專利名稱：輸入/輸出墊結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體裝置，且特別涉及一種三維集成電路(3D-IC)的輸入/ 輸出墊(I/Opad)結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體IC芯片結(jié)構(gòu)通過(guò)各種輸入/輸出墊與外界傳輸，例如信號(hào)墊、電 源/地墊(Power/Ground pad)等。圖1顯示一傳統(tǒng)的輸入/輸出墊結(jié)構(gòu)100，其 具有七層布線的焊墊下電路(CUP; Circuit Under Pad)結(jié)構(gòu)。包含第一層至第 五層金屬作為內(nèi)連線的輸入/輸出單元結(jié)構(gòu)120形成在基底110上方。輸入/ 輸出單元結(jié)構(gòu)120可為任何電路，而其最頂部的兩層金屬一第六層金屬134 與第七層金屬136在此處作為焊墊結(jié)構(gòu)130。第七層金屬136通過(guò)導(dǎo)孔144 電性連接至第六層金屬134。第六層金屬134通過(guò)導(dǎo)孔142電性連接至輸入/ 輸出單元結(jié)構(gòu)120。接著以焊線連接至第七層金屬136。輸入/輸出單元結(jié)構(gòu) 120通常包括晶體管與電阻等半導(dǎo)體元件，用來(lái)輸入和/或輸出信號(hào)，并用來(lái) 接收電源與接地。這些半導(dǎo)體元件可用在輸入緩沖器、輸出驅(qū)動(dòng)器、或靜電 放電(ESD; electrostatic discharge)電路上。 一般而言，這些半導(dǎo)體元件設(shè)置 在有源區(qū)上，其導(dǎo)電性為介于導(dǎo)體與絕緣體之間的半導(dǎo)體。
然而，傳統(tǒng)的輸入/輸出墊結(jié)構(gòu)100是為了配合單一芯片封裝技術(shù)而發(fā) 展。隨著三維集成電路的日益普及，輸入/輸出墊結(jié)構(gòu)也要能配合三維集成電 路的技術(shù)。
圖2顯示一種三維集成電路的焊墊結(jié)構(gòu)200，其中兩個(gè)裸片210、 230以 面-對(duì)-面(face-to-face)方式堆疊以節(jié)省空間。下裸片210包含一基底212以及 一穿過(guò)介電材料215的內(nèi)導(dǎo)體(inner-connector)218，以連接基底212至銅接 合墊221。基底212中形成有半導(dǎo)體元件，例如晶體管。內(nèi)導(dǎo)體218可包含 數(shù)層金屬層、導(dǎo)孔、與接觸插塞(未顯示)。導(dǎo)孔(via)連接兩金屬層。接觸插 塞(contact)連接一金屬層至基底212。銅接合墊221為一金屬表面，用來(lái)連接
4上裸片230的銅接合墊241。上裸片230具有類似的結(jié)構(gòu)，包含一基底232 以及一穿過(guò)介電材料235的內(nèi)導(dǎo)體238，以連接基底232至銅接合墊241。 內(nèi)導(dǎo)體238可包含數(shù)層金屬層、導(dǎo)孔、與接觸插塞(未顯示)。由于外部信號(hào) 與電源供應(yīng)是連接到上裸片230，在一般工藝中，利用硅通孑L(TSV; through siliconvia)252將內(nèi)導(dǎo)體238連接至背側(cè)金屬255。之后，通常是以重分布層 (RDL; redistributed layer)的形式將鋁墊260設(shè)置在背側(cè)金屬255之上。焊線 可接合至鋁墊260上的凸塊265。
請(qǐng)同時(shí)參照?qǐng)D1與圖2，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員當(dāng)可了解，傳統(tǒng)的輸入/輸 出墊結(jié)構(gòu)100無(wú)法用于三維集成電路的焊墊結(jié)構(gòu)200，因?yàn)楣柰?52與內(nèi) 導(dǎo)體238會(huì)阻礙任何輸入/輸出單元結(jié)構(gòu)設(shè)置于鋁墊260下方。因此，具有圖 1的傳統(tǒng)輸入/輸出墊結(jié)構(gòu)的芯片無(wú)法直接翻覆而用在三維集成電路上。由于 輸入/輸出墊結(jié)構(gòu)非常關(guān)鍵，且可能需要經(jīng)投片驗(yàn)證(proven-in-silicon)，重新
設(shè)計(jì)一輸入/輸出墊結(jié)構(gòu)經(jīng)常曠時(shí)費(fèi)日，成本過(guò)高。
因此，目前亟需一種可將傳統(tǒng)輸入/輸出墊結(jié)構(gòu)用在三維集成電路的技 術(shù)，而不需重新設(shè)計(jì)傳統(tǒng)的輸入/輸出墊結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明公開(kāi)一種集成電路的輸入/
輸出墊結(jié)構(gòu)，包括 一第一垂直區(qū)域于集成電路中，包括一頂金屬層與一個(gè) 或多個(gè)半導(dǎo)體元件于頂金屬層下方，第一垂直區(qū)域的頂金屬層作為一第一焊
墊，半導(dǎo)體元件電性連接至第一焊墊； 一第二垂直區(qū)域于集成電路中，包括
頂金屬層與一個(gè)或多個(gè)硅通孔于頂金屬層下方，第二垂直區(qū)域的頂金屬層作 為一第二焊墊，且第二焊墊下方?jīng)]有形成半導(dǎo)體元件，硅通孔電性連接至第
二焊墊，其中第一焊墊與第二焊墊經(jīng)由至少一金屬層電性連接。
依照本發(fā)明一實(shí)施例，上述第一焊墊為探針墊，而第二焊墊為銅接合墊。
依照本發(fā)明另一實(shí)施例，上述第一焊墊為銅接合墊，而第二焊墊為探針墊。 本發(fā)明還公開(kāi)了一種輸入/輸出墊結(jié)構(gòu)，適用于一集成電路，包括.* 一第
一垂直區(qū)域于該集成電路中，該第一垂直區(qū)域包括一頂金屬層與一個(gè)或多個(gè)
半導(dǎo)體導(dǎo)元件形成于該頂金屬層下方，該第一垂直區(qū)域的該頂金屬層作為一
探針墊，所述半導(dǎo)體元件電性連接至該探針墊； 一第二垂直區(qū)域于該集成電路中且鄰近該第一垂直區(qū)域，該第二垂直區(qū)域包括該頂金屬層與一個(gè)或多個(gè) 硅通孔形成于該頂金屬層下方，該第二垂直區(qū)域的該頂金屬層作為一接合 墊，且該接合墊下方?jīng)]有形成半導(dǎo)體元件，該硅通孔電性連接至該接合墊； 其中該探針墊與該接合墊經(jīng)由至少一金屬層電性連接。
本發(fā)明另外還公開(kāi)了一種輸入/輸出墊結(jié)構(gòu)，適用于一集成電路，包括 一第一垂直區(qū)域于該集成電路中，該第一垂直區(qū)域包括一頂金屬層與一個(gè)或 多個(gè)半導(dǎo)體導(dǎo)元件形成于該頂金屬層下方，該第一垂直區(qū)域的該頂金屬層作 為一接合墊，所述半導(dǎo)體元件電性連接至該接合墊； 一第二垂直區(qū)域于該集 成電路中且鄰近該第一垂直區(qū)域，該第二垂直區(qū)域包括該頂金屬層與一個(gè)或 多個(gè)硅通孔形成于該頂金屬層下方，該第二垂直區(qū)域的該頂金屬層作為一探 針墊，且該探針墊下方?jīng)]有形成半導(dǎo)體元件，該硅通孔電性連接至該探針墊； 其中該接合墊與該探針墊經(jīng)由至少一金屬層電性連接。
本發(fā)明可將傳統(tǒng)輸入/輸出墊結(jié)構(gòu)用在三維集成電路的技術(shù)，而不需 重新設(shè)計(jì)，具有應(yīng)用靈活方便，并且成本較低的優(yōu)點(diǎn)。
為讓本發(fā)明的上述和其他目的、特征、和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉 出優(yōu)選實(shí)施例，并配合附圖，作詳細(xì)說(shuō)明如下。


圖1為一傳統(tǒng)輸入/輸出墊結(jié)構(gòu)的剖面圖。
圖2為一種三維集成電路的焊墊結(jié)構(gòu)的剖面圖。
圖3A與圖3B顯示本發(fā)明將TSV尾端結(jié)構(gòu)結(jié)合至一傳統(tǒng)輸入/輸出墊結(jié) 構(gòu)的實(shí)施例。
4A圖~圖4C顯示TSV尾端結(jié)構(gòu)于三維集成電路的各種應(yīng)用。
上述附圖中的附圖標(biāo)記說(shuō)明如下
100~傳統(tǒng)輸入/輸出墊結(jié)構(gòu)
110~基底
120~輸入/輸出單元結(jié)構(gòu) 130~焊墊結(jié)構(gòu) 134 第六層金屬 136 第七層金屬142、 144~導(dǎo)孔
200 三維集成電路的焊墊結(jié)構(gòu)
210、 230 裸片
212、 232~基底
215、 235~介電材料
218、 238~內(nèi)導(dǎo)體
221、 241 銅接合墊
252 硅通孔
255 背側(cè)金屬
260~鋁墊
265~凸塊
300 TSV尾端結(jié)構(gòu)
320 輸入/輸出尾端連接器
324、 326~金屬層
336 頂金屬層
344~導(dǎo)孔
352~硅通孔
355 背側(cè)金屬
360 鋁墊
365~焊線凸塊
400、 470~裸片
410、 480 基底
415、 485、 415A、 485A 連接層 436、 476~銅接合墊 452~硅通孔 455 背側(cè)金屬
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明將一硅通孔(TSV)尾端結(jié)構(gòu)結(jié)合至一傳統(tǒng)的輸入/輸出墊結(jié)構(gòu)上， 使其能應(yīng)用在三維集成電路。圖3A與圖3B顯示本發(fā)明將TSV尾端結(jié)構(gòu)300結(jié)合至一傳統(tǒng)的輸入/輸 出墊結(jié)構(gòu)100的實(shí)施例。傳統(tǒng)的輸入/輸出墊結(jié)構(gòu)100與圖1所顯示者相同， 其中最頂端的兩金屬層134、 136用來(lái)使焊墊具有更好的黏著力。在最頂端 兩金屬層134、 136以下的其他金屬層可具有任何結(jié)構(gòu)。輸入/輸出單元結(jié)構(gòu) 120包含一功能性電路，例如靜電放電(ESD)電路，通常設(shè)置于金屬層134、 136下方以節(jié)省布局空間。為了使傳統(tǒng)的輸入/輸出墊結(jié)構(gòu)IOO可以用在三維 集成電路，將一硅通孔(TSV)尾端結(jié)構(gòu)300設(shè)置于傳統(tǒng)輸入/輸出墊結(jié)構(gòu)100 旁邊。TSV尾端結(jié)構(gòu)300包含一頂金屬層336作為銅接合墊或探針墊。銅接 合墊是用來(lái)連接堆疊裸片上的另一銅接合墊；而探針墊則是只用在測(cè)試時(shí)與 探針接觸，在測(cè)試過(guò)后，探針墊即不再使用。
請(qǐng)?jiān)賲⒁?jiàn)圖3A， TSV尾端結(jié)構(gòu)300也包含一輸入/輸出尾端連接器(1/0 tailconnector)320。與輸入/輸出單元結(jié)構(gòu)120不同的是，輸入/輸出尾端連接 器320單純地只作為頂金屬層336與基底110的連接。此連接包含頂金屬層 336與下方金屬層之間的導(dǎo)孔(via)344。輸入/輸出尾端連接器320可包含頂 金屬層336下方所有的金屬層。不同的金屬層之間以導(dǎo)孔作為連接。舉例而 言，圖3A所示的傳統(tǒng)輸入/輸出墊結(jié)構(gòu)100與TSV尾端結(jié)構(gòu)300是以7層金 屬工藝形成，換言之，頂金屬層336為第7層金屬(meta17)，而輸入/輸出尾 端連接器320則是由第l層金屬(metal l)至第6層金屬(metal 6)與各自的導(dǎo)孔 所構(gòu)成。輸入/輸出尾端連接器320通過(guò)兩金屬層324、 326連接至輸入/輸出 墊結(jié)構(gòu)IOO。兩金屬層324、 326可為第l層金屬至第6層金屬的任意兩層。 事實(shí)上，該連接可由單一金屬層或甚至所有的金屬層來(lái)達(dá)成，只要輸入/輸出 墊結(jié)構(gòu)100與TSV尾端結(jié)構(gòu)300連接即可。
請(qǐng)?jiān)賲⒁?jiàn)圖3A,圖中顯示多個(gè)硅通孔(TSV)352將輸入/輸出尾端連接器 320連接至背側(cè)金屬355，且此背側(cè)金屬355被一鋁墊360所覆蓋。 一焊線 凸塊365設(shè)置于鋁墊360表面。
圖3B為輸入/輸出尾端結(jié)構(gòu)300結(jié)合至傳統(tǒng)輸入/輸出墊結(jié)構(gòu)100的簡(jiǎn)化 俯視圖。傳統(tǒng)輸入/輸出墊結(jié)構(gòu)100—般包含探針墊136，且在探針墊136底 下為輸入/輸出單元結(jié)構(gòu)120。輸入/輸出尾端結(jié)構(gòu)300 —般包含銅接合墊336， 且在銅接合墊336底下為輸入/輸出尾端連接器320。輸入/輸出單元結(jié)構(gòu)120 經(jīng)由金屬層324連接至輸入/輸出尾端連接器320。在金屬層324底下可能還包括另一金屬層326(未顯示)。輸入/輸出墊結(jié)構(gòu)100與輸入/輸出尾端結(jié)構(gòu)300 可為互相抵接(butted)或分離，只要電性連接即可。使用輸入/輸出尾端結(jié)構(gòu) 300來(lái)加入TSV結(jié)構(gòu)可使該芯片用于三維集成電路，而不需改變傳統(tǒng)的輸入 /輸出墊結(jié)構(gòu)100。重新設(shè)計(jì)輸入/輸出墊結(jié)構(gòu)100可能需要許多次重復(fù)的工 藝，因此需昂貴成本且無(wú)法確保成功。
圖4A 圖4C顯示TSV尾端結(jié)構(gòu)于三維集成電路的各種應(yīng)用，其中標(biāo)號(hào) 100代表傳統(tǒng)的輸入/輸出墊結(jié)構(gòu)，標(biāo)號(hào)300代表輸入/輸出尾端結(jié)構(gòu)，標(biāo)號(hào) 400代表上裸片，標(biāo)號(hào)470代表下裸片，標(biāo)號(hào)410代表上裸片的基底，標(biāo)號(hào) 480代表下裸片的基底，標(biāo)號(hào)436、 476分別代表上裸片400與下裸片470 的銅接合墊，標(biāo)號(hào)452代表上裸片400的TSV，標(biāo)號(hào)455代表上裸片400的 背側(cè)金屬，標(biāo)號(hào)415、 485與其衍生標(biāo)號(hào)例如415A、 485A分別代表上裸片 400的輸入/輸出墊結(jié)構(gòu)100與輸入/輸出尾端結(jié)構(gòu)300跟下裸片470的連接。 上裸片400與下裸片470最終是以面對(duì)面(face-to-face)接合技術(shù)結(jié)合在一起， 通常是利用熱或壓力的方式。
圖4A顯示一外部信號(hào)(包括電源或接地供應(yīng))由上裸片400與下裸片470 共享時(shí)的應(yīng)用。在此實(shí)施例中，上裸片400的連接層415與下裸片470的連 接層4S5皆從輸入/輸出墊結(jié)構(gòu)100連續(xù)延伸至輸入/輸出尾端結(jié)構(gòu)300。上述 外部信號(hào)先連接至上裸片400的背側(cè)金屬455，之后經(jīng)由銅接合墊436、 476 連接至下裸片470。
圖4B顯示一外部信號(hào)(包括電源或接地供應(yīng))只供應(yīng)至下裸片470的應(yīng) 用。在此實(shí)施例中，上裸片400的連接層415在輸入/輸出墊結(jié)構(gòu)100與輸入 /輸出尾端結(jié)構(gòu)300之間中斷。然而，下裸片470的連接層485則從輸入/輸 出墊結(jié)構(gòu)100連續(xù)延伸至輸入/輸出尾端結(jié)構(gòu)300。上述外部信號(hào)先只連接至 上裸片400的輸入/輸出尾端結(jié)構(gòu)300，然后經(jīng)由銅接合墊436、 476連接至 下裸片470。
圖4C顯示一外部信號(hào)(包括電源或接地供應(yīng))只供應(yīng)至上裸片400的應(yīng) 用。在此實(shí)施例中，上裸片400的連接層415從輸入/輸出墊結(jié)構(gòu)100連續(xù)延 伸至輸入/輸出尾端結(jié)構(gòu)300。然而，下裸片470的連接層485甚至未設(shè)置在 輸入/輸出尾端結(jié)構(gòu)300的區(qū)域。上述外部信號(hào)只供應(yīng)至上裸片400。
雖然圖4A 圖4C顯示本發(fā)明應(yīng)用在面對(duì)面接合的三維集成電路，但因
9為本發(fā)明只跟裸片中正面與背面之間的連接區(qū)域相關(guān)，因此本領(lǐng)域普通技術(shù)
人員同樣可將本發(fā)明應(yīng)用在面對(duì)背(face-to-back)的三維集成電路。
雖然本發(fā)明己以數(shù)個(gè)優(yōu)選實(shí)施例公開(kāi)如上，然其并非用以限定本發(fā)明， 任何所屬技術(shù)領(lǐng)域中普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可 作任意的更動(dòng)與潤(rùn)飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視所附的權(quán)利要求所界定的 范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種輸入/輸出墊結(jié)構(gòu)，適用于一集成電路，包括一第一垂直區(qū)域于該集成電路中，該第一垂直區(qū)域包括一頂金屬層與一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體元件形成于該頂金屬層下方，該第一垂直區(qū)域的該頂金屬層作為一第一焊墊，所述半導(dǎo)體元件電性連接至該第一焊墊；一第二垂直區(qū)域于該集成電路中，該第二垂直區(qū)域包括該頂金屬層與一個(gè)或多個(gè)硅通孔形成于該頂金屬層下方，該第二垂直區(qū)域的該頂金屬層作為一第二焊墊，且該第二焊墊下方?jīng)]有形成半導(dǎo)體元件，該硅通孔電性連接至該第二焊墊；其中該第一焊墊與該第二焊墊經(jīng)由至少一金屬層電性連接。
2. 如權(quán)利要求1所述的輸入/輸出墊結(jié)構(gòu)，其中該第一焊墊為一探針墊， 且該第二焊墊為一用來(lái)電性連接兩個(gè)堆疊集成電路的接合墊。
3. 如權(quán)利要求1所述的輸入/輸出墊結(jié)構(gòu)，其中該第一焊墊為一用來(lái)電性 連接兩個(gè)堆疊集成電路的接合墊，且該第二焊墊為一探針墊。
4. 如權(quán)利要求3所述的輸入/輸出墊結(jié)構(gòu)，其中該接合墊的材料包含銅。
5. 如權(quán)利要求1所述的輸入/輸出墊結(jié)構(gòu)，其中所述半導(dǎo)體元件包括用于 輸入緩沖器、輸出驅(qū)動(dòng)器、或靜電放電電路的晶體管。
6. 如權(quán)利要求1所述的輸入/輸出墊結(jié)構(gòu)，還包括一背側(cè)金屬層與該第二 垂直區(qū)域的硅通孔接觸。
7. 如權(quán)利要求1所述的輸入/輸出墊結(jié)構(gòu)，還包括一金屬墊于該背側(cè)金屬 層上且與該背側(cè)金屬層接觸，用以連接一焊線。
8. —種輸入/輸出墊結(jié)構(gòu)，適用于一集成電路，包括 一第一垂直區(qū)域于該集成電路中，該第一垂直區(qū)域包括一頂金屬層與一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體導(dǎo)元件形成于該頂金屬層下方，該第一垂直區(qū)域的該頂金屬 層作為一探針墊，所述半導(dǎo)體元件電性連接至該探針墊；一第二垂直區(qū)域于該集成電路中且鄰近該第一垂直區(qū)域，該第二垂直區(qū) 域包括該頂金屬層與一個(gè)或多個(gè)硅通孔形成于該頂金屬層下方，該第二垂直 區(qū)域的該頂金屬層作為一接合墊，且該接合墊下方?jīng)]有形成半導(dǎo)體元件，該 硅通孔電性連接至該接合墊；其中該探針墊與該接合墊經(jīng)由至少一金屬層電性連接。
9. 如權(quán)利要求8所述的輸入/輸出墊結(jié)構(gòu)，其中該接合墊的材料包含銅。
10. 如權(quán)利要求8所述的輸入/輸出墊結(jié)構(gòu)，其中所述半導(dǎo)體元件包括用 于輸入緩沖器、輸出驅(qū)動(dòng)器、或靜電放電電路的晶體管。
11. 如權(quán)利要求8所述的輸入/輸出墊結(jié)構(gòu)，還包括一背側(cè)金屬層與該第 二垂直區(qū)域的硅通孔接觸。
12. —種輸入/輸出墊結(jié)構(gòu)，適用于一集成電路，包括 一第一垂直區(qū)域于該集成電路中，該第一垂直區(qū)域包括一頂金屬層與一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體導(dǎo)元件形成于該頂金屬層下方，該第一垂直區(qū)域的該頂金屬 層作為一接合墊，所述半導(dǎo)體元件電性連接至該接合墊；一第二垂直區(qū)域于該集成電路中且鄰近該第一垂直區(qū)域，該第二垂直區(qū) 域包括該頂金屬層與一個(gè)或多個(gè)硅通孔形成于該頂金屬層下方，該第二垂直 區(qū)域的該頂金屬層作為一探針墊，且該探針墊下方?jīng)]有形成半導(dǎo)體元件，該 硅通孔電性連接至該探針墊；其中該接合墊與該探針墊經(jīng)由至少一金屬層電性連接。
13. 如權(quán)利要求12所述的輸入/輸出墊結(jié)構(gòu)，其中該接合墊的材料包含銅。
14. 如權(quán)利要求12所述的輸入/輸出墊結(jié)構(gòu)，其中所述半導(dǎo)體元件包括用 于輸入緩沖器、輸出驅(qū)動(dòng)器、或靜電放電電路的晶體管。
15. 如權(quán)利要求12所述的輸入/輸出墊結(jié)構(gòu)，還包括一背側(cè)金屬層與該第 二垂直區(qū)域的硅通孔接觸。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種集成電路的輸入/輸出墊結(jié)構(gòu)，包括一第一垂直區(qū)域于集成電路中，包括一頂金屬層與一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體元件于頂金屬層下方，第一垂直區(qū)域的頂金屬層作為一第一焊墊，半導(dǎo)體元件電性連接至第一焊墊；一第二垂直區(qū)域于集成電路中，包括頂金屬層與一個(gè)或多個(gè)硅通孔于頂金屬層下方，第二垂直區(qū)域的頂金屬層作為一第二焊墊，且第二焊墊下方?jīng)]有形成半導(dǎo)體元件，硅通孔電性連接至第二焊墊，其中第一焊墊與第二焊墊經(jīng)由至少一金屬層電性連接。本發(fā)明可將傳統(tǒng)輸入/輸出墊結(jié)構(gòu)用在三維集成電路的技術(shù)，而不需重新設(shè)計(jì)，具有應(yīng)用靈活方便，并且成本較低的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01L23/522GK101582412SQ200910002060
公開(kāi)日2009年11月18日 申請(qǐng)日期2009年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月12日
發(fā)明者王中興, 蔡志升 申請(qǐng)人:臺(tái)灣積體電路制造股份有限公司