专利名称：使用防翘曲绝缘材料的层叠芯片封装及其制造方法
技术领域：
本发明涉及包括层叠芯片封装结构的半导体器件封装及其制造方法，该层叠芯片封装结构利用包括带粘性和防翘曲性能的光敏聚合物。
背景技术：
半导体制造和封装技术已经发展到器件封装可以包括多个集成电路芯片的程度，该多个集成电路芯片以层叠、三维关系被键合在一起。这种封装在封装级别提供较小的形状因数和较高集成度。该芯片层叠结构可满足高速工作、信号的较高扇出(fan-out)、减小芯片之间的信号传送的噪声级别、低功率工作以及增加单个封装内的功能。
三维键合技术继续发展。在封装级键合结构中，器件被形成在半导体晶片上，并被切割为芯片。单个芯片被封装在分开的封装中，以及该封装被层叠并键合在一起，以形成多个层叠封装(MSP)。在过去，所得的MSP受到广泛使用，但是对于现代应用，MSP是比较庞大和笨重的。
在芯片级键合结构中，器件被形成在半导体晶片上，并被切割为芯片。该单个芯片被层叠并键合，以及该芯片叠层被封装在单个、公共、封装内，以形成多芯片封装(MCP)或三维芯片层叠封装(CSP)。所得的MCP具有高成品率的特性，但是，工艺处理量是一个问题，因为在对准和键合工序期间，每个单个芯片需要被处理。
最近，晶片级键合结构变得普及。在晶片级键合结构中，器件被形成在半导体晶片上，并层叠多个晶片，以便它们的相应芯片被对准。该晶片叠层被键合在一起，然后被切割为芯片叠层。该芯片叠层每个被封装在单个、公共、封装内，以形成晶片-级三维芯片层叠封装(WLCSP)。所得的WL CSP具有低成品率的缺点。但是，工艺处理量是高的，因为由于以晶片级层叠该芯片，不再需要每个单个芯片的处理。
芯片级键合和晶片级键合通常是复杂的和不稳定的制造工艺。在这种键合方法中，各个芯片使用中间-芯片、垂直通孔在垂直方向上互相传输信号。中间芯片通孔贯穿各个芯片衬底，并包括在其顶部的连接(landing)焊盘特征和在其底部的凸块特征。根据常规方法，当一个芯片的凸块与另一芯片的焊盘键合时，首先发生该凸块和焊盘的电键合，例如，在至少等于该结点处采用的材料的键合共熔点的温度下，使用热压工艺，接着进行未填满注射工序，用于填充芯片衬底之间的间隙，以保证机械键合。由于下和上芯片衬底之间的间隙较小，例如，约为20μm的数量级，未填满工艺是不可靠的。如果未填满工艺没有致使间隙的完全和均匀填充，那么任意所得的空隙可能增加将来产生断裂的可能性。在将来加热和冷却周期过程中，这种断裂可能扩展，减小所得的芯片层叠器件的可靠性。
此外，在芯片的层之间或封装的相邻芯片之间可能形成机械应力。这种应力典型地由两个相邻层之间的热膨胀系数(CTE)不匹配引起。在上述芯片层叠结构中，芯片衬底、连接焊盘的金属以及键合材料都具有不同的CTR值。当经受大量加热和冷却热循环时，这种CTE不匹配可能引起更多的断裂和剥离，负面地影响制造过程中的成品率和工作过程中的器件可靠性。
发明内容
本发明涉及包括层叠的芯片叠层结构的半导体器件封装及其制造方法，该层叠的芯片叠层结构利用包括粘附性和防翘曲性能的光敏聚合物。
本发明提供一种层叠的芯片封装结构及其制造方法，其中使用相对简单的工艺，完全填充下芯片和上芯片之间的间隙，该工艺消除空隙和与这种空隙相关的断裂和剥离问题。本发明可被应用于芯片级键合和晶片级键合方法。在层叠芯片或层叠晶片之前，光敏聚合物层被应用到第一芯片或晶片。该光敏聚合物层被部分固化，以便使该光敏聚合物层的结构稳定，同时保持其粘附性能。第二芯片或晶片被层叠、对准和键合到第一芯片或晶片，然后该光敏聚合物层被固化，以完全键合第一和第二芯片或晶片。以此方式，大大地提高芯片/晶片之间的粘附力，同时提供间隙的完全填充。此外，机械可靠性被提高和CTE不匹配被减小，减轻与断裂和剥离相关的问题。这导致器件成品率和器件可靠性的改进。
在一个方面中，本发明涉及一种制造半导体器件的方法，该方法包括在第一衬底上形成第一半导体器件，该第一半导体器件包括在第一半导体器件的器件区中的第一衬底的第一表面上的第一键合焊盘；在第一衬底的第一表面上形成第一互连，该第一互连电耦合到第一键合焊盘，以及穿过第一衬底形成导电通孔，该导电通孔被电耦合到第一互连并贯穿第一衬底的第二表面，第二表面与第一表面相对；在第二衬底上形成第二半导体器件，第二半导体器件包括第二半导体器件的器件区中的第二衬底的第一表面上的第二键合焊盘；在第二衬底的第一表面上形成第二互连，该第二互连电耦合到第二键合焊盘；在第一衬底的第二表面上设置光敏聚合物层，通过该光敏聚合物层露出部分导电通孔；以及将包括光敏聚合物层的第一衬底的第二表面应用到第二衬底的第一表面，并将第二衬底的第二互连与导电通孔的露出部分对准，以将第一键合焊盘电耦合到第二键合焊盘。
在一个实施例中，设置该光敏聚合物层还包括，构图该光敏聚合物层，以露出部分导电通孔。
在另一实施例中，第一互连在朝向第一衬底的外缘的方向上，横穿第一衬底的第一表面延伸，以及其中第二互连在朝向第二衬底的外缘的方向上，横穿第二衬底的第一表面延伸。
在另一实施例中，在第一半导体器件的划线区中形成该导电通孔。在另一实施例中，在第一半导体器件的器件区中形成该导电通孔。
在另一实施例中，该方法还包括在将第一衬底应用并对准到第二衬底之前，部分地固化该光敏聚合物层。
在另一实施例中，该方法还包括在将第一衬底应用并对准到第二衬底之后，部分地固化该光敏聚合物层。
在另一实施例中，该光敏聚合物层包括绝缘的光敏聚合物层，以及在第一衬底的第二表面上设置该光敏聚合物层包括从第一衬底的第二表面除去衬底材料，以露出导电通孔的下端；在第一衬底的第二表面上设置绝缘的光敏聚合物层；构图该绝缘光敏聚合物层，以露出导电通孔的下端并覆盖导电通孔的下侧壁部分；以及固化该绝缘光敏聚合物层。
在另一实施例中，该方法还包括在该绝缘的光敏聚合物层上设置有粘性的光敏聚合物层；在将第一衬底应用并对准到第二衬底之前，部分地固化该有粘性的光敏聚合物层；以及在将第一衬底应用并对准到第二衬底之后，部分地固化该有粘性的光敏聚合物层。
在另一实施例中，该方法还包括构图该有粘性的光敏聚合物层，以露出导电通孔的下端。
在另一实施例中，该方法还包括将导电层应用于第二互连的上表面。
在另一实施例中，形成穿过第一衬底的导电通孔包括在第一衬底中形成通孔，该通孔贯穿第一衬底的第一表面并部分地进入第一衬底中；设置内衬(line)通孔的侧壁的绝缘层；用导电材料填充该通孔，以形成导电通孔；以及从第一衬底的第二表面除去衬底材料，以露出该导电通孔的下端。
在另一实施例中，除去该衬底材料包括研磨第一衬底的第二表面，以除去衬底材料；以及刻蚀第一衬底的第二表面和部分绝缘层，以露出导电通孔的下端和导电通孔下端侧壁的下部。
在另一实施例中，在公共的半导体晶片上形成第一衬底上的第一半导体器件和第二衬底上的第二半导体器件。
在另一实施例中，在分开的第一和第二半导体晶片上形成第一衬底上的第一半导体器件和第二衬底上的第二半导体器件。
在另一实施例中，该导电通孔包括第一导电通孔，并且该光敏聚合物层包括第一光敏聚合物层，以及还包括形成穿过第二衬底的第二导电通孔，第二导电通孔被电耦合到第二互连并贯穿第二衬底的第二表面，第二表面与第一表面相对；在第二衬底的第二表面上设置第二光敏聚合物，通过该第二光敏聚合物层露出部分第二通孔；在第三衬底的第一表面上形成包括第三键合焊盘的第三衬底；将包括第二光敏聚合物层的第二衬底的第二表面应用于第三衬底的第一表面，以及将第三衬底的第三键合焊盘与第二导电通孔的露出部分对准，以将第二键合焊盘电耦合到第三键合焊盘。
在另一实施例中，设置该第二光敏聚合物层还包括构图该第二光敏聚合物层，以露出部分第二导电通孔。
在另一实施例中，该第三衬底包括选自由印刷电路板(PCB)、半导体器件衬底和封装内插板构成的组的衬底。
在另一实施例中，权利要求16的方法还包括在将第一衬底应用并对准到第二衬底之前，部分地固化该第一光敏聚合物层；在将第二衬底应用并对准到第三衬底之前，部分地固化该第二光敏聚合物层；以及在与将第一衬底应用并对准到第二衬底之后和将第二衬底应用并对准到第三衬底之后，同时固化该第一和第二光敏聚合物层。
在另一实施例中，该第二光敏聚合物层包括绝缘的第二光敏聚合物层，以及在第二衬底的第二表面上设置该第二光敏聚合物层包括从第二衬底的第二表面除去衬底材料，以露出第二导电通孔的下端；在第二衬底的第二表面上设置绝缘的第二光敏聚合物层；构图该绝缘的第二光敏聚合物层，以露出第二导电通孔的下端并覆盖第二导电通孔的下侧壁部分；以及固化该绝缘的第二光敏聚合物层。
在另一实施例中，该方法还包括在该绝缘的第二光敏聚合物层上设置有粘性的第二光敏聚合物层；在将第二衬底应用并对准到第三衬底之前，部分地固化该有粘性的第二光敏聚合物层；以及在将第二衬底应用到并对准到第三衬底之后，部分地固化该有粘性的第二光敏聚合物层。
在另一实施例中，该方法还包括构图该有粘性的第二光敏聚合物层，以露出第二导电通孔的下端。
在另一实施例中，在第一衬底上形成第一半导体器件包括在公共的晶片上形成多个第一半导体器件，多个第一半导体器件的每一个具有相应的第一互连和相应的导电通孔，以及还包括在将多个第一衬底之一应用并对准到第二衬底的每一个之前，划片该多个第一半导体器件，以将该多个第一半导体器件分开。
在另一实施例中，形成第二半导体器件包括在公共的晶片上形成多个第二半导体器件，该多个第二半导体器件的每一个具有相应的第二互连和相应的导电通孔，以及还包括在将多个第二衬底之一应用并对准到第一衬底的每一个之前，划片该多个第二半导体器件，以将该多个第二半导体器件分开。
在另一实施例中，在划片该多个第二半导体器件之前执行在第二衬底的第一表面上设置光敏聚合物层。
在另一实施例中，该方法还包括在将第二衬底应用并对准到第一衬底之前，部分地固化该光敏聚合物层。
在另一实施例中，该方法还包括在将第二衬底应用并对准到第一衬底之后，固化该光敏聚合物层。
在另一实施例中，在第一衬底上形成第一半导体器件包括，在公共的第一晶片上形成多个第一半导体器件，该多个第一半导体器件的每一个具有相应的第一互连和相应的导电通孔，以及形成第二半导体器件包括，在公共的第二晶片上形成多个第二半导体器件，该多个第二半导体器件的每一个具有相应的第二互连，以及其中将第二衬底应用并对准到第一衬底包括，在将第二晶片上的多个第二半导体器件同时应用并对准到第一晶片上的第一半导体器件。
在另一实施例中，该方法还包括，在将第二晶片上的多个第二半导体器件同时应用并对准到第一晶片上的多个第一半导体器件之后，划片该第一和第二晶片，以将该多个相应的第一和第二半导体器件分开。
在另一实施例中，在划片第一和第二晶片之前执行在第二衬底的第一表面上设置光敏聚合物层。
在另一实施例中，该方法还包括在将第二晶片的多个第二半导体器件应用并对准到第一晶片的第二晶片的多个第一半导体器件之前，部分地固化该光敏聚合物层。
在另一实施例中，该方法还包括在将第二晶片的多个第二半导体器件应用并对准到第一晶片的第二晶片的多个第一半导体器件之后，部分地固化该光敏聚合物层。
在另一实施例中，该光敏聚合物层是选自由以下成分构成的组的材料聚酰胺(polymide)、聚苯噁唑(PBO)、苯并环丁烯(BCB)、环氧树脂、酚醛清漆、三聚氰胺-苯酚、丙烯酸酯以及弹性体。
在另一实施例中，该光敏聚合物层包括光敏成分和键合剂。
在另一实施例中，该光敏聚合物层具有第一热膨胀系数，高于衬底的第二热膨胀系数。
在另一实施例中，高于衬底的第二热膨胀系数的光敏聚合物层的第一热膨胀系数补偿在衬底的顶部上形成的有源器件，该顶部与具有第三热膨胀系数的光敏聚合物层相对，第三热膨胀系数高于衬底的第二热膨胀系数，以防止在半导体器件的后续热循环过程中半导体器件翘曲。
在另一方面，本发明涉及一种半导体器件，包括第一衬底上的第一半导体器件，第一半导体器件包括在第一半导体器件的器件区中的第一衬底的第一表面上的第一键合焊盘；在第一衬底的第一表面上形成第一互连，第一互连电耦合到第一键合焊盘；穿过第一衬底的第一导电通孔，该导电通孔被电耦合到第一互连并贯穿第一衬底的第二表面，第二表面与第一表面相对；第二衬底，包括该第二衬底的第一表面上的第二键合焊盘；以及第一衬底的第二表面和第二衬底的第一表面之间的第一光敏聚合物，该第一光敏聚合物键合第一和第二衬底，第二键合焊盘和第一导电通孔的至少一个贯穿第一光敏聚合物层并接触第二键合焊盘以及第一导电通孔的另一个，以将第一键合焊盘电耦合到第二键合焊盘。
在一个实施例中，该器件还包括第一衬底的第二表面和第一光敏聚合物层之间的第一绝缘层，该第一导电通孔贯穿第一绝缘层，以接触第二衬底的第二键合焊盘，在另一实施例中，该第一绝缘层覆盖第一导电通孔的底部的侧壁。
在另一实施例中，该器件还包括第三衬底上的第二半导体器件，第二半导体器件包括第二半导体器件的器件区中的第三衬底的第一表面上的第三键合焊盘；第三衬底的第一表面上的第二互连，该第二互连电耦合到第三键合焊盘；穿过第三衬底的第二导电通孔，该第二导电通孔被电耦合到第二互连并贯穿第三衬底的第二表面，该第二表面与第一表面相对；以及第三衬底的第二表面和第一衬底的第一表面之间的第二光敏聚合物层，该第二光敏聚合物层键合第三和第一衬底，该第一键合焊盘和第二导电通孔的至少一个贯穿第二光敏聚合物层并接触第一键合焊盘和第二导电通孔的另一个，以将第一键合焊盘电耦合到第三键合焊盘。
在另一实施例中，该器件还包括第一衬底的第二表面和第一光敏聚合物层之间的第一绝缘层，该第一导电通孔贯穿第一绝缘层，以接触第二衬底的第二键合焊盘，以及第三衬底的第二表面和第二光敏聚合物层之间的第二绝缘层，该第二导电通孔贯穿第二绝缘层，以接触第一衬底的第一键合焊盘。
在另一实施例中，该第一绝缘层覆盖第一导电通孔的底部的侧壁，以及其中该第二绝缘层覆盖该第二导电通孔的底部的侧壁。
在另一实施例中，第一光敏聚合物层被构图，以露出第一导电通孔的一部分，以能够与第二键合焊盘接触，以及其中第二光敏聚合物层被构图，以露出第二导电通孔的一部分，以能够与第一键合焊盘接触。
在另一实施例中，第一互连在朝向第一衬底的外缘的方向上，横穿第一衬底的第一表面延伸，以及其中第二互连在朝向第三衬底的外缘的方向上，横穿第三衬底的第一表面延伸。
在另一实施例中，第一和第二导电通孔被定位于各自的第一和第二半导体器件的划线区中。
在另一实施例中，第一和第二导电通孔被定位在各个第一和第二半导体器件的器件区中。
在另一实施例中，每个第一和第二导电通孔的远端和部分远端侧壁分别超出第一衬底和第二衬底的第二表面延伸。
在另一实施例中，在公共的半导体晶片上形成第一衬底上的第一半导体器件和第三衬底上的第二半导体器件。
在另一实施例中，在分开的第一和第二半导体晶片上形成第一衬底上的第一半导体器件和第三衬底上的第二半导体器件。
在另一实施例中，该器件还包括第一互连的上表面上的导电层。
在另一实施例中，第二衬底包括选自由印刷电路板(PCB)、半导体器件衬底和封装内插板构成的组的衬底。
在另一实施例中，该第一光敏聚合物层是选自由以下成分构成的组的材料聚酰胺、聚苯噁唑(PBO)、苯并环丁烯(BCB)、环氧树脂、酚醛清漆、三聚氰胺-苯酚、丙烯酸酯以及弹性体。
在另一实施例中，第一光敏聚合物层具有第一热膨胀系数，高于第一衬底的第二热膨胀系数。
在另一实施例中，高于第一衬底的第二热膨胀系数的第一光敏聚合物层的第一热膨胀系数补偿在衬底的顶部上形成的有源器件，第一衬底与具有第三热膨胀系数的第一光敏聚合物层相对，第三热膨胀系数高于第一衬底的第二热膨胀系数，以防止半导体器件的后续热循环过程中半导体器件翘曲。
从本发明的优选实施例的更具体描述将明白本发明的上述及其他目的、特点和优点，如附图所示，其中在不同的视图中，相同的参考字符自始至终指相同的部件。该图未必按比例，重点说明本发明的原理。
图1是根据本发明的层叠芯片封装的剖面图。
图2至17图示了根据本发明的第一实施例，用于制造层叠芯片封装的方法。
图18至23是根据本发明的第二实施例，用于制造层叠芯片封装的方法的剖面图。
图24至29是根据本发明的第三实施例，用于制造层叠芯片封装的方法的剖面图。
具体实施例方式
现在将参考附图更完全地描述本发明，在附图中示出了本发明的优选实施例。但是，本发明可以以不同的形式体现，不应该被认为局限于在此阐述的例子实施例。在附图和相关描述中，如果第一层被称为在另一层“上”，那么该第一层可以直接在另一层上，或可以存在插入层。在说明书中相同数字始终指相同的元件。
图1是根据本发明的层叠芯片封装的剖面图。根据图1的实施例的层叠芯片封装包括印刷电路板10，其上安装包括第一芯片21和第二芯片51的芯片叠层。第一和第二芯片21，51的每一个包括用于与芯片以外的位置交换信号的多个键合焊盘53和从键合焊盘传送信号到中间芯片垂直通孔11的导电互连64。该垂直通孔11穿过芯片的体区到叠层中的下芯片或衬底，在这里它们接触下芯片或衬底的互连64或导电焊盘125。第一芯片21通过第一绝缘层被包括光敏聚合物层的第一粘结层123机械地键合到印刷电路板10。第二芯片51通过第二绝缘层122被包括光敏聚合物层的第二粘结层123机械地键合到第一芯片21。使用诸如环氧树脂的保护包封材料82包封所得的多芯片封装100。如图1所描绘的本发明的实施例可以使用芯片级键合和晶片级键合工艺来制造。
图2至17图示了根据本发明的第一实施例，用于制造层叠芯片封装的方法。在第一实施例中，采用芯片级键合工艺。
参考图2，晶片50包括在晶片衬底52上形成的多个半导体芯片51，芯片51被限定在晶片50的划片线56之间。通过沿划片线56切割它们，芯片51被分成管芯。
参考图3，每个半导体芯片51典型地包括在芯片51周边周围的多个键合焊盘53，邻近划片线56。键合焊盘53用于发送信号到芯片51以外的位置和从芯片51以外的位置发送信号。
图4A-4H是划片线56的区域中的两个相邻芯片51的剖面图，例如，沿图3的剖面线I-I，说明根据本发明的垂直互连通孔和水平导电互连的形成。参考图4A，每个芯片51包括在衬底52中形成的半导体器件，以及每个芯片包括多个键合焊盘53或互连焊盘，用于外部信号通信。在包括半导体器件的衬底52的顶表面上设置介质层54。
参考图4B，在划片线56中形成多个通孔13，例如，使用钻孔工艺、激光钻孔工艺或等离子体刻蚀工艺。通孔13每个相应于键合焊盘53之一并部分地穿过衬底52形成。参考图4C，在包括通孔13的所得结构上形成隔离层61，以覆盖通孔13的内侧壁和底部。参考图4D，然后构图隔离层61，以露出键合焊盘53。参考图4E，在通孔13中的隔离层61上和衬底52上形成阻挡金属层63，并接触底下的键合焊盘53。在各种实施例中，阻挡金属层63包括层叠的金属结构，例如，Ti/Cu、Ti/TiN/Cu、Ta/Cu、Ta/TaN/Cu和Ti/Au/Cu的至少一种。参考图4F，形成光刻胶层57并构图，以露出与底下的键合焊盘53接触的点和通孔13的底部之间的阻挡金属层63。参考图4G，然后用金属层64填充包括通孔13的光刻胶层图形57之间的区域，如电镀铜或金，以形成在通孔13中的垂直方向上延伸的垂直互连通孔11和在垂直互连通孔11和键合焊盘53之间的水平方向中延伸的重布置线。垂直互连通孔11和水平重布置线的组合在此被共同地称作金属互连64。金属互连64每个在沿水平部分的水平方向上延伸，从与器件区中的相应键合焊盘53的接触点进入划线区56中，以及在沿垂直部分的垂直方向上延伸，从水平部分并进入通孔13中，通孔13被互连的垂直部分填充，以在其中形成垂直互连通孔11。可选择的导电层65被应用到互连的金属层64的顶表面，以促进后续键合工序中的粘附力。导电层65包括，例如，低熔点金属，如使用电镀技术涂敷的焊料或促进粘附的金属如Ni、NiV、Cr和Pd。
参考图5，然后使用标准的光刻胶去除工艺，剥离用来限定金属互连64的光刻胶图形57。尽管，图5中示出了在器件的划线区56中形成通孔11，但是该通孔可以选择性地形成在器件的器件区27中。
参考图6，晶片50的阻挡金属层63的露出部分被除去，例如，使用标准的蚀刻技术。该步骤使互连64和划片线56的相对侧上的垂直通孔11隔离。
参考图7，临时粘合剂121被涂敷到所得结构的顶表面，以及支撑板120被应用于临时粘合剂121的顶表面。在后续晶片减薄工序过程中，支撑板120保持晶片结构的机械稳定性，以及防止晶片减薄工序之后晶片50的翘曲。支撑板120可以使用具有与晶片50的衬底52材料相匹配的热膨胀系数(CTE)的玻璃和其他透明材料。可以用于临时粘合剂121的材料包括，尤其，旋涂带和紫外光敏感带。
参考图8，在支撑板120的固定之后，晶片50的背面59、或底表面被部分地除去，以减薄晶片，例如使用机械研磨和/或化学-机械抛光，直到垂直互连通孔11的底部被露出。然后晶片50的底表面59被刻蚀，例如使用湿法刻蚀和/或干法刻蚀，以从垂直通孔11的底部除去附加衬底材料和隔离层61。以此方式，通孔连接凸块36包括从晶片50的底表面59延伸或突出的垂直通孔11的底部。
参考图9，在第二晶片50的底表面59上形成绝缘层122。在一个实施例中，绝缘层122包括光敏聚合物材料，该光敏聚合物材料包括热固性聚合物，包含感光成分、增塑剂、交联剂和聚合树脂。例如，该光敏聚合物层可以包括选自由以下成分构成的组的至少一种材料聚酰胺、聚苯噁唑(PBO)、苯并环丁烯(BCB)、环氧树脂、酚醛清漆、三聚氰胺-苯酚、丙烯酸酯以及弹性体。
此外，为热膨胀系数匹配(CTE-匹配)质量选择绝缘层122，以防止后续处理活动期间，晶片50的拱起或弯曲。例如，介质层54和衬底52的顶表面处的前端线(FEOL)和后端线(BEOL)成分具有较高的CTE参数值，而衬底52本身具有低CTE值。通过选择衬底的底表面59的绝缘层122具有较高CTE值，顶表面处的成分和层的高CTE值被底表面的层122的高CTE值抵消。因此，在处理的后一阶段，当支撑板120被除去时，通过绝缘体层122的合适选择，避免晶片50的翘曲。
参考图10，绝缘体层122被构图，以提供露出底下的通孔连接凸块(bump)36的第一开口172。绝缘层122最初被露出，烘焙、显影和完全固化。在曝光步骤过程中，曝光能量被调整，以便在第一开口172中剩下绝缘层122的部分厚度，作为衬底50的底表面59和之后层叠在本晶片下面的下芯片、晶片或衬底的互连64或连接焊盘之间的绝缘体。在局部曝光之后，通过部分光刻工序，执行该工序过程中的构图。因此，在开口中剩下绝缘层122的材料，在连接凸块36的每一侧。
参考图11，在绝缘层122和连接凸块36上设置粘结层123。粘结层123包括，例如，如上所述的光敏聚合物材料。在一个实施例中，绝缘层122的厚度大于粘结层123的厚度。
参考图12，光敏聚合物粘结层123被构图，以提供第二开口174，该第二开口174露出底下的通孔连接凸块36和第一开口172中的剩余绝缘材料122。完全曝光之后，通过光刻工序执行该工序过程中的构图。然后光敏聚合物粘结层123被部分固化，以便它具有机械稳定结构，同时仍保持其粘附性能。通过加热该层至小于完全固化该层所需温度的温度，光敏聚合物粘结层123被部分地固化和交联，例如，β-阶段固化。例如，在一个实施例中，在一温度下部分地固化光敏聚合物粘结层123，以便固化百分率小于100％，例如约为33-50％。在这种百分率下，光敏聚合物粘结层处于液体和固体之间的过渡态，因此被操作为机械稳定结构，其保持稳定，直到下一个处理阶段，同时保持之后机械键合所必需的其粘附性能。光敏聚合物粘结层的选择主要是基于相应芯片上的器件的热稳定性。例如，DRAM器件具有在大约200C数量级的热稳定性，因此用于这种器件的理想光敏聚合物胶粘层将具有在大约150C数量级的部分固化温度。低温可固化弹性体、PBO、环氧树脂、丙烯酸酯以及酚醛清漆材料很适合于DRAM器件应用。另一方面，NAND快闪器件具有约为400C的热稳定性，因此用于这种器件的理想光敏聚合物粘结层将具有约为300C的部分固化温度。BCB、三聚氰胺-苯酚和聚酰胺以及上述的低温可固化聚合物很适合于NAND快闪器件应用。光敏聚合物粘结层123和底下的绝缘层122可以包括相同的或不同的材料，取决于该应用。
参考图13，根据常规技术，沿相邻互连64和互连通孔11之间的其划片线56切割57晶片50。以此方式，晶片50被分成芯片51。
参考图14，从芯片51的顶表面除去支撑板120和粘合剂121，例如使用热处理或紫外线照射，以减弱粘结层121的粘附性能。这将分开的芯片51与支撑板120分离。
以类似于从公共的晶片50形成和切割芯片51的方式，可以从另一公共晶片形成和切割其他芯片。为了本论述的剩余部分，这种其他芯片称为第一芯片21，其由公共的第一晶片20形成和切割，而芯片51被称为第二芯片51，其由公共的第二晶片50形成和切割。
参考图15，分开的第一芯片21的底表面被应用于印刷电路板10的顶表面或其他封装衬底。印刷电路板10包括多个芯片键合焊盘14或连接焊盘，用作用于印刷电路板10上的导电路径的互连位置。键合焊盘14包括在其上表面上的可选导电焊盘125。导电焊盘125包括，例如，低熔点导电材料如使用电镀技术涂敷的焊料或促进粘结的导电材料如Ni、NiV、Cr和Pd。第一芯片21的下侧上的第二开口174对应于印刷电路板10的芯片键合焊盘14和芯片导电焊盘125的形状和尺寸。第二开口174中的连接凸块36与芯片键合焊盘14对准并被键合。在印刷电路板10上层叠第一芯片21的过程中，第一芯片21的光敏聚合物粘结层123完全填充第一芯片21和印刷电路板10之间的间隙或空间。此外，第一芯片21的硬化绝缘层122防止印刷电路板10的芯片键合焊盘14和导电焊盘125接触第一芯片21的衬底22。
此时可以选择性地执行热压键合工序，以便获得完全固化，因此第一芯片21和印刷电路板10之间的光敏聚合物粘结层123全部粘结。同时，由于热压工序，在具有导电焊盘125的第一芯片21的连接凸块和印刷电路板10的芯片键合焊盘14之间发生电键合。为了执行热压键合，在层叠结构中层叠晶片或芯片之后，在键合器卡盘上安装该结构，以及该键合器被加热到预定的键合峰值温度。当到达预定温度时，在活塞的压缩力的压力下，该结构被暴露于加热环境预定时间周期。该键合峰值温度和时间周期根据聚合物层的所需固化程度和根据导电层65的复合物的希望流量来决定。在键合工序的加热阶段之后，活塞的压力被释放以及该层叠结构被冷却。在热压工序之前，光敏聚合物粘结层123和相邻的表面包括悬挂键。该热压工序促使悬挂键连接和加速键合工序。
参考图16，分开的第二芯片51的底表面被应用于第一芯片21的顶表面。第二芯片51的下侧上的第二开口174对应于第一芯片21的导电互连的形状和尺寸，第一芯片21包括构图的阻挡金属层63、金属互连层64以及第一芯片21的导电层65。第二芯片51的第二开口174中的连接凸块36被对准并与第一芯片21的部分导电互连键合。在第一芯片21上层叠第二芯片51的过程中，第二芯片51的光敏聚合物粘结层123完全填充第二芯片51和第一芯片21之间的间隙或空间。此外，第二芯片51的硬化绝缘层122防止第一芯片21的导电互连64接触第二芯片51的衬底52。此时，可以选择性地执行该热压键合工序，以便获得完全固化，因此第二芯片51和第一芯片21之间的光敏聚合物粘结层123全部粘结。同时，由于热压工序在具有导电层65的第二芯片51的连接凸块和印刷电路板10的芯片键合焊盘14之间发生电键合。
在第二和第一芯片51，21上可以选择性地层叠附加芯片，以及在每个芯片层的层叠之后执行热压工序，以连续地键合每个层，如上所述。另外，该热压工序可以被延迟，直到所有芯片被对准并层叠，以及当芯片层叠工序完成时，可以执行单个的热压键合工序，以便同时获得每个芯片21，51的所有光敏聚合物粘结层122的完全固化。同时，由于热压工序，在具有底下导电层65的连接凸块36或底下的导电焊盘125之间发生电键合。
参考图17，接下来，在芯片叠层101上形成包封材料82，每个叠层101包括第一和第二芯片21，51以及印刷电路板10。该包封材料包括，例如，环氧树脂模制复合物(EMC)或其他适合的材料。
尽管结合以上例子展示并描述了两个芯片，即第一和第二芯片21，51的层叠，但是本发明可被应用于超过两个芯片的层叠。此外，尽管上面所示的芯片叠层被应用于印刷电路板，但是其他封装基体同样可应用于本发明，包括，例如，半导体器件衬底或封装内插板。
图18至23是根据本发明的第二实施例，用于制造层叠芯片封装的方法的剖面图。在上面所示的第一实施例中，在用于提供绝缘和粘结功能的芯片叠层之间插入包括绝缘层122和光敏聚合物粘结层123的双层薄膜。在如下所述的第二实施例中，使用具有绝缘和粘附性能的单层。
参考图18，以类似于上面的图4至8的方式制备晶片50。光敏聚合物层129被操作为绝缘体、防翘曲层，以及在第二晶片50的底表面59上形成粘结层。光敏聚合物层材料包括热固性聚合物，包含感光成分和键合剂，例如，增塑剂、交联剂以及聚合树脂。如上所述，该光敏聚合物层可以包括，例如，选自由以下成分构成的组的至少一种材料聚酰胺、聚苯噁唑(PBO)、苯并环丁烯(BCB)、环氧树脂、酚醛清漆、三聚氰胺-苯酚、丙烯酸酯和弹性体。为了热膨胀系数匹配(CTE-匹配)质量，进一步选择光敏聚合物层129，以防止后续处理活动过程中，晶片50的拱起或弯曲，防止如上所述的晶片50的随后翘曲。
参考图19，光敏聚合物层129被构图，以提供开口176，开口176露出开口176中的底下通孔连接凸块36。光敏聚合物层129被最初露出、烘焙、显影并部分地固化，如上所述。在曝光步骤过程中，曝光能量被调整，以便在第一开口176中剩下光敏聚合物层129的部分厚度，作为衬底50的底表面59和之后在本晶片下面层叠的下芯片、晶片或衬底的互连64或连接焊盘之间的光敏聚合物。通过局部曝光之后的部分光刻工序执行该处理过程中的构图。通过加热该层至小于完全固化该层所需温度的温度，光敏聚合物粘结层129被部分地固化和交联，例如，β-阶段固化，如上所述。光敏聚合物层129的部分固化导致具有机械稳定结构的层，仍然保持其粘附性能。
参考图20，根据常规技术，沿相邻互连64和互连通孔11之间的其划片线56切割57晶片50。以此方式，晶片50被分成芯片51。
参考图21，从芯片51的顶表面除去支撑板120和粘合剂121，例如使用热处理或紫外线照射，以减弱粘结层121的粘附性能。这将分开的芯片51与支撑板分离。
根据如上所述的第二实施例，以类似于由公共晶片50形成和切割芯片51的方式，可以从另一公共晶片形成和切割其他芯片。为了本论述的剩余部分，这种其他芯片称为第一芯片，由公共第一晶片20形成和切割，而芯片51被称为第二芯片51，由公共第二晶片50形成和切割。
参考图22，分开的第一芯片21的底表面被应用于印刷电路板10的顶表面或其他封装衬底。印刷电路板10包括多个芯片键合焊盘14或连接焊盘，用作用于印刷电路板10上的导电路径的互连位置。键合焊盘14包括其上表面上的可选导电焊盘125。导电焊盘125包括，例如，低熔点材料，如使用电镀技术涂敷的焊料或促进粘结的材料如Ni、NiV、Cr和Pd。第一芯片21的下侧上的第二开口176对应于印刷电路板10的芯片键合焊盘14和芯片导电焊盘125的形状和尺寸。第二开口176中的连接凸块36与芯片键合焊盘14对准并被键合。在印刷电路板10上层叠第一芯片21的过程中，第一芯片21的光敏聚合物层129完全填充第一芯片21和印刷电路板10之间的间隙或空间。此外，第一芯片21的光敏聚合物层129防止印刷电路板10的芯片键合焊盘14和导电焊盘125接触第一芯片21的衬底22。此时可以选择性地执行热压键合工序，以便获得第一芯片21和印刷电路板10之间的光敏聚合物层129的完全固化。同时，由于热压工序，在具有导电焊盘125的第一芯片21的连接凸块和印刷电路板10的芯片键合焊盘14之间发生电键合。
参考图23，分开的第二芯片51的底表面被应用于第一芯片21的顶表面。第二芯片51的下侧上的第二开口176对应于第一芯片21的导电互连的形状和尺寸，第一芯片21包括构图的阻挡金属层63、金属互连层64以及第一芯片21的导电层65。第二芯片51的第二开口176中的连接凸块36与第一芯片21的部分导电互连对准并键合在一起。在第一芯片21上层叠第二芯片51的过程中，第二芯片51的光敏聚合物层129完全填充第二芯片51和第一芯片21之间的间隙或空间，同时，防止第一芯片21的导电互连接触第二芯片51的衬底52。此时，可以选择性地执行热压键合工序，以便在第二芯片51和第一芯片21之间获得光敏聚合物层123的完全固化。同时，由于热压工序，在具有导电层65的第二芯片51的连接凸块和印刷电路板10的芯片键合焊盘14之间发生电键合。
在第二和第一芯片51，21上可以选择性地层叠附加芯片，以及在层叠每个芯片层之后，执行热压工序，如上所述。另外，该热压工序可以被延迟，直到所有芯片被对准并层叠，以及当芯片层叠工序完成时，可以执行单个的热压键合工序，以便同时获得每个芯片21，51的所有光敏聚合物粘结层122的完全固化。同时，由于热压工序，在具有底下导电层65的连接凸块36或底下的导电焊盘125之间发生电键合。
如上所述，所得芯片叠层101的进一步处理包括，在芯片叠层101上形成包封材料82。此外，如上所述，尽管结合以上例子展示和描述了两个芯片的层叠，即第一和第二芯片21，51，但是本发明可被应用于超过两个芯片的层叠。此外，尽管上面所示的芯片层叠被应用于印刷电路板，但是其他封装基体同样可应用于本发明，包括，例如，半导体器件衬底或封装内插板。
图24至29是根据本发明的第三实施例，用于制造层叠芯片封装的方法的剖面图。
在上面的第一和第二实施例中，在衬底上分别对准并层叠分开的芯片，以与芯片级键合结构一致的方式形成芯片层叠封装。在以下的第三实施例中，在与晶片级键合结构一致的方式切割芯片之前，包括多个芯片的整个晶片或包括多个芯片的这种晶片的片段被对准和层叠，并应用于衬底。
参考图24，以类似于上面的图4至12的方式制备第二晶片50，包括构图的绝缘体层122和构图的粘结层123，该粘结层包括，例如，如上所述的光敏聚合物材料。光敏聚合物粘结层123被部分地固化，如上所述。
参考图25，包括支撑板120的第二晶片50与第一晶片20层叠。用如上所述的图4至6的方法制备第一晶片20。包括多个第二芯片51的第二晶片50的底表面被应用于包括多个第一芯片21的第一晶片20的顶表面。第二晶片50的第二芯片51下侧上的第二开口174对应于第一晶片20的第一芯片21的导电互连的形状和尺寸，包括第一晶片20的构图的阻挡金属层63、金属互连层64以及导电层65。第二晶片50的第二开口174中的连接凸块36与第一晶片20的部分导电互连对准并键合。在第一晶片20上层叠第二晶片50的过程中，第二晶片50的光敏聚合物粘结层123完全填充第二晶片50的第二芯片51和第一晶片20的第一芯片21之间的间隙或空间。此外，第二晶片50的第二芯片51的硬化绝缘层122防止第一晶片20的第一芯片21的导电互连64接触第二晶片的第二芯片51的衬底52。此时可以选择性地执行热压键合工序，以便在第二晶片50和第一晶片20之间获得光敏聚合物粘结层123的完全固化，因此获得晶片20，50的完全粘结。同时，由于该热压工序，在具有导电层65的第二晶片50的第二芯片51的连接凸块36和第一晶片20的第一芯片21的导电互连64之间发生电键合。
在第二和第一晶片50，20上可以选择性地层叠附加晶片，以及在层叠每个晶片之后，执行热压工序，如上所述。另外，该热压工序可以被延迟，直到所有晶片被对准并层叠，以及当晶片层叠工序完成时，可以执行单个热压键合工序，以便同时获得每个晶片20，50的所有光敏聚合物粘结层123的完全固化。同时，由于该热压工序，在具有底下导电层65的连接凸块36或底下的导电焊盘125之间发生电键合。
参考图26，第一晶片50的底表面被减薄并刻蚀，如上所述，以便通孔连接凸块36从底表面延伸或突出。然后用和如上所述的图9至12相同的方法形成并构图绝缘层122和β-阶段固化的光敏聚合物粘结层123。
参考图27，根据常规技术，沿相邻互连64和互连通孔11之间的它们划片线56切割57层叠的第一和第二晶片20，50。以此方式，该晶片50被分成芯片叠层，每个叠层包括第一晶片20的第一芯片21和第二晶片50的第二芯片51。
在这里描述的本实施例中，在层叠过程中，在第二晶片50上保持支撑板120，用于在第二晶片50下面层叠附加晶片，然后该支撑板被除去。在替换的实施例中，第一晶片20可以保持其基本衬底22的主体和第二晶片50可以被应用并键合到第一晶片20的顶表面。然后第二晶片的支撑板被除去，以及第三晶片和具有支撑板的可选后续晶片被应用并键合到第二晶片50的顶表面。然后第三晶片的支撑板被除去。
参考图28，从芯片叠层151的第二芯片51的顶表面除去支撑板120和粘结层128，例如使用热处理或紫外线照射，以减弱粘结层128的粘附性能。这将分开的芯片51与支撑板120分离。
参考图29，然后芯片叠层151被对准并键合到封装衬底，例如，印刷电路板10。芯片叠层151的第一芯片21的底表面被应用于印刷电路板10的顶表面或其他封装衬底。如上所述，印刷电路板10包括多个芯片键合焊盘14或连接焊盘，用作用于印刷电路板10上的导电路径的互连位置。键合焊盘14包括其上表面上的可选导电焊盘125。导电焊盘125包括，例如，使用电镀技术涂敷的低熔点金属或焊剂材料。芯片叠层151的第一芯片21的下侧上的第二开口174对应于印刷电路板10的芯片键合焊盘14和芯片导电焊盘125的形状和尺寸。第二开口174中的连接凸块36与芯片键合焊盘14对准并被键合。在印刷电路板10上层叠芯片叠层151的第一芯片21的过程中，第一芯片21的光敏聚合物粘结层123完全填充第一芯片21和印刷电路板10之间的间隙或空间。此外，第一芯片21的硬化绝缘层122防止印刷电路板10的芯片键合焊盘14和导电焊盘125接触第一芯片21的衬底22。此时可以选择性地执行热压键合工序，以便获得完全固化，因此芯片叠层151的第一芯片21和印刷电路板10之间的光敏聚合物粘结层123全部粘结。同时，由于该热压工序，在具有导电焊盘125的芯片叠层151的连接凸块和印刷电路板10的芯片键合焊盘14之间发生电键合。
在该芯片叠层的进一步处理中，可以在如上所述的芯片叠层上提供包封材料82。
在上面所描述的本第三实施例中，在每个层应用时，完全键合层叠晶片。在选择性的实施例中，可以在公共热压工序中同时固化并键合包括β-阶段粘结层的多个晶片层。
在如上所述的第三实施例中，利用其中在芯片叠层的切割之前首先对准并键合多个晶片的晶片级键合方法。在第三实施例中，在用于在芯片层之间提供绝缘和粘附功能的晶片之间插入包括绝缘层122和光敏聚合物粘结层123的双层薄膜。在可选的第四实施例中，具有粘附和绝缘性能的单个光敏聚合物层用来提供晶片级键合。以类似于上面的图18-23所述工序的方式应用单层129，与图24至29如上所述的晶片级键合方法结合。
以此方式，本发明提供用于层叠的芯片结构及其制造方法，其中使用相对简单的工艺完全填充下芯片和上芯片之间的间隙，消除下和上芯片之间的空隙并消除与空隙相关的断裂和剥离问题。本发明可被应用于芯片级和晶片级键合方法。在层叠芯片或层叠晶片之前，光敏聚合物层被应用于第一芯片或晶片。该光敏聚合物层被部分地固化，以便使光敏聚合物层的结构稳定，同时保持其粘附性能。第二芯片或晶片被层叠、对准并键合到第一芯片或晶片，然后光敏聚合物层被固化，以完全键合第一和第二芯片或晶片。以此方式，芯片/晶片之间的粘附力被大大地提高，同时提供间隙的完全填充。此外，机械可靠性被提高和CTE不匹配被减小，减轻与翘曲、断裂和剥离相关的问题，从而提高器件成品率和器件可靠性。
尽管参考其优选实施例已经具体展示和描述了本发明，但是本领域的普通技术人员应当明白，在不脱离附加权利要求所限定的本发明的精神和范围的条件下，可以在形式上和细节上进行各种改变。
权利要求
1.一种制造半导体器件的方法，包括在第一衬底上形成第一半导体器件，该第一半导体器件包括在第一半导体器件的器件区中的第一衬底的第一表面上的第一键合焊盘；在第一衬底的第一表面上形成第一互连，该第一互连电耦合到第一键合焊盘，以及形成穿过第一衬底的导电通孔，该导电通孔被电耦合到第一互连并贯穿第一衬底的第二表面，该第二表面与第一表面相对；在第二衬底上形成第二半导体器件，该第二半导体器件包括在第二半导体器件的器件区中的第二衬底的第一表面上的第二键合焊盘；在第二衬底的第一表面上形成第二互连，该第二互连电耦合到第二键合焊盘；在第一衬底的第二表面上提供光敏聚合物层，通过该光敏聚合物层露出部分导电通孔；以及将包括光敏聚合物层的第一衬底的第二表面应用到第二衬底的第一表面，并将第二衬底的第二互连与导电通孔的露出部分对准，以将第一键合焊盘电耦合到第二键合焊盘。
2.根据权利要求1的方法，其中设置光敏聚合物层还包括，构图该光敏聚合物层，以露出部分导电通孔。
3.根据权利要求1的方法，其中该第一互连在朝向第一衬底的外缘的方向上，横穿第一衬底的第一表面延伸，以及其中该第二互连在朝向第二衬底的外缘的方向上，横穿第二衬底的第一表面延伸。
4.根据权利要求1的方法，其中在第一半导体器件的划线区域中形成导电通孔。
5.根据权利要求1的方法，其中在第一半导体器件的器件区中形成该导电通孔。
6.根据权利要求1的方法，还包括，在将第一衬底应用并对准到第二衬底之前，部分地固化光敏聚合物层。
7.根据权利要求6的方法，还包括，在将第一衬底应用并对准到第二衬底之后，固化该光敏聚合物层。
8.根据权利要求1的方法，其中该光敏聚合物层包括绝缘的光敏聚合物层，以及其中在第一衬底的第二表面上设置该光敏聚合物层包括从第一衬底的第二表面除去衬底材料，以露出导电通孔的下端；在第一衬底的第二表面上设置绝缘光敏聚合物层；构图该绝缘光敏聚合物层，以露出导电通孔的下端并覆盖导电通孔的下侧壁部分；以及固化该绝缘光敏聚合物层。
9.根据权利要求8的方法，还包括在该绝缘光敏聚合物层上设置有粘性的光敏聚合物层；在将第一衬底应用并对准到第二衬底之前，部分地固化该有粘性的光敏聚合物层；以及在将第一衬底应用并对准到第二衬底之后，固化该有粘性的光敏聚合物层。
10.根据权利要求9的方法，还包括构图该有粘性的光敏聚合物层，以露出导电通孔的下端。
11.根据权利要求1的方法，还包括将该导电层应用于第二互连的上表面。
12.根据权利要求1的方法，其中形成穿过第一衬底的导电通孔包括在第一衬底中形成通孔，该通孔贯穿第一衬底的第一表面并部分地进入第一衬底；设置内衬通孔的侧壁的绝缘层；用导电材料填充该通孔，以形成导电通孔；以及从第一衬底的第二表面除去衬底材料，以露出导电通孔的下端。
13.根据权利要求12的方法，其中除去衬底材料包括研磨第一衬底的第二表面，以除去衬底材料；以及刻蚀第一衬底的第二表面和部分绝缘层，以露出导电通孔的下端和导电通孔下端的侧壁下部。
14.根据权利要求1的方法，其中在公共的半导体晶片上形成第一衬底上的第一半导体器件和第二衬底上的第二半导体器件。
15.根据权利要求1的方法，其中在分开的第一和第二半导体晶片上形成第一衬底上的第一半导体器件和第二衬底上的第二半导体器件。
16.根据权利要求1的方法，其中该导电通孔包括第一导电通孔，以及其中该光敏聚合物层包括第一光敏聚合物层，以及还包括形成穿过第二衬底的第二导电通孔，该第二导电通孔被电耦合到第二互连并贯穿第二衬底的第二表面，该第二表面与第一表面相对；在第二衬底的第二表面上设置第二光敏聚合物，通过该第二光敏聚合物层露出部分第二导电通孔；在第三衬底的第一表面上形成包括第三键合焊盘的第三衬底；将包括第二光敏聚合物层的第二衬底的第二表面应用于第三衬底的第一表面，以及将第三衬底的第三键合焊盘与第二导电通孔的露出部分对准，以将第二键合焊盘电耦合到第三键合焊盘。
17.根据权利要求16的方法，其中设置第二光敏聚合物层还包括构图该第二光敏聚合物层，以露出部分第二导电通孔。
18.根据权利要求16的方法，其中该第三衬底包括选自由印刷电路板(PCB)、半导体器件衬底和封装内插板构成的组的衬底。
19.根据权利要求16的方法，还包括在将第一衬底应用并对准到第二衬底之前，部分地固化该第一光敏聚合物层；在将第二衬底应用并对准到第三衬底之前，部分地固化该第二光敏聚合物层；以及在与将第一衬底应用到并对准第二衬底之后和在将第二衬底应用并对准到第三衬底之后，同时固化该第一和第二光敏聚合物层。
20.根据权利要求16的方法，其中该第二光敏聚合物层包括绝缘的第二光敏聚合物层，以及其中在第二衬底的第二表面上设置第二光敏聚合物层包括从第二衬底的第二表面除去衬底材料，以露出第二导电通孔的下端；在第二衬底的第二表面上设置绝缘第二光敏聚合物层，构图该绝缘第二光敏聚合物层，以露出第二导电通孔的下端并覆盖第二导电通孔的下侧壁部分；以及固化该绝缘第二光敏聚合物层。
21.根据权利要求20的方法，还包括在该绝缘第二光敏聚合物层上设置有粘性的第二光敏聚合物层；在将第二衬底应用并对准到第三衬底之前，部分地固化该有粘性的第二光敏聚合物层；以及在将第二衬底应用到并对准第三衬底之后，固化该有粘性的第二光敏聚合物层。
22.根据权利要求21的方法，还包括构图该有粘性的第二光敏聚合物层，以露出第二导电通孔的下端。
23.根据权利要求1的方法，其中在第一衬底上形成第一半导体器件包括在公共的晶片上形成多个第一半导体器件，该多个第一半导体器件的每一个具有相应的第一互连和相应的导电通孔，以及还包括划片该多个第一半导体器件，以在将该多个第一衬底之一应用并对准到第二衬底的每一个之前，将该多个第一半导体器件分开。
24.根据权利要求23的方法，其中形成该第二半导体器件包括在公共的晶片上形成多个第二半导体器件，该多个第二半导体器件的每一个具有相应的第二互连，以及还包括在将多个第二衬底之一应用并对准到每个第一衬底之前，划片该多个第二半导体器件，以将该多个第二半导体器件分开。
25.根据权利要求24的方法，其中在划片该多个第二半导体器件之前，执行在第二衬底的第一表面上设置光敏聚合物层。
26.根据权利要求25的方法，还包括在将第二衬底应用并对准到第一衬底之前，部分地固化该光敏聚合物层。
27.根据权利要求26的方法，还包括在将第二衬底应用到并对准到第一衬底之后，固化该光敏聚合物层。
28.根据权利要求1的方法，其中在第一衬底上形成第一半导体器件包括，在公共的第一晶片上形成多个第一半导体器件，该多个第一半导体器件的每一个具有相应的第一互连和相应的导电通孔，以及其中形成第二半导体器件包括，在公共的第二晶片上形成多个第二半导体器件，该多个第二半导体器件的每一个具有相应的第二互连，以及其中将第二衬底应用并对准到第一衬底包括，将第二晶片上的多个第二半导体器件同时应用并对准到第一晶片上的多个第一半导体器件。
29.根据权利要求28的方法，还包括，在将第二晶片上的多个第二半导体器件同时应用并对准到第一晶片上的多个第一半导体器件之后，划片该第一和第二晶片，以将该多个相应的第一和第二半导体器件分开。
30.根据权利要求29的方法，其中在划片第一和第二晶片之前，执行在第二衬底的第一表面上设置光敏聚合物层。
31.根据权利要求30的方法，还包括在将第二晶片的多个第二半导体器件应用并对准第一晶片的第二晶片的多个第一半导体器件之前，部分地固化该光敏聚合物层。
32.根据权利要求31的方法，还包括在将第二晶片的多个第二半导体器件应用并对准到第一晶片的第二晶片的多个第一半导体器件之后，部分地固化该光敏聚合物层。
33.根据权利要求1的方法，其中该光敏聚合物层是选自由以下成分构成的组的材料聚酰胺、聚苯噁唑(PBO)、苯并环丁烯(BCB)、环氧树脂、酚醛清漆、三聚氰胺-苯酚、丙烯酸酯和弹性体。
34.根据权利要求1的方法，其中该光敏聚合物层包括光敏成分和键合剂。
35.根据权利要求1的方法，其中该光敏聚合物层具有第一热膨胀系数，其高于衬底的第二热膨胀系数。
36.根据权利要求35的方法，其中高于衬底的第二热膨胀系数的该光敏聚合物层的第一热膨胀系数补偿在衬底的顶部上形成的有源器件，衬底的顶部与具有第三热膨胀系数的光敏聚合物层相对，该第三热膨胀系数高于衬底的第二热膨胀系数，以防止半导体器件的后续热循环过程中半导体器件翘曲。
37.一种半导体器件，包括第一衬底上的第一半导体器件，该第一半导体器件包括在第一半导体器件的器件区中的第一衬底的第一表面上的第一键合焊盘；在第一衬底的第一表面上形成第一互连，该第一互连电耦合到第一键合焊盘；穿过第一衬底的第一导电通孔，该导电通孔被电耦合到第一互连并贯穿第一衬底的第二表面，该第二表面与第一表面相对；第二衬底，包括第二衬底的第一表面上的第二键合焊盘；以及第一衬底的第二表面和第二衬底的第一表面之间的第一光敏聚合物层，该第一光敏聚合物层键合第一和第二衬底，该第二键合焊盘和第一导电通孔的至少一个贯穿第一光敏聚合物层延伸并接触第二键合焊盘以及该第一导电通孔的另一个，以将第一键合焊盘电耦合到第二键合焊盘。
38.根据权利要求37的器件，还包括在第一衬底的第二表面和第一光敏聚合物层之间的第一绝缘层，该第一导电通孔贯穿第一绝缘层，以接触第二衬底的第二键合焊盘。
39.根据权利要求38的器件，其中该第一绝缘层覆盖第一导电通孔的底部的侧壁。
40.根据权利要求37的器件，还包括第三衬底上的第二半导体器件，该第二半导体器件包括在第二半导体器件的器件区中的第三衬底的第一表面上的第三键合焊盘；第三衬底的第一表面上的第二互连，该第二互连电耦合到第三键合焊盘；穿过第三衬底的第二导电通孔，该第二导电通孔被电耦合到第二互连并贯穿第三衬底的第二表面延伸，该第二表面与第一表面相对；以及第三衬底的第二表面和第一衬底的第一表面之间的第二光敏聚合物层，该第二光敏聚合物层键合第三和第一衬底，第一键合焊盘和第二导电通孔的至少一个贯穿该第二光敏聚合物层延伸并接触第一键合焊盘和第二导电通孔的另一个，以将第一键合焊盘电耦合到第三键合焊盘。
41.根据权利要求40的器件，还包括第一衬底的第二表面和第一光敏聚合物层之间的第一绝缘层，第一导电通孔贯穿该第一绝缘层延伸，以接触第二衬底的第二键合焊盘，以及第三衬底的第二表面和第二光敏聚合物层之间的第二绝缘层，第二导电通孔贯穿该第二绝缘层，以接触第一衬底的第一键合焊盘。
42.根据权利要求41的器件，其中该第一绝缘层覆盖第一导电通孔的底部的侧壁，以及其中第二绝缘层覆盖第二导电通孔的底部的侧壁。
43.根据权利要求40的器件，其中该第一光敏聚合物层被构图，以露出部分第一导电通孔，以能够与第二键合焊盘接触，以及其中该第二光敏聚合物层被构图，以露出部分第二导电通孔，以能够与第一键合焊盘接触。
44.根据权利要求40的器件，其中第一互连在朝向第一衬底的外缘的方向上，横穿第一衬底的第一表面延伸，以及其中第二互连在朝向第三衬底的外缘的方向上，横穿第三衬底的第一表面延伸。
45.根据权利要求40的器件，其中该第一和第二导电通孔被定位在各自的第一和第二半导体器件的划线区中。
46.根据权利要求40的器件，其中该第一和第二导电通孔被定位在各自的第一和第二半导体器件的器件区中。
47.根据权利要求40的器件，其中每个第一和第二导电通孔的远端和部分远端侧壁分别超出第一衬底和第二衬底的第二表面延伸。
48.根据权利要求40的器件，其中在公共的半导体晶片上形成第一衬底上的第一半导体器件和第三衬底上的第二半导体器件。
49.根据权利要求37的器件，其中在分开的第一和第二半导体晶片上形成第一衬底上的第一半导体器件和第三衬底上的第二半导体器件。
50.根据权利要求37的器件，还包括第一互连的上表面上的导电层。
51.根据权利要求37的器件，其中该第二衬底包括选自由印刷电路板(PCB)、半导体器件衬底和封装内插板构成的组的衬底。
52.根据权利要求37的器件，其中该第一光敏聚合物层是选自由以下成分构成的组的材料聚酰胺、聚苯噁唑(PBO)、苯并环丁烯(BCB)、环氧树脂、酚醛清漆以及弹性体。
53.根据权利要求37的器件，其中该第一光敏聚合物层具有第一热膨胀系数，其高于第一衬底的第二热膨胀系数。
54.根据权利要求53的器件，其中高于第一衬底的第二热膨胀系数的该第一光敏聚合物层的第一热膨胀系数补偿在第一衬底的顶部上形成的有源器件，第一衬底的顶部与具有第三热膨胀系数的第一光敏聚合物层相对，第三热膨胀系数高于第一衬底的第二热膨胀系数，以防止半导体器件的后续热循环过程中半导体器件翘曲。
全文摘要
在层叠芯片结构及其制造方法中，使用相对简单的工艺完全填充下芯片和上芯片之间的间隙，消除下和上芯片之间的空隙，并消除与空隙相关的断裂和剥离问题。本发明可被应用于芯片级和晶片级键合方法。在层叠芯片或层叠晶片之前，光敏聚合物层被施加到第一芯片或晶片。该光敏聚合物层被部分地固化，以便使该光敏聚合物层的结构稳定，同时保持其粘附性能。第二芯片或晶片被层叠、对准和键合到第一芯片或晶片，然后该光敏聚合物层被固化，以完全键合第一和第二芯片或晶片。以此方式，芯片/晶片之间的粘附力被大大地提高，同时提供间隙的完全填充。此外，机械可靠性被提高和CTE不匹配被减小，减轻与翘曲、断裂和剥离相关的问题，从而提高器件成品率和器件可靠性。
文档编号H01L23/488GK101026102SQ200710004098
公开日2007年8月29日 申请日期2007年1月23日 优先权日2006年1月24日
发明者权容载, 李康旭, 马金希, 韩成一, 李东镐 申请人:三星电子株式会社