半导体器件的制作方法

本实用新型总体涉及半导体器件，并且更具体地涉及半导体管芯以及形成抗屈曲稳健性的弯曲图像传感器区域的方法。

背景技术：

半导体器件在现代电子产品中很常见。电子部件的半导体器件的数量和密度各不相同。半导体器件执行多种多样的功能，诸如模拟和数字信号处理、传感器、电磁信号的发送和接收、电子器件控制、功率管理以及音频/视频信号处理。分立半导体器件通常包含一种类型的电子部件，例如，发光二极管(LED)、小信号晶体管、电阻器、电容器、电感器、二极管、整流器、半导体闸流管以及功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。集成半导体器件通常包括数百至数百万的电子部件。集成半导体器件的示例包括微控制器、图像传感器、专用集成电路(ASIC)、电源转换、标准逻辑、放大器、时钟管理、存储器、接口电路以及其他信号处理电路。

图像传感器是通过将光或电磁辐射转换为电信号来检测和记录图像的半导体器件类型。可利用互补金属氧化物半导体(CMOS)或N型金属氧化物半导体(NMOS)技术中的半导体电荷耦合器件(CCD)和有源像素传感器来实现图像传感器，它们应用于数字相机、录像机、医疗成像设备、夜视设备、热学成像设备、雷达、声纳和其他图像检测设备中。

来自图像场景的光通常通过一个或多个光学透镜(例如，多达四个或更多个透镜)聚焦在平坦或平面图像传感器表面上。光学聚焦透镜为相机封装增加了成本、复杂性和高度。即使利用光学透镜，图像质量也是通常在图像传感器的中心区域中更好，而边缘则较差。图像传感器不断地朝更高的分辨率、更快的聚焦时间、更好的聚焦深度、更低的轮廓和更低的成本发展。

一种使光学聚焦透镜数量减少的方法是使图像传感器具有弯曲表面。已知的是，相较具有平坦图像传感器的相机来说，使用弯曲图像传感器的相机具有某些性能优点，例如在移动数字相机应用中。

图1示出了具有底部基板材料12的半导体晶圆10。多个半导体管芯 14形成在晶圆10上，该晶圆通过管芯间晶圆区域或锯道16分开。半导体管芯14包含图像传感器区域，如上所述。半导体管芯14具有带有线性侧边缘20和拐角22以及平坦表面的矩形或正方形的形状因数(shape factor)。半导体晶圆10的厚度通常减小，并且通过锯道16而切割成单独薄半导体管芯14。

具有平坦表面的薄矩形半导体管芯14被放置在具有弯曲或凹形凹陷的模塑(mold)或基板上方。薄半导体管芯14的表面因空气压力或其他力而偏转到该模塑的凹形凹陷中，以形成弯曲图像传感器区域32，如图2a和图 2b所示。

半导体管芯14的矩形形状因数不易配合到弯曲凹陷中。矩形管芯形状因数在弯曲凹陷上方的附加表面区域产生应力集中区域。当被迫进入该模塑的弯曲凹陷时，矩形图像传感器管芯14经受应力。如图2a所示，应力集中区域可能导致平面外变形或屈曲，如图像传感器区域32的区域34中所示。图2b示出了图像传感器区域32的区域36中的屈曲的另一个示例。屈曲取决于管芯形状因数、管芯大小、管芯厚度、负载和管芯宽度与曲率半径比。矩形半导体管芯不易适形于凹形凹陷。具有较小曲率半径的较小管芯更易屈曲。其中压缩力超过底部基板材料的刚度的机械不稳定性可能引起屈曲。在一些情况下，具有图像传感器区域32的半导体管芯14易受传感器开裂和其他制造缺陷影响。

技术实现要素：

本实用新型解决的一个技术问题是减少传感器开裂和其他制造缺陷。

根据本实用新型的一个方面，半导体器件包括非矩形半导体管芯，该非矩形半导体管芯包括弯曲图像传感器区域。

根据一个实施方案，非矩形半导体管芯包括具有非线性边缘的形状因数。

根据一个实施方案，非矩形半导体管芯包括圆形形状因数。

根据一个实施方案，非矩形半导体管芯包括椭圆形状因数。

根据一个实施方案，该半导体器件还包括形成在非矩形半导体管芯中的多个开口。

根据一个实施方案，开口形成在非矩形半导体管芯的高应力集中区域中。

根据一个实施方案，开口靠近弯曲图像传感器区域的外侧边缘形成。

根据一个实施方案，该半导体器件还包括形成在非矩形半导体管芯中的多个穿孔。

根据一个实施方案，穿孔靠近弯曲图像传感器区域的外侧边缘形成。

根据一个实施方案，该半导体器件还包括模塑，该模塑包括弯曲凹陷。非矩形半导体管芯被设置在模塑的弯曲凹陷上。

本实用新型实现的一种技术效果是提供改进半导体器件。

附图说明

图1示出了具有矩形管芯的已知半导体晶圆；

图2a-图2b示出了弯曲图像传感器管芯中的屈曲；

图3a-图3d示出了具有多个非矩形、圆形和椭圆半导体管芯的半导体晶圆的各种实施方案；

图4a-图4e示出了从图3a-图3d的晶圆切割的具有非矩形形状因数的半导体管芯；

图5a-图5c示出了利用具有弯曲表面的模塑来形成弯曲或凹形图像传感器区域的方法；

图6a-图6c示出了利用具有弯曲表面的模塑来形成凹形图像传感器区域的另一种方法；

图7a-图7b示出了具有抗屈曲稳健性的弯曲或凹形图像传感器区域的来自图3a-图3d的晶圆的半导体管芯；以及

图8a-图8b示出了具有弯曲图像传感器区域的矩形半导体管芯和在该管芯的周边区域中的开口或穿孔。

具体实施方式

下文参照附图描述了一个或多个实施方案，其中类似的数字表示相同或相似的元件。虽然根据实现某些目标的最佳模式描述了附图，但描述旨在涵盖可包括在本公开的实质和范围内的替代形式、修改形式和等同形式。如本文使用的术语“半导体管芯”是指该词语的单数形式和复数形式两者，并且相应地，可同时涉及单个半导体器件和多个半导体器件。

图3a示出了具有底部基板材料102诸如硅、锗、磷化铝、砷化铝、砷化镓、氮化镓、磷化铟、碳化硅或其他基体半导体材料的半导体晶圆100。多个半导体管芯104形成在晶圆100上，该晶圆通过管芯间晶圆区域106 分开。具体地，半导体管芯104具有非矩形形状因数，并且被布置成使晶圆上的管芯数量最大化并优化晶圆布局效率的图案。例如，带有具有非矩形形状因数的半导体管芯104的半导体晶圆100提供约85％的晶圆区域利用率。每个半导体管芯104具有包含被实现为CMOS或NMOS中的CCD 或有源像素传感器的图像传感器区域108的有源表面。在一个实施方案中，半导体晶圆100的宽度或直径为100-450毫米(mm)，并且厚度为675- 775微米(μm)。在另一个实施方案中，半导体晶圆100的宽度或直径为150- 300mm。

图3b示出了具有底部基板材料112的半导体晶圆110，该半导体晶圆与半导体晶圆100具有类似的材料和尺寸。多个半导体管芯114形成在晶圆110上。晶圆区域116被示出为在半导体管芯114之间并且与之相邻，用于其他用途。具体地，半导体管芯114具有非矩形形状因数，并且被布置成使晶圆上的管芯数量最大化并优化晶圆布局效率的图案。例如，带有具有非矩形形状因数的半导体管芯114和晶圆区域116的半导体晶圆110 提供约99.5％的晶圆区域利用率。每个半导体管芯114具有包含被实现为 CMOS或NMOS中的CCD或有源像素传感器的图像传感器区域118的有源表面。

图3c示出了具有底部基板材料122的半导体晶圆120，该半导体晶圆与半导体晶圆100具有类似的材料和尺寸。多个半导体管芯124形成在晶圆120上，该晶圆通过管芯间晶圆区域126分开。具体地，半导体管芯124 具有圆形或椭圆形状因数，并且被布置成使晶圆上的管芯数量最大化并优化晶圆布局效率的图案。例如，带有具有圆形形状因数的半导体管芯124 的半导体晶圆120提供约82.7％的晶圆区域利用率。每个半导体管芯124具有包含被实现为CMOS或NMOS中的CCD或有源像素传感器的图像传感器区域128的有源表面。

图3d示出了具有底部基板材料132的半导体晶圆130，该半导体晶圆与半导体晶圆100具有类似的材料和尺寸。多个半导体管芯134形成在晶圆130上，该晶圆通过管芯间晶圆区域136分开。具体地，半导体管芯134 具有圆形或椭圆形状因数，并且被布置成使晶圆上的管芯数量最大化并优化晶圆布局效率的图案。每个半导体管芯134具有包含被实现为CMOS或 NMOS中的CCD或有源像素传感器的图像传感器区域138的有源表面。

在图4a中，半导体晶圆100倒置并安装有取向到背磨胶带142的有源表面140。有源表面140包含图像传感器区域108。背表面144经历采用磨床或砂轮146进行的第一背磨操作，以将底部基板材料102的一部分向下移除到表面148。半导体晶圆100具有10-50μm的研磨后厚度。半导体晶圆100被切割成单独半导体管芯104。给定半导体管芯104和非对称管芯间晶圆区域106的非矩形形状因数的情况下，使用光刻图案化步骤、接着进行等离子体蚀刻或等离子体分割以沿着每个管芯的侧边缘对半导体晶圆100 进行切割。在半导体晶圆110、120和130上进行类似的背磨和切割。

图4b示出了在切割后的薄半导体管芯104。半导体管芯104具有非矩形形状因数，例如在图像传感器区域108周围的拐角152之间的四侧上具有非线性边缘150的形状。具体地，非线性侧边缘150凹入图像传感器区域108。利用非矩形形状因数和非线性凹形侧边缘150，存在于拐角152之间的底部基板材料102要比将存在于图1的矩形管芯14的拐角22之间的线性侧边缘20中的更少。从半导体晶圆110切割的半导体管芯114具有与半导体管芯104类似的特征。

图4c还示出了非矩形半导体管芯104和矩形半导体管芯14之间的差异。虚线154示出了另外的底部基板材料155，该底部基板材料将与图1的矩形管芯14的拐角22之间的线性侧边缘20一起存在。半导体管芯104的非矩形形状因数消除或移除在半导体管芯104的周边区域中、在虚线154 内的底部基板材料155。

图4d示出了在切割后的薄半导体管芯124。半导体管芯124具有带有环绕图像传感器区域128的圆形侧边缘156的圆形或椭圆形状因数。利用圆形或椭圆形状因数和圆形侧边缘156，底部基板材料122要比将存在于图1的矩形管芯14的拐角22之间的线性侧边缘20中的更少。从半导体晶圆 130切割的半导体管芯134具有与半导体管芯124类似的特征。

图4e还示出了圆形半导体管芯124和矩形半导体管芯14之间的差异。虚线158示出了另外的底部基板材料159，该底部基板材料将与图1的矩形管芯14的拐角22之间的线性侧边缘20一起存在。半导体管芯124的圆形形状因数消除或移除在半导体管芯124的周边区域中、在虚线158内的底部基板材料159。

图5a示出了在表面164中具有弯曲或凹形凹陷162的模塑或衬底 160。在图5b中，薄半导体管芯104被定位在模塑160上方，其中表面148 被取向到凹陷162。在图5c中，半导体管芯104的表面148与模塑160的表面164接触。有源表面140在需要时在升高温度下被空气压力、静水压力或其他力F偏转到凹形凹陷162中，以在半导体管芯104中形成弯曲或凹形图像传感器区域108。

在另一个实施方案中，薄半导体管芯104被定位在模塑160上方，其中表面148被取向到凹陷162。环氧树脂170被设置在弯曲凹陷162的周围。在图6b中，半导体管芯104的表面148与环氧树脂170和模塑160的表面164接触。在图6c中，有源表面140在需要时在升高温度下被空气压力、静水压力或其他力F偏转到凹形凹陷162中，以在半导体管芯104中形成弯曲或凹形图像传感器区域108。环氧树脂170均匀地分散以覆盖凹形凹陷162内的表面148。如图5a-图5c和图6a-图6c所述的类似方法分别用于在半导体管芯114、124和134中形成弯曲或凹形图像传感器区域118、 128和138。

图7a示出了在非矩形半导体管芯104中的弯曲图像传感器区域108的立体图。具体地，弯曲图像传感器区域108在图5a-图5c和图6a-图6c的模塑方法期间或之后不表现出屈曲或至少是抗屈曲稳健的，其本质上为具有非线性侧边缘150的非矩形形状因数。非线性侧边缘150到图像传感器区域108中凹形形貌消除在拐角152之间的底部基板材料102，如图4c所述。在高应力集中区域中较少底部基板材料102经受变形。换句话说，非矩形半导体管芯104表现为更好地配合在凹形凹陷162中，其中拐角152 之间的底部基板材料102较少。在凹形凹陷162中形成弯曲图像传感器区域108期间，非矩形半导体管芯104经历较少应力。缓解弯曲图像传感器区域108上的压缩应力集中区域，这消除或减少在图5a-图5c和图6a-图6c 的模塑方法期间或之后的屈曲。出于如上所述相同原因，半导体管芯114 中的弯曲图像传感器区域118消除或减少了屈曲。

图7b示出了在圆形或椭圆半导体管芯124中的弯曲图像传感器区域 128的立体图。具体地，弯曲图像传感器区域108在图5a-图5c和图6a-图 6c的模塑方法期间或之后不表现出屈曲或至少是抗屈曲稳健的，其本质上为具有圆形侧边缘156的圆形或椭圆形状因数。圆形侧边缘156消除底部基板材料122，如图4e所述。在高应力集中区域中较少底部基板材料122 经受变形。换句话说，圆形或椭圆半导体管芯124表现为更好地配合在凹形凹陷162中。在凹形凹陷162中形成弯曲图像传感器区域108期间，圆形或椭圆半导体管芯104经历较少应力。缓解弯曲图像传感器区域108上的压缩应力集中区域，这消除或减少在图5a-图5c和图6a-图6c的模塑方法期间或之后的屈曲。出于如上所述相同原因，半导体管芯134中的弯曲图像传感器区域138消除或减少了屈曲。

在另一个实施方案中，图8a示出了矩形半导体管芯182中的弯曲图像传感器区域180的立体图。为了减少或消除屈曲，在高应力集中区域 (即，通常经受屈曲的最大压缩应力区域，诸如靠近图像传感器区域180 的外侧边缘或半导体管芯182的周边区域)中形成多个开口184。开口184 移除底部基板材料的在半导体管芯182的周边区域中的一部分，以减小弯曲图像传感器区域180上的压缩应力集中区域。通过开口180而移除的底部基板材料的量、以及开口的形状和位置取决于底部基板材料几何形状和弯曲程度。开口184也可形成在非矩形半导体管芯例如104、114中以进一步减小弯曲图像传感器区域108、118上的压缩应力集中区域。

图8b示出了在矩形半导体管芯192中的弯曲图像传感器区域190的立体图。为了减少或消除屈曲，在高应力集中区域(即，通常经受屈曲的最大压缩应力区域，诸如靠近图像传感器区域190的外侧边缘或在半导体管芯192的周边区域中)中形成一个或多个穿孔或切口194。穿孔194移除底部基板材料的在半导体管芯192的周边区域中的一部分，以减小弯曲图像传感器区域190上的压缩应力集中区域。通过穿孔194而移除的底部基板材料的量、以及穿孔的形状和位置取决于底部基板材料几何形状和弯曲程度。穿孔194也可形成在非矩形半导体管芯例如矩形或非矩形半导体管芯104、114中以进一步减小弯曲图像传感器区域108、118上的压缩应力集中区域。

非矩形半导体管芯104和114和圆形或椭圆半导体管芯124和134提供移除存在于矩形半导体管芯中的底部基板材料和避免应力集中区域的形状因数。同样，开口184和穿孔194减小引起半导体管芯屈曲、翘曲或开裂的应力集中区域。减小在图像传感器区域108、118、128和138中的应力集中区域消除或减少了在制造方法期间的屈曲、开裂和不稳定性，并且提供更可靠的弯曲图像传感器半导体管芯。

移除的底部基板材料的区域可以用于各种目的，例如，引线接合、附加电路和用于封装的附加结构元件，诸如粘合剂或隔离材料。非有源管芯区域可以用于对准、校准结构或用于另外的管芯类型。具体地，图3b中的晶圆区域116或图3c中的晶圆区域126可以用于形成与半导体管芯114或 124相同类型或不同类型的较小半导体管芯，从而增加半导体晶圆区域的使用。例如，半导体管芯114可以是大的图像传感器管芯，并且半导体晶圆区域116可以是小的图像传感器管芯。

虽然已详细示出并描述了一个或多个实施方案，但是技术人员将认识到，在不脱离本公开的范围的情况下，可对这些实施方案作出修改和变更。下文中列出了多个示例性实施方案，而其他实施方案也是可能的。

在第一实施方案中，制造半导体器件的方法包括以下步骤：提供半导体晶圆，该半导体晶圆包括多个非矩形半导体管芯；切割半导体晶圆以将非矩形半导体管芯分开；以及在非矩形半导体管芯中形成弯曲表面。

在第二实施方案中，第一实施方案的非矩形半导体管芯包括具有非线性侧边缘的形状因数。

在第三实施方案中，第一实施方案的非矩形半导体管芯包括选自以下各项的形状因数：圆形、椭圆和具有非线性侧边缘的形状。

在第四实施方案中，第一实施方案的方法还包括在非矩形半导体管芯中形成图像传感器区域的步骤。

在第五实施方案中，第一实施方案的方法还包括在非矩形半导体管芯中形成多个开口或穿孔的步骤。

在第六实施方案中，第一实施方案的方法还包括在半导体晶圆在非矩形半导体管芯之间的区域中形成第二半导体管芯的步骤。

在第七实施方案中，第一实施方案的方法还包括利用等离子体工艺切割半导体晶圆。

在第八实施方案中，制造半导体器件的方法包括以下步骤：提供包括底部基板材料的半导体管芯；移除底部基板材料的在半导体管芯的周边区域中的一部分；以及在半导体管芯中形成弯曲表面。

在第九实施方案中，第八实施方案的移除底部基板材料的部分的步骤包括形成具有非矩形形状因数的半导体管芯的步骤。

在第十实施方案中，第八实施方案的非矩形形状因数包括非线性边缘。

在第十一实施方案中，第八实施方案的移除底部基板材料的部分的步骤包括形成具有圆形或椭圆形状因数的半导体管芯的步骤。

在第十二实施方案中，第八实施方案的移除底部基板材料的部分的步骤包括形成具有矩形形状因数的半导体管芯，以及在半导体管芯中形成多个开口或穿孔的步骤。

在第十三实施方案中，第八实施方案的移除底部基板材料的部分的步骤包括在半导体管芯中形成多个开口或穿孔的步骤。

在第十四实施方案中，第八实施方案的方法还包括在半导体管芯中形成图像传感器区域的步骤。

在第十五实施方案中，第八实施方案的方法还包括提供包括多个半导体管芯的半导体晶圆，以及切割半导体晶圆以将半导体管芯分开的步骤。

在第十六实施方案中，第十五实施方案的方法还包括利用等离子体工艺切割半导体晶圆的步骤。

在第十七实施方案中，半导体器件包括非矩形半导体管芯，该非矩形半导体管芯包括弯曲图像传感器区域。

在第十八实施方案中，第十七实施方案的非矩形半导体管芯包括具有非线性边缘的形状因数。

在第十九实施方案中，第十七实施方案的非矩形半导体管芯包括选自以下各项的形状因数：圆形、椭圆和具有非线性侧边缘的形状。

在第二十实施方案中，第十七实施方案的半导体器件还包括形成在非矩形半导体管芯中的多个开口或穿孔。