TW202101778A - 半導體裝置、其製造方法以及使用其之生物辨識設備 - Google Patents

Abstract

一種半導體裝置包括一導電基板以及一封裝結構。導電基板具有複數個畫素。封裝結構設置於導電基板上，且封裝結構包括至少一光準直單元。光準直單元包括一透明基板及一圖案化遮光層。圖案化遮光層設置於透明基板上。圖案化遮光層具有對應於畫素設置的複數個孔洞。

Description

半導體裝置、其製造方法以及使用其之生物辨識設備

本揭露實施例係有關於一種半導體裝置，且特別有關於一種具有光準直(light-collimating)功能的半導體裝置、其製造方法以及使用其之生物辨識設備。

半導體裝置可被使用於各種應用中。舉例而言，半導體裝置可被用來作為生物辨識設備(例如，指紋辨識設備、臉部辨識設備、虹膜辨識設備等的至少一部分)。生物辨識設備可由大量的光學元件組成。舉例而言，上述光學元件可包括光準直器(collimator)。光準直器可用於準直(collimate)光線，以減少因光發散所導致之能量損失。因此，光準直器可例如被應用於生物辨識設備(例如，指紋辨識設備)中，以增加其辨識的效能。

然而，現有之光準直器及其形成方法並非在各方面皆令人滿意。

本揭露實施例包括一種半導體裝置。半導體裝置包括一導電基板以及一封裝結構。導電基板具有複數個畫素。封裝結構設置於導電基板上，且封裝結構包括至少一光準直單元。光準直單元包括一透明基板及一圖案化遮光層。圖案化遮光層設置於透明基板上。圖案化遮光層具有對應於畫素設置的複數個孔洞。

本揭露實施例包括一種半導體裝置的製造方法。此製造方法包括將一遮光材料形成於一透明基板上。此製造方法更包括將遮光材料圖案化以形成具有複數個孔洞的一圖案化遮光層。透明基板與圖案化遮光層界定一光準直單元。此製造方法包括將光準直單元形成於一導電基板上。導電基板具有複數個畫素，且孔洞對應於畫素設置。

本揭露實施例包括一種生物辨識設備。生物辨識設備包括如前所述的半導體裝置。生物辨識設備更包括一光源層以及一蓋板。光源層設置於半導體裝置上，蓋板設置於光源層上。

以下的揭露內容提供許多不同的實施例或範例以實施本案的不同特徵。以下的揭露內容敘述各個構件及其排列方式的特定範例，以簡化說明。當然，這些特定的範例並非用以限定。例如，若是本揭露實施例敘述了一第一特徵部件形成於一第二特徵部件之上或上方，即表示其可能包含上述第一特徵部件與上述第二特徵部件是直接接觸的實施例，亦可能包含了有附加特徵部件形成於上述第一特徵部件與上述第二特徵部件之間，而使上述第一特徵部件與第二特徵部件可能未直接接觸的實施例。

應理解的是，額外的操作步驟可實施於所述方法之前、之間或之後，且在所述方法的其他實施例中，部分的操作步驟可被取代或省略。

此外，其中可能用到與空間相關用詞，例如「在… 下方」、「下方」、「較低的」、「在… 上方」、「上方」、「較高的」及類似的用詞，這些空間相關用詞係為了便於描述圖示中一個(些)元件或特徵部件與另一個(些)元件或特徵部件之間的關係，這些空間相關用詞包括使用中或操作中的裝置之不同方位，以及圖式中所描述的方位。當裝置被轉向不同方位時(旋轉90度或其他方位)，則其中所使用的空間相關形容詞也將依轉向後的方位來解釋。

在說明書中，「約」、「大約」、「大抵」之用語通常表示在一給定值或範圍的20%之內，或10%之內，或5%之內，或3%之內，或2%之內，或1%之內，或0.5%之內。在此給定的數量為大約的數量，亦即在沒有特定說明「約」、「大約」、「大抵」的情況下，仍可隱含「約」、「大約」、「大抵」之含義。

除非另外定義，在此使用的全部用語(包括技術及科學用語)具有與此篇揭露所屬之一般技藝者所通常理解的相同涵義。能理解的是，這些用語，例如在通常使用的字典中定義的用語，應被解讀成具有與相關技術及本揭露的背景或上下文一致的意思，而不應以一理想化或過度正式的方式解讀，除非在本揭露實施例有特別定義。

以下所揭露之不同實施例可能重複使用相同的參考符號及/或標記。這些重複係為了簡化與清晰的目的，並非用以限定所討論的不同實施例及/或結構之間有特定的關係。

第1圖至第5圖為一系列之剖面圖，其繪示出本發明一實施例之半導體裝置100之形成方法。應注意的是，為了簡潔起見，第1圖至第5圖中可能省略部分部件。

如第1圖所示，提供一透明基板10。在一些實施例中，透明基板10的材料可包括玻璃、石英、聚醯亞胺(polyimide, PI)、液晶聚合物(liquid-crystal polymer, LCP)、聚碳酸酯(polycarbonate, PC)、聚丙烯(polypropylene, PP)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate, PET)、其他合適的材料或前述材料的組合，但本揭露實施例並非以此為限。

接著，將遮光材料12形成於透明基板10上。在一些實施例中，遮光材料12可包括金屬，例如：銅(Cu)、銀(Ag)等，但本揭露實施例並非以此為限。在一些實施例中，遮光材料12可包括光阻(例如，黑光阻或其他適當之非透明的光阻)、油墨(例如，黑色油墨或其他適當之非透明的油墨)、模制化合物(molding compound)(例如，黑色模制化合物或其他適當之非透明的模制化合物)、防焊材料(solder mask)(例如，黑色防焊材料或其他適當之非透明的防焊材料)、環氧樹脂、其他適當之材料或前述材料之組合，但本揭露實施例並非以此為限。

在一些實施例中，遮光材料12可為光固化材料、熱固化材料或前述材料之組合。舉例而言，可使用旋轉塗佈製程(spin-on coating process)將遮光材料12塗佈於透明基板10之上，但本揭露實施例並非以此為限。

接著，如第2圖所示，可進行圖案化製程將遮光材料12圖案化，以形成具有複數個孔洞O1的圖案化遮光層14。詳細而言，前述圖案化製程可移除部分之遮光材料12，以形成複數個孔洞O1。在一些實施例中，前述圖案化製程可包括軟烘烤(soft baking)、光罩對準(mask aligning)、曝光(exposure)、曝光後烘烤(post-exposure baking)、顯影(developing)、潤洗(rinsing)、乾燥、其他適當的步驟或前述步驟之組合，但本揭露實施例並非以此為限。在一些實施例中，透明基板10與圖案化遮光層14可界定一光準直單元16(後方將稱為第一光準直單元16)。

在一些實施例中，在將遮光材料12圖案化之後，可對透明基板10進行研磨(lapping)，使透明基板10具有一預設的厚度(例如，80 μm)，但本揭露實施例並非以此為限。

如第3圖所示，在一些實施例中，可重複前述步驟以形成複數個光準直單元。舉例而言，可提供另一透明基板18並將遮光材料12形成於透明基板18上(例如，使用旋轉塗佈製程)，接著，可進行圖案化製程將遮光材料12圖案化，以形成具有複數個孔洞O2的圖案化遮光層20。透明基板18與圖案化遮光層20可界定一光準直單元22(後方將稱為第二光準直單元22)。類似地，在將遮光材料12圖案化之後，可對透明基板18進行研磨，使透明基板18具有一預設的厚度。在一些實施例中，透明基板18的厚度可與透明基板10的厚度彼此相同或不同。在一些實施例中，圖案化遮光層20的厚度也可與圖案化遮光層14的厚度彼此相同或不同。

在一些實施例中，可進一步形成第三光準直單元28。第三光準直單元28包括一透明基板24及圖案化遮光層26。圖案化遮光層26設置於透明基板24上，且圖案化遮光層26具有複數個孔洞O3，但本揭露實施例並非以此為限。在一些實施例中，透明基板24的厚度可與透明基板18的厚度及透明基板10的厚度彼此相同或不同。在一些實施例中，圖案化遮光層26的厚度可與圖案化遮光層20的厚度及圖案化遮光層14的厚度彼此相同或不同。

由於透明基板10的厚度、透明基板18的厚度及透明基板24的厚度可彼此不同，而圖案化遮光層14的厚度、圖案化遮光層20的厚度及圖案化遮光層26的厚度可彼此不同，因此，第一光準直單元16的厚度T1、第二光準直單元22的厚度T2與第三光準直單元28的厚度T3可彼此不同，但本揭露實施例並非以此為限。在一些實施例中，第一光準直單元16的厚度T1、第二光準直單元22的厚度T2與第三光準直單元28的厚度T3也可彼此相同。在此，光準直單元的厚度是指透明基板的厚度及圖案化遮光層的厚度總和。

在一些實施例中，同一圖案化遮光層中的孔洞彼此的截面積皆相同。然而，不同的圖案化遮光層中的孔洞彼此的截面積可不同。舉例而言，圖案化遮光層20之孔洞O2的截面積可小於圖案化遮光層14之孔洞O1的截面積，而圖案化遮光層14之孔洞O1的截面積可小於圖案化遮光層26之孔洞O3的截面積，但本揭露實施例並非以此為限。

在一些實施例中，可形成複數濾光層(未繪示)於圖案化遮光層14之孔洞O1、圖案化遮光層20之孔洞O2或圖案化遮光層26之孔洞O3中。濾光層可由聚合物材料或其他適當的材料所形成，其用於限制使特定波長的光通過此些濾光層，其他波長的光則被隔絕，但本揭露實施例並非以此為限。

如第4圖所示，將第一光準直單元16、第二光準直單元22與第三光準直單元28彼此堆疊並封裝，以形成一封裝結構30。在一些實施例中，可透過將環氧樹脂、其他適當之封裝材料或上述之組合形成於第一光準直單元16與第二光準直單元22之間，及第二光準直單元22與第三光準直單元28之間，以形成封裝結構30，但本揭露實施例並非以此為限。

在一些實施例中，圖案化遮光層14之孔洞O1、圖案化遮光層20之孔洞O2與圖案化遮光層26之孔洞O3可彼此對應設置。要注意的是，雖然第4圖所示之實施例中，第二光準直單元22設置於第一光準直單元16上，而第三光準直單元28設置於第二光準直單元22上，使得圖案化遮光層14可位於透明基板10與透明基板18之間，而圖案化遮光層20可位於透明基板18與透明基板24之間，但本揭露實施例並非以此為限。

在一些實施例中，第一光準直單元16、第二光準直單元22與第三光準直單元28可以其他的順序堆疊並封裝。此外，封裝結構30之光準直單元的數量並非限制於三個。在一些實施例中，封裝結構30可只包含單一個光準直單元、兩個光準直單元，或者封裝結構30也可包含三個以上的光準直單元。

如第5圖所示，將封裝結構30形成於一導電基板32上，以形成半導體裝置100。在一些實施例中，導電基板32可包括元素半導體(例如，矽或鍺)、化合物半導體(例如，碳化矽(SiC)、砷化鎵(GaAs)、砷化銦(InAs)或磷化銦(InP))、合金半導體(例如，SiGe、SiGeC、GaAsP或GaInP)、其他適當之半導體或前述之組合，但本揭露實施例並非以此為限。在一些實施例中，導電基板32可為絕緣層上半導體(semiconductor-on-insulator (SOI))基板。前述絕緣層上半導體基板可包括底板、設置於前述底板上的埋藏氧化層以及設置於前述埋藏氧化層上的半導體層。在一些實施例中，導電基板32可為一半導體晶圓(例如，矽晶圓或其他適當之半導體晶圓)。

在一些實施例中，導電基板32可包括各種以如離子佈植及/或擴散製程所形成之p型摻雜區及/或n型摻雜區。舉例而言，前述摻雜區可被配置來形成電晶體、光電二極體及/或發光二極體，但本揭露實施例並非以此為限。

在一些實施例中，導電基板32可包括各種隔離特徵，以分隔導電基板32中不同之裝置區域。舉例而言，隔離特徵可包括淺溝槽隔離(shallow trench isolation, STI)特徵，但本揭露實施例並非以此為限。在一些實施例中，形成淺溝槽隔離之步驟可包括於導電基板32中蝕刻出一溝槽，並於上述溝槽中填入絕緣材料(例如，氧化矽、氮化矽、或氮氧化矽)。所填充的溝槽可具有多層結構(例如，一熱氧化襯層以及填充於溝槽之氮化矽)。可進行化學機械研磨(Chemical mechanical polishing, CMP)製程以研磨多餘的絕緣材料並平坦化隔離特徵之上表面。

在一些實施例中，導電基板32可包括各種導電特徵(例如，導線(conductive line)或導孔(via))。舉例而言，前述導電特徵可由鋁(Al)、銅(Cu)、鎢(W)、其各自之合金、其他適當之導電材料或上述之組合所形成。

在一些實施例中，導電基板32可包括複數個畫素P，複數個畫素P可排列成一陣列，但本揭露實施例並非以此為限。在一些實施例中，導電基板32的一個畫素P包括或對應至少一光電二極體及/或其他適當之元件，其可將所接收到的光訊號轉換成電流訊號。

如第5圖所示，圖案化遮光層14之孔洞O1、圖案化遮光層20之孔洞O2及圖案化遮光層26之孔洞O3可與畫素P對應設置。換言之，圖案化遮光層14之孔洞O1、圖案化遮光層20之孔洞O2及圖案化遮光層26之孔洞O3在導電基板32之頂表面32T上的投影，可與畫素P重疊。

在本揭露實施例中，半導體裝置100可作為一光準直器，可依據光的路徑調整圖案化遮光層14之孔洞O1、圖案化遮光層20之孔洞O2及圖案化遮光層26之孔洞O3的大小，避免半導體裝置100內的光彼此發生串擾(crosstalk)。此外，由於封裝結構30可由複數個光準直單元封裝所形成，這些光準直單元各自的高寬比較低(例如，介於0.5至15)，藉此可避免或減少光準直單元倒塌，同時使半導體裝置100整體保有良好的準直效能(即畫素P所感測的解析度更進步)。

再者，由於複數個光準直單元是先彼此堆疊並封裝形成一封裝結構30，再與導電基板32結合，能降低導電基板32產生翹曲(warpage)的可能性，並增加半導體裝置100的可靠度(reliability)與一致性(uniformity)。

第6圖繪示本發明一實施例之生物辨識設備200的剖面圖。在此，生物辨識設備200可例如為指紋辨識設備，但本揭露實施例並非以此為限。應注意的是，為了簡潔起見，第6圖中可能省略部分部件。

如第6圖所示，在一些實施例中，生物辨識設備200可包含半導體裝置100、彩色濾光層34以及光源層36，彩色濾光層34可設置於半導體裝置100與光源層36之間。

舉例而言，半導體裝置100可以前述第1圖至第5圖的步驟形成。接著，可將彩色濾光層34設置於半導體裝置100之上。彩色濾光層34可由聚合物材料或其他適當的材料所形成，其用於限制使特定波長的光通過彩色濾光層34，其他波長的光則被隔絕。

接著，可將光源層36設置於彩色濾光層34之上。在一些實施例中，光源層36可包含光源(例如，發光二極體)38，光源38可例如以陣列形式排列。此外，光源層36可進一步包含阻擋層、其他適當之光學元件或前述之組合(未標示)。光源層36的頂部可例如設置蓋板(例如，玻璃蓋板)40，以形成生物辨識設備(例如，指紋辨識設備)。應理解的是，光源層36中可能包含其他未繪示於第6圖中的部件。

舉例而言，由光源38發出的光線可能受到外部的生物特徵(例如，指紋FP)所阻擋而產生不同的反射光L通過彩色濾光層34。彩色濾光層34可限制使對應於畫素P(例如，包括或對應至少一光電二極體及/或其他適當之元件)的特定波長的光L1通過，其他波長的光則被隔絕。通過彩色濾光層34後的光L1依序進入第三光準直單元28、第二光準直單元22與第一光準直單元16中。由於圖案化遮光層26、圖案化遮光層20與圖案化遮光層14可為黑色(例如，由黑光阻、黑色油墨、黑色模制化合物或黑色防焊材料所形成)，且圖案化遮光層14之孔洞O1、圖案化遮光層20之孔洞O2與圖案化遮光層26之孔洞O3的大小(或截面積)是依據光的路徑所調整，因此可防止光L1彼此發生串擾，增進生物辨識設備200的辨識能力。

承上述說明，本揭露實施例之半導體裝置的封裝結構可由複數個光準直單元封裝所形成，這些光準直單元各自的高寬比較低，藉此可避免或減少光準直單元倒塌，同時使半導體裝置整體保有良好的準直效能。再者，由於複數個光準直單元是先彼此堆疊並封裝形成一封裝結構，再與導電基板結合，能降低導電基板產生翹曲的可能性，並增加半導體裝置的可靠度與一致性。此外，應用本揭露實施例之半導體裝置的生物辨識設備的辨識能力能有效提升。

以上概述數個實施例的部件，以便在本揭露所屬技術領域中具有通常知識者可以更理解本揭露實施例的觀點。在本揭露所屬技術領域中具有通常知識者應該理解，他們能以本揭露實施例為基礎，設計或修改其他製程和結構以達到與在此介紹的實施例相同之目的及/或優勢。在本揭露所屬技術領域中具有通常知識者也應該理解到，此類等效的結構並無悖離本揭露的精神與範圍，且他們能在不違背本揭露之精神和範圍之下，做各式各樣的改變、取代和替換。因此，本揭露之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。另外，雖然本揭露已以數個較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭露。

整份本說明書對特徵、優點或類似語言的引用並非意味可以利用本揭露實現的所有特徵和優點應該是或者在本揭露的任何單個實施例中。相對地，涉及特徵和優點的語言被理解為其意味著結合實施例描述的特定特徵、優點或特性包括在本揭露的至少一個實施例中。因而，在整份說明書中對特徵和優點以及類似語言的討論可以但不一定代表相同的實施例。

再者，在一個或多個實施例中，可以任何合適的方式組合本揭露的所描述的特徵、優點和特性。根據本文的描述，相關領域的技術人員將意識到，可在沒有特定實施例的一個或多個特定特徵或優點的情況下實現本揭露。在其他情況下，在某些實施例中可辨識附加的特徵和優點，這些特徵和優點可能不存在於本揭露的所有實施例中。

100:半導體裝置10:透明基板12:遮光材料14:圖案化遮光層16:光準直單元18:透明基板20:圖案化遮光層22:光準直單元24:透明基板26:圖案化遮光層28:光準直單元30:封裝結構32:導電基板32T:頂表面34:彩色濾光層36:光源層38:光源40:蓋板200:生物辨識設備FP:指紋L、L1:光O1、O2、O3:孔洞P:畫素T1、T2、T3:厚度

以下將配合所附圖式詳述本揭露實施例。應注意的是，各種特徵部件並未按照比例繪製且僅用以說明例示。事實上，元件的尺寸可能經放大或縮小，以清楚地表現出本揭露實施例的技術特徵。 第1圖至第5圖為一系列之剖面圖，其繪示出本發明一實施例之半導體裝置之形成方法。 第6圖繪示本發明一實施例之生物辨識設備的剖面圖。

100:半導體裝置

10:透明基板

14:圖案化遮光層

16:光準直單元

18:透明基板

20:圖案化遮光層

22:光準直單元

24:透明基板

26:圖案化遮光層

28:光準直單元

30:封裝結構

32:導電基板

32T:頂表面

O1、O2、O3:孔洞

P:畫素

Claims (20)

1. 一種半導體裝置，包括： 一導電基板，具有複數個畫素；以及 一封裝結構，設置於該導電基板上，該封裝結構包括至少一光準直單元，其中該光準直單元包括： 一透明基板；及 一圖案化遮光層，設置於該透明基板上，且該圖案化遮光層具有對應於該等畫素設置的複數個孔洞。
2. 如申請專利範圍第1項所述之半導體裝置，其中每該畫素包括或對應至少一光電二極體。
3. 如申請專利範圍第1項所述之半導體裝置，其中該封裝結構包括複數個光準直單元，該等光準直單元彼此堆疊。
4. 如申請專利範圍第3項所述之半導體裝置，其中該等光準直單元的厚度彼此不同。
5. 如申請專利範圍第1項所述之半導體裝置，其中該封裝結構包括： 一第一光準直單元，包括一第一透明基板及一第一圖案化遮光層，該第一圖案化遮光層設置於該第一透明基板上，且該第一圖案化遮光層具有複數個第一孔洞；及 一第二光準直單元，包括一第二透明基板及一第二圖案化遮光層，該第二圖案化遮光層設置於該第二透明基板上，且該第二圖案化遮光層具有複數個第二孔洞； 其中該第一圖案化遮光層位於該第一透明基板與第二透明基板之間。
6. 如申請專利範圍第5項所述之半導體裝置，其中該等第一孔洞、該等第二孔洞與該等畫素對應設置。
7. 如申請專利範圍第5項所述之半導體裝置，其中每該第一孔洞的截面積與每該第二孔洞的截面積不同。
8. 如申請專利範圍第5項所述之半導體裝置，其中該第一透明基板的厚度與第二透明基板的厚度不同。
9. 如申請專利範圍第5項所述之半導體裝置，其中該第一圖案化遮光層的厚度與該第二圖案化遮光層的厚度不同。
10. 如申請專利範圍第1項所述之半導體裝置，其中該透明基板的材料包括玻璃、石英、聚醯亞胺、液晶聚合物、聚碳酸酯、聚丙烯、聚對苯二甲酸乙二醇酯。
11. 如申請專利範圍第1項所述之半導體裝置，其中圖案化遮光層的材料包括金屬、光阻、油墨、模制化合物、防焊材料、環氧樹脂或前述材料之組合。
12. 如申請專利範圍第1項所述之半導體裝置，其中該光準直單元更包括： 複數濾光層，設置於該等孔洞中。
13. 一種半導體裝置的製造方法，包括： 將一遮光材料形成於一透明基板上； 將該遮光材料圖案化以形成具有複數個孔洞的一圖案化遮光層，其中該透明基板與該圖案化遮光層界定一光準直單元；以及 將該光準直單元形成於一導電基板上，其中該導電基板具有複數個畫素，且該等孔洞對應於該等畫素設置。
14. 如申請專利範圍第13項所述之半導體裝置的製造方法，更包括： 形成複數個光準直單元； 將該等光準直單元彼此堆疊並封裝以形成一封裝結構，其中該等光準直單元中的孔洞彼此對應設置；及 將該封裝結構形成於該導電基板上。
15. 如申請專利範圍第14項所述之半導體裝置的製造方法，其中該等光準直單元的厚度彼此不同。
16. 如申請專利範圍第13項所述之半導體裝置的製造方法，更包括： 研磨該透明基板。
17. 如申請專利範圍第13項所述之半導體裝置的製造方法，其中該遮光材料塗佈於該透明基板上。
18. 如申請專利範圍第13項所述之半導體裝置的製造方法，更包括： 形成複數濾光層該等孔洞中。
19. 一種生物辨識設備，包括： 如申請專利範圍第1~12項中之任一項所述之半導體裝置； 一光源層，設置於該半導體裝置上；以及 一蓋板，設置於該光源層上。
20. 如申請專利範圍第19項所述之生物辨識設備，更包括： 一彩色濾光層，設置於該半導體裝置與該蓋板之間。

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