CN108630716A - 用于cis倒装芯片接合的互连结构及其形成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于CIS倒装芯片接合的互连结构及其形成方法，其中一种器件包括位于图像传感器芯片表面的金属焊盘，其中图像传感器芯片包括图像传感器。柱状凸块设置在金属焊盘上方并且电连接至金属焊盘。柱状凸块包括凸块区域和连接至凸块区域的尾部区域。尾部区域包括基本垂直于金属焊盘的顶面的金属线部分。尾部区域足够短以支撑其自身来对抗地心引力。

Description

用于CIS倒装芯片接合的互连结构及其形成方法
本申请是分案申请，其母案申请的申请号为201210413411.4、申请日为2012年10月25日、发明名称为“用于CIS倒装芯片接合的互连结构及其形成方法”。
技术领域
本发明涉及半导体领域，更具体地，涉及用于CIS倒装芯片接合的互连结构及其形成方法。
背景技术
背照式(BSI)图像传感器芯片正在取代前照式传感器芯片，因为其在捕捉光子方面更加有效。在BSI图像传感器芯片的形成中，图像传感器和逻辑电路形成在晶圆的硅衬底上，然后在硅芯片的前侧形成互连结构。
BSI芯片用于各种电气设备应用，其中BSI芯片接合至陶瓷衬底。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种器件，包括：金属焊盘，位于图像传感器芯片的表面，图像传感器芯片包括图像传感器；柱状凸块，位于金属焊盘上方并且电连接至金属焊盘，柱状凸块包括凸块区域和连接至凸块区域的尾部区域，其中尾部区域包括基本垂直于金属焊盘的顶面的金属线部分，尾部区域足够短以支持其自身来对抗地心引力。
优选地，该器件还包括位于金属焊盘上方和柱状凸块下方的焊料层。
优选地，该器件还包括接合至图像传感器芯片的衬底，衬底包括接触柱状凸块的尾部区域的电连接件。
优选地，衬底的电连接件包括接触柱状凸块的尾部区域的焊料层。
优选地，衬底包括窗，并且图像传感器芯片的图像传感器与窗对齐。
优选地，金属焊盘包括作为金属焊盘的顶部的金属饰面。
优选地，金属线部分基本是直的，并且长度方向垂直于金属焊盘的顶面。
根据本发明的另一方面，提供了一种器件，包括：图像传感器芯片，包括半导体衬底、位于半导体衬底的前侧的图像传感器和位于半导体衬底的背侧的金属焊盘；焊料层，位于金属焊盘上方；以及柱状凸块，位于焊料层上方并且通过焊料层电耦合至金属焊盘，柱状凸块包括凸块区域和附接至凸块区域的尾部区域，尾部区域包括具有基本均匀的尺寸的金属线部分。
优选地，金属线部分的高度在大约20μm至大约170μm之间。
优选地，金属线部分基本垂直于金属焊盘的顶面，并且足够短以支撑其自身对抗地心引力。
优选地，凸块区域与焊料层接触，并且尾部区域的第一端接触凸块区域，尾部区域的第二端不接触附加传导部件。
优选地，该器件还包括通过倒装芯片接合与图像传感器芯片接合的衬底，其中，衬底包括与柱状凸块的尾部区域接触的电连接件。
优选地，衬底的所述电连接件包括与柱状凸块的尾部区域接触的焊料层。
优选地，衬底包括窗，并且图像传感器芯片的图像传感器与窗对齐。
根据本发明的又一方面，提供了一种方法包括：在图像传感器芯片的金属焊盘上形成焊料层，图像传感器芯片包括图像传感器；将金属线接合在焊料层上；以及切割金属线以在焊料层上形成柱状凸块，其中，柱状凸块包括凸块区域和连接至凸块区域的尾部区域，尾部区域足够短以支撑其自身对抗地心引力。
优选地，在切割步骤之后，尾部区域的长度方向垂直于金属焊盘的顶面。
优选地，该方法还包括：在形成柱状凸块的步骤之后，通过倒装芯片接合将图像传感器芯片接合至衬底，柱状凸块的尾部区域与衬底的电连接件接触。
优选地，衬底的电连接件还包括附加焊料层，并且在接合步骤期间，尾部区域与附加焊料层相接触并且被加热到不足以熔化附加焊料层的温度。
优选地，金属焊盘包括位于含铝焊盘上的金属饰面，并且焊料层形成在金属饰面上。
附图说明
为了更完整地理解实施例及其优势，现在接合附图进行以下描述，其中：
图1至图4是根据示例性实施例的封装图像传感器芯片的中间阶段的截面图。
具体实施方式
以下详细讨论本公开实施例的制造和使用。然而，应该理解，实施例提供了许多可在各种特定环境下具体化的可应用发明概念。所讨论的具体实施例是说明性的，并未限制本公开的范围。
根据各种示例性实施例提供图像传感器芯片的互连结构及其形成方法。示出了形成包括图像传感器芯片的封装件的中间阶段。讨论了实施例的变型。在各附图和所示实施例中，类似的参考标号用于表示类似的元件。
图1示出了图像传感器芯片20的截面图。在一些实施例中，图像传感器芯片20是背照式(BSI)图像传感器芯片。在可选实施例中，图像传感器芯片20是前照式图像传感器芯片。图像传感器芯片20包括半导体衬底22，其可以是硅衬底。可选地，衬底22由其他半导体材料形成，诸如锗硅、碳化硅、III-V族化合物等。可以是光电二极管的图像传感器24(图1中未示出，参见图2)形成在图像传感器芯片20上。
图2示出了图像传感器芯片20的部分100的放大图。图像传感器芯片20可包括载体21，其中载体21位于图像传感器芯片20的前侧并接合至介电层。如图2所示，图像传感器芯片20包括图像传感器24，其设置在半导体衬底22的正面22A上。图像传感器24可形成包括多行和多列的阵列。在半导体衬底22的背侧上以及半导体衬底22的背面22B上方，存在多个滤色器28和多个微透镜30。滤色器28和微透镜30的每一个均与一个图像传感器24对齐。光可以穿过微透镜30、滤色器28，并且被图像传感器24接收。图像传感器24可将光转换成电信号。
金属焊盘26形成在图像传感器芯片20的背面，并且用于电连接至图像传感器芯片20中的电路。在一些实施例中，金属焊盘26包括铜、铝、镍和/或其他金属。金属焊盘26通过传导通孔32连接至前侧互连结构34，其中传导通孔32穿透半导体衬底22。在所示实施例中，传导通孔32可以为金属通孔，其可以在形成金属焊盘26的一部分的同时形成。金属通孔32可位于金属焊盘36上，其中金属焊盘可位于前侧互连结构34的底部金属层中。
在一些实施例中，金属焊盘26包括位于含铝焊盘26B上的金属饰面(metalfinish)26A，其可以包括铝铜。金属饰面26A可包括镍层、钯层、化学镍浸金(ENIG)、化学镀镍化学镀钯(ENEP)、化学镀镍化学镀钯浸金(ENEPIG)、浸镀锡(ImSn)、浸镀银(ImAg)、浸镀金(ImAu)等。因此，金属饰面26A的形成可以包括浸镀、电镀等。另外，焊料层38形成在金属焊盘26的顶部上。焊料层38可以由共晶软焊料、无铅焊料等。形成可以由氧化物层(诸如氧化硅层)和氧化物层上方的氮化物层(诸如氮化硅层)形成的钝化层40以覆盖金属焊盘26和传导通孔32的一些表面，其中金属焊盘26或焊料层38的中部通过钝化层40中的开口露出。当形成焊料层38时，焊料层可通过钝化层40中的开口与金属焊盘26接触。
图3示出了在焊料层38上形成柱状凸块42。在没有在金属焊盘26上形成焊料层的实施例中，柱状凸块42形成在金属焊焊盘26上并与其接触。另外，柱状凸块42形成在焊料层38上方并与其接触。示例性柱状凸块42包括凸块区域44和尾部区域46。尾部区域46也是金属线，其具有均匀的尺寸(诸如直径，其取决于尾部区域46的截面形状)。在一些实施例中，柱状凸块42具有高度H1，其可以在约50μm至约200μm的范围内。尾部区域46的高度H2可以在约20μm到约170μm的范围内。在一些示例性实施例中，高度H2还可以大于约200μm或大于约300μm。
柱状凸块42可通过引线接合方法形成。在一些示例性实施例中，通过接合体的毛细管(capillary)48执行柱状凸块42的形成，其中金属线50穿过毛细管48中的孔。金属线50可以是金线、铜线、涂有钯的铜线等。在柱状凸块42的示例性形成工艺中，例如通过提供火花以融化线50的顶端，金属球(未示出)首先形成在金属线50的顶端。然后，毛细管48被压低以接合焊料层38上的金属球，从而形成凸块区域44。接下来，当金属线50仍附接至凸块区域44时，毛细管48向上移动。然后，在期望位置切割金属线50。当切割金属线50时，金属线50保持直立位置。例如，通过在金属线50上投射激光来执行金属线50的切割，其中通过激光发生装置52生成激光。可选地，可使用夹钳、刀片等执行金属线50的切割。
在切割之后，金属线50的一部分留在凸块区域44上以形成尾部区域46。尾部区域46可以基本上直立，尾部区域46的长度方向基本垂直于对应金属焊盘26的顶面26A。尾部区域46可以支撑其自身以对抗地心引力，使得在没有施加外力时尾部区域46保持直立。尾部区域46可包括具有均匀尺寸(诸如直径)的部分，该尺寸与金属线50的尺寸和形状相同。此外，尾部区域46的截面形状与金属线50的截面形状相同。尾部区域46的顶部宽度W1和底部宽度W2基本相等。
图4示出了图像传感器芯片20接合至衬底54。在一些实施例中，衬底54包括电连接件56，其中电连接件56与柱状凸块42接合。衬底54还包括窗57，光可透过窗以到达图像传感器24。玻璃盖61覆盖窗57以保护图像传感器芯片20，同时允许光穿过。
图像传感器芯片20通过倒装芯片接合而接合至衬底54，其中，柱状凸块42接合至衬底54的电连接件56。衬底54可以是基于陶瓷的衬底，其中，金属迹线59形成在衬底54中来用于电连接至电连接件56。在一些实施例中，电连接件56包括金属焊盘58、金属焊盘58上的金属饰面60和/或金属饰面60上的焊料层62。在一些可选实施例中，电连接件56不包括金属饰面60和/或焊料层62。金属焊盘58可由铝、铜、镍和/或类似金属形成。金属饰面60可以由镍、钯、金、银、锡和/或类似金属形成，并且可以使用浸镀、焊镀、ENIG、ENEP、ENEPIG等形成。
在一些实施例中，当图像传感器芯片20接合至衬底54时，衬底54被加热至低于焊料层62的熔化温度的温度，使得焊料层62在不熔化的情况被软化。因此，柱状凸块42的尾部区域46与电连接件56具有良好接触。然而，柱状凸块42的柱状区域44可以不与电连接件56接触。另外，衬底54可接合至印刷电路板(PCB)66，例如通过它们之间的各向异性导电膜(ACF，未示出)。因此，电连接件56电连接至PCB 66的金属焊盘64。
在一些实施例中，在每一个金属焊盘26上形成柱状凸块42，其被形成为包括尾部区域46和一个柱状凸块而不是堆叠柱状凸块。可以理解，如果形成堆叠柱状凸块，则每个堆叠柱状凸块的形成都会引起损坏非常薄的图像传感器芯片20的危险。因此，在每个金属焊盘26上需要一个柱状凸块，降低了破坏图像传感器芯片20的风险。此外，相对柔软的焊料层38吸收了柱状凸块42接合处的抽吸力。焊料层38和62也可以提高倒装芯片接合的可靠性。
根据实施例，一种器件包括位于图像传感器芯片的表面的金属焊盘，其中，图像传感器芯片包括图像传感器。柱状凸块被设置在金属焊盘上方并与金属焊盘电连接。柱状凸块包括凸块区域和连接至凸块区域的尾部区域。尾部区域包括基本垂直于金属焊盘的顶面的金属线部分。尾部区域足够短以支撑其自身对抗地心引力。
根据其他实施例，一种器件包括图像传感器芯片，其包括半导体衬底、位于半导体衬底前侧的图像传感器和位于半导体衬底后侧的金属焊盘。焊料层设置在金属焊盘上方。柱状凸块设置焊料层上方并通过焊料层电耦合至金属焊盘，其中，柱状凸块包括凸块区域和附接至凸块区域的尾部区域。
根据又一些实施例，一种方法包括：在图像传感器芯片的金属焊盘上形成焊料层，其中图像传感器芯片包括图像传感器；将金属线接合在焊料层上；以及切割金属线以在焊料层上形成柱状凸块。柱状凸块包括凸块区域和连接至凸块区域的尾部区域。尾部区域足够短以支撑其自身对抗地心引力。
尽管已经详细地描述了本实施例及其优势，但应该理解，可以在不背离所附权利要求限定的本实施例的主旨和范围的情况下，做各种不同的改变、替换和更改。而且，本申请的范围并不仅限于本说明书中描述的工艺、机器、制造、材料组分、装置、方法和步骤的特定实施例。作为本领域普通技术人员应理解，通过本发明，现有的或今后开发的用于执行与根据本公开所采用的所述相应实施例基本相同的功能或获得基本相同结果的工艺、机器、制造、材料组分、装置、方法或步骤根据本公开可以被使用。因此，所附权利要求应该包括在这样的工艺、机器、制造、材料组分、装置、方法或步骤的范围内。此外，每条权利要求构成单独的实施例，并且多个权利要求和实施例的组合在本发明的范围内。

Claims (17)

1.一种半导体器件，包括：
金属焊盘，位于图像传感器芯片的背侧表面，所述图像传感器芯片包括图像传感器，所述图像传感器位于所述图像传感器芯片的半导体衬底的与所述背侧表面相对的前侧表面处，所述金属焊盘包括作为所述金属焊盘的顶部的金属饰面；
柱状凸块，位于所述金属焊盘上方并且电连接至所述金属焊盘，所述柱状凸块为非堆叠柱状凸块并且包括凸块区域和连接至所述凸块区域的尾部区域，其中所述尾部区域包括垂直于所述金属焊盘的顶面的金属线部分，所述尾部区域足够短以支持其自身来对抗地心引力；
位于所述金属焊盘的金属饰面上方和所述柱状凸块下方的第一焊料层以用于吸收所述柱状凸块接合处的抽吸力；以及
接合至所述图像传感器芯片的衬底，其中，所述衬底的第一部分与所述图像传感器芯片的一部分重叠，所述衬底的第一部分包括接触所述柱状凸块的所述尾部区域的电连接件，并且所述衬底的第二部分连接至所述第一部分，其中，所述第二部分包括与所述图像传感器芯片的底面齐平的下端。
2.根据权利要求1所述的半导体器件，其中，所述衬底的所述电连接件包括接触所述柱状凸块的所述尾部区域并且位于所述尾部区域上方的第二焊料层，其中，通过加热所述衬底至不足以熔化所述第二焊料层的温度使所述第二焊料层被软化，以使所述尾部区域与所述电连接件具有良好接触。
3.根据权利要求1所述的半导体器件，其中，所述衬底包括窗，并且所述图像传感器芯片的所述图像传感器与所述窗对齐。
4.根据权利要求1所述的半导体器件，其中，所述金属线部分是直的，并且长度方向垂直于所述金属焊盘的顶面。
5.一种半导体器件，包括：
图像传感器芯片，包括：
半导体衬底；
图像传感器，位于所述半导体衬底的前侧；和
金属焊盘，位于所述半导体衬底的背侧，所述金属焊盘包括作为所述金属焊盘的顶部的金属饰面；
第一焊料层，位于所述金属焊盘的金属饰面上方；以及
柱状凸块，位于所述第一焊料层上方并且通过所述第一焊料层电耦合至所述金属焊盘，所述柱状凸块为非堆叠柱状凸块并且包括凸块区域和附接至所述凸块区域的尾部区域，所述尾部区域包括具有均匀的尺寸的金属线部分，其中，所述第一焊料层用于吸收所述柱状凸块接合处的抽吸力；
通过倒装芯片接合与所述图像传感器芯片接合的衬底，其中，所述衬底的第一部分与所述图像传感器芯片的一部分重叠，所述衬底的第一部分包括与所述柱状凸块的尾部区域接触的电连接件，并且所述衬底的第二部分连接至所述第一部分，其中，所述第二部分包括与所述图像传感器芯片的底面齐平的下端。
6.根据权利要求6所述的半导体器件，其中，所述衬底的所述电连接件包括与所述柱状凸块的尾部区域接触并且位于所述尾部区域上方的第二焊料层，其中，通过加热所述衬底至不足以熔化所述第二焊料层的温度使所述第二焊料层被软化，以使所述尾部区域与所述电连接件具有良好接触。
7.根据权利要求5所述的半导体器件，其中，所述金属线部分的高度在20μm至170μm之间。
8.根据权利要求5所述的半导体器件，其中，所述金属线部分垂直于所述金属焊盘的顶面，并且足够短以支撑其自身对抗地心引力。
9.根据权利要求5所述的半导体器件，其中，所述凸块区域与所述焊料层接触，并且所述尾部区域的第一端接触所述凸块区域，所述尾部区域的第二端不接触附加传导部件。
10.根据权利要求5所述的半导体器件，其中，所述衬底包括窗，并且所述图像传感器芯片的图像传感器与所述窗对齐。
11.一种形成半导体器件的方法包括：
在图像传感器芯片的金属焊盘上形成焊料层，所述图像传感器芯片包括图像传感器，其中，所述金属焊盘位于所述图像传感器芯片的背侧表面处，所述图像传感器位于所述图像传感器芯片的半导体衬底的与所述背侧表面相对的前侧表面处，其中，所述金属焊盘包括作为所述金属焊盘的顶部的金属饰面，并且所述焊料层形成在所述金属饰面上；
将金属线接合在所述焊料层上；以及
切割所述金属线以在所述焊料层上形成柱状凸块，其中，所述柱状凸块为非堆叠柱状凸块并且包括凸块区域和连接至所述凸块区域的尾部区域，所述尾部区域足够短以支撑其自身对抗地心引力，其中，所述焊料层用于吸收所述柱状凸块接合处的抽吸力；
在形成所述柱状凸块的步骤之后，通过倒装芯片接合将所述图像传感器芯片接合至衬底，其中，所述衬底的第一部分与所述图像传感器芯片的一部分重叠，并且所述衬底的第二部分连接至所述第一部分，所述第二部分包括与所述图像传感器芯片的底面齐平的下端。
12.根据权利要求11所述的形成半导体器件的方法，其中，所述柱状凸块的尾部区域与所述衬底的第一部分的电连接件接触，所述衬底的电连接件包括位于所述尾部区域上方的附加焊料层，其中，在接合步骤期间，所述尾部区域与所述附加焊料层相接触并且被加热到不足以熔化所述附加焊料层的温度，使所述附加焊料层被软化以使所述尾部区域与所述电连接件具有良好接触。
13.根据权利要求11所述的形成半导体器件的方法，其中，在切割步骤之后，所述尾部区域的长度方向垂直于所述金属焊盘的顶面。
14.根据权利要求11所述的形成半导体器件的方法，其中，所述金属焊盘包括位于所述金属饰面下方的含铝焊盘。
15.一种半导体器件，包括：
金属焊盘，位于图像传感器的表面处，其中，所述图像传感器芯片包括图像传感器；
柱状凸块，位于所述金属焊盘上方并且电连接至所述金属焊盘，所述柱状凸块包括凸块区域和连接至所述凸块区域的尾部区域，其中所述尾部区域包括垂直于所述金属焊盘的顶面的金属线部分，所述尾部区域足够短以支持其自身来对抗地心引力；
衬底包括：
第一部分，与所述图像传感器芯片的一部分重叠，
其中，所述衬底的第一部分包括面对尾部区域的底面；以及在所述底面下方突出的电连接件，其中，所述电连接件的与所述柱状凸块的尾部区域接触。
16.根据权利要求15所述的半导体器件，其中，所述衬底还包括与所述第一部分连接的第二部分，其中，所述第二部分包括与所述图像传感器芯片的底面齐平的下端。
17.根据权利要求16所述的半导体器件，包括印刷电路板，其中，所述图像传感器芯片和所述衬底的第二部分的下端附接至所述印刷电路板，并且所述衬底还包括将所述衬底的第二部分的电连接件连接至所述印刷电路板的金属迹线。
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