[发明专利]低温下砷化镓图像传感器圆片级芯片尺寸封装工艺

说明书

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。