專利名稱：GaAs CCD圖形傳感器圓片級芯片尺寸封裝工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及GaAs C⑶圖形傳感器圓片級芯片尺寸封裝工藝及結(jié)構(gòu)，更確切地說涉及一種采用梯形槽結(jié)構(gòu)和垂直通孔互連技術(shù)實(shí)現(xiàn)的GaAs CXD圖像傳感器圓片級芯片尺寸封裝工藝，GaAs CCD圖像傳感器是MEMS (MicroElectroMechanical System，微電子機(jī)械系統(tǒng))傳感器件，因此屬于MEMS器件封裝領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
MEMS是指采用微細(xì)加工技術(shù)制作的，集微型傳感器、微型構(gòu)件、微型執(zhí)行器、信號處理、控制電路等于一體的系統(tǒng)。MEMS器件在許多領(lǐng)域都有十分廣闊的應(yīng)用前景，其中圖像傳感器作為MEMS器件的一種其應(yīng)用尤為廣泛。圖像傳感器像元結(jié)構(gòu)極易受到污染和破壞影響其性能，圓片級芯片尺寸封裝能在封裝開始階段將脆弱的像元結(jié)構(gòu)保護(hù)起來，有利于提高封裝的可靠性和穩(wěn)定性。此外，圓片級芯片尺寸封裝在劃片之前考慮封裝問題，與前道工藝兼容，因而能夠提高封裝密度、降低成本。因此，圓片級芯片尺寸封裝是MEMS封裝技術(shù)的發(fā)展必然趨勢。砷化鎵半導(dǎo)體材料是常用的化合物半導(dǎo)體之一，與硅相比其優(yōu)點(diǎn)有飽和電子遷移率高、噪聲小、崩潰電壓高，因此比硅更適用于高頻大功率場合，如微波、移動(dòng)通訊、雷達(dá)系統(tǒng)等；砷化鎵是直接帶隙材料且切換速度快，因此光電性能優(yōu)越，CCD圖像傳感器便是其應(yīng)用之一；此外，砷化鎵襯底不需要進(jìn)行絕緣隔離，這為封裝結(jié)構(gòu)省去復(fù)雜的隔離工藝。然而與硅材料相比，砷化鎵工藝與大規(guī)模生產(chǎn)的硅基CMOS工藝難以兼容，這更為GaAs CXD圖像傳感器圓片級芯片尺寸封裝提出了挑戰(zhàn)。垂直通孔互連技術(shù)是圓片級封裝中實(shí)現(xiàn)圖像傳感器圓片級芯片尺寸封裝的可靠選擇之一，在硅基圖像傳感器封裝技術(shù)中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。這種電互連較傳統(tǒng)的互連方式如引線鍵合的優(yōu)點(diǎn)在于電連接距離短，互連密度高，寄生、串?dāng)_等效應(yīng)小，此外還可實(shí)現(xiàn)器件的三維立體封裝。如附圖1和附圖2所示，在傳統(tǒng)硅基圖像傳感器圓片級芯片尺寸封裝互連技術(shù)中， 垂直互連通孔技術(shù)和T形連接技術(shù)是最常見的兩種封裝互連技術(shù)。兩種互連技術(shù)均有多種變化形式，且各有優(yōu)缺點(diǎn)。如附圖1所示，Kazumasa Tanida等人在文獻(xiàn)US2010/025^02提出的圖像器件封裝工藝及結(jié)構(gòu)中，使用的是垂直通孔互連技術(shù)，垂直互連通孔技術(shù)通常的工藝步驟是玻璃晶圓/硅晶圓鍵合、硅晶圓減薄、通孔制作、通孔金屬化、RDL層與凸點(diǎn)制作、劃片等。其特點(diǎn)是在圖像傳感器襯底上直接制作垂直互連通孔，制作通孔的方法通常為等離子體刻蝕工藝，缺點(diǎn)是該方法對GaAs襯底而言，工藝難度極大；且在制作高深寬比的通孔過程中使用了高溫和高能量的等離子體工藝。如附圖2所示，Badehi等人在文獻(xiàn)W099/406M提出了 T型連接技術(shù)，T型連接技術(shù)通常的工藝步驟是玻璃晶圓/硅晶圓鍵合、硅晶圓減薄、梯形槽刻蝕、玻璃晶圓/硅晶圓鍵合、梯形槽刻蝕、RDL層與凸點(diǎn)、劃片。該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是采用玻璃-芯片-玻璃的“三明治”結(jié)構(gòu)。其特點(diǎn)是采用延伸焊盤在圖像傳感器側(cè)邊制作制作梯形槽，從而形成T型連接， 梯形槽可以采用機(jī)械加工方法或者等離子體刻蝕工藝，缺點(diǎn)是工藝成本高，可靠性和互連密度較低。

發(fā)明內(nèi)容
為了降低封裝成本，提高封裝密度，并為圖像傳感器提供可靠的保護(hù)，本發(fā)明考慮到砷化鎵材料的特點(diǎn)將垂直互連通孔技術(shù)和梯形槽結(jié)構(gòu)結(jié)合起來。避免了垂直通孔互連技術(shù)工藝難度大等缺點(diǎn)，同時(shí)比T型連接技術(shù)成本低、互連密度高。本發(fā)明的目的是提供一種低成本GaAs CXD圖像傳感器圓片級芯片尺寸封裝工藝。本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是首先通過樹脂粘接劑進(jìn)行玻璃晶圓和砷化鎵晶圓之間的鍵合，保護(hù)芯片有源面并提高芯片晶圓強(qiáng)度；然后通過濕法腐蝕或者物理方法制作梯形槽結(jié)構(gòu)，使芯片互連區(qū)襯底厚度減??；接著通過干法刻蝕技術(shù)制作垂直互連通孔，使芯片有源面焊盤暴露出來；然后濺射種子層金屬并電鍍，制作孔金屬化和RDL層，從而實(shí)現(xiàn)芯片有源面到芯片背面的電路互連；然后制作鈍化層、UBM層和凸點(diǎn)；最后劃片形成獨(dú)立封裝芯片。(詳見具體實(shí)施方式
)。依上所述，本發(fā)明的具體工藝步驟如下A.玻璃晶圓/砷化鎵晶圓鍵合(a)首先在芯片有源面旋涂一層粘接劑，并將玻璃晶圓與砷化鎵晶圓進(jìn)行鍵合，該粘接劑的厚度為5-15μπι;(b)粘接劑固化工藝，固化條件為真空排氣后80_120°C熱固化100-150min。B.制作梯形槽結(jié)構(gòu)(a)在完成步驟A后，在芯片背面進(jìn)行薄膠光刻，形成互連區(qū)濕法腐蝕窗口 ；(b)砷化鎵腐蝕是在體積比為IH2SO4-SH2O2-IH2O的刻蝕液中進(jìn)行的，梯形槽制作的溫度為20-40°C，時(shí)間6-10小時(shí)；C.制作垂直互連通孔(a)在完成步驟B以后，使光刻膠均勻分布于芯片背面和梯形槽內(nèi)，形成干法刻蝕垂直互連通孔的掩膜；(b)在 ICPanductively Coupled Plasma，感應(yīng)耦合等離子體)-RIE (反應(yīng)離子刻蝕)刻蝕系統(tǒng)中進(jìn)行垂直互連通孔刻蝕，刻蝕氣體為Cl2或BCl3 ；(c)刻蝕砷化鎵晶圓芯片有源面焊盤下絕緣層。D.孔金屬化和RDL層制作(a)在完成步驟C以后，進(jìn)行種子層沉積，種子層為Ti/Pt/Au層，其中Ti/Pt層為阻擋層，Au層為粘附層；(b)厚膠光刻定義出孔金屬化和RDL層電鍍窗口，光刻膠厚度為10_20μπι ；(c)電鍍Au層，鍍層厚度為5-15 μ m以保證梯形槽中沿斜面制作的引線能夠可靠的互連；(d)電鍍種子層刻蝕。E.鈍化層、UBM層及凸點(diǎn)制作(a)在完成步驟D以后，沉積鈍化層108，鈍化層材料是環(huán)氧樹脂有機(jī)樹脂；
(b)制作UBM層，包括鈍化層刻蝕、UBM層沉積和UBM層刻蝕等工藝；(c) In凸點(diǎn)工藝，包括電鍍h工藝及h凸點(diǎn)回流工藝；F.劃片在完成E步驟以后，進(jìn)行劃片工藝從而形成獨(dú)立的封裝芯片。所述工藝進(jìn)一步特征在于(1)所述的梯形槽結(jié)構(gòu)和垂直互連通孔分布于芯片背面互連區(qū)四邊；(2)所述的垂直互連通孔在梯形槽底部可以單排列分布，也可以多排列分布；(3)所述的粘接劑固化條件是真空排氣后80-120°C，熱固化100-150min ；(4)形成梯形槽的方法可以是腐蝕方法(a)在完成步驟A后，在芯片背面進(jìn)行薄膠光刻，形成互連區(qū)濕法腐蝕窗口 ；(b)砷化鎵腐蝕在體積比為1H2S04+8HA+1H20刻蝕液中按照嚴(yán)格控制的溫度和時(shí)間下進(jìn)行梯形槽制作；所制作的梯形槽結(jié)構(gòu)尺寸為槽頂部寬500-600 μ m，槽底部寬150-250 μ m，槽深 300-340 μm ；(5)步驟D中垂直互連通孔的孔金屬化及RDL層同時(shí)形成；電鍍Au在梯形槽側(cè)壁上形成的沿斜面制作的引線；(6)步驟E中鈍化層是旋涂的有機(jī)樹脂，有機(jī)樹脂固化前的流動(dòng)性使其充填在梯形槽內(nèi)，以保證芯片背面的平整性；(7)所述的劃片工藝，即首先用較厚砷化鎵劃片刀切割砷化鎵晶圓，然后用較薄玻璃劃片刀切割玻璃晶圓，從而形成獨(dú)立的封裝芯片；(8)所述梯形結(jié)構(gòu)內(nèi)含一圈排列的垂直互連通孔，凸點(diǎn)采用部分結(jié)構(gòu)；(9)傳感器芯片信號從有源面經(jīng)垂直互連通孔和梯形槽結(jié)構(gòu)由焊盤、孔內(nèi)金屬化、 RDL層及凸點(diǎn)傳輸至芯片背面，從而實(shí)現(xiàn)圓片級封裝。本發(fā)明的實(shí)際效果是在圓片級工藝的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了圖像傳感器的可靠封裝。本發(fā)明中提供的封裝結(jié)構(gòu)在保證可靠性的前提下，降低了封裝成本和工藝難度，提高了封裝的互連密度。


圖1是Kazumasa Tanida等人在文獻(xiàn)US2010/025^02提出的采用垂直互連通孔技術(shù)實(shí)現(xiàn)的硅基圖像傳感器封裝結(jié)構(gòu)；圖2是Badehi等人在文獻(xiàn)W099/406M提出的采用T型連接技術(shù)實(shí)現(xiàn)的硅基圖像傳感器封裝結(jié)構(gòu)；圖3是按照本發(fā)明最佳實(shí)施方式制作的GaAs CXD圖像傳感器圓片級芯片尺寸封裝體20剖面圖；圖4是按照本發(fā)明最佳實(shí)施方式獲得的封裝結(jié)構(gòu)中局部詳細(xì)互連結(jié)構(gòu)；圖5是按照本發(fā)明最佳實(shí)施方式制作GaAs CXD圖像傳感器圓片級芯片尺寸封裝結(jié)構(gòu)的工藝流程圖，圖5A-圖5H是分別從初始圓片直到劃片結(jié)束的主要工藝步驟；其中， A.封裝前芯片晶圓截面；B.鍵合；C.制作梯形槽；D.制作垂直互連通孔；E.絕緣隔離金屬化和制作RDL層；F.制作鈍化層；G.制作凸點(diǎn)。
圖中OlGaAs襯底02焊盤下絕緣層 03有源面焊盤04鍵合材料05玻璃晶圓06金屬化&RDL07絕緣隔離08UBM層09凸點(diǎn)13梯形槽14垂直互連通孔 20封裝體
具體實(shí)施例方式為了能使本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果得到充分體現(xiàn)，下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著的進(jìn)步作進(jìn)一步說明。如圖3所示，是按照本發(fā)明最佳實(shí)施方式制作的GaAs CXD圖像傳感器圓片級芯片尺寸封裝體20的剖面圖。如圖4所示，是按照本發(fā)明最佳實(shí)施方式的封裝結(jié)構(gòu)剖面圖及互連結(jié)構(gòu)，在本實(shí)施例中梯形槽結(jié)構(gòu)13內(nèi)包含一圈排列的垂直互連通孔14，凸點(diǎn)09采用部分陣列結(jié)構(gòu)。從圖4中可以看出傳感器芯片信號從有源面經(jīng)垂直互連通孔和梯形槽結(jié)構(gòu)由焊盤03、孔內(nèi)金屬化及RDL層06和凸點(diǎn)09傳輸至芯片背面，從而實(shí)現(xiàn)圓片級封裝。按照本發(fā)明最佳實(shí)施方式，圖5是應(yīng)用本發(fā)明最佳實(shí)施方式制作封裝結(jié)構(gòu)的工藝流程圖。圖5A是封裝前芯片晶圓截面，包括砷化鎵襯底01、絕緣層02和焊盤03，按照本發(fā)明最佳實(shí)施方式焊盤尺寸為50 X 50 μ m2，焊盤間距100-200 μ m。圖5B是玻璃晶圓05/砷化鎵晶圓01鍵合工藝，按照本發(fā)明最佳實(shí)施方式鍵合材料為5-15 μ m透光樹脂粘接劑04。圖5C是梯形槽13制作工藝，按照本發(fā)明最佳實(shí)施方式梯形槽13結(jié)構(gòu)按照單圈焊盤進(jìn)行制作，采用梯形劃片刀切割后濕法清洗制作，其尺寸為槽頂部寬500-600 μ m，槽底部寬 150-250 μ m,槽深 300—340 μ m。圖5D是垂直互連通孔14制作工藝，按照本發(fā)明最佳實(shí)施方式垂直互連通孔14采用ICP-RIE干法刻蝕工藝制作，孔徑和孔深分別為40-60 μ m和80-120 μ m。圖5E絕緣隔離，刻蝕GaAs晶圓芯片有源面焊盤下絕緣層。圖5F是孔金屬化&RDL層06制作工藝，按照本發(fā)明最佳實(shí)施方式孔金屬化&RDL 層06采用電鍍5-15 μ m的Au層，種子層材料為Ti/Pt/Au，其中Ti/Pt層為阻擋層，Au層為粘附層，電鍍工藝可以同時(shí)完成垂直互連通孔的金屬化&RDL層制作。圖5G是鈍化層08制作工藝，按照本發(fā)明最佳實(shí)施方式鈍化層08采用5_15 μ m厚樹脂材料，樹脂固化前的流動(dòng)性能使樹脂材料充分填充在梯形槽13結(jié)構(gòu)內(nèi)。圖5H是凸點(diǎn)09制作工藝，按照本發(fā)明最佳實(shí)施方式凸點(diǎn)09的材料為In，UBM層采用與種子層相同材料和結(jié)構(gòu)，即沉積的Ti/Pt/Au復(fù)合層，Ti/Pt層為阻擋層，Au層為粘附層，凸點(diǎn)09按照部分陣列排列，凸點(diǎn)直徑為100-150 μ m,間距為200-400 μ m。
權(quán)利要求
1.一種GaAs C⑶圖像傳感器圓片級芯片尺寸封裝結(jié)構(gòu)工藝，其特征在于①首先通過樹脂粘接劑進(jìn)行玻璃晶圓和砷化鎵晶圓鍵合，保護(hù)芯片有源面并提高芯片晶圓強(qiáng)度；②然后通過濕法腐蝕或者物理方法制作梯形槽結(jié)構(gòu)，使芯片互連區(qū)襯底厚度減?。虎劢又ㄟ^干法刻蝕技術(shù)制作垂直互連通孔，使芯片有源面焊盤暴露出來；④再濺射種子層金屬并電鍍，制作孔金屬化和RDL層，從而實(shí)現(xiàn)芯片有源面到芯片背面的電路互連；⑤然后制作鈍化層、UBM層和凸點(diǎn)；⑥最后劃片形成獨(dú)立封裝芯片。
2.按權(quán)利要求1所述的工藝，其特征在于具體工藝步驟A.玻璃晶圓/砷化鎵晶圓鍵合(a)首先在芯片有源面旋涂一層苯丙環(huán)丁烯或改性丙烯酸粘接劑，并將玻璃晶圓與砷化鎵晶圓進(jìn)行鍵合，該粘接劑的厚度為5-15μπι ；(b)粘接劑固化工藝，根據(jù)使用粘接劑類型不同可以分別采用250°C熱固化或者365nm 紫外線固化。B.梯形槽制作(a)在完成步驟A以后，在芯片背面進(jìn)行薄膠光刻，形成互連區(qū)濕法腐蝕窗口；(b)用體積比為IH2SO4-SH2O2-IH2O腐蝕液清洗崩邊以得到邊緣光潔的表面。C.垂直互連通孔制作(a)在完成步驟B以后，進(jìn)行光刻，首先使光刻膠均勻分布于芯片背面和梯形槽內(nèi)，形成干法刻蝕垂直互連通孔的掩膜；(b)在ICP刻蝕系統(tǒng)中進(jìn)行垂直互連通孔刻蝕，刻蝕氣體為Cl2或BCl3；(c)刻蝕砷化鎵晶圓芯片有源面焊盤下絕緣層。D.孔金屬化和RDL層制作(a)在完成步驟C以后，進(jìn)行種子層沉積，種子層為Ti/Pt/Au層，其中Ti/Pt層為阻擋層，Au層為粘附層；(b)厚膠光刻定義出孔金屬化和RDL層電鍍窗口，光刻膠厚度為10-20μπι;(c)電鍍Au層，鍍層厚度為5-15μ m以保證梯形槽中沿斜面制作的引線能夠可靠的互連；(d)電鍍種子層刻蝕。E.鈍化層、凸點(diǎn)下金屬化層及凸點(diǎn)制作(a)在完成步驟D以后，沉積鈍化層，鈍化層材料是有機(jī)樹脂(如環(huán)氧樹脂)；(b)制作UBM層，包括鈍化層刻蝕、UBM層沉積和UBM層刻蝕等工藝；(c)In凸點(diǎn)工藝，包括電鍍h工藝及h凸點(diǎn)回流工藝；F.劃片(a)在完成E步驟以后，進(jìn)行劃片工藝從而形成獨(dú)立的封裝芯片。
3.按權(quán)利要求1或2所述的工藝，其特征在于砷化鎵晶圓芯片有源面到芯片背面的互連采用了垂直通孔互連技術(shù)；砷化鎵晶圓采用了梯形槽結(jié)構(gòu)和垂直互連通孔技術(shù)相結(jié)合的互連技術(shù)。
4.按權(quán)利要求3所述的工藝，其特征在于梯形槽結(jié)構(gòu)和垂直互連通孔分布于芯片背面互連區(qū)四邊；垂直互連通孔在梯形槽底部為單排列分布，或多排列分布。
5.按權(quán)利要求2所述的工藝，其特征在于在步驟A中粘接劑固化條件是真空排氣后80-120°C，熱固化 100-150min。
6.按權(quán)利要求2或4所述的工藝，其特征在于在步驟B中形成梯形槽的方法為腐蝕方法(a)在完成步驟A后，在芯片背面進(jìn)行薄膠光刻，形成互連區(qū)濕法腐蝕窗口 ； 或(b)砷化鎵腐蝕在體積比為1H2S04+8H2A+1H20刻蝕液中按照嚴(yán)格控制的溫度和時(shí)間下進(jìn)行梯形槽制作；所制作的梯形槽結(jié)構(gòu)尺寸為槽頂部寬500-600 μ m，槽底部寬150-250 μ m，槽深 300-340 μ m0
7.按權(quán)利要求2所述的工藝，其特征在于①步驟D中電鍍Au在梯形槽側(cè)壁上形成的沿斜面制作的引線；②步驟E中鈍化層是旋涂的有機(jī)樹脂，樹脂固化前充填在梯形槽內(nèi)，以保證芯片背面的平整性。
8.按權(quán)利要求2所述的工藝，其特征在于步驟F中采用的劃片工藝是先用砷化鎵劃片刀切割砷化鎵晶圓，然后用玻璃劃片刀切割玻璃晶圓，從而形成獨(dú)立的封裝芯片。
9.按權(quán)利要求2所述的工藝，其特征在于①所述梯形槽制作溫度為20-40°C，時(shí)間為6-10小時(shí)；②ICP-RIEF干法刻蝕工藝制作垂直互連通孔的孔徑和孔深分別為40-60μπι和 80-120ym ；③所述的鈍化層采用5-15μ m厚樹脂材料；④h凸點(diǎn)按部分陣列排列，凸點(diǎn)直徑為100-150μ m,間距為200-400 μ m。
10.按權(quán)利要求2所述的工藝，其特征在于①所述梯形結(jié)構(gòu)內(nèi)含一圈排列的垂直互連通孔，凸點(diǎn)采用部分結(jié)構(gòu)；②傳感器芯片信號從有源面經(jīng)垂直互連通孔和梯形槽結(jié)構(gòu)由焊盤、孔內(nèi)金屬化、RDL層及凸點(diǎn)傳輸至芯片背面，從而實(shí)現(xiàn)圓片級封裝。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種GaAs CCD圖像傳感器圓片級芯片尺寸封裝結(jié)構(gòu)工藝，其特征在于①首先通過樹脂粘接劑進(jìn)行玻璃晶圓和砷化鎵晶圓鍵合，保護(hù)芯片有源面并提高芯片晶圓強(qiáng)度；②然后通過濕法腐蝕或者物理方法制作梯形槽結(jié)構(gòu)，使芯片互連區(qū)襯底厚度減??；③接著通過干法刻蝕技術(shù)制作垂直互連通孔，使芯片有源面焊盤暴露出來；④再濺射種子層金屬并電鍍，制作孔金屬化和RDL層，從而實(shí)現(xiàn)芯片有源面到芯片背面的電路互連；⑤然后制作鈍化層、UBM層和凸點(diǎn)；⑥最后劃片形成獨(dú)立封裝芯片。背面梯形槽結(jié)構(gòu)只在有焊盤區(qū)域進(jìn)行減薄，有效地降低了成本，而且垂直通孔互連能提高封裝互連密度，縮短信號傳輸路徑。
文檔編號B81C1/00GK102509718SQ20111041976
公開日2012年6月20日 申請日期2011年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月15日
發(fā)明者徐高衛(wèi), 王雙福, 羅樂, 韓梅 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所