接合的半导体封装的制作方法

本实用新型的各方面通常涉及半导体封装。更具体的实施方式涉及用于半导体封装的接合晶片。

背景技术：

半导体封装内的三维纵向连接已被用于促进晶片在集成电路中的堆叠。通常，这些已采取硅通孔(TSV)的形式或氧化物通孔(TOV)的形式。通常通过在接合层的材料不是全部相同的材料处混合接合，或者通过在每个晶片上接合的材料是相同的材料处熔融接合，进行两个晶片的接合。

技术实现要素：

半导体封装的实施方式可以包括：具有第一表面的第一晶片和与所述第一晶片的第一表面连接的第一组刀片互连件，所述第一组刀片互连件从该第一表面延伸。所述封装可以包括具有第一表面的第二晶片和与所述第二晶片的第一表面连接的第二组刀片互连件，所述第二组刀片互连件从该第一表面延伸并以基本垂直于所述第一组刀片互连件的取向方向取向。在所述第一组刀片互连件和所述第二组刀片互连件之间的多个相交点处，所述第一组刀片互连件可以混合接合到所述第二组刀片互连件。所述多个相交点可以沿着所述第一组刀片互连件的每个刀片互连件的长度布置，并可以沿着所述第二组刀片互连件的每个刀片互连件的长度布置。

半导体封装的实施方式可以包括以下情形中的一者、全部或任何：

所述第一组刀片互连件和所述第二组刀片互连件可以包括金属或金属合金。

所述第一组刀片互连件和所述第二组刀片互连件可以包括在其上的焊料层。

所述半导体封装可以包括设置在所述第一组刀片互连件的刀片互连件之间的底部填充材料。

所述半导体封装可以包括设置在所述第二组刀片互连件的刀片互连件之间的底部填充材料。

所述第一组刀片互连件和所述第二组刀片互连件的每个刀片互连件可以具有第一侧壁和与所述第一侧壁相对的第二侧壁。所述第一侧壁可以具有与所述第一晶片和所述第二晶片中的一者的第一表面成90度～170度的角度，并且所述第二侧壁可以具有与所述第一晶片和所述第二晶片中的一者的第一表面成90度～170度的角度。

所述第一组刀片互连件的至少一个刀片互连件可以不与所述第一组刀片互连件的其他刀片互连件尺寸相同。

所述第二组刀片互连件的至少一个刀片互连件可以不与所述第二组刀片互连件的其他刀片互连件尺寸相同。

所述第一组刀片互连件的每个刀片互连件并不都可以具有相应的第二组刀片互连件的刀片互连件。

半导体封装的实施方式可以包括：具有第一表面的第一晶片和与所述第一晶片的第一表面连接的第一组刀片互连件，所述第一组刀片互连件从该第一表面延伸。所述封装还可以包括具有第一表面的第二晶片、与所述第二晶片的第一表面连接的第二组刀片互连件，所述第二组刀片互连件从该第一表面延伸并以基本垂直于所述第一组刀片互连件的取向方向取向。所述第二组刀片互连件的每个刀片互连件可以具有在其中的倒角。在所述第一组刀片互连件与所述第二组刀片互连件的每个刀片的倒角之间的多个相交点处，所述第一组刀片互连件可以混合接合到所述第二组刀片互连件。所述多个相交点可以沿着所述第一组刀片互连件的每个刀片互连件的长度布置，并且可以在所述第二组刀片互连件的每个刀片互连件的倒角内布置。

半导体封装的实施方式可以包括以下情形中的一者、全部或任何：

所述第一组刀片互连件和所述第二组刀片互连件可以包括金属或金属合金。

所述第一组刀片互连件和所述第二组刀片互连件可以包括在其上的焊料层。

所述半导体封装可以包括设置在所述第一组刀片互连件的刀片互连件之间的底部填充材料和设置在所述第二组刀片互连件的刀片互连件之间的底部填充材料。

所述第一组刀片互连件和所述第二组刀片互连件的每个刀片互连件可以具有第一侧壁和与所述第一侧壁相对的第二侧壁。所述第一侧壁可以具有与所述第一晶片和所述第二晶片中的一者的第一表面成90度～170度的角度，并且所述第二侧壁可以具有与所述第一晶片和所述第二晶片中的一者的第一表面成90度～170度的角度。

所述第一组刀片互连件的至少一个刀片互连件可以不与所述第一组刀片互连件的其他刀片互连件尺寸相同。

所述第二组刀片互连件的至少一个刀片互连件可以不与所述第二组刀片互连件的其他刀片互连件尺寸相同。

所述第一组刀片互连件的每个刀片互连件并不都可以具有相应的第二组刀片互连件的刀片互连件。

半导体封装的实施方式可以通过使用制造半导体封装的方法的实施方式来进行。所述方法可以包括在第一晶片的第一表面和第二晶片的第一表面中的一者上的光致抗蚀剂层中形成底切光致抗蚀剂图案，其中，当从所述光致抗蚀剂图案的横截面图上方观察时，所述底切光致抗蚀剂层具有在所述光致抗蚀剂层中的两个相对的三角形和在所述光致抗蚀剂层中的沙漏形状中的一者。金属可被电镀到所述底切光致抗蚀剂图案中。在使用所述光致抗蚀剂图案的两个相对的三角形和沙漏形状中的一者进行电镀期间，可以在所述刀片互连件中形成倒角，并且去除所述光致抗蚀剂以形成刀片互连件。

形成半导体封装的方法的实施方式可以包括以下情形中的一者、全部或任何：

所述底切光致抗蚀剂图案可以具有以下情形中的一者：两个相对的三角形具有圆角顶点，和所述沙漏形状具有圆角边缘。

金属籽晶层可以沉积在所述第一晶片的第一表面和所述光致抗蚀剂图案之间。在将金属电镀到所述底切光致抗蚀剂图案之后，可以蚀刻掉所述金属籽晶层。

根据说明书和附图以及权利要求书，上述及其他的方面、特征和优点对于本领域普通技术人员是明显的。

附图说明

以下将结合附图描述实施方式，其中，相同的标号表示相同的元件，并且：

图1是理想的接合焊盘阵列的布局图；

图2是具有用于对准结构的开放空间的常规接合焊盘的布局图；

图3是在接合之前具有刀片互连件的半导体封装实施方式的横截面视图；

图4是图3示出晶片和刀片互连件的实施方式的放大图；

图5是带有多组相交的刀片互连件实施方式的两个晶片的局部透视图；

图6是图5的相交的刀片互连件的局部透视放大图；

图7是示出多组相交的刀片互连件的接合晶片的顶部横截面透视图；

图8是用于计算刀片相交区域的刀片互连件的侧视图；

图9是用于计算刀片相交区域的两个刀片互连件之间的相交区域的侧视图；

图10是在接合之前包括具有焊料层的刀片互连件的半导体封装的横截面视图；

图11是在接合之前带有具有一组倒角刀片互连件的半导体封装的横截面视图；

图12是带有下部倒角刀片互连件的图11的刀片互连件的放大图；

图13是带有上部倒角刀片互连件的图11的刀片互连件的放大图；

图14是包括在光致抗蚀剂层中形成的底切光致抗蚀剂图案的晶片的横截面视图；

图15是在光致抗蚀剂层中形成的图14的底切光致抗蚀剂图案的俯视图；

图16是在光致抗蚀剂层中形成的替代底切光致抗蚀剂图案的俯视图；

图17是刀片互连件填充光致抗蚀剂层的底切的图14的晶片的横截面视图；

图18是去除光致抗蚀剂层的图17的晶片的横截面视图；以及

图19是涂布有底部填充材料的图18的晶片的横截面视图。

具体实施方式

本实用新型、其方面和实施方式不限于本文公开的具体组件、组装过程或方法元素。根据本申请的具体实施方式的应用，本领域中已知的与预期半导体封装一致的许多附加组件、组装过程和/或方法元件是显而易见的。因此，例如，尽管公开了具体实施方式，但是这样的实施方式和实施组件可以包括与预期操作和方法一致的在本领域中对于这种半导体封装以及实施组件和方法是已知的任何形状、尺寸、样式、类型、模型、版本、量度、浓度、材料、数量、方法元素、步骤和/或诸如此类。

尽管本实用新型中公开的各种实施方式集中在两个晶片堆叠上，但是完全能理解本文公开的原理可以用于两个或更多个裸芯的裸芯到裸芯堆叠、晶片上的两个或更多个裸芯的裸芯到晶片堆叠以及多于两个晶片的晶片到晶片堆叠。

图1示出了晶片表面上的理想的接合焊盘阵列的布局的顶视图。在附图中，这组接合焊盘可以对应于单个裸芯或整个晶片上的裸芯阵列。理想地，接合焊盘均以接合焊盘之间最小的间距等距间隔开。当以这种方式排列时，接合焊盘提供均匀致密的图案，其在各种处理步骤期间增加均匀性，并且还消除阵列中的裸芯之间的额外空间，从而使单位晶片的裸芯最大化。

图2示出了带有对准结构所需的空白空间1的常规接合焊盘阵列的布局。尽管图1表示理想布局，图2表示常规设备中使用的实际布局的实例。历史上，空白空间1已被要求允许对准结构2放置在空间中。对准结构2通过接合设备进行使用，以在进行接合过程之前产生适当的晶片对准。然而，特别是当采用混合接合时，空白空间1的存在导致晶片之间的不完全接合，因为它降低了可用于形成接合的材料的表面积。

现在参考图3，示出了在接合之前带有刀片互连件的半导体封装的横截面视图。在该实施方式中，半导体封装包括带有第一表面4的第一晶片3和带有第一表面6的第二晶片5。第一组刀片互连件7示出为从第一晶片3的第一表面4延伸，并且第二组刀片互连件8示出为从第二晶片的第一表面延伸。在图3所示的实施方式中，底部填充材料9被设置或布置在第一组刀片互连件7的刀片互连件与第二组刀片互连件8的刀片互连件之间。底部填充材料9在晶片接合之前或晶片接合之后可以布置在其中，并且可以使用涂覆、涂布干膜材料或任何其他分配工艺进行放置。以任何非限制性实例方式，底部填充材料9可以包括环氧树脂、含硅化合物、硅氧烷或它们的任何组合。

现在参考图4，示出了图3显示晶片和刀片互连件的放大图。第一组刀片互连件和第二组刀片互连件的每个刀片互连件具有第一侧壁10和在互连件与第一侧壁相对的一侧上的第二侧壁11。第一侧壁10以与第一组刀片互连件中的那些刀片互连件的第一晶片3中的一者的第一表面4成一角度12进行取向。该角度12可以为约90度～约170度。第二组刀片互连件的第一侧壁10也以与第二晶片5的第一表面6成约90度～约170度的角度进行取向。类似地，第二侧壁11以与第一晶片的第一表面成约90度～约170度的角度13进行取向，并且第二侧壁11也以与第二晶片5的第一表面6成约90度～约170度的角度进行取向。

以非限制性实例的方式，刀片互连件可以由任何金属或金属合金制成，该金属或金属合金包括铜、金、锡、镍、铅、铝、银、铟，前述的任何组合，或前述的合金的任何组合。在各种实施方式中，第一组刀片互连件和第二组刀片互连件可以具有单个金属层或金属合金层，或者可以具有金属、金属合金或两者的多层。

刀片互连件在各种实施方式中可以具有各种尺寸。在具体实施方式中，刀片间距为2um，刀片长度为1um，刀片宽度为0.1um，且刀片高度为0.2um。在该实施方式中，第一组刀片互连件的刀片互连件的尺寸与第二组刀片互连件的刀片互连件的尺寸相同。然而，在其他实施方式中，两组之间的互连件的尺寸可能不同。在具体实施方式中，每个组内的刀片互连件的尺寸可以不同。

现在参考图5，示出了通过部分透明的上部晶片观察到的带有相交的多组刀片互连件的两个晶片的视图。如图所示，第二组刀片互连件8以基本垂直于第一组刀片互连件7的取向方向进行取向。这在图7中清楚地示出。图7为当接合时部分透视地示出相交的刀片互连件的图5的晶片的顶视图。在一些实施方式中，第一组刀片互连件7的每个刀片互连件并不都将具有与之相接合的相应的第二组刀片互连件8的刀片互连件，反之亦然。在其他实施方式中，第一组刀片互连件7内的每个刀片互连件确实具有与之相接合的相应的第二组刀片互连件8的刀片互连件。第一组刀片互连件7的刀片互连件的尺寸在该组内可以变化或可以不变化，并且第二组刀片互连件8的刀片互连件的尺寸在该组内可以变化或可以不变化。

图6示出了图5的相交的刀片互连件的放大图。在所述第一组刀片互连件和所述第二组刀片互连件之间的多个相交点处，所述第一组刀片互连件7混合接合到所述第二组刀片互连件8。所述相交点沿着所述第一组刀片互连件7的每个刀片互连件的长度布置，并沿着所述第二组刀片互连件8的每个刀片互连件的长度布置。由于给定的成对的刀片互连件的相交点能够沿着每个互连件的长度可能存在于任何位置，因此成功地将晶片接合在一起的对准精度(X、Y和旋转)要求变得更加宽松，这可能产生更高的产率。混合接合通常通过热压接合来实现，尽管也可以使用其他混合接合替代方式。

图7示出了形成加号的相交的刀片互连件，然而，在各种实施方式中，相交的刀片互连件可以旋转任何度数。在一个可能的实施方式中，相交的刀片互连件旋转约45度以形成X图案。此外，图7示出了：第一组刀片互连件的所有刀片互连件排列在第一晶片上的不同定位处的相同位置，并且第二组刀片互连件的所有刀片互连件排列在第二晶片上的不同定位处的相同位置。在各种实施方式中，第一组刀片互连件的刀片互连件可以交替排列或排列在不同的位置，并且第二组刀片互连件的刀片互连件可以基本垂直于第一组刀片互连件的刀片互连件的取向方向进行取向。在其他实施方式中，刀片互连件可以相对于彼此以约20度～约160度的变化角度且彼此不垂直的方式进行取向。

相交的刀片互连件之间的相交点处的接合区域随着刀片互连件的角度和相交的刀片互连件之间的彼此穿透深度而变化。因此，如果在第一组相交的刀片互连件和第二组相交的刀片互连件之间需要一定的接触面积，则可以在设计和/或制造期间调整相交的刀片的穿透深度、刀片的宽度和刀片互连件的前缘的角度，以在相交的刀片互连件之间获得期望的接合区域。

图8和图9是能够用于近似计算每对基本垂直的相交的刀片互连件的接合面积的图。具体参考图8，示出了刀片互连件的相交部分的横截面。变量h表示穿透深度，w表示刀片在刀片互连件的穿透部分的底部处的宽度，并且θ表示刀片在前缘处的角度。使用三角函数，方程式1得出：

重排方程式1以求解w得到方程式2。

tan(θ/2)·(2h)＝w 方程式2

具体参考图9，示出了显示接触面积的相交的刀片互连件的横截面视图。然后，使用毕达哥拉斯定理推导出方程式3和4。

该区域是通过代入方程式2中计算w值来计算d²来获得，从而得到方程式5和6。

现在参考图10，示出了在接合之前包括具有焊料层的刀片互连件的半导体封装的横截面视图。在替代实施方式中，可以将焊料层14涂布到第一组刀片互连件7的刀片互连件的表面、第二组刀片互连件8的表面，或者涂布到第一组刀片互连件和第二组刀片互连件两者的表面。焊料可覆盖刀片互连件的任何部分。以非限制性实例的方式，焊料层可以是锡基焊料、铅锡基焊料或无铅焊料。底部填充材料可以放置在第一组刀片互连件的刀片互连件和第二组刀片互连件的刀片互连件之间。在存在这样的底部填充材料的情况下，焊料降低了在焊点处掺入底部填充材料的风险。然而，在其他实施例中，不使用底部填充材料。

焊接覆盖的刀片互连件在各种实施方式中可以具有各种尺寸。在具体实施方式中，刀片间距为50um，刀片长度为25um，刀片宽度为2.5um，且刀片高度为5um。

现在参考图11，示出了在接合之前包括倒角刀片互连件的半导体封装的横截面视图。倒角刀片互连件在对准和/或接合过程期间提供了在晶片之间的刀片互连件的自对准提高。所示的实施方式包括具有第一表面16的第一晶片15和具有第一表面18的第二晶片17。第一组刀片互连件19示出为从第一晶片15的第一表面16延伸，并且第二组刀片互连件20示出为从第二晶片17的第一表面18延伸。第二组刀片互连件20的刀片互连件均包括倒角21。在该实施方式中，第二组刀片互连件20进行倒角，第一组刀片互连件19的刀片互连件而不是第二组刀片互连件20的刀片互连件可以进行倒角，如图13所示。在另一个实施方式中，第一组刀片互连件和第二组刀片互连件会以相应的方式进行倒角。

现在参考图12，示出了示出晶片和刀片互连件的放大图。在实施方式中，刀片互连件的每个倒角21覆盖每个刀片的整个边缘。然而，在其他实施方式中，倒角仅覆盖每个刀片互连件的边缘的一部分。在所示的实施方式中，倒角的最深部分26在倒角的中心。然而，在其他实施方式中，倒角的最深部分26可以偏离中心。在具体实施方式中，倒角可以不在刀片互连件的结构中居中，而是可以偏离中心。

第一组刀片互连件19的每个刀片互连件和第二组刀片互连件20的每个刀片互连件可以形成为与本文件中公开的那些结构类似的结构相一致，不同之处在于在刀片互连件的结构中存在倒角。它们的尺寸也可以与本文件中所公开的尺寸相似。

类似于先前公开的第一组刀片互连件和第二组刀片互连件，第二组刀片互连件20以基本垂直于第一组刀片互连件19的取向方向进行取向。在一些实施方式中，在第一组刀片互连件19内的每个刀片互连件并不都将具有相应的在第二组刀片互连件20内的刀片互连件，反之亦然。在其他实施例中，第一组刀片互连件19内的每个刀片互连件确实具有相应的在第二组刀片互连件20内的刀片互连件。每组中各种刀片互连件的尺寸可以以本文公开的任何方式进行改变。

与本文件中先前讨论的那样，在第一组刀片互连件19与第二组刀片互连件20的倒角21之间的多个相交点处，第一组刀片互连件19混合接合到第二组刀片互连件20。相交点可以在沿着第一组刀片互连件19的每个刀片互连件的长度上的任何点处进行布置，并且在沿着第二组刀片互连件20的每个刀片互连件的倒角21内的任何点处进行布置。然而，在接合/对准过程中，因为存在倒角，第一组刀片互连件19将倾向于朝向倒角21的底部向下滑动，从而将刀片互连件集中在第二组刀片互连件的材料内。倒角的这种自对准特征可以降低对焊接机小心对准晶片的要求。此外，它可能降低对使用各种刀片互连件中包含的许多晶片对准结构的需求，这可以允许在晶片上更紧密地封装裸芯。因此，倒角的使用可以同时提高产率和单位晶片的总裸芯。

如本文件中在先讨论的，底部填充材料可以沉积在第一组刀片互连件19的刀片互连件与倒角的第二组刀片互连件20的刀片互连件之间。底部填充材料分配过程可以是本文件中公开的任何过程，并且底部填充材料可以是本文件中公开的任何材料。类似地，焊料层可以涂布到先前公开的多组刀片互连件，并且焊料材料可以是本文件中公开的任何材料。

现在参考图14～图19，通过示出在中间处理步骤中形成的结构来示出形成倒角刀片互连件的方法的实施方式。

具体参考图14，示出了包括在光致抗蚀剂层中形成的底切光致抗蚀剂图案的晶片的横截面视图。底切光致抗蚀剂图案28形成在第一晶片的第一表面上和第二晶片的第一表面上的光致抗蚀剂层27中。在该实施方式中，如图14所示，三角形底切光致抗蚀剂图案越接近晶片就越宽。该图案能够通过各种处理技术制成，以非限制性实例的方式，各种处理技术包括：使底切光致抗蚀剂抗蚀剂图案曝光、使底切光致抗蚀剂图案过度曝光、使底切光致抗蚀剂图案过度显影，包括在光致抗蚀剂材料之下的高反射性表面或者通过使用多层抗蚀剂法等，其中，底切光致抗蚀剂图案的底层与光反应比顶层快得多。在一些实施方式中，籽晶层29和扩散阻挡层30沉积在光致抗蚀剂层和晶片之间。

现在参考图15和16，示出了底切光致抗蚀剂图案的两种实施方式的俯视图。在图15所示的一个实施方式中，底切光致抗蚀剂图案的顶表面中的开口当从上方观察时是两个相对的三角形。三角形可以具有尖锐的顶点，但是在大多数实施例中，三角形的顶点由于曝光/显影处理而将被圆角化。

现在参考图16，在顶视图中示出了底切光致抗蚀剂层的另一实施方式。在本实施例中，光致抗蚀剂层的顶表面中的形成开口当从上方观察时具有沙漏形状。沙漏形状能够具有尖锐的边缘，尽管在大多数实施例中，沙漏的边缘将是圆角的。该沙漏形状类似于两个三角形版本，区别在于允许两个三角形在光致抗蚀剂层顶表面中合并成一个开口，而不是两个开口。图15和图16的实施方式能够通过根据光刻工艺本身的曝光/显影设定而使用接合或未接合的标线上形成的三角形图案而形成。

现在参考图17，示出了刀片互连件电镀到光致抗蚀剂层的底切图案中的图14的图示。底切光致抗蚀剂层在金属沉积过程中被刀片互连件的材料填充。刀片互连件可以由本文件中公开的任何材料形成，并且通过使用为填充底切光致抗蚀剂图案而设计的任何工艺进行沉积。在各种实施方式中，籽晶层被沉积并用作材料沉积工艺的一部分。在具体实施方式中，底切光致抗蚀剂图案开口通过电镀/无电镀工艺进行填充。由于独特的三角形或沙漏底切光致抗蚀剂图案，所得的刀片互连件将是有倒角的，因为图案开口中心的光致抗蚀剂将防止/抑制沉积过程进入开口和用于倒角形状。

现在参考图18，示出了图17去除了光致抗蚀剂层的侧横截面视图。在形成刀片互连件时，剩下的光致抗蚀剂层被去除。如果存在籽晶层和涂布到晶片的扩散阻挡层，则除了刀片互连件正下方的扩散阻挡层31的一部分之外，它们也可以通过蚀刻去除。

现在参考图19，示出了图18存在应用的底部填充材料的视图。在该实施方式中，底部填充材料32可以是使用本文公开的方法的本文件中公开的任何材料。

在包括第一组刀片互连件和第二组刀片互连件的半导体封装的各种实施方式中，第一组刀片互连件的至少一个刀片互连件可能不与第一组刀片的其他刀片互连件尺寸相同。此外，所述第二组刀片互连件的至少一个刀片互连件可以不与所述第二组刀片互连件的其他刀片互连件尺寸相同。在各种实施方式中，所述第一组刀片互连件的每个刀片互连件并不都具有相应的第二组刀片互连件的刀片互连件。

所述第一组刀片互连件和所述第二组刀片互连件的每个刀片互连件可以包括第一侧壁和与第一侧壁相对的第二侧壁。所述第一侧壁可以包括与所述第一晶片和所述第二晶片中的一者的第一表面成90度～170度的角度，并且所述第二侧壁可以包括与所述第一晶片和所述第二晶片中的一者的第一表面成90度～170度的角度。

形成刀片互连件的方法可以包括在第一晶片的第一表面和第二晶片的第一表面中的一者上的光致抗蚀剂层中形成底切光致抗蚀剂图案。当从光致抗蚀剂图案的横截面视图上方观察时，底切光致抗蚀剂层可以包括光致抗蚀剂层中两个相对的三角形与光致抗蚀剂层中的沙漏形状中的一者。该方法可以包括将金属电镀到底切光致抗蚀剂图案中，从而在使用两个相对三角形和光致抗蚀剂图案的沙漏形状中的一者的电镀期间在刀片互连件中形成倒角，并且去除光致抗蚀剂以形成刀片互连件。

在各种实施方式中，光致抗蚀剂图案可以包括以下情形中的一者：两个相对的三角形包括圆角顶点，并沙漏形状包括圆角边缘。

在各种实施方式中，该方法可以包括在第一晶片的第一表面和光致抗蚀剂图案之间沉积金属籽晶层，并且在将金属电镀到底切光致抗蚀剂图案之后蚀刻金属籽晶层。

在上述描述涉及接合的半导体封装、刀片互连件的具体实施方式和实施组件、子组件，方法和子方法的情况下，应显而易见的是：可以在不脱离其精神的情况下进行多种修改，并且这些实施方式、实施组件、子组件，方法和子方法可以应用于其他接合的半导体封装和刀片互连件。