一种晶圆级封装结构及其封装方法与流程

本发明涉及半导体技术领域，具体而言涉及一种晶圆级封装结构及其封装方法。

背景技术：

对于cis(cmosimagesensor，互补金属氧化物半导体图像传感器)芯片，传统的封装采取分立式封装方式，这种封装方式需要对每颗芯片进行单独的封装。随着安装于各种电子产品中的相机数量不断增多，每年对于图像传感器的需求达到数十亿颗之多，分立式封装产能低、良率低、成本高的缺点已经无法适应这种增长。在这种背景下，一种适用于大规模量产的封装方式被开发出来，即晶圆级封装。

在cis芯片的晶圆级封装过程中，首先将玻璃和晶圆键合在一起，然后将晶圆减薄至100微米，最后再进行tsv和rdl等其他制程。随着cis芯片的像素提高，其感光区所在的空腔尺寸也会越大，在晶圆减薄过程中研磨的机械力很容易造成晶圆破裂，而且空腔内与外界的压力差会使100微米厚度的晶圆产生变形影响成像。

因此，有必要提出一种晶圆级封装方法，能有效避免cis芯片的晶圆级封装过程中晶圆的破裂和变形。

技术实现要素：

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

针对现有技术的不足，本发明提供一种晶圆级封装方法，包括：

提供第一晶圆，在所述第一晶圆的表面上形成气体释放材料层；

提供第二晶圆，在所述第二晶圆的正面上形成有芯片；

将所述第一晶圆的所述表面与所述第二晶圆的正面键合，并在所述第一晶圆和第二晶圆之间形成空腔，所述气体释放材料层和所述芯片均位于所述空腔内；

使所述气体释放材料层释放气体，以调节所述空腔内与外界的压力差；

减薄所述第二晶圆的背面。

进一步，所述气体释放材料层的材料包括丙烯酸聚合物、2-苄基-2-(二甲氨基)-1-(4-吗啉代苯基)-1-丁酮、偶氮二甲酰胺或n,n-二亚硝基戊次甲基四胺。

进一步，通过激光照射、加热和/或微波辐射使所述气体释放材料层释放气体。

进一步，所述激光照射包括采用波长小于380nm的紫外光进行照射。

进一步，所述气体释放材料层的形成方式包括旋涂或喷涂。

进一步，在所述芯片的外侧采用键合胶将所述第一晶圆的所述表面与所述第二晶圆的正面部分键合，所述第一晶圆、第二晶圆和所述键合胶围成所述空腔。

进一步，所述第一晶圆包括玻璃晶圆。

进一步，所述第二晶圆包括半导体晶圆。

进一步，所述芯片包括cis芯片。

进一步，所述气体释放材料层释放完所述气体之后，所述空腔的压力大于所述外界的大气压。

另外，本发明还提供了一种晶圆级封装结构，其包括：

第一晶圆，所述第一晶圆的表面上形成有气体释放材料层；

第二晶圆，所述第二晶圆的正面上形成有芯片；

所述第一晶圆的所述表面与所述第二晶圆的正面键合，在所述第一晶圆和第二晶圆之间形成有空腔，所述气体释放材料层和所述芯片均位于所述空腔内；

所述空腔中还包括所述气体释放材料层释放的气体。

进一步，在所述芯片的外侧采用键合胶将所述第一晶圆的所述表面与所述第二晶圆的正面部分键合，所述第一晶圆、第二晶圆和所述键合胶围成所述空腔。

进一步，所述第一晶圆包括玻璃晶圆。

进一步，所述第二晶圆包括半导体晶圆。

进一步，所述芯片包括cis芯片。

进一步，其特征在于，所述气体释放材料层释放完所述气体之后，所述空腔的压力大于外界的大气压。

进一步，所述气体释放材料层的材料包括丙烯酸聚合物、2-苄基-2-(二甲氨基)-1-(4-吗啉代苯基)-1-丁酮、偶氮二甲酰胺或n,n-二亚硝基戊次甲基四胺。

根据本发明提供的晶圆级封装方法，在芯片的晶圆级封装过程中，当第一晶圆和第二晶圆完成键合后，每颗芯片的周围会形成一个密封的空腔，通过形成气体释放材料层，并使之向空腔中释放气体，调节空腔内与外界的压力差，以抵消第二晶圆减薄过程中的机械力，从而避免晶圆破裂，同时有效消除由于空腔内外的压力差导致的芯片变形对成像的影响。

附图说明

通过结合附图对本发明实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显。附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中，相同的参考标号通常代表相同部件或步骤。

附图中：

图1是根据本发明示例性实施例一的一种晶圆级封装方法的示意性流程图。

图2a-2d是根据本发明示例性实施例一的方法依次实施的步骤所分别获得的器件的示意性剖面图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

应当理解的是，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大。自始至终相同附图标记表示相同的元件。

应当明白，当元件或层被称为“在...上”、“与...相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在...上”、“与...直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本发明教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。

空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。

在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本发明的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本发明提出的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

在cis芯片的晶圆级封装过程中，首先将玻璃和晶圆键合在一起，然后将晶圆减薄至100微米，最后再进行tsv和rdl等其他制程。随着cis芯片的像素提高，其感光区所对应的空腔尺寸也会越大，在晶圆减薄过程中研磨的机械力很容易造成晶圆破裂，而且空腔内与外界的压力差会使100微米厚度的晶圆产生变形影响成像。

因此，有必要提出一种晶圆级封装方法，能有效避免cis芯片的晶圆级封装过程中晶圆的破裂和变形。

针对现有技术的不足，本发明提供一种晶圆级封装方法，包括：

提供第一晶圆，在所述第一晶圆的表面上形成气体释放材料层；

提供第二晶圆，在所述第二晶圆的正面上形成有芯片；

将所述第一晶圆的所述表面与所述第二晶圆的正面键合，并在所述第一晶圆和第二晶圆之间形成空腔，所述气体释放材料层和所述芯片均位于所述空腔内；

使所述气体释放材料层释放气体，以调节所述空腔内与外界的压力差；

减薄所述第二晶圆的背面。

其中，所述气体释放材料层的材料包括丙烯酸聚合物、2-苄基-2-(二甲氨基)-1-(4-吗啉代苯基)-1-丁酮、偶氮二甲酰胺或n,n-二亚硝基戊次甲基四胺；通过激光照射、加热和/或微波辐射使所述气体释放材料层释放气体；所述激光照射包括采用波长小于380nm的紫外光进行照射；所述气体释放材料层的形成方式包括旋涂或喷涂；在所述芯片的外侧采用键合胶将所述第一晶圆的所述表面与所述第二晶圆的正面部分键合，所述第一晶圆、第二晶圆和所述键合胶围成所述空腔；所述第一晶圆包括玻璃晶圆；所述第二晶圆包括半导体晶圆；所述芯片包括cis芯片；所述气体释放材料层释放完所述气体之后，所述空腔的压力大于所述外界的大气压。

根据本发明提供的晶圆级封装方法，在芯片的晶圆级封装过程中，当第一晶圆和第二晶圆完成键合后，每颗芯片的周围会形成一个密封的空腔，通过形成气体释放材料层，并使之向空腔中释放气体，调节空腔内与外界的压力差，以抵消第二晶圆减薄过程中的机械力，从而避免晶圆破裂，同时有效消除由于空腔内外的压力差导致的芯片变形对成像的影响。

[实施例一]

下面参考图1和图2a-2d，其中图1是根据本发明示例性实施例一的一种晶圆级封装方法的示意性流程图；图2a-2d是根据本发明示例性实施例一的方法依次实施的步骤所分别获得的器件的示意性剖面图。

本发明提供一种晶圆级封装方法，如图1所示，该制备方法的主要步骤包括：

步骤s101：提供第一晶圆，在所述第一晶圆的表面上形成气体释放材料层；

步骤s102：提供第二晶圆，在所述第二晶圆的正面上形成有芯片；

步骤s103：将所述第一晶圆的所述表面与所述第二晶圆的正面键合，并在所述第一晶圆和第二晶圆之间形成空腔，所述气体释放材料层和所述芯片均位于所述空腔内；

步骤s104：使所述气体释放材料层释放气体，以调节所述空腔内与外界的压力差；

步骤s105：减薄所述第二晶圆的背面。

下面，对本发明的晶圆级封装方法的具体实施方式做详细的说明。

首先，执行步骤s101，如图2a所示，提供第一晶圆100，在所述第一晶圆的表面102上形成气体释放材料层103。

示例性地，所述第一晶圆100为玻璃晶圆，所述第一晶圆100包括表面102和第二表面101，其中表面102为键合面。

示例性地，所述气体释放材料层103包括通过光照、加热、微波辐射等手段可以释放气体的分解材料。在本实施例中，选用的气体释放材料层103的主要成分包括丙烯酸聚合物、2-苄基-2-(二甲氨基)-1-(4-吗啉代苯基)-1-丁酮和偶氮二甲酰胺等，其可以在波长小于380nm的紫外线(uv)照射下释放氮气，优选365nm。在另一实施例中，选用的气体释放材料层103的主要成分包括n,n-二亚硝基戊次甲基四胺，其受热分解可以释放气体。需要说明的是，所述气体释放材料层103选用的分解材料不局限一种单一物质，还可以包括两种或多种分解化合物的混合物。此外，所述气体释放材料层103可以仅包括分解材料，也可以包括其它组分，如催化剂、填充料等，当气体释放材料层中的分解材料被完全消耗时，气体释放材料层103可以完全被消耗，也可以有部分残余。

示例性地，所述气体释放材料层103的形成方式可以采用旋涂(spincoating)，然后通过特殊掩模板和激光先将玻璃晶圆表面需要键合的部分分解，仅保留空腔部分；也可以是在特殊的掩模板遮挡下进行喷涂(spraycoating)。

接下来，执行步骤s102，如图2b所示，提供第二晶圆200，在所述第二晶圆的正面上形成有芯片203。

示例性地，所述第二晶圆200为半导体晶圆，其可以为以下所提到的材料中的至少一种：硅、绝缘体上硅(soi)、绝缘体上层叠硅(ssoi)、绝缘体上层叠锗化硅(s-sigeoi)以及绝缘体上锗化硅(sigeoi)等。所述第二晶圆包括正面201和背面202，其中正面201为键合面。

示例性地，在所述第二晶圆200上形成的芯片203包括cis芯片，数据处理芯片、cmos器件，射频器件、电容、电阻、mems器件等。

接下来，执行步骤s103，如图2b所示，将所述第一晶圆100的所述表面102与所述第二晶圆200的正面201部分键合，并在所述第一晶圆100和第二晶圆200之间形成空腔105，所述气体释放材料层103和所述芯片203均位于所述空腔105内。

示例性地，在所述芯片203的外侧采用键合胶104将所述第一晶圆100的所述表面102与所述第二晶圆200的正面201部分键合，所述第一晶圆100、第二晶圆200和所述键合胶104围成所述空腔105。具体地，在第一晶圆100的表面102，和/或在第二晶圆200的正面201外侧的非感光区域涂布键合胶104，并对其烘烤。所述键合胶104的涂布可以采用旋涂或喷涂。所述键合胶104的厚度一般为5微米-100微米。然后将所述第一晶圆100的所述表面102和第二晶圆200的正面201进行键合，所述键合过程在一真空度为0.001mpa-0.1mpa、温度为150℃-350℃的密闭腔体中完成，并在第一晶圆100的第二表面101和/或第二晶圆200的背面202上施加100n-5000n的压力，键合时间为1min-20min。

接下来，执行步骤s104，参照图2c，使所述气体释放材料层103释放气体，以调节所述空腔105内与外界的压力差。

具体地，在本实施例中，所述气体释放材料层103的主要成分包括丙烯酸聚合物、2-苄基-2-(二甲氨基)-1-(4-吗啉代苯基)-1-丁酮和偶氮二甲酰胺等，因此，可以通过激光照射使所述气体释放材料层103释放氮气，具体地，可以采用波长小于380nm的紫外光进行照射，优选365nm。此外，通过控制激光的能量可以控制产生的气体的量，进而控制空腔105内的压力，从而有效消除由于空腔内外的压力差导致的芯片变形对成像的影响。所述压力差为空腔压力减去大气压的差值，其可以是负值也可以是正值，需要根据每颗芯片的空腔面积确定，当空腔面积越大时，空腔内所需的压力越大，具体空腔的压力范围可以为0.5atm～1.5atm。，当所述气体释放材料层103释放完所述气体之后，所述空腔105的压力大于外界的大气压。

在其它实施例中，根据气体释放材料层103成分的不同，可以选用不同的方法使气体释放材料层释放气体，包括但不限于从红外线到紫外线中某一段波长或某几段波长的激光照射、加热、微波辐射等。

接下来，执行步骤s105，减薄所述第二晶圆200的背面202。

示例性地，从所述第二晶圆200的背面202进行减薄，以去除一定厚度的背面材料，达到减薄晶圆的目的。具体地，所述背面减薄的方法可以选用本领域常用的方法，例如化学机械研磨(cmp)，直至所述第二晶圆200的厚度达到目标厚度，如100微米，为止。

在本实施例中，通过控制空腔105内与外界的压力差可以抵消晶圆背面减薄过程的机械力，从而有效减小晶圆减薄过程中机械力对晶圆的影响，降低晶圆破裂的风险，同时还可以实现大尺寸的芯片的晶圆级封装，以及进一步降低封装芯片的厚度。

在减薄所述第二晶圆200之后还包括形成tsv孔等后续工序的步骤，具体过程不再赘述。

[实施例二]

下面结合附图2d，对本发明实施例提供的晶圆级封装结构进行描述。该晶圆级封装结构包括第一晶圆100、第二晶圆200以及键合第一晶圆和第二晶圆形成的空腔105。其中：

提供第一晶圆100，所述第一晶圆100的表面102上形成有气体释放材料层103。

示例性地，所述第一晶圆100为玻璃晶圆，所述第一晶圆100包括表面102和第二表面101，其中表面102为键合面。

示例性地，所述气体释放材料层103包括通过光照、加热、微波辐射等手段可以释放气体的分解材料。在本实施例中，选用的气体释放材料层103的主要成分包括丙烯酸聚合物、2-苄基-2-(二甲氨基)-1-(4-吗啉代苯基)-1-丁酮和偶氮二甲酰胺等，其可以在波长小于380nm的紫外线(uv)照射下释放氮气，优选365nm。在另一实施例中，选用的气体释放材料层103的主要成分包括n,n-二亚硝基戊次甲基四胺，其受热分解可以释放气体。需要说明的是，所述气体释放材料层103选用的分解材料不局限一种单一物质，还可以包括两种或多种分解化合物的混合物。此外，所述气体释放材料层103可以仅包括分解材料，也可以包括其它组分，如催化剂、填充料等，当气体释放材料层中的分解材料被完全消耗时，气体释放材料层103可以完全被消耗，也可以有部分残余。

提供第二晶圆200，所述第二晶圆200的正面201上形成有芯片203。

示例性地，所述第二晶圆200为半导体晶圆，其可以为以下所提到的材料中的至少一种：硅、绝缘体上硅(soi)、绝缘体上层叠硅(ssoi)、绝缘体上层叠锗化硅(s-sigeoi)以及绝缘体上锗化硅(sigeoi)等。所述第二晶圆包括正面201和背面202，其中正面201为键合面。

示例性地，在所述第二晶圆200上形成的芯片203包括cis芯片，数据处理芯片、cmos器件，射频器件、电容、电阻、mems器件等。

所述第一晶圆100的所述表面102与所述第二晶圆200的正面201键合，在所述第一晶圆100和第二晶圆200之间形成有空腔105，所述气体释放材料层103和所述芯片203均位于所述空腔105内。

示例性地，在所述芯片203的外侧采用键合胶104将所述第一晶圆100的所述表面102与所述第二晶圆200的正面201部分键合，所述第一晶圆100、第二晶圆200和所述键合胶104围成所述空腔105。所述键合胶104的厚度一般为5微米-100微米。

所述空腔105中还包括所述气体释放材料层103释放的气体。

示例性地，通过控制空腔105中气体的量，可以控制空腔105内的压力，调节空腔105内与外界的压力差，从而有效消除由于空腔内外的压力差导致的芯片变形对成像的影响。当所述气体释放材料层103释放完所述气体之后，所述空腔105的压力大于外界的大气压。

根据本发明提供的晶圆级封装方法，在芯片的晶圆级封装过程中，当第一晶圆和第二晶圆完成键合后，每颗芯片的周围会形成一个密封的空腔，通过形成气体释放材料层，并使之向空腔中释放气体，调节空腔内与外界的压力差，以抵消第二晶圆减薄过程中的机械力，从而避免晶圆破裂，同时有效消除由于空腔内外的压力差导致的芯片变形对成像的影响。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。