專利名稱：豎直堆疊的半導(dǎo)體器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
0001本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體電路器件；更具體地是涉及一種豎直堆疊的半導(dǎo)體芯片器件及其制造方法。
背景技術(shù)：
0002在為了支持系統(tǒng)級(jí)需求而針對(duì)較高電路集成度進(jìn)行的研究中，已經(jīng)探索出許多途徑。具體而言，芯片特征尺寸已被大大減??；晶片加工技術(shù)已被改變，從而允許不同類型的電路處于同一芯片上；并且封裝尺寸和占用面積(foot print)已被減至最小。每種方法都受限于器件制造商和終端用戶的技術(shù)水平和成本約束。
0003一種用來(lái)集成功能和減小器件尺寸(其有利于更小型和較高性能的系統(tǒng))的方法是將多個(gè)芯片組裝在單個(gè)封裝件內(nèi)。相同或不同器件技術(shù)的多個(gè)芯片被包含在提供了到下一級(jí)互連的接觸件的互連襯底上和/或單個(gè)封裝件中。
0004同一封裝件中多個(gè)芯片的集成在水平和豎直平面中都已開(kāi)發(fā)出。歷史上，存儲(chǔ)器電路的豎直集成已經(jīng)以單個(gè)器件的形式提供了在相同占用面積之內(nèi)具有增加的存儲(chǔ)容量的堆疊器件10，如圖1所示。具有相對(duì)較少管腳數(shù)的許多類似芯片11被連接到獨(dú)立的插入器13。這些組件被堆疊在彼此的頂上，并且彼此互連，并且互連到外部接觸件12。
0005近來(lái)，如圖2所示，不同類型的多個(gè)硅芯片21已經(jīng)被組裝成豎直堆，該豎直堆在每個(gè)活動(dòng)或有效器件21之間具有支座或絕緣體(standoffs)24，以使互連間隔開(kāi)和允許在襯底23上制造互連。芯片21通過(guò)襯底23上的導(dǎo)電跡線互連。通常，每個(gè)芯片21通過(guò)絕緣材料24與豎直相繼的芯片隔開(kāi)。堆疊的芯片組件對(duì)于將集成電路耦合到存儲(chǔ)器器件(例如，隨機(jī)存取存儲(chǔ)器、E2PROM、閃存或緩沖存儲(chǔ)器)特別重要，其處，芯片間快速的相互作用非常關(guān)鍵。存儲(chǔ)器電路的晶片制造并不易于與其它IC晶片制造技術(shù)兼容，而且集成起來(lái)也很困難且成本較高。因此，提供與功能芯片進(jìn)行快速相互作用的堆疊芯片組件是節(jié)約成本的。
0006已用作支座隔開(kāi)豎直堆疊芯片的材料包括聚合物膜、疊層材料、粘結(jié)劑、裸硅片，和/或這些材料的組合。
0007聚合物膜可被應(yīng)用于晶片，并對(duì)聚合物膜進(jìn)行光圖案化以暴露出接合墊(或稱焊盤(pán))，從而提供這樣的優(yōu)點(diǎn)將其作為具有多個(gè)芯片的晶片來(lái)處理，而不是作為器件最后組裝期間的獨(dú)立芯片來(lái)處理。然而，每個(gè)額外的加工步驟都會(huì)顯著增加晶片成本，并且會(huì)增加產(chǎn)生缺陷的概率，這造成了代價(jià)高昂的成品率損失。組裝期間，用作支座的其它類型的材料經(jīng)常需要插入到獨(dú)立的封裝件中。
0008引線接合(或稱絲焊)是一種將每個(gè)半導(dǎo)體芯片連接到襯底或封裝件的廣泛使用的方法。接合墊是位于IC表面上的導(dǎo)電金屬區(qū)域，其處，通常為金質(zhì)的焊線被連接。將銅代替鋁用于集成電路中的某些互連311已日益普遍。然而，由于銅在焊接方面的問(wèn)題，具有銅互連技術(shù)的芯片接合墊31常使用鋁層33蓋在暴露的銅接合墊31的頂上，如圖3中芯片30的一部分的橫截面視圖所圖解說(shuō)明的。鋁帽33覆蓋銅接合墊31，并且疊置在鈍化層32上，從而允許使用那些與用于具有鋁互連技術(shù)芯片相同的引線接合工具和工藝。
0009眾所周知，隨著脆性硅芯片的尺寸增加，以及芯片被粘合到不同材料的襯底上時(shí)，會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力，其可導(dǎo)致成品率和可靠性故障。這些應(yīng)力不僅會(huì)造成機(jī)械變形以及芯片、互連或互連界面破裂，而且在高速器件中，芯片的響應(yīng)時(shí)間也可能發(fā)生改變，從而影響器件性能。避免包含由膨脹系數(shù)不相似的材料制成的厚的連續(xù)層，有助于減輕硅芯片上由熱產(chǎn)生的應(yīng)力。
0010豎直堆疊芯片的另一個(gè)主要考慮是，在增加的加工步驟期間或者在組裝工藝本身期間產(chǎn)生的缺陷所導(dǎo)致的成品率損失，其中所述增加的加工步驟對(duì)于將芯片準(zhǔn)備好以便組裝是必須的。由于制造費(fèi)用和成品率損失，額外加工步驟的成本高昂。
0011在小占用面積內(nèi)對(duì)半導(dǎo)體芯片進(jìn)行可靠的高密度組裝的方法是一個(gè)重要目標(biāo)；而一種使用現(xiàn)有技術(shù)和設(shè)備的、用于低成本地組裝這類器件的方法也是受歡迎的。

發(fā)明內(nèi)容
0012根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，提供了一種半導(dǎo)體器件，其包括一個(gè)互連在襯底上的半導(dǎo)體芯片的豎直組件。在支撐芯片上圖案化的金屬支座在支撐芯片和相繼的豎直堆疊芯片之間提供了一個(gè)固定間隔。接合引線或引線結(jié)合(wire bond)將每個(gè)芯片連接到襯底，并且聚合物粘結(jié)劑將第一芯片固定到襯底，將相繼的芯片固定到它們各自的支撐芯片。支撐芯片是豎直器件組件中其頂上布置有其它芯片的任何芯片。在一個(gè)給定器件中，可以具有一個(gè)以上的支撐芯片和一個(gè)以上的第二或堆疊芯片。優(yōu)選地，該器件處于單個(gè)半導(dǎo)體封裝件的占用面積之內(nèi)。
0013在該優(yōu)選實(shí)施例中，支座是包含鋁的圖案化的島，其被沉積和圖案化在鈍化層的頂上，該鈍化層位于每個(gè)支撐芯片的活動(dòng)表面上，所述沉積和圖案化與用來(lái)形成接合墊帽的加工步驟是同時(shí)進(jìn)行的。該制造過(guò)程并沒(méi)有增加額外的成本，并且具有這樣的優(yōu)點(diǎn)其通過(guò)晶片形式的加工，為多個(gè)芯片提供了支座，從而避免了額外的成本。
0014具有豎直堆疊芯片的器件不但在器件密度方面具有優(yōu)點(diǎn)，從而使電路板空間減至最小，而且對(duì)于相近放置的相互作用的芯片在加快其操作速度方面也具有優(yōu)點(diǎn)。使用圖案化的鋁島作為堆疊芯片之間的間隔物還提供了額外的優(yōu)點(diǎn)其提供了良好的導(dǎo)熱性以通過(guò)芯片堆散發(fā)和傳播熱量，并避免了額外的處理步驟。此外，由于島式元件之間不連續(xù)，可緩解和減輕半導(dǎo)體芯片和金屬島相異的熱膨脹系數(shù)所產(chǎn)生的應(yīng)力。被沉積和蝕刻的島在整個(gè)支撐芯片上具有均勻高度，并提供了一個(gè)穩(wěn)定的引線接合表面。
0015本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例提供了一種半導(dǎo)體芯片，其在鈍化層頂上具有一個(gè)或多個(gè)固定厚度的金屬島。優(yōu)選地，所述島包括鋁或其它易于通過(guò)公知晶片處理技術(shù)和設(shè)備加工的導(dǎo)熱材料。這一實(shí)施例的凸起的金屬島作為支座和/或傳熱器是有用的。
0016一種用于以晶片形式在半導(dǎo)體芯片鈍化層的頂上制造金屬島的方法，其優(yōu)選包括沉積一包括鋁的金屬，同時(shí)進(jìn)行加工以形成接合墊帽。施加光阻材料，對(duì)齊包括用于接合墊帽和支座島的圖案的光掩模，以及曝光和顯影所述光阻材料。與現(xiàn)有帽的加工相同，不需要的金屬是通過(guò)蝕刻去除的。一個(gè)具有多個(gè)芯片的晶片被分成組裝到一個(gè)封裝器件中的獨(dú)立芯片，所述多個(gè)芯片在其鈍化層頂上具有圖案化的金屬島。該優(yōu)選方法不會(huì)對(duì)晶片制造帶來(lái)任何額外的成本或成品率損失。
0017在替換性實(shí)施例中，是通過(guò)沉積金屬、圖案化和蝕刻，或者通過(guò)掩模(其具有用于島的開(kāi)口)進(jìn)行金屬沉積，或者通過(guò)電鍍來(lái)加工芯片的，這些芯片進(jìn)行了鋁互連金屬化和/或具有不需要金屬帽的接合墊。
0018一種用于組裝具有圖案化金屬支座的堆疊芯片器件的優(yōu)選方法，其包括將具有金屬支座的支撐芯片粘合到互連襯底，將聚合物粘結(jié)劑材料施加到支座的頂表面以及支座之間的區(qū)域上，在支座的頂上對(duì)齊和放置第二芯片。如果該堆中包括兩個(gè)以上的芯片，就重復(fù)該過(guò)程。粘結(jié)劑(優(yōu)選為熱固性聚合物，例如填充有導(dǎo)熱填料的環(huán)氧樹(shù)脂)被固化，并將每個(gè)芯片引線接合到所述襯底。該粘結(jié)劑在所述支座的頂上形成了一個(gè)非常薄的層，從而使得該組件具有良好的導(dǎo)熱性和穩(wěn)定性。
0019優(yōu)選地，堆疊的芯片組件被裝在一個(gè)BGA封裝件或其它在芯片和下一級(jí)互連之間具有互連的封裝件襯底中。


0020圖1是公知器件，其包括連接到獨(dú)立插入器的豎直堆疊芯片。
0021圖2是公知器件，其具有通過(guò)絕緣層隔開(kāi)的豎直堆疊芯片。
0022圖3是一個(gè)公知芯片的一部分的橫截面視圖，該公知芯片在接合墊的頂上具有金屬帽。
0023圖4是根據(jù)本發(fā)明的、襯底上的堆疊芯片器件的橫截面視圖，該堆疊芯片器件具有鋁島分隔器。
0024圖5a是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的橫截面視圖，其包括一對(duì)以鋁島作為分隔器的堆疊芯片。
0025圖5b圖解說(shuō)明了在三個(gè)豎直堆疊芯片，這三個(gè)豎直堆疊芯片在每個(gè)相繼的芯片之間具有金屬島式支座。
0026圖5c是一個(gè)堆疊芯片器件的橫截面視圖，該堆疊芯片器件具有鋁島式支座和并排堆疊的芯片。
0027圖6a是一個(gè)芯片的頂視圖，該芯片具有圖案化的接合墊帽和島。
0028圖6b是一個(gè)芯片的橫截面，該芯片具有圖案化的接合墊帽和島。
0029圖7是用于制造根據(jù)本發(fā)明的具有島式支座的電路芯片的工藝流程圖。
0030圖8是用于制造根據(jù)本發(fā)明的堆疊的組件的工藝流程圖。
具體實(shí)施例方式
0031圖4中，半導(dǎo)體器件40包括襯底44和豎直堆疊芯片401和402，其中多個(gè)金屬島式支座41在支撐芯片401的活動(dòng)前側(cè)和相繼或接連的芯片402的非活動(dòng)背側(cè)之間提供均勻的間隔距離。聚合物材料45將支撐芯片401粘合到襯底44，并且將第二芯片402粘合到支撐芯片401的頂表面。聚合物粘結(jié)劑45優(yōu)選為熱固性聚合物，例如填充有導(dǎo)熱材料的環(huán)氧樹(shù)脂。粘結(jié)劑45在金屬島和第二芯片402的頂上以及之間形成薄的粘合層或接合線(bond line)，從而使引線接合具有良好的導(dǎo)熱性，成為穩(wěn)定組件。接合引線42和43將芯片401和402連接到襯底44上的接合區(qū)。襯底44上的導(dǎo)電互連(未示出)，例如BGA(球柵陣列)封裝件的基帶，提供了芯片間的連接。
0032具有豎直堆疊芯片的器件不但在器件密度方面具有優(yōu)點(diǎn)，從而使電路板空間需求減至最小，而且對(duì)于相近放置的相互作用的芯片在加快其操作速度方面也具有優(yōu)點(diǎn)。用鋁或其它金屬島作為間隔器提供了額外的優(yōu)點(diǎn)其提供了增加的導(dǎo)熱性，以便通過(guò)芯片堆來(lái)散發(fā)和傳播熱量。對(duì)于具有銅互連和帶有鋁接合墊帽的接合墊的器件，鋁島避免了額外的加工步驟。鋁帽便于使用現(xiàn)有的技術(shù)和設(shè)備對(duì)金接合引線進(jìn)行引線接合。
0033此外，由于在大芯片上的島間隔器優(yōu)選是不連續(xù)的或間斷的，因此由活動(dòng)的半導(dǎo)體部件和金屬島的不相似或相異的熱膨脹系數(shù)所產(chǎn)生的應(yīng)力可被緩解和減輕。具有沉積和蝕刻而成的金屬島式支座的堆疊芯片器件在芯片間提供了均勻固定的間隔，并且該組件提供了穩(wěn)固的接合表面。
0034圖5是一對(duì)豎直堆疊芯片501和502的更詳細(xì)的橫截面視圖，其在芯片之間具有圖案化的金屬島式支座51。帽52覆蓋接合墊53，并且疊置在鈍化層511上。支撐芯片501上的金屬島51優(yōu)選被同時(shí)沉積和圖案化，因此不需要對(duì)現(xiàn)有的晶片制造增加加工步驟或增復(fù)雜度。在該優(yōu)選實(shí)施例中，帶有金屬島51的支撐芯片501具有包含銅的接合墊53，而接合墊53的帽52包含鋁。該芯片頂上的鈍化層511典型地為氮化硅、氧氮化硅，或諸如聚酰亞胺族之一的聚合物膜。
0035圖5a提供了一個(gè)豎直堆疊芯片對(duì)的實(shí)例，但本發(fā)明并不限于兩個(gè)芯片構(gòu)成的堆，而可包括三個(gè)或更多芯片，如在圖5b、5c中圖解說(shuō)明的。每個(gè)支撐芯片503、504和506分別包括金屬支座51、510和516。可以看出，最大的即第一個(gè)支撐芯片503具有多個(gè)島式支座51，而較小的支撐芯片504具有單個(gè)支座510。在圖5c中，兩個(gè)水平堆疊在支撐芯片506頂上的芯片507優(yōu)選支撐在間隔開(kāi)的支座516上。大芯片503上的島51之間的不連續(xù)性允許減少熱產(chǎn)生的應(yīng)力，但較小的芯片505和507可能不需要應(yīng)力緩解機(jī)構(gòu)。
0036堆中最上面的芯片505和507不需要金屬島。然而，為了簡(jiǎn)化工藝、傳熱，和/或如果該芯片可能用在需要支座的應(yīng)用中，也可加上金屬島。
0037在另一個(gè)實(shí)施例中，提供了一個(gè)在第一表面上具有金屬島的半導(dǎo)體芯片。圖6a和6b是具有多個(gè)接合墊63的芯片601的橫截面視圖，每個(gè)接合墊63都被鋁帽62覆蓋，鋁帽62在芯片601的第一表面上的鈍化層611上延伸。一個(gè)或多個(gè)鋁島61被限定在由接合墊界定的區(qū)域內(nèi)。將島限定在接合墊區(qū)域內(nèi)是為了避免影響豎直堆中支撐芯片上的引線接合工藝，并且是因?yàn)殡娐樊a(chǎn)生的熱量通常分布在中心。
0038島的面積是支撐芯片和堆疊的第二芯片的尺寸的函數(shù)。其間間隔開(kāi)的多個(gè)島優(yōu)選用于那些可能需要緩解熱膨脹不匹配的大芯片中。但對(duì)于小芯片，單個(gè)島也是可以接受的。優(yōu)選地，金屬支座足夠大，以對(duì)第二芯片提供平衡支撐。
0039用于制造金屬島以在堆疊芯片之間提供間隔和/或增加半導(dǎo)體器件導(dǎo)熱性的優(yōu)選工藝是在晶片形式中使用現(xiàn)有的金屬沉積、光學(xué)加工和蝕刻技術(shù)。提供一種晶片，其具有包含銅的接合墊，并且具有一個(gè)帶有用于引線接合的開(kāi)口的鈍化層。在圖7中概要性地示出的加工步驟包括將金屬層(優(yōu)選厚度為5-20kA(千埃)的鋁)沉積在晶片的鈍化的第一表面上；施加光阻層并將其通過(guò)光掩模曝光，該光掩模在每個(gè)接合墊的頂上定義了一個(gè)帽，并且疊置在所述鈍化層上。該掩模在接合墊區(qū)域內(nèi)進(jìn)一步定義了一個(gè)或多個(gè)島。通過(guò)蝕刻去除多余的金屬，從而留下在鈍化表面之上凸起5-20kA范圍內(nèi)的島。這些加工步驟并沒(méi)有對(duì)具有多個(gè)芯片的晶片增加額外的加工成本，并且使成品芯片具有金屬島，這些金屬島可在堆疊芯片組件中作為支座使用，或者改善了集成電路芯片的散熱。
0040已經(jīng)對(duì)具有銅接合墊和提供適當(dāng)引線接合表面的鋁帽的芯片，描述了相應(yīng)的器件和制造方法。然而，對(duì)于具有鋁接合墊或其它不需要帽的接合表面的器件而言，可通過(guò)沉積、光圖案化和蝕刻，或者可通過(guò)經(jīng)由掩模開(kāi)口進(jìn)行沉積，在鈍化層的頂上形成金屬島。所沉積的金屬可以是鋁或具有良好導(dǎo)熱性和穩(wěn)定性的替代的低成本的易沉積金屬。
0041如圖8中概要性地示出的，堆疊芯片器件的組裝包括，提供在支撐芯片頂上具有金屬島式支座的集成電路芯片，通過(guò)貼片粘結(jié)劑將支撐芯片對(duì)齊和放置到襯底，將聚合物材料(優(yōu)選為填充有諸如氧化鋁或礬土之類的導(dǎo)熱填料的熱固性粘結(jié)劑)施加到之前描述的支撐芯片上的支座頂上的區(qū)域，將第二芯片的背面對(duì)齊和放置在所述粘結(jié)劑上，并使所有的貼片粘結(jié)劑交聯(lián)。在接下來(lái)的步驟中，將每個(gè)芯片引線接合到襯底。優(yōu)選地，通過(guò)公知的封裝方法為該組件提供機(jī)械保護(hù)。
0042在一個(gè)替換性的組裝工藝中，在堆疊第二芯片以及接合之前，每個(gè)芯片就被引線接合到襯底。
0043如果該器件中包括兩個(gè)以上的豎直堆疊芯片，則將第一芯片和第二芯片以之前所述方式組裝，并將粘結(jié)劑施加到第二芯片的支座和頂部，使粘結(jié)劑固化，從而附連上所述接合引線。
0044在那些支撐芯片上具有一個(gè)以上并排放置的芯片的器件中，其組裝與針對(duì)具有兩個(gè)芯片的堆所描述的相同；即，單次固化和引線接合工藝。
0045用于組裝支撐芯片上具有金屬支座的豎直堆疊芯片器件的每個(gè)加工步驟在業(yè)內(nèi)是公知的，并不需要任何額外的設(shè)備或工藝過(guò)程開(kāi)發(fā)。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件，其包括一個(gè)具有導(dǎo)電互聯(lián)的襯底；位于所述襯底上的兩個(gè)或多個(gè)豎直堆疊的芯片，每個(gè)支撐芯片具有位于其上的金屬支座，以將該支撐芯片與下一個(gè)相繼的芯片間隔開(kāi)；以及多條接合引線，其將至少一個(gè)芯片連接到所述襯底。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中所述金屬支座包括鋁島。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的半導(dǎo)體器件，其中所述金屬支座的厚度為5-20千埃。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體器件，其中所述支座被圖案化在所述芯片鈍化層的上方。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體器件，其中所述金屬支座是導(dǎo)熱的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體器件，其中所述金屬支座位于由接合墊包圍的區(qū)域內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體器件，其中所述第一芯片由一種聚合物粘結(jié)劑固定到所述襯底。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體器件，其中所述支撐芯片包括具有鋁帽的銅接合墊。
9.一種用于制造具有金屬島式支座的半導(dǎo)體芯片的方法，其包括以下步驟提供一個(gè)半導(dǎo)體晶片，該半導(dǎo)體晶片具有多個(gè)覆蓋有鈍化層的集成電路器件，所述鈍化層在頂表面上具有接合墊開(kāi)口；將一個(gè)包括鋁的金屬層沉積到所述晶片上；在所述金屬層的頂上形成一層光阻材料；對(duì)齊具有圖案的掩模，以便為接合墊加上帽，并且為所述晶片添加島；曝光和顯影所述光阻材料；進(jìn)行蝕刻，以將不需要的金屬?gòu)乃鼍先コ簦灰约皩⑺鼍懈顬楠?dú)立的芯片。
10.一種組裝具有豎直堆疊芯片的半導(dǎo)體器件的方法，所述豎直堆疊芯片具有一個(gè)或多個(gè)固定的金屬支座來(lái)隔開(kāi)所述芯片，所述方法包括以下步驟提供一個(gè)具有接合區(qū)和導(dǎo)電互聯(lián)的襯底；將聚合物貼片粘結(jié)劑施加到所述襯底；將具有一個(gè)或多個(gè)金屬支座的支撐芯片與所述粘結(jié)劑對(duì)齊；在所述支撐芯片上將粘結(jié)劑施加到所述島以及島間的區(qū)域；在所述支撐芯片上的所述粘結(jié)劑的頂上對(duì)齊第二芯片；以及將每個(gè)所述芯片引線接合到所述襯底。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，進(jìn)一步包括以下步驟將粘結(jié)劑施加到所述第二芯片上的所述島，對(duì)齊和放置第三芯片，固化所述粘結(jié)劑，以及從所述第三芯片至所述襯底進(jìn)行引線接合。
全文摘要
本發(fā)明描述了一種半導(dǎo)體器件40，其包括互連在一個(gè)襯底上的半導(dǎo)體芯片401、402的豎直組件，所述襯底具有一個(gè)或多個(gè)金屬支座41，金屬支座41在每個(gè)支撐芯片401和下一個(gè)相繼的豎直堆疊芯片402之間提供了固定間距。該器件的制造是通過(guò)在每個(gè)支撐芯片的鈍化層頂上圖案化鋁島，并同時(shí)進(jìn)行加工以形成接合墊帽來(lái)實(shí)現(xiàn)的。該制造工藝不需要額外的成本，并具有以晶片形式進(jìn)行加工以為多個(gè)芯片提供支座的優(yōu)點(diǎn)，從而避免了額外的組裝成本。此外，這些支座改善了器件的散熱，并且提供了均勻穩(wěn)定的接合表面，以便使每個(gè)所述芯片被引線接合到所述襯底。
文檔編號(hào)H01L23/34GK1957462SQ200580016529
公開(kāi)日2007年5月2日 申請(qǐng)日期2005年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月23日
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