專利名稱:低溫下砷化鎵圖像傳感器圓片級(jí)芯片尺寸封裝工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及低溫下砷化鎵圖像傳感器圓片級(jí)芯片尺寸封裝工藝,準(zhǔn)確地說涉及一種采用砷化鎵濕法腐蝕和垂直通孔互連技術(shù)相結(jié)合而實(shí)現(xiàn)的砷化鎵圖像傳感器圓片級(jí)芯片尺寸封裝工藝,砷化鎵圖像傳感器是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(hào)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(jí)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(jí)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(jí)芯片尺寸封裝是MEMS封裝技術(shù)的發(fā)展必然趨勢(shì)。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(chǎng)合,如微波、移動(dòng)通訊、雷達(dá)系統(tǒng)等;此外,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。然而與硅材料相比, 砷化鎵材料的自身特點(diǎn)給圓片級(jí)芯片尺寸封裝提出了挑戰(zhàn)。垂直通孑L互連(Through-substrate via interconnection)技術(shù)是圓片級(jí)封裝中實(shí)現(xiàn)圖像傳感器圓片級(jí)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。砷化鎵各向異性濕法腐蝕工藝在不同晶面得到不同輪廓結(jié)構(gòu)。以(100)晶面襯底為例,如附圖1所示,在(100)晶面制作正方形掩膜開口,在(OlT)晶面得到“V型”結(jié)構(gòu);如附圖2所示,在(0 )晶面得到向內(nèi)側(cè)蝕的“< > 型”結(jié)構(gòu)。砷化鎵在不同晶面的腐蝕結(jié)構(gòu)是由其晶格結(jié)構(gòu)決定的,是其各向異性腐蝕的固有特性,其中“< >型”結(jié)構(gòu)對(duì)后續(xù)絕緣和通孔金屬化工藝造成極大困難。如附圖3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),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4所示,Badehi等人在文獻(xiàn)W099/406M 提出了 T型連接技術(shù),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。因此,在圖像傳感器圓片級(jí)芯片尺寸封裝互連技術(shù)中,垂直通孔互連技術(shù)和T型連接技術(shù)是最常見的兩種互連技術(shù)。兩種互連技術(shù)均有多種變化形式,且各有優(yōu)缺點(diǎn)。
其中,垂直通孔互連技術(shù)的工藝步驟是玻璃/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。其中通孔制作通常采用等離子體刻蝕工藝。對(duì)于硅基材料等離子體刻蝕工藝條件成熟;而對(duì)砷化鎵材料要想獲得特性均勻的垂直通孔, 要使用大功率高等離子體能量的刻蝕條件,這是敏感的圖像傳感器所不能容許的。此外,這種基于新原理高增益的砷化鎵圖像傳感器包含多層外延層結(jié)構(gòu)和多種源漏區(qū),而這些外延層結(jié)構(gòu)和源漏區(qū)對(duì)溫度十分敏感,因此在封裝工藝中應(yīng)嚴(yán)格避免高溫過程。于是引導(dǎo)出本發(fā)明如何在低溫條件下實(shí)現(xiàn)GaAs圖像傳感器元偏激芯片尺寸封裝工藝的構(gòu)思。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種砷化鎵圖像傳感器圓片級(jí)芯片尺寸封裝工藝,基本特征在于在不使用高溫工藝和高能量等離子體工藝條件下,解決了砷化鎵各向異性濕法腐蝕固有特性帶來的絕緣和通孔金屬化難題。又考慮到砷化鎵材料固有特性,該方案對(duì)器件晶圓的減薄,并將砷化鎵各向異性濕法腐蝕和垂直通孔互連技術(shù)結(jié)合起來,降低了封裝體積、 提高封裝密度,為圖像傳感器提供可靠的保護(hù)。本發(fā)明的目的在于提供一種低溫下砷化鎵圖像傳感器圓片級(jí)芯片尺寸封裝工藝及其形成的封裝結(jié)構(gòu)。本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是首先通過紫外粘接劑進(jìn)行載片和圖像傳感器器件晶圓之間鍵合,以保護(hù)芯片晶圓有源面并提高圖像傳感器晶圓的強(qiáng)度為器件晶圓減薄提供支撐;然后通過研磨方法使器件晶圓減薄至一定的厚度,再通過砷化鎵濕法腐蝕工藝腐蝕出有源面焊盤到背面的通路;后旋涂光敏有機(jī)樹脂,使該樹脂填充在上述通路中并均勻覆蓋圖像傳感器背面;然后在上述通路填充的樹脂中制作通孔,對(duì)有機(jī)樹脂可以采用低能量等離子體刻蝕,也可以采用厚膜光刻技術(shù)實(shí)現(xiàn);然后濺射種子層金屬并電鍍,實(shí)現(xiàn)孔金屬化和 RDL層(Redistribution Layer,重布線層),從而實(shí)現(xiàn)芯片晶圓有源面到芯片晶圓背面的電路互連;然后制作鈍化層、UBM(Under Bump Metallization,凸點(diǎn)下金屬化)層和In凸點(diǎn);最后劃片形成獨(dú)立的封裝器件(詳見具體實(shí)施方式
)。整個(gè)工藝流程均避免了高溫工藝和高能量等離子體工藝。本發(fā)明的具體工藝步驟如下A.晶圓鍵合(a)首先在載片和器件晶圓有源面旋涂一層紫外粘接劑(如苯丙環(huán)丁烯),并將載片和器件晶圓進(jìn)行鍵合,該紫外粘接劑(如苯丙環(huán)丁烯)在載片和器件晶圓上的厚度均為 3-15 μ m ;(b)紫外粘接劑(如苯丙環(huán)丁烯)固化,為了滿足后續(xù)工藝要求紫外粘接劑(如苯丙環(huán)丁烯)暴露在365nm紫外線下進(jìn)行深度固化。B.器件晶圓減薄(a)在完成步驟A以后,在研磨拋光設(shè)備上進(jìn)行器件晶圓背面減薄,器件晶圓的最終厚度是80-120μπι ;C.砷化鎵腐蝕(a)在完成步驟B以后,制作濕法腐蝕掩膜,掩膜采用400-600nmSi3N4并刻蝕出 10-20 μ m正方形窗口 ;
(b)砷化鎵腐蝕的腐蝕液采用體積比為9H3P04+1H2A+20H20溶液,溫度為25_40°C, 腐蝕深度為80-120μπι;(c)腐蝕器件晶圓有源面焊盤下絕緣層。D.絕緣隔離(a)在完成步驟C以后,旋涂光敏有機(jī)樹脂使其在步驟C中形成的通路中填充并均勻涂覆在器件晶圓背面;E.垂直通孔制作及其金屬化(a)在完成步驟D以后,進(jìn)行樹脂刻蝕形成垂直互連通孔;(b)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;(C)Cu電鍍,填充垂直互連通孔完成通孔金屬化。F. RDL層、鈍化層及凸點(diǎn)制作(a)在完成步驟E以后,制作RDL層;(b)制作鈍化層,并刻蝕鈍化層形成開口 ;(c)制作凸點(diǎn),凸點(diǎn)材料為h ;G.劃片(a)在完成F步驟以后,進(jìn)行劃片,從而形成獨(dú)立的封裝器件。本發(fā)明的實(shí)際效果是在圓片級(jí)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)明中提出的封裝工藝及其形成的結(jié)構(gòu)在保證可靠性的前提下,避免了高溫工藝和高能量等離子體刻蝕工藝,降低了封裝體積、提高封裝密度,為圖像傳感器提供可靠的保護(hù)。
圖1是砷化鎵各向異性濕法腐蝕在砷化鎵(01 )晶面形成的“V型”結(jié)構(gòu)刻蝕特性示意圖;圖2是砷化鎵各向異性濕法腐蝕在砷化鎵(OTT)晶面形成的“< > 型”結(jié)構(gòu)刻蝕特性示意圖;圖3是Kazumasa Tanida等人提出的采用垂直通孔互連技術(shù)制作的圖像傳感器封裝結(jié)構(gòu);圖4是Badehi等人提出的采用T型連接技術(shù)制作的圖像傳感器封裝結(jié)構(gòu);圖5是本發(fā)明制作的封裝體在砷化鎵(01 )晶面上截面圖;采用砷化鎵濕法腐蝕技術(shù),砷化鎵濕法腐蝕在該平面的特征為“V型”結(jié)構(gòu);圖6是本發(fā)明制作的封裝體在砷化鎵(0 )晶面上截面圖;砷化鎵濕法腐蝕在該平面的特征為“< >型”結(jié)構(gòu);圖7是封裝結(jié)構(gòu)制作工藝流程圖,包含8大工藝,分別為(A)晶圓鍵合、⑶晶圓減薄、(C)砷化鎵濕法腐蝕、⑶絕緣隔離、(E)垂直通孔制作、(F)金屬化與RDL層、(G)凸點(diǎn)工藝和(H)劃片。圖中01封裝體02濕法腐蝕掩膜 04掩膜開口06 "V型,,結(jié)構(gòu) 07 ‘‘< >型,,結(jié)構(gòu) 10玻璃載片
12紫外粘接劑 13鍵合介質(zhì)21砷化鎵(OTT)晶面 22有源面焊盤26背面焊盤&RDL 28光敏有機(jī)樹脂32凸點(diǎn)41紫外固化設(shè)備43濕法腐蝕設(shè)備 44旋轉(zhuǎn)涂膠設(shè)備46凸點(diǎn)工藝設(shè)備 47劃片設(shè)備
20砷化鎵(01 )晶面
24通孔金屬化 30鈍化層 42晶圓減薄設(shè)備 45通孔制作設(shè)備
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(duì)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。圖1是砷化鎵各向異性濕法腐蝕在砷化鎵(OlT)晶面20形成的“V型”結(jié)構(gòu)刻蝕特性示意圖,在掩膜02上制作10 μ m正方形刻蝕窗口 04,得到如圖1所示的“V型”結(jié)構(gòu)06。圖2是砷化鎵各向異性濕法腐蝕在砷化鎵(Ο )晶面21形成的“< > 型”結(jié)構(gòu)刻蝕特性示意圖,在掩膜02上制作10 μ m正方形刻蝕窗口 04,得到如圖2所示的“<> 型”結(jié)構(gòu)07,腐蝕互連通路開口約為250微米,底部約為40 μ m,這種刻蝕結(jié)構(gòu)是引起后續(xù)絕緣隔離和金屬化工藝的原因,也是采用砷化鎵濕法腐蝕技術(shù)的難點(diǎn)。圖3是Kazumasa Tanida等人提出的采用垂直通孔互連技術(shù)制作的圖像傳感器封裝結(jié)構(gòu),封裝體01包含載片10、鍵合介質(zhì)13、傳感器襯底材料20、有源面焊盤22、金屬化和 RDL層M、鈍化層30和凸點(diǎn)32。其特點(diǎn)是在圖像傳感器襯底上直接制作垂直互連通孔,制作通孔的方法為高能量等離子體工藝;圖4是Badehi等人提出的采用T型連接技術(shù)制作的圖像傳感器封裝結(jié)構(gòu),封裝體 01包含載片10、鍵合介質(zhì)13、傳感器襯底材料20、延伸焊盤22、RDL層沈、鈍化層30和凸點(diǎn)32,該封裝結(jié)構(gòu)涉及到的高溫工藝和制作通孔時(shí)的高能量等離子體是砷化鎵圖像傳感器所不容許的。其特點(diǎn)是采用延伸焊盤在圖像傳感器側(cè)邊制作梯形槽,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制作;圖5是封裝體01在砷化鎵COlT)晶面20的截面圖,其與(ΟΠ)晶面的區(qū)別在于濕法腐蝕得到的結(jié)構(gòu)截面不同。圖6是裝體01在砷化鎵(0Π)晶面21的截面圖,通過一系列工藝得到的封裝結(jié)構(gòu)有效的解決了砷化鎵腐蝕特性帶來的絕緣隔離和金屬化難題。圖7是制作封裝體01涉及到的主要工藝步驟和相關(guān)設(shè)備。其中步驟A為晶圓鍵合工藝,即將載片10和砷化鎵晶圓21使用紫外粘接劑(如苯丙環(huán)丁烯)12進(jìn)行鍵合,紫外粘接劑(如苯丙環(huán)丁烯)12的固化工藝需要使用相關(guān)固化設(shè)備41。其中載片10厚度為800-1200 μ m,砷化鎵晶圓20厚度為300-400 μ m,紫外粘接劑 (如苯丙環(huán)丁烯)12厚度為3-7 μ m。步驟B為砷化鎵晶圓減薄工藝,即使用研磨設(shè)備42用物理方法除去大部分襯底材料,最終得到砷化鎵晶圓20厚度為90-110 μ m。步驟C為使用濕法腐蝕設(shè)備43將減薄后的砷化鎵晶圓進(jìn)行刻蝕,腐蝕液為體積比 9H3P04+1H202+20H20,腐蝕溫度為27°C,腐蝕深度為90-110 μ m,得到各向異性的互連通路,使焊盤22暴露出來,腐蝕得到的互連通路特征尺寸是開口約為250 μ m正方形,底部為寬約為 40 μ m的矩形。該工藝在砷化鎵兩個(gè)不同晶面分別得到“V型”結(jié)構(gòu)和“< > 型”結(jié)構(gòu)。步驟D為旋涂涂覆光敏有機(jī)樹脂28,使其充分填充在上述互連通路中并在砷化鎵晶圓20或21背面均勻分布,光敏有機(jī)樹脂觀在砷化鎵晶圓20或21背面的厚度為 5-15 μ m0由于光敏有機(jī)樹脂良好的流動(dòng)性,即使在“< > 型”結(jié)構(gòu)中樹脂也能完全充填。步驟E制作垂直互連通孔工藝,圖中所示為使用低能量等離子體刻蝕設(shè)備(或厚膜光刻設(shè)備)45在上述填充的光敏有機(jī)樹脂中制作出垂直互連通孔,由于所使用的光敏樹脂能夠在低功率低等離子體能量條件下實(shí)現(xiàn)垂直通孔刻蝕,對(duì)襯底材料影響非常小,其中垂直互連通孔的特征尺寸為深100-120 μ m,直徑15-35 μ m。這樣制作的通孔可以克服上述工藝制作的“< > 型”結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)內(nèi)的絕緣。步驟F為通孔金屬化和RDL層制作工藝,這是圓片級(jí)封裝中常用的工藝。在垂直互連通孔中制作金屬化,步驟是金屬化前先沉積種子層,種子層為Ti/Pt/Au層,其中Ti/Pt 層為阻擋層,Au層為粘附層;再進(jìn)行Cu電鍍,使Cu填充垂直互連通孔完成通孔金屬化,同時(shí)一并形成RDL層,實(shí)現(xiàn)濕法腐蝕和垂直通孔互連技術(shù)的結(jié)合。步驟G為h凸點(diǎn)32制作工藝,此處使用凸點(diǎn)設(shè)備46能夠快速進(jìn)行圓片級(jí)h凸點(diǎn)32制作,凸點(diǎn)直徑為150-250 μ m。步驟H為劃片設(shè)備47完成劃片工藝,至此整個(gè)圓片完成圓片級(jí)芯片尺寸封裝。本發(fā)明提供的砷化鎵圖像傳感器圓片級(jí)芯片尺寸封裝工藝的步驟均在< 250°C的溫度下完成的,亦即本發(fā)明是在不使用高溫工藝和高能量等離子體工藝條件下,解決了砷化鎵各向異性濕法腐蝕固有特性帶來的絕緣和通孔金屬化難題。
權(quán)利要求
1.一種低溫條件下砷化鎵圖像傳感器圓片級(jí)芯片尺寸封裝工藝,其特征在于①首先進(jìn)行載片與圖像傳感器器件晶圓之間的鍵合,以保護(hù)芯片晶圓有源面并為器件晶圓減薄提供支撐;②然后通過研磨方法使器件晶圓減薄至一定厚度;③再通過砷化鎵濕法腐蝕方法形成器件晶圓背面到焊盤的通路;④旋涂光敏有機(jī)樹脂,填充步驟③形成的通路并均勻覆蓋在器件晶圓背面;⑤接著對(duì)光敏有機(jī)樹脂進(jìn)行光刻形成垂直互連通孔;⑥進(jìn)行金屬化并制作焊盤、RDL、鈍化層和凸點(diǎn);⑦最后劃片形成獨(dú)立的封裝器件。
2.按權(quán)利要求1所述的工藝,其特征在于具體的工藝步驟A.晶圓鍵合(a)首先在載片和器件晶圓有源面旋涂一層紫外粘接劑,并將載片和器件晶圓進(jìn)行鍵合;(b)紫外粘接劑暴露在紫外線下進(jìn)行深度固化;B.器件晶圓減薄(a)在完成步驟A以后,通過研磨方法進(jìn)行器件晶圓背面減薄,器件晶圓的最終厚度是 80-120ym ;C.砷化鎵濕法腐蝕(a)在完成步驟B以后,先制作濕法腐蝕Si3N4掩膜,并刻蝕出10-20μ m正方形窗口 ;(b)砷化鎵濕法腐蝕的腐蝕液采用體積比為9H3P04+1H2A+20H20,濕法腐蝕的溫度為 20-40 0C ;(c)腐蝕器件晶圓有源面焊盤下的絕緣層;D.絕緣隔離(a)在完成步驟C以后,旋涂光敏有機(jī)樹脂使其在步驟C中形成的通路中填充,并均勻涂覆在器件晶圓背面;E.制作垂直互連通孔及其金屬化(a)在完成步驟D以后,進(jìn)行光敏有機(jī)樹脂光刻,形成垂直互連通孔;(b)金屬化前先沉積種子層,種子層為Ti/Pt/Au層,其中Ti/Pt層為阻擋層,Au層為粘附層;(c)再進(jìn)行Cu電鍍,使Cu填充垂直互連通孔,以完成通孔金屬化;F.RDL層、鈍化層及凸點(diǎn)制作(a)在完成步驟E以后,一并形成RDL層;實(shí)現(xiàn)濕法腐蝕和垂直通孔互連技術(shù)的結(jié)合;(b)制作鈍化層,并刻蝕鈍化層形成開口;(c)制作凸點(diǎn),凸點(diǎn)材料為G.劃片(a)在完成F步驟以后,進(jìn)行劃片,從而形成獨(dú)立的封裝器件。
3.按權(quán)利要求2所述的工藝,其特征在于步驟A中(a)所述的紫外粘結(jié)劑為苯丙環(huán)丁烯,它在載片和器件晶圓上的厚度為5-15 μ m ;所述的苯環(huán)丁烯紫外粘結(jié)劑是在365nm紫外線下固化的。
4.按權(quán)利要求2或3所述的工藝,其特征在于所述的紫外粘結(jié)劑在載片和器件晶圓上的厚度為3-7 μ m。
5.按權(quán)利要求2所述的工藝,其特征在于步驟C中(b)砷化鎵濕法腐蝕的深度為80-120 μ m,得到各向異性的互連通路,互連通路的特征尺寸是開口為250 μ m的正方形,底部寬為40 μ m矩形。
6.按權(quán)利要求2或5所述的工藝,其特征在于在砷化鎵(01 )晶面形成“V型”結(jié)構(gòu);在 (01 )晶面形成“< > 型”結(jié)構(gòu)。
7.按權(quán)利要求5所述的工藝,其特征在于所述的腐蝕深度為90-110μ m。
8.按權(quán)利要求1或2所述的工藝,其特征在于所述的垂直互連通孔是使用低能量等離子刻蝕或厚膜光刻技術(shù),使用的光敏有機(jī)樹脂在低功率、低等離子體能量條件下實(shí)現(xiàn)垂直互連通孔刻蝕。
9.按權(quán)利要求8所述的工藝,其特征在于垂直互連通孔的特征尺寸是深度為 100-120 μ m,直徑為15-35 μ m,光敏有機(jī)樹脂在“< > 型”結(jié)構(gòu)中能完全充填。
10.按權(quán)利要求2所述的工藝,其特征在于①步驟F中(c)的h凸點(diǎn)直徑為150-250μ m ;②整個(gè)工藝步驟是在<250°C的低溫下完成的。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種低溫條件下砷化鎵圖像傳感器圓片級(jí)芯片尺寸封裝工藝,其特征在于①首先進(jìn)行載片與圖像傳感器器件晶圓之間的鍵合,以保護(hù)芯片晶圓有源面并為器件晶圓減薄提供支撐;②然后通過研磨方法使器件晶圓減薄至一定厚度;③再通過砷化鎵濕法腐蝕方法形成器件晶圓背面到焊盤的通路;④旋涂光敏有機(jī)樹脂,填充步驟③形成的通路并均勻覆蓋在器件晶圓背面;⑤接著對(duì)光敏有機(jī)樹脂進(jìn)行光刻形成垂直互連通孔;⑥進(jìn)行金屬化并制作焊盤、RDL、鈍化層和凸點(diǎn);⑦最后劃片形成獨(dú)立的封裝器件。本發(fā)明在于在不使用高溫工藝和高能量等離子體工藝條件下,解決了砷化鎵的絕緣和通孔金屬化難題。
文檔編號(hào)B81C1/00GK102431963SQ201110419770
公開日2012年5月2日 申請(qǐng)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(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所