CN102431963B - 低温下砷化镓图像传感器圆片级芯片尺寸封装工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种低温条件下砷化镓图像传感器圆片级芯片尺寸封装工艺，其特征在于①首先进行载片与图像传感器器件晶圆之间的键合，以保护芯片晶圆有源面并为器件晶圆减薄提供支撑；②然后通过研磨方法使器件晶圆减薄至一定厚度；③再通过砷化镓湿法腐蚀方法形成器件晶圆背面到焊盘的通路；④旋涂光敏有机树脂，填充步骤③形成的通路并均匀覆盖在器件晶圆背面；⑤接着对光敏有机树脂进行光刻形成垂直互连通孔；⑥进行金属化并制作焊盘、RDL、钝化层和凸点；⑦最后划片形成独立的封装器件。本发明在于在不使用高温工艺和高能量等离子体工艺条件下，解决了砷化镓的绝缘和通孔金属化难题。
Description
技术领域
本发明涉及低温下砷化镓图像传感器圆片级芯片尺寸封装工艺，准确地说涉及一种采用砷化镓湿法腐蚀和垂直通孔互连技术相结合而实现的砷化镓图像传感器圆片级芯片尺寸封装工艺，砷化镓图像传感器是MEMS(MicroElectroMechanical System，微电子机械系统)传感器件，因此属于MEMS器件封装领域。
背景技术
MEMS是指采用微细加工技术制作的，集微型传感器、微型构件、微型执行器、信号处理、控制电路等于一体的系统。MEMS器件在许多领域都有十分广阔的应用前景，其中图像传感器作为MEMS器件的一种其应用尤为广泛。
图像传感器像元结构极易受到污染和破坏影响其性能，圆片级芯片尺寸封装能在封装开始阶段将脆弱的像元结构保护起来，有利于提高封装的可靠性和稳定性。此外，圆片级芯片尺寸封装在划片之前考虑封装问题，与前道工艺兼容，因而能够提高封装密度、降低成本。因此，圆片级芯片尺寸封装是MEMS封装技术的发展必然趋势。
砷化镓半导体材料是常用的化合物半导体之一，与硅相比其优点有饱和电子迁移率高、噪声小、崩溃电压高，因此比硅更适用于高频大功率场合，如微波、移动通讯、雷达系统等；此外，砷化镓是直接带隙材料且切换速度快，因此光电性能优越。然而与硅材料相比，砷化镓材料的自身特点给圆片级芯片尺寸封装提出了挑战。
垂直通孔互连(Through-substrate via interconnection)技术是圆片级封装中实现图像传感器圆片级芯片尺寸封装的可靠选择之一，在硅基图像传感器封装技术中已经得到了广泛的应用。这种电互连较传统的互连方式如引线键合的优点在于电连接距离短，互连密度高，寄生、串扰等效应小，此外还可实现器件的三维立体封装。
砷化镓各向异性湿法腐蚀工艺在不同晶面得到不同轮廓结构。以(100)晶面衬底为例，如附图1所示，在(100)晶面制作正方形掩膜开口，在晶面得到“V型”结构；如附图2所示，在晶面得到向内侧蚀的“< >型”结构。砷化镓在不同晶面的腐蚀结构是由其晶格结构决定的，是其各向异性腐蚀的固有特性，其中“< >型”结构对后续绝缘和通孔金属化工艺造成极大困难。
如附图3所示，Kazumasa Tanida等人在文献US2010/0252902提出的图像器件封装工艺及结构中，使用的是垂直通孔互连技术，其特点是在图像传感器衬底上直接制作垂直互连通孔，制作通孔的方法通常为等离子体刻蚀工艺，缺点是在制作高深宽比的通孔过程中使用了高温和高能量的等离子体工艺。如附图4所示，Badehi等人在文献WO99/40624提出了T型连接技术，其特点是采用延伸焊盘在图像传感器侧边制作制作梯形槽，从而形成T型连接，梯形槽可以采用机械加工方法或者等离子体刻蚀工艺，缺点是工艺成本高，可靠性和互连密度较低。
因此，在图像传感器圆片级芯片尺寸封装互连技术中，垂直通孔互连技术和T型连接技术是最常见的两种互连技术。两种互连技术均有多种变化形式，且各有优缺点。
其中，垂直通孔互连技术的工艺步骤是：玻璃/硅晶圆键合、硅晶圆减薄、通孔制作、通孔金属化、RDL层与凸点制作、划片。其中通孔制作通常采用等离子体刻蚀工艺。对于硅基材料等离子体刻蚀工艺条件成熟；而对砷化镓材料要想获得特性均匀的垂直通孔，要使用大功率高等离子体能量的刻蚀条件，这是敏感的图像传感器所不能容许的。
此外，这种基于新原理高增益的砷化镓图像传感器包含多层外延层结构和多种源漏区，而这些外延层结构和源漏区对温度十分敏感，因此在封装工艺中应严格避免高温过程。于是引导出本发明如何在低温条件下实现GaAs图像传感器元偏激芯片尺寸封装工艺的构思。
发明内容
本发明的目的在于提供一种砷化镓图像传感器圆片级芯片尺寸封装工艺，基本特征在于在不使用高温工艺和高能量等离子体工艺条件下，解决了砷化镓各向异性湿法腐蚀固有特性带来的绝缘和通孔金属化难题。又考虑到砷化镓材料固有特性，该方案对器件晶圆的减薄，并将砷化镓各向异性湿法腐蚀和垂直通孔互连技术结合起来，降低了封装体积、提高封装密度，为图像传感器提供可靠的保护。本发明的目的在于提供一种低温下砷化镓图像传感器圆片级芯片尺寸封装工艺及其形成的封装结构。
本发明所采取的技术方案是：首先通过紫外粘接剂进行载片和图像传感器器件晶圆之间键合，以保护芯片晶圆有源面并提高图像传感器晶圆的强度为器件晶圆减薄提供支撑；然后通过研磨方法使器件晶圆减薄至一定的厚度，再通过砷化镓湿法腐蚀工艺腐蚀出有源面焊盘到背面的通路；后旋涂光敏有机树脂，使该树脂填充在上述通路中并均匀覆盖图像传感器背面；然后在上述通路填充的树脂中制作通孔，对有机树脂可以采用低能量等离子体刻蚀，也可以采用厚膜光刻技术实现；然后溅射种子层金属并电镀，实现孔金属化和RDL层(Redistribution Layer，重布线层)，从而实现芯片晶圆有源面到芯片晶圆背面的电路互连；然后制作钝化层、UBM(Under Bump Metallization，凸点下金属化)层和In凸点；最后划片形成独立的封装器件(详见具体实施方式)。整个工艺流程均避免了高温工艺和高能量等离子体工艺。
本发明的具体工艺步骤如下：
A.晶圆键合
(a)首先在载片和器件晶圆有源面旋涂一层紫外粘接剂(如苯丙环丁烯)，并将载片和器件晶圆进行键合，该紫外粘接剂(如苯丙环丁烯)在载片和器件晶圆上的厚度均为3-15μm；
(b)紫外粘接剂(如苯丙环丁烯)固化，为了满足后续工艺要求紫外粘接剂(如苯丙环丁烯)暴露在365nm紫外线下进行深度固化。
B.器件晶圆减薄
(a)在完成步骤A以后，在研磨抛光设备上进行器件晶圆背面减薄，器件晶圆的最终厚度是80-120μm；
C.砷化镓腐蚀
(a)在完成步骤B以后，制作湿法腐蚀掩膜，掩膜采用400-600nmSi3N4并刻蚀出10-20μm正方形窗口；
(b)砷化镓腐蚀的腐蚀液采用体积比为9H3PO4+1H2O2+20H2O溶液，温度为25-40℃，腐蚀深度为80-120μm；
(c)腐蚀器件晶圆有源面焊盘下绝缘层。
D.绝缘隔离
(a)在完成步骤C以后，旋涂光敏有机树脂使其在步骤C中形成的通路中填充并均匀涂覆在器件晶圆背面；
E.垂直通孔制作及其金属化
(a)在完成步骤D以后，进行树脂刻蚀形成垂直互连通孔；
(b)种子层沉积，种子层为Ti/Pt/Au层，其中Ti/Pt层为阻挡层，Au层为粘附层；
(c)Cu电镀，填充垂直互连通孔完成通孔金属化。
F.RDL层、钝化层及凸点制作
(a)在完成步骤E以后，制作RDL层；
(b)制作钝化层，并刻蚀钝化层形成开口；
(c)制作凸点，凸点材料为In；
G.划片
(a)在完成F步骤以后，进行划片，从而形成独立的封装器件。
本发明的实际效果是在圆片级工艺的基础上实现了图像传感器的可靠封装。本发明中提出的封装工艺及其形成的结构在保证可靠性的前提下，避免了高温工艺和高能量等离子体刻蚀工艺，降低了封装体积、提高封装密度，为图像传感器提供可靠的保护。
附图说明
图1是砷化镓各向异性湿法腐蚀在砷化镓晶面形成的“V型”结构刻蚀特性示意图；
图2是砷化镓各向异性湿法腐蚀在砷化镓晶面形成的“< >型”结构刻蚀特性示意图；
图3是Kazumasa Tanida等人提出的采用垂直通孔互连技术制作的图像传感器封装结构；
图4是Badehi等人提出的采用T型连接技术制作的图像传感器封装结构；
图5是本发明制作的封装体在砷化镓晶面上截面图；采用砷化镓湿法腐蚀技术，砷化镓湿法腐蚀在该平面的特征为“V型”结构；
图6是本发明制作的封装体在砷化镓晶面上截面图；砷化镓湿法腐蚀在该平面的特征为“< >型”结构；
图7是封装结构制作工艺流程图，包含8大工艺，分别为：(A)晶圆键合、(B)晶圆减薄、(C)砷化镓湿法腐蚀、(D)绝缘隔离、(E)垂直通孔制作、(F)金属化与RDL层、(G)凸点工艺和(H)划片。
图中：
01封装体 02湿法腐蚀掩膜 04掩膜开口
06“V型”结构 07“< >型”结构 10玻璃载片
12紫外粘接剂 13键合介质 20砷化镓晶面
21砷化镓晶面 22有源面焊盘 24通孔金属化
26背面焊盘&RDL 28光敏有机树脂 30钝化层
32凸点 41紫外固化设备 42晶圆减薄设备
43湿法腐蚀设备 44旋转涂胶设备 45通孔制作设备
46凸点工艺设备 47划片设备
具体实施方式
为了能使本发明的优点和积极效果得到充分体现，下面结合附图和实施例对本发明实质性特点和显著的进步作进一步说明。
图1是砷化镓各向异性湿法腐蚀在砷化镓晶面20形成的“V型”结构刻蚀特性示意图，在掩膜02上制作10μm正方形刻蚀窗口04，得到如图1所示的“V型”结构06。
图2是砷化镓各向异性湿法腐蚀在砷化镓晶面21形成的“< >型”结构刻蚀特性示意图，在掩膜02上制作10μm正方形刻蚀窗口04，得到如图2所示的“<>型”结构07，腐蚀互连通路开口约为250微米，底部约为40μm，这种刻蚀结构是引起后续绝缘隔离和金属化工艺的原因，也是采用砷化镓湿法腐蚀技术的难点。
图3是Kazumasa Tanida等人提出的采用垂直通孔互连技术制作的图像传感器封装结构，封装体01包含载片10、键合介质13、传感器衬底材料20、有源面焊盘22、金属化和RDL层24、钝化层30和凸点32。其特点是在图像传感器衬底上直接制作垂直互连通孔，制作通孔的方法为高能量等离子体工艺；
图4是Badehi等人提出的采用T型连接技术制作的图像传感器封装结构，封装体01包含载片10、键合介质13、传感器衬底材料20、延伸焊盘22、RDL层26、钝化层30和凸点32，该封装结构涉及到的高温工艺和制作通孔时的高能量等离子体是砷化镓图像传感器所不容许的。其特点是采用延伸焊盘在图像传感器侧边制作梯形槽，从而形成T型连接，梯形槽可以采用机械加工方法或者等离子体刻蚀工艺制作；
图5是封装体01在砷化镓晶面20的截面图，其与晶面的区别在于湿法腐蚀得到的结构截面不同。
图6是装体01在砷化镓晶面21的截面图，通过一系列工艺得到的封装结构有效的解决了砷化镓腐蚀特性带来的绝缘隔离和金属化难题。
图7是制作封装体01涉及到的主要工艺步骤和相关设备。
其中步骤A为晶圆键合工艺，即将载片10和砷化镓晶圆21使用紫外粘接剂(如苯丙环丁烯)12进行键合，紫外粘接剂(如苯丙环丁烯)12的固化工艺需要使用相关固化设备41。其中载片10厚度为800-1200μm，砷化镓晶圆20厚度为300-400μm，紫外粘接剂(如苯丙环丁烯)12厚度为3-7μm。
步骤B为砷化镓晶圆减薄工艺，即使用研磨设备42用物理方法除去大部分衬底材料，最终得到砷化镓晶圆20厚度为90-110μm。
步骤C为使用湿法腐蚀设备43将减薄后的砷化镓晶圆进行刻蚀，腐蚀液为体积比9H3PO4+1H2O2+20H2O，腐蚀温度为27℃，腐蚀深度为90-110μm，得到各向异性的互连通路，使焊盘22暴露出来，腐蚀得到的互连通路特征尺寸是开口约为250μm正方形，底部为宽约为40μm的矩形。该工艺在砷化镓两个不同晶面分别得到“V型”结构和“< >型”结构。
步骤D为旋涂涂覆光敏有机树脂28，使其充分填充在上述互连通路中并在砷化镓晶圆20或21背面均匀分布，光敏有机树脂28在砷化镓晶圆20或21背面的厚度为5-15μm。由于光敏有机树脂良好的流动性，即使在“< >型”结构中树脂也能完全充填。
步骤E制作垂直互连通孔工艺，图中所示为使用低能量等离子体刻蚀设备(或厚膜光刻设备)45在上述填充的光敏有机树脂中制作出垂直互连通孔，由于所使用的光敏树脂能够在低功率低等离子体能量条件下实现垂直通孔刻蚀，对衬底材料影响非常小，其中垂直互连通孔的特征尺寸为深100-120μm，直径15-35μm。这样制作的通孔可以克服上述工艺制作的“< >型”结构，实现结构内的绝缘。
步骤F为通孔金属化和RDL层制作工艺，这是圆片级封装中常用的工艺。在垂直互连通孔中制作金属化，步骤是金属化前先沉积种子层，种子层为Ti/Pt/Au层，其中Ti/Pt层为阻挡层，Au层为粘附层；再进行Cu电镀，使Cu填充垂直互连通孔完成通孔金属化，同时一并形成RDL层，实现湿法腐蚀和垂直通孔互连技术的结合。
步骤G为In凸点32制作工艺，此处使用凸点设备46能够快速进行圆片级In凸点32制作，凸点直径为150-250μm。
步骤H为划片设备47完成划片工艺，至此整个圆片完成圆片级芯片尺寸封装。
本发明提供的砷化镓图像传感器圆片级芯片尺寸封装工艺的步骤均在≤250℃的温度下完成的，亦即本发明是在不使用高温工艺和高能量等离子体工艺条件下，解决了砷化镓各向异性湿法腐蚀固有特性带来的绝缘和通孔金属化难题。
Claims (9)
1.一种低温条件下砷化镓图像传感器圆片级芯片尺寸封装工艺，其特征在于①首先进行载片与图像传感器器件晶圆之间的键合，以保护芯片晶圆有源面并为器件晶圆减薄提供支撑；②然后通过研磨方法使器件晶圆减薄至一定厚度；③再通过砷化镓湿法腐蚀方法形成器件晶圆背面到焊盘的通路；④旋涂光敏有机树脂，填充步骤③形成的通路并均匀覆盖在器件晶圆背面；⑤接着对光敏有机树脂进行光刻形成垂直互连通孔；⑥进行金属化并制作焊盘、重布线层(RDL)、钝化层和凸点；⑦最后划片形成独立的封装器件；具体的工艺步骤：
A.晶圆键合
(a)首先在载片和器件晶圆有源面旋涂一层紫外粘接剂，并将载片和器件晶圆进行键合；
(b)紫外粘接剂暴露在紫外线下进行深度固化；
B.器件晶圆减薄
(a)在完成步骤A以后，通过研磨方法进行器件晶圆背面减薄，器件晶圆的最终厚度是80-120μm；
C.砷化镓湿法腐蚀
(a)在完成步骤B以后，先制作湿法腐蚀Si3N4掩膜，并刻蚀出10-20μm正方形窗口；
(b)砷化镓湿法腐蚀的腐蚀液采用体积比为9H3PO4+1H2O2+20H2O，湿法腐蚀的温度为20-40℃；
(c)腐蚀器件晶圆有源面焊盘下的绝缘层；
D.绝缘隔离
(a)在完成步骤C以后，旋涂光敏有机树脂使其在步骤C中形成的通路中填充，并均匀涂覆在器件晶圆背面；
E.制作垂直互连通孔及其金属化
(a)在完成步骤D以后，进行光敏有机树脂光刻，形成垂直互连通孔；
(b)金属化前先沉积种子层，种子层为Ti/Pt/Au层，其中Ti/Pt层为阻挡层，Au层为粘附层；
(c)再进行Cu电镀，使Cu填充垂直互连通孔，以完成通孔金属化；
F.重布线层(RDL)层、钝化层及凸点制作
(a)在完成步骤E以后，一并形成重布线层(RDL)；实现湿法腐蚀和垂直通孔互连技术的结合；
(b)制作钝化层，并刻蚀钝化层形成开口；
(c)制作凸点，凸点材料为In；
G.划片
(a)在完成F步骤以后，进行划片，从而形成独立的封装器件。
2.按权利要求1所述的工艺，其特征在于步骤A中(a)所述的紫外粘结剂为苯丙环丁烯，它在载片和器件晶圆上的厚度为5-15μm；所述的苯丙环丁烯紫外粘结剂是在365nm紫外线下固化的。
3.按权利要求1所述的工艺，其特征在于步骤C中(b)砷化镓湿法腐蚀的深度为80-120μm，得到各向异性的互连通路，互连通路的特征尺寸是开口为250μm的正方形，底部宽为40μm矩形。
4.按权利要求1或3所述的工艺，其特征在于光敏有机树脂在砷化镓(011)晶面形成“V型”结构；在(011)晶面形成“<>型”结构。
5.按权利要求3所述的工艺，其特征在于所述的腐蚀深度为90-110μm。
6.按权利要求1所述的工艺，其特征在于所述的垂直互连通孔是使用低能量等离子刻蚀或厚膜光刻技术，使用的光敏有机树脂在低功率、低等离子体能量条件下实现垂直互连通孔刻蚀。
7.按权利要求6所述的工艺，其特征在于垂直互连通孔的特征尺寸是深度为100-120μm，直径为15-35μm。
8.按权利要求4所述的工艺，其特征在于光敏有机树脂在“<>型”结构中能完全充填。
9.按权利要求1所述的工艺，其特征在于：
①步骤F中(c)的In凸点直径为150-250μm；
②整个工艺步骤是在≤250℃的低温下完成的。
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