光耦合器件及其形成方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種半導(dǎo)體器件的實(shí)施例，該半導(dǎo)體器件包括：位于第一襯底上方的光學(xué)器件；位于光學(xué)器件的頂面上的垂直波導(dǎo)，垂直波導(dǎo)具有第一折射率；以及位于垂直波導(dǎo)上方的覆蓋層，覆蓋層被配置成用于垂直波導(dǎo)的透鏡并且覆蓋層具有第二折射率。本發(fā)明還提供了光耦合器件及其形成方法。
【專利說明】光耦合器件及其形成方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明一般地涉及半導(dǎo)體【技術(shù)領(lǐng)域】，更具體地，涉及半導(dǎo)體器件及其形成方法。

【背景技術(shù)】
[0002]對(duì)于集成光學(xué)和光電子電路中的傳輸速度、數(shù)據(jù)容量和數(shù)據(jù)密度的不斷增長(zhǎng)的需求是寬帶通信領(lǐng)域、大容量的信息存儲(chǔ)領(lǐng)域和大屏幕以及便攜式信息顯示器領(lǐng)域中的大量創(chuàng)新的背后的驅(qū)動(dòng)力。雖然玻璃光纖通常用于長(zhǎng)距離的高速數(shù)據(jù)傳輸，但是由于其高密度、耐久性差、以及復(fù)雜的光子電路的制造成本高，所以玻璃光纖不便用于復(fù)雜的高密度電路。因此，高分子材料對(duì)于構(gòu)建能夠執(zhí)行用于集成光學(xué)和光電子器件的期望功能的成本效益高的、可靠的、有源和無源集成元件具有廣闊的前景。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了解決現(xiàn)有技術(shù)中所存在的缺陷，根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種半導(dǎo)體器件，包括:光學(xué)器件，位于第一襯底上方；垂直波導(dǎo)，位于所述光學(xué)器件的頂面上，所述垂直波導(dǎo)具有第一折射率；以及覆蓋層，位于所述垂直波導(dǎo)上方，所述覆蓋層被配置成用于所述垂直波導(dǎo)的透鏡并且所述覆蓋層具有第二折射率。
[0004]在該半導(dǎo)體器件中，所述垂直波導(dǎo)包括聚合物并且所述覆蓋層包括聚合物。
[0005]在該半導(dǎo)體器件中，所述垂直波導(dǎo)具有縱軸，所述縱軸與所述襯底的頂面基本垂直。
[0006]在該半導(dǎo)體器件中，所述第一折射率大于所述第二折射率。
[0007]在該半導(dǎo)體器件中，所述覆蓋層的頂面在所述第一襯底的頂面上方形成圓頂，所述覆蓋層的頂面位于所述垂直波導(dǎo)的頂面上方。
[0008]在該半導(dǎo)體器件中，所述覆蓋層封裝所述垂直波導(dǎo)、所述光學(xué)器件和所述第一襯底的頂面。
[0009]該半導(dǎo)體器件進(jìn)一步包括:第一再分布層，位于所述第一襯底上方；第一接合引線，連接所述第一再分布層和所述光學(xué)器件的頂面；以及第二再分布層，位于所述第一襯底上方，所述光學(xué)器件連接至所述第二再分布層。
[0010]在該半導(dǎo)體器件中，通過所述覆蓋層環(huán)繞所述第一接合弓I線。
[0011]該半導(dǎo)體器件進(jìn)一步包括:第二襯底，所述第一襯底被安裝至所述第二襯底；第二接合弓I線，將所述第二襯底連接至所述第一再分布層；以及第三接合弓I線，將所述第二襯底連接至所述第二再分布層。
[0012]在該半導(dǎo)體器件中，所述光學(xué)器件包括垂直腔表面發(fā)射激光器。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種半導(dǎo)體器件，包括:第一再分布層，位于第一襯底的第一側(cè)面的上方；光學(xué)器件，接合至所述第一再分布層；垂直波導(dǎo)，位于所述光學(xué)器件的頂面上；第二再分布層，位于所述襯底上方；第一接合引線，將所述第二再分布層連接至所述光學(xué)器件的頂面；透鏡層，位于所述垂直波導(dǎo)、所述光學(xué)器件和所述第一接合引線上方；第一襯底通孔，從所述第二再分布層延伸穿過所述第一襯底到達(dá)所述第一襯底的背面；以及第一連接器，在所述第一襯底的背面連接至所述第一襯底通孔。
[0014]在該半導(dǎo)體器件中，所述光學(xué)器件包括垂直腔表面發(fā)射激光器。
[0015]在該半導(dǎo)體器件中，所述透鏡層封裝所述垂直波導(dǎo)、所述光學(xué)器件、所述第一接合引線和所述第一襯底的第一側(cè)面。
[0016]該半導(dǎo)體器件進(jìn)一步包括:第二襯底通孔，從所述第一再分布層延伸穿過所述第一襯底到達(dá)所述第一襯底的背面；以及第二連接器，在所述第一襯底的背面連接至所述第二襯底通孔；所述第一連接器和所述第二連接器將所述第一襯底連接至所述第二襯底；并且底部填充材料位于所述第一襯底和所述第二襯底之間并環(huán)繞所述第一連接器和所述第二連接器。
[0017]在該半導(dǎo)體器件中，所述垂直波導(dǎo)包括聚合物并且所述覆蓋層包括聚合物。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供了一種形成半導(dǎo)體器件的方法，所述方法包括:將光學(xué)器件接合至第一襯底的第一側(cè)面；將所述光學(xué)器件連接至所述第一襯底；在所述光學(xué)器件的頂面上形成垂直波導(dǎo)；以及在所述垂直波導(dǎo)和所述光學(xué)器件上方形成覆蓋層，所述覆蓋層被配置成用于所述垂直波導(dǎo)的透鏡。
[0019]在該方法中，形成所述垂直波導(dǎo)進(jìn)一步包括:將第一聚合物材料直接分配到所述光學(xué)器件的頂面上，所述第一聚合物材料具有第一折射率。
[0020]在該方法中，形成所述覆蓋層進(jìn)一步包括:將第二聚合物材料分配到所述垂直波導(dǎo)和所述光學(xué)器件的上方，所述第二聚合物材料具有第二折射率，所述第二折射率小于所述第一折射率。
[0021 ] 在該方法中，所述覆蓋層直接與所述垂直波導(dǎo)和所述光學(xué)器件鄰接。
[0022]在該方法中，連接所述光學(xué)器件進(jìn)一步包括:在所述第一襯底上方形成第一再分布層；將所述光學(xué)器件連接至所述第一再分布層；在所述第一襯底上方形成第二再分布層；以及從所述第二再分布層至所述光學(xué)器件的頂面形成第一接合弓I線。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]為了更充分地理解本發(fā)明及其優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在將結(jié)合附圖所進(jìn)行以下描述作為參考，其中:
[0024]圖1A至圖1E示出根據(jù)一個(gè)實(shí)施例形成半導(dǎo)體器件的中間階段；
[0025]圖2示出根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例的半導(dǎo)體器件；
[0026]圖3示出根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例被安裝至襯底的圖2所示的半導(dǎo)體器件；以及
[0027]圖4示出根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例的半導(dǎo)體器件。

【具體實(shí)施方式】
[0028]現(xiàn)在將詳細(xì)地參考附圖所示的實(shí)施例。在可能的情況下，相同的附圖標(biāo)記用于附圖和說明書中以代表相同或相似的部件。在附圖中，為了清楚和方便起見，可以放大形狀和厚度。根據(jù)本發(fā)明，本發(fā)明涉及形成方法和器件的部分或更加直接地與本發(fā)明的方法和器件協(xié)作的元件。應(yīng)當(dāng)理解，未具體示出或描述的元件可以采用本領(lǐng)域內(nèi)眾所周知的各種形式。多種替換和修改一旦公開，對(duì)本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員來說將是顯而易見的。
[0029]整個(gè)本說明書中引用“一個(gè)實(shí)施例”或“某個(gè)實(shí)施例”意味著在本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例包括關(guān)于該實(shí)施例而描述的特定部件、結(jié)構(gòu)或特征。因此，在整個(gè)說明書的各個(gè)位置處出現(xiàn)的短語“在一個(gè)實(shí)施例中”或“在某個(gè)實(shí)施例中”不一定都指的是同一個(gè)實(shí)施例。而且，在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中可以以任何合適的方式組合特定部件、結(jié)構(gòu)或特征。應(yīng)理解，以下附圖沒有按比例繪制；而這些附圖只是為了說明。
[0030]關(guān)于具體上下文描述實(shí)施例，即，在垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)上直接形成具有垂直波導(dǎo)的光耦合器件。然而。也可以應(yīng)用其它實(shí)施例以在其他元件(諸如激光電二極管、光檢測(cè)器、光學(xué)集成電路、或其他光學(xué)部件)上直接形成波導(dǎo)。
[0031]現(xiàn)在參考圖1，根據(jù)一個(gè)實(shí)施例示出了處于加工的中間階段的半導(dǎo)體器件100。半導(dǎo)體器件100包括:襯底20、位于襯底20上方的包括第一 RDL22A和第二 RDL22B的再分布層(RDL)22以及位于第二 RDL22B上的接合結(jié)構(gòu)24。襯底20可以是任何合適的襯底，諸如1/2/1層壓襯底、4層層壓襯底、中介層、封裝襯底、管芯/晶圓、印刷電路板、高密度互連件等。襯底20可以是硅、鍺硅、碳化硅、陶瓷襯底、石英襯底等或它們的組合。襯底20可以包括摻雜的或未摻雜的塊狀硅或絕緣體上硅(SOI)襯底的有源層。
[0032]襯底20可以包括集成電路器件(未示出)。本領(lǐng)域內(nèi)普通技術(shù)人員可以認(rèn)識(shí)到，可以使用各種各樣的集成電路器件(諸如晶體管、電容器、電阻器、它們的組合等)以生成用于半導(dǎo)體器件100的結(jié)構(gòu)和功能需求的設(shè)計(jì)。可以使用任何合適的方法形成集成電路器件。
[0033]襯底20還可以包括互連結(jié)構(gòu)(未示出)。互連結(jié)構(gòu)可以形成在集成電路器件上方并且被設(shè)計(jì)為連接各種集成電路器件以形成功能電路?；ミB結(jié)構(gòu)可以由電介質(zhì)(例如，低k介電材料)和導(dǎo)電材料(例如，銅)的交替層形成并且可以通過任何合適的工藝(諸如沉積、鑲嵌、雙鑲嵌等)形成。導(dǎo)電層和介電層可以包括金屬線和通孔(未示出)以將集成電路器件電連接至RDL22。附圖中僅示出了襯底20的一部分，因?yàn)檫@是足以充分地描述示例性實(shí)施例。
[0034]可以形成沿著襯底20延伸的RDL22A和RDL22B?？梢詫DL22A和RDL22B用作再分配層以允許將隨后形成的器件和結(jié)構(gòu)(參見圖1B)(其電連接至互聯(lián)結(jié)構(gòu)(未示出)和/或有源和無源器件)設(shè)置在襯底20上的任何預(yù)期位置，而不是將隨后形成的器件和結(jié)構(gòu)的位置限定在直接位于互聯(lián)結(jié)構(gòu)和/或有源和無源器件的上方的位置。在一個(gè)實(shí)施例中，通過諸如化學(xué)汽相沉積(CVD)或?yàn)R射的合適形成工藝最初形成鈦銅合金的晶種層(未示出)來形成RDL22A和RDL22B。然后形成光刻膠(未示出)以覆蓋晶種層，以及然后圖案化光刻膠以對(duì)晶種層中位于期望RDL22A和RDL22B被定位的位置處的那些部分進(jìn)行曝光。
[0035]一旦形成并圖案化光刻膠，就可以通過諸如噴鍍的沉積工藝在晶種層上形成諸如銅的導(dǎo)電材料?？梢孕纬蓪?dǎo)電材料的厚度介于約Iym和約10 μ m之間(諸如5 μ m)，以及其沿著襯底20的寬度介于約5 μ m和約300 μ m之間(諸如15 μ m)。然而，即使論述的材料和方法適合形成導(dǎo)電材料，這些材料也僅是示例性的。任何其他合適的材料(諸如AlCu或Au)和任何其他的合適的形成工藝(諸如CVD、物理汽相沉積(PVD))可以選擇性地用于形成RDL22A 和 RDL22B。
[0036]一旦已經(jīng)形成導(dǎo)電材料，可以通過合適的去除工藝(諸如灰化)去除光刻膠。此外，在去除光刻膠之后，可以通過諸如使用導(dǎo)電材料作為掩模的合適的蝕刻工藝去除晶種層中被光刻膠覆蓋的那些部分?？蛇x地，可以在噴鍍工藝之前圖案化晶種層。
[0037]在形成RDL22A和RDL22B之后，可以在RDL22B上形成接合結(jié)構(gòu)24。接合結(jié)構(gòu)24可以用于允許隨后形成的光學(xué)器件26 (參見圖1B)電連接到RDL22B。在一些實(shí)施例中，接合結(jié)構(gòu)24可以是焊膏、導(dǎo)電粘合劑等。在其它實(shí)施例中，接合結(jié)構(gòu)24可以是一個(gè)或多個(gè)接合焊盤、凸塊下金屬化層(UBM)、接合焊盤、金屬柱、金屬凸塊等或它們的組合。接合結(jié)構(gòu)24可以包括銅、鋁、金、鈦、鎳、鎢等或它們的組合。
[0038]圖1B示出了將光學(xué)器件26接合到接合結(jié)構(gòu)24以及形成互連光學(xué)器件26和RDL22A的接合引線28。為了將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為諸如光的電磁信號(hào)和/或?qū)⒅T如光的電磁信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，可以將光學(xué)器件26連接至接合結(jié)構(gòu)24和接合引線28。光學(xué)器件26包括一個(gè)或多個(gè)激光電二極管、光電二極管、光學(xué)集成電路、或其他光學(xué)元件。在一些實(shí)施例中，光學(xué)器件26是包括光電二極管的垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)。
[0039]光學(xué)器件26與接合結(jié)構(gòu)24之間的接合可以是焊料接合或直接的金屬與金屬(諸如銅與銅或錫與錫)接合。在一個(gè)實(shí)施例中，光學(xué)器件26可以包括一個(gè)或多個(gè)接合焊盤、導(dǎo)電凸塊和/或柱子，以及接合結(jié)構(gòu)24可以包括焊膏或?qū)щ姴牧稀Ｔ诹硪粋€(gè)實(shí)施例中，接合結(jié)構(gòu)24可以包括一個(gè)或多個(gè)UBM和位于UBM上的金屬凸塊，以及光學(xué)器件26可以具有一個(gè)或多個(gè)接觸焊盤以連接至金屬凸塊。在其他實(shí)施例中，光學(xué)器件26可以通過球柵陣列、插座(socket)、表面安裝技術(shù)(surface mounting technology)等安裝到接合結(jié)構(gòu)。
[0040]接合引線28包括第一端28A和第二端28B，其中第一端28A通過接觸焊盤27連接至RDL22A和第二端28B連接至光學(xué)器件26的頂面26A?？梢岳媒雍弦€28將光學(xué)器件26電連接至襯底20中的有源和/或無源器件和/或其他外部器件。接觸焊盤27可以包括銅、金、招、鎳等或它們的組合。
[0041]可以使用包括未示出的用于分配金屬絲的毛細(xì)管、電動(dòng)打火(electric flameoff，EF0)棒和變換器的引線接合器來形成接合引線28。將導(dǎo)線插入毛細(xì)管內(nèi)，從而在接合過程中適當(dāng)?shù)乜刂坪鸵苿?dòng)導(dǎo)線。將導(dǎo)線接合至RDL22A和/或光學(xué)器件26之前，球體可以形成在導(dǎo)線的端部上。然后可以通過利用壓力、振動(dòng)(例如超聲波)和/或熱量將導(dǎo)線28的各端(28A或28B)壓緊至接觸焊盤27或頂部表面26來將球體附接至接觸焊盤27或光學(xué)器件26的頂面26A。導(dǎo)線可以包括銅、鋁、金、鈀、鉬等或它們的組合?？蛇x地，導(dǎo)線可以包括其它導(dǎo)電材料和/或金屬。在一個(gè)實(shí)施例中，導(dǎo)線的直徑在約Imm至2mm的范圍內(nèi)。在其他實(shí)施例中，可以使用其他方法將光學(xué)器件26連接至RDL22。
[0042]圖1C不出了在光學(xué)器件26上形成垂直波導(dǎo)30。垂直波導(dǎo)30可以從頂面30A和底面30B接受光和將光引導(dǎo)至其預(yù)期的目的地(例如，光學(xué)器件26或垂直波導(dǎo)30上方的外部器件)。垂直波導(dǎo)30可以是任何類型的波導(dǎo)，諸如平面波導(dǎo)、信道波導(dǎo)等，并可以包括兩種不同的材料，即，芯層材料和覆層材料，其中芯層材料具有高于覆層材料的折射率?？梢栽诖怪辈▽?dǎo)30的底部30B和光學(xué)器件26的頂面26A之間形成可選的折射率匹配材料(未示出)。垂直波導(dǎo)30的縱軸從底面30B延伸至頂面30A，其中，縱軸與襯底20的頂面基本上垂直。在一個(gè)實(shí)施例中，垂直波導(dǎo)30的縱軸與光學(xué)器件26的頂面26A基本上垂直。
[0043]如圖1C所示，分配器32將波導(dǎo)材料31分配到光學(xué)器件26的頂面26A上以形成垂直波導(dǎo)30?？梢苑峙渚哂懈哒扯鹊囊后w形式的波導(dǎo)材料31。在一些實(shí)施例中，可以在25°C的溫度環(huán)境中以每分鐘25轉(zhuǎn)(rpm)的速率分配粘度大于30000厘泊(cP)的波導(dǎo)材料31?？梢栽谑覝??25°C)至約70°C之間的溫度環(huán)境中分配波導(dǎo)材料31。在一個(gè)實(shí)施例中，可以形成的垂直波導(dǎo)30的高度Hl在50μπι至500μπι的范圍內(nèi)。在分配之后，波導(dǎo)材料31充分固化以形成垂直波導(dǎo)30。如圖所示，垂直波導(dǎo)30從底面30Β至頂面30Α逐漸變細(xì)。然而，在其他實(shí)施例中，垂直波導(dǎo)30可以是柱狀的并且具有基本上垂直于襯底20的頂面的側(cè)壁。
[0044]在一個(gè)實(shí)施例中，波導(dǎo)材料31，相應(yīng)的垂直波導(dǎo)30可以包括:高分子材料的組合，諸如聚(甲基丙烯酸甲酯ΚΡΜΜΑ)、聚苯乙烯(PS)、聚碳酸酯、聚氨酯、苯并環(huán)丁烷、全氟乙烯基醚環(huán)化聚合物、四氟乙烯、全氟乙烯基醚共聚物、硅樹脂、含氟聚(亞芳基)硫醚、聚(五氟苯乙烯)、含氟樹狀聚合物、含氟超支化聚合物等?？蛇x地，垂直波導(dǎo)30可以包括含氘和鹵素的聚丙烯酸酯、含氟聚酰亞胺、全氟環(huán)丁基芳基醚聚合物、非線性光學(xué)聚合物等。
[0045]在形成垂直波導(dǎo)30之后，如圖1D所示，可以在垂直波導(dǎo)30、接合引線28、光學(xué)器件26和襯底20的上方形成覆蓋層34。在一個(gè)實(shí)施例中，覆蓋層34可以用作垂直波導(dǎo)30的熔覆層和/或球透鏡(可以被稱為透鏡層34)以及底部填充物以保護(hù)接合引線28和光學(xué)器件26。在一個(gè)實(shí)施例中，垂直波導(dǎo)30的折射率在約1.4至約1.8的范圍內(nèi)，并且覆蓋層34的折射率的范圍在約1.4至約1.8的范圍內(nèi)。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，波導(dǎo)30的折射率大于覆蓋層34的折射率。覆蓋層34可以是聚合物、環(huán)氧樹脂、模塑料等或它們的組合。此夕卜，雖然垂直波導(dǎo)30和覆蓋層34不必具有相同的材料，但是覆蓋層34可以包括用于如上所述的垂直波導(dǎo)30的類似材料。覆蓋層34的頂面34Α可以位于垂直波導(dǎo)30的頂面30Α的上方、下方、或與垂直波導(dǎo)30的頂面30Α基本上共平面。在一些實(shí)施例中，覆蓋層34的頂面34Α可以在襯底20的頂面上方基本上形成圓頂。圓頂?shù)捻旤c(diǎn)的高度Η2可以在500 μ m至約3000 μ m的范圍內(nèi)。在一些實(shí)施例中，覆蓋層34的高度H2可以大于垂直波導(dǎo)30的高度H1。在這些實(shí)施例中，覆蓋層34的材料在電磁信號(hào)的頻率下可以是透明的(例如允許電磁信號(hào)通過而基本上沒有衰減)。在覆蓋層34形成之后，形成可以進(jìn)一步封裝和加工(參見圖1E和4)的半導(dǎo)體器件150。該半導(dǎo)體器件150還可以被稱為光稱合器件。
[0046]圖2示出了根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例的半導(dǎo)體器件200，其中，該半導(dǎo)體器件200包括位于襯底中的襯底通孔(TSV)和形成在襯底背面上的連接器。這里不再重復(fù)類似于先前所述的實(shí)施例的關(guān)于本實(shí)施例的具體細(xì)節(jié)。
[0047]在一個(gè)實(shí)施例中，半導(dǎo)體器件200的形成可以開始于延伸穿過襯底50的TSV52A和TSV52B的形成。雖然襯底50和襯底20不必相同，但是襯底50可以類似于上述的襯底20并且這里將不再重復(fù)描述。
[0048]可以形成TSV52A和TSV52B以提供穿過襯底50到達(dá)襯底50的相對(duì)面的連接件?？梢酝ㄟ^應(yīng)用和開發(fā)合適的光刻膠，然后蝕刻襯底20以生成TSV開口(如以下所述，隨后填充)來形成TSV52A和TSV52B。在這個(gè)階段可以形成TSV52A和TSV52B的開口以延伸至襯底20中的預(yù)定的深度處。位于襯底50的表面下方的深度可以介于約I μ m和約700 μ m之間，諸如深度為50 μ m。可以形成用于TSV52A和TSV52B的開口的直徑介于約Iym和約100 μ m之間(諸如6μπι)。
[0049]一旦已經(jīng)形成用于TSV52A和TSV52B的開口，就可以用，例如阻擋層和導(dǎo)電材料填充TSV52A和TSV52B的開口。雖然可以選擇性地使用諸如氮化鉭、鈦、電介質(zhì)等的其他材料，但是阻擋層可以包括諸如氮化鈦的導(dǎo)電材料。可以使用諸如等離子體增強(qiáng)的CVD (PECVD)的CVD工藝來形成阻擋層。然而，也可以選擇性地使用其他可選工藝，諸如濺射、金屬有機(jī)物化學(xué)汽相沉積(MOCVD)?？梢孕纬勺钃鯇右岳L制(contour)TSV52A和TSV52B的開口的根本形狀。
[0050]雖然可以選擇性地使用諸如鋁、合金、摻雜多晶硅、它們的組合等的其他合適的材料，但是導(dǎo)電材料可以包括銅?？梢酝ㄟ^沉積晶種層，然后將銅噴鍍到晶種層上，填充并過填充TSV52A和TSV52B的開口來形成導(dǎo)電材料。一旦填滿TSV52A和TSV52B的開口，就可以通過諸如化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)的研磨工藝去除TSV52A和TSV52B的開口的外部的多余的阻擋層和多余的導(dǎo)電材料，但是可以使用任何合適的去除工藝。
[0051]一旦導(dǎo)電材料位于TSV52A和TSV52B的開口內(nèi)部，就可以實(shí)施襯底50的第二側(cè)面的減薄以暴露TSV52A和TSV52B的開口并且通過延伸穿過襯底50的導(dǎo)電材料來形成52A和52B。在一個(gè)實(shí)施例中，襯底50的第二側(cè)面的減薄可以使TSV52A和TSV52B從襯底50的第二側(cè)面凸起。可以通過諸如CMP或蝕刻的平坦化工藝來實(shí)施襯底50的第二側(cè)面的減薄。
[0052]然而，因?yàn)楸绢I(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，上述用于形成TSV52A和TSV52B的工藝僅是形成TSV52A和TSV52B的一種方法，和其他方法也預(yù)期完全包括在實(shí)施例的范圍內(nèi)。例如，也可以使用包括以下步驟的方法:形成TSV52A和TSV52B的開口、用介電材料填充用于TSV52A和TSV52B的開口、減薄襯底50的第二側(cè)面以暴露介電材料、去除介電材料、以及用導(dǎo)體填充TSV52A和TSV52B的開口。用于在襯底50內(nèi)形成TSV52A和TSV52B的這種方法和所有其他合適的方法預(yù)期完全包括在實(shí)施例的范圍內(nèi)。
[0053]可選地，在襯底50上方獨(dú)立地形成每一層時(shí)，可以形成TSV52A和TSV52B。例如，可以與RDL22A和RDL22B同時(shí)部分地形成TSV52A和TSV52B。例如，在形成RDL22A和RDL22B之前，可以形成TSV52A和TSV52B的開口的一部分并填充在襯底50內(nèi)，并且在RDL22A和RDL22B的每層時(shí)，形成并填充TSV52A和TSV52B的開口的隨后層。形成TSV52A和TSV52B的任何這些工藝和任何其他合適的工藝都預(yù)期完全包括在實(shí)施例的范圍內(nèi)。
[0054]在形成TSV52A和TSV52B之后，可以在襯底50的背面上形成接合焊盤54A和接合焊盤54B。接合焊盤54A和接合焊盤54B可以分別將凸塊56A和56B電連接至TSV52A和TSV52B。在一個(gè)實(shí)施例中，接合焊盤54A和接合焊盤54B可以均包括接觸焊盤和凸塊下金屬化層(UBM)。在這個(gè)實(shí)施例中，接觸焊盤可以包括鋁，但可以可選地使用其他材料，諸如銅。可以使用諸如濺射的沉積工藝形成材料層(未示出)和然后可以通過合適的工藝(如光刻掩蔽和蝕刻)去除部分材料層來形成接觸焊盤。然而，可以使用任何其他適當(dāng)?shù)姆椒▉硇纬山佑|焊盤?？梢孕纬傻慕佑|焊盤的厚度介于約0.5 μ m和約4μηι之間,諸如約1.45μηι。
[0055]一旦已經(jīng)形成接觸焊盤，可以形成與接觸焊盤電接觸的UBM。在一個(gè)實(shí)施例中，UBM可以包括三層導(dǎo)電材料，諸如鈦層、銅層和鎳層。然而，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，存在適合于形成UBM的很多材料和層的適當(dāng)布置，諸如鉻/鉻銅合金/銅/金的布置、鈦/鈦鎢/銅的布置或銅/鎳/金的布置?？梢杂糜赨BM的任何適合的材料或多層材料預(yù)期完全包括在本申請(qǐng)的范圍內(nèi)。
[0056]可以通過采用諸如電化學(xué)鍍的噴鍍工藝形成每層來創(chuàng)建UBM，但是可以根據(jù)期望材料可選地使用諸如濺射、蒸發(fā)或PECVD工藝的其他形成工藝?？梢孕纬蒛BM的厚度介于約0.7 μ m和約10 μ m之間，諸如約5 μ m。一旦已經(jīng)形成期望層，就可以通過合適的光刻掩蔽和蝕刻工藝去除多次的部分，以去除不期望的材料而保留期望形狀(諸如圓形、八邊形、方形、或矩形)的UBM，但是可以可選地形成任何期望形狀。用于接合焊盤54A和接合焊盤54B的任何合適的結(jié)構(gòu)預(yù)期完全包括在本申請(qǐng)的范圍內(nèi)。
[0057]在形成接合焊盤54A和接合焊盤54B之后，可以形成凸塊56A和凸塊56B。凸塊56A和凸塊56B可以包括諸如錫的材料或諸如銀、無鉛錫、銅或金的其他合適的材料。在一個(gè)實(shí)施例中，凸塊56A和凸塊56B為錫焊料凸塊，可以通過諸如蒸發(fā)、電鍍、印刷、焊料轉(zhuǎn)印、球放置等常用方法首先形成厚度為約10(^!11的錫層來形成凸塊564和凸塊568。一旦在結(jié)構(gòu)上形成錫層，實(shí)施回流焊以將材料成形為期望的凸塊形狀。
[0058]在形成凸塊56A和凸塊56B之后，在如先前實(shí)施例所述的剩余加工操作期間，可以將凸塊56A和凸塊56B安裝到載具(未示出)。
[0059]TSV52、接合焊盤54、凸塊56和RDL22的數(shù)量?jī)H用于說明的目的并沒有進(jìn)行限定。可以有任何適當(dāng)數(shù)量的TSV52、接合焊盤54、凸塊56、和RDL22。
[0060]圖3示出了根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例的半導(dǎo)體裝置300，其中半導(dǎo)體器件300包括通過凸塊56A'和凸塊56B'安裝到襯底60的半導(dǎo)體器件200。這里不再重復(fù)類似于先前所述的實(shí)施例的關(guān)于本實(shí)施例的具體細(xì)節(jié)。
[0061]在形成如先前實(shí)施例所述的半導(dǎo)體裝置200之后，可以將半導(dǎo)體器件200安裝到襯底60。襯底60可以類似于上述的襯底20并且這里不再進(jìn)行重復(fù)描述，但是襯底60和襯底20不必相同。襯底60可以具有形成在襯底60的正面上的接合焊盤62A和接合焊盤62B以電連接并物理連接凸塊56A'和凸塊56B'。接合焊盤62A和接合焊盤62B可以類似于上述的接合焊盤54A和接合焊盤54B并且這里不再進(jìn)行重復(fù)描述，但是接合焊盤62A和接合焊盤62B不必與接合焊盤54A和接合焊盤54B相同?？梢酝ㄟ^與接合焊盤62A和接合焊盤62B物理連接的方式放置凸塊56A'和凸塊56B'，然后實(shí)施回流焊工藝以對(duì)凸塊56A'和凸塊56B'進(jìn)行回流并將半導(dǎo)體器件200接合到襯底60來將半導(dǎo)體器件200安裝到襯底60
[0062]在將半導(dǎo)體器件200接合到襯底60之后，可以在襯底50和襯底60之間環(huán)繞凸塊56A'和凸塊56B'形成底部填充物58。底部填充材料提供一些應(yīng)力釋放并且可以包括導(dǎo)熱填充材料以輔助處理由于熱膨脹所產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力。底部填充物58可以包括樹脂、環(huán)氧樹脂、聚合物、不流動(dòng)的底部填充物(NUF)、毛細(xì)管底部填充物等或它們的組合，并且可以將底部填充物58注入到襯底50和襯底60之間。
[0063]圖4示出了根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例的半導(dǎo)體器件400，其中，半導(dǎo)體器件400包括安裝到襯底70的半導(dǎo)體器件150 (參見圖1D)和互連半導(dǎo)體器件150和襯底74的接合引線74和接合引線76。這里不再重復(fù)類似于前述的實(shí)施例的關(guān)于本實(shí)施例的具體細(xì)節(jié)。
[0064]在半導(dǎo)體器件150形成之后(參見圖1D)，可以將襯底20安裝至襯底70。襯底70可以類似于上述的襯底20并且這里不再進(jìn)行重復(fù)描述，但是襯底70和襯底20不必相同。可以通過粘合層將襯底20安裝到襯底70 (未示出)。粘合層可以設(shè)置(例如層壓)在襯底70上。粘合層可以由諸如紫外膠的膠形成，或可以是由箔形成的層壓層。
[0065]可以在襯底70的頂面上形成RDL72A和RDL72B。RDL72A和RDL72B可以類似于上述的RDL22A和RDL22B并且這里不再進(jìn)行重復(fù)描述，但是RDL72A、RDL72B、RDL22A和RDL22B不必相同?？梢孕纬山雍弦€74以電連接RDL72A和RDL22A。接合引線74和接合引線76可以類似于上述的接合引線28并且這里不再進(jìn)行重復(fù)描述，但是接合引線74和接合引線76和接合引線28不必相同。
[0066]接合引線28、接合引線74和接合引線76的數(shù)量?jī)H用于說明的目的并沒有進(jìn)行限定。可以有任何適當(dāng)數(shù)量的接合引線28、接合引線74和接合引線76。
[0067]通過在光學(xué)器件上直接形成垂直波導(dǎo)，可以降低形成光耦合器件的總成本。此外，因?yàn)樵诠鈱W(xué)器件上直接形成垂直波導(dǎo)，所以提高了光耦合效率。因?yàn)楦采w層環(huán)繞垂直波導(dǎo)并且用作球透鏡，所以在垂直波導(dǎo)和球透鏡之間不必存在對(duì)準(zhǔn)工藝。實(shí)施例的TSV和引線接合結(jié)構(gòu)允許晶圓級(jí)封裝并且可以減小總的封裝尺寸。
[0068]一個(gè)實(shí)施例是一種半導(dǎo)體器件，其包括:位于第一襯底上方的光學(xué)器件；位于光學(xué)器件的頂面上的垂直波導(dǎo)，該垂直波導(dǎo)具有第一折射率；以及位于垂直波導(dǎo)上方的覆蓋層，該覆蓋層被配置成用于垂直波導(dǎo)的透鏡并且該覆蓋層具有第二折射率。
[0069]另一個(gè)實(shí)施例是一種半導(dǎo)體器件，其包括:位于第一襯底的第一側(cè)面上方的第一再分布層，接合到第一再分布層的光學(xué)器件，位于光學(xué)器件的頂面上的垂直波導(dǎo)，以及位于襯底上方的第二再分布層。半導(dǎo)體器件還包括:將第二再分布層連接至光學(xué)器件的頂面的第一接合引線；位于垂直波導(dǎo)上方的透鏡層；光學(xué)器件；和第一接合引線，第一襯底通孔從第二再分布層延伸穿過第一襯底到達(dá)第一襯底的背面，以及第一連接器連接至第一襯底的背面上的第一襯底通孔。
[0070]另一個(gè)實(shí)施例是一種形成半導(dǎo)體器件的方法，該方法包括:將光學(xué)器件接合到第一襯底的第一側(cè)面，將光學(xué)器件連接至第一襯底，在光學(xué)器件的頂面上形成垂直波導(dǎo)以及在垂直波導(dǎo)和光學(xué)器件上方形成覆蓋層，將覆蓋層配置成用于垂直波導(dǎo)的透鏡。
[0071]盡管已經(jīng)詳細(xì)地描述了實(shí)施例及其優(yōu)勢(shì)，但應(yīng)該理解，可以在不背離所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，進(jìn)行各種改變、替換和更改。而且，本申請(qǐng)的范圍并不僅限于本說明書中描述的工藝、機(jī)器、制造、材料組分、裝置、方法和步驟的特定實(shí)施例。作為本領(lǐng)域普通技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明應(yīng)很容易理解，根據(jù)本發(fā)明可以利用現(xiàn)有的或今后開發(fā)的用于執(zhí)行與本文所述相應(yīng)實(shí)施例基本上相同的功能或者獲得基本上相同的結(jié)果的工藝、機(jī)器、制造、材料組分、裝置、方法或步驟。因此，所附權(quán)利要求預(yù)期在其范圍內(nèi)包括這樣的工藝、機(jī)器、制造、材料組分、裝置、方法或步驟。
【權(quán)利要求】
1.一種半導(dǎo)體器件，包括: 光學(xué)器件，位于第一襯底上方； 垂直波導(dǎo)，位于所述光學(xué)器件的頂面上，所述垂直波導(dǎo)具有第一折射率；以及覆蓋層，位于所述垂直波導(dǎo)上方，所述覆蓋層被配置成用于所述垂直波導(dǎo)的透鏡并且所述覆蓋層具有第二折射率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述垂直波導(dǎo)包括聚合物并且所述覆蓋層包括聚合物。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述垂直波導(dǎo)具有縱軸，所述縱軸與所述襯底的頂面基本垂直。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述第一折射率大于所述第二折射率。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述覆蓋層的頂面在所述第一襯底的頂面上方形成圓頂，所述覆蓋層的頂面位于所述垂直波導(dǎo)的頂面上方。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中。所述覆蓋層封裝所述垂直波導(dǎo)、所述光學(xué)器件和所述第一襯底的頂面。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，進(jìn)一步包括: 第一再分布層，位于所述第一襯底上方； 第一接合引線，連接所述第一再分布層和所述光學(xué)器件的頂面；以及 第二再分布層，位于所述第一襯底上方，所述光學(xué)器件連接至所述第二再分布層。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體器件，其中，通過所述覆蓋層環(huán)繞所述第一接合引線。
9.一種半導(dǎo)體器件，包括: 第一再分布層，位于第一襯底的第一側(cè)面的上方； 光學(xué)器件，接合至所述第一再分布層； 垂直波導(dǎo)，位于所述光學(xué)器件的頂面上； 第二再分布層，位于所述襯底上方； 第一接合引線，將所述第二再分布層連接至所述光學(xué)器件的頂面； 透鏡層，位于所述垂直波導(dǎo)、所述光學(xué)器件和所述第一接合引線上方； 第一襯底通孔，從所述第二再分布層延伸穿過所述第一襯底到達(dá)所述第一襯底的背面；以及 第一連接器，在所述第一襯底的背面連接至所述第一襯底通孔。
10.一種形成半導(dǎo)體器件的方法，所述方法包括: 將光學(xué)器件接合至第一襯底的第一側(cè)面； 將所述光學(xué)器件連接至所述第一襯底； 在所述光學(xué)器件的頂面上形成垂直波導(dǎo)；以及 在所述垂直波導(dǎo)和所述光學(xué)器件上方形成覆蓋層，所述覆蓋層被配置成用于所述垂直波導(dǎo)的透鏡。
【文檔編號(hào)】H01S5/026GK104051953SQ201310245216
【公開日】2014年9月17日 申請(qǐng)日期:2013年6月19日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月12日
【發(fā)明者】賴瑞協(xié), 郭英顥, 陳海清, 包天一 申請(qǐng)人:臺(tái)灣積體電路制造股份有限公司