TW200939442A - Semiconductor chip having TSV (through silicon via) and stacked assembly including the chips - Google Patents

Description

200939442 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域] 本發明係有關於一種半導體裝置，特別係有關於一 種具有矽通孔（Through Silicon Via, TSV)之半導體晶片 構造及其堆疊組合。 【先前技術】 在半導體電子產品之領域中，積體電路形成半導體 ❹ 晶片之主動表面，而傳統晶片之端子，例如銲墊，亦形 成於主動表面。在晶片的高密度電性互連技術中，希望 晶片的主動表面與背面皆設有端子，以供立體堆疊或/ 與高密度封裝。故有人提出一種晶片堆疊組合構造的技 術能朝向高功率、高密度與微小化等高精密度製程發 展’即石夕穿孔（Through Silicon Via, TSV)技術。矽穿孔 技術是在晶片内開設貫穿且具有電性導通功能之貫穿 孔’貫穿孔是以垂直導通方式來達成堆疊晶片的電性連 ❹ 接不再採用中介基板（Interposer)和銲線，使線路不必 繞道晶片側邊，以縮短電氣訊號傳輸距離。並且，矽穿 孔技術能夠有效提高系統的整合度與效能並能降低封 裝整體尚度與面積’並且大大改善晶片速度和低功耗的 性能。然而，每一晶片在運算時會產生熱能’故產生的 熱應力會使晶片變形或翹曲，進而應力集中到晶片間之 電性接點處導致斷裂。 我國發明專利證書號第123 1023號「三維堆疊之電 子構裳及其組裝方法」，揭示一種具有矽通孔之半導體 6 200939442 晶片構造’每一晶片具有複數個通透孔，其内設有對應 以打線成球方法形成之柱狀導電凸塊，再將晶片作縱向 堆疊，藉由柱狀導電凸塊形成電性接點在晶片之間。當 晶片受到應力而變形或魅曲時，柱狀導電凸塊位在晶片 之間的電性接點容易受到應力而斷裂，造成電氣訊號傳 遞失敗。 另美國專利第US 6,908,785號所揭示的技術，如第 1圖所示，一種習知具有矽通孔之半導體晶片構造100 〇 主要包含一半導體基板110以及複數個孔内導電金屬 120。該半導體基板11〇係具有一第一表面U1、一相對之 第二表面112以及複數個貫穿該第一表面ηι與該第二表面 112之通孔113。該些導電金屬120係形成於該些通孔U3 内，使該該半導體基板110之該第一表面U1與該第二表面 112形成電性連接端子。該些通孔113係為縱向連通，該 導電金屬120係形成於其内，作為砍通孔結構。如第2 〇 圖所示’複數個半導體晶片構造100在進行晶片堆疊 時’ 一載板10之複數個連接墊U上應先預設有複數個 導電針12(conductive bar)，以串接該些半導體晶片構 造100之該些通孔113，達成晶片堆疊之電性互連。然而 所有的導電針12必須無彎斜地穿設於複數個半導體基 板110之對應通孔113，方可使該些半導體晶片構造1〇〇 能電性連接至該載板10。一旦在堆疊其中一半導體晶 片構造1 0 0碰歪其中一導電針1 2，則將使得後續堆疊 之半導體晶片構造1 0 0之通孔U 3無法順利被該些導電 200939442 針12穿接，故有晶片對位困難與的製程良率不佳 題。 【發明内容】 本發明之主要目的係在於提供一種具有矽通孔 導體晶片構造及其堆叠組合，以碎通孔貫通晶片 組’有效降低堆疊高度。並且，能達成一種晶片堆 程，可先晶片堆疊再將填孔物質填入該些通孔，填 質不會溢流而無鄰接通孔電性短路之問題，符合石夕 微間距之要求’相對於習知利用基板上的插針串接 孔的方式，本發明更具有高製作良率與製程簡便 效。 本發明之次一目的係在於提供一種具有矽通孔 導體晶片構造及其堆疊組合’可以線路重佈局技術 不同晶片尺寸之接合’具有便於控制晶片堆疊對位 效。 本發明之另一目的係在於提供一種具有矽通孔 導體晶片構造及其堆疊組合’取代習知串接晶片矽 之插針，以減少基板製作成本。 本發明之另一目的係在於提供一種具有矽通孔 導體晶片構造及其堆叠組合’利用上下對應之凸緣 晶片堆$，句'達成晶片準確對位及避免位移。 本發明的目的及解決其技術問題是採用以下技 案來實現的。依據本發明所揭示之一種具有矽通孔 導體晶片構造，主要包含一半導體基板、複數個第 的問 之半 堆疊 疊製 孔物 通孔 $夕通 之功 之半 達成 之功 之半 通孔 之半 環做 術方 之半 一銲 8 200939442 墊、複數個第二銲墊、複數個第一凸緣環以及複數 二凸緣環。該半導體基板係具有一第一表面、一相 第二表面以及複數個貫穿該第一表面與該第二表 通孔。該些第一銲墊係設置於該第一表面。該些第 墊係設置於該第二表面，其中該些通孔更貫穿垂直 之該些第一銲墊與該些第二銲墊。該些第一凸緣環 出地設置於該些第一銲墊，並使對應之第一銲墊係 一第一接觸表面，其係外露於該第一表面並位於該 © ^ 一凸緣環與該些通孔之間。該些第二凸緣環係突出 置於該些第二銲墊，並使對應之第二銲墊係具有一 接觸表面，其係外露於該第二表面並圍繞在該些第 緣環之外，其中該第二凸緣環係具有可嵌入於該第 緣環之尺寸。 本發明的目的及解決其技術問題還可採用以下 措施進一步實現。 〇 在前述之半導體晶片構造中’可另包含一孔金屬 其係形成於該通孔内，並電性連接該些第一銲墊與 之該些第二銲墊。 在前述之半導體晶片構造中’該孔金屬層係可與 第一凸緣環及該些第二凸緣環為相同電鍍金屬。 在前述之半導體晶片構造中，該半導體基板之該 表面係可形成有積體電路β 在前述之半導體晶片構造中，可另包含一銲罩層 係覆蓋於該半導體基板之該第一表面，並且該些第 個第 對之 面之 二銲 對應 係突 具有 些第 地設 第二 二凸 一凸 技術 層， 對應 該些 第二 ，其 9 200939442 緣環係突出地接觸該銲罩廣。 可另包含填孔物質 其 在前述之半導體晶片構造中 係填入於該些通孔。 【實施方式】

依據本發明之第一具體實施例，揭示一種具有石、 孔之半導體晶片構造及其堆疊組合。請參閱第3 :, 示，一種具有矽通孔之半導體晶片構造2〇〇主要包含^ 半導體基板210、複數個第一銲墊22〇、複數個第= 墊230、複數個第一凸緣環240以及複數個第二凸緣 250。該半導體基板210係具有一第一表面2ΐι —玉 . 相 對之第二表面212以及複數個貫穿該第一表面2ΐι與誃 第二表面212之通孔213。該半導體基板21〇係為半= 體材質’其材質係可為矽、砷化鎵等等。該半 π 基板 210之--表面係可形成有各式積體電路並可電性連接 該些第一銲墊220與複數個第二銲墊23〇。較佳至 ^ 5積 體電路係形成於該半導體基板210之第二表面212，即 該第二表面212係作為晶片主動面，故該半導體基板 210之第一表面211可選用較為低成本之絕緣材料作為 電性隔離層，如銲罩層270或其它，並且不會污染到該 些第一銲墊220。（容後詳述） 該些第一銲墊220係設置於該半導體基板21〇之該 第一表面211。該些第二銲墊230係設置於該半導體基 板210之該第二表面212。在具體型態中，該些第一鲜 墊220與該些第二銲墊230係位於該半導體基板21〇之 10 200939442 兩相對侧邊或周邊，以避免與積體電路形成區域產生重 疊。其中該些通孔213除了由該第一表面211貫穿至該 第二表面212，更貫穿了垂直對應之該些第一銲墊220 與該些第二銲墊230，故可減少重配置線路層（RDL)的 製作。具體而言，該些銲墊220與230通常為鋁墊，而 該些通孔2 1 3係可以雷射鑽孔、反應性離子蝕刻或是微 影成像技術結合化學或電漿蝕刻據以形成。 如第3及4圖所示，該些第一凸緣環240係突出地 設置於該些第一銲墊220，並使對應之第一銲墊220係 具有一第一接觸表面221，其係外露於該第一表面211 並位於該些第一凸緣環240與該些通孔213之間。如第 3及5圖所示，該些第二凸緣環250係突出地設置於該 些第二銲墊230，並使對應之第二銲墊230係具有一第 二接觸表面231’其係外露於該第二表面212並圍繞在 該些第二凸緣環250之外’其中該第二凸緣環250係具 有可嵌入於該第一凸緣環240之尺寸。該些第一凸緣環 240與該些第二凸緣環250之材質係可為金屬或導電 膠。 具體而言’如第3及4圖所示，該半導體晶片構造 200可另包含一孔金屬層260，其係可形成於該些通孔 213内，以電性連接該些第一銲墊220與對應之該些第 二銲墊230’並可確保該些通孔213内壁平滑，有利於 填孔物質290之流動（如第6圖所示），以達到矽通孔的 電性貫通。較佳地，該孔金屬層260係可與該些第一凸 11 200939442 緣環240及該些第二凸緣環25〇為相同電鍍金屬以降 低製程步驟。而該孔金屬層26〇之材料依實際操作之經 驗，由於銅為成熟之電鍍材料且成本較低，因此，以電 鍵銅所構成者為較佳’但非以此為限。 在本實施例中，由於該半導體基板21〇之該第二表面 212係形成有積體電路，利用晶圓製程，一例如氮化矽或磷 矽玻璃（PSG)之保護層280(passivati〇n Uyer)可形成於 該第二表面212，其係具有複數個對準該些第二銲墊 0 230之開孔，利用晶圓製程中微影成像技術可準確控制 該些第一銲墊230之第二接觸表面23丨之形成區域。相 對地，使得在該半導體基板210之該第一表面211可採取 更具有彈性的表面電性絕緣處理。如第3及$圖所示，較 佳地，該半導體晶片構造200可另包含—銲罩層27〇， 其係覆蓋於該半導體基板210之該第一表面211，以提 供表面絕緣保護，避免外界水氣或塵埃污染。並且該些 ❹ 第一凸緣環240係突出地接觸該銲罩層27〇。該銲罩層 2 70係為一種低成本絕緣性油墨，可調整其稠度以控制 形成厚度。 如第6圖所示，當進行複數個上述半導體晶片構造 200的堆疊組合時，該些半導體基板21〇係以其第二表 面212朝向一載板20的方式作堆疊，並使該些半導體 基板210之該些通孔213為縱向對應連通。該載板2〇 係可為一種印刷電路板、陶竟線路板、電路薄膜或預模導 線架（pre-mold leadframe)，以作為晶片載體並達成晶片之電 12 200939442 :=。在本實施例中’該載板2〇之上表面係具有複數個 連接墊2卜並以複數個電性導通孔22(pTH或稱…）貫穿該 些連接墊21以及該載板20。每一電性導通孔22心系可形成 有電鍍金屬層23,以電性貫通該載板2〇之上下表面。

具體而t ’如第7圖所示’在堆疊組合時，位於該 該半導體基板210之該第二表面212之該些第二凸緣環 250係對位並嵌合於下方另一半導體基板21〇之該第一 表面21丨之該些第一凸緣環24〇内，以形成防止溢流的 曲折接觸表面，並能達成該些半導體晶片構造2〇〇準確 對位及避免位移。 再如第6圖所示’利用一填孔物質29〇填入於該些 通孔213’以使該些半導體晶片構造2〇〇為電性互連。 具體而言，該填孔物質290之材質係可為導電材料，例如 銲料、含銅導電膏、銀膠或導電油墨等等。較佳地，該填 孔物質290可更填入於該載板20之該些電性導通孔 ❹ 22，以使該些半導體晶片構造200電性連接至該載板 20。而該載板20之該些電性導通孔22可作為排氣之 用，以促進該填孔物質290之流動。當該填孔物質290 流動到該些半導體晶片構造200之間隙時’該些第一凸 緣環240與該些第二凸緣環250構成之曲折接觸界面能 防止該填孔物質290之溢流’避免相鄰近的通孔213之 間產生電性短路，故能符合石夕通孔微間距之要求’相對 於習知利用基板上的插針串接矽通孔的方式’本發明更 具有高製作良率與製程簡便之功效。 13 200939442 在本發明之第二具體實施例，揭示另一種具有矽通 孔之半導體晶片構造及其堆疊組合。請參閱第8圖所 示，一種具有石夕通孔之半導體晶片構造3〇〇主要包含一 半導體基板310、一第一銲墊32〇、一第二銲墊33〇、 一第一凸緣環340以及一第二凸緣環35〇β該半導體基 板310係具有一第一表面311、一相對之第二表面312、 一形成於該第一表面311内之第一半通孔313以及一形成於 該第二表面312内之第二半通孔314。具體而言，該第一 半通孔313與該第二半通孔314係可以半蝕刻與電鍍方 式形成盲孔型態。 該第一銲塾320係設置於該第一表面311，並且該第一 半通孔313更貫穿垂直對應之該第一銲墊32〇。該第二銲墊 330係设置於該第二表面312，並且該第二半通孔314更貫 穿垂直該第二銲墊330。該第一銲墊3 2〇的設置位置可不與 該第二銲墊330垂直對應。 〇 如第8及9圖所示’該第一凸緣環340係突出地設置 於該第一銲墊3 20，並使該第一銲墊32〇係具有一第一接觸 表面321，其係外露於該第一表面3η並位於該第一凸緣環 340與該第一半通孔313之間。該第二凸緣環35〇係突出地 設置於該第二銲墊330，並使該第二銲墊33〇係具有一第二 接觸表面331，其係外露於該第二表面312並圍繞在該第二 凸緣環350之外，其中該第二凸緣環35〇係具有可嵌入於該 第一凸緣環340之尺寸。 具體而言，如第8及9圖所示，該半導體晶片構造 14 200939442 300可另包含一孔金屬層36〇,其係形成於該第—半通孔 313與該第二半通孔314 β ’以電性連接對應之該第—鲜塾 320與該第二銲墊330。其中該孔金屬層36〇係可與該第一 凸緣環340及該第二凸緣環35〇為相同電鍍金屬以/降低 製程步驟。 為能提供更佳之電性導通品質，可將一填孔物質391 填入於該第一半通孔313，一填孔物質392填入於該第二半 ❹通孔314内，填孔物質391與392之材質係可為導電或不 導電之塞孔材料’例如含銅導電膏或油墨樹脂等。較佳地， 該填孔物質3 92係更填入於該第二凸緣環35〇内，以電性接 觸下方堆疊半導體晶片構造300之該第一銲墊32〇之第一 接觸表面321(如第9圖所示）。 在本實施例中，再如第9圖所示，該第一半通孔313 與該第二半通孔314之間係可具有一水平位移s。該半導體 晶片構造3 00内可形成一重配置線路層370，以連接在該 〇 水平位移s之間的該第一半通孔3 13與該第二半通孔3 14， 達到電性連接該第一半通孔與313該第二半通孔314。因 此，利用該重配置線路層370可以克服該水平位移s以電性 連接於該第一銲墊320與該第二銲墊330，以改變該半導 體晶片構造300之端子位置（由該第一銲墊320改變至 非垂直對應之該第二銲墊330)。該重配置線路層370係 可利用濺鍍（sputtering)的方式形成’再進行微影蝕之製程， 以定義線路層之圖案化的線路。 如第8及9圖所示，該半導體晶片構造3 00可另包 15 200939442 含一保護層380，其係覆蓋於該半導體基板310之該第一表 面311或/與該第二表面312。該第一凸緣環340係可突出地 接觸位在該第一表面311之保護層380。

Ο 如第10圖所示，當進行不同尺寸之複數個上述半導 體晶片辑造300堆疊組合時，以其該第二凸緣環350朝 向同一方向的方式作晶片堆疊，例如朝向一載板3 0。 其中，位於較上方之一半導體基板310之該第二表面 312之該第二凸緣環350係對位嵌合於較下方之另一半 導體基板310之該第一表面311之該第一凸緣環340 内。而位於最下方之該半導體晶片構造3 00之該第二凸 緣環35〇係可接合於該載板30之連接墊31，以達成多 晶片之電性連通’並達成該些半導體基板310準確對位 及避免位移。因此，本實施例中可以運用到不同晶片尺 寸之晶片堆疊組合。 一，卞、奴 "《V仪Ί王貝犯Ί，!|叩〇 , 亚Ip對 本發明作任何形式上的限制，本發明技術方案範圍當依 所附申請專利範圍為準。任何熟悉本專業的技術人員可 利用上述揭示的技術内容作出些許更動或修飾為等同 :化的等效實施例，但凡是未脫離本發明技術方案的内 據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡 :修改、等同變化與修飾，均仍屬於本發明技術方案的 範圍内。 【圖式簡單說明】 第1圖：習知具有矽通孔之半導體晶片構造之截面示意 16 200939442 圖。 第2圖：習知複數個半導體晶片構造之堆疊組合截面示 意圖。 第3圖：依據本發明之第一具體實施例，一種具有矽通 孔之半導體晶片構造之截面示意圖。 第4圖：依據本發明之第一具體實施例，該半導體晶片 構造之第一銲墊與第一凸緣環之截面與立體示意 圖。 第5圖：依據本發明之第一具體實施例，該半導體晶片 構造之第二銲墊與第二凸緣環之截面與立體示意 圖。 第6圖：依據本發明之第一具體實施例，複數個半導體 晶片構造之堆疊組合之截面示意圖。 第7圖：依據本發明之第一具體實施例，複數個半導體 晶片構造在堆疊時局部放大之截面示意圖。 第8圖：依據本發明之第二具體實施例，另一種具有矽 通孔之半導體晶片構造之截面示意圖。 第9圖：依據本發明之第二具體實施例，複數個半導體 晶片構造在堆疊時局部放大之截面示意圖。 第1 0圖：依據本發明之第二具體實施例，複數個半導 體晶片構造之堆疊組合之局部截面示意圖。 【主要元件符號說明】 S 水平位移 10 載板 11 連接墊 12 導電針 17 200939442 20 23 載板 電鍍金屬層 21 連接墊 22 電性導通孔 30 載板 31 連接墊 100半導體晶片構造 110半導體基板 111第一表面 112第二表面 113通孔 120導電金屬 200半導體晶片構造

210 半導體基板 211 第一表面 212 第二 表面 213 通孔 220 第一鲜整 221 第一接觸表面 230 第二銲墊 231 第二接觸表面 240 第一凸緣環 250 第二凸緣環 260 孔金屬層 270 銲罩層 280 保護層 290 填孔物質 300 半導體晶片構造 310 半導體基板 311 第一表面 312 第二 表面 313 第一半通孔 314 第二半通孔 320 第一銲墊 321 第一接觸表面 330 第二銲墊 331 第二接觸表面 340 第一凸緣環 350 第二凸緣環 360 孔金屬層 370 重配置線路層 380 保護層 391、392 填孔物質 18

Claims (1)

1. 200939442 十、申請專利範圍： 1、一種具有矽通孔之半導體晶片構造，包含： -半導體基板，係具有H面、—相對之第二表面 以及複數個貫穿該第一表面與該第二表面之通孔； 複數個第一銲墊，係設置於該第—表面； 複數個第二銲塾，係設置於該第二表面，其中該些通孔 更貫穿垂直對應之該些第一銲墊與該些第二銲墊； 0 複數個第一凸緣環，係突出地設置於該些第一銲墊，並 使對應之第-銲墊係具有―第—接觸表面，其係外露於 該第一表面並位於該些第一凸緣環與該些通孔之間；以 及 複數個第二凸緣環，係突出地設置於該些第二銲墊並 使對應之第二銲墊係具有一第二接觸表面，其係外露於 該第二表面並圍繞在該些第二凸緣環之外，其中該第二 凸緣環係具有可嵌入於該第一凸緣環之尺寸。 ® 2、如_請專利範圍第1項所述之具切通孔之半導體晶片 構造，另包含一孔金屬層，其係形成於該通孔内，並電 性連接該些第一鲜塾與對應之該些第二銲墊。 3、如申請專利範圍第2項所述之具有料孔之半導體晶片 構造，其中該孔金屬層係與該些第一凸緣環及該些第二 凸緣環為相同電鍍金屬。 4、如申請專利第】項所述之具切通孔之半導體晶片 構造，其中該半導體基板之該第二表面係形成有積體電 路。 19 200939442 如申請專利範圍第1或4 曰 項所迷之具有碎通孔之半導體 曰日片構造，另包含一保嫌& 之該Ha，# 其係覆蓋於該半導體基板 護層。 、且該些第—凸緣環係突出地接觸該保 6、 如申請專利範圍第1 唄所述之具有矽通孔之半導體晶片 構&，另包含填孔物質，其係填入於該些通孔。 ❹

   7、 -種堆疊組合，包含複數個相互疊置並具有矽通孔之半 導體晶片構造以及-载板，每-半導體晶片構造係包含: :半導體基板，係具有一第一表面、一相對之第二表面 以及複數個貫穿該第一表面與該第二表面之通孔； 複數個第一銲墊，係設置於該第一表面； 複數個第二銲墊，係設置於該第二表面，其中該些通孔 更貫穿垂直對應之該些第一銲墊與該些第二銲塾； 複數個第一凸緣環，係突出地設置於該些第一銲墊並 使對應之第一銲墊係具有一第一接觸表面，其係外露於 該第一表面並位於該些第一凸緣環與該些通孔之間；以 及 複數個第二凸緣環，係突出地設置於該些第二銲墊，並 使對應之第二銲墊係具有一第二接觸表面，其係外露於 該第二表面並圍繞在該些第二凸緣環之外，其中該些第 二凸緣環係嵌入於相鄰半導體晶片構造之該些第一凸緣 環内。 8、如申請專利範圍第7項所述之堆疊組合’其中每一半導 體晶片構造另包含一孔金屬層，其係形成於該通孔内， 20 200939442 並電性連接該些第一銲墊與對應之該些第二銲墊。 9、如申請專利範圍第8項所述之堆疊組合，其中該孔金屬 層係與該些第—凸緣環及該些第二凸緣環為相同 屬。 1〇、如申請專利範圍第7項所述之堆疊組合，其中該半導 體基板之該第二表面係形成有積體電路。 11、如申請專利範圍第7或10項所述之堆疊組合，其中每 〇 半導體晶片構造另包含一銲罩層，其係覆蓋於該半導 體基板之該第一表面，並且該些第一凸緣環係突出地接 觸該銲罩層。 2如申研專利範圍第7項所述之堆疊組合，另包含填孔 物質，其係填入於該些通孔。 13、一種半導體晶片構造，包含： 半導體基板，係具有一第一表面、一相對之第二表面、 一形成於該第一表面内之第一半通孔以及一形成於該第 〇 二表面内之第二半通孔，其中該第一半通孔與該第二半 通孔之間係具有一水平位移； 一第一銲墊，係設置於該第一表面，並且該第一半通孔 更貫穿垂直對應之該第一銲墊； 一第二銲墊，係設置於該第二表面，並且該第二半通孔 更貫穿垂直該第二銲墊； 第一凸緣環’係突出地設置於該第一鮮塾，並使該第 一銲墊係具有一第一接觸表面，其係外露於該第一表面 並位於§亥第一凸緣環與該第一半通孔之間；以及 21 200939442 一第二凸緣環，係突出地設置於該第二銲墊並使該第 二銲墊係具有一第二接觸表面，其係外露於該第二表面 並圍繞在該第二凸緣環之外，其中該第二凸緣環係具有 可彼入於該第一凸緣環之尺寸。 14、 如申請專利範圍第13項所述之半導體晶片構造，另包 含填孔物質，其係填入於該第一半通孔與該第二半通孔。 15、 如申請專利範圍第14項所述之半導體晶片構造，其中 ❹ s亥填孔物質係更填入於該第二凸緣環内。 16、 如申請專利範圍第13項所述之半導體晶片構造另包 含一重配置線路層，其係電性連接該第一半通孔與該第 一半通孔。 17、 如申請專利範圍第16項所述之半導體晶片構造另包 含一孔金屬層，其係形成於該第一半通孔與該第二半通 孔内。 18、 如申請專利範圍第17項所述之半導體晶片構造，其中 〇 該孔金屬層係與該些第一凸緣環及該些第二凸緣環為相 同電鍍金屬。 19、 如申請專利範圍第13項所述之半導體晶片構造，另包 3保護層，其係覆蓋於該半導體基板之該第一表面， 並且該第一凸緣環係突出地接觸該保護層。 2〇、種堆疊組合，包含複數個如申請專利範圍第13至19 項中任一項所述之半導體晶片構造以及一載板。 22