电子元件的晶圆级封装及其制造方法

摘要

本发明提供一种电子元件的晶圆级封装及其制造方法。该制造方法包括提供半导体晶圆，该半导体晶圆上包括多个电子元件芯片，所述多个电子元件芯片由层间介电层所覆盖，且至少一接触垫设置于该层间介电层中。提供承载基板；粘结该半导体晶圆与该承载基板，并薄化该半导体晶圆的背面。蚀刻该半导体晶圆的背面形成沟槽。在该半导体晶圆的背面顺应性地沉积绝缘层。除去该沟槽底部的该绝缘层，并除去该沟槽底部的层间介电层，并露出该至少一接触垫的部分表面。在该半导体晶圆的背面顺应性地沉积导电层。并将其图案化后，与该接触垫形成L形连线，以及形成外部导线及焊接凸块。本发明能够改善导线结构与接触垫之间的粘结性与导电性。

权利要求

1.一种电子元件的晶圆级封装的制造方法，包括以下步骤：提供半导体晶圆，该半导体晶圆上包括多个电子元件芯片，所述多个电子元件芯片由层间介电层所覆盖，且至少一接触垫设置于该层间介电层中；

提供承载基板；

粘结该半导体晶圆与该承载基板，并薄化该半导体晶圆的背面；

蚀刻该半导体晶圆的背面以形成沟槽；

在该半导体晶圆的背面顺应性地沉积绝缘层；

除去该沟槽底部的该绝缘层；

除去该沟槽底部的层间介电层，并露出该至少一接触垫的部分表面；

在该半导体晶圆的背面顺应性地沉积导电层，并将其图案化后，与该接触垫形成L形连线；以及形成外部导线及焊接凸块。

2.如权利要求1所述的电子元件的晶圆级封装的制造方法，其中该电子元件芯片包括互补式金属氧化物半导体图像感测装置。

3.如权利要求1所述的电子元件的晶圆级封装的制造方法，其中该承载基板为透明基板，包括镜片级玻璃或石英。

4.如权利要求1所述的电子元件的晶圆级封装的制造方法，其中形成该绝缘层的步骤包括喷涂法、溅镀法、印刷法、涂布法或旋涂法。

5.如权利要求1所述的电子元件的晶圆级封装的制造方法，其中该绝缘层的材质包括树脂、氧化硅、金属氧化物或氮化硅。

6.一种电子元件的晶圆级封装，包括：

至少一电子元件芯片，与承载基板对向粘结，其中各电子元件芯片包括覆盖该电子元件芯片的层间介电层，以及设置于该层间介电层中的接触垫，该接触垫的垂直部分与水平部分是露出的；以及导电层，设置于该电子元件的晶圆级封装外，顺应性地接触该接触垫露出的垂直部分与水平部分，构成L形电性连接；

其中该L形电性连接延伸至该电子元件的晶圆级封装背面的接触终端。

7.如权利要求6所述的电子元件的晶圆级封装，其中该电子元件芯片包括互补式金属氧化物半导体图像感测装置。

8.如权利要求6所述的电子元件的晶圆级封装，其中该承载基板为透明基板，包括镜片级玻璃或石英。

9.如权利要求6所述的电子元件的晶圆级封装，还包括：绝缘层，设置于该电子元件芯片的背面与侧边，其中该绝缘层介于该导电层与该电子元件芯片之间。

10.一种电子元件的晶圆级封装，包括：

至少一CMOS图像感测装置，与承载基板对向粘结，其中各CMOS图像感测装置包括至少一接触垫与层间介电层；

绝缘层，顺应性地设置于半导体晶圆的背面上，露出该接触垫的第一垂直部分与第一水平部分以及该层间介电层的第二垂直部分与第二水平部分；

导电层，设置于该电子元件的晶圆级封装外，顺应性地接触该接触垫露出的第一垂直部分与第一水平部分以及该层间介电层露出的第二垂直部分与第二水平部分，构成L形电性连接；以及其中该L形电性连接延伸至该电子元件的晶圆级封装背面的接触终端。

说明书

电子元件的晶圆级封装及其制造方法

技术领域

[0001] 本发明涉及电子元件的晶圆级封装，特别涉及一种CMOS图像传感器的晶圆级封装及其制造方法。

背景技术

[0002] 互补形金属氧化物半导体场效应晶体管图像传感器(CMOS imagesensor)已广泛使用于许多应用领域，例如静态数码相机(digital still camera，DSC)。上述应用领域主要利用有源像素阵列或图像传感器单元(image sensorcell)阵列，包括光电二极管元件，以将入射的图像光能转换成数字数据。

[0003] 传统电子元件的芯片级封装(chip scale package，简称CSP)设计用于承载基板例如封装基板、模块基板或印刷电路板(PCB)上的倒装芯片式接合(flip chip bonding)。在进行倒装芯片接合工艺步骤时，需将焊接凸块、焊接栓或其他封装物件上的终端接触接合于承载基板上的匹配接触垫上。接合后的终端接触可提供封装物件与承载基板之间的物理性及电性连接。

[0004] 为了解决现有技术的接触垫接合问题，业界开发了一种壳式半导体元件晶圆级封装的技术。例如，美国专利第US6,792,480号及早期公开第US2001/0018236号公开了一种半导体元件的晶圆级封装的技术。在基板接触垫与芯片的接触之间提供T形连线。图1A显示传统晶圆级组装的CMOS图像传感器的剖面示意图。图1B显示图1A的CMOS图像传感器的局部放大图。请参阅图1A，CMOS图像感测元件封装体包括透明基板24做为芯片级封装的承载结构，透明基板24上粘结CMOS图像传感器芯片12，CMOS图像传感器芯片12包括具有微透镜阵列10的感测区域，做为图像感测面。间隔件26设置于透明基板24与CMOS图像传感器芯片12之间，以定义出空穴30。封胶层14、28形成于基板上，将CMOS图像传感器芯片12密封。光学结构16设置于封胶层14上，以强化该芯片级封装结构。T形连线包括导线结构18，导线结构18的一端连接接触垫22，并自芯片电路延伸至该芯片级封装上多个终端接触。球栅阵列(ball grid array)20形成于芯片级封装的终端接触上。

[0005] 请参阅图1B，由于T形连线的导线结构18与接触垫22之间的接触面18a小，易造成剥离等可靠度问题发生。

[0006] 有鉴于此，业界亟需一种集成电路元件封装封装设计，以改善T形连线的导线结构与接触垫之间的粘结性与导电性。

[0007] 发明内容

[0008] 本发明提供一种电子元件的晶圆级封装及其制造方法。在L形连线的接触垫部分与导电层部分的接触区域形成阶梯状结构，以改善接触垫与导电层的粘结性与改进T形连线的导电性。

[0009] 本发明实施例提供一种电子元件的晶圆级封装的制造方法，包括：提供半导体晶圆，该半导体晶圆上包括多个电子元件芯片，所述多个电子元件芯片由层间介电层所覆盖，且至少一接触垫设置于该层间介电层中；提供承载基板；粘结该半导体晶圆与该承载基板，并薄化该半导体晶圆的背面；蚀刻该半导体晶圆的背面以形成沟槽；在该半导体晶圆的背面顺应性地沉积绝缘层；除去该沟槽底部的该绝缘层；除去该沟槽底部的层间介电层(ILD)，并露出该至少一接触垫的部分表面；在该半导体晶圆的背面顺应性地沉积导电层，并将其图案化后，与该接触垫形成L形连线；以及形成外部导线及焊接凸块。

[0010] 上述电子元件的晶圆级封装的制造方法中，该电子元件芯片可包括互补式金属氧化物半导体图像感测装置。

[0011] 上述电子元件的晶圆级封装的制造方法中，该承载基板可为透明基板，包括镜片级玻璃或石英。

[0012] 上述电子元件的晶圆级封装的制造方法中，形成该绝缘层的步骤可包括喷涂法、溅镀法、印刷法、涂布法或旋涂法。

[0013] 上述电子元件的晶圆级封装的制造方法中，该绝缘层的材质可包括树脂、氧化硅、金属氧化物或氮化硅。

[0014] 本发明还提供一种电子元件的晶圆级封装，包括：至少一电子元件芯片，与承载基板对向粘结，其中各电子元件芯片包括覆盖该电子元件芯片的层间介电层，以及设置于该层间介电层中的接触垫，该接触垫的垂直部分与水平部分是露出的；以及导电层设置于该电子元件的晶圆级封装外，顺应性地接触该接触垫露出的该垂直部分与该水平部分，构成L形电性连接；其中该L形电性连接延伸至该电子元件的晶圆级封装背面的接触终端。

[0015] 上述电子元件的晶圆级封装中，该电子元件芯片可包括互补式金属氧化物半导体图像感测装置。

[0016] 上述电子元件的晶圆级封装中，该承载基板可为透明基板，包括镜片级玻璃或石英。

[0017] 上述电子元件的晶圆级封装还可包括：绝缘层，设置于该电子元件芯片的背面与侧边，其中该绝缘层介于该导电层与该电子元件芯片之间。

[0018] 本发明又提供一种电子元件的晶圆级封装，包括：至少一CMOS图像感测装置，与承载基板对向粘结，其中各CMOS图像感测装置包括至少一接触垫与层间介电层；绝缘层顺应性地设置于半导体晶圆的背面上，露出该接触垫的第一垂直部分与第一水平部分，与该层间介电层的第二垂直部分与第二水平部分；导电层设置于该电子元件的晶圆级封装外，顺应性地接触该接触垫露出的该第一垂直部分与该第一水平部分以及该层间介电层露出的该第二垂直部分与该第二水平部分，构成L形电性连接；以及其中该L形电性连接延伸至该电子元件的晶圆级封装背面的接触终端。

[0019] 本发明能够改善导线结构与接触垫之间的粘结性与导电性。

[0020] 为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，进行以下详细说明。

[0021] 附图说明

[0022] 图1A显示传统晶圆级组装的CMOS图像传感器的剖面示意图；

[0023] 图1B显示图1A的CMOS图像传感器的局部放大图；

[0024] 图2显示根据本发明实施例的电子元件的晶圆级封装的制造方法的流程图；以及[0025] 图3A-图3I显示本发明实施例的CMOS图像传感器的晶圆级封装的制造方法中各步骤的剖面示意图。

[0026] 其中，附图标记说明如下：

[0027] 现有技术部分(图1A～图1B)

[0028] 10～微透镜阵列； 12～CMOS图像传感器芯片；

[0029] 14、28～封胶层； 16～光学结构；

[0030] 18～导线结构； 18a～接触面；

[0031] 20～球栅阵列； 22～接触垫；

[0032] 24～透明基板； 26～间隔件；

[0033] 30～空穴。

[0034] 本发明部分(图2～图3I)

[0035] S200-S290～工艺步骤；

[0036] 300a、300b～CMOS图像传感器封装体；

[0037] 305～沟槽； 310～半导体晶圆；

[0038] 310′～薄化后的半导体晶圆；

[0039] 320～透明基板； 325～间隔件；

[0040] 330～空穴； 335a、335b～接触垫；

[0041] 340～层间介电层； 350a、350b～微透镜阵列；

[0042] 360～绝缘层； 370～导电层；

[0043] 380～球栅阵列；

[0044] V1、V2～垂直接触部分； h1、h2～水平接触部分。

[0045] 具体实施方式

[0046] 以下通过以各实施例和附图来详细说明的示例，做为本发明的参考依据。在附图或说明书的描述中，相似或相同的部分均使用相同的附图标记。且在附图中，实施例的形状或厚度可扩大，以简化或是方便标示。另外，附图中各元件的部分将分别描述说明，值得注意的是，图中未示或描述的元件，为所属技术领域中具普通技术人员所知的形式，另外，特定的实施例仅为公开本发明使用的特定方式，并非用以限定本发明。

[0047] 图2显示根据本发明实施例的电子元件的晶圆级封装的制造方法的流程图。首先在步骤S200中，提供具有集成电路元件的半导体晶圆。多个电子元件，例如CMOS图像传感器及对应的透镜结构已形成于半导体晶圆上。接着，在步骤S210中，将半导体晶圆对向粘结于封装基板上。在步骤S220中，将半导体晶圆的背面薄化，以便形成更轻薄的封装体。接着在步骤S230中，蚀刻半导体晶圆的背面以形成沟槽，从而露出CMOS图像传感器元件的层间介电层。接着在步骤S240中，在半导体晶圆的背面顺应性地沉积绝缘层。接着，请参阅步骤S250与S260，依序除去沟槽底部的绝缘层，以及除去层间介电层并露出接触垫的垂直面与水平面。接着在步骤S270中，顺应性地沉积导电层，并将其图案化，以形成L形连线。接着在步骤S280中，形成外部导线及焊接凸块，并在步骤S290中完成电子元件的晶圆级封装。

[0048] 本发明实施例的主要特征及方案利用依序除去沟槽底部的绝缘层及除去层间介电层的步骤，露出接触垫的垂直面与水平面，以使得后续形成的导电层与接触垫有较大的接触面积，改善T形连线的导电性与粘结性，提升工艺合格率。

[0049] 图3A-图3I显示本发明实施例的CMOS图像传感器的晶圆级封装的制造方法中各步骤的剖面示意图。请参阅图3A，提供透明基板320做为晶圆级封装的承载结构。透明基板320的材质包括镜片级玻璃或石英。半导体晶圆310，其上已形成多个CMOS图像传感器的内部电路及对应的微透镜阵列350a、350b，做为图像感测面。各CMOS图像传感器的内部电路电性连接至接触垫335a、335b，且层间介电层340设置于CMOS图像传感器的内部电路及微透镜阵列350a、350b上做为保护层。

[0050] 接着，将半导体晶圆310与透明基板320对向粘结，其间设置间隔件325，使得CMOS图像传感器的与透明基板320存在空穴330。

[0051] 请参阅图3B，为了能符合先进的封装工艺以及形成更轻薄(ultra thin)的封装体，将半导体晶圆310的背面薄化至预定的厚度310′。薄化步骤包括研磨、化学机械研磨及回蚀等工艺。

[0052] 请参阅图3C，将薄化后的半导体晶圆310′图案化，蚀刻成半导体晶圆310′具有沟槽305，以露出层间介电层340。例如，以光刻及蚀刻工艺，蚀刻半导体晶圆310′的背面，直到露出层间介电层340为止。接着，在半导体晶圆310′的背面顺应性地沉积绝缘层360。绝缘层360可由化学气相沉积法(CVD)、物理气相沉积法(PVD)、溅镀法、印刷法、喷墨法、浸镀法、喷涂法(spray coating)或旋转涂布法形成。绝缘层360的材质包括环氧树脂、聚亚酰胺、树脂、氧化硅、金属氧化物或氮化硅。

[0053] 接着，请参阅图3D，除去沟槽305底部的绝缘层360，露出层间介电层340。例如形成掩模层(未图示)以露出要除去的绝缘层360区域，再以蚀刻步骤将沟槽305底部的绝缘层360除去，接着再除去掩模层。

[0054] 请参阅图3E，接着除去部分的层间介电层340，并露出接触垫335a、335b。例如，在沟槽305中，接触垫335a露出第一垂直部分V1与第一水平部分h1，层间介电层340露出第二垂直部分V2与第二水平部分h2，如图3G所示。

[0055] 请参阅图3F，顺应性地沉积导电层370，并将其图案化，以形成由接触垫335a、335b与导电层370构成的L形连线。根据本发明实施例，由于在沟槽305内，接触垫与层间介电层形成双层台阶结构，包括垂直接触部分V1、V2与水平接触部分h1、h2，使得后续沉积的导电层370与上述的垂直接触部分和水平接触部分之间产生较佳的粘着性。另外，又由于导电层370与接触垫335a、335b的接触面积增加，使接触点的导电性得以改善，如图3G所示。

[0056] 请参阅图3H，接着在半导体封装的终端接触上形成球栅阵列380。例如在芯片级封装上形成焊球掩模层(未图示)，露出预留的终端接触区域。接着，在露出的终端接触区域上形成焊球阵列380。接着，沿切割线C切割上述CMOS图像传感器的晶圆级封装结构，使其分离成独立的CMOS图像传感器封装体300a、300b，如图3I所示。此外，本发明实施例的晶圆级构装结构的制造方法仍包括其他构件及工艺步骤，应为本发明所属技术领域中普通技术人员所理解，为求简明之故，在此省略相关细节的描述。

[0057] 虽然上述实施例以CMOS图像传感器的芯片级封装为示例性的说明，然而其并非用以限定本发明，其他电子元件的芯片级封装，包括集成电路元件、光电元件(optoelectronic device)、微机电元件(micro-electromechanicaldevice)、或表面声波元件(surface acoustic wave device)均可应用于本发明的实施例中。

[0058] 本发明虽以较佳实施例公开如上，然而其并非用以限定本发明的范围，任何所属技术领域中普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，应可做一定的改动与修改，因此本发明的保护范围应以所附权利要求范围为准。