堆叠微电子装置及用于制造堆叠微电子装置的方法与流程

本发明专利申请是申请日为2008年7月29日、申请号为200880102878.9、发明名称为“堆叠微电子装置及用于制造堆叠微电子装置的方法”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及堆叠微电子装置及用于制造堆叠微电子装置的方法。

背景技术：

处理器、存储器装置、图像器及其它类型的微电子装置常常制造于半导体工件或其它类型的工件上。在典型应用中，使用复杂及昂贵设备及工艺在单个工件上制造若干个别裸片(例如，装置)。个别裸片大体包括集成电路及耦合到集成电路的多个接合衬垫。接合衬垫在裸片上提供外部电触点，经由所述外部电触点向集成电路及从集成电路传递电源电压、信号，及其它电参数。接合衬垫通常非常小，且其以在接合衬垫之间具有细微间距的阵列布置。裸片还可为相当精密的。结果，在制造之后，裸片经封装以保护裸片且将接合衬垫连接到更容易连接到印刷电路板的另一较大端子阵列。

用于封装裸片的常规工艺包括将裸片上的接合衬垫电耦合到引脚、球状衬垫或其它类型的电端子的阵列，且接着囊封裸片以保护其免受环境因素(例如，湿气、微粒、静电及物理冲击)影响。在一个应用中，所述接合衬垫电连接到具有球状衬垫阵列的中介层衬底(interposer substrate)上的触点。举例来说，图1A示意性地说明常规已封装微电子装置6，其包括微电子裸片10、附接到裸片10的中介层衬底60、将裸片10电耦合到中介层衬底60的多个引线接合90，及保护裸片10免受环境因素影响的罩壳70。

图1B示意性地说明另一常规的具有两个堆叠微电子裸片10a-b的已封装微电子装置6a。微电子装置6a包括衬底60a、附接到衬底60a的第一微电子裸片10a、附接到具有第一粘合剂22a的第一裸片10a的间隔件30，及附接到具有第二粘合剂22b的间隔件30的第二微电子裸片10b。间隔件30为半导体晶片的预切割部分。其它类型的常规堆叠微电子装置封装包括使第一裸片10a与第二裸片10b间隔开的环氧树脂间隔件(而非半导体晶片的部分)。通过向第一裸片10a上施与离散量的环氧树脂且随后将第二裸片10b向下按压到环氧树脂上形成所述环氧树脂间隔件。然而，环氧树脂间隔件在固化之前并非刚性的，且因此第二裸片不可与对应的第一裸片均匀地间隔开。

技术实现要素：

本发明涉及一种制造微电子装置的方法。所述方法包含：形成多个多层金属间隔件，其具有在第一微电子裸片的前侧表面上的第一间隔件元件及在对应的第一间隔件元件上的第二间隔件元件；将第二微电子裸片的后侧表面附接到所述第二间隔件元件；且其中所述第一及第二间隔件元件中的至少一者与所述第一裸片的所述前侧表面及所述第二裸片的所述后侧表面中的至少一者电隔离。

本发明还涉及一种制造微电子装置的方法。所述方法包含：在第一微电子裸片的前侧处的间隔件位点的表面上形成非可压缩金属间隔件，其中所述间隔件位点与所述第一裸片的集成电路电隔离；以及将第二微电子裸片附接到所述金属间隔件。

本发明还涉及一种制造微电子装置的方法。所述方法包含：将第一引线接合附接到第一微电子裸片的前侧表面处的接合位点，其中个别第一引线接合的一部分为底层间隔件元件；以介电材料覆盖第二微电子裸片的后侧的至少一部分；将顶层间隔件元件耦合到所述底层间隔件元件；以及将所述第二裸片的电绝缘部分附接到所述顶层间隔件元件。

本发明还涉及一种微电子装置，其包含：第一微电子裸片，其具有带有接合位点的前侧及耦合到所述接合位点的引线接合；第二微电子裸片，其具有后侧；以及多个金属间隔件，其插入于所述第一与第二裸片之间，其中所述金属间隔件与所述第一裸片的所述前侧表面及所述第二裸片的所述后侧表面耦合，且其中所述金属间隔件与所述第一及第二裸片中的至少一者电隔离。

本发明还涉及一种计算系统，其包含处理器、存储器及输入/输出装置，其中所述计算系统包括根据前述段落的微电子装置。

本发明还涉及一种微电子装置，其包含：中介层衬底，其具有接合衬垫；第一微电子裸片，其在所述中介层衬底上，所述第一裸片包含集成电路及包括多个间隔件位点的前侧表面，其中所述间隔件位点与所述集成电路电隔离；多个金属间隔件，其耦合到所述间隔件位点；第二微电子裸片，其具有耦合到所述金属间隔件的后侧表面；以及多个第一及第二引线接合，其分别将所述第一及第二裸片电耦合到所述中介层衬底，其中所述第一引线接合的一部分在所述第一与第二裸片之间。

本发明另外涉及一种微电子装置，其包含：第一微电子裸片，其具有前侧表面及耦合到其的多个引线接合；第二微电子裸片，其具有后侧表面及在所述后侧表面上的介电层；以及多个金属间隔件，其接触所述介电层且具有个别引线接合。

附图说明

图1A示意性地说明根据现有技术的常规已封装微电子装置。

图1B示意性地说明根据现有技术的另一常规已封装微电子装置。

图2A为根据本发明的一个实施例的在裸片拐角处具有两层的金属间隔件的堆叠微电子裸片组合件的等角视图。

图2B为展示定位于间隔件接合位点上的金属间隔件的图2A的组合件的横截面图。

图2C为展示经过堆叠裸片之间的互连的图2A的组合件的另一横截面图。

图2D为展示金属间隔件的电隔离的图2A的组合件的另一横截面图。

图3A-图3C为根据本发明的若干实施例的金属间隔件的横截面图。

图4为根据本发明的另一实施例的具有放置于裸片的内部部分上的金属间隔件的微电子裸片的等角视图。

图5A为根据本发明的另一实施例的具有缝接金属间隔件的堆叠裸片组合件的等角视图。

图5B为展示经过堆叠裸片之间的缝接金属间隔件的图5A的组合件的横截面图。

图5C为展示缝接金属间隔件的电隔离的图5B的组合件的横截面图。

图6A-图6F说明根据本发明的若干实施例的形成金属间隔件的方法的阶段。

图7为根据本发明的另一实施例的具有引线接合金属凸块及缝接金属间隔件的微电子裸片的等角视图。

图8为根据本发明的另一实施例的具有不同大小的微电子裸片及三层的金属间隔件的已封装微电子装置的横截面图。

图9为根据本发明的另一实施例的具有三个堆叠微电子裸片及对应的两层及三层的金属间隔件的已封装微电子装置的横截面图。

图10为进一步包括内部金属间隔件的图8的已封装微电子装置的横截面图。

图11为可并入有微电子装置的系统的示意性说明。

具体实施方式

下文参考半导体装置及用于制造半导体装置的方法描述本发明的若干实施例的特定细节。半导体组件制造于可包括衬底的半导体晶片上，在所述衬底上及/或在所述衬底中制造微电子装置、微机械装置、数据存储元件、光学器件、读/写组件及其它特征。举例来说，可在半导体晶片上构造SRAM、DRAM(例如，DDR/SDRAM)、快闪存储器(例如，NAND快闪存储器)、处理器、图像器及其它类型的装置。尽管下文关于具有集成电路的半导体装置描述了许多实施例，但在其它类型的衬底上制造的其它类型的装置可在本发明的范围内。此外，本发明的若干其它实施例可具有与此部分中描述的配置、组件或程序不同的配置、组件或程序。因此，所属领域的技术人员将相应地理解本发明可具有带有额外元件的其它实施例，或者本发明可具有不具有下文参考图2A-图11展示且描述的特征的若干者的其它实施例。

图2A为包括第一微电子裸片102a的堆叠裸片组合件100的一个实施例的等角视图，所述第一微电子裸片102a具有通过金属间隔件104与第二微电子裸片102b的后侧分隔的前侧(例如，有源侧)。金属间隔件104可为包含至少两个间隔件元件的多层金属间隔件，且在图2A中展示的特定实施例中，间隔件104为具有第一间隔件元件及堆叠于第一间隔件元件上的第二间隔件元件的两层的金属间隔件。金属间隔件104位于邻近于第一裸片102a的拐角的电隔离的间隔件位点106处。第一裸片102a及第二裸片102b可分别进一步包括用于将第一裸片102a及第二裸片102b电耦合到中介层衬底110(例如，印刷电路板)的接合衬垫114的接合衬垫108a及108b。因此，多个第一引线接合112a及多个第二引线接合112b分别将第一裸片102a及第二裸片102b耦合到接合衬垫114。除这些电耦合之外，粘合剂层116将第一裸片102a物理地耦合到衬底110，且填充剂层118将第二裸片102b粘附到第一裸片102a。填充剂层118还可使个别第一引线接合112a彼此物理地且电性地隔离。填充剂层118可包含(例如)环氧树脂、环氧丙烯酸酯、聚酰胺或其它合适材料，且其可用以进一步将第一裸片102a附接到第二裸片102b。

图2B-图2D为图2A中展示的组合件100的横截面图。图2B展示附接到第一裸片102a的前侧表面120及第二裸片102b的后侧表面122两者的金属间隔件104。在此实施例中，金属间隔件104具有在堆叠、两层的配置中的两个单独元件。填充剂层118囊封金属间隔件104且填充组合件100的内部部分124。图2C展示与第一裸片102a、第二裸片102b及衬底110相关联的部分示意图。第一裸片102a及第二裸片102b分别包括集成电路(IC)126a及126b及互连网络127a及127b。一般来说，互连网络127a-127b各自包括在裸片上将IC布线到适当外部接合衬垫连接的金属线(例如，铜、铝、钛、钴等等)及通路(例如，铜或钨)的堆叠层。因此，互连网络127a将IC 126a布线到接合衬垫108a，且互连网络127b将IC 126b布线到接合衬垫108b。衬底110经由顶侧接合衬垫114将接合衬垫108a-108b耦合到底侧接合衬垫128。图2D展示互连网络127a-127b及与对应接合衬垫108a-108b的电耦合的侧视图。图2D还展示间隔件位点106与互连网络127a的电隔离。间隔件位点106至少部分地由介电层129电隔离，介电层129环绕间隔件位点106且将间隔件位点106与接合衬垫108a隔离。间隔件位点106由于缺少到第一裸片102a中的第一互连网络127a的内部连接而进一步被电隔离。介电层129可包含例如经沉积的二氧化硅的非导电氧化物，且间隔件位点106及接合衬垫108a-108b可包含多种常规金属或金属合金(例如，铝、铜、金，或这些材料的合金)。举例来说，可在第一裸片102a的制造期间与接合衬垫108a同时地形成间隔件位点106。

由于间隔件位点106为金属的，所以可使用常规引线接合及/或焊接工艺来将金属间隔件104附接到间隔件位点106，以用于使第一裸片102a与第二裸片102b彼此间隔。再次返回图2A，附接金属间隔件104及堆叠第一裸片102a及第二裸片102b的工艺可包括(例如)：在衬底110上形成粘合剂层116；将第一裸片102a附接到粘合剂层116；在接合衬垫108a与接合衬垫114之间形成引线接合；将金属间隔件104附接到间隔件位点106；在第一裸片102a的前侧表面上沉积填充剂材料；及将第二裸片102b附接到金属间隔件104。

可以多种方式形成金属间隔件104。在一个实施例中，金属间隔件104由引线接合材料制成且通过引线接合工艺同时形成。在此实施例中，个别金属间隔件104的每一层包含通过引线接合器形成的金属凸块。在另一实施例中，可使用焊接工艺来在间隔件位点106上且任选地也在接合衬垫108a上形成单个金属凸块层。间隔件位点106上的金属凸块充当金属间隔件104的第一层。另一方面，接合衬垫108a上的金属凸块可用以将引线电耦合到第一裸片102a。通过在金属凸块的第一层的顶部上形成金属凸块的第二层而完成此实施例的金属间隔件104。形成金属间隔件104的替代实施例包括在间隔件位点106上个别地焊接或以其它方式定位预成形的单或多层金属间隔件。又，在另外的实施例中，可通过在组合件100上方形成罩壳来囊封第一裸片102a及第二裸片102b、引线接合112a-112b及衬底110的顶侧表面部分而产生已封装微电子装置。参考图8-图10更加详细地说明已封装装置的实施例。

图2A-图2D中展示的组合件100的实施例以及若干替代实施例可减轻或消除将裸片彼此堆叠的若干问题。举例来说，金属间隔件104的若干实施例提供可无需额外设备或处理步骤而在引线接合工艺期间制造的不可压缩间隔件。金属间隔件104的许多实施例因此在无需成本及硅间隔件所需的处理设备的情形下充当硅间隔件。另外，金属间隔件104的若干实施例可经放置邻近于引线接合或于裸片的最外边缘处以确保组合件100中的第一裸片102a及第二裸片102b大致相对于彼此平行。金属间隔件104的所述实施例因此避免与环氧树脂间隔件相关联的未对准误差。

图3A-图3C为展示可用于图2A-图2D中展示的堆叠裸片组合件100中或下文描述的替代实施例的任一者中的金属间隔件的若干实例的横截面图。举例来说，图3A展示具有第一及第二间隔件元件(例如具有相应直径d1及d2的球形金属凸块130及131)的金属间隔件104的实施例。直径d1及d2的和确立第一裸片102a与第二裸片102b之间的间隔距离h1。球形金属凸块130及131可包含多种材料，例如金、铝、锡、银、铅、这些材料的合金，或其它尺寸稳定的合适材料。在一个特定实施例中，金属凸块的直径d1及d2可为约10到75微米。因此，此种实施例的间隔距离h1可为约20到150微米。图3B展示包含堆叠金属凸块130及131的金属间隔件104的替代实施例。金属凸块130及131的每一者沿形成个别较小直径d3及d4的轴压缩，所述直径d3及d4确立第一裸片102a与第二裸片102b之间的间隔距离h2。此种经压缩、经平坦化或“铸造”的金属凸块可提供相对于纯粹球形的金属凸块的提高的稳定性。然而，可使用多种其它金属凸块堆叠配置。举例来说，图3C展示包含提供较宽基底的经平坦化金属凸块130的金属间隔件104的实施例，球形金属凸块131沉积于金属凸块130上。

图4为展示在第一裸片102a上的金属间隔件104的替代放置的实施例的等角视图。第二裸片102b已被移除以在第一裸片102a的内部表面部分上展示金属间隔件104的三脚布置。图4中展示的金属间隔件104的布置可为裸片102a的边缘处的额外接合衬垫136留出更多空间，且三脚布置仅使用三个金属间隔件用于支撑且间隔被附接的裸片。金属间隔件的其它布置也是可能的；替代布置可包括使用三个以上的金属间隔件104或在裸片102a的内部表面及边缘表面部分两者上放置金属间隔件。

图5A-图5C说明具有第一裸片144a、堆叠于第一裸片144a的一侧上的第二裸片144b及在第一裸片144a的另一侧处的中介层衬底147的堆叠裸片组合件140的替代实施例。第一裸片144a与第二裸片144b大体类似于第一裸片102a及第二裸片102b，但第一裸片144a与第二裸片144b不具有经电隔离的间隔件位点。而是，如图5B中最佳地展示，组合件140在第一裸片144a的前侧处及在第二裸片144b的后侧下方具有“缝接”金属间隔件142。参看图5B，个别金属间隔件142具有第一间隔件元件142a及第二间隔件元件142b。组合件140进一步包括从个别第一间隔件元件142a突出的缝接引线接合143。接合衬垫108a因此界定代替图2A中展示的间隔件位点106的间隔件位点。在图5A中展示的特定实施例中，缝接引线接合143及金属间隔件142经定位成仅靠近第一裸片144a及第二裸片144b的拐角。金属间隔件142由于其在接合衬垫108a上而也为电活性的，且因此组合件140进一步在第二裸片144b的后侧上具有介电层145以使第二裸片144b与金属间隔件142电隔离。可与制造图2A的组合件100的工艺类似地制造组合件140。

图5C展示互连网络127a-127b及与对应接合衬垫108a-108b的电耦合的横截面图。图5C还展示在第二裸片144b的后侧上使第二裸片144b与金属间隔件142电隔离的介电层145。介电层145可包含多种材料，例如，用于将第二裸片144b附接到金属间隔件142的粘合剂材料。或者，介电层145可包含已热生长或沉积于第二裸片144b的后侧上的非导电氧化物。一般来说，介电层145应为实质上非导电的以防止金属间隔件142与第二裸片144b之间的电传导。

图6A-图6E为展示用于形成缝接金属间隔件的方法的实施例的阶段的横截面。在图6A中，第一金属引线160a的尖端158经熔化以形成第一金属凸块162a。第一凸块162a充当缝接金属间隔件的底部或第一间隔件元件。第一凸块162a的直径可通过加热尖端158而进行修改直到实现所要的直径。或者，可通过将金属凸块平坦化为所要大小来调整金属间隔件的整体高度(参考图6C进一步进行描述)。图6B展示已(例如)通过引线接合工具抵靠接合衬垫164进行弯曲及按压之后的第一引线160a。引线接合工具施加机械力、热及/或超声能量直到在第一凸块162a与接合衬垫164之间形成金属连接。可随后将第一引线160a的剩余部分缝接到中介层衬底的外部接合衬垫。在替代实施例中，图6C展示已通过向第一凸块162a的顶侧及底侧施加机械压力而平坦化或压扁之后的第一凸块162a。可在成形之后立即平坦化个别金属凸块，或可通过抵靠平坦表面压缩金属凸块而同时平坦化裸片上的所有金属凸块。

图6D展示第一凸块162a上的第二金属凸块162b及从第二凸块162b突出的第二引线160b。图6E展示在已移除金属引线160b之后的第一凸块162a与第二凸块162b及金属引线160a，金属引线160b可能留下从离金属凸块162b向外突出的小引线尾端166。引线尾端166可被挤压于金属凸块中(即，经由平坦化工艺)或者引线尾端166可足够小从而可以忽略。第一凸块162a及第二凸块162b形成缝接金属间隔件142。为确保第一引线160a不接触堆叠于缝接金属间隔件142上的微电子裸片，第二凸块162b应在第一引线160a上方延伸。图6E展示第二凸块162b的顶部与第一引线160a之间的分隔距离h3。在某些实施例中，具有显著的曲率的引线可能需要较大直径的金属凸块。或者，三个或三个以上堆叠金属凸块可在裸片的后侧与弯曲引线之间形成适当的分隔距离(参考图8-图10进一步进行描述)。

图6F展示已从缝接金属间隔件142改装的间隔件104的实施例。在此实施例中，已移除第一引线160a及第二引线160b以形成堆叠金属凸块162a-162b。图6F还展示朝远离个别金属凸块162a-162b的方向突出的引线尾端166a-166b。举例来说，可通过平坦化工艺移除引线尾端166a-166b。

图7为根据替代实施例的缝接金属间隔件放置的等角视图。在此图中，已移除第二裸片144b(图5A-图5C)以展示在前侧接合衬垫108a上的缝接金属间隔件142的布置。接合衬垫108a交替处于常规引线接合耦合件174与缝接金属间隔件142之间。相对于图5A-图5C中缝接金属间隔件142处于裸片的拐角处的组合件140的实施例，图7中展示的缝接及常规引线接合的布置在第一裸片144a与第二裸片144b之间沿更多点提供支撑。还预期多种额外布置是可能的，例如具有缝接及非缝接间隔件元件两者的金属间隔件，及/或缝接及非缝接间隔件。举例来说，缝接金属间隔件可沿第一裸片144a的边缘形成且非缝接金属间隔件可在第一裸片144a的内部表面部分处形成。

图8为已封装微电子装置180的实施例的横截面图，所述已封装微电子装置180包括第一微电子裸片186、通过缝接金属间隔件190而与第一裸片186间隔开的第二微电子裸片188及在第一裸片186及第二裸片188上方形成的罩壳182。第一裸片186具有比第二裸片188大的周边。第一引线192a及第二引线192b分别将第一裸片186与第二裸片188耦合到中介层衬底194。此实施例中的金属间隔件190包括三层的金属间隔件以在第一引线192a与第二裸片188之间提供较大间隔。另外，将第一引线192a耦合到第二层金属凸块190b以使得第一引线192a在第一裸片186的拐角及表面部分上方延伸。在替代实施例中，且取决于第一裸片186及第二裸片及188的相对周长大小，引线192可与第一层金属凸块190a或第三层金属凸块190c耦合。

图9为已封装微电子装置200的另一实施例的横截面图，所述已封装微电子装置200包括三个微电子裸片204a-204c及形成在裸片204a-204c上方的罩壳202。装置200可具有使第一裸片204a与第二裸片204b分隔的两层的缝接金属间隔件206及使第二裸片204b与第三裸片204c分隔的三层的缝接金属间隔件208。在此实施例中，两层的金属间隔件206防止第一引线210a接触第二裸片204b的表面。由于第二引线210b具有比第一引线210a小的曲率半径，所以三层的金属间隔件208中的额外金属凸块将第二引线210b与第三裸片204c的后侧表面充分地间隔开以防止其之间的接触。在另外或替代的实施例中，可使用包含四个或四个以上金属凸块的金属间隔件来分隔个别微电子裸片。此外，其它实施例可包括四个或四个以上堆叠微电子裸片。

图10为包含非缝接内部金属间隔件210及212的已封装微电子装置200的横截面图。在此实施例中，由具有三个或三个以上金属凸块的多层金属间隔件支撑的裸片可通过内部金属间隔件接收增加的结构支撑。

上文参考图2A-图10描述的已封装微电子装置的任一者可并入于无数更大及/或更复杂的系统490的任一者中，所述系统490的代表性系统示意性地展示于图11中。系统490可包括处理器491、存储器492(例如，SRAM、DRAM、快闪及/或其它存储器装置)、输入/输出装置493及/或其它子系统或组件494。微电子装置可包括于图11中展示的组件的任一者中。所得系统490可执行各种各样的计算、处理、存储、传感器、成像及/或其它功能中的任一者。因此，代表性系统490包括(而不限于)计算机及/或其它数据处理器，例如，桌上型计算机、膝上型计算机、因特网设备、手持式装置(例如，掌上型计算机、可佩戴计算机、蜂窝式或移动电话、个人数字助理)、多处理器系统、基于处理器的或可编程的消费型电子器件、网络计算机及微型计算机。其它代表性系统490包括照相机、光或其它辐射传感器、服务器及相关联的服务器子系统、显示器装置及/或存储器装置。在此种系统中，个别裸片可包括例如CMOS图像器的图像器阵列。系统490的组件可被收纳于单个单元中或例如经由通信网络分布于多个、互连的单元上。组件可因此包括本地及/或远程存储器存储装置，及各种各样的计算机可读媒体中的任一者。

从前述内容将了解，出于说明的目的本文已描述本发明的特定施例，但在不偏离本发明的情况下可进行各种修改。举例来说，除了其它实施例的元件以外或代替其它实施例的元件，一个实施例的许多元件可与其它实施例相组合。另外，在若干实施例中，金属间隔件可为从离散间隔件位点突出的单一的、尺寸稳定的柱状或其它支柱状部件。因此，除如由所附权利要求书所限制以外，本发明不受限制。