CN105552053B - Mosfet封装结构及其晶圆级制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种MOSFET封装结构及其晶圆级制作方法，该封装结构包括芯片，该芯片具有源极、栅极、漏极区及重掺杂区，源极和栅极分别电性连接芯片上表面的第一导电体和第二导电体，漏极区内形成有延伸到重掺杂区的至少一孔或槽，孔或槽内壁上铺有金属层，金属层连接芯片上表面的第三导电体，作为漏极。这样，可将垂直结构的MOSFET下表面重掺杂区的电流引至MOSFET的上表面，实现了源极、栅极、漏极在同一侧面，以便进行晶圆级封装，且槽内大面积金属层保证了芯片良好的散热效果；槽内的金属层与连接源极、栅极的焊盘或者金属线路层可同时形成，避免将晶圆背面金属化，简化了工艺步骤，降低封装成本。

Description

MOSFET封装结构及其晶圆级制作方法

技术领域

本发明属于半导体封装技术领域，特别是涉及一种MOSFET封装结构及其晶圆级制作方法。

背景技术

MOSFET(金属氧化物半导体场效应管)是利用电场效应来控制半导体的场效应晶体管。由于MOSFET具有可实现低功耗电压控制的特性，近年来受到越来越多的关注。

栅极与漏极、源极之间是绝缘的，漏极与源极之间有两个PN结，一般情况下，衬底与源极在内部连接在一起。通过栅极电压控制MOSFET的导通与截止。MOSFET性能特别是电流承载能力的优劣很大程度上取决于散热性能，散热性能的好坏又主要取决于封装形式。然而传统MOSFET封装主要是TO、SOT、SOP、QFN、QFP等形式，这类封装都是将芯片包裹在塑封体内，无法将芯片工作时产生的热量及时导走或散去，制约了MOSFET性能提升。而且塑封本身增加了器件尺寸，不符合半导体向轻、薄、短、小方向发展的要求。就封装工艺而言，这类封装都是基于单颗芯片进行，存在生产效率低、封装成本高的问题。

WLCSP即晶圆级芯片尺寸封装(Wafer Level Chip Scale Package)，不同于传统的芯片封装方式(先切割再封装，而封装后至少增加原芯片20％的体积)，是一种新型封装技术。WLCSP是先在整片晶圆上进行封装和测试，然后再切割成单颗芯片，封装后芯片的尺寸完全等同于芯片尺寸，而且是基于整个晶圆进行的批量封装。

现有垂直型MOSFET芯片封装结构，源极(Source)和栅极(Gate)位于芯片正面，需要在芯片背面或者内部设置金属层作为芯片的漏极(Drain)。参见专利文献：ZL201110033784.4及专利文献：ZL201210087086.7，公开一种圆片级芯片尺寸封装，将芯片的源极和栅极电性引出到芯片正面，且在芯片背面金属化，之后，还需要通过硅通孔(TSV)技术从芯片正面露出芯片背面金属，并通过在硅通孔内填金属，将设置的金属层漏极引到芯片正面，与源极和栅极形成同侧分布。该封装方案背金工艺复杂，且使用硅通孔(TSV)技术成本高。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种MOSFET封装结构及其晶圆级制作方法，具体为一种正面凹槽式MOSFET晶圆级芯片尺寸封装结构及具有高效和低成本封装的制造方法。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种MOSFET封装结构，包括一芯片，该芯片具有靠近其上表面的源极、栅极和漏极区，所述栅极与所述源极、所述漏极区之间绝缘隔离，该芯片具有靠近其下表面的重掺杂区；所述漏极区内形成有至少一个孔或槽，所述孔或槽的底部自芯片上表面向下表面延伸至所述重掺杂区，所述孔或槽内铺设有金属层，所述金属层与所述芯片之间形成欧姆接触，所述源极的电性引出至所述芯片上表面形成的第一导电体，所述栅极的电性引出至所述芯片上表面形成的第二导电体，所述孔或槽内金属层的电性引出至所述芯片上表面形成的第三导电体。

进一步的，所述孔或槽为直孔或直槽，或者为至少一侧壁有一定的倾斜角度的斜孔或斜槽。

进一步的，所述孔或槽的底部深入到所述重掺杂区至少1微米。

进一步的，所述金属层与所述重掺杂区接触的总面积不小于所述芯片上表面面积的20％。

进一步的，所述孔或槽上铺设的金属层为单层金属结构或多层金属结构，金属材质为钛、铝、钨、钯、铜、镍、金中的一种。

进一步的，所述金属层完全填满所述孔或槽，或者不完全填满所述孔或槽。

进一步的，所述芯片上表面布有金属线路层，所述源极与所述第一导电体之间、所述栅极与所述第二导电体之间、所述孔或槽内金属层与所述第三导电体之间通过所述金属线路层连接。

进一步的，所述金属线路层上铺设有防焊层，所述防焊层上对应所述第一导电体、所述第二导电体及所述第三导电体的位置形成开口，所述第一导电体、所述第二导电体及所述第三导电体透过其对应的开口电连接所述金属线路层。

进一步的，所述金属线路层与所述芯片上表面之间铺设有露出所述源极、所述栅极及所述金属层的钝化层。

进一步的，所述第一导电体、所述第二导电体及所述第三导电体各自数量大于等于1，各导电体是焊球，或者导电胶。

一种MOSFET封装结构的晶圆级制作方法，包括以下步骤：

a.提供一具有若干芯片的晶圆，每个芯片靠近其上表面分布有源极、栅极及漏极区，靠近其下表面位置处具有重掺杂区；

b.在芯片上表面铺设一钝化层，在芯片上表面形成暴露源极、栅极、漏极区的开口；

c.通过硅刻蚀，在漏极区形成延伸到重掺杂区的孔或槽；

d.在芯片表面、孔或槽内沉积金属，然后热处理，形成金属层，金属层在孔或槽内与重参杂区之间形成欧姆接触；

e.在所述源极、栅极、漏极区上制作焊盘，并在所述焊盘上形成导电体；

f.切割晶圆，形成单颗MOSFET封装结构。

进一步的，所述钝化层是无机物或有机聚合物。

进一步的，步骤d后，进一步在晶圆上，包括孔或槽内沉积钛/铜种子层，然后电镀铜，形成金属线路层，该金属线路层完全填充或不完全填满孔或槽。

本发明的有益效果是：

(1)本发明通过在晶圆正面硅刻蚀工艺形成正面孔或槽，并通过溅射、电镀等方式在孔或槽壁上形成金属层，形成的金属层与孔或槽内的晶圆衬底重参杂区直接接触形成欧姆接触，并将孔或槽内的金属层通过正面布线、布球的方式引出，作为MOSFET芯片的漏电极，实现了源极、栅极、漏极的同侧分布，避免了将晶圆背面金属化及将背金通过复杂工艺引至晶圆正面的复杂工艺。

(2)相比传统MOSFET封装，本发明提出的封装方法是基于整个晶圆进行的，是一种晶圆级芯片尺寸级封装，且槽内的金属层与连接源极、栅极的焊盘或者金属线路层可同时形成，具有高生产效率、低封装成本的优点。

附图说明

图1为本发明中在漏极区位置形成延伸到重掺杂区的孔或槽，且孔或槽内壁铺金属层的剖面示意图；

图2为本发明孔或槽不完全填充时的MOSFET封装结构的剖面示意图；

图3为本发明孔或槽完全填充时的MOSFET封装结构的剖面示意图；

图4为本发明中带槽的MOSFET封装结构的俯视示意图；

图5为本发明中带孔的MOSFET封装结构的俯视示意图。

结合附图做以下说明

100-芯片，101-源极，102-栅极，103-重掺杂区，A-漏极区，201-孔或槽，300-保护层，400-钝化层，500-金属线路层，501-金属层，601-第一导电结构，602-第二导电结构，603-第三导电结构，700-防焊层。

具体实施方式

为使本发明能够更加易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。为方便说明，实施例附图的结构中各组成部分未按正常比例缩放，故不代表实施例中各结构的实际相对大小。

如图2、图3、图4和图5所示，一种MOSFET封装结构，包括一芯片100，该芯片具有靠近其上表面的源极101、栅极102和漏极区A，所述栅极与所述源极、所述漏极区之间绝缘隔离，该芯片具有靠近其下表面的重掺杂区103；所述漏极区内形成有至少一个孔或槽201，所述孔或槽的底部自芯片上表面向下表面延伸至少所述重掺杂区，所述孔或槽内铺设有金属层501，所述金属层与所述芯片之间形成欧姆接触，所述源极的电性引出至所述芯片上表面形成的第一导电体601，所述栅极的电性引出至所述芯片上表面形成的第二导电体(602)，所述金属层的电性引出至所述芯片上表面形成的第三导电体603。

本发明MOSFET封装结构中，栅极控制源极区域向重掺杂区或漏极的电流通断，其中栅极区有一绝缘氧化层，由于公知的各MOSFET芯片的具体结构有差异，图2中对MOSFET芯片源极和栅极进行了简化，具体沟道未标示出，如栅极区未在芯片的上表面，可通过内部电路引致芯片的上表面。第一、第二、第三导电体可以是焊球(solder ball)、焊料凸点(solder bump)或金属柱凸点(pillar)，其材质包括钛、铬、钨、铜、镍、金、银、锡中的一种或几种。

特别的，可在漏极区设置多孔结构，以在较小面积上，获得与重掺杂区足够大的接触面积，保证散热性和电导率。由于孔是三维的，电阻值并不增加。

本发明MOSFET封装结构，通过在芯片正面硅刻蚀工艺形成正面孔或槽，孔或槽的底部延伸到芯片衬底重掺杂区内，并通过溅射、电镀等方式在孔或槽壁上形成金属层，形成的金属层与孔或槽内的芯片衬底直接接触形成欧姆接触，使其接触面的电阻值远小于半导体本身的电阻，并将孔或槽内的金属层通过正面布线、布球的方式引出，作为MOSFET芯片的漏电极，实现了源极、栅极、漏极的同侧分布，因此，本发明避免了将晶圆背面金属化及将背金通过复杂工艺引至晶圆正面的复杂工艺，工艺简单，成本降低；且孔或槽内大面积金属层保证了芯片良好的散热效果。

优选的，所述孔或槽为直孔或直槽，或者为至少一侧壁有一定的倾斜角度的斜孔或斜槽。

优选的，所述孔或槽的底部深入到所述重掺杂区至少1微米。

优选的，所述金属层与所述重掺杂区接触的总面积不小于所述芯片上表面面积的20％。

优选的，所述金属层为单层金属结构或多层金属结构，每层金属结构的材质为钛、铝、钨、钯、铜、镍、金中的一种。

优选的，所述金属层完全填满所述孔或槽，或者不完全填满所述孔或槽。比如图2示出了一种孔或槽不完全填充时的MOSFET封装结构；图3示出了一种孔或槽完全填充时的MOSFET封装结构。

优选的，所述芯片上表面布有金属线路层500，所述源极与所述第一导电体之间、所述栅极与所述第二导电体之间、所述金属层与所述第三导电体之间通过所述金属线路层连接。这样，通过金属线路层连接芯片源极与第一导电体、栅极与第二导电体、金属层与第三导电体，依此实现电极的重新分布。金属线路层可以为一层或多层，各层材质类型包括钛、铬、钨、铜、铝中的一种或几种。

优选的，所述金属线路层上铺设有防焊层700，所述防焊层上对应所述第一导电体、所述第二导电体及所述第三导电体的位置形成开口，所述第一导电体、所述第二导电体及所述第三导电体透过其对应的开口电连接所述金属线路层。通过在金属线路上铺设防焊层，防焊层在第一、第二、第三导电体的位置开口，以使其下的金属线路层连接导电体。

优选的，所述金属线路层与所述芯片上表面之间铺设有露出所述源极、所述栅极及所述金属层的钝化层400。

优选的，芯片上表面与钝化层之间具有一保护层300，如二氧化硅、氮化硅，并在源极和栅极位置有开口，露出部分源极、栅极表面及金属层。

优选的，所述第一导电体、所述第二导电体及所述第三导电体各自数量大于等于1。

作为一种优选实施方式，本发明一种MOSFET封装结构的晶圆级制作方法，包括以下步骤：

a.提供一具体若干芯片的晶圆，每个芯片靠近其上表面分布有源极、栅极及漏极区，其中栅极与源极、漏极区之间均绝缘隔离，靠近其下表面位置处具有重掺杂区；

b.在芯片上表面整体铺设一层钝化层，通过光刻、刻蚀工艺在钝化层上形成暴露源极、栅极、漏极区的开口；

c.通过硅刻蚀，在漏极区形成延伸到重掺杂区的孔或槽；孔或槽个数大于等于1。

d.在芯片表面、孔或槽内以沉积金属，如钛、铝、钨金属，然后热处理，在孔或槽内参杂区接触面形成欧姆接触；

e.在钝化层上制备分别连接源极、栅极及漏极区金属层的金属线路层，然后，在金属线路层上制作连接源极的第一焊盘、连接栅极的第二焊盘及连接金属层的第三焊盘；具体实施时，金属线路层与金属层可通过沉积金属(如钛、铝、钨等)、光刻出金属线路图形、电镀金属(如铜)、光刻胶剥离以及金属湿法刻蚀等工艺形成，如图1所示。

f.在金属线路层上制备防焊层(钝化层)，通过光刻打开第一焊盘、第二焊盘和第三焊盘表面的防焊层；制备形成第一、第二、第三导电体。

导电体，可以通过印刷锡膏或电镀锡球或植球等工艺，并回流的方法形成锡球；或者电镀形成金属凸点，或者电镀形成金属柱。金属线路层将源极与第一导电体，栅极与第二导电体，金属层与第三导电体连接。各导电体的个数视电极面积大小，可适当增加数量。

g.切割晶圆，形成单颗MOSFET封装结构，如图2所示。

在其他实施例中，第一导电体和第二导电体可直接长在源极和栅极上，第三导电体可直接长在导电金属结构上，不经过金属线路层重新分布。具体实施时，可先在钝化层上源极、栅极的开口处制作连接源极的第一焊盘及连接栅极的第二焊盘，同时，在孔或槽内壁沉积钛、铝、钨金属，然后热处理，实现金属层与芯片衬底之间的良好接触，形成欧姆接触；然后，在孔或槽内再沉积钛/铜种子层，电镀铜，形成金属层，该金属层完全填充或不完全填满孔或槽，并在所述金属层上制作第三焊盘；最后，在所述第一焊盘上形成第一导电体，在所述第二焊盘上形成第二导电体，在所述第三焊盘上形成第三导电体。

相比传统MOSFET封装，本发明MOSFET封装结构的制作方法是基于整个晶圆进行的，是一种晶圆级芯片尺寸级封装，且槽内的金属层与连接源极、栅极的焊盘或者金属线路层可同时形成，避免将晶圆背面金属化，简化了工艺步骤，降低了封装成本，提高了生产效率。

以上实施例是参照附图，对本发明的优选实施例进行详细说明。本领域的技术人员通过对上述实施例进行各种形式上的修改或变更，但不背离本发明的实质的情况下，都落在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种MOSFET封装结构，其特征在于，包括一芯片(100)，该芯片具有靠近其上表面的源极(101)、栅极(102)和漏极区(A)，所述栅极与所述源极、所述漏极区之间绝缘隔离，该芯片具有靠近其下表面的重掺杂区(103)；所述漏极区内形成有至少一个孔或槽(201)，所述孔或槽的底部自芯片上表面向下表面延伸至所述重掺杂区，所述孔或槽内铺设有金属层(501)，所述金属层与所述芯片之间形成欧姆接触，所述源极的电性引出至所述芯片上表面形成的第一导电体(601)，所述栅极的电性引出至所述芯片上表面形成的第二导电体(602)，所述孔或槽内金属层的电性引出至所述芯片上表面形成的第三导电体(603)。

2.根据权利要求1所述的MOSFET封装结构，其特征在于，所述孔或槽为直孔或直槽，或者为至少一侧壁有一定的倾斜角度的斜孔或斜槽。

3.根据权利要求1所述的MOSFET封装结构，其特征在于，所述孔或槽的底部深入到所述重掺杂区至少1微米。

4.根据权利要求1所述的MOSFET封装结构，其特征在于，所述金属层与所述重掺杂区接触的总面积不小于所述芯片上表面面积的20％。

5.根据权利要求1所述的MOSFET封装结构，其特征在于，所述孔或槽上铺设的金属层为单层金属结构或多层金属结构，金属材质为钛、铝、钨、钯、铜、镍、金中的一种。

6.根据权利要求1所述的MOSFET封装结构，其特征在于，所述金属层完全填满所述孔或槽，或者不完全填满所述孔或槽。

7.根据权利要求1所述的MOSFET封装结构，其特征在于，所述芯片上表面布有金属线路层(500)，所述源极与所述第一导电体之间、所述栅极与所述第二导电体之间、所述孔或槽内金属层与所述第三导电体之间通过所述金属线路层连接。

8.根据权利要求7所述的MOSFET封装结构，其特征在于，所述金属线路层上铺设有防焊层(700)，所述防焊层上对应所述第一导电体、所述第二导电体及所述第三导电体的位置形成开口，所述第一导电体、所述第二导电体及所述第三导电体透过其对应的开口电连接所述金属线路层。

9.根据权利要求1所述的MOSFET封装结构，其特征在于，所述金属线路层与所述芯片上表面之间铺设有露出所述源极、所述栅极及所述金属层的钝化层(400)。

10.根据权利要求1所述的MOSFET封装结构，其特征在于，所述第一导电体、所述第二导电体及所述第三导电体各自数量大于等于1，各导电体是焊球，或者导电胶。

11.一种MOSFET封装结构的晶圆级制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.提供一具有若干芯片的晶圆，每个芯片靠近其上表面分布有源极、栅极及漏极区，靠近其下表面位置处具有重掺杂区；

b.在芯片上表面铺设一钝化层，在芯片上表面形成暴露源极、栅极、漏极区的开口；

c.通过硅刻蚀，在漏极区形成延伸到重掺杂区的孔或槽；

d.在芯片表面、孔或槽内沉积金属，然后热处理，形成金属层，金属层在孔或槽内与重参杂区之间形成欧姆接触；

e.在所述源极、栅极、漏极区上制作焊盘，并在所述焊盘上形成导电体；

f.切割晶圆，形成单颗MOSFET封装结构。

12.根据权利要求11所述的MOSFET封装结构的晶圆级制作方法，其特征在于，所述钝化层是无机物或有机聚合物。

13.根据权利要求11所述的MOSFET封装结构的晶圆级制作方法，其特征在于，步骤d后，进一步在晶圆上，包括孔或槽内沉积钛/铜种子层，然后电镀铜，形成金属线路层，该金属线路层完全填充或不完全填满孔或槽。