具硅穿孔連續型態的晶圓級晶片尺寸封裝構造及制造方法與流程

本發明有關于半導體晶片封裝領域，特別有關于一種具硅穿孔連續型態的晶圓級晶片尺寸封裝構造及其制造方法，可適用于cmos影像傳感器晶片之封裝應用。

背景技術：

晶圓級晶片尺寸封裝構造(waferlevelchipscalepackage,wlcsp)不同于傳統的晶片封裝方式，其先在整片晶圓上進行封裝和測試，然后才切割成一個個包含ic顆粒的封裝構造，并且半導體封裝尺寸不大于晶片尺寸1.44倍的面積，有效地縮減半導體封裝體積。通常晶圓級晶片尺寸封裝構造具備雙面縱向電性連接結構，以將外接端子接合于晶片底部，以縮小基板尺寸或省略基板構件。現有的雙面縱向電性連接結構可為硅穿孔(throughsiliconvia,tsv)，或可為晶側重配置線路(chipsiderdl)，其中硅穿孔為較佳選擇。

在其中一種使用硅穿孔的晶圓級晶片尺寸封裝制程中，是針對復合式堆棧晶片進行封裝作業，在晶圓階段先組裝成一體連接的多個復合式堆棧晶片，每一復合式堆棧晶片包含一體連接的裝置晶片(devicechip)以及載體晶片(carrierchip)，接著使用激光或蝕刻方式進行鉆孔以貫穿裝置晶片以及載體晶片，再以銅、金鎳銅合金、多晶硅、鎢等導電材料填入孔洞，使復合式堆棧晶片達到雙面縱向電性連接，由于不需要利用傳統的打線方式使晶片電性連接至基板，不僅節省了基板的空間也減少了打線接合的制程。然而，此種結構在進行硅穿孔制程中的激光或蝕刻步驟時，不容易控制孔深度，常會發生孔洞的過度蝕刻(over-etching)與蝕刻不足(under-etching)的現象。當過度蝕刻，可能造成孔洞過深而穿透裝置晶片上的焊墊，并使得蝕刻物質或蝕刻電漿擴散至晶片主動面，導致微電子組件的污染，并且容易產生晶片上的焊墊與孔洞內導電材料之間的電性連接失敗的問題。當蝕刻不足，孔洞內導電材料將無法順利連接到晶片上的焊墊。

技術實現要素：

為了解決上述技術問題，本發明的主要目的在于提供一種具硅穿孔連續型態的晶圓級晶片尺寸封裝構造及其制造方法，達到復合式晶片結構的硅穿孔連續型態，且不會有孔過度蝕刻(holeover-etching)造成的制程污染與孔內電性連接失敗的問題。此外，不會損害復合式晶片結構內裝置晶片的金屬互連平行墊組合。

本發明的目的及解決其技術問題是采用以下技術方案來實現的。

本發明提供一種具硅穿孔連續型態的晶圓級晶片尺寸封裝構造，包含：

一裝置晶片，該裝置晶片的主體具有一第一表面與一第二表面，其中一金屬互連平行墊組合嵌埋于該裝置晶片之中，至少一偏移墊設置于該第一表面并連接至該金屬互連平行墊組合，一組件設置區形成于該第一表面；

一載體晶片，該載體晶片的主體具有一第三表面與一第四表面，該裝置晶片的該第二表面貼合于該載體晶片的該第三表面；

至少一間隔導體凸塊，接合于該偏移墊上而突出于該第一表面；

一間隔黏合層，形成于該裝置晶片的該第一表面上，該間隔黏合層包覆該間隔導體凸塊；

一保護蓋片，壓貼于該間隔黏合層上；

至少一硅穿孔結構，包含一貫穿孔以及一孔金屬層，該貫穿孔對著該偏移墊由該第四表面連續貫穿該載體晶片與該裝置晶片，該孔金屬層形成于該貫穿孔內并連接該偏移墊，該貫穿孔非中心對準于該間隔導體凸塊；

一保護層，形成于該第四表面上并覆蓋該貫穿孔；以及

多個外接端子，設置于該載體晶片而突出于該第四表面上。

優選地，在上述具硅穿孔連續型態的晶圓級晶片尺寸封裝構造中，該保護層更封閉該硅穿孔結構的一開口而不填入該貫穿孔，以使該硅穿孔結構內具有與外部阻絕的空氣。

優選地，在上述具硅穿孔連續型態的晶圓級晶片尺寸封裝構造中，該載體晶片的該第三表面與該裝置晶片的該第二表面之間形成有一熔合結合層，并且該貫穿孔連續式貫穿該熔合結合層。

優選地，在該孔金屬層形成之前，在該貫穿孔內形成一介電內襯，以避免該孔金屬層漏電流。

優選地，在上述具硅穿孔連續型態的晶圓級晶片尺寸封裝構造中，該間隔導體凸塊包含一電鍍金屬塊。

優選地，在上述具硅穿孔連續型態的晶圓級晶片尺寸封裝構造中，該間隔導體凸塊包含一打線形成的結線凸塊。

優選地，在上述具硅穿孔連續型態的晶圓級晶片尺寸封裝構造中，該孔金屬層更一體延伸為一形成于該第四表面的重配置線路，至少一個外接端子接合于該重配置線路，該多個外接端子包含多個焊球。

優選地，在上述具硅穿孔連續型態的晶圓級晶片尺寸封裝構造中，一導體栓連接在該偏移墊與該金屬互連平行墊組合之間，該間隔導體凸塊的表面覆蓋面積涵蓋該導體栓的形成位置。

本發明還提供一種具硅穿孔連續型態的晶圓級晶片尺寸封裝構造的制造方法，包含：

提供一裝置晶片與一載體晶片，該裝置晶片的主體具有一第一表面與一第二表面，一金屬互連平行墊組合嵌埋于該裝置晶片之中，該載體晶片的主體具有一第三表面與一第四表面；

結合該裝置晶片與該載體晶片，使得該裝置晶片的該第二表面貼合于該載體晶片的該第三表面；

設置至少一偏移墊于該第一表面，并且該偏移墊連接至該金屬互連平行墊組合；

形成一組件設置區于該第一表面；

接合至少一間隔導體凸塊于該偏移墊上而突出于該第一表面；

形成一間隔黏合層于該裝置晶片的該第一表面上，該間隔黏合層包覆該間隔導體凸塊；

壓貼一保護蓋片于該間隔黏合層上；

制作至少一硅穿孔結構，該硅穿孔結構包含一貫穿孔以及一孔金屬層，該貫穿孔對著該偏移墊由該第四表面連續貫穿該載體晶片與該裝置晶片，該孔金屬層形成于該貫穿孔內并連接該偏移墊，該貫穿孔非中心對準于該間隔導體凸塊；

形成一保護層于該第四表面上并覆蓋該貫穿孔；以及

設置多個外接端子于該載體晶片而突出于該第四表面上。

優選地，上述的具硅穿孔連續型態的晶圓級晶片尺寸封裝構造的制造方法，另包含一第一晶圓薄化步驟與一第二晶圓薄化步驟，其中該第一晶圓薄化步驟實施在上述結合該裝置晶片與該載體晶片的步驟之后與在上述設置該偏移墊于該第一表面的步驟之前，以降低該裝置晶片的厚度，該第二晶圓薄化步驟實施在上述壓貼該保護蓋片于該間隔黏合層上的步驟之后與在上述制作該硅穿孔結構的步驟之前，以降低該載體晶片的厚度。

借由上述的技術手段，本發明可以達成以下功效：

一、本發明的晶圓級晶片尺寸封裝構造可以取代傳統打線封裝構造，并降低晶片尺寸并減少制程，進一步達成節省成本的目的。

二、本發明的晶圓級晶片尺寸封裝構造可避免在硅穿孔制程時，發生孔過度蝕刻所造成的制程污染與孔內電性連接失敗的問題。

三、本發明的晶圓級晶片尺寸封裝構造中，間隔導體凸塊可提供剛性支撐力予微偏心的硅穿孔結構，在后續半導體封裝制程中能避免晶片內金屬互連平行墊組合及其連接的偏移墊產生破裂與損壞。

附圖說明

圖1：依據本發明的第一具體實施例，一種具硅穿孔連續型態的晶圓級晶片尺寸封裝構造的截面示意圖。

圖2a至圖2j：依據本發明的第一具體實施例，該晶圓級晶片尺寸封裝構造的制造方法中各主要步驟的組件截面示意圖。

圖3：依據本發明的第二具體實施例，另一種具硅穿孔連續型態的晶圓級晶片尺寸封裝構造的截面示意圖。

圖4a與圖4b：依據本發明第二具體實施例，該晶圓級晶片尺寸封裝構造的制造方法中在貫穿孔形成之前與之后的組件截面示意圖。

附圖標記：

m1、m2、m3金屬墊；

100晶圓級晶片尺寸封裝構造；

110裝置晶片；111第一表面；

112第二表面；113金屬互連平行墊組合；

114偏移墊；115組件設置區；

116絕緣層；117表面介電層；

118導體栓；

120載體晶片；121第三表面；

122第四表面；

130間隔導體凸塊；

140間隔黏合層；141窗口孔；

150保護蓋片；

160硅穿孔結構；161貫穿孔；

162孔金屬層；163開口；

164介電內襯；165重配置線路；

170保護層；180外接端子；

190熔合結合層；191第一熔合材料；

192第二熔合材料；

200晶圓級晶片尺寸封裝構造；

230間隔導體凸塊。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步說明，以使本領域的技術人員可以更好的理解本發明并能予以實施，但所舉實施例不作為對本發明的限定。

依據本發明的第一具體實施例，一種具硅穿孔連續型態晶圓級晶片尺寸封裝構造100舉例說明于圖1的截面示意圖。該晶圓級晶片尺寸封裝構造100包含一裝置晶片110、一載體晶片120、至少一間隔導體凸塊130、一間隔黏合層140、一保護蓋片150、至少一硅穿孔結構160、一保護層170以及多個外接端子180。

請參閱圖1，該裝置晶片110的主體具有一第一表面111與一第二表面112；通常該裝置晶片110的主體為一半導體材料層，例如單晶硅，該裝置晶片110的該第一表面111上可形成有一絕緣層116。其中一金屬互連平行墊組合113嵌埋于該裝置晶片110之中，至少一偏移墊114設置于該第一表面111并連接至該金屬互連平行墊組合113；具體地，該金屬互連平行墊組合113由多個金屬墊m1、m2、m3所構成，該些金屬墊m1、m2、m3相互平行且電性互連，可利用墊與墊之間的短栓柱達到電性互連；更具體地，該些金屬墊m1、m2、m3的墊中心點可對準在一垂直中心線；該偏移墊114的材質可為鋁(al)、或鋁銅合金(alcu)。此外，一組件設置區115形成于該第一表面111；具體地，該組件設置區115為一影像感應組件區，可包含cmos影像傳感器的微鏡結構；在不同實施例中，該組件設置區115可為一集成電路區或是一例如麥克風晶片傳感器…等的微機電組件安裝區。一表面介電層117可形成于該絕緣層116上，其中該絕緣層116作為該偏移墊114的底部周邊絕緣層，該表面介電層117作為該偏移墊114的表面周邊絕緣層。

該載體晶片120的主體具有一第三表面121與一第四表面122，該裝置晶片110的該第二表面112貼合于該載體晶片120的該第三表面121。該載體晶片120的該第三表面121與該裝置晶片110的該第二表面112之間可形成有一熔合結合層190，使得該裝置晶片110與該載體晶片120之間為熔合結合(fusionbonding)。該裝置晶片110與該載體晶片120的組合因其兩者無熱膨脹系數差異，將可避免在后續熱處理制程之后產生應力剝離，或提高了耐用度等級。

該間隔導體凸塊130接合于該偏移墊114上而突出于該第一表面111。在本實施例中，該間隔導體凸塊130可包含一電鍍金屬塊，其材質可包含金、銀、銅及其合金，具體材質可為銅(cu)或銅/鎳/金(cu/ni/au)的組合。此外，在一較佳型態中，一導體栓118可連接在該偏移墊114與該金屬互連平行墊組合113之間，該間隔導體凸塊130的表面覆蓋面積可涵蓋該導體栓118的形成位置，以使該導體栓118得到較佳的支撐與保護。

該間隔黏合層140形成于該裝置晶片110的該第一表面111上，該間隔黏合層140包覆該間隔導體凸塊130，以使該間隔導體凸塊130不會曝露于大氣環境而導致電氣短路或干擾，借此控制該間隔導體凸塊130只發揮對該硅穿孔結構160的電性連接與結構支撐的效果。具體地，該間隔黏合層140具有一窗口孔141，以使該間隔黏合層140不覆蓋該組件設置區115。該保護蓋片150壓貼于該間隔黏合層140上。

該硅穿孔結構160包含一貫穿孔161以及一孔金屬層162，該貫穿孔161微偏心地對準該偏移墊114由該第四表面122連續貫穿該載體晶片120與該裝置晶片110，該孔金屬層162形成于該貫穿孔161內并連接該偏移墊114，該貫穿孔161非中心對準于該間隔導體凸塊130。此外，該貫穿孔161可連續式貫穿該熔合結合層190，該貫穿孔161的深度可介于10~75微米(μm)。更具體地，該貫穿孔161可連續式貫穿該絕緣層116，以顯露該偏移墊114。一介電內襯164可形成于該貫穿孔161的孔壁并隔離了該孔金屬層162，以避免該孔金屬層162漏電流至該載體晶片120的主體。

該保護層170形成于該第四表面122上并覆蓋該貫穿孔161。較佳地，該保護層170可更封閉該硅穿孔結構160的一開口163而不填入該貫穿孔161，以使該硅穿孔結構160內具有與外部阻絕的空氣。

該些外接端子180設置于該載體晶片120而突出于該第四表面122上。較佳地，該孔金屬層162可更一體延伸為一形成于該第四表面122的重配置線路165，該些外接端子180可接合于該重配置線路165，該些外接端子180可包含多個焊球。

關于上述具硅穿孔連續型態的晶圓級晶片尺寸封裝構造100的制造方法說明如后，圖2a至圖2j繪示在該晶圓級晶片尺寸封裝構造100的制造方法中各主要步驟的組件截面示意圖。

首先，請參閱圖2a，提供在晶圓階段的一裝置晶片110與一載體晶片120，該裝置晶片110的主體具有一第一表面111與一第二表面112，一金屬互連平行墊組合113嵌埋于該裝置晶片110之中，該載體晶片120的主體具有一第三表面121與一第四表面122。該金屬互連平行墊組合113由多個金屬墊m1、m2、m3所構成，其為相互平行并且以導體栓電性互連。其中一金屬墊m3可貼平于該第二表面112。

之后，請參閱圖2a及圖2b，結合該裝置晶片110與該載體晶片120，使得該第二表面112上的一第一熔合材料191熔合結合于該第三表面121上的一第二熔合材料192。該熔合結合步驟可包含一加熱制程，使得該第一熔合材料191與該第二熔合材料192熔融后冷卻結合在一起，進而形成一熔合結合層190。該熔合結合層190可為一鍵合氧化層。

之后，請參閱圖2c，一第一晶圓薄化步驟實施在上述結合該裝置晶片110與該載體晶片120的步驟之后與在設置一偏移墊114(如圖2d所示)于該第一表面111的步驟之前，以降低該裝置晶片110的厚度。

之后，請參閱圖2d，形成一絕緣層116于該第一表面111，一導體栓118穿透該絕緣層116并連接至該金屬互連平行墊組合113。接著，在該絕緣層116上形成至少一偏移墊114。之后，分別形成一組件設置區115以及一表面介電層117于該絕緣層116，其中，該偏移墊114連接于該導體栓118，以該導體栓118連接至該金屬互連平行墊組合113的金屬墊m1。

之后，請參閱圖2e，接合至少一間隔導體凸塊130于該偏移墊114上而突出于該第一表面111，該間隔導體凸塊130的表面覆蓋面積可涵蓋該導體栓118的形成位置。該間隔導體凸塊130可更突出于該表面介電層117。該間隔導體凸塊130的形成方法具體可為銅電鍍。

之后，請參閱圖2f，形成一間隔黏合層140于該裝置晶片110的該第一表面111上，該間隔黏合層140包覆該間隔導體凸塊130并部分覆蓋該表面介電層117，以使該間隔導體凸塊130不會曝露于大氣環境而導致電氣短路或干擾。在一較佳型態中，該間隔黏合層140具有一窗口孔141，以使該間隔黏合層140不覆蓋該組件設置區115。該間隔黏合層140具體可為一晶粒貼附材料(dieattachmaterial,dam)。

之后，請參閱圖2g，壓貼一保護蓋片150于該間隔黏合層140上，以保護該組件設置區115不受外力損傷。該保護蓋片150可為一光學玻璃，用以接收來自外部的影像。

之后，請參閱圖2h，一第二晶圓薄化步驟實施在上述壓貼該保護蓋片150于該間隔黏合層140上的步驟之后與在制作該硅穿孔結構160的步驟之前，以降低該載體晶片120的厚度。

之后，請參閱圖2i，制作至少一硅穿孔結構的貫穿孔161，其中該硅穿孔結構的貫穿孔161形成方式可為激光或蝕刻方式。由于該間隔導體凸塊130接合于該偏移墊114，當發生過度蝕刻時，可避免蝕刻穿透該偏移墊114所造成的制程污染與孔內電性連接失敗的問題。

之后，請參閱圖2j，在該貫穿孔161內沉積一孔金屬層162，該孔金屬層162的沉積方式可包含電鍍、真空濺鍍、化學氣相沉積、物理氣相沉積等方式。在該孔金屬層162形成之前可在該貫穿孔161內先形成一介電內襯164，以避免該孔金屬層162漏電流。該貫穿孔161對著該偏移墊114由該第四表面122連續貫穿該載體晶片120與該裝置晶片110，該孔金屬層162形成于該貫穿孔161內并連接該偏移墊114，該孔金屬層162的材質可包含金、鎳、銅及其任一組合的合金。在一較佳形態中，該貫穿孔161非中心對準于該間隔導體凸塊130。該孔金屬層162可更一體延伸為一形成于該第四表面122的重配置線路165。

再請參閱圖2j，形成一保護層170于該第四表面122上并覆蓋該貫穿孔161，以使該孔金屬層162以及該重配置線路165不會曝露于大氣環境而導致電氣短路或干擾。該保護層170封閉該硅穿孔結構160的一開口163而不填入該貫穿孔161。

再請參閱圖2j，設置多個外接端子180于該載體晶片120而突出于該第四表面122上，該些外接端子180設置于該重配置線路165。

依據本發明的第二具體實施例，另一種具硅穿孔連續型態的晶圓級晶片尺寸封裝構造200說明于圖3的截面示意圖，其中對應于第一具體實施例相同名稱與功能的組件以第一具體實施例的相同組件圖號表示之，相同細部特征不再贅述。該晶圓級晶片尺寸封裝構造200包含一裝置晶片110、一載體晶片120、至少一間隔導體凸塊230、一間隔黏合層140、一保護蓋片150、至少一硅穿孔結構160、一保護層170以及多個外接端子180。

請參閱圖3，該裝置晶片110主體具有一第一表面111與一第二表面112，其中一金屬互連平行墊組合113嵌埋于該裝置晶片110之中。至少一偏移墊114設置于該第一表面111并連接至該金屬互連平行墊組合113，該偏移墊114的材料可包含銅、鋁及其合金。一組件設置區115形成于該第一表面111。

該載體晶片120的主體具有一第三表面121與一第四表面122，該裝置晶片110的該第二表面112貼合于該載體晶片120的該第三表面121。

在本實施例中，該間隔導體凸塊230接合于該偏移墊114上而突出于該第一表面111。具體地，該間隔導體凸塊230可包含一打線形成的結線凸塊(studbump)，其提供剛性支撐力，可避免在后續半導體封裝制程中晶圓級晶片尺寸封裝構造200進行熱處理制程時，因熱應力的不匹配所導致的破裂與損壞。該間隔導體凸塊230的材質可包含金、銀、銅及其合金，其具體材質可為金(au)、銀(ag)或銅(cu)。

在本實施例中，該間隔黏合層140形成于該裝置晶片110的該第一表面111上，該間隔黏合層140包覆該間隔導體凸塊230。該保護蓋片150壓貼于該間隔黏合層140上。

在本實施例中，該貫穿孔161微偏心地對準該偏移墊114由該第四表面122連續貫穿該載體晶片120與該裝置晶片110，該孔金屬層162形成于該貫穿孔161內并連接該偏移墊114，該貫穿孔161非中心對準于該間隔導體凸塊230。此外，該貫穿孔161可連續式貫穿該熔合結合層190。該貫穿孔161可連續式貫穿該絕緣層116，以顯露該偏移墊114。一介電內襯164可形成于該貫穿孔161的孔壁并隔離了該孔金屬層162，以避免該孔金屬層162漏電流至該裝置晶片110的主體與該載體晶片120的主體。

在本實施例中，該保護層170形成于該第四表面122上并覆蓋該貫穿孔161。該保護層170可更封閉該硅穿孔結構160的一開口163而不填入該貫穿孔161，以使該硅穿孔結構160內具有與外部阻絕的空氣。

在本實施例中，該些外接端子180設置于該載體晶片120而突出于該第四表面122上。較佳地，該孔金屬層162可更一體延伸為一形成于該第四表面122的重配置線路165，該些外接端子180可接合于該重配置線路165，該些外接端子180可包含多個焊球。

關于第二具體實施例的晶圓級晶片尺寸封裝構造200的制造方法大致相同于第一具體實施例的晶圓級晶片尺寸封裝構造100的制造方法。圖4a與圖4b為該晶圓級晶片尺寸封裝構造200的制造方法中在貫穿孔形成之前與之后的組件截面示意圖。該晶圓級晶片尺寸封裝構造200的制造方法中在貫穿孔形成之前的步驟可相同于第一具體實施例對應圖2a至圖2g的步驟操作。

請參閱圖4a，在硅穿孔結構的貫穿孔形成之前，對該載體晶片120實施一第二晶圓薄化步驟，以降低該載體晶片120的厚度。

請參閱圖4b，制作至少一硅穿孔結構的一貫穿孔161，該貫穿孔161微偏心地對準該偏移墊114由該第四表面122連續貫穿該載體晶片120與該裝置晶片110。在一較佳形態中，該貫穿孔161非中心對準于該間隔導體凸塊230。由于該間隔導體凸塊230接合于該偏移墊114，當發生過度蝕刻時，可避免蝕刻穿透該偏移墊114所造成的制程污染與孔內電性連接失敗的問題。

因此，本發明提供了一種具硅穿孔連續型態之晶圓級晶片尺寸封裝構造及其制造方法，不僅可以取代傳統打線封裝構造，降低晶片尺寸并減少制程，達到復合式晶片結構的硅穿孔連續型態，且不會有孔過度蝕刻(holeover-etching)造成的制程污染與孔內電性連接失敗的問題，進一步達成高成品率并節省成本。

以上所述實施例僅是為充分說明本發明而所舉的較佳的實施例，本發明的保護范圍不限于此。本技術領域的技術人員在本發明基礎上所作的等同替代或變換，均在本發明的保護范圍之內。本發明的保護范圍以權利要求書為準。