专利名称：一种用于圆片级封装应力测量的应力传感器转移方法
技术领域：
本发明涉及集成电路制造、封装和测量技术领域，特别是涉及一种用于圆片级封装应力测量的应力传感器转移方法。
背景技术：
集成电路的封装工艺会在集成电路芯片中引入应力。由于硅等半导体材料载流子迁移率会随应力变化，封装应力对集成电路的性能会造成显著影响。另外，封装应力随温度变化而引起的材料疲劳是造成集成电路失效的重要原因。一般需要通过材料、封装结构和工艺的优化降低封装应力。利用硅的压阻效应制备的应力传感器是封装应力测量的有力工具。压阻式应力传感器是利用硅的压阻效应(也就是载流子迁移率会随应力变化的效应)，通过测量应力导 致的电阻阻值变化来计算得到芯片表面的应力分布状态。应力传感器可以很好地应用于传统的芯片级封装的工艺优化与日常监控。所谓的芯片级封装是指，待封装的集成电路圆片首先切割成小尺寸的芯片，然后对切割后的芯片进行封装。芯片级封装是集成电路的传统封装方式。应力传感器应用于芯片级封装的一般使用方法为首先制作专用的测试芯片，测试芯片上制作应力传感器，并且测试芯片尺寸与焊盘排布与待封装芯片相同；采用待优化的封装工艺对测试芯片进行封装，测量测试芯片上应力传感器在封装前后的输出变化就可以得到该封装工艺引入的应力；优化封装工艺并再次对测试芯片进行封装并测量应力；重复上述步骤直至应力达到目标值。由于制作有应力传感器的测试芯片仅用于工艺优化和监控，其使用量少。为了降低成本，一般采用廉价的加工工艺制作，其最小线宽和硅圆片尺寸均显著不同于待封装的集成电路芯片。例如，待封装集成电路芯片的尺寸为IOmmX 10mm，采用最小线宽为O. 09微米的先进工艺制作在12英寸的硅圆片上，而应力传感器则可以采用最小线宽为I微米的廉价工艺在4英寸的娃圆片上制作，只要保证应力传感器的芯片尺寸为IOmmX IOmm,且厚度及压焊块排布与待测集成电路芯片相同，就可以保证应力测量结果的准确性。随着集成电路封装技术的发展，圆片级封装(Wafer Level Package)逐渐普及。所谓的圆片级封装是指，对未切割的集成电路圆片进行封装，然后再切割成小芯片的封装工艺。现有的应力传感器技术难以广泛用于圆片级封装的工艺验证和监控。如果采用现有的应力传感器技术进行圆片级封装应力研究，则需要制作与待封装集成电路硅圆片相同尺寸的测试圆片，并在测试圆片上制作应力传感器。也就是说，进行8英寸圆片的圆片级封装验证时，需要制作8英寸的测试圆片，而进行12英寸圆片的圆片级封装验证时，需要制作12英寸的测试圆片。8英寸或12英寸集成电路工艺线的加工成本高，由于测试圆片用量少，其研制成本高。高昂的研制成本限制了应力传感器在圆片级封装中的应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于圆片级封装应力测量的应力传感器转移方法，可降低加工成本。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种用于圆片级封装应力测量的应力传感器转移方法，包括以下步骤(I)SOI硅片的顶层硅上制作应力 传感器；(2)利用有机胶膜将应力传感器面对面地贴装到与待封装圆片相同尺寸的测试圆片上;(3)腐蚀去除应力传感器衬底硅，将应力传感器芯片单元转移到测试圆片上。所述步骤(I)还包括以下子步骤(11)通过反应离子刻蚀技术在顶层硅刻蚀，并在顶层硅上制成应力传感单元；(12)通过光刻腐蚀工艺在埋层二氧化硅上制作出引线窗口 ；(13)通过溅射的方式沉积一层薄膜层并采用光刻加工工艺和腐蚀技术形成金属引线。所述步骤(2)中有机胶膜采用机械旋转涂胶或者干膜贴合的方法制作在应力传感器硅片上，所述有机胶膜的厚度小于10微米。所述步骤(2)中应力传感器芯片采用芯片到圆片键合的方法面对面地贴装到与待封装圆片相同尺寸的测试圆片上。所述步骤(3)中采用干法腐蚀工艺去除应力传感器的衬底硅，其中，对集成电路钝化层和金属层的腐蚀速率远低于对硅的腐蚀速率。所述有机胶膜为BCB胶、聚酰亚胺胶膜、PerMX干膜。有益效果由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果本发明将应力传感器在小尺寸硅圆片上制作，小尺寸硅圆片的加工成本显著低于大尺寸硅圆片，并且一片传感器圆片上切割出的芯片可以满足多个测试圆片的用量，使用成本远低于直接制作大尺寸测试圆片。该技术不仅可用于圆片级封装工艺的研究，还可用于圆片级封装的日常应力监控。
图I是本发明中应力传感器的剖面图；图2是本发明中应力传感器的俯视图；图3是本发明中应力传感器旋涂有机薄膜后的示意图；图4是本发明中应力传感器倒装到硅圆片上的示意图；图5是本发明中去除应力传感器衬底硅后的示意图；图6是本发明中器件减薄后的示意图；图7是待封装硅圆片剖面示意图；图8是圆片级封装剖面结构示意图；图9是测试圆片封装后的剖面结构示意图；图10是去除测试点压焊块后待封装硅圆片剖面示意图11是在测试点转移制作应力传感器后的剖面示意图；图12是完成封装后的剖面结构示意图。
具体实施例方式下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。本发明的实施方式涉及一种用于圆片级封装应力测量的应力传感器转移方法，包括以下步骤，首先制作专用的测试芯片，测试芯片上制作应力传感器，并且测试芯片尺寸与焊盘排布与待封装芯片相同；采用待优化的封装工艺对测试芯片进行封装，测量测试芯片上应力传感器在封装前后的输出变化就可以得到该封装工艺引入的应力；优化封装工艺并再次对测试芯片进行封装并测量应力；重复上述步骤直至应力达到目标值。
具体步骤如下(I) SOI硅片的顶层硅上制作应力传感器；(2)利用有机胶膜将应力传感器面对面地贴装到与待封装圆片相同尺寸的测试圆片上；(3)腐蚀去除应力传感器衬底硅，将应力传感器芯片单元转移到测试圆片上。也就是说，首先在SOI硅圆片上制备传感器单元，并在传感器单元上面旋涂或黏贴有机胶膜，将SOI硅圆片切割成芯片，芯片尺寸与待封装圆片上芯片尺寸相同；采用倒装焊机或贴片机等将传感器芯片面对面贴装在待测应力圆片上，根据有机胶膜键合条件选择贴装温度、压强和工艺时间。通过干法腐蚀方法去除顶层硅，仅在待测圆片保留了一薄层应力传感器单元、埋层二氧化硅及金属布线。如图I所示，所述的应力传感器I在制作在晶面的SOI硅片3的顶层硅上。所述的应力传感器I制作是通过反应离子刻蚀技术将顶层硅3刻蚀出如图2中所示的形状并分别掺以浓度为1015/cm3-1019/cm3的硼和磷制作成的P型力敏电阻单元和N型力敏电阻单元。然后通过光刻、腐蚀工艺在埋层二氧化硅上制作出引线窗口 6。通过溅射的方式沉积一层金属铝(Al)薄膜层5并采用光刻加工工艺及铝腐蚀技术来形成金属引线。在埋层二氧化硅4上制作引线窗口 6的工艺不同于一般的应力传感芯片制作工艺。所述的应力传感器转移方法中使用的有机胶膜2为Benzocyclobutene CB)胶膜、聚酰亚胺胶膜、PerMX干膜等，采用机械旋转涂胶或者干膜贴合的方法制作在应力传感器硅片上，并划成单个应力传感器芯片。为了精确地获得硅圆片表面的应力情况，胶膜厚度一般应控制在10微米以内。所述的芯片到圆片键合工艺(Chip to Wafer bonding)采用倒装焊机或贴片机进行加工。键合过程中所加的温度和压力根据选择的有机胶膜确定，例如BCB胶膜的键合温度为200°C _250°C，键合压强4千帕-10千帕，键合时间为I个小时。所述刻蚀传感器芯片底层硅的方法为干法腐蚀。选择的干法腐蚀工艺对集成电路钝化层和金属层的腐蚀速率远低于对硅的腐蚀速率，如二氟化氙气相腐蚀等方法。由于在埋层二氧化硅上预先开出了引线窗口 6，腐蚀去除衬底硅后，铝压焊块5就暴露出来了，而不需要再进行氧化层的光刻和腐蚀。为了满足器件的小型化及封装中的多层堆叠工艺，一般整个硅圆片在封装前都需要进行减薄。首先通过六氟化硫深反应离子刻蚀技术将SOI硅片O. 2微米厚的顶层硅刻蚀出岛状形貌并掺以1018/cm3硼和磷离子来制作力敏电阻单元，采用溅射技术沉积O. 7微米的金属Al薄膜层并采用光刻技术及离子束刻蚀技术来制作金属布线5。然后在制作好的传感器圆片上旋涂O. 3微米的BCB薄膜2，形成如图3所示的结构。切割成芯片后通过倒装焊贴装到测试圆片7上，工艺条件为加热到230°C之间，加100克力来实现加压，保持时间为I小时，形成如图4所示的结构。通过二氟化氙气相腐蚀方法去除顶层硅3。图5为传感器完成转移后硅测试圆片待减薄前的示意图，硅测试圆片减薄前的厚度为500微米。测试应力传感器单元I的零点电压输出。在圆片减薄至100微米后(如图6所示)，再测试传感器的电压输出，通过比较两个电压信号可以计算出测试圆片在减薄工艺过程中产生的应力。该技术不仅可用于圆片级封装工艺的优化，还可用于圆片级封装的日常应力监控。在待封装圆片表面预留测试芯片位置，或者通过选择性腐蚀去除待封装圆片测试位置处原有的压焊块。将应力传感器通过上述转移工艺转移至测试位置。通过测量应力传感器 在封装前后应力的变化，就可以实现对圆片级封装的日常应力监控。应力传感器转移方法可用于圆片级封装工艺研究。待封装的硅圆片如图7所示。该圆片8通过有机胶膜11与盖板12键合在一起，并通过硅通孔互连13和焊球10实现从背面的电学引出，制成的圆片级封装结构如图8所示。为了测量该封装结构的应力，制作应力传感器芯片，其压焊块排布与待封装圆片上压焊块9排布相同的。在制作好的传感器圆片上旋涂O. 3微米的BCB薄膜2，切割成芯片后通过倒装焊贴装到测试圆片7上。根据工艺测试与优化的需要确定应力传感器的数量与位置。完成应力传感器转移后的测试圆片如图9所示。采用探针台测量应力传感器的输出。采用图8所示的结构与工艺对测试圆片进行封装，测量封装后应力传感器输出。封装前后应力传感器输出的差值就对应该圆片级封装工艺引入的应力。应力传感器转移技术可用于圆片级封装应力的日常监控。待封装的硅圆片如图7所示，该圆片通过有机胶膜11与盖板12键合在一起，并通过硅通孔互连13和焊球14实现从背面的电学引出，制成的圆片级封装结构如图8所示。为了监控该封装结构的应力，制作应力传感器芯片，其压焊块排布与待封装圆片上压焊块排布相同的。在制作好的传感器圆片上旋涂O. 3微米的BCB薄膜，并切割成传感器芯片。在待封装圆片上根据监控需要选择测试点，通过选择性腐蚀去除测试点位置的压焊块，如图10所示。通过倒装焊将传感器芯片贴装到待封装圆片测试点上。完成应力传感器转移后的测试圆片如图11所示。采用探针台测量应力传感器的输出。对待封装圆片进行封装，制成的结构如图12所示。测量封装后应力传感器输出。封装前后应力传感器输出的差值就对应该圆片级封装工艺引入的应力。不难发现，本发明将应力传感器在小尺寸硅圆片上制作，小尺寸硅圆片的加工成本显著低于大尺寸硅圆片，并且一片传感器圆片上切割出的芯片可以满足多个测试圆片的用量，使用成本远低于直接制作大尺寸测试圆片。该技术不仅可用于圆片级封装工艺的研究，还可用于圆片级封装的日常应力监控。
权利要求
1.一种用于圆片级封装应力测量的应力传感器转移方法，其特征在于，包括以下步骤 (1)SOI娃片的顶层娃上制作应力传感器； (2)利用有机胶膜将应力传感器面对面地贴装到与待封装圆片相同尺寸的测试圆片上； (3)腐蚀去除应力传感器衬底硅，将应力传感器芯片单元转移到测试圆片上。
2.根据权利要求I所述的用于圆片级封装应力测量的应力传感器转移方法，其特征在于，所述步骤(I)还包括以下子步骤 (11)通过反应离子刻蚀技术在顶层硅刻蚀，并在顶层硅上制成应力传感单元； (12)通过光刻腐蚀工艺在埋层二氧化硅上制作出引线窗口； (13)通过溅射的方式沉积一层薄膜层并采用光刻加工工艺和腐蚀技术形成金属引线。
3.根据权利要求I所述的用于圆片级封装应力测量的应力传感器转移方法，其特征在于，所述步骤(2)中有机胶膜采用机械旋转涂胶或者干膜贴合的方法制作在应力传感器硅片上，所述有机胶膜的厚度小于10微米。
4.根据权利要求I所述的用于圆片级封装应力测量的应力传感器转移方法，其特征在于，所述步骤(2)中应力传感器芯片采用芯片到圆片键合的方法面对面地贴装到与待封装圆片相同尺寸的测试圆片上。
5.根据权利要求2所述的用于圆片级封装应力测量的应力传感器转移方法，其特征在于，所述步骤(3)中采用干法腐蚀工艺去除应力传感器的衬底硅，其中，对集成电路钝化层和金属层的腐蚀速率远低于对硅的腐蚀速率。
6.根据权利要求3所述的用于圆片级封装应力测量的应力传感器转移方法，其特征在于，所述有机胶膜为BCB胶膜、聚酰亚胺胶膜、PerMX干膜。
全文摘要
本发明涉及一种用于圆片级封装应力测量的应力传感器转移方法，包括以下步骤SOI硅片的顶层硅上制作应力传感器；利用有机胶膜将应力传感器面对面地贴装到与待封装圆片相同尺寸的测试圆片上；腐蚀去除应力传感器衬底硅，将应力传感器芯片单元转移到测试圆片上。本发明将应力传感器在小尺寸硅圆片上制作，小尺寸硅圆片的加工成本显著低于大尺寸硅圆片，并且一片传感器圆片上切割出的芯片可以满足多个测试圆片的用量，使用成本远低于直接制作大尺寸测试圆片。
文档编号H01L21/66GK102800606SQ20121028854
公开日2012年11月28日 申请日期2012年8月14日 优先权日2012年8月14日
发明者杨恒, 豆传国, 吴燕红, 李昕欣, 王跃林 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所