TWI463634B - 晶片堆疊結構及其製造方法 - Google Patents

Description

晶片堆疊結構及其製造方法

本發明是有關於一種堆疊結構及其製造方法，且特別是有關於一種晶片堆疊結構及其製造方法。

隨著半導體技術的發展，各式半導體元件不斷推陳出新。半導體元件例如是記憶體、微處理器、感應晶片或微機電元件等。不同的半導體元件可以達成不同的功能。各種半導體元件設置於封裝基板後，透過封裝技術而形成一半導體封裝結構。每一半導體封裝結構再銲接於印刷電路板後，以使這些半導體元件能夠發揮其功能。

在電子產品之市場潮流追求「輕、薄、短、小」的趨勢下，電子產品的體積越來越小。為了縮小電子產品的體積，封裝技術也不斷的在進步，以縮小半導體封裝結構的體積。

本發明係有關於一種晶片堆疊結構及其製造方法，其利用晶片之投影範圍以外的垂直導線來形成晶片堆疊結構。

根據本發明之一方面，提出一種晶片堆疊結構。晶片堆疊結構包括一第一晶片、一第二晶片及一垂直導線。第二晶片設置於第一晶片之上。垂直導線電性連接第一晶片及第二晶片。垂直導線設置於第一晶片及第二晶片之投影範圍之外。

根據本發明之另一方面，提出一種晶片堆疊結構之製造方法。晶片堆疊結構之製造方法包括以下步驟。提供一第一晶片。提供一第二晶片。堆疊第一晶片及第二晶片。形成一垂直導線，以電性連接第一晶片及第二晶片。垂直導線設置於第一晶片及第二晶片之投影範圍之外。

為讓本發明之上述內容能更明顯易懂，下文特舉各種實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

以下係提出各種實施例進行詳細說明，其利用晶片之投影範圍以外的垂直導線來形成晶片堆疊結構。然而，實施例僅用以作為範例說明，並不會限縮本發明欲保護之範圍。此外，實施例中之圖式係省略部份元件，以清楚顯示本發明之技術特點。

第一實施例

請參照第1圖，其繪示一晶片堆疊結構100之示意圖。晶片堆疊結構100包括至少二晶片(例如是一第一晶片110及一第二晶片120)及至少一垂直導線(例如是垂直導線130)。第二晶片120設置於第一晶片110之上。垂直導線130電性連接第一晶片110及第二晶片120。垂直導線130設置於第一晶片110及第二晶片120之投影範圍之外。

在本實施例中，第一晶片110與第二晶片120不是透過打線連接之方式進行電性連接，也不是在第一晶片110 或第二晶片120形成直通矽晶穿孔(Through-Silicon Via，TSV)來進行電性連接。本實施例是採用位於第一晶片110及第二晶片120之投影範圍外的垂直導線130來進行連接。如第1圖所示，第一晶片110及第二晶片120設置於晶片區A11，垂直導線130則設置於導線區A12。導線區A12可以是晶片堆疊結構100的四周圍，也可以是晶片堆疊結構100的一側邊。垂直導線130設置於晶片區A11之外，可以使第一晶片110及第二晶片120集中堆疊於晶片區A11。如此一來，第一晶片110及第二晶片120之水平距離與垂直距離得以縮減，垂直導線130之電流路徑也可以縮短。

請參照第2圖，其繪示另一晶片堆疊結構200之示意圖。第一晶片210及第二晶片220之間可以設置一散熱板240。散熱板240可以幫助散去第一晶片210及第二晶片220在運作過中所產生之熱量。散熱板240例如是一鋁金屬片或是內含流體的殼體。

請參照第3圖，其繪示另一晶片堆疊結構300之兩層構造S31、S32的細部構造圖。晶片堆疊結構300包括一第一晶片310、一第一基板311、一第一水平導線312、一第一絕緣層313、一第二晶片320、一第二基板321、一第二水平導線322、一第二絕緣層323及一垂直導線330。晶片堆疊結構300可以具有二層以上的構造，第3圖僅以兩層構造S31、S32為例作說明。第一晶片310、第一基板311、第一水平導線312及第一絕緣層313作為晶片堆疊結構300之最下面一層的構造S31。第二晶片320、第二 基板321、第二水平導線322及第二絕緣層323作為另一構造S32。在構造S31之上，可以類推出多層構造S32。

第一晶片310及第二晶片320例如是微處理晶片、記憶體、微波射頻晶片、顯示晶片或微機電元件。第一晶片310及第二晶片320可以是同種類也可以是不同種類。第一晶片310及第二晶片320之尺寸可以相同，也可以不相同。

第一基板311及第二基板321用以承載各種電子元件，例如是承載第一晶片310及第二晶片320。第一基板311及第二基板321之材質例如是一矽材料、一高分子材料或一二氧化矽材料。第一晶片310設置於第一基板311上，第二晶片320設置於第二基板321上。

第一水平導線312及第二水平導線322用以傳導電訊號。第一水平導線312及第二水平導線322之材質例如是銅(Cu)、金(Ag)、銀(Ag)或鋁(Al)。第一水平導線312設置於第一基板311內，第二水平導線322設置於第二基板321內。第一水平導線312連接第一晶片310及垂直導線330，第二水平導線322連接第二晶片320及垂直導線330。第一水平導線312及第二水平導線322可以分別暴露於第一基板311及第二基板321之表面。或者，第一水平導線312及第二水平導線322可以內埋於第一基板311及第二基板321之內，並延伸至第一基板311及第二基板321之表面。

第一絕緣層313覆蓋第一基板311及第一晶片310，第二絕緣層323覆蓋第二基板321及第二晶片320。第一 絕緣層313及第二絕緣層323之材質例如是一高分子材料或一二氧化矽材料。第一絕緣層313及第二絕緣層323用以保護第一晶片310及第二晶片320。並且第一絕緣層313之表面係為平坦狀，以使第二基板321能夠平穩地堆疊於第一絕緣層313上。第二絕緣層323係為平坦狀，以使其他基板能夠平穩地堆疊於第二絕緣層323上。

第一基板311、第二基板321、第一絕緣層313及第二絕緣層323之材質可以是相同材料，例如都採用高分子材料，或者都採用二氧化矽材料。第一基板311、第二基板321、第一絕緣層313及第二絕緣層323之材質可以是不相同的材料，例如第一基板311採用矽材料，第二基板321採用二氧化矽材料，第一絕緣層313及第二絕緣層323採用高分子材料。

垂直導線330貫穿第二絕緣層323、第二基板321及第一絕緣層313，而沒有貫穿第一基板311。第一水平導線312及第二水平導線322均延伸至導線區A32，垂直導線330貫穿導線區A32並與第一水平導線312及第二水平導線322連接，以電性連接第一晶片310及第二晶片320。

此外，如第3圖所示，第一基板311之尺寸、第二基板321之尺寸、第一絕緣層313之尺寸及第二絕緣層323之尺寸實質上相同。第一晶片310及第二晶片320之尺寸可以不相同。不論第一晶片310、第二晶片320之尺寸如何改變，晶片堆疊結構300可以維持於固定的尺寸。

此外，請參照第4A~4K圖，其繪示晶片堆疊結構300之製造方法的示意圖。如第4A~4D圖所示，提供第一晶 片310。如第4E~4H圖所示，提供第二晶片320。如第4I圖所示，堆疊第一晶片310及第二晶片320。如第4J~4K圖所示，形成垂直導線330，以電性連接第一晶片310及第二晶片320。垂直導線330設置於第一晶片310及第二晶片320之投影範圍之外。

詳細來說，如第4A圖所示，提供第一基板311，並以一圖案化光阻層351為遮罩，蝕刻第一基板311以形成至少一凹槽312a。

如第4B圖所示，移除圖案化光阻層351，並形成第一水平導線312於第一基板311之凹槽312a內。

如第4C圖所示，設置第一晶片310於第一基板311上，第一晶片310連接第一水平導線312。在此步驟中，第一晶片310可以透過覆晶接合(flip chip bonding)之方式設置於第一基板311上。

如第4D圖所示，覆蓋第一絕緣層313於第一基板311及第一晶片310上。在此步驟中，更包括平坦化第一絕緣層313之步驟。舉例來說，第一絕緣層313可以透過旋轉塗佈之方式來形成，也可以透過沈積及化學機械研磨之方式來形成，使得第一絕緣層313之表面為平坦狀。

第4A~4D圖可以採用單晶粒級製程也可採用晶圓級製程。請參照第5圖，其繪示第4A~4D圖之步驟採用晶圓級製程之示意圖。在晶圓級製程中，如第5圖之左側圖式所示，晶圓900可切割出數個第一晶片310。晶圓900在切割後可以經過篩選，而留下通過檢測的第一晶片310。如此一來，可以增加產品的生產良率。如第5圖之 中間圖式所示，第一基板311可採用圓形狀結構，在第一基板311上劃分出數個待切割區域311b。在每一待切割區域311b上各自形成第一水平導線312。如第5圖之右側圖式所示，將各個第一晶片310設置於第一基板311之每一待切割區域311b上。接著，於第一基板311上整面形成第一絕緣層313(由於第一絕緣層313覆蓋於最上方，故第一基板311、第一晶片310及第一水平導線312皆以虛線表示)。然後，再針對每一待切割區域311b進行切割。如此一來，可以透過晶圓級製程來大幅增加製程速度。

接著，在第4E~4H圖中，則以類似於第4A~4D圖之方式形成第二基板321、第二水平導線322、第二晶片320及第二絕緣層323。

然後，如第4I圖所示，將第4E~4H圖所形成之第二基板321、第二水平導線322、第二晶片320及第二絕緣層323堆疊於第4A~4D圖所形成之第一基板311、第一水平導線312、第一晶片310及第一絕緣層313上。在堆疊過程中，第一晶片310及第二晶片320無需精準對位。第一晶片310及第二晶片320只需重疊即可。當第一晶片310及第二晶片320重疊時，可以縮小晶片區A31，而獲得較大的導線區A32。

接著，如第4J圖所示，以一圖案化光阻層352為遮罩，蝕刻第二絕緣層323、第二水平導線322、第二基板321及第一絕緣層313，以形成一垂直孔330a，並暴露出第一水平導線312。

然後，如第4K圖所示，形成垂直導線330於垂直孔 330a內，使得垂直導線330電性連接第一水平導線312及第二水平導線322。

透過上述第4A~4K圖之方式，即可形成晶片堆疊結構300。雖然第4A~4K圖僅以兩層構造S31、S32為例做說明，然而類似的方式可以推演至多層構造。

請參照第6圖，其繪示另一晶片堆疊結構400之示意圖。在形成垂直導線430時，可以採用多階段的方式形成寬度不一致的垂直孔430a。如此一來，垂直導線430也將形成寬度不一致之型態。

請參照第7圖，其繪示另一晶片堆疊結構500之示意圖。在一種應用中，晶片堆疊結構500具有數個垂直導線531、532、534、535、536。垂直導線531可以作為第一晶片510、第二晶片520及第三晶片530之資料線；垂直導線532可以作為第二晶片520之電源線；垂直導線533可以作為第二晶片520及第三晶片530之資料線；垂直導線534可以作為第三晶片530的電源線；垂直導線535可以作為第一晶片510之電源線；垂直導線536可以作為第一晶片510及第二晶片520之資料線。

第二實施例

請參照第8圖，其繪示另一晶片堆疊結構600之示意圖。本實施例之晶片堆疊結構600與第一實施例之晶片堆疊結構300不同之處在於僅採用一個基板611，其餘相同之處不再重複敘述。晶片堆疊結構600包括一基板611、一第一水平導線612、一第一晶片610、一第一絕緣層613、 一第二水平導線622、一第二晶片620、一第二絕緣層623及一垂直導線630。

第二晶片620設置於第一絕緣層613上。第一水平導線612設置於基板611內，第二水平導線622設置於第一絕緣層613內。垂直導線630則連接第一水平導線612及第二水平導線622。

請參照第9A~9F圖，其繪示第8圖之晶片堆疊結構600之製造方法的流程圖。如第9A圖所示，提供第一晶片610。如第9B~9F圖所示，堆疊第二晶片620於第一晶片610之上，並形成垂直導線630。

詳細來說，如第9A圖所示，第9A圖之步驟類似於上述第4A~4D圖之方式，在此不再重複敘述。

接著，如第9B圖所示，以一圖案化光阻層651為遮罩，蝕刻第一絕緣層613，以形成一凹槽622a。

然後，如第9C圖所示，以另一圖案化光阻層652為遮罩，蝕刻第一絕緣層613，以形成一垂直孔630a。

接著，如第9D圖所示，形成垂直導線630及第二水平導線622於垂直孔630a及凹槽622a內。第二水平導線622位於第一絕緣層613之表面，垂直導線630連接第一水平導線612及第二水平導線622。

然後，如第9E圖所示，設置第二晶片620於第一絕緣層613上，以使第二晶片620電性連接於第二水平導線622。

接著，如第9F圖所示，覆蓋第二絕緣層623於第一絕緣層613及第二晶片620上。

透過上述第9A~9F圖之方式，即可形成另一實施例之晶片堆疊結構600。第8A~8F圖僅以兩層構造S61、S62為例做說明，然而類似的方式可以推演至多層構造。

綜上所述，雖然本發明已以各種實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100、200、300、400、500、600‧‧‧晶片堆疊結構

110、210、310、510、610‧‧‧第一晶片

120、220、320、520、620‧‧‧第二晶片

130、330、430、531、532、533、534、535、536、630‧‧‧垂直導線

240‧‧‧散熱板

311、611‧‧‧第一基板

311b‧‧‧待切割區域

312、612‧‧‧第一水平導線

312a、622a‧‧‧凹槽

313、613‧‧‧第一絕緣層

321‧‧‧第二基板

322、622‧‧‧第二水平導線

323、623‧‧‧第二絕緣層

330a、430a、630a‧‧‧垂直孔

351、352、651、652‧‧‧圖案化光阻層

530‧‧‧第三晶片

A11、A31‧‧‧晶片區

A12、A32‧‧‧導線區

S31、S32、S61、S62‧‧‧構造

第1圖繪示一晶片堆疊結構之示意圖。

第2圖繪示另一晶片堆疊結構之示意圖。

第3圖繪示另一晶片堆疊結構之兩層構造的細部構造圖。

第4A~4K圖繪示晶片堆疊結構之製造方法的示意圖。

第5圖繪示第4A~4D圖之步驟採用晶圓級製程之示意圖。

第6圖繪示另一晶片堆疊結構之示意圖。

第7圖繪示另一晶片堆疊結構之示意圖。

第8圖繪示另一晶片堆疊結構之示意圖。

第9A~9F圖繪示第8圖之晶片堆疊結構之製造方法的流程圖。

100‧‧‧晶片堆疊結構

110‧‧‧第一晶片

120‧‧‧第二晶片

130‧‧‧垂直導線

A11‧‧‧晶片區

A12‧‧‧導線區

Claims (5)

1. 一種晶片堆疊結構，包括：一第一晶片；一第二晶片，設置於該第一晶片之上；以及一垂直導線，電性連接該第一晶片及該第二晶片，該垂直導線設置於該第一晶片及該第二晶片之投影範圍之外；一第一基板，該第一晶片設置於該第一基板上；一第一水平導線，設置於該第一基板內，該第一水平導線連接該第一晶片及該垂直導線；一第一絕緣層，覆蓋該第一基板及該第一晶片一第二基板，該第二晶片設置於該第二基板上；一第二水平導線，設置於該第二基板內，該第二水平導線連接該第二晶片及該垂直導線；以及一第二絕緣層，覆蓋該第二基板及該第二晶片。
2. 如申請專利範圍第1項所述之晶片堆疊結構，其中該垂直導線貫穿該第二絕緣層、該第二基板及該第一絕緣層。
3. 如申請專利範圍第1項所述之晶片堆疊結構，其中該第一基板之尺寸實質上等於該第二基板之尺寸、該第一絕緣層之尺寸及該第二絕緣層之尺寸。
4. 一種晶片堆疊結構之製造方法，包括： 提供一第一晶片，包括：提供一第一基板；形成一第一水平導線於該第一基板內；設置該第一晶片於該第一基板上，該第一晶片連接該第一水平導線；及覆蓋一第一絕緣層於該第一基板及該第一晶片上；提供一第二晶片，包括：提供一第二基板；形成一第二水平導線於該第二基板內；設置該第二晶片於該第二基板上，該第二晶片連接該第二水平導線；及覆蓋一第二絕緣層於該第二基板及該第二晶片上；堆疊該第一晶片及該第二晶片；以及形成一垂直導線，以電性連接該第一晶片及該第二晶片，該垂直導線設置於該第一晶片及該第二晶片之投影範圍之外。
5. 如申請專利範圍第4項所述之晶片堆疊結構之製造方法，其中形成該垂直導線之步驟包括：蝕刻該第二絕緣層、該第二基板及該第一絕緣層，以形成一垂直孔；以及填充一導電材料於該垂直孔內，以形成該垂直導線。