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1、(10)申请公布号 CN 102509718 A (43)申请公布日 2012.06.20 C N 1 0 2 5 0 9 7 1 8 A *CN102509718A* (21)申请号 201110419761.7 (22)申请日 2011.12.15 H01L 21/768(2006.01) B81C 1/00(2006.01) (71)申请人中国科学院上海微系统与信息技术 研究所 地址 200050 上海市长宁区长宁路865号 (72)发明人王双福 罗乐 徐高卫 韩梅 (74)专利代理机构上海智信专利代理有限公司 31002 代理人潘振甦 (54) 发明名称 GaAs CCD图形传感器圆片。
2、级芯片尺寸封装工 艺 (57) 摘要 本发明涉及一种GaAs CCD图像传感器圆片 级芯片尺寸封装结构工艺，其特征在于首先通 过树脂粘接剂进行玻璃晶圆和砷化镓晶圆键合， 保护芯片有源面并提高芯片晶圆强度；然后通 过湿法腐蚀或者物理方法制作梯形槽结构，使芯 片互连区衬底厚度减薄；接着通过干法刻蚀技 术制作垂直互连通孔，使芯片有源面焊盘暴露出 来；再溅射种子层金属并电镀，制作孔金属化 和RDL层，从而实现芯片有源面到芯片背面的电 路互连；然后制作钝化层、UBM层和凸点；最 后划片形成独立封装芯片。背面梯形槽结构只在 有焊盘区域进行减薄，有效地降低了成本，而且垂 直通孔互连能提高封装互连密度，缩短信。
3、号传输 路径。 (51)Int.Cl. 权利要求书2页 说明书4页 附图2页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 2 页 说明书 4 页 附图 2 页 1/2页 2 1.一种GaAs CCD图像传感器圆片级芯片尺寸封装结构工艺，其特征在于首先通过 树脂粘接剂进行玻璃晶圆和砷化镓晶圆键合，保护芯片有源面并提高芯片晶圆强度；然 后通过湿法腐蚀或者物理方法制作梯形槽结构，使芯片互连区衬底厚度减薄；接着通过 干法刻蚀技术制作垂直互连通孔，使芯片有源面焊盘暴露出来；再溅射种子层金属并电 镀，制作孔金属化和RDL层，从而实现芯片有源面到芯片背面的电路互连；然后制作钝化 。
4、层、UBM层和凸点；最后划片形成独立封装芯片。 2.按权利要求1所述的工艺，其特征在于具体工艺步骤： A.玻璃晶圆/砷化镓晶圆键合 (a)首先在芯片有源面旋涂一层苯丙环丁烯或改性丙烯酸粘接剂，并将玻璃晶圆与砷 化镓晶圆进行键合，该粘接剂的厚度为5-15m； (b)粘接剂固化工艺，根据使用粘接剂类型不同可以分别采用250热固化或者365nm 紫外线固化。 B.梯形槽制作 (a)在完成步骤A以后，在芯片背面进行薄胶光刻，形成互连区湿法腐蚀窗口； (b)用体积比为1H 2 SO 4 -8H 2 O 2 -1H 2 O腐蚀液清洗崩边以得到边缘光洁的表面。 C.垂直互连通孔制作 (a)在完成步骤B以后，。
5、进行光刻，首先使光刻胶均匀分布于芯片背面和梯形槽内，形 成干法刻蚀垂直互连通孔的掩膜； (b)在ICP刻蚀系统中进行垂直互连通孔刻蚀，刻蚀气体为Cl 2 或BCl 3 ； (c)刻蚀砷化镓晶圆芯片有源面焊盘下绝缘层。 D.孔金属化和RDL层制作 (a)在完成步骤C以后，进行种子层沉积，种子层为Ti/Pt/Au层，其中Ti/Pt层为阻挡 层，Au层为粘附层； (b)厚胶光刻定义出孔金属化和RDL层电镀窗口，光刻胶厚度为10-20m； (c)电镀Au层，镀层厚度为5-15m以保证梯形槽中沿斜面制作的引线能够可靠的互 连； (d)电镀种子层刻蚀。 E.钝化层、凸点下金属化层及凸点制作 (a)在完成步。
6、骤D以后，沉积钝化层，钝化层材料是有机树脂(如环氧树脂)； (b)制作UBM层，包括钝化层刻蚀、UBM层沉积和UBM层刻蚀等工艺； (c)In凸点工艺，包括电镀In工艺及In凸点回流工艺； F.划片 (a)在完成E步骤以后，进行划片工艺从而形成独立的封装芯片。 3.按权利要求1或2所述的工艺，其特征在于砷化镓晶圆芯片有源面到芯片背面的互 连采用了垂直通孔互连技术；砷化镓晶圆采用了梯形槽结构和垂直互连通孔技术相结合的 互连技术。 4.按权利要求3所述的工艺，其特征在于梯形槽结构和垂直互连通孔分布于芯片背面 互连区四边；垂直互连通孔在梯形槽底部为单排列分布，或多排列分布。 5.按权利要求2所述的工。
7、艺，其特征在于在步骤A中粘接剂固化条件是真空排气后 权 利 要 求 书CN 102509718 A 2/2页 3 80-120，热固化100-150min。 6.按权利要求2或4所述的工艺，其特征在于在步骤B中形成梯形槽的方法为腐蚀方 法： (a)在完成步骤A后，在芯片背面进行薄胶光刻，形成互连区湿法腐蚀窗口； 或(b)砷化镓腐蚀在体积比为1H 2 SO 4 +8H 2 O 2 +1H 2 O刻蚀液中按照严格控制的温度和时间 下进行梯形槽制作； 所制作的梯形槽结构尺寸为：槽顶部宽500-600m，槽底部宽150-250m，槽深 300-340m。 7.按权利要求2所述的工艺，其特征在于： 步骤。
8、D中电镀Au在梯形槽侧壁上形成的沿斜面制作的引线； 步骤E中钝化层是旋涂的有机树脂，树脂固化前充填在梯形槽内，以保证芯片背面 的平整性。 8.按权利要求2所述的工艺，其特征在于步骤F中采用的划片工艺是先用砷化镓划片 刀切割砷化镓晶圆，然后用玻璃划片刀切割玻璃晶圆，从而形成独立的封装芯片。 9.按权利要求2所述的工艺，其特征在于： 所述梯形槽制作温度为20-40，时间为6-10小时； ICP-RIEF干法刻蚀工艺制作垂直互连通孔的孔径和孔深分别为40-60m和 80-120m； 所述的钝化层采用5-15m厚树脂材料； In凸点按部分阵列排列，凸点直径为100-150m，间距为200-400m。 。
9、10.按权利要求2所述的工艺，其特征在于： 所述梯形结构内含一圈排列的垂直互连通孔，凸点采用部分结构； 传感器芯片信号从有源面经垂直互连通孔和梯形槽结构由焊盘、孔内金属化、RDL层 及凸点传输至芯片背面，从而实现圆片级封装。 权 利 要 求 书CN 102509718 A 1/4页 4 GaAs CCD 图形传感器圆片级芯片尺寸封装工艺 技术领域 0001 本发明涉及GaAs CCD图形传感器圆片级芯片尺寸封装工艺及结构，更确切地说涉 及一种采用梯形槽结构和垂直通孔互连技术实现的GaAs CCD图像传感器圆片级芯片尺寸 封装工艺，GaAs CCD图像传感器是MEMS(MicroElectroM。
10、echanical 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 0002 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。
11、装技术 的发展必然趋势。 0003 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；砷化镓是直接带隙材料且切换速度快，因此光电性能优越，CCD图像传感器便是其应 用之一；此外，砷化镓衬底不需要进行绝缘隔离，这为封装结构省去复杂的隔离工艺。然而 与硅材料相比，砷化镓工艺与大规模生产的硅基CMOS工艺难以兼容，这更为GaAs CCD图像 传感器圆片级芯片尺寸封装提出了挑战。 0004 垂直通孔互连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。
12、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。 0005 如附图1和附图2所示，在传统硅基图像传感器圆片级芯片尺寸封装互连技术中， 垂直互连通孔技术和T形连接技术是最常见的两种封装互连技术。两种互连技术均有多种 变化形式，且各有优缺点。 0006 如附图1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，垂直互连通孔技术通常的工艺步骤是玻璃 晶圆/硅晶圆键合、硅晶圆减薄、通孔制作、通孔金属化、RDL层与。
13、凸点制作、划片等。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，缺点是该方法对GaAs衬底而言，工艺难度极大；且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。 0007 如附图2所示，Badehi等人在文献WO99/40624提出了T型连接技术，T型连接技 术通常的工艺步骤是：玻璃晶圆/硅晶圆键合、硅晶圆减薄、梯形槽刻蚀、玻璃晶圆/硅晶 圆键合、梯形槽刻蚀、RDL层与凸点、划片。该结构的特点是采用玻璃-芯片-玻璃的“三明 说 明 书CN 102509718 A 2/4页 5 治”结构。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。
14、，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。 发明内容 0008 为了降低封装成本，提高封装密度，并为图像传感器提供可靠的保护，本发明考虑 到砷化镓材料的特点将垂直互连通孔技术和梯形槽结构结合起来。避免了垂直通孔互连技 术工艺难度大等缺点，同时比T型连接技术成本低、互连密度高。本发明的目的是提供一种 低成本GaAs CCD图像传感器圆片级芯片尺寸封装工艺。 0009 本发明所采取的技术方案是：首先通过树脂粘接剂进行玻璃晶圆和砷化镓晶圆之 间的键合，保护芯片有源面并提高芯片晶圆强度；然后通过湿法腐蚀或者物理方法制作梯 形槽结构，。
15、使芯片互连区衬底厚度减薄；接着通过干法刻蚀技术制作垂直互连通孔，使芯片 有源面焊盘暴露出来；然后溅射种子层金属并电镀，制作孔金属化和RDL层，从而实现芯片 有源面到芯片背面的电路互连；然后制作钝化层、UBM层和凸点；最后划片形成独立封装芯 片。(详见具体实施方式)。 0010 依上所述，本发明的具体工艺步骤如下： 0011 A.玻璃晶圆/砷化镓晶圆键合 0012 (a)首先在芯片有源面旋涂一层粘接剂，并将玻璃晶圆与砷化镓晶圆进行键合，该 粘接剂的厚度为5-15m； 0013 (b)粘接剂固化工艺，固化条件为真空排气后80-120热固化100-150min。 0014 B.制作梯形槽结构 001。
16、5 (a)在完成步骤A后，在芯片背面进行薄胶光刻，形成互连区湿法腐蚀窗口； 0016 (b)砷化镓腐蚀是在体积比为1H 2 SO 4 -8H 2 O 2 -1H 2 O的刻蚀液中进行的，梯形槽制作 的温度为20-40，时间6-10小时； 0017 C.制作垂直互连通孔 0018 (a)在完成步骤B以后，使光刻胶均匀分布于芯片背面和梯形槽内，形成干法刻蚀 垂直互连通孔的掩膜； 0019 (b)在ICP(Inductively Coupled Plasma，感应耦合等离子体)-RIE(反应离子刻 蚀)刻蚀系统中进行垂直互连通孔刻蚀，刻蚀气体为Cl 2 或BCl 3 ； 0020 (c)刻蚀砷化镓晶。
17、圆芯片有源面焊盘下绝缘层。 0021 D.孔金属化和RDL层制作 0022 (a)在完成步骤C以后，进行种子层沉积，种子层为Ti/Pt/Au层，其中Ti/Pt层为 阻挡层，Au层为粘附层； 0023 (b)厚胶光刻定义出孔金属化和RDL层电镀窗口，光刻胶厚度为10-20m； 0024 (c)电镀Au层，镀层厚度为5-15m以保证梯形槽中沿斜面制作的引线能够可靠 的互连； 0025 (d)电镀种子层刻蚀。 0026 E.钝化层、UBM层及凸点制作 0027 (a)在完成步骤D以后，沉积钝化层108，钝化层材料是环氧树脂有机树脂； 说 明 书CN 102509718 A 3/4页 6 0028 (。
18、b)制作UBM层，包括钝化层刻蚀、UBM层沉积和UBM层刻蚀等工艺； 0029 (c)In凸点工艺，包括电镀In工艺及In凸点回流工艺； 0030 F.划片 0031 在完成E步骤以后，进行划片工艺从而形成独立的封装芯片。 0032 所述工艺进一步特征在于： 0033 (1)所述的梯形槽结构和垂直互连通孔分布于芯片背面互连区四边； 0034 (2)所述的垂直互连通孔在梯形槽底部可以单排列分布，也可以多排列分布； 0035 (3)所述的粘接剂固化条件是真空排气后80-120，热固化100-150min； 0036 (4)形成梯形槽的方法可以是腐蚀方法： 0037 (a)在完成步骤A后，在芯片背面。
19、进行薄胶光刻，形成互连区湿法腐蚀窗口； 0038 (b)砷化镓腐蚀在体积比为1H 2 SO 4 +8H 2 O 2 +1H 2 O刻蚀液中按照严格控制的温度和时 间下进行梯形槽制作； 0039 所制作的梯形槽结构尺寸为：槽顶部宽500-600m，槽底部宽150-250m，槽深 300-340m； 0040 (5)步骤D中垂直互连通孔的孔金属化及RDL层同时形成；电镀Au在梯形槽侧壁 上形成的沿斜面制作的引线； 0041 (6)步骤E中钝化层是旋涂的有机树脂，有机树脂固化前的流动性使其充填在梯 形槽内，以保证芯片背面的平整性； 0042 (7)所述的划片工艺，即首先用较厚砷化镓划片刀切割砷化镓晶。
20、圆，然后用较薄玻 璃划片刀切割玻璃晶圆，从而形成独立的封装芯片； 0043 (8)所述梯形结构内含一圈排列的垂直互连通孔，凸点采用部分结构； 0044 (9)传感器芯片信号从有源面经垂直互连通孔和梯形槽结构由焊盘、孔内金属化、 RDL层及凸点传输至芯片背面，从而实现圆片级封装。 0045 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 明中提供的封装结构在保证可靠性的前提下，降低了封装成本和工艺难度，提高了封装的 互连密度。 附图说明 0046 图1是Kazumasa Tanida等人在文献US2010/0252902提出的采用垂直互连通孔 技术实现的硅基图像传感器封装。
21、结构； 0047 图2是Badehi等人在文献WO99/40624提出的采用T型连接技术实现的 硅基图 像传感器封装结构； 0048 图3是按照本发明最佳实施方式制作的GaAs CCD图像传感器圆片级芯片尺寸封 装体20剖面图； 0049 图4是按照本发明最佳实施方式获得的封装结构中局部详细互连结构； 0050 图5是按照本发明最佳实施方式制作GaAs CCD图像传感器圆片级芯片尺寸封装 结构的工艺流程图，图5A-图5H是分别从初始圆片直到划片结束的主要工艺步骤；其中， A.封装前芯片晶圆截面；B.键合；C.制作梯形槽；D.制作垂直互连通孔；E.绝缘隔离金属 化和制作RDL层；F.制作钝化层；。
22、G.制作凸点。 说 明 书CN 102509718 A 4/4页 7 0051 图中： 0052 01GaAs衬底 02焊盘下绝缘层 03有源面焊盘 0053 04键合材料 05玻璃晶圆 06金属化&RDL 0054 07绝缘隔离 08UBM层 09凸点 0055 13梯形槽 14垂直互连通孔 20封装体 具体实施方式 0056 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。 0057 如图3所示，是按照本发明最佳实施方式制作的GaAs CCD图像传感器圆片级芯片 尺寸封装体20的剖面图。 0058 如图4所示，是按照本发明最佳实。
23、施方式的封装结构剖面图及互连结构，在本实 施例中梯形槽结构13内包含一圈排列的垂直互连通孔14，凸点09采用部分阵列结构。从 图4中可以看出传感器芯片信号从有源面经垂直互连通孔和梯形槽结构由焊盘03、孔内金 属化及RDL层06和凸点09传输至芯片背面，从而实现圆片级封装。 0059 按照本发明最佳实施方式，图5是应用本发明最佳实施方式制作封装结构的工艺 流程图。 0060 图5A是封装前芯片晶圆截面，包括砷化镓衬底01、绝缘层02和焊盘03，按照本发 明最佳实施方式焊盘尺寸为5050m 2 ，焊盘间距100-200m。 0061 图5B是玻璃晶圆05/砷化镓晶圆01键合工艺，按照本发明最佳实施。
24、方式键合材 料为5-15m透光树脂粘接剂04。 0062 图5C是梯形槽13制作工艺，按照本发明最佳实施方式梯形槽13结构按照单圈焊 盘进行制作，采用梯形划片刀切割后湿法清洗制作，其尺寸为槽顶部宽500-600m，槽底部 宽150-250m，槽深300-340m。 0063 图5D是垂直互连通孔14制作工艺，按照本发明最佳实施方式垂直互连通孔14采 用ICP-RIE干法刻蚀工艺制作，孔径和孔深分别为40-60m和80-120m。 0064 图5E绝缘隔离，刻蚀GaAs晶圆芯片有源面焊盘下绝缘层。 0065 图5F是孔金属化&RDL层06制作工艺，按照本发明最佳实施方式孔金属化&RDL 层06采。
25、用电镀5-15m的Au层，种子层材料为Ti/Pt/Au，其中Ti/Pt层为阻挡层，Au层为 粘附层，电镀工艺可以同时完成垂直互连通孔的金属化&RDL层制作。 0066 图5G是钝化层08制作工艺，按照本发明最佳实施方式钝化层08采用5-15m厚 树脂材料，树脂固化前的流动性能使树脂材料充分填充在梯形槽13结构内。 0067 图5H是凸点09制作工艺，按照本发明最佳实施方式凸点09的材料为In，UBM层 采用与种子层相同材料和结构，即沉积的Ti/Pt/Au复合层，Ti/Pt层为阻挡层，Au层为粘附 层，凸点09按照部分阵列排列，凸点直径为100-150m，间距为200-400m。 说 明 书CN 102509718 A 1/2页 8 图1 图2 图3 说 明 书 附 图CN 102509718 A 2/2页 9 图4 图5 说 明 书 附 图CN 102509718 A 。