实施例中，“与A 相应的B”表示B 与A 相关联，根据A 可以确定B。但还应理解，根据A 确定B 并不意味着仅仅根据A 确定B，还可以根据A 和/或其它信息确定B。

另外，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (27)

1.一种电容传感器，其特征在于，包括多个并排设置的像素单元，所述像素单元包括硅衬底、结构层和钝化层；

所述结构层设置于所述硅衬底的上表面，所述结构层包括顶层金属层和介质层；所述顶层金属层用于承担所述电容传感器的极板的作用；

所述介质层设置于所述顶层金属层的下方，所述钝化层设置于所述结构层的上表面；

所述顶层金属层设置一个或多个通孔，所述通孔为圆形；

所述钝化层设置一个或多个凹槽，所述凹槽的对称轴与所述通孔的对称轴重合。

2.根据权利要求1所述的电容传感器，其特征在于，所述通孔的上开口为圆形；所述通孔的下开口为圆形；所述通孔的上开口的直径大于2μm。

3.根据权利要求2所述的电容传感器，其特征在于，所述顶层金属层设置一个所述通孔；所述通孔的上开口的直径不小于7.5μm、并且不大于9.5μm，所述通孔的边缘与所述顶层金属层的边缘之间的最远距离小于或者等于35μm。

4.根据权利要求3所述的电容传感器，其特征在于，所述通孔的中心与所述顶层金属层的中心的距离不大于6.9μm。

5.根据权利要求4所述的电容传感器，其特征在于，所述通孔的中心与所述顶层金属层的中心的距离为6.7μm。

6.根据权利要求4所述的电容传感器，其特征在于，所述通孔设置于所述顶层金属层的中心位置。

7.根据权利要求6所述的电容传感器，其特征在于，所述通孔的上开口的直径为7.9μm；所述通孔的下开口的直径为7.5μm。

8.根据权利要求1所述的电容传感器，其特征在于，所述顶层金属层设置四个所述通孔，所述四个通孔到所述顶层金属层的中心的距离相等，所述通孔的上开口的直径为4.5μm。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的电容传感器，其特征在于，还包括电容检测电路，所述电容检测电路设置在所述顶层金属层的下方，所述通孔设置在所述电容检测电路的非正上方的位置。

10.根据权利要求1至8中任一项所述的电容传感器，其特征在于，所述凹槽设置在所述通孔的正上方，所述凹槽上开口的面积大于所述凹槽的底面的面积。

11.根据权利要求1至8中任一项所述的电容传感器，其特征在于，所述凹槽设置在所述通孔的内部，所述凹槽上开口的面积大于所述凹槽的底面的面积。

12.根据权利要求1至8中任一项所述的电容传感器，其特征在于，所述凹槽为U型凹槽或者圆台型凹槽，所述圆台型凹槽的上底面的面积大于所述圆台型凹槽的下底面的面积。

13.根据权利要求1至8中任一项所述的电容传感器，其特征在于，所述凹槽的侧面形成的斜坡的角度随着水平高度的增加而减小。

14.根据权利要求1至8中任一项所述的电容传感器，其特征在于，所述凹槽的下底面与所述凹槽的侧面形成一钝角。

15.根据权利要求1至8中任一项所述的电容传感器，其特征在于，所述凹槽的下底面与所述凹槽的侧面形成的角度大于或者等于100度。

16.根据权利要求1至8中任一项所述的电容传感器，其特征在于，所述凹槽的下底面与所述凹槽的侧面形成的角度等于145度。

17.根据权利要求1至8中任一项所述的电容传感器，其特征在于，所述通孔为圆柱型通孔或者圆台型通孔；

所述圆台型通孔的上底面的面积大于所述圆台型通孔的下底面的面积；

所述圆台型通孔的侧面的倾斜角为85度。

18.根据权利要求1至8中任一项所述的电容传感器，其特征在于，所述钝化层包括二氧化硅层和氮化硅层，所述氮化硅层设置于所述二氧化硅层的上方。

19.根据权利要求1至8中任一项所述的电容传感器，其特征在于，所述顶层金属层的厚度不小于0.8μm，并且不大于0.9μm；所述顶层金属层为铝层；所述顶层金属层的长大于或者等于35μm；所述顶层金属层的宽大于或者等于35μm。

20.根据权利要求1至8中任一项所述的电容传感器，其特征在于，所述顶层金属层的上表面的钝化层的厚度大于或者等于2.85μm。

21.根据权利要求1至8中任一项所述的电容传感器，其特征在于，所述顶层金属层的上表面的钝化层的厚度为3.15μm；所述顶层金属层的厚度为0.9μm。

22.根据权利要求1至8中任一项所述的电容传感器，其特征在于，还包括塑封层；所述塑封层设置于所述钝化层的上表面。

23.根据权利要求1至8中任一项所述的电容传感器，其特征在于，所述像素单元的边长为45μm。

24.一种电容传感器的制作方法，用于制作如权利要求1至23中任一项所述的电容传感器，其特征在于，包括：

对电容传感器的像素单元的顶层金属层开设圆形通孔；

在所述电容传感器的结构层的上表面形成钝化层；所述结构层包括所述顶层金属层和介质层，所述介质层设置于所述顶层金属层的下方。

25.根据权利要求24所述的电容传感器的制作方法，其特征在于，所述对电容传感器的像素单元的顶层金属层开设圆形通孔之前，还包括：

通过溅射的方式沉积所述电容传感器的所述像素单元的所述顶层金属层；

距离所述像素单元的所述顶层金属层的中心不大于6.9μm标定所述圆形通孔的图案。

26.根据权利要求25所述的电容传感器的制作方法，其特征在于，所述对电容传感器的像素单元的顶层金属层开设圆形通孔包括：通过反应离子蚀刻工艺，根据所述图案在所述像素单元的所述顶层金属层蚀刻出所述圆形通孔。

27.根据权利要求24所述的电容传感器的制作方法，其特征在于，所述在所述电容传感器的结构层的上表面形成钝化层包括：使用化学气相沉积工艺，沉积所述钝化层。

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