一种基于水流自组装技术的芯片互连布线方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于水流自组装技术的芯片互连布线方法，通过在以水流自组装技术完成将芯片安装于目标衬底的步骤之后，采用图像扫描的模式识别方式确定芯片的旋转方向，以确定每个芯片的旋转误差，并据此算出引线接触孔开孔和金属布线线路的正确位置相关数据，从而确保了后续开孔与布线的正确性，避免了为克服水流自组装时产生的旋转误差，而对芯片电路和版图设计过多的要求，也不需要专门的冗余设计，使得封装芯片不需要具备功能上的选择对称性，降低了芯片设计的难度，节省了芯片面积，从而降低了相关成本，提高了水流自组装技术的可应用性。
【专利说明】
一种基于水流自组装技术的芯片互连布线方法
技术领域
[0001]本发明涉及半导体集成电路制造技术领域，更具体地，涉及一种利用水流自组装技术进行微芯片间金属互连的实现方法。
【背景技术】
[0002]水流自组装技术(Fluidic Self Assembly，FSA)是一种低成本高产量的芯片封装技术。文南犬 “Hs1-Jen J.Yeh ,John S.Smith, et al.Fluidic Self-Assembly for theIntegrat1n of GaAs Light-Emitting D1des on Si Substrates.1EEE PHOTONICSTECHNOLOGY LETTERS ,VOL.6,N0.6, RTNE 1994” 以及美国专利 US5549291 公开了一种 FSA 方法，通过将大量待封装芯片从原来的晶圆衬底上剥离之后，悬浮于溶液中，然后流经目标衬底，并沉积在目标衬底之上。水流自组装技术具有成本低、产量高的特点，特别是对于面积较小、引脚较少的芯片及其阵列的封装具有显著的成本优势。同时，水流自组装技术未来还可能应用在柔性封装技术上。目前FSA技术已经由Alien公司应用在RF ID芯片的封装上，并大幅度提高了RF ID的产量。
[0003]水流自组装芯片对于对称图形的芯片安装存在失效可能。例如矩形芯片存在180度旋转对称误差，而对于方形芯片则存在90度旋转误差。请参阅图1a-图1b，图1a-图1b是针对FSA封装中因存在90度旋转误差而造成布线错误的说明。图中例举了两个芯片在通过FSA技术安装在衬底上后，需要通过后期封装布线实现芯片间的互连。如图1a所示，其显示正确的布线方式，其中两个芯片各自的引线焊盘P4以及引线焊盘Pl需要分别连在一起，而左边芯片的引线焊盘P3需要连接右边芯片的引线焊盘P2。如图1b所示，由于右边芯片在安装在衬底上时出现了90度旋转误差，导致在后续的布线时，分别出现了左边芯片的引线焊盘Pl与右边芯片的引线焊盘P4相连、左边芯片的引线焊盘P4与右边芯片的引线焊盘P3相连以及左边芯片的引线焊盘P3与右边芯片的引线焊盘Pl相连的一系列连接错误。
[0004]为克服这一问题，通常要求合理的电路设计，使得芯片版图具备功能对称结构从而容许对应的旋转误差。美国专利US6291896(B1)公开了具体解决方案，但是这往往需要冗余设计，会带来设计上的难度，同时也造成了芯片面积的浪费。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种基于水流自组装技术的芯片互连布线方法，以消除因芯片旋转误差带来的芯片冗余设计问题，节省芯片面积。
[0006]为实现上述目的，本发明的技术方案如下:
[0007]—种基于水流自组装技术的芯片互连布线方法，包括以下步骤:
[0008]步骤S01:利用水流自组装技术，将待封装的芯片安装在目标衬底上形成阵列；
[0009]步骤S02:对芯片阵列进行图像识别扫描，确定每个芯片的旋转误差；
[0010]步骤S03:在芯片阵列上依次形成保护膜和介质层；
[0011 ]步骤S04:根据旋转误差，计算出每个芯片引线接触孔的正确位置，并据此对介质层和保护膜进行引线接触孔开孔；
[0012]步骤S05:进行接触孔金属填充以及布线金属层淀积；
[0013]步骤S06:根据旋转误差，计算出芯片阵列的布线图形，并据此对布线金属层进行图案化，形成金属布线。
[0014]优选地，步骤S02中，通过对芯片上预先制作的识别标记进行图像识别扫描，以提高对芯片旋转误差的图像识别率。
[0015]优选地，步骤S04中，利用激光直写方法开出引线接触孔。
[0016]优选地，步骤S04中，先利用激光直写方法形成开孔位置的光刻图案，再通过刻蚀方法开出引线接触孔。
[0017]优选地，步骤S06中，先利用激光直写方法形成布线光刻图案，再通过刻蚀方法形成金属布线。
[0018]优选地，步骤SOl具体包括:将待封装的芯片从晶圆衬底上剥离下来，置于水或其他溶液中；在目标衬底上预先开好安装孔;利用一水流自组装设备，使得悬浮在溶液中的大量芯片流经目标衬底，并自动嵌入至安装孔中；循环多次以确保所有安装孔都安装有芯片，以形成所需的芯片阵列。
[0019]优选地，利用机械手辅助完成待封装芯片的安装。
[0020]优选地，所述目标衬底由聚酰亚胺和铝构成上、下两层结构，所述安装孔在聚酰亚胺层开设。
[0021 ]优选地，步骤S03中，在目标衬底上采用旋涂聚酰亚胺形成所述保护膜，并通过机械按压方式使其表面平整化。
[0022]优选地，还包括步骤S07:重复步骤S03-步骤S06，以形成多层布线。
[0023]从上述技术方案可以看出，本发明通过在以水流自组装技术完成将芯片安装于目标衬底的步骤之后，采用图像扫描的模式识别方式确定芯片的旋转方向，以确定每个芯片的旋转误差，并据此算出引线接触孔开孔和金属布线线路的正确位置相关数据，从而确保了后续开孔与布线的正确性，避免了为克服水流自组装时产生的旋转误差，而对芯片电路和版图设计过多的要求，也不需要专门的冗余设计，使得封装芯片不需要具备功能上的选择对称性，降低了芯片设计的难度，节省了芯片面积，从而降低了相关成本，提高了水流自组装技术的可应用性。
【附图说明】
[0024]图1a-图1b是针对FSA封装中因存在90度旋转误差而造成布线错误的说明；
[0025]图2是本发明一种基于水流自组装技术的芯片互连布线方法流程图；
[0026]图3-图9是本发明一较佳实施例中根据图2的方法进行芯片安装封装布线的工艺流程图；
[0027]图1O-图17是两个芯片间互连出现旋转误差时的情况举例；
[0028]图18-图19是首尾芯片互连出现旋转误差时的情况举例。
【具体实施方式】
[0029]下面结合附图，对本发明的【具体实施方式】作进一步的详细说明。
[0030]需要说明的是，在下述的【具体实施方式】中，在详述本发明的实施方式时，为了清楚地表示本发明的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。
[0031]在以下本发明的【具体实施方式】中，请参阅图2，图2是本发明一种基于水流自组装技术的芯片互连布线方法流程图；同时请参阅图3-图9，图3-图9是本发明一较佳实施例中根据图2的方法进行芯片安装封装布线的工艺流程图，图3-图9中形成的工艺结构，可分别与图2中的各步骤相对应。如图2所示，本发明的一种基于水流自组装技术的芯片互连布线方法，包括以下步骤:
[0032]步骤SOl:利用水流自组装技术，将待封装的芯片安装在目标衬底上形成阵列。
[0033]请参阅图3-图5。在利用水流自组装技术进行芯片安装时，可包括以下具体步骤:
[0034]I)芯片剥离。如图3所示，首先将要封装的裸芯片201-203从晶圆衬底101上剥离下来。晶圆衬底的种类不限，可以是硅衬底、也可以是砷化镓、氮化镓等衬底。剥离方法可以是化学刻蚀、也可以采用减薄后进行激光切割等方法。芯片大小大约在50-500微米，因而可称之为微芯片。将剥离下来的芯片置于水或其他溶液中。
[0035]2)目标衬底开孔。如图4所示，在进行芯片安装的目标衬底102和103上预先开好安装孔。目标衬底材料可采用例如硅、铝板、有机衬底及其组合等多种衬底。开孔的方法针对不同的衬底可有不同，如可以使用化学刻蚀、机械压孔方式，也可以采用激光开孔方式。例如，目标衬底可由聚酰亚胺层103和铝层102构成上、下两层结构，并将安装孔开设在聚酰亚胺层。安装孔凹进去的形状通常与芯片一致，便于芯片安装到安装孔内。可通过加热机械压孔的方法在聚酰亚胺层开出芯片的安装孔。
[0036]3)芯片水流自组装。如图5所示，可采用现有的水流自组装设备，通过水流自组装方式将芯片201-202安装于目标衬底聚酰亚胺层103的安装孔内。安装时使得悬浮在溶液中的大量芯片流经目标衬底，芯片将自动嵌入到安装孔中，形成所需的芯片阵列。将这个过程循环多次(通常至少流经目标衬底两次)，以确保所有安装孔都填好芯片。最后可采用机械手辅助完成将芯片放置进可能存在的少量未安装芯片的安装孔。
[0037]步骤S02:对芯片阵列进行图像识别扫描，确定每个芯片的旋转误差。
[0038]请参阅图6。对安装好的芯片阵列进行图像识别扫描，并根据图像确定每个芯片的旋转误差。如图所示，为了提高图像识别率，可以在芯片加工时通过后道金属布线工艺制作出识别标记301、302。
[0039]步骤S03:在芯片阵列上依次形成保护膜和介质层。
[0040]请参阅图7。可通过常规的工艺方式，在已安装好的芯片阵列表面淀积一层保护膜104，并使得表面平整。然后再沉积一层介质层105。例如，可在目标衬底上旋涂聚酰亚胺104作为保护膜，并通过机械按压方式使得表面更平整;然后再沉积S12介质层105。
[0041 ]步骤S04:根据旋转误差，计算出每个芯片引线接触孔的正确位置，并据此对介质层和保护膜进行弓I线接触孔开孔。
[0042]请参阅图8。根据步骤S02得出来的旋转误差，算出每个芯片所需开孔的正确位置，形成激光直写开孔的数据。然后根据不同的介质层材料，可以采用激光直写方法直接开出弓丨线接触孔;也可以先采用激光直写方法光刻出开孔位置、即形成开孔位置的光刻图案，再通过刻蚀方法开出引线接触孔，然后去掉光刻后多余的光刻胶。在本实施例中，芯片存在的旋转误差并不影响引线接触孔的开孔位置，因此可以直接采用光刻及刻蚀方法开出引线接触孔。如果因芯片旋转产生偏移，则可通过计算开孔的偏移量即可准确确定开孔位置。
[0043]步骤S05:进行接触孔金属填充以及布线金属层淀积。
[0044]请继续参阅图8。接下来，可以采用电镀或溅射等各种方法，在开出的引线接触孔中填充接触孔金属以及淀积布线金属106。例如，可通过化学镀的方法淀积铜106作为接触孔金属和布线金属，将引线接触孔填满，并继续形成布线金属层。
[0045]步骤S06:根据旋转误差，计算出芯片阵列的布线图形，并据此对布线金属层进行图案化，形成金属布线。
[0046]请参阅图9。通过步骤S02得出来的旋转误差，算出芯片阵列的布线图形，并形成激光直写光刻所需数据。然后通过激光直写方法形成布线光刻图案，再通过刻蚀形成金属布线，并去掉光刻后多余的光刻胶。
[0047]对于引脚较多的芯片，无法在单层金属中完成所有芯片互连要求的情况，可能需要多层布线，则还可包括步骤S07:需要重复上面的步骤S03-步骤S06，以形成多层布线。这时，对于激光直写的数据会有所不同，同时需要采用两次布线的工艺。
[0048]上述本发明基于水流自组装技术的芯片互连布线方法，改进了水流自组装的流程，克服了芯片旋转误差问题;在利用水流自组装完成芯片安装之后，采用模式识别的方法识别芯片的旋转方向，据此算出开孔和布线线路相关的激光直写光刻所需数据，并利用激光直写技术完成开孔和布线，从而确保了光刻以及后续开孔与布线的正确性，避免了以往因旋转误差造成的布线错误。
[0049]下面再对形成金属布线的数据做一具体说明。
[0050]请参阅图10-图17，图10-图17是两个芯片间互连出现旋转误差时的情况举例。在本实施例中，假设一个4引脚(引线焊盘)硅微芯片安装在聚酰亚胺+铝基板构成的双层架构目标衬底上，并通过金属布线形成8个芯片互连的阵列。如图10所示，该微芯片互连的要求是相邻两芯片的引脚Pl和引脚Pl相连，引脚P4和引脚P4相连，而前一芯片(图示左侧芯片)的输出端引脚P3是后一芯片(图示右侧芯片)的输入端引脚P2;同时，还要将8个一组的芯片组连到目标衬底的引脚M1-M4上，具体为引脚Pl和引脚Ml相连，引脚P4和引脚M4相连，第一个芯片的输入端引脚P2与引脚M2相连、并作为整个芯片组的输入端引脚M2，最后一个芯片的输出端引脚P3与引脚M3相连、并作为整个芯片组的输出。
[0051]首先，对于存在各种旋转误差的情形，本实施例中任意两芯片间的互连存在16种可能，根据这16种可能，可将相关激光直写版图数据预存在设备之中，在通过扫描和图像识别确定每个微芯片的旋转误差之后，每两个芯片间的互连布线的激光直写数据也就可以确定了，这样就能获得两芯片间互连布线的所有数据。也就是说，通过图像识别技术，判断微芯片的旋转误差，对于每种旋转误差，可通过计算预先准备相应的接触孔开口和金属布线的数据，届时根据每个芯片的旋转误差，选择相应的数据，最后形成激光直写所需数据。图10-图17只举例给出了其中8种旋转误差的可能情形，以及对应的互连布线方式;依次分别是前一芯片不存在旋转误差的4种情况，以及前一芯片存在90度旋转误差的4种情况。此外，前一芯片存在180度和270度旋转误差的情况可同理给出(本例略)。
[0052]其次，因为最终封装时是8个芯片一组，首尾两个芯片需要与目标衬底上的引脚相连。实际上，目标衬底上的引脚M1-M4也采用的是布线金属，它们在目标衬底的位置是固定的。那么对应首尾芯片的引脚与目标衬底引脚的连线方式各存在4种可能。图18-图19举例给出了首尾两芯片存在旋转误差的一种可能布线方式，其相关激光直写版图数据可以预存在设备之中。通过扫描和图像识别确定首尾芯片的旋转误差之后，则首尾两芯片与目标衬底引脚之间的金属连线的激光光刻数据也可以确定。
[0053]最终通过上述方法就能获得8芯片一组的芯片封装形式的芯片互连及与目标衬底引脚相连的布线所需激光直写光刻数据。扫描全部目标衬底则能获得本次激光直写光刻的全部数据。
[0054]综上所述，本发明通过在以水流自组装技术完成将芯片安装于目标衬底的步骤之后，采用图像扫描的模式识别方式确定芯片的旋转方向，以确定每个芯片的旋转误差，并据此算出引线接触孔开孔和金属布线线路的正确位置相关数据，从而确保了后续开孔与布线的正确性，避免了为克服水流自组装时产生的旋转误差，而对芯片电路和版图设计过多的要求，也不需要专门的冗余设计，使得封装芯片不需要具备功能上的选择对称性，降低了芯片设计的难度，节省了芯片面积，从而降低了相关成本，提高了水流自组装技术的可应用性。
[0055]以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。
【主权项】
1.一种基于水流自组装技术的芯片互连布线方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤SOl:利用水流自组装技术，将待封装的芯片安装在目标衬底上形成阵列； 步骤S02:对芯片阵列进行图像识别扫描，确定每个芯片的旋转误差； 步骤S03:在芯片阵列上依次形成保护膜和介质层； 步骤S04:根据旋转误差，计算出每个芯片引线接触孔的正确位置，并据此对介质层和保护膜进行引线接触孔开孔； 步骤S05:进行接触孔金属填充以及布线金属层淀积； 步骤S06:根据旋转误差，计算出芯片阵列的布线图形，并据此对布线金属层进行图案化，形成金属布线。2.根据权利要求1所述的基于水流自组装技术的芯片互连布线方法，其特征在于，步骤S02中，通过对芯片上预先制作的识别标记进行图像识别扫描，以提高对芯片旋转误差的图像识别率。3.根据权利要求1所述的基于水流自组装技术的芯片互连布线方法，其特征在于，步骤S04中，利用激光直写方法开出引线接触孔。4.根据权利要求1所述的基于水流自组装技术的芯片互连布线方法，其特征在于，步骤S04中，先利用激光直写方法形成开孔位置的光刻图案，再通过刻蚀方法开出引线接触孔。5.根据权利要求1所述的基于水流自组装技术的芯片互连布线方法，其特征在于，步骤S06中，先利用激光直写方法形成布线光刻图案，再通过刻蚀方法形成金属布线。6.根据权利要求1所述的基于水流自组装技术的芯片互连布线方法，其特征在于，步骤SOl具体包括:将待封装的芯片从晶圆衬底上剥离下来，置于水或其他溶液中；在目标衬底上预先开好安装孔;利用一水流自组装设备，使得悬浮在溶液中的大量芯片流经目标衬底，并自动嵌入至安装孔中；循环多次以确保所有安装孔都安装有芯片，以形成所需的芯片阵列。7.根据权利要求6所述的基于水流自组装技术的芯片互连布线方法，其特征在于，利用机械手辅助完成待封装芯片的安装。8.根据权利要求6所述的基于水流自组装技术的芯片互连布线方法，其特征在于，所述目标衬底由聚酰亚胺和铝构成上、下两层结构，所述安装孔在聚酰亚胺层开设。9.根据权利要求1所述的基于水流自组装技术的芯片互连布线方法，其特征在于，步骤S03中，在目标衬底上采用旋涂聚酰亚胺形成所述保护膜，并通过机械按压方式使其表面平整化。10.根据权利要求1-9任意一项所述的基于水流自组装技术的芯片互连布线方法，其特征在于，还包括步骤S07:重复步骤S03-步骤S06，以形成多层布线。
【文档编号】H01L21/768GK105826247SQ201610292920
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年5月5日
【发明人】胡少坚, 陈寿面, 彭娟
【申请人】上海集成电路研发中心有限公司