专利名称：半导体封装结构和方法
技术领域：
本发明涉及半导体领域，更具体地，涉及半导体封装结构和方法。
背景技术：
一般而言，在层叠封装(PoP)系统中，可以单独封装各个半导体管芯(或者在每个单独封装中有多个半导体管芯)，然后可以将单独封装聚在一起并且将其互连，从而单独封装中的各个半导体管芯可以一起集成以便执行所需任务。各个封装可以例如通过使用接触凸块来相互电连接。可以通过最初在封装的衬底上形成接触材料层来形成这样的接触凸块。一旦已经形成接触材料层，就可以回流接触材料层，由此增加接触材料的温度以便至少部分地液化接触材料。这种部分液化允许接触材料使用它自身的表面张力来拉动它本身变成球形。一个封装的接触凸块一旦被形成就可以被布局成与来自另一封装的接触焊盘接触。备选地，接触凸块可以被布局成与形成于其它封装上的其它类型或者形式的接触相接触。一旦接触凸块已经与它们的适当位置对准，就可以再次回流和重新加热接触凸块以便再次部分液化它们并且使它们部分流动而且在两个封装之间形成桥。一旦接触凸块冷却并且重新固化，接触凸块就完全相互接合。接触凸块之间的这种接合允许在接触凸块之间的物理连接以及电连接，这种电连接允许信号和功率从一个封装向另一封装传送，由此允许两个封装相互集成并且一起工作。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种半导体器件，包括:第一封装，具有第一侧；位于第一侧上的第一接触和位于第一侧上的第二接触；以及第一后接触材料，在第一接触之上、但是不在第二接触之上。该半导体器件进一步包括与第一后接触材料接触的传导连接件。该半导体器件进一步包括接合到第二接触的第二封装，其中，与第二封装相比，传导连接件从第一封装延伸得更远。其中，传导连接件为焊料凸块。其中，后接触材料为高熔点预焊材料。其中，后接触材料包括SnCu、SnAg> SnAgCu或者SnAu。其中，后接触材料具有约10 μ m与约200 μ m之间的厚度。此外，还提供了一种半导体器件，包括:第一接触和第二接触，在第一封装的第一侧上；以及传导柱，远离第一接触延伸，其中，第二接触无传导柱。该半导体器件进一步包括传导柱上的帽。其中，帽为焊料。其中，帽为非流动焊料。其中， 传导柱具有椭圆形状。
该半导体器件进一步包括接合到第二接触的第二封装，其中，第二封装不接合到传导柱。该半导体器件进一步包括穿过第一封装到达第一封装的第二侧的通孔。该半导体器件进一步包括位于传导柱之上的镀制材料。此外，还提供了一种用于形成半导体器件的方法，方法包括:在第一封装上形成第一接触和第二接触；以及通过在第一接触之上形成后接触材料来相对于第二接触调整第一接触的高度。该方法进一步包括将第二封装接合到第二接触上而不接合到第一接触上。该方法进一步包括密封第二封装。该方法进一步包括将焊料凸块形成到后接触材料上。其中，后接触材料具有比焊料凸块更高的熔点。
为了更完整理解本发明及其优点，现在参照与以下附图结合进行的下文描述:
图1示出了根据一个实施例的具有第一接触和第二接触的第一封装；图2示出了根据一个实施例将后接触材料形成到第一接触上；图3示出了根据一个实施例将接触形成到后接触材料上；图4示出了根据一个实施例将第二封装接合到第一封装上；图5示出了根据一个实施例将第三封装接合到第一封装上；图6示出了根据一个实施例在接触焊盘上形成传导柱；图7示出了根据一个实施例将阻挡层形成到传导柱上；图8示出了根据一个实施例在传导柱上形成块；以及图9示出了根据一个实施例的将第二封装和第三封装接合到第一封装。不同图中的对应标号和符号除非另有指明则一般指代对应部分。附图被绘制成清楚地示出各种实施例的相关方面而未必按比例绘制。
具体实施例方式下文具体讨论当前优选实施例的实现和运用。然而应当理解，本发明提供可以在广泛多种具体背景中具体化的多个适用发明概念。讨论的具体实施例仅举例说明用于实现和运用本发明的具体方式而未限制本发明的范围。下文将参照具体背景中的实施例(即用于层叠封装(PoP)架构的接触结构)描述实施例。然而实施例也可以应用于其它封装架构和其它接触结构。现在参照图1，示出了第一封装100，该封装具有衬底101、从衬底101的第一侧102向衬底101的第二侧104延伸的衬底通孔(through substrate via) 103。第一重新分布层105、第一接触焊盘109、第二接触焊盘108、第一钝化层110和第一 UBM 112可以位于衬底101的第一侧102上。第二重新分布层111、第三接触117、第二 UBM 121和第二钝化层119可以位于衬底101的第二侧104上。用于第一封装100的衬底101可以例如是用来为第一封装100提供支撑的掺杂或者未掺杂的硅衬底或者绝缘体上硅(SOl)衬底的有源层。然而衬底101可以备选地是陶瓷衬底、聚合物衬底、中介层或者任何可以提供可能需要的适当保护/或扇出结构的其它衬底。这些和任何其它适当材料可以备选地用于衬底101。衬底通孔103可以从衬底101的第一侧102向衬底101的第二侧104延伸并且可以通过任何适当方法来形成。例如在一个实施例中，部分穿过衬底101形成开口。可以例如通过一种或者多种蚀刻工艺、碾磨、激光技术等形成开口。开口由扩散阻挡层、粘合层、隔离层等进行加衬(line)并且由传导材料填充。优选地，扩散阻挡层(未示出)包括TaN、Ta、TiN, T1、Coff等的一层或者多层，并且传导材料包括铜、钨、铝、银及它们的组合等，由此形成衬底通孔103。在一个实施例中，衬底通孔103具有TaN扩散阻挡层并且由通过电化镀制工艺形成的铜填充，在该工艺中沉积种子层以辅助形成传导填充材料。在另一实施例中，可以形成衬底通孔103并且用电介质材料进行填充。在研磨衬底101的背侧之后，然后可以经由蚀刻工艺去除电介质材料。一旦去除，电介质材料就可以替换为传导材料(比如铜)。可以使用其它方法和材料。第一重新分布层105可以形成于衬底101的第一侧102上并且与衬底通孔103电连接。第一重新分布层105可以远离衬底通孔103延伸并且允许在希望的任何位置布局第一接触焊盘109 (下文进一步讨论)。第一重新分布层105也可以用来扩大扇出图案中的衬底通孔103的间距或者减少衬底通孔103的间距。可以使用常见的用于在集成电路中形成互连线的方法来形成第一重新分布层105。优选地，第一重新分布层105包括由金属(比如铝、铜、钨、钛及其组合)形成的至少一个传导层。可以通过在种子层上镀制金属、然后蚀刻非所需部分从而留下至少一个传导层来形成至少一个传导层，至少一个传导层可以具有在约2 μ m与约30 μ m之间的厚度而优选宽度约5 μ m。一旦已经形成至少一个传导层，电介质材料可以形成于至少一个传导层之上，并且可以穿过电介质材料形成通孔以提供对至少一个传导层的电接入。然而其它材料和工艺(比如公知的波形花纹(damascene)工艺)可以备选地用来形成第一重新分布层105。如本领域技术人员将认识的那样，第一重新分布层105根据所需性质可以是单层传导材料或者另外可以备选地是多层传导材料。例如如上文形成的第一重新分布层105可以镀有另一传导材料(比如金或者铬)以针对后续形成的连接件(下文描述)提供良好粘合。可以通过工艺(比如CVD)完成这一镀制。可以形成第一接触焊盘109和第二接触焊盘108以提供用于第一重新分布层105的外部接触。在一个实施例中，第二接触焊盘108可以用来提供从第一封装100到第二封装400的外部接触(在图1中未示出，但是下文参照图4来示出和讨论)。此外，第一接触焊盘109可以用来提供与第三封装500的外部接触(在图1中也未示出，但是下文参照图5来示出和讨论)。第一接触焊盘109和第二接触焊盘108可以由传导材料(比如铝)形成，但是可以备选地利用诸如铜、钨等其它适当材料。可以使用比如CVD的工艺来形成第一接触焊盘109和第二接触焊盘108，但是可以备选地利用其它适当材料和方法。一旦已经沉积用于第一接触焊盘109和第二接触焊盘108的材料，就可以例如使用光刻掩模和蚀刻工艺将材料成形为第一接触焊盘109。在形成第一接触焊盘109和第二接触焊盘108之后，可以形成第一钝化层110以帮助隔离和保护第一接触焊盘109和第二接触焊盘108。 在一个实施例中，第一钝化层110可以由诸如聚酰亚胺的聚合物形成或者可以备选地由诸如硅氧化物、硅氮化物、低k电介质、极低k电介质、这些材料的组合等材料形成。第一钝化层110可以被形成为具有在约2 μ m与约15 μ m之间(比如约5 μ m)的厚度。一旦已经形成第一钝化层110，就可以形成第一 UBM 112与第一接触焊盘109和第二接触焊盘108接触。在一个实施例中，可以通过最初例如使用光刻掩模和蚀刻工艺经过第一钝化层110形成用于第一 UBM 112的开口来形成第一 UBM。一旦已经暴露第一接触焊盘109和第二接触焊盘108的至少一部分,就可以形成第一 UBM 112与第一接触焊盘109和第二接触焊盘108电接触。第一 UBM 112可以包括三个传导材料层(比如钛层、铜层和镍层)。然而，本领域普通技术人员应理解，存在适合于形成第一UBM112的多种材料和层布置(比如铬/铬铜合金/铜/金布置、钛/钛钨/铜布置或者铜/镍/金布置)。可以用于第一 UBM 112的任何适当材料或者材料层可以完全旨在于包含在实施例的范围内。可以通过在第一接触焊盘109和第二接触焊盘108之上形成每层来创建第一 UBM112。可以使用镀制工艺(比如电化镀制)来执行每层的形成，但是可以根据所需材料而备选地使用其它形成工艺(比如溅射、汽化或者PECVD工艺)。第一 UBM 112可以被形成为具有在约0.7μπι与约ΙΟμπι之间(比如约5μπι)的厚度。一旦已经形成所需层，就可以通过适当光刻掩模和蚀刻工艺去除层的部分，以去除非所需材料并且留下所需形状(比如圆形、八边形、方形或者矩形形状)的第一 UBM 112，但是也可以备选地形成任何所需形状。可以在衬底101的第二侧104上形成第二重新分布层111、第三接触117、第二钝化层119和第二 UBM 121以便提供从衬底通孔103到外部器件(在图1中未示出)的连接。在一个实施例中，第二重新分布层111、第三接触117、第二钝化层119和第二 UBM 121可以分别用与上文描述的第一重 新分布层105、第一接触焊盘109和第一钝化层110以及第一 UBMl 12相似的方式和相似的材料形成。然而可以备选地使用不同方法和材料来形成第二重新分布层111、第三接触117、第二钝化层119和第二 UBM121。一旦第二 UBM 121已经形成于衬底101的第二侧104上，第一传导连接件123就可以形成于第二 UBM 121之上。第一传导连接件123可以例如是接触凸块并且可以包括比如锡的材料或者其它适当材料(比如银、无铅的锡或者铜)。在第一传导连接件123为锡焊料凸块的一个实施例中，可以通过最初通过这样的常用方法(比如汽化、电镀、印刷、焊料传送、球布局等)将锡层形成至例如约100 μ m的厚度来形成第二传导连接件301。一旦锡层已经形成于结构上，就可以执行回流以便将材料成形为所需块形状。然而描述的实施例并非旨在于限于如上文描述的接触凸块。可以备选地利用任何其它适当接触连接(比如铜连接、传导柱(比如铜住)或者任何其它类型的连接)。所有适当连接完全旨在于包含在实施例的范围内。图2示出了在第一 UBM 112上形成后接触材料201。在一个实施例中，后接触材料201可以用来调整在第一 UBM 112与第二传导连接件301之间的接合部(在图2中未示出，但是下文参照图3来示出和描述)的高度。在第二传导连接件301为焊球的一个实施例中，后接触材料201可以例如是高熔点预焊料(比如SnCu、SnAg、SnAgCu或者SnAu、这些材料的组合等)。后接触材料201可以印刷到第一 UBM 112上，但是可以备选地利用其它工艺(比如电镀或者无电镀)。在一个实施例中，后接触材料201可以被形成为具有第一厚度T1，该厚度大到足以减少或者消除在第一 UBM 112与第二传导连接件301之间的冷接合部的可能性。在一个实施例中，第一厚度T1可以在约ΙΟμπι与约200 μ m之间(比如约100 μ m)。然而尽管这些厚度是示例的，但是第一厚度T1并非仅限于这些厚度，因为任何适当厚度可以备选地根据需要用来防止冷接合部出现。图3示出了在形成后接触材料201之后，可以在后接触材料201上形成第二传导连接件301。在一个实施例中，第二传导连接件301可以与第一传导连接件123相似并且可以例如是传导块(比如焊料凸块)并且可以包括材料(比如锡)或者其它适当材料(比如银、无铅的芯或者铜)。备选地，第二传导连接件301可以是诸如SnZn、SnB1、SnIn, SnCd,这些材料的组合等材料，并且该材料可以具有比后接触材料201更低的熔点。在第二传导连接件301为锡焊料凸块的一个实施例中，可以通过最初通过这样的常用方法(比如汽化、电镀、印刷、焊料转印、球布局等)将锡层形成至例如约100 μ m的厚度来形成第二传导连接件301。一旦锡层已经形成于结构上，就可以执行回流以便将材料成形为所需块形状。图4示出了将第二封装与第一封装100 —起接合和封装。在一个实施例中，第二封装400可以是用于半导体管芯(在图4中未个别示出)的封装，各种有源和无源器件(比如晶体管、电阻器、电容器、电感器等)已经形成于该半导体管芯上以便创建功能器件。半导体管芯也可以包括有源和无源器件之上的交替的一系列传导和电介质层以便互连和隔离各种器件并且形成功能电路。此外，为了将功 能电路连接到第一封装100，第一管芯可以封装于第二封装400内，并且第二封装400可以具有用于将第二封装400与第一封装100上的第二接触焊盘108连接的第四接触403。第四接触403可以是传导材料(比如铜)并且可以例如是传导柱的形状。可以例如利用光刻和镀制工艺来形成第四接触403从而形成第四接触403与第二封装400的下层传导层以及第二封装400内的半导体管芯的有源和无源器件电接触以便为这些有源和无源器件提供外部接触。然而第四接触403并非仅限于铜柱，因为可以备选地利用诸如铝接触焊盘、焊料凸块、接线接合焊盘等任何适当类型的接触。第四接触403 (位于第二封装400上)可以例如使用接合工艺来连接到第二接触焊盘108 (位于第一封装100上)。在一个实施例中，接合工艺可以包括形成或者以别的方式在第四接触403、第二接触焊盘108或者二者上布局第一连接材料405 (比如焊料)。第四接触403和第二接触焊盘108然后可以被布局成相互接触(在它们之间有第一连接材料405)，并且可以回流第一连接材料405以便将第二接触焊盘108接合到第四接触403，并且也将第二封装400接合到第一封装100。一旦第二封装400已经接合到第一封装100,就可以使用封装剂407 (比如模制化合物、聚酰亚胺、PPS、PEEK、PES、耐热晶体树脂、这些材料的组合等)来封装结构。在一个实施例中，接合的第一封装100和第二封装400可以布局于模制室(未示出)中，并且封装剂407可以注入或者布局到模制室中。模制室将封装剂407成形为所需形状以便在第一封装100上封装第二封装400以便向第二封装400提供支撑和保护。一旦就位，就可以固化封装剂407以便硬化封装剂407以求最佳保护。尽管确切的固化工艺至少部分依赖于为封装剂407而选择的特定材料，但是在其中选择模制化合物作为封装剂407的一个实施例中，固化可以通过比如以下工艺来进行:将封装剂407加热至在约100°C与约130°C之间(比如约125°C )持续约60秒至约3000秒(比如约600秒)。此外，可以在封装剂407内包括抑制剂和/或催化剂以更好地控制固化工艺。图5示出了将第三封装500布局和接合到第一封装100上。在一个实施例中，与第二封装400相似，第三封装500可以是用于半导体管芯的封装，各种有源和无源器件(在图5中未个别示出)可以形成于该半导体管芯上。第三封装500可以相似地具有第五接触501，这些接触可以电连接到第三封装500内的半导体管芯内的有源和无源器件。第五接触501可以由与(上文参照图4描述的)第四接触403相似的工艺和材料形成，但是第五接触501可以备选地由不同材料和不同工艺形成。与上文参照图4描述的接合工艺相似，第三封装500可以接合到第一封装100。例如接合工艺可以包括布局第五接触501和第一接触焊盘109相互接触(在它们之间有第二传导连接件301)，并且可以回流第二传导连接件301以便将第一接触焊盘109接合到第五接触501并且也将第三封装500接合到第一封装100。图6示出了传导柱601代替后接触材料201用来控制接合高度的另一实施例。在这一实施例中，可以通过最初将第一钝化层110之上的光刻胶(未示出)形成至大于约20 μ m或者甚至大于约60 μ m的厚度来形成传导柱601。光刻胶可以被图案化成暴露第一钝化层110的一些部分，传导柱601将经过这些部分延伸。一旦被图案化，光刻胶然后就可以用作为用于去除第一钝化层110的所需部分的掩模、由此暴露第一接触焊盘109的如下那些部分，传导柱601将产生与这些部分的接触。在图案化第一钝化层110之后，传导住601可以形成于第一钝化层110以及光刻胶二者的开口内。传导柱601可以由传导材料(比如铜)形成，但是也可以使用诸如镍、金或者金属合金、这些材料的组合等其它传导材料。此外，可以使用比如电镀的工艺来形成传导柱601，通过该工艺，电流穿过第一接触焊盘109的传导部分(希望传导柱601形成到这些传导部分)，并且第一接触焊盘109浸溃于溶液中。溶液和电流在开口内例如沉积铜，以便填充和/或过度填充光刻胶和第一钝化层110的开口，由此形成传导柱601。然后可以例如使用化学机械抛光(CMP)来去除在开口以外的过量传导材料。在形成传导柱601之后，可以通过工艺(比如灰化)去除光刻胶，其中增加光刻胶的温度直至光刻胶分解并且可以被去除。在去除光刻胶之后，传导柱601从第一钝化层110延伸开约IOmm至约300mm之间(比如约180mm)的第一距离屯。然而，本领域普通技术人员应理解，用于形成传导柱601的上述工艺仅为一种这样的描述而并非为了使实施例限于这一确切工艺。实际上，描述的工艺旨在于仅举例说明，因为可以备选地利用任何用于形成传导柱601的适当工艺。例如也可以利用将第一钝化层110形成至比它的最终厚度更大的厚度、向第一钝化层110的开口中形成传导柱601、然后去除第一钝化层110的顶部部分而使得传导柱601从第一钝化层110延伸开。所有适当工艺完全旨在于包含在实施例的范围内。图7示出了可以形成于传导柱601之上的可选阻挡层701。阻挡层701可以是锡或者其它传导材料并且可以通过浸溃Sn(IT)、有机可焊性防腐剂(OSP)、自组装单层(SAM)、无电镀镍无电镀钯浸溃金(ENEPIG)、这些工艺的组合等工艺来形成。阻挡层701可以被形成至在约0.1 μ m与约10 μ m之间(比如约0.5 μ m)的厚度。图8不出了传导柱601可选地盖有传导材料801的另一实施例。在一个实施例中，传导材料801可以例如是非流动焊帽(比如SnZn> SnBi> Snln、SnCd等)。
可以通过电镀、无电镀、浸镀等将非流动焊帽形成至在约Iym与约100 μπι之间(比如约20 μ m)的厚度。备选地，传导材料801可以是可流动材料(比如焊料)。在这一实施例中，传导材料801可以与第一传导连接件123的材料相似(比如通过镀制和回流工艺形成的锡焊料凸块)。然而传导材料801可以备选地是任何其它适当传导材料。图9示出了将第二封装400和第三封装500布局和接合到第一封装100上。在一个实施例中，第二封装400和第三封装500可以使用与上文参照图4和图5描述的方法和工艺相似的方法和工艺(比如通过在压力之下对准和回流传导材料以接合第二封装400和第二封装500)来接合到第一封装100。然而,可以备选地应用将第二封装400和第三封装500接合到第一封装100的任何其它适当方法。根据一个实施例，提供一种半导体器件，该半导体器件包括具有第一侧的第一封装以及位于第一侧上的第一接触和位于第一侧上的第二接触。第一后接触材料在第一接触之上、但是未在第二接触之上。根据另一实施例，提供一种半导体器件，该半导体器件包括在第一封装的第一侧上的第一接触和第二接触。传导柱从第一接触延伸开，其中第二接触无传导柱。根据又一实施例，提供一种用于形成半导体器件的方法，该方法包括在第一封装上形成第一接触和第二接触。通过在第一接触之上形成后接触材料来相对于第二接触调整第一接触的高度。虽然已经具体描述本发明及其 优点，但是应当理解这里可以做出各种改变、替换和变更而未脱离如所附权利要求限定的本发明的精神实质和范围。例如可以变更用来形成各种结构的精确方法和材料而又仍然保持于实施例的范围内。此外，可以改变接触焊盘在第一封装上的精确布局以适应第一封装的设计需要而又仍然保持于实施例的范围内。另外，本申请的范围并非旨在于限于在说明书中描述的工艺、机器、制造品、物质组成、装置、方法和步骤的具体实施例。如本领域普通技术人员将根据实施例的公开内容容易理解的那样，可以根据实施例利用执行与这里描述的对应实施例基本上相同功能或者实现基本上相同结果的、目前存在或者以后开发的工艺、机器、制造品、物质组成、装置、方法和步骤。因而所附权利要求旨在于在它们的范围内包括这样的工艺、机器、制造品、物质组成、装置、方法和步骤。
权利要求
1.一种半导体器件，包括: 第一封装，具有第一侧； 位于所述第一侧上的第一接触和位于所述第一侧上的第二接触；以及 第一后接触材料，在所述第一接触之上、但是不在所述第二接触之上。
2.根据权利要求1所述的半导体器件，进一步包括与所述第一后接触材料接触的传导连接件。
3.根据权利要求2所述的半导体器件，进一步包括接合到所述第二接触的第二封装，其中，与所述第二封装相比，所述传导连接件从所述第一封装延伸得更远。
4.根据权利要求3所述的半导体器件，其中，所述传导连接件为焊料凸块。
5.根据权利要求1所述的半导体器件，其中，所述后接触材料为高熔点预焊材料。
6.根据权利要求5所述的半导体器件，其中，所述后接触材料包括SnCu、SnAg,SnAgCu或者SnAu。
7.根据权利要求1所述的半导体器件，其中，所述后接触材料具有约ΙΟμπι与约200 μ m之间的厚度。
8.一种半导体器件，包括: 第一接触和第二接触，在第一封装的第一侧上；以及 传导柱，远离所述第一接触延伸，其中，所述第二接触无传导柱。
9.根据权利要求8所述的半导体器件，进一步包括所述传导柱上的帽。
10.一种用于形成半导体器件的方法，所述方法包括: 在第一封装上形成第一接触和第二接触；以及 通过在所述第一接触之上形成后接触材料来相对于所述第二接触调整所述第一接触的高度。
全文摘要
提供一种用于封装半导体管芯的系统和方法。一个实施例包括具有第一接触和第二接触的第一封装。后接触材料形成于第一接触上以便调整在接触焊盘与传导块之间的接合的高度。在另一实施例中，传导柱用来控制在接触焊盘与外部连接之间的接合的高度。
文档编号H01L23/488GK103219307SQ201210190398
公开日2013年7月24日 申请日期2012年6月8日 优先权日2012年1月24日
发明者林俊成, 刘重希, 黄贵伟, 陈正庭, 林威宏, 郑明达 申请人:台湾积体电路制造股份有限公司