應力釋放的圖像傳感器封裝結構和方法與流程

本申請要求2015年2月24日提交的并且通過引用并入本文的美國臨時申請號62/120,255的優先權。

技術領域

本發明涉及圖像傳感器，并且更具體地涉及以減小所感生的應力的方式封裝的圖像傳感器。

背景技術：

硅晶片是堅硬、易碎且穩定的。然而，硅晶片僅在其經處理以在其上形成集成電路之前是穩定的（例如摻雜、處理、薄化、具有添加到它的結構/材料層等等）。在此之后，晶片將變得不穩定，尤其是當晶片非常薄且具有非均衡的結構支撐時可能嚴重翹曲，從而使得晶片極其脆弱并且易受機械應力損壞的影響。

當晶片直徑變得更大以增強生產率/效率并且芯片變得更薄以滿足針對熱耗散、管芯堆疊、減小的電阻和低輪廓器件的要求時，大晶片上的這樣的薄芯片將遭受前所未有的越來越大尺度的應力。這些機械應力問題對于圖像傳感器晶片（即在其上形成圖像傳感器的晶片）尤為嚴重。圖像傳感器晶片的有源側具有形成在其上材料層和結構，其可以包括鈍化、低k電介質層、微透鏡、濾色片、傳導電路、光學增強器件、光遮蔽等等。這些層和結構不僅使硅晶片不穩定，而且它們本身甚至更易受相同機械應力的影響并且可能變得受損。

此外，圖像傳感器晶片的有源側可以利用保護襯底包封，保護襯底包括托腳（屏障）以使其與晶片間隔。托腳結合到表面層并且向表面層引入機械應力，連同晶片薄化和切分步驟期間大量機械應力的累積，其可能引起表面層和/或硅襯底上的斷裂、分層以及許多其它缺陷。

現有技術中已知的是進行預切（部分切分）以轉移/釋放所累積的機械應力。諸如研磨前切分（DBG）之類的處理包括向硅晶片中進行部分切割，薄化晶片的另一側，使用等離子體蝕刻來緩解晶片中所累積的應力，并且然后進行最終單分切割。然而，DBG處理或類似處理的限制在于，這樣的處理是針對非封裝的半導體硅晶片。所需要的是與晶片級封裝（WLP）過程（即在晶片單分之前集成電路的封裝）相容且是其部分的用于機械應力緩解的方法和結構。

技術實現要素：

前述問題和需求通過傳感器封裝體解決，傳感器封裝體包括具有相對的第一和第二表面的第一襯底、形成在第一襯底的第一表面上或之下且配置成響應于入射在第一襯底的第一表面上的光而生成一個或多個信號的多個光電檢測器、形成在第一襯底的第一表面處且電氣耦合到多個光電檢測器的多個接觸墊、形成到第一襯底的第二表面中且通過第一襯底延伸到一個接觸墊的多個孔、以及各自通過多個孔中的一個且沿著第一襯底的第二表面從一個接觸墊延伸的傳導引線。傳導引線與第一襯底絕緣。一個或多個溝槽形成到第一襯底的外圍部分中，每一個溝槽從第二表面延伸到第一表面。絕緣材料覆蓋一個或多個溝槽的側壁。

形成傳感器封裝體的方法包括提供傳感器芯片，其包括具有相對的第一和第二表面的第一襯底、形成在第一襯底的第一表面上或之下且配置成響應于入射在第一襯底的第一表面上的光而生成一個或多個信號的多個光電檢測器、以及形成在第一襯底的第一表面處且電氣耦合到多個光電檢測器的多個接觸墊。多個孔形成到第一襯底的第二表面中，其中多個孔中的每一個延伸通過第一襯底并且到達一個接觸墊。形成多個傳導引線，其中每一個通過多個孔中的一個并且延伸第一襯底的第二表面從一個接觸墊延伸。一個或多個溝槽形成到第一襯底的外圍部分中，每一個溝槽從第二表面延伸到第一表面。形成覆蓋一個或多個溝槽的側壁的絕緣材料。

形成多個傳感器封裝體的方法包括提供傳感器芯片，其包括具有相對的第一和第二表面的第一襯底、以及形成在其上的多個傳感器，其中每一個傳感器包括形成在第一襯底的第一表面上或之下且配置成響應于入射在第一襯底的第一表面上的光而生成一個或多個信號的多個光電檢測器、以及形成在第一襯底的第一表面處且電氣耦合到多個光電檢測器的多個接觸墊。多個孔形成到第一襯底的第二表面中，其中多個孔中的每一個延伸通過第一襯底并且到達一個接觸墊。形成多個傳導引線，其中每一個通過多個孔中的一個并且延伸第一襯底的第二表面從一個接觸墊延伸。屏障結構形成在第一襯底的第一表面上并且圍繞多個光電檢測器而不在多個光電檢測器之上。第二襯底形成在屏障結構上，其中第二襯底在多個光電檢測器之上延伸，并且其中屏障結構和第二襯底針對每一個傳感器在多個光電檢測器之上形成密封腔體。一個或多個溝槽在每一個傳感器的外圍部分處形成到第一襯底中，從而從第二表面延伸到第一表面并且延伸到屏障結構中。形成覆蓋一個或多個溝槽的側壁的絕緣材料。第一襯底在溝槽處單分成分離的管芯，其中每一個管芯包括一個傳感器。

通過查閱說明書、權利要求書和附圖，本發明的其它目標和特征將變得明顯。

附圖說明

圖1-5是圖示了形成本發明的圖像傳感器封裝體時的步驟的側面橫截面視圖。

圖6A-6F是圖示了形成到硅襯底中的溝槽的交替配置的側面橫截面視圖。

圖7A-7B是圖示了到硅襯底中的通孔的交替配置的側面橫截面視圖。

圖8-14是圖示了形成本發明的圖像傳感器封裝體的步驟的側面橫截面視圖。

具體實施方式

本發明是具有封裝體的側面上的陡峭特征的傳感器封裝體。陡峭特征是從傳感器晶片（例如圖像傳感器、光傳感器、生物計量傳感器等）的后側而不是從前側（有源側）進行預切的結果。陡峭特征通過包封劑層來包封使得沒有硅和/或鈍化層暴露于外部元件。圖像傳感器的結合墊再路由至其中形成互連凸起的圖像傳感器的后側。使用形成傳感器有源區域之上的腔體的屏障結構通過永久保護襯底來包封圖像傳感器的前側。

圖1-14圖示了形成圖像傳感器組裝件的過程。過程通過提供圖像傳感器晶片1而開始，圖像傳感器晶片1具有半導體襯底10、多個結合墊12和具有光電檢測器（即光電二極管）14的有源區域、以及支持光電二極管14的操作的電路層16，如圖1中所圖示的。光電二極管14響應于入射在傳感器有源區域上的光而生成電氣信號。那些信號最終耦合到結合墊12以用于芯片外信令。

圖像傳感器1優選地包括表面層18，其可以包括鈍化、低k電介質層、微透鏡和濾色片20、傳導電路、光學增強器件、光遮蔽等。如圖2中所示的包含許多圖像傳感器22（每一個具有其自身的光電二極管、電路層、結合墊和表面層）的圖像傳感器晶片在現有技術中是已知的，并且在本文中不進一步描述。

傳感器有源區域通過經由屏障結構26安裝到襯底的永久保護襯底24來包封。保護襯底24優選地光學透明。屏障26優選地通過聚合物材料的襯底的沉積和聚合物材料的選擇性移除而形成在光學透明的材料上。將粘合劑應用到屏障26，其然后結合到圖像傳感器晶片。屏障26和襯底24在圖像傳感器22的有源區域之上形成密封腔體28，如圖3中所示。圖像傳感器晶片襯底10的后部上的硅可以通過機械研磨、化學機械拋光（CMP）、濕法蝕刻、常壓下游等離子體（ADP）、干法化學蝕刻（DEC）或者任何其它適當的硅薄化方法來薄化，如圖4中所示。在薄化過程之后，可以進行可選的等離子體蝕刻步驟以釋放晶片中所累積的應力（然而這將不會釋放已經累積在表面層18上的所有應力）。

圖像傳感器晶片襯底10的后側上的硅的部分在分離圖像傳感器22的刮劃線30處選擇性地移除（形成至少部分地延伸通過襯底10的溝槽32和延伸通過襯底10以暴露結合墊12的通孔34），如圖5中所示。使用光刻和等離子體蝕刻方法或者現有技術中公知的任何其它硅蝕刻方法來選擇性地移除硅。圖像傳感器結合墊12應當通過通孔34而從圖像傳感器晶片的后側暴露，每一個通孔34從晶片后表面一直延伸到一個結合墊12。通孔34可以呈錐狀或不呈錐狀。溝槽32可以呈或不呈錐狀，并且可以具有可選的次級溝槽部分32a，其呈錐狀或不呈錐狀，并且可以部分地或完全地延伸通過晶片襯底10，如在圖6A-6F中的各種配置中所示。具體地，圖6A和圖6B分別圖示了被部分蝕刻通過硅晶片的錐狀和非錐狀溝槽32，其沒有一直延伸到并暴露表面層18。圖6C-6F圖示了溝槽椎體的不同變形，其中每一個包括部分地通過晶片的溝槽32，以及一直延伸到并暴露表面層18的溝槽32的次級溝槽部分32a。在圖6C-6F的所有配置中，溝槽32在其硅側壁中具有溝槽部分32a開始于其中的臺階（即肩部）。圖7A和7B分別示出了錐狀和非錐狀通孔配置。

使用機械切分器或激光器來使溝槽32/32a延伸通過（多個）表面層18并且部分到達屏障26中（即使溝槽沿著刮劃線30部分地延伸通過硅晶片和（多個）表面層并且部分地延伸到屏障中），如圖8中所示。這將緩解（多個）表面層上的物理應力并且防止它在處理中之后的管芯單分步驟期間斷裂。圖9示出了相同配置，除通過襯底10的次級溝槽部分32a呈錐狀之外。

一層二氧化硅、氮化硅或者任何其它適當的鈍化/隔離層36可以使用諸如物理氣相沉積（PVD）之類的方法或者通過旋涂/噴涂系統而共形地沉積在硅晶片的后側之上。鈍化/隔離層36形成或選擇性地蝕刻使得其與溝槽32和孔34排成一行，除了使結合墊18在通孔34的端部處暴露之外，如圖10中所示。

傳導材料使用物理氣相沉積和電鍍或者任何其它適當的傳導層沉積方法而沉積在鈍化層36之上。傳導層可以是鈦、銅、鎳和金或者任何其它適當的傳導材料的堆疊。傳導層使用光刻和蝕刻過程而選擇性地移除，從而留下各自沿著通孔側壁并且沿著襯底10的后側表面從一個結合墊12延伸的傳導材料的傳導引線38，以便通過通孔34將結合墊12電氣再路由至圖像傳感器的后側，如圖11中所示。

將包封劑40沉積在襯底10的后側之上，從而覆蓋晶片后側并且填充溝槽32和孔34。包封劑可以是聚合物或者其它電介質材料。包封劑使用光刻過程選擇性地移除以暴露傳導引線38的選擇性部分38a（稱為經再路由的接觸墊），如圖12中所示。盡管包封劑被示為完全填充所有后側溝槽/孔，但是包封劑可以替代地是沒有完全填充溝槽/孔的后側結構之上的薄共形層。包封劑可以通過噴涂來沉積。

電氣互連42形成在經再路由的接觸墊38a上。電氣互連42可以是球柵陣列（BGA）、電鍍凸起、傳導粘合凸起、金柱狀凸起或者任何其它適當的互連方法。優選地，互連凸起是焊料球柵陣列。通過穿過溝槽32的刮劃線對組件的晶片級切分/單分然后使用機械刀片切分儀器或者任何其它適當的過程而完成，其延伸通過包封體40、屏障26的部分以及透明襯底24。這種單分不涉及切穿硅襯底，并且僅部分地切穿屏障26，如圖13中所示。

在圖14中示出最終單分的管芯傳感器封裝體。傳感器管芯的側面包封成使得沒有襯底10的被暴露的硅（即襯底10的側部由絕緣層36和包封體40來保護/密封）。另外，一旦屏障26和透明襯底24早期在過程中形成于其上，傳感器有源區域就永不暴露。

要理解到，本發明未必限于以上描述和本文圖示的（多個）實施例，而是涵蓋落入權利要求書的范圍內的任何和全部變形。例如，屏障結構可以省略，由此通過襯底材料的蝕刻將腔體形成到保護襯底的底表面中。在本文中對本發明的引用不意圖限制任何權利要求或權利要求術語的范圍，而是替代地僅僅對可能由一個或多個權利要求覆蓋的一個或多個特征做出引用。以上描述的材料、過程和數值示例僅僅是示例性的，并且不應當被認為是限制任何最終權利要求。另外，并非所有方法步驟都需要以所圖示的確切次序來執行，而是以允許封裝的圖像傳感器的恰當形成的任何次序來執行。最后，單個材料層可以形成為這樣或類似材料的多個層，并且反之亦然。

應當指出的是，如本文中使用的，術語“在...之上”和“在...上”均包含性地包括“直接地在...上”（沒有設置在其之間的中間材料、元件或空間）和“非直接地在...上”（在其之間設置中間材料、元件或空間）。類似地，術語“相鄰”包括“直接相鄰”（沒有設置在其之間的中間材料、元件或空間）和“間接相鄰”（在其之間設置中間材料、元件或空間）、“安裝到”包括“直接安裝到”（沒有設置在其之間的中間材料、元件或空間）和“間接安裝到”（在其之間設置中間材料、元件或空間），并且“電氣耦合”包括“直接電氣耦合到”（其之間沒有將元件電氣連接在一起的中間材料或元件）和“間接電氣耦合到”（其之間具有將元件電氣連接在一起的中間材料或元件）。例如，“在襯底之上”形成元件可以包括在沒有其之間的中間材料/元件的情況下將元件直接形成在襯底上，以及在其之間具有一個或多個中間材料/元件的情況下將元件間接形成在襯底上。