专利名称：输入/输出垫结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体装置，且特别涉及一种三维集成电路(3D-IC)的输入/ 输出垫(I/Opad)结构。
背景技术：
半导体IC芯片结构通过各种输入/输出垫与外界传输，例如信号垫、电 源/地垫(Power/Ground pad)等。图1显示一传统的输入/输出垫结构100，其 具有七层布线的焊垫下电路(CUP; Circuit Under Pad)结构。包含第一层至第 五层金属作为内连线的输入/输出单元结构120形成在基底110上方。输入/ 输出单元结构120可为任何电路，而其最顶部的两层金属一第六层金属134 与第七层金属136在此处作为焊垫结构130。第七层金属136通过导孔144 电性连接至第六层金属134。第六层金属134通过导孔142电性连接至输入/ 输出单元结构120。接着以焊线连接至第七层金属136。输入/输出单元结构 120通常包括晶体管与电阻等半导体元件，用来输入和/或输出信号，并用来 接收电源与接地。这些半导体元件可用在输入缓冲器、输出驱动器、或静电 放电(ESD; electrostatic discharge)电路上。 一般而言，这些半导体元件设置 在有源区上，其导电性为介于导体与绝缘体之间的半导体。
然而，传统的输入/输出垫结构100是为了配合单一芯片封装技术而发 展。随着三维集成电路的日益普及，输入/输出垫结构也要能配合三维集成电 路的技术。
图2显示一种三维集成电路的焊垫结构200，其中两个裸片210、 230以 面-对-面(face-to-face)方式堆叠以节省空间。下裸片210包含一基底212以及 一穿过介电材料215的内导体(inner-connector)218，以连接基底212至铜接 合垫221。基底212中形成有半导体元件，例如晶体管。内导体218可包含 数层金属层、导孔、与接触插塞(未显示)。导孔(via)连接两金属层。接触插 塞(contact)连接一金属层至基底212。铜接合垫221为一金属表面，用来连接
4上裸片230的铜接合垫241。上裸片230具有类似的结构，包含一基底232 以及一穿过介电材料235的内导体238，以连接基底232至铜接合垫241。 内导体238可包含数层金属层、导孔、与接触插塞(未显示)。由于外部信号 与电源供应是连接到上裸片230，在一般工艺中，利用硅通孑L(TSV; through siliconvia)252将内导体238连接至背侧金属255。之后，通常是以重分布层 (RDL; redistributed layer)的形式将铝垫260设置在背侧金属255之上。焊线 可接合至铝垫260上的凸块265。
请同时参照图1与图2，本领域普通技术人员当可了解，传统的输入/输 出垫结构100无法用于三维集成电路的焊垫结构200，因为硅通孔252与内 导体238会阻碍任何输入/输出单元结构设置于铝垫260下方。因此，具有图 1的传统输入/输出垫结构的芯片无法直接翻覆而用在三维集成电路上。由于 输入/输出垫结构非常关键，且可能需要经投片验证(proven-in-silicon)，重新
设计一输入/输出垫结构经常旷时费日，成本过高。
因此，目前亟需一种可将传统输入/输出垫结构用在三维集成电路的技 术，而不需重新设计传统的输入/输出垫结构。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明公开一种集成电路的输入/
输出垫结构，包括 一第一垂直区域于集成电路中，包括一顶金属层与一个 或多个半导体元件于顶金属层下方，第一垂直区域的顶金属层作为一第一焊
垫，半导体元件电性连接至第一焊垫； 一第二垂直区域于集成电路中，包括
顶金属层与一个或多个硅通孔于顶金属层下方，第二垂直区域的顶金属层作 为一第二焊垫，且第二焊垫下方没有形成半导体元件，硅通孔电性连接至第
二焊垫，其中第一焊垫与第二焊垫经由至少一金属层电性连接。
依照本发明一实施例，上述第一焊垫为探针垫，而第二焊垫为铜接合垫。
依照本发明另一实施例，上述第一焊垫为铜接合垫，而第二焊垫为探针垫。 本发明还公开了一种输入/输出垫结构，适用于一集成电路，包括.* 一第
一垂直区域于该集成电路中，该第一垂直区域包括一顶金属层与一个或多个
半导体导元件形成于该顶金属层下方，该第一垂直区域的该顶金属层作为一
探针垫，所述半导体元件电性连接至该探针垫； 一第二垂直区域于该集成电路中且邻近该第一垂直区域，该第二垂直区域包括该顶金属层与一个或多个 硅通孔形成于该顶金属层下方，该第二垂直区域的该顶金属层作为一接合 垫，且该接合垫下方没有形成半导体元件，该硅通孔电性连接至该接合垫； 其中该探针垫与该接合垫经由至少一金属层电性连接。
本发明另外还公开了一种输入/输出垫结构，适用于一集成电路，包括 一第一垂直区域于该集成电路中，该第一垂直区域包括一顶金属层与一个或 多个半导体导元件形成于该顶金属层下方，该第一垂直区域的该顶金属层作 为一接合垫，所述半导体元件电性连接至该接合垫； 一第二垂直区域于该集 成电路中且邻近该第一垂直区域，该第二垂直区域包括该顶金属层与一个或 多个硅通孔形成于该顶金属层下方，该第二垂直区域的该顶金属层作为一探 针垫，且该探针垫下方没有形成半导体元件，该硅通孔电性连接至该探针垫； 其中该接合垫与该探针垫经由至少一金属层电性连接。
本发明可将传统输入/输出垫结构用在三维集成电路的技术，而不需 重新设计，具有应用灵活方便，并且成本较低的优点。
为让本发明的上述和其他目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举 出优选实施例，并配合附图，作详细说明如下。
图1为一传统输入/输出垫结构的剖面图。
图2为一种三维集成电路的焊垫结构的剖面图。
图3A与图3B显示本发明将TSV尾端结构结合至一传统输入/输出垫结 构的实施例。
4A图~图4C显示TSV尾端结构于三维集成电路的各种应用。
上述附图中的附图标记说明如下
100~传统输入/输出垫结构
110~基底
120~输入/输出单元结构 130~焊垫结构 134 第六层金属 136 第七层金属142、 144~导孔
200 三维集成电路的焊垫结构
210、 230 裸片
212、 232~基底
215、 235~介电材料
218、 238~内导体
221、 241 铜接合垫
252 硅通孔
255 背侧金属
260~铝垫
265~凸块
300 TSV尾端结构
320 输入/输出尾端连接器
324、 326~金属层
336 顶金属层
344~导孔
352~硅通孔
355 背侧金属
360 铝垫
365~焊线凸块
400、 470~裸片
410、 480 基底
415、 485、 415A、 485A 连接层 436、 476~铜接合垫 452~硅通孔 455 背侧金属
具体实施例方式
本发明将一硅通孔(TSV)尾端结构结合至一传统的输入/输出垫结构上， 使其能应用在三维集成电路。图3A与图3B显示本发明将TSV尾端结构300结合至一传统的输入/输 出垫结构100的实施例。传统的输入/输出垫结构100与图1所显示者相同， 其中最顶端的两金属层134、 136用来使焊垫具有更好的黏着力。在最顶端 两金属层134、 136以下的其他金属层可具有任何结构。输入/输出单元结构 120包含一功能性电路，例如静电放电(ESD)电路，通常设置于金属层134、 136下方以节省布局空间。为了使传统的输入/输出垫结构IOO可以用在三维 集成电路，将一硅通孔(TSV)尾端结构300设置于传统输入/输出垫结构100 旁边。TSV尾端结构300包含一顶金属层336作为铜接合垫或探针垫。铜接 合垫是用来连接堆叠裸片上的另一铜接合垫；而探针垫则是只用在测试时与 探针接触，在测试过后，探针垫即不再使用。
请再参见图3A， TSV尾端结构300也包含一输入/输出尾端连接器(1/0 tailconnector)320。与输入/输出单元结构120不同的是，输入/输出尾端连接 器320单纯地只作为顶金属层336与基底110的连接。此连接包含顶金属层 336与下方金属层之间的导孔(via)344。输入/输出尾端连接器320可包含顶 金属层336下方所有的金属层。不同的金属层之间以导孔作为连接。举例而 言，图3A所示的传统输入/输出垫结构100与TSV尾端结构300是以7层金 属工艺形成，换言之，顶金属层336为第7层金属(meta17)，而输入/输出尾 端连接器320则是由第l层金属(metal l)至第6层金属(metal 6)与各自的导孔 所构成。输入/输出尾端连接器320通过两金属层324、 326连接至输入/输出 垫结构IOO。两金属层324、 326可为第l层金属至第6层金属的任意两层。 事实上，该连接可由单一金属层或甚至所有的金属层来达成，只要输入/输出 垫结构100与TSV尾端结构300连接即可。
请再参见图3A,图中显示多个硅通孔(TSV)352将输入/输出尾端连接器 320连接至背侧金属355，且此背侧金属355被一铝垫360所覆盖。 一焊线 凸块365设置于铝垫360表面。
图3B为输入/输出尾端结构300结合至传统输入/输出垫结构100的简化 俯视图。传统输入/输出垫结构100—般包含探针垫136，且在探针垫136底 下为输入/输出单元结构120。输入/输出尾端结构300 —般包含铜接合垫336， 且在铜接合垫336底下为输入/输出尾端连接器320。输入/输出单元结构120 经由金属层324连接至输入/输出尾端连接器320。在金属层324底下可能还包括另一金属层326(未显示)。输入/输出垫结构100与输入/输出尾端结构300 可为互相抵接(butted)或分离，只要电性连接即可。使用输入/输出尾端结构 300来加入TSV结构可使该芯片用于三维集成电路，而不需改变传统的输入 /输出垫结构100。重新设计输入/输出垫结构100可能需要许多次重复的工 艺，因此需昂贵成本且无法确保成功。
图4A 图4C显示TSV尾端结构于三维集成电路的各种应用，其中标号 100代表传统的输入/输出垫结构，标号300代表输入/输出尾端结构，标号 400代表上裸片，标号470代表下裸片，标号410代表上裸片的基底，标号 480代表下裸片的基底，标号436、 476分别代表上裸片400与下裸片470 的铜接合垫，标号452代表上裸片400的TSV，标号455代表上裸片400的 背侧金属，标号415、 485与其衍生标号例如415A、 485A分别代表上裸片 400的输入/输出垫结构100与输入/输出尾端结构300跟下裸片470的连接。 上裸片400与下裸片470最终是以面对面(face-to-face)接合技术结合在一起， 通常是利用热或压力的方式。
图4A显示一外部信号(包括电源或接地供应)由上裸片400与下裸片470 共享时的应用。在此实施例中，上裸片400的连接层415与下裸片470的连 接层4S5皆从输入/输出垫结构100连续延伸至输入/输出尾端结构300。上述 外部信号先连接至上裸片400的背侧金属455，之后经由铜接合垫436、 476 连接至下裸片470。
图4B显示一外部信号(包括电源或接地供应)只供应至下裸片470的应 用。在此实施例中，上裸片400的连接层415在输入/输出垫结构100与输入 /输出尾端结构300之间中断。然而，下裸片470的连接层485则从输入/输 出垫结构100连续延伸至输入/输出尾端结构300。上述外部信号先只连接至 上裸片400的输入/输出尾端结构300，然后经由铜接合垫436、 476连接至 下裸片470。
图4C显示一外部信号(包括电源或接地供应)只供应至上裸片400的应 用。在此实施例中，上裸片400的连接层415从输入/输出垫结构100连续延 伸至输入/输出尾端结构300。然而，下裸片470的连接层485甚至未设置在 输入/输出尾端结构300的区域。上述外部信号只供应至上裸片400。
虽然图4A 图4C显示本发明应用在面对面接合的三维集成电路，但因
9为本发明只跟裸片中正面与背面之间的连接区域相关，因此本领域普通技术
人员同样可将本发明应用在面对背(face-to-back)的三维集成电路。
虽然本发明己以数个优选实施例公开如上，然其并非用以限定本发明， 任何所属技术领域中普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可 作任意的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求所界定的 范围为准。
权利要求
1.一种输入/输出垫结构，适用于一集成电路，包括一第一垂直区域于该集成电路中，该第一垂直区域包括一顶金属层与一个或多个半导体元件形成于该顶金属层下方，该第一垂直区域的该顶金属层作为一第一焊垫，所述半导体元件电性连接至该第一焊垫；一第二垂直区域于该集成电路中，该第二垂直区域包括该顶金属层与一个或多个硅通孔形成于该顶金属层下方，该第二垂直区域的该顶金属层作为一第二焊垫，且该第二焊垫下方没有形成半导体元件，该硅通孔电性连接至该第二焊垫；其中该第一焊垫与该第二焊垫经由至少一金属层电性连接。
2. 如权利要求1所述的输入/输出垫结构，其中该第一焊垫为一探针垫， 且该第二焊垫为一用来电性连接两个堆叠集成电路的接合垫。
3. 如权利要求1所述的输入/输出垫结构，其中该第一焊垫为一用来电性 连接两个堆叠集成电路的接合垫，且该第二焊垫为一探针垫。
4. 如权利要求3所述的输入/输出垫结构，其中该接合垫的材料包含铜。
5. 如权利要求1所述的输入/输出垫结构，其中所述半导体元件包括用于 输入缓冲器、输出驱动器、或静电放电电路的晶体管。
6. 如权利要求1所述的输入/输出垫结构，还包括一背侧金属层与该第二 垂直区域的硅通孔接触。
7. 如权利要求1所述的输入/输出垫结构，还包括一金属垫于该背侧金属 层上且与该背侧金属层接触，用以连接一焊线。
8. —种输入/输出垫结构，适用于一集成电路，包括 一第一垂直区域于该集成电路中，该第一垂直区域包括一顶金属层与一个或多个半导体导元件形成于该顶金属层下方，该第一垂直区域的该顶金属 层作为一探针垫，所述半导体元件电性连接至该探针垫；一第二垂直区域于该集成电路中且邻近该第一垂直区域，该第二垂直区 域包括该顶金属层与一个或多个硅通孔形成于该顶金属层下方，该第二垂直 区域的该顶金属层作为一接合垫，且该接合垫下方没有形成半导体元件，该 硅通孔电性连接至该接合垫；其中该探针垫与该接合垫经由至少一金属层电性连接。
9. 如权利要求8所述的输入/输出垫结构，其中该接合垫的材料包含铜。
10. 如权利要求8所述的输入/输出垫结构，其中所述半导体元件包括用 于输入缓冲器、输出驱动器、或静电放电电路的晶体管。
11. 如权利要求8所述的输入/输出垫结构，还包括一背侧金属层与该第 二垂直区域的硅通孔接触。
12. —种输入/输出垫结构，适用于一集成电路，包括 一第一垂直区域于该集成电路中，该第一垂直区域包括一顶金属层与一个或多个半导体导元件形成于该顶金属层下方，该第一垂直区域的该顶金属 层作为一接合垫，所述半导体元件电性连接至该接合垫；一第二垂直区域于该集成电路中且邻近该第一垂直区域，该第二垂直区 域包括该顶金属层与一个或多个硅通孔形成于该顶金属层下方，该第二垂直 区域的该顶金属层作为一探针垫，且该探针垫下方没有形成半导体元件，该 硅通孔电性连接至该探针垫；其中该接合垫与该探针垫经由至少一金属层电性连接。
13. 如权利要求12所述的输入/输出垫结构，其中该接合垫的材料包含铜。
14. 如权利要求12所述的输入/输出垫结构，其中所述半导体元件包括用 于输入缓冲器、输出驱动器、或静电放电电路的晶体管。
15. 如权利要求12所述的输入/输出垫结构，还包括一背侧金属层与该第 二垂直区域的硅通孔接触。
全文摘要
本发明公开一种集成电路的输入/输出垫结构，包括一第一垂直区域于集成电路中，包括一顶金属层与一个或多个半导体元件于顶金属层下方，第一垂直区域的顶金属层作为一第一焊垫，半导体元件电性连接至第一焊垫；一第二垂直区域于集成电路中，包括顶金属层与一个或多个硅通孔于顶金属层下方，第二垂直区域的顶金属层作为一第二焊垫，且第二焊垫下方没有形成半导体元件，硅通孔电性连接至第二焊垫，其中第一焊垫与第二焊垫经由至少一金属层电性连接。本发明可将传统输入/输出垫结构用在三维集成电路的技术，而不需重新设计，具有应用灵活方便，并且成本较低的优点。
文档编号H01L23/522GK101582412SQ200910002060
公开日2009年11月18日 申请日期2009年1月12日 优先权日2008年5月12日
发明者王中兴, 蔡志升 申请人:台湾积体电路制造股份有限公司