專利名稱：豎直堆疊的半導體器件的制作方法
技術領域：
0001本發(fā)明涉及一種半導體電路器件；更具體地是涉及一種豎直堆疊的半導體芯片器件及其制造方法。
背景技術：
0002在為了支持系統(tǒng)級需求而針對較高電路集成度進行的研究中，已經探索出許多途徑。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水平和成本約束。
0003一種用來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))的方法是將多個芯片組裝在單個封裝件內。相同或不同器件技術的多個芯片被包含在提供了到下一級互連的接觸件的互連襯底上和/或單個封裝件中。
0004同一封裝件中多個芯片的集成在水平和豎直平面中都已開發(fā)出。歷史上，存儲器電路的豎直集成已經以單個器件的形式提供了在相同占用面積之內具有增加的存儲容量的堆疊器件10，如圖1所示。具有相對較少管腳數(shù)的許多類似芯片11被連接到獨立的插入器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，如圖2所示，不同類型的多個硅芯片21已經被組裝成豎直堆，該豎直堆在每個活動或有效器件21之間具有支座或絕緣體(standoffs)24，以使互連間隔開和允許在襯底23上制造互連。芯片21通過襯底23上的導電跡線互連。通常，每個芯片21通過絕緣材料24與豎直相繼的芯片隔開。堆疊的芯片組件對于將集成電路耦合到存儲器器件(例如，隨機存取存儲器、E2PROM、閃存或緩沖存儲器)特別重要，其處，芯片間快速的相互作用非常關鍵。存儲器電路的晶片制造并不易于與其它IC晶片制造技術兼容，而且集成起來也很困難且成本較高。因此，提供與功能芯片進行快速相互作用的堆疊芯片組件是節(jié)約成本的。
0006已用作支座隔開豎直堆疊芯片的材料包括聚合物膜、疊層材料、粘結劑、裸硅片，和/或這些材料的組合。
0007聚合物膜可被應用于晶片，并對聚合物膜進行光圖案化以暴露出接合墊(或稱焊盤)，從而提供這樣的優(yōu)點將其作為具有多個芯片的晶片來處理，而不是作為器件最后組裝期間的獨立芯片來處理。然而，每個額外的加工步驟都會顯著增加晶片成本，并且會增加產生缺陷的概率，這造成了代價高昂的成品率損失。組裝期間，用作支座的其它類型的材料經常需要插入到獨立的封裝件中。
0008引線接合(或稱絲焊)是一種將每個半導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表面上的導電金屬區(qū)域，其處，通常為金質的焊線被連接。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題，具有銅互連技術的芯片接合墊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，會產生熱應力和機械應力，其可導致成品率和可靠性故障。這些應力不僅會造成機械變形以及芯片、互連或互連界面破裂，而且在高速器件中，芯片的響應時間也可能發(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生的應力。
0010豎直堆疊芯片的另一個主要考慮是，在增加的加工步驟期間或者在組裝工藝本身期間產生的缺陷所導致的成品率損失，其中所述增加的加工步驟對于將芯片準備好以便組裝是必須的。由于制造費用和成品率損失，額外加工步驟的成本高昂。
0011在小占用面積內對半導體芯片進行可靠的高密度組裝的方法是一個重要目標；而一種使用現(xiàn)有技術和設備的、用于低成本地組裝這類器件的方法也是受歡迎的。
發(fā)明內容
0012根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，提供了一種半導體器件，其包括一個互連在襯底上的半導體芯片的豎直組件。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固定間隔。接合引線或引線結合(wire bond)將每個芯片連接到襯底，并且聚合物粘結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。在一個給定器件中，可以具有一個以上的支撐芯片和一個以上的第二或堆疊芯片。優(yōu)選地，該器件處于單個半導體封裝件的占用面積之內。
0013在該優(yōu)選實施例中，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，該鈍化層位于每個支撐芯片的活動表面上，所述沉積和圖案化與用來形成接合墊帽的加工步驟是同時進行的。該制造過程并沒有增加額外的成本，并且具有這樣的優(yōu)點其通過晶片形式的加工，為多個芯片提供了支座，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，從而使電路板空間減至最小，而且對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。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)點其提供了良好的導熱性以通過芯片堆散發(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)，可緩解和減輕半導體芯片和金屬島相異的熱膨脹系數(shù)所產生的應力。被沉積和蝕刻的島在整個支撐芯片上具有均勻高度，并提供了一個穩(wěn)定的引線接合表面。
0015本發(fā)明的另一個實施例提供了一種半導體芯片，其在鈍化層頂上具有一個或多個固定厚度的金屬島。優(yōu)選地，所述島包括鋁或其它易于通過公知晶片處理技術和設備加工的導熱材料。這一實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，同時進行加工以形成接合墊帽。施加光阻材料，對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蝕刻去除的。一個具有多個芯片的晶片被分成組裝到一個封裝器件中的獨立芯片，所述多個芯片在其鈍化層頂上具有圖案化的金屬島。該優(yōu)選方法不會對晶片制造帶來任何額外的成本或成品率損失。
0017在替換性實施例中，是通過沉積金屬、圖案化和蝕刻，或者通過掩模(其具有用于島的開口)進行金屬沉積，或者通過電鍍來加工芯片的，這些芯片進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，在支座的頂上對齊和放置第二芯片。如果該堆中包括兩個以上的芯片，就重復該過程。粘結劑(優(yōu)選為熱固性聚合物，例如填充有導熱填料的環(huán)氧樹脂)被固化，并將每個芯片引線接合到所述襯底。該粘結劑在所述支座的頂上形成了一個非常薄的層，從而使得該組件具有良好的導熱性和穩(wěn)定性。
0019優(yōu)選地，堆疊的芯片組件被裝在一個BGA封裝件或其它在芯片和下一級互連之間具有互連的封裝件襯底中。
0020圖1是公知器件，其包括連接到獨立插入器的豎直堆疊芯片。
0021圖2是公知器件，其具有通過絕緣層隔開的豎直堆疊芯片。
0022圖3是一個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)明一個實施例的橫截面視圖，其包括一對以鋁島作為分隔器的堆疊芯片。
0025圖5b圖解說明了在三個豎直堆疊芯片，這三個豎直堆疊芯片在每個相繼的芯片之間具有金屬島式支座。
0026圖5c是一個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。
具體實施例方式
0031圖4中，半導體器件40包括襯底44和豎直堆疊芯片401和402，其中多個金屬島式支座41在支撐芯片401的活動前側和相繼或接連的芯片402的非活動背側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。聚合物粘結劑45優(yōu)選為熱固性聚合物，例如填充有導熱材料的環(huán)氧樹脂。粘結劑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，從而使電路板空間需求減至最小，而且對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。用鋁或其它金屬島作為間隔器提供了額外的優(yōu)點其提供了增加的導熱性，以便通過芯片堆來散發(fā)和傳播熱量。對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)有的技術和設備對金接合引線進行引線接合。
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，因此由活動的半導體部件和金屬島的不相似或相異的熱膨脹系數(shù)所產生的應力可被緩解和減輕。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是一對豎直堆疊芯片501和502的更詳細的橫截面視圖，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)選被同時沉積和圖案化，因此不需要對現(xiàn)有的晶片制造增加加工步驟或增復雜度。在該優(yōu)選實施例中，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提供了一個豎直堆疊芯片對的實例，但本發(fā)明并不限于兩個芯片構成的堆，而可包括三個或更多芯片，如在圖5b、5c中圖解說明的。每個支撐芯片503、504和506分別包括金屬支座51、510和516?？梢钥闯觯畲蟮募吹谝粋€支撐芯片503具有多個島式支座51，而較小的支撐芯片504具有單個支座510。在圖5c中，兩個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)性允許減少熱產生的應力，但較小的芯片505和507可能不需要應力緩解機構。
0036堆中最上面的芯片505和507不需要金屬島。然而，為了簡化工藝、傳熱，和/或如果該芯片可能用在需要支座的應用中，也可加上金屬島。
0037在另一個實施例中，提供了一個在第一表面上具有金屬島的半導體芯片。圖6a和6b是具有多個接合墊63的芯片601的橫截面視圖，每個接合墊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。一個或多個鋁島61被限定在由接合墊界定的區(qū)域內。將島限定在接合墊區(qū)域內是為了避免影響豎直堆中支撐芯片上的引線接合工藝，并且是因為電路產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)。其間間隔開的多個島優(yōu)選用于那些可能需要緩解熱膨脹不匹配的大芯片中。但對于小芯片，單個島也是可以接受的。優(yōu)選地，金屬支座足夠大，以對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/或增加半導體器件導熱性的優(yōu)選工藝是在晶片形式中使用現(xiàn)有的金屬沉積、光學加工和蝕刻技術。提供一種晶片，其具有包含銅的接合墊，并且具有一個帶有用于引線接合的開口的鈍化層。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光掩模曝光，該光掩模在每個接合墊的頂上定義了一個帽，并且疊置在所述鈍化層上。該掩模在接合墊區(qū)域內進一步定義了一個或多個島。通過蝕刻去除多余的金屬，從而留下在鈍化表面之上凸起5-20kA范圍內的島。這些加工步驟并沒有對具有多個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已經對具有銅接合墊和提供適當引線接合表面的鋁帽的芯片，描述了相應的器件和制造方法。然而，對于具有鋁接合墊或其它不需要帽的接合表面的器件而言，可通過沉積、光圖案化和蝕刻，或者可通過經由掩模開口進行沉積，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，通過貼片粘結劑將支撐芯片對齊和放置到襯底，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熱填料的熱固性粘結劑)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齊和放置在所述粘結劑上，并使所有的貼片粘結劑交聯(lián)。在接下來的步驟中，將每個芯片引線接合到襯底。優(yōu)選地，通過公知的封裝方法為該組件提供機械保護。
0042在一個替換性的組裝工藝中，在堆疊第二芯片以及接合之前，每個芯片就被引線接合到襯底。
0043如果該器件中包括兩個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，并將粘結劑施加到第二芯片的支座和頂部，使粘結劑固化，從而附連上所述接合引線。
0044在那些支撐芯片上具有一個以上并排放置的芯片的器件中，其組裝與針對具有兩個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加工步驟在業(yè)內是公知的，并不需要任何額外的設備或工藝過程開發(fā)。
權利要求
1.一種半導體器件，其包括一個具有導電互聯(lián)的襯底；位于所述襯底上的兩個或多個豎直堆疊的芯片，每個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相繼的芯片間隔開；以及多條接合引線，其將至少一個芯片連接到所述襯底。
2.根據(jù)權利要求1所述的半導體器件，其中所述金屬支座包括鋁島。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的半導體器件，其中所述金屬支座的厚度為5-20千埃。
4.根據(jù)權利要求1-3中任一項所述的半導體器件，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)權利要求1-4中任一項所述的半導體器件，其中所述金屬支座是導熱的。
6.根據(jù)權利要求1-5中任一項所述的半導體器件，其中所述金屬支座位于由接合墊包圍的區(qū)域內。
7.根據(jù)權利要求1-6中任一項所述的半導體器件，其中所述第一芯片由一種聚合物粘結劑固定到所述襯底。
8.根據(jù)權利要求1-7中任一項所述的半導體器件，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體芯片的方法，其包括以下步驟提供一個半導體晶片，該半導體晶片具有多個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口；將一個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；進行蝕刻，以將不需要的金屬從所述晶片上去除掉；以及將所述晶片切割為獨立的芯片。
10.一種組裝具有豎直堆疊芯片的半導體器件的方法，所述豎直堆疊芯片具有一個或多個固定的金屬支座來隔開所述芯片，所述方法包括以下步驟提供一個具有接合區(qū)和導電互聯(lián)的襯底；將聚合物貼片粘結劑施加到所述襯底；將具有一個或多個金屬支座的支撐芯片與所述粘結劑對齊；在所述支撐芯片上將粘結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劑的頂上對齊第二芯片；以及將每個所述芯片引線接合到所述襯底。
11.根據(jù)權利要求10所述的方法，進一步包括以下步驟將粘結劑施加到所述第二芯片上的所述島，對齊和放置第三芯片，固化所述粘結劑，以及從所述第三芯片至所述襯底進行引線接合。
全文摘要
本發(fā)明描述了一種半導體器件40，其包括互連在一個襯底上的半導體芯片401、402的豎直組件，所述襯底具有一個或多個金屬支座41，金屬支座41在每個支撐芯片401和下一個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在每個支撐芯片的鈍化層頂上圖案化鋁島，并同時進行加工以形成接合墊帽來實現(xiàn)的。該制造工藝不需要額外的成本，并具有以晶片形式進行加工以為多個芯片提供支座的優(yōu)點，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，以便使每個所述芯片被引線接合到所述襯底。
文檔編號H01L23/34GK1957462SQ200580016529
公開日2007年5月2日 申請日期2005年3月23日 優(yōu)先權日2004年3月23日
發(fā)明者K·C·切魯庫瑞, W·J·維格斯 申請人:德克薩斯儀器股份有限公司