可调复合中介层的制作方法

文档序号:9402134
可调复合中介层的制作方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及微电子装置和中介层(interposer)结构的封装,尤其是传导 (conductive)过孔结构的封装,以及在半导体和中介层封装中形成这类过孔结构的方法。
【背景技术】
[0002] 微电子元件大体上包括:半导体材料(诸如,硅或者砷化镓)的薄板,通常称为裸 片或者半导体芯片。半导体芯片通常设置为单独的、预先封装的单元。在一些单元设计中, 半导体芯片安装至衬底或者芯片载体,衬底或者芯片载体又安装在电路板诸如印刷电路板 上。
[0003] 有源电路系统制备在半导体芯片的第一面(例如,第二表面)中。为了方便至有 源电路系统的电连接,芯片在相同面上设置有键合焊盘。键合焊盘典型地放置成矩形阵列, 围绕着裸片的边缘、或者针对多个存储器器件而言在裸片中央。键合焊盘大体上由大约 〇.5μπι厚的传导金属制成,诸如铜或者铝。键合焊盘可以包括单层或者多层金属。键合焊 盘的大小随着装置类型而变化,但是通常在一侧测量为数十至数百微米。
[0004] 使用硅通孔(TSV)将键合焊盘与半导体芯片的与第一面(例如,第一表面)相对 的第二面连接。常规的过孔包括穿过半导体芯片的孔、和从第一面延伸通过该孔到达第二 面的传导材料。键合焊盘可以电连接至过孔,以在键合焊盘与在半导体芯片的第二面上的 传导元件之间实现连通。
[0005] 常规的TSV孔可以减小第一面的可以用于包含有源电路系统的部分。在第一面上 的可以用于有源电路系统的可用空间的这类减小,可以增加生产每个半导体芯片所需的硅 的量,从而潜在地增加每个芯片的成本。
[0006] 因为从过孔辐射出的非最佳应力分布、和在例如半导体芯片与该芯片所键合到的 结构之间的热膨胀(CTE)系数的不匹配,所以常规的过孔可能具有可靠性挑战。例如,当在 半导体芯片内的传导过孔通过较薄且较硬的介电材料绝缘时,由于在过孔的传导材料与衬 底的材料之间的CTE不匹配的影响,在过孔内可以存在显著应力。另外,当半导体芯片键合 至聚合物衬底的传导元件时,由于CTE不匹配的影响,在芯片与衬底的更高CTE结构之间的 电连接将处于应力之下。
[0007] 在芯片的任何物理布置中,大小都是一个重要的考虑。随着便携式电子装置的快 速发展,对芯片更加紧凑的物理布置的需求已经变得更加强烈。仅仅举例说明,通常称为 "智能手机"的装置将蜂窝电话的功能与强大的数据处理器、存储器和辅助装置(诸如,全球 定位系统接收器、电子照相机、和局域网连接、以及伴随高分辨率显示器和相关的图像处理 芯片)整合在一起。这类装置可以将各种能力,诸如完整的互联网连接、包括全分辨率视频 的娱乐、导航、电子银行等,全部设置在口袋大小的装置中。复杂的便携式装置要求将大量 芯片封装到小空间中。而且,一些芯片具有许多输入输出连接,通常称为"I/O"。这些I/O 必须与其它芯片的I/O互连。该互连应该是短的并且应该具有低阻抗以使信号传播延迟最 小化。形成互连的部件不应该大大地增加组件的大小。相似的需要也出现在其它应用中, 如在例如数据服务器中的需要,诸如在互联网搜索引擎中使用的数据服务器。例如,在复杂 芯片之间提供大量短的、低阻抗互连的结构,可以增加搜索引擎的带宽并且减小其功耗。
[0008] 尽管半导体过孔和中介层过孔形成和互连已经取得了进步,但是仍然需要改进以 在增强电互连可靠性的同时、使半导体芯片和中介层结构的大小最小化。可以通过如在下 文所描述的部件的构造和制备部件的方法,来实现本发明的这些属性。

【发明内容】

[0009] 根据本发明的一个方面,一种复合中介层可以包括衬底元件和支撑元件。衬底元 件可以基本上由电介质或者半导体材料中的至少一个组成。衬底元件可以具有限定出小于 或等于200微米的厚度的相对的第一和第二表面,并且可以具有暴露在第一表面处的多个 触点、以及延伸通过该厚度的电传导结构。支撑元件可以具有电介质或者半导体材料中的 至少一个的本体,其暴露在支撑元件的第二表面处。支撑元件的第二表面可以与衬底元件 的第二表面结合。本体可以具有低于每摄氏度百万分之十二("ppm/°C")的热膨胀系数 ("CTE")。
[0010] 该支撑元件也可以具有:开口,其延伸通过本体的在支撑元件的第二表面与同该 第二表面相对的第一表面之间的厚度。支撑元件也可以具有:多个电传导过孔,其在至少一 些开口内、在本体的厚度方向上延伸。支撑元件也可以具有:端子,其暴露在支撑元件的第 一表面处,该端子被配置用于将中介层与在中介层外部的部件电连接。端子可以通过传导 过孔和电传导结构与触点电连接。
[0011] 在一个特定实施例中,触点可以具有比端子更小的最小间距。在一个示例中,触点 可以具有小于端子的最小间距的五分之一(至少比端子的最小间距小五倍)的最小间距。 在一个示例性实施例中,延伸通过衬底元件厚度的电传导结构可以包括多个传导过孔。在 衬底元件的传导过孔中的任意两个相邻传导过孔之间的最小间距可以小于或等于在延伸 通过支撑元件的开口的传导过孔中的任意两个相邻传导过孔之间的最小间距。在一个特定 示例中,延伸通过衬底元件厚度的电传导结构可以包括多个传导过孔。在衬底元件的传导 过孔中的任意两个相邻传导过孔之间的最小间距可以大于在延伸通过支撑元件的开口的 传导过孔中的任意两个相邻传导过孔之间的最小间距。
[0012] 在一个实施例中,延伸通过衬底元件厚度的电传导结构可以包括多个传导过孔。 衬底元件的传导过孔的数量可以大于或等于延伸通过支撑元件的开口的传导过孔的数量。 在一个特定实施例中,延伸通过衬底元件厚度的电传导结构可以包括多个传导过孔。衬底 元件的传导过孔的数量可以小于延伸通过支撑元件的开口的传导过孔的数量。在一个示例 中,衬底元件的厚度可以小于支撑元件的厚度。在一个示例性实施例中,衬底元件的厚度可 以小于支撑元件的厚度的五分之一。
[0013] 在一个特定示例中,支撑元件的厚度可以是衬底元件的厚度的至少1. 5倍。支撑 元件的杨氏模量可以大于60GPa。在一个实施例中,支撑元件的厚度可以是衬底元件的厚度 的至少1.5倍。支撑元件的杨氏模量可以是衬底的杨氏模量的至少1.3倍。在一个特定实 施例中,支撑元件的本体可以基本上由介电材料组成。在一个示例中,衬底元件可以基本上 由半导体材料组成。在一个示例性实施例中,支撑元件的本体可以基本上由玻璃、陶瓷或者 低k材料组成。在一个特定示例中,支撑元件的本体可以具有与衬底元件的CTE相差30% 以内的CTE。
[0014] 在一个实施例中,支撑元件的本体可以基本上由中间相材料或者液晶材料组成。 在一个特定实施例中,复合中介层也可以包括:沿着支撑元件的第一表面延伸的顺应性 (compliant)介电层。至少一些端子可以至少部分地覆在顺应性介电层上。在一个示例中, 传导过孔的与端子相邻的端部可在至少一个横向方向中的第一方向上相对于衬底元件移 动。在一个示例性实施例中,传导过孔可以被配置用于,减小由于与附接至此的与传导过孔 相邻的部件相关差异热膨胀的影响、而施加至复合中介层的应力。
[0015] 在一个特定示例中,每个传导过孔的外表面不与开口中的对应开口的内表面的轮 廓一致。在一个实施例中,每个传导过孔可以基本上完全地填充开口中的对应开口。在一 个特定实施例中,每个传导过孔可以在支撑元件的第一表面处具有第一宽度并且在支撑元 件的第二表面处具有第二宽度,第二宽度与第一宽度不同。在一个示例中,至少一些传导过 孔可以包括其中分散在传导材料内的空腔。在一个示例性实施例中,该至少一些传导过孔 可以是接线键合。在一个特定示例中,通过顺应性介电材料使该至少一些传导过孔中的每 一个与该传导过孔在其中延伸的开口的内表面分开。
[0016] 在一个实施例中,顺应性介电材料可以基本上由聚酰亚胺或者硅组成。顺应性介 电材料可以具有小于3GPa的弹性模量。在一个特定实施例中,顺应性介电材料可以基本上 由泡沫材料或者低k材料中的至少一个组成。在一个示例中,至少一些开口可以基本上完 全地填充有顺应性介电材料。在一个示例性实施例中,该至少一些开口可以各自在开口的 内表面与支撑元件的第一表面之间限定出圆角。在一个特定示例中,可以通过在其间延伸 的空腔使至少一些传导过孔中的每一个与该传导过孔在其中延伸的开口的内表面分开。在 一个实施例中,至少一些端子可以不覆在支撑元件的第一表面上。在一个示例中,至少一些 端子可以不覆在支撑元件的第一表面上。
[0017] 在一个特定实施例中,一个或者多个开口可以各自具有在其中延伸的多个传导过 孔。在一个示例中,具有在其中延伸的多个传导过孔的至少一个开口可以具有:长度,其在 至少一个横向方向中的第一方向上延伸;以及宽度,其在该至少一个横向方向中的横断第 一方向的第二方向上延伸,长度是宽度的至少两倍。在一个示例性实施例中,两个或者更多 个开口可以具有:分开的部分,其从支撑元件的第二表面朝着其第一表面延伸;以及单个 的联接部分,其从分开的部分延伸至支撑元件的第一表面。
[0018] 在一个特定示例中,一个或者多个开口可以各自完全地填充有介电材料。在一个 实施例中,该一个或者多个开口中的至少一个可以具有:长度,其在该至少一个横向方向中 的第一方向上延伸;以及宽度,其在该至少一个横向方向中的横断第一方向的第二方向上 延伸,长度是宽度的至少两倍。在一个特定实施例中,复合中介层也可以包括:导体层,其沿 着衬底元件的第二表面或者支撑元件的第二表面中的至少一个延伸。导体层可以在传导过 孔与电传导结构之间提供直接电连接。
[0019] 根据本发明的另一方面,一种复合中介层可以包括衬底元件和支撑元件。衬底元 件可以基本上由电介质或者半导体材料中的至少一个组成。衬底元件可以具有限定出小于 或等于200微米的厚度的相对的第一和第二表面,并且可以具有暴露在第一表面处的多个 触点、以及延伸通过该厚度的电传导结构。支撑元件可以具有:电介质或者半导体材料中的 至少一个的本体,暴露在支撑元件的第二表面处。支撑元件的第二表面可以面朝衬底元件 的第二表面。本体可以具有小于12ppm/°C的CTE。
[0020] 支撑元件也可以具有:开口,其延伸通过本体的在支撑元件的第二表面与同该第 二表面相对的第一表面之间的厚度。支撑元件也可以具有:多个电传导过孔,其在至少一些 开口内、在本体的厚度方向上延伸。支撑元件也可以具有:端子,其暴露在支撑元件的第一 表面处,该端子被配置用于将中介层与在中介层外部的部件电连接。端子可以通过传导过 孔和电传导结构与触点电连接。支撑元件可以通过将传导过孔与电传导结构电连接的多个 传导联接单元,来与衬底元件联接。
[0021] 根据本发明的又一方面,微电子组件可以包括:微电子元件,其具有在其上承载元 件触点的表面;以及复合中介层。复合中介层可以包括:衬底元件,其具有相对的第一和第 二表面;以及支撑元件,与该衬底元件组装在一起。衬底元件也可以具有:多个触点,其暴 露在第一表面处;以及电传导结构,其延伸通过衬底元件的厚度。微电子元件可以与衬底元 件组装在一起,从而使得至少一些触点与至少一些元件触点电连接。
[0022] 支撑元件可以具有:电介质或者半导体材料中的至少一个的本体,暴露在支撑元 件的第二表面处。支撑元件的第二表面可以面朝衬底元件的第二表面。支撑元件可以具 有:开口,其延伸通过本体的在支撑元件的第二表面与同该第二表面相对的第一表面之间 的厚度。支撑元件也可以具有:多个电传导过孔,其在至少一些开口内、在本体的厚度方向 上延伸。支撑元件可以具有:端子,其暴露在支撑元件的第一表面处,该端子被配置用于将 中介层与在微电子组件外部的部件电连接。端子可以通过传导过孔和电传导结构与触点电 连接。
[0023] 在一个示例中,微电子元件和衬底元件可以基本上由硅组成。在一个示例性实施 例中,衬底元件可以在其第一和第二表面之间限定出小于或等于200微米的厚度。在一个 特定示例中,支撑元件的本体可以具有小于12ppm/°C的CTE。在一个实施例中,至少一些元 件触点可以面朝并且可以联接至衬底元件的至少一些触点。在一个特定实施例中,微电子 元件的背表面可以面朝衬底元件的第一表面。至少一些元件触点可以通过传导引线来电连 接至衬底元件的至少一些触点。该至少一些传导引线可以包括接线键合。
[0024] 在一个示例中,微电子元件可以包含更大量的有源器件以与任何其它功能相比更 提供存储器存储阵列功能(memory storage array function)。在一个示例性实施例中,微 电子组件也可以包括:另外的微电子元件,其具有在其上承载元件触点的表面,并且包括主 要被配置用于执行逻辑功能的半导体芯片。衬底元件的至少一些触点可以与另外的微电子 元件的至少一些元件触点电连接。在一个特定示例中,另外的微电子元件可以包括:缓冲芯 片,其被配置用于重新生成接收信号,并且将重新生成的信号输出至微电子元件。在一个实 施例中,微电子组件也可以包括:包封剂,其在微电子元件与另外的微电子元件之间、在平 行于衬底元件的第一表面的水平方向的延伸。
[0025] 在一个特定实施例中,包封剂可以是拓扑包覆模制件(topographical overmold),其具有可以平行于微电子元件的背表面的第一表面部和可以平行于另一微电 子元件的背表面的第二表面部。第一表面部可以在与第二表面部不同的平面中延伸。在 一个示例中,微电子组件也可以包括:另外的微电子元件,其具有在其上承载元件触点的表 面。衬底元件的至少一些触点可以与另外的微电子元件的至少一些元件触点电连接。微电 子元件的元件触点可以通过衬底元件的用于在微电子元件之间传递信号的电传导结构直 接地电连接至另外的微电子元件的元件触点。信号可以表示数据或者指令中的至少一个。 微电子元件可以适用于同时执行进程的给定线程的一组指令。
[0026] 在一个示例性实施例中,微电子元件和另外的微电子元件可以具有基本上相同的 结构。在一个特定示例中,微电子元件可以包括:堆叠的多个电互连半导体芯片。在一个实 施例中,每个芯片可以包含更大量的有源器件,用于与其它功能相比更提供存储器存储阵 列功能。在一个特定实施例中,该堆叠的多个半导体芯片可以包括:第一半导体芯片,在其 上具有联接至衬底元件的触点的元件触点;以及至少一
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