半导体器件和形成用于POP模块的竖向互连结构的方法与流程

半导体器件和形成用于pop模块的竖向互连结构的方法
技术领域
1.本发明一般涉及半导体器件，并且更具体地涉及半导体器件和在封装体叠层(pop)模块中不用蚀刻、钻孔或激光直接烧蚀(lda)而形成竖向互连结构的方法。


背景技术：

2.半导体器件通常出现在现代电子产品中。半导体器件执行宽范围的功能，诸如信号处理、高速计算、发射和接收电磁信号、控制电子设备、进行光电作用以及创建用于电视显示的视觉图像。半导体器件出现在通信、功率转换、网络、计算机、娱乐和消费产品的领域中。半导体器件还出现在军事应用、航空、汽车、工业控制器和办公设备中。
3.大多数3d晶片级半导体封装，包括堆叠封装或封装体叠层(pop)，使用贯通硅通孔(tsv)和贯通模制通孔(tmv)用于竖向电互连。例如，导电柱被形成为通过硅或包封物以电连接到顶部封装或顶部半导体管芯。形成tsv和tmv的步骤典型地涉及激光钻孔或其它蚀刻处理，以形成通过硅或包封物的通孔或开口。然后利用导电材料填充通孔以形成竖向导电tsv和tmv。由于专用设备和附加步骤的数量，使用激光钻孔或其它蚀刻处理的常规通孔形成对制造处理添加了成本。
附图说明
4.图1a至图1f图示具有多个半导体管芯的半导体晶片，多个半导体管芯具有导电柱；图2a至图2s图示在pop模块中不进行蚀刻、钻孔或lda的情况下形成竖向互连结构的处理；图3图示具有来自图2a至图2s的竖向互连结构的pop模块；图4图示具有安装到互连基板的底部填充材料的pop模块；以及图5图示具有安装到印刷电路板(pcb)的表面的不同类型的封装的pcb。
具体实施方式
5.在以下的描述中参照各图在一个或多个实施例中描述本发明，各图中同样的标号表示相同或相似的要素。虽然就用于实现本发明的目的的最佳方式描述了本发明，但是本领域技术人员将领会，本发明旨在覆盖可以包括在由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的替换、修改和等同物以及由以下公开和附图支持的它们的等同物。如在此使用的术语“半导体管芯”指代用语的单数形式和复数形式这两者，并且因此可以指代单个半导体器件和多个半导体器件这两者。
6.半导体器件一般是使用两种复杂的制造处制造的：前端制造和后端制造。前端制造涉及在半导体晶片的表面上形成多个管芯。晶片上的每个管芯包含被电连接以形成功能电路的有源电组件和无源电组件。诸如晶体管和二极管的有源电组件具有控制电流流动的能力。诸如电容器、电感器和电阻器的无源电组件创建电压和电流之间的执行电路功能所
需要的关系。
7.后端制造指代将完成的晶片切割或单体化成单独的半导体管芯，并且封装半导体管芯以用于结构支承、电互连和环境隔离。为了单体化半导体管芯，晶片被沿着晶片的被称为划片街区或划痕区的非功能区划刻并且断裂。使用切割工具或锯切刃将晶片单体化。在单体化之后，将单独的半导体管芯安装到封装基板，封装基板包括用于与其它系统组件互连的管脚或接触焊盘。然后将形成在半导体管芯上的接触焊盘连接到封装内的接触焊盘。可以利用导电层、凸块、柱形凸块、导电焊膏或布线接合来进行电连接。包封物或其它模制材料被沉积在封装上以提供物理支承和电隔离。然后将完成的封装插入到电系统中，并且使半导体器件的功能性可用于其它系统组件。
8.图1a示出具有基底基板材料102的半导体晶片100，基底基板材料102诸如为硅、锗、磷化铝、砷化铝、砷化镓、氮化镓、磷化铟、碳化硅或用于结构支承的其它块体材料。多个半导体管芯或组件104被形成在晶片100上，由非有源的、管芯间晶片区域或划片街区106分离开。划片街区106提供切割区域以将半导体晶片100单体化成单独的半导体管芯104。在一个实施例中，半导体晶片100具有100-450毫米(mm)的宽度或直径。
9.图1b示出半导体晶片100的一部分的横截面视图。每个半导体管芯104具有背侧或非有源表面107和有源表面108，其包含被实现为形成在管芯内并且被根据管芯的电设计和功能电互连的有源器件、无源器件、导电层和电介质层的模拟或数字电路。例如，电路可以包括一个或多个晶体管、二极管和形成在有源表面108内的其它电路元件，以实现模拟电路或数字电路，诸如数字信号处理器(dsp)、专用集成电路(asic)、存储器或其它信号处理电路。半导体管芯104还可以包含用于rf信号处理的ipd，诸如电感器、电容器和电阻器。
10.使用pvd、cvd、电解电镀、无电电镀处理或其它合适的金属沉积处理在有源表面108上形成导电层109。导电层109可以是一层或多层的铝(al)、铜(cu)、钛(ti)、锡(sn)、镍(ni)、金(au)、银(ag)或其它合适的导电材料。导电层109作为电连接到有源表面108上的电路的接触焊盘进行操作。
11.光敏材料110被沉积在有源表面108和导电层109上。在一个实施例中，光敏材料110是光致抗蚀剂层。光致抗蚀剂层110被图案化以形成通孔或开口112。在一个实施例中，掩模113被部署在光致抗蚀剂层110上。掩模113和光致抗蚀剂层110的被暴露的区域经受紫外光114作用。暴露于uv光的光致抗蚀剂层110的区域115硬化，而掩模113下方的区域116保持可溶。在图1c中，移除掩模113并且冲洗掉光致抗蚀剂层110的可溶区域116，留下通孔112。因此在没有蚀刻、钻孔或激光直接烧蚀(lda)的情况下形成通孔112。通孔112与导电层109对准并且延伸到导电层109。
12.在图1d中，利用导电材料填充通孔112以在导电层109上形成导电柱118。在一个实施例中，使用pvd、cvd、电解电镀、无电电镀处理或其它合适的金属沉积处理在导电层109上形成导电柱118。在图1e中，移除光致抗蚀剂层110，留下导电柱118。
13.在图1f中，使用锯切刃或切割工具119通过划片街区106将半导体晶片100单体化成单独的半导体管芯104。单独的半导体管芯104可以被检查和电测试，以用于标识单体化后的kgd。
14.图2a至图2s图示在没有蚀刻、钻孔或lda的情况下形成竖向互连结构的处理。具有相似功能的要素被分配相同的参考标号。图2a示出包括基底层122、释放层124和籽晶层126
的基板120的横截面视图。基底层122可以是半导体晶片、编织玻璃、毛面玻璃、预浸渍(预浸)的聚四氟乙烯(ptfe)、fr-4、fr-1、cem-1或cem-3，其与酚醛棉纸、环氧树脂、聚酯和其它增强纤维或织物组合。使用pvd、cvd、电解电镀、无电电镀处理或其它合适的金属沉积处理在释放层124上形成籽晶层126。释放层124在不损坏组件的情况下提供稍后的基底层122从籽晶层126的分离。籽晶层126可以是一层或多层的al、cu、sn、ni、au、ag或其它合适的导电材料。
15.在图2b中，通过图案化和蚀刻处理移除籽晶层126的一部分，以留下电接触126a-126f。根据半导体器件的电功能，将电接触126a-126f布置在布局图案中。例如，图2c示出用于电接触126a-126f的电路图案128的顶视图。
16.在图2d中，光敏材料130被沉积在释放层124的表面131和电接触126a-126f上。在一个实施例中，光敏材料130是光致抗蚀剂层。光致抗蚀剂层130被图案化以形成通孔或开口132。在一个实施例中，掩模135被部署在光致抗蚀剂层130上。掩模135和光致抗蚀剂层130的被暴露的区域暴露于紫外光133。光致抗蚀剂层130的暴露于uv光的区域134硬化，而掩模135下方的区域136保持可溶。在图2e中，移除掩模135并且冲洗掉光致抗蚀剂层130的区域136，留下通孔132。因此在不进行蚀刻、钻孔或lda的情况下形成通孔132。通孔132与电接触126a-126f对准并且延伸到电接触126a-126f。
17.在图2f中，利用导电材料填充通孔132以在电接触126a-126f上形成导电柱138。在一个实施例中，使用pvd、cvd、电解电镀、无电电镀处理或其它合适的金属沉积处理在电接触126a-126f上形成导电柱138。在图2g中，移除光致抗蚀剂层130，留下导电柱138。
18.在图2h中，多个电组件140a-140b被安装到释放层122的在导电柱138之间的表面131。使用拾取和放置操作将每个电组件140a-140b定位在基板120上。电组件140a-140b的每个具有在不进行蚀刻、钻孔或lda的情况下形成的导电柱118。导电柱118可以被用于竖向电互连。例如，电组件140a和140b可以是来自图1f的具有导电柱118的半导体管芯104，其中有源表面108被定向为背对释放层124的表面131。替换地，电组件140a-140b可以包括半导体封装、半导体管芯、表面安装器件、分立电子器件、分立晶体管、二极管或ipd。图2i示出被安装到释放层124的在导电柱138之间的表面131的具有导电柱118的电组件140a-140b。导电柱138具有图2c中的类似的电路图案128，因为每个导电柱被形成在电接触126a-126f上。
19.在图2j中，包封物148被沉积在电组件140a-140d、导电柱138和118以及释放层124上。包封物148可以是聚合物复合材料，诸如具有填充物的环氧树脂、具有填充物的环氧丙烯酸酯、或具有适当填充物的聚合物。包封物148是不导电的，提供结构支承，并且在环境上保护半导体器件不受外部因素和污染物影响。
20.在图2k中，通过研磨机150移除包封物148以及导电柱138和118的一部分，以平坦化包封物的表面152并且暴露出导电柱138的表面154和导电柱118的表面156。替换地，通过化学蚀刻、化学机械抛光(cmp)、机械剥除、机械研磨、热烘、紫外(uv)光或湿法剥离来移除包封物148以及导电柱138和118的一部分，以平坦化包封物的表面152并且暴露出导电柱138的表面154和导电柱118的表面156。图2l示出研磨后的半导体组件组装160，具有电路图案158，包括被从包封物148的表面152暴露的导电柱138和导电柱118。图2m是研磨后的半导体组件组装160的顶视图，具有电路图案158，包括被从包封物148的表面152暴露的导电柱138和导电柱118。
21.在图2n中，使用pvd、cvd、电解电镀、无电电镀处理或其它合适的金属沉积处理使导电层162图案化并且形成在包封物148的表面152上。导电层162可以是一层或多层的al、cu、sn、ni、au、ag或其它合适的导电材料。导电层162被电连接到导电柱138和118，并且提供第二层级电路图案164，以提供用于半导体组件组装160的附加的电互连。
22.多个电组件166a-166b被安装到在包封物148的表面152以及导电柱118和138上的导电层162。使用拾取和放置操作将每个电组件166a-166b定位在基板120上。例如，电组件166a和166b可以是与来自图1a的半导体管芯104类似地制成的半导体管芯，具有凸块169而不是导电柱，并且可能地具有不同的电功能。多个凸块169被形成在半导体管芯的有源表面上。半导体管芯被部署在半导体组件组装160上，其中凸块169被定向为朝向导电层162。使用回流处理，凸块169进行与导电层162的机械和电连接。替换地，电组件166a-166b可以是半导体封装、表面安装器件、分立电子器件、分立晶体管、二极管或ipd。图2o示出安装到在包封物148的表面152以及导电柱118和138的上的导电层162的电组件166a-166b。
23.在图2p中，包封物168被沉积在电组件166a-166b、导电层162和包封物148上。包封物168可以是聚合物复合材料，诸如具有填充物的环氧树脂、具有填充物的环氧丙烯酸酯、或具有适当填充物的聚合物。包封物168是不导电的，提供结构支承，并且在环境方面保护半导体器件不受外部因素和污染物影响。
24.在图2q中，通过化学蚀刻、cmp、机械剥除、机械研磨、热烘、uv光、或湿法剥离来移除基板120的基底层122，以暴露出电接触126a-126f。释放层124允许分离基底层122分离而不损坏电组件140a-140b或电接触126a-126f。
25.在图2r中，使用pvd、cvd、电解电镀、无电电镀处理或其它合适的金属沉积处理使导电层170图案化并且形成在电接触126a-126f和包封物148的表面172上。导电层170可以是一层或多层的al、cu、sn、ni、au、ag或其它合适的导电材料。导电层170被电连接到导电柱138和118，并且提供用于半导体组件组装160的附加的电互连。
26.使用蒸发、电解电镀、无电电镀、球滴或丝网印刷处理在导电层170和包封物148的表面172上沉积导电凸块材料。凸块材料可以是al、sn、ni、au、ag、pb、bi、cu、焊料和它们的组合，具有可选的助熔剂溶液。例如，凸块材料可以是共晶sn/pb、高铅焊料或无铅焊料。使用合适的附接或接合处理将凸块材料接合到导电层170。在一个实施例中，通过将凸块材料加热到其熔点以上来使凸块材料回流以形成球或凸块176。在一个实施例中，凸块176被形成在具有润湿层、阻挡层和粘合剂层的ubm上。凸块176也可以被压缩接合或热压缩接合到导电层170。凸块176表示可以被形成在导电层170上的一种类型的互连结构。互连结构还可以使用接合布线、导电焊膏、柱形凸块、微凸块或其它电互连。
27.在图2s中，使用锯切刃或切割工具178通过导电柱138将半导体组件组装件160单体化成单独的pop或系统级封装(sip)模块180。单独的pop模块180可以被检查和电测试，以用于标识单体化后的kgd。图3示出单体化后的pop模块180，其中导电柱138的侧表面182被从pop模块暴露。
28.在图4中，pop模块180被安装到包括导电层和绝缘层(未示出)的互连基板190。导电层提供跨互连基板190的水平电互连和在基板190的顶表面192和底表面194之间的竖向电互连。取决于pop模块180和其它电组件的设计和功能，导电层的部分可以是电公共的或电隔离的。互连基板190中的绝缘层提供导电层之间的隔离。凸块196被形成在表面194上的
导电层上。pop模块180被安装到表面192上的导电层。凸块176进行到互连基板190的导电层的机械和电连接。诸如环氧树脂的底部填充材料200可以被沉积在pop模块180下方以覆盖导电柱138的侧表面182。
29.通过对光致抗蚀剂层进行图案化以形成通孔来形成用于pop模块180的竖向互连结构。利用导电材料填充通孔以提供导电柱。在不进行蚀刻、钻孔或lda的情况下形成这些竖向导电柱以降低制造成本。
30.图5图示具有芯片载体基板或pcb 302的电子设备300，其中多个半导体封装被安装在pcb 302的表面上，包括pop模块180。取决于应用，电子设备300可以具有一种类型的半导体封装或者多种类型的半导体封装。
31.电子设备300可以是使用半导体封装来执行一个或多个电气功能的单独的系统。替换地，电子设备300可以是更大系统的子组件。例如，电子设备300可以是平板电脑、蜂窝电话、数码相机、通信系统或其它电子设备的一部分。替换地，电子设备300可以是图形卡、网络接口卡或可以被插入到计算机中的其它信号处理卡。半导体封装可以包括微处理器、存储器、asic、逻辑电路、模拟电路、rf电路、分立器件或其它半导体管芯或电组件。小型化和重量减轻对于产品被市场接受而言是至关重要的。可以减小半导体器件之间的距离以实现更高的密度。
32.在图5中，pcb 302提供用于安装在pcb上的半导体封装的结构支承和电互连的一般基板。使用蒸发、电解电镀、无电电镀、丝网印刷或其它合适的金属沉积处理在pcb 302的层的表面上或内部形成导电信号迹线304。信号迹线304提供在半导体封装、安装的组件和其它外部系统组件的每个之间的电通信。迹线304还向每个半导体封装提供功率和接地连接。
33.在一些实施例中，半导体器件具有两个封装层级。第一层级封装是用于将半导体管芯机械地和电气地附接到中间基板的技术。第二层级封装涉及将中间基板机械地和电气地附接到pcb。在其它实施例中，半导体器件可以仅具有第一层级封装，其中管芯被机械地和电气地直接安装到pcb。为了说明的目的，在pcb 302上示出若干种类型的第一层级封装，包括接合布线封装306和倒装芯片308。附加地，示出安装在pcb 302上的若干种类型的第二层级封装，包括球栅阵列(bga)310、凸块芯片载体(bcc)312、平面网格阵列(lga)316、多芯片模块(mcm)或pop模块318、四方扁平无引线封装(qfn)320、四方扁平封装322、嵌入式晶片级球栅阵列(ewlb)324和晶片级芯片尺度封装(wlcsp)326。在一个实施例中，ewlb 324是扇出晶片级封装(fo-wlp)并且wlcsp 326是扇入晶片级封装(fi-wlp)。取决于系统要求，配置有第一层级封装类别和第二层级封装类别的任何组合的半导体封装的任何组合以及其它电组件可以被连接到pcb 302。在一些实施例中，电子设备300包括单个附接的半导体封装，而其它实施例要求多个互连的封装。通过在单个基板上组合一个或多个半导体封装，制造商可以将预制组件合并到电子设备和系统中。因为半导体封装包括复杂的功能性，所以可以使用更便宜的组件和流水线制造处理来制造电子设备。所得到的设备不太可能失效，并且制造起来更便宜，造成对于消费者而言的更低的成本。
34.虽然已经详细地说明了本发明的一个或多个实施例，但是本领域技术人员将领会，可以在不脱离如在随后的权利要求中阐述的本发明的范围的情况下作出对那些实施例修改和适配。