专利名称：晶圆级封装半导体的方法
技术领域：
本发明总体上涉及封装(即，包封)半导体的方法，且更具体地涉及晶圆级封装半 导体(即，晶圆级封装)的方法。
背景技术：
如本领域已知的那样，传统地在微电子领域中，电气器件被制造在晶圆上并接着 切割成单个芯片。然后，裸芯片会与其它元件组装成用于环境和机械保护的封装件。在商 业应用中，芯片通常被组装成塑料封装件。在军队应用中，其中电子器件通常暴露于更恶劣 的环境中，部件通常容纳在气密性模块内。这种封装件或模块会接着进一步组装直到电路 板和系统。然而，随着电子系统的发展，需要增加其功能同时降低元件和子系统的尺寸和成 本。降低尺寸和成本的一种方法是形成晶圆级封装件并随后接着将晶圆切割成 独立封装的半导体(即，晶圆级封装)。已经建议许多方法来形成晶圆级封装件。一 种称为晶圆结合的方法是在器件晶圆上将晶圆结合到预成形腔。可通过热结合、粘 结剂或焊料结合来实现这种结合，例如参见Rainer Pelzer, Herwig Kirchberger, Paul Kettner,"ffafer-toffafer Bonding Techniques :From MEMS Packaging to IC IntegrationApplications", 6th IEEE International Conference on Electronic PackagingTechnology 2005 以 及 A. Jourdain, P. De Moor, S. Pamidighantam, H.A.C.Tilmans,“Investigation of the Hermeticity of BCB-Sealed Cavities ForHousing RF-MEMS Devices", IEEE Electronic Article，2002。然而，该方法在工艺中引入了大量复杂性和问题。热结合通常在十分高的温度下 (超过400°C )下实现。粘结剂结合可在较低温度下实现，但是粘结剂脱气是个问题。因此， 晶圆结合对于一些应用来说不是合适且成本有效的方法。另一方法是使用液晶聚合物(LCP)。LCP由于其优良的电气、机械和环境属性而日 益成为各种封装方法的流行备选方法。材料进入辊中并且可层压到晶圆上成为薄膜。通常 方法是使用LCP的多次堆叠。在LCP的层中形成单个孔，且该孔层压在晶圆上，使得器件 或FET通过该孔曝光。LCP的该第一层形成腔的侧壁。接着，LCP的第二层层压到整个晶 圆上，因而包封该腔，参见 Dane. C. Thompson, Manos Μ. Tentzeris，John Papapolymerou, “Packaging of MMICs in Multilayer ofLCP Substrates，”IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol. 16，No. 7，July 2006。也可使用 LCP 的单次堆叠，但 是腔仍在层压到晶圆上之前形成在材料上，参见Dme. C. Thompson，Nickolas Kinglsley, Guoan Wang, John Papapolymerou, Manos Μ. Tentzeris，“RFCharacteristics of Thin Film Liquid Crystal Polymer(LCP)Packages forRF MEMS and MMIC Integration”， Microwave Symposium Digest，2005IEEE MTT-S International，12_17June 2005Page (s) 4pp.以及 MoganJikang Chen，Anh-Vu H. Pham, Nicole Andrea Evers，Chris Kapusta， Joseph Iannotti，William Kornrumpf，John J. Maciel, Nafiz Karabudak，“Designand Development of a Package Using LCP for RF/MicrowaveMEMS Switches，，，IEEE Transactions on Microwave Theory andTechniques, vol. 54, No. 11, Nov. 2006。现有工 作涉及上述首先在腔材料上形成图案并且接着结合到器件晶圆上。这具有几个缺陷首先， 这是复杂且笨重的工艺。必须确保在图案形成和晶圆结合中的十分精确对准；其次，由于对 准困难，覆盖整个芯片的腔通常是大的。在形成腔中没有太多的灵活性，该腔正好覆盖有源 器件和单个无源元件。通常，具有较大的腔，那么机械故障的风险较大，并且还损坏封装件 的环境保护，参见 Aaron Dermarderosian,"Behavior of Moisture in SealedElectronic Enclosures, “ International IMAPS conference in San Diego, Oct of2006。常规方法 的这些问题限制了封装的制造能力和性能。除了降低尺寸和成本以外，晶圆级封装件还需要提供与常规封装相同水 平的环境保护。晶圆级封装件通常需要通过在Method 1014，MIL-STD-883下的 泄漏监测测试以及JEDEC Standard No. 22-A101-B下的湿度测试。保护该器件的 一种方法是通过使用气密性涂层，参见M. D. Groner，S. M. George, R. S. McLean and P.F. Carcia, "Gas diffusionbarriers on polymers using A1203atomic layer deposition, ” AppliedPhysics Letters，88，051907 (2006)，但是将涂层直接应用到一些半 导体器件上会降级性能。另一方法是使得封装件自身是气密性的。将硅或玻璃熔合到一起的晶圆结合方 法通常可实现气密性能。例如LCP和BCB且能够通过MIL-Md 883Method 1014所限定的 初始气密性测试的塑性封装件被描述为接近气密性的，是因为与玻璃和金属相比存在通过 这些材料的扩散速率，参见 A. Jourdain, P. De Moor, S. Pamidighantam, H. Α. C. Tilmans, “Investigation of the Hermeticity of BCB-Sealed Cavities ForHousing RF-MEMS Devices，，，IEEE Electronic Article, 2002 以及 Dane. C. Thompson, Nickolas Kinglsley, Guoan Wang, John Papapolymerou, Manos M. Tentzeris, "RF Characteristics of Thin Film Liquid CrystalPolymer(LCP)Packages for RF MEMS and MMIC Integration，，， Microwave Symposium Digest,2005IEEE MTT-S International, 12_17June 2005Page(s) 4pp0在多模块封装方法中，通过在整个芯片上旋涂或层压介电薄膜来封装芯片。已经 使用Kapton E、BCB、SPIE等等的各种组合来完成现有工作，参见Vikram B. Krishnamurthy, H. S. Cole, Τ. Sitnik-Nieters, "Use of BCB in High Frequency MCM Interconnects，，， IEEE Transactionson Components, Packaging, and Manufacturing Technology-Part B, vol. 19，No. 1，Feb. 1996。虽然这降低了处理复杂性但是降级了性能，因为在有源器件上不 存在空气腔。直接沉积在晶体管顶部上的介电薄膜通常由于增加的寄生电容而降级其性 能。该多芯片模块封装是芯片级而不是晶圆级的方法。在另一晶圆级封装方法中，由不同材料(例如，LCP、玻璃等等)制成的罩掉落到晶 圆上以覆盖单个芯片。该罩使用粘结剂密封到位。再次，这是复杂的工艺，其将罩拾取并定 位到单个芯片上，参见GeorgeRiley/‘Wafer Level Hermetic Cavity Packaging”，http:// www. flipchips. com/tutorial43. html。
发明内容
根据本发明，提供一种用于封装形成于半导体晶圆的表面部分上的多个半导体器 件的方法。该方法包括在设置在表面部分上的第一可光刻处理材料中光刻地形成用于曝 光器件的器件曝光开口以及电触头焊盘开口 ；安装支承件，在支承件的选定部分上形成有 第二可光刻处理材料的刚性介电层，这种刚性材料覆置到器件曝光开口(即，腔)上并且从 材料中的电触头焊盘移除。在一个实施例中，第一可光刻处理材料和所述第二可光刻处理材料包括相同类型 的材料。在一个实施例中，第一可光刻处理材料和所述第二可光刻处理材料包括BCB。在一个实施例中，形成刚性介电层包括将第二可光刻处理材料沉积到支承件上； 光刻处理第二材料以提供在支承件上的第二可光刻处理材料的想要区域，其中第二可光刻 处理材料的不想要部分从支承件移除；将在支承件上的第二可光刻处理材料的想要部分安 装到器件曝光开口上，从其移除不想要部分的区域安装到器件曝光开口上；将第二可光刻 处理材料的想要区域结合到第一可光刻处理材料上；以及移除支承件同时保留结合到第一 可光刻处理材料的第二可光刻处理材料。通过这种方法，刚性介电层的完全成像(或印制图案)过程在应用到第一可光刻 处理材料之前进行。根据本发明的另一特征，提供用于形成于半导体晶圆的表面部分中的半导体器件 的封装件。封装件包括设置在半导体晶圆的表面部分上的第一可光刻处理、可蚀刻材料，该 表面部分在其中具有开口以曝光该器件以及曝光电触头焊盘开口 ；支承件；以及设置在支 承件的选定区域且不在支承件其它区域上的第二可光刻处理、可蚀刻材料的刚性介电层， 第二可光刻处理、可蚀刻材料的这种刚性介电层结合到第一可光刻处理、可蚀刻材料上，这 种刚性材料覆置在器件曝光开口上，且支承件的所述其它区域设置在第一可光刻处理、可 蚀刻材料的电触头焊盘开口上。本文所描述的方法已经开发成在BCB涂层中开通腔，而不会影响FET的性能。当 以板级组装时，涂层或底填充料被施加到III-V MMIC器件，从而再次影响器件性能，填充该 开口腔降级性能。现需要包盖、封盖或覆盖在BCB中形成的气袋以从所施用的涂层保护器件FET，维 持空气介电常数1。这最小化所施用涂层对于器件性能的影响。在腔中所形成的气隙的需 要高度将拓扑并且依赖于操作频率。虽然在该领域中管芯包盖是常见的，用于仅覆盖FET空气腔的方法允许容易导向 或金属丝结合连接到开通I/O对于我们能力所及来说是新颖的。载体晶圆的容易对准和移除方法也被认为是新颖的工艺。本发明的一个或多个实施例的细节在附图和下述说明中进行阐述。本发明的其它 特征、目的和优势将从说明书和附图以及权利要求书显而易见。
图1-13示出了在封装中的各个阶段中的半导体晶圆，所述半导体晶圆具有根据 本发明在其中封装的器件。
在各个附图中相同的附图标记指代相同的部件。
具体实施例方式现参考图1，半导体晶圆10示出为包括形成于其表面部分上的多个半导体器件 10，在此示出为包括形成于其上表面部分上。在图2中示出了一个示例性器件12。因此，在 此晶圆例如是GaAs或SiC晶圆10，并且该器件例如是场效应晶体管(FET)，每个FET分别 通过传输线路20、22连接到结合焊盘16、18，如图所示。接下来，可光刻处理可蚀刻材料30沉积在半导体晶圆10的上表面部分上，如 图3所示。在此，例如可光刻处理可蚀刻材料30可以是有机或无机材料，其可使用常 规光刻和蚀刻工艺容易地印制图案到晶圆上，以形成要描述的腔的侧壁。在一个实施 例中，使用苯并环丁烷(BCB)，其是具有优良电气属性的介电材料。BCB已经用于介电 涂层、3D互连和封装的许多应用中，例如见Kenjiro Nishikawa, SuehiroSugitani，Koh Inoue, Kenji Kamogawa, Tsuneo Tokumitsu, IchihikoToyoda, Masayoshi Tanaka,“A Compact V-Band 3-D MMIC Single-ChipDown-Converter Using Photosensitive BCB Dielectric Film，，IEEETransactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 47, No. 12, Dec. 1999 以及 Rainer Pelzer, Viorel Dragoi, Bart Swinnen, Philippe Soussan, Thorsten Matthias, "Wafer-Scale BCB Resist-Processing Technologies forHigh Density Integration and Electronic Packaging",2005InternationalSymposium on Electronics Materials and Packaging, Dec.11—14。BCB材料30可作为流体分配、自旋、曝光、显影、以及固化，均使用常规半导体制造 设备。由于BCB可通过常规光刻技术来印制图案，因此其可实现与光阻方法(受薄膜厚度 限制)相类似的对准容限和临界尺寸。从机械和工艺简化的角度看，自旋工艺优选为层压 工艺(例如，用于LCP)。该自旋工艺将更少的应力施加到尤其用于机械脆弱结构(例如，空 气桥)的晶圆上并且更能够在复杂电路拓扑上自流平。接下来，如图4所示，使用掩模31将材料30光刻加工，该掩模具有设置在器件12 和接触焊盘16、18上的窗口 35。在BCB材料30的曝光部分显影之后，其中器件开口 32用 于曝光器件12，其中电触头焊盘开口 34用于曝光电触头焊盘16、18，如图5所示。在BCB材料30上形成印制图案之后，使用机械强韧(S卩，刚性)自支承层40来封 闭开口或腔32、34，该自支承层对于BCB材料30具有良好的结合性。更具体地，第二可光刻 处理材料40的刚性介电层40配置在所形成的第一可光刻处理材料上，该刚性材料40覆置 在材料30中的器件曝光开口 32、34( S卩，腔)上。在此，第一可光刻处理材料30和第二可光刻处理材料40包括相同类型的材料。在 该实施例中，第一可光刻处理材料30和第二可光刻处理材料40包括BCB，在此例如具有大 约17微米的厚度。更具体地，如图6所示，形成刚性自支承层40这样开始提供支承件或基底42，在此 例如为透明石英或薄硅或其它柔性基底，在其上表面上设置有涂层或防粘层44、在此为常规 剥离材料(在此，例如，由Siipley，Mariborough MA制造的LOL 1000剥离材料)以及在防粘 层44上的第二可光刻处理材料40的层40，在此旋涂(spin on)至防粘层44上，如图所示。接下来，参考图7，第二可光刻处理材料(即，层40)通过将第二可光刻处理材料40的未掩模区域40’曝光至如所示通过影印掩模51中的开口 45的UV射线而被影印光刻 处理，如图所示。因此，在如图8所示将该结构浸没到显影剂溶液中之后，第二可光刻处理 材料40的未曝光部分40”从支承件42移除。因此，第二可光刻处理材料40配置成使得其 想要区域40’保留在支承件42上；而第二可光刻处理材料40的不想要部分40”从支承件 42移除。因此，如图8所示，想要部分40’是在层44和支承件42上的岛。接下来，参考图9，支承件42上的第二可光刻处理材料使用常规触头对准工具翻 转并对准如图5所示的结构，例如，取决于透明石英或薄硅或其它柔性基底，使用顶或视 觉对准的EVG-620的对准器/结合器，如图9所示。因此，在支承件上的第二可光刻处理 材料的想要区域40被安装到器件曝光开口 32上并接着施加热量和压力(在图10中由箭 头所示)以将第二可光刻处理材料40的想要区域结合到第一可光刻处理材料30，如图10 所示。接下来，如图11中的箭头所示，支承件42从第二可光刻处理材料40(在此，例如由 Clariant, Somerville, NJ制造的AZ400K显影剂)释放并且移除，留有结合到第一可光刻 处理材料30的第二可光刻处理材料40。于是，该过程以任何常规方式继续，例如使得晶圆的后侧变薄并且将该器件切割 成单个的、目前封装的芯片。接下来，受保护器件12准备好用于金属丝结合50和最后组装，如图12所示。或 者在图12中示出的结构配置有焊球52，如图13所示，用于翻转组装。已经描述了本发明的多个实施例。例如，可使用除了 BCB以外的材料，例如SU_8。 然而，应当理解的是，在不偏离本发明的精神和范围的前提下可作出各种变换。因此，其它 实施例落入下述权利要求书的范围内。
权利要求
1.一种用于封装形成于半导体晶圆的表面部分中的多个半导体器件的方法，所述方法 包括在设置在半导体晶圆的表面部分上的第一可光刻处理材料中光刻地形成用于曝光器 件的器件曝光开口以及用于曝光器件的电触头焊盘的电触头焊盘开口 ；以及安装支承件，在支承件的选定部分上形成有刚性介电层，所述刚性介电层包括第二可 光刻处理材料，这种刚性材料覆置到器件曝光开口上并且从覆置到第一可光刻处理材料中 的电触头焊盘上的支承件部分上移除。
2.一种用于形成于半导体晶圆的表面部分中的半导体器件的封装件，包括第一可光刻处理、可蚀刻材料，其布置在半导体晶圆的表面部分上，所述第一可光刻处 理、可蚀刻材料具有用于曝光器件的器件曝光开口以及曝光器件的电触头焊盘的电触头焊 盘开口 ；和 支承件；刚性介电层，其包括设置在支承件的选定区域上并且在支承件其它区域不存在的第二 可光刻处理材料，所述第二可光刻处理材料覆置在曝光所述器件的第一可光刻处理、可蚀 刻材料的开口上；以及其中，支承件的所述其它区域设置在所述开口上，以曝光电触头焊盘。
3.根据权利要求2所述的封装件，其特征在于，所述第一可光刻处理、可蚀刻材料是BCB。
4.根据权利要求2所述的封装件，其特征在于，所述第二可光刻处理、可蚀刻材料是BCB。
5.根据权利要求3所述的封装件，其特征在于，所述第二可光刻处理、可蚀刻材料是BCB。
6.用于封装形成于半导体晶圆的表面部分中的多个半导体器件的方法，所述方法包括在设置在表面部分上的第一可光刻处理材料中光刻地形成用于曝光器件的器件曝光 开口以及电触头焊盘开口 ；以及在所形成的第一可光刻处理材料上形成第二可光刻处理材料的刚性介电层，其包括 将第二可光刻处理材料沉积到支承件上；光刻处理第二材料以提供在支承件上的第二可光刻处理材料的想要区域，其中第二可 光刻处理材料的不想要区域从所述支承件移除；将所述支承件上的第二可光刻处理材料的想要部分安装到器件曝光开口上以及将从 其移除不想要部分的区域安装在器件曝光开口上；以及将第二可光刻处理材料的想要区域结合到第一可光刻处理材料上；以及 移除支承件，同时保留结合到第一可光刻处理材料的第二可光刻处理材料。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一可光刻处理材料和所述第二可 光刻处理材料包括相同类型的材料。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一可光刻处理材料和所述第二可 光刻处理材料包括BCB。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，形成所述刚性介电层包括将第二可光刻处理材料沉积到支承件上；光刻处理第二材料以在支承件上提供第二可 光刻处理材料的想要部分，其中第二可光刻处理材料的不想要部分从支承件移除；将在支承件上的第二可光刻处理材料的想要区域安装到器件曝光开口以及将从其移 除不想要部分的区域安装到器件曝光开口上；将第二可光刻处理材料的想要部分结合到第一可光刻处理材料上；以及 移除支承件，同时保留结合到第一可光刻处理材料的第二可光刻处理材料。
全文摘要
一种封装形成于半导体晶圆的表面部分中的多个半导体器件的方法。该方法包括在设置在半导体晶圆的表面部分上的第一可光刻处理材料中光刻地形成用于曝光器件的器件曝光开口以及用于曝光器件的电触头焊盘的电触头焊盘开口；以及安装支承件，在支承件的选定部分上形成有刚性介电层，所述刚性介电层包括第二可光刻处理材料，这种刚性材料覆置到器件曝光开口上并且从设置在第一可光刻处理材料中的电触头焊盘开口上的支承件部分移除。该支承件从第二可光刻处理材料释放并移除，留有结合到第一可光刻处理材料的第二可光刻处理材料。
文档编号H01L23/10GK102099282SQ200980128189
公开日2011年6月15日 申请日期2009年6月22日 优先权日2008年7月18日
发明者S·麦克唐纳, W·G·菲尔莫尔, W·J·戴维斯 申请人:雷声公司