TWI445152B - 半導體結構及其製作方法 - Google Patents

Description

半導體結構及其製作方法

本發明是有關於一種半導體結構及其製作方法，且特別是有關於一種應用穿矽導孔進行晶片堆疊的半導體結構及其製作方法。

在現今的資訊社會中，使用者均是追求高速度、高品質、多功能性的電子產品。就產品外觀而言，電子產品的設計是朝向輕、薄、短、小的趨勢邁進。因此，電子封裝技術發展出諸如堆疊式晶片封裝等多晶片封裝技術。

堆疊式晶片封裝是利用垂直堆疊的方式將多個積體電路(Integrated Circuit,IC)晶片封裝於同一封裝結構中，如此可提升封裝密度以使封裝結構小型化，且可利用立體堆疊的方式縮短晶片之間的訊號傳輸的路徑長度，以提升晶片之間訊號傳輸的速度，並可將不同功能的晶片組合於同一封裝體中。其中，穿矽導孔(Through Silicon Via,TSV)可提供晶片與晶片間的垂直導通路徑，為目前實現三維積體電路製程整合的關鍵技術。

另一方面，隨著IC晶片之內部線路的積集度(integration)不斷地攀升，晶片所產生的熱能也不斷增加。為了使晶片能夠維持正常運作，必須將晶片維持在較佳的工作溫度下，以避免溫度過高造成晶片效能下降或損壞。現有堆疊式晶片封裝結構通常具有散熱片，散熱片底部藉由黏著膠與下層晶片表面接合，並且覆蓋上層晶片。

然而，在已知的晶片製程中，晶片的表面上會覆蓋有一層保護層，其熱傳導效率低，會阻礙晶片內部的熱量傳導至外界。即使，在堆疊式晶片封裝結構的下層晶片上設置了散熱片，此保護層同樣會阻礙下層晶片與散熱片之間的熱傳導，而影響堆疊式晶片封裝結構的可靠度。

本發明提供一種半導體結構，具有良好的散熱效率以及可靠度。

本發明亦提供一種製作前述之半導體結構的方法。

為具體描述本發明之內容，在此提出一種半導體結構，其包括一第一晶片、一第一佈線層(wiring layer)、一第二佈線層、多個凸塊接墊以及一散熱層。第一晶片具有一主動面以及相對於主動面的一背面，且第一晶片具有多個穿矽導孔(through silicon via,TSV)。第一佈線層配置於第一晶片的主動面。第一佈線層包括一第一內連線，且第一內連線連接該穿矽導孔的一端。第二佈線層配置於第一晶片的背面。第二佈線層包括一第二內連線以及一導熱通孔。第二內連線連接該穿矽導孔的另一端，而導熱通孔與第二內連線電性絕緣並且接觸第一晶片的背面。凸塊接墊配置於第二佈線層上，且凸塊接墊分別連接至第二內連線。散熱層配置於第二佈線層上，且位於凸塊接墊以外的位置上。散熱層連接至導熱通孔。

在本發明之一實施例中，所述半導體結構更包括一第二晶片配置於第一晶片上方；以及，多個第一導電凸塊分別配置於凸塊接墊上，且第二晶片經由第一導電凸塊電性連接至第二內連線。

在本發明之一實施例中，所述半導體結構更包括一線路載板承載第一晶片；以及，多個第二導電凸塊配置於第一佈線層與線路載板之間，用以電性連接第一佈線層與線路載板。

在本發明之一實施例中，所述半導體結構更包括多個銲球配置於線路載板的底部。

在本發明之一實施例中，所述半導體結構更包括一散熱片配置於第一晶片上，並且覆蓋第二晶片。散熱片熱接合至散熱層。在此，熱接合一詞係指可使兩元件之間達成良好之熱傳導的接合方式，其間可能存在其他的導熱黏著材。

舉例而言，所述半導體結構可包括一第一導熱膠配置於散熱片與散熱層之間，或是一第二導熱膠配置於散熱片與第二晶片之間。此外，所述散熱層可接地，以屏蔽電磁干擾。

在此更提出一種半導體結構的製作方法，包括下列步驟。首先，提供一半導體晶圓，其中半導體晶圓具有一主動面。半導體晶圓內具有多個穿矽導孔，且半導體晶圓的主動面上具有一第一佈線層。第一佈線層包括一第一內連線，其例如是後段製程內連線，且第一內連線連接該穿矽導孔的一端。接著，由主動面的對側來薄化半導體晶圓，以暴露出該穿矽導孔的另一端以及半導體晶圓的一背面。然後，形成一第二佈線層於半導體晶圓的背面。第二佈線層內具有一第二內連線以及一導熱通孔，其中第二內連線連接該穿矽導孔的另一端，而導熱通孔與第二內連線電性絕緣並且接觸半導體晶圓的背面。接著，形成多個凸塊接墊以及一散熱層，其中凸塊接墊分別連接至第二內連線，而散熱層連接至導熱通孔。

在本發明之一實施例中，形成前述凸塊接墊以及散熱層的方法包括：先全面形成一電鍍種子層於第二佈線層上，此電鍍種子層電性連接至第二內連線以及導熱通孔。接著，形成一罩幕於電鍍種子層上，以在電鍍種子層上定義出多個接墊區域以及一散熱區域。然後，藉由電鍍種子層進行一電鍍製程，以在接墊區域內形成所述多個凸塊接墊，並且在散熱區域內形成所述散熱層。之後，移除罩幕以及被罩幕覆蓋的電鍍種子層。

在本發明之一實施例中，所述半導體結構的製作方法更包括：覆晶接合多個第二晶片至半導體晶圓，其中每一第二晶片經由多個第一導電凸塊電性連接至所對應的凸塊接墊。

在本發明之一實施例中，所述半導體結構的製作方法更包括：在覆晶接合第二晶片至半導體晶圓之後，裁切半導體晶圓，以得到多個相互分離的第一晶片。

在本發明之一實施例中，所述半導體結構的製作方法更包括：覆晶接合第一晶片至一線路載板，其中第一晶片的穿矽導孔分別經由多個第二導電凸塊電性連接至線路載板。

在本發明之一實施例中，所述半導體結構的製作方法更包括：配置一散熱片於第一晶片上。散熱片覆蓋第二晶片，並且熱接合至散熱層。

基於上述，本發明在作為下層晶片的第一晶片的背面外圍設置導熱通孔以及散熱層，有助於提高後續組裝之散熱片的接合強度，並且可藉由導熱通孔與散熱層提供良好的熱傳導路徑，以增進半導體結構的散熱效率。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1繪示依照本發明之一實施例的一種半導體結構。如圖1所示，半導體結構100包括一第一晶片110，其中第一晶片110的內部具有多個穿矽導孔112。第一晶片110的主動面110a上配置有一第一佈線層120。此處的第一佈線層120包括一第一內連線122，其例如是晶圓製程中的後段製程(back end of line,BEOL)所形成的內連線。此第一內連線122例如連接於該穿矽導孔112的一端112a與第一晶片110下方的第二導電凸塊184之間。此外，第一晶片110內還可能存在其他的主動或被動元件(未繪示)，因此第一內連線122也可連接該些主動或被動元件。

第二佈線層130配置於第一晶片110的背面110b。第二佈線層130包括一第二內連線132以及多個導熱通孔134，其中第二內連線132連接該穿矽導孔112的另一端112b，而導熱通孔134與第二內連線132電性絕緣並且接觸第一晶片110的背面110b。在此，導熱通孔134主要作為熱傳導之用。

第二佈線層130上設置有多個凸塊接墊142。該些凸塊接墊142分別連接至第二內連線132。此外，第二佈線層130上還具有一散熱層144其位於凸塊接墊142以外的位置上，且散熱層144連接至導熱通孔134。

第二晶片150配置於第一晶片110上方，並藉由多個第一導電凸塊182連接到凸塊接墊142上，使第二晶片150經由第一導電凸塊182、凸塊接墊142以及第二內連線132，連接到第一晶片110的穿矽導孔112，以達成第二晶片150與第一晶片110之間的電性連接。為了保護第一導電凸塊182，第二晶片150與第二佈線層130之間可填充一第一底膠162，使第一底膠162包覆第一導電凸塊182。

如圖1所示，前述之結構可架構於一線路載板170上。此線路載板170例如是一般的印刷電路板、陶瓷基板、金屬基板或是適用的其他各類型的載板，用以承載第一晶片110。多個第二導電凸塊184配置於第一佈線層120與線路載板170之間，用以電性連接第一佈線層120與線路載板170。為了保護第二導電凸塊184，第一佈線層120與線路載板170之間可填充一第二底膠164，使第二底膠164包覆第二導電凸塊184。此外，線路載板170的底部可配置多個銲球186，以作為整體半導體結構100連接到外部電路的路徑。

第一晶片110上可設置一散熱片190，以提高散熱效率。散熱片190覆蓋第二晶片150並接合至第一晶片110上的散熱層144，以使第一晶片110與第二晶片150運作時產生的熱得以藉由散熱片190散逸至外界環境。為了固定散熱片190並提高散熱片190與第一晶片110以及第二晶片150之間的熱傳導效率，可分別在散熱片190與散熱層144之間配置一第一導熱膠192，以及在散熱片190與第二晶片150之間配置一第二導熱膠194。

本實施例在第二佈線層130中設置了導熱通孔134，用以使第一晶片110產生的大部份的熱不會受到第二佈線層130內的介電材質的阻擋，而可經由導熱通孔134傳遞至散熱層144以及散熱片190。換言之，本實施例的半導體結構100相較於已知的結構具有較佳的散熱效率以及運作可靠度。

此外，本實施例的散熱層144可與凸塊接墊142同時製作，即散熱層144與凸塊接墊142具有相同的材質。例如，凸塊接墊142表層為具有良好接著濕潤性(wettable)的鎳/金疊層140b，同樣散熱層144表層也具有此鎳/金疊層140b，而可提高散熱片190與散熱層144之間的接合性(solderability)。

再者，本實施例還可以將散熱層144接地，使得連接到散熱層144的散熱片190具有可屏蔽電磁干擾的功能，以避免內部的第一晶片110以及第二晶片150受到外界雜訊的干擾。

下文進一步提出前述半導體結構100的製作方法。

需先說明的是，現行針對多晶片堆疊在基板上的TSV封裝技術而言，通常選用三種方式來進行封裝：第一種方式是先將具有穿矽導孔的下層晶圓暫時配置於一載具上，並將其薄化使得穿矽導孔裸露。接著，在尚未切割下層晶圓的情況下，進行上層晶片對下層晶圓的接合。之後，才對下層晶圓進行切割，並將堆疊的晶片結構接合至線路載板上。第二種方式，則是將內埋穿矽導孔且單體化的下層晶片覆晶接合在線路載板上並加以點膠保護，利用研磨的技術將下層晶片薄化，並且使穿矽導孔裸露出來。待對穿矽導孔進行表面處理後，再進行上層晶片對下層晶片的堆疊封裝。第三種方式，則是先完成所有下層晶圓的製程，此時的穿矽導孔已裸露並且晶圓厚度已薄化。之後，再以覆晶的方式將單體化的下層晶片接合至線路載板，待點膠完成後再進行上層晶片與下層晶片的堆疊。無論是前述那一種製程都適用於本發明提出的半導體結構。

圖2A-2K繪示依照本發明之一實施例的一種半導體結構的製作方法。對照前述三種製作方式，本實施例不再逐一詳述已知的各個步驟細節。例如，本實施例省略了至程中可能使用的載具，至於圖面中繪示的晶片(或晶圓)在其他實施例中亦可能是晶圓(或晶片)，此端視實際製作方式的選擇。

首先，如圖2A所示，提供一半導體晶圓110’。此半導體晶圓110’作為堆疊結構中的下層晶圓，用以在後續切割製程後形成前述圖1之第一晶片110。半導體晶圓110’具有主動面110a，且半導體晶圓110’內具有多個穿矽導孔112。此外，半導體晶圓110’的主動面110a上具有第一佈線層120。第一佈線層120包括第一內連線(例如是BEOL內連線)122，且第一內連線122連接該穿矽導孔112的一端112a。

接著，如圖2B所示，由主動面110a的對側來薄化半導體晶圓110’，以暴露出該穿矽導孔112的另一端112b以及半導體晶圓110’的一背面110b。然後，如圖2C所示，形成第二佈線層130於半導體晶圓110’的背面110b。第二佈線層130內具有第二內連線132以及導熱通孔134。第二內連線132連接該穿矽導孔112的另一端112b，而導熱通孔134與第二內連線132電性絕緣並且接觸半導體晶圓110’的背面110b。在此，第二佈線層130可為單一或是多個金屬層130a與介電層130b堆疊而成的多層結構，其中最上層的介電層130b具有多個開口139，以暴露出第二內連線132以及導熱通孔134。

之後，如圖2D所示，全面形成一電鍍種子層140於第二佈線層130上。電鍍種子層140經由開口139電性連接至第二內連線132以及導熱通孔134。接著，如圖2E所示，形成一罩幕210於電鍍種子層140上，以在電鍍種子層140上定義出多個接墊區域212以及一散熱區域214，其中接墊區域212對應於第二內連線132，而散熱區域214對應於導熱通孔134。並且，如圖2F所示，藉由電鍍種子層140進行一電鍍製程，以在接墊區域212內形成多個凸塊接墊142，同時在散熱區域214內形成一散熱層144。凸塊接墊142分別連接至第二內連線132，而散熱層144連接至導熱通孔134。在此處的電鍍製程中，為了提高凸塊接墊142以及散熱層144相對於後續接合之第二導電凸塊184以及散熱片190的接合性，可以選擇依據電鍍形成銅層140a與鎳/金疊層140b，其中金層作為電鍍結構的最表層，具有良好的濕潤性(wettable)，因而有助於提高後續接合的效果。

然後，如圖2G所示，移除罩幕210以及被罩幕210覆蓋的電鍍種子層140。圖2G所繪示的結構係為半導體結構100的半成品，可採晶圓形態出貨，或是切割後，以單體化的晶片型態出貨。

承續圖2G所示的步驟，以下說明以晶圓型態的半成品繼續進行晶片堆疊步驟的製程。

如圖2H所示，覆晶接合多個第二晶片150至半導體晶圓110’，其中每一第二晶片150經由第一導電凸塊182電性連接至所對應的凸塊接墊142。此外，本實施例可以選擇形成第一底膠162於每一第二晶片與第二佈線層130之間，使第一底膠162包覆第一導電凸塊182。此填膠的步驟可以在覆晶接合第二晶片150至半導體晶圓110’之前或之後實施。即，第一底膠162可在每一第二晶片150接合至半導體晶圓110’之前被預先形成於第二佈線層130上，或是在每一第二晶片150接合至半導體晶圓110’之後被填入第二晶片150與第二佈線層130之間。

接著，如圖2I所示，在覆晶接合第二晶片150至半導體晶圓110’之後，裁切半導體晶圓110’，以得到多個相互分離的第一晶片110。

然後，如圖2J所示，覆晶接合第一晶片110至線路載板170，其中第一晶片110的穿矽導孔112分別經由第二導電凸塊184電性連接至線路載板170。此外，本實施例亦可以選擇形成第二底膠164於第一晶片110與線路載板170之間，以包覆第二導電凸塊184。第二底膠164可在第一晶片110接合至線路載板170之前被預先形成於線路載板170上，或是在第一晶片110接合至線路載板170之後被填入第一晶片110與線路載板170之間。

另外，如圖2K所示，可以配置散熱片190於第一晶片110上，以大致完成半導體結構100的製作，其中散熱片190覆蓋第二晶片150，並且熱接合至散熱層144。此處的熱接合係指可使兩元件之間達成良好之熱傳導的接合方式，其間可能存在其他的導熱黏著材。例如，散熱片190與散熱層144之間可配置第一導熱膠192，以及散熱片190與第二晶片150之間可配置第二導熱膠194。

本實施例的半導體結構的製作方法較接近於前述的第一種製作方式。然而，實際上，本發明並不受限於此。本技術領域中具有通常知識者在參照本實施例的揭露內容之後，當可依據實際的製程需求來調整、省略或是增加任何可能的步驟，以得到本發明的半導體結構。

當然，前述實施例中所揭露的屬於已知部分的技術內容並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可依據當時的技術水平作些許之更動與潤飾。本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100．．．半導體結構

110．．．第一晶片

110’．．．半導體晶圓

110a．．．第一晶片的主動面

110b．．．第一晶片的背面

112．．．穿矽導孔

112a．．．穿矽導孔的一端

112b．．．穿矽導孔的另一端

120．．．第一佈線層

122．．．第一內連線

130．．．第二佈線層

130a．．．金屬層

130b．．．介電層

132．．．第二內連線

134．．．導熱通孔

139．．．介電層的開口

140．．．電鍍種子層

140a．．．銅層

140b．．．鎳/金疊層

142．．．凸塊接墊

144．．．散熱層

150．．．第二晶片

162．．．第一底膠

164．．．第二底膠

170．．．線路載板

182．．．第一導電凸塊

184．．．第二導電凸塊

190．．．散熱片

192．．．第一導熱膠

194．．．第二導熱膠

210．．．罩幕

212．．．接墊區域

214．．．散熱區域

圖1繪示依照本發明之一實施例的一種半導體結構。

圖2A-2K繪示依照本發明之一實施例的一種半導體結構的製作方法。

100．．．半導體結構

110．．．第一晶片

110a．．．第一晶片的主動面

110b．．．第一晶片的背面

112．．．穿矽導孔

112a．．．穿矽導孔的一端

112b．．．穿矽導孔的另一端

120．．．第一佈線層

122．．．第一內連線

130．．．第二佈線層

132．．．第二內連線

134．．．導熱通孔

140b．．．鎳/金層

142．．．凸塊接墊

144．．．散熱層

150．．．第二晶片

162．．．第一底膠

164．．．第二底膠

170．．．線路載板

182．．．第一導電凸塊

184．．．第二導電凸塊

190．．．散熱片

192．．．第一導熱膠

194．．．第二導熱膠

Claims (11)

1. 一種半導體結構，包括：一第一晶片，具有一主動面以及相對於該主動面的一背面，且該第一晶片具有多個穿矽導孔；一第一佈線層，配置於該第一晶片的該主動面，該第一佈線層包括一第一內連線，且該第一內連線連接該穿矽導孔的一端；一第二佈線層，配置於該第一晶片的該背面，該第二佈線層包括一第二內連線以及一導熱通孔，該第二內連線連接該穿矽導孔的另一端，而該導熱通孔與該第二內連線電性絕緣並且接觸該第一晶片的該背面；多個凸塊接墊，配置於該第二佈線層上，且該些凸塊接墊分別連接至該第二內連線；一散熱層，配置於該第二佈線層上，且位於該些凸塊接墊以外的位置上，該散熱層連接至該導熱通孔；一第二晶片，配置於該第一晶片上方；以及多個第一導電凸塊，分別配置於該些凸塊接墊上，該第二晶片經由該些第一導電凸塊電性連接至該第二內連線。
2. 如申請專利範圍第1項所述之半導體結構，更包括：一線路載板，承載該第一晶片；以及多個第二導電凸塊，配置於該第一佈線層與該線路載板之間，用以電性連接該第一佈線層與該線路載板。
3. 如申請專利範圍第2項所述之半導體結構，更包括：多個銲球，配置於該線路載板的底部。
4. 如申請專利範圍第1項所述之半導體結構，更包括：一散熱片，配置於該第一晶片上，並且覆蓋該第二晶片，該散熱片熱接合至該散熱層。
5. 如申請專利範圍第1項所述之半導體結構，其中該散熱層接地。
6. 一種半導體結構的製作方法，包括：提供一半導體晶圓，其中該半導體晶圓具有一主動面，該半導體晶圓內具有多個穿矽導孔，該半導體晶圓的該主動面上具有一第一佈線層，該第一佈線層包括一第一內連線，且該第一內連線連接該穿矽導孔的一端；由該主動面的對側來薄化該半導體晶圓，以暴露出該穿矽導孔的另一端以及該半導體晶圓的一背面；形成一第二佈線層於該半導體晶圓的該背面，該第二佈線層內具有一第二內連線以及一導熱通孔，該第二內連線連接該穿矽導孔的該另一端，而該導熱通孔與該第二內連線電性絕緣並且接觸該半導體晶圓的該背面；以及形成多個凸塊接墊以及一散熱層，該些凸塊接墊分別連接至該第二內連線，該散熱層連接至該導熱通孔。
7. 如申請專利範圍第6項所述之半導體結構的製作方法，其中形成該些凸塊接墊以及該散熱層的方法包括： 全面形成一電鍍種子層於該第二佈線層上，該電鍍種子層電性連接至該第二內連線以及該導熱通孔；形成一罩幕於該電鍍種子層上，以在該電鍍種子層上定義出多個接墊區域以及一散熱區域；藉由該電鍍種子層進行一電鍍製程，以在該些接墊區域內形成該些凸塊接墊，並且在該散熱區域內形成該散熱層；以及移除該罩幕以及被該罩幕覆蓋的該電鍍種子層。
8. 如申請專利範圍第6項所述之半導體結構的製作方法，更包括：覆晶接合多個第二晶片至該半導體晶圓，其中每一第二晶片經由多個第一導電凸塊電性連接至所對應的該些凸塊接墊。
9. 如申請專利範圍第8項所述之半導體結構的製作方法，更包括：在覆晶接合該些第二晶片至該半導體晶圓之後，裁切該半導體晶圓，以得到多個相互分離的第一晶片。
10. 如申請專利範圍第9項所述之半導體結構的製作方法，更包括：覆晶接合該第一晶片至一線路載板，其中該第一晶片的該些穿矽導孔分別經由多個第二導電凸塊電性連接至該線路載板。
11. 如申請專利範圍第10項所述之半導體結構的製作方法，更包括： 配置一散熱片於該第一晶片上，該散熱片覆蓋該第二晶片，並且熱接合至該散熱層。