具有環(huán)繞封裝通孔端部的開口的管芯封裝件及層疊封裝件的制作方法
【專利摘要】提供了用于形成具有環(huán)繞封裝通孔(TPV)的端部的開口的TPV以及具有利用TPV的接合結(jié)構(gòu)的疊層封裝(PoP)器件的機構(gòu)的各個實施例。諸如通過采用激光鉆孔去除環(huán)繞TPV的端部的材料來形成開口。環(huán)繞管芯封裝件的TPV的端部的開口使形成在與另一管芯封裝件之間的接合結(jié)構(gòu)的焊料能夠保留在開口中而不滑動，因此增加了接合結(jié)構(gòu)的成品率和可靠性。還可以添加聚合物以填充環(huán)繞TPV的開口、甚至管芯封裝件之間的空間，從而減少接合結(jié)構(gòu)在應(yīng)力下的開裂。
【專利說明】具有環(huán)繞封裝通孔端部的開口的管芯封裝件及層疊封裝件
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明一般地涉及半導(dǎo)體【技術(shù)領(lǐng)域】，更具體地來說，涉及半導(dǎo)體器件。
【背景技術(shù)】
[0002]半導(dǎo)體器件用于多種電子應(yīng)用中，舉例來說，諸如個人電腦、手機、數(shù)碼相機和其它電子設(shè)備。通常通過在半導(dǎo)體襯底上方按順序沉積的絕緣或介電層、導(dǎo)電層和半導(dǎo)體材料層，以及使用光刻法圖案化各種材料層以在半導(dǎo)體襯底上形成電路部件和元件來形成半導(dǎo)體器件。
[0003]半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)通過繼續(xù)減小最小部件尺寸來不斷地改進各種電子部件(例如晶體管、二極管、電阻器、電容器等)的集成密度，從而允許更多的部件集成到給定區(qū)域中。在一些應(yīng)用中，這些較小的電子部件也需要比過去的封裝件利用更少面積和/或更低高度的較小封裝件。
[0004]因此，開始開發(fā)新的封裝技術(shù)，諸如疊層封裝(Ρ0Ρ)，其中，具有器件管芯的頂部封裝件與具有另一器件管芯的底部封裝件接合。通過采用新的封裝技術(shù)，可以增大封裝件的集成度。用于半導(dǎo)體的這些相對新型的封裝技術(shù)面臨著制造挑戰(zhàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決現(xiàn)有技術(shù)中所存在的缺陷，根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種半導(dǎo)體器件，包括:半導(dǎo)體管芯；介電材料，鄰近所述半導(dǎo)體管芯；以及封裝通孔(TPV)，設(shè)置在所述介電材料中，所述介電材料中的開口環(huán)繞所述TPV的端部以暴露所述端部，并且所述開口的至少一部分位于所述TPV的端部和模塑料之間。
[0006]在該半導(dǎo)體器件中，所述TPV的端部在所述開口的底部之上延伸的距離為約Iym至約70 μ m。
[0007]在該半導(dǎo)體器件中，所述TPV的端部包括噴鍍晶種層和導(dǎo)電層，并且所述噴鍍晶種層覆蓋所述導(dǎo)電層的端面。
[0008]在該半導(dǎo)體器件中，所述TPV的端部包括噴鍍晶種層和導(dǎo)電層，并且所述噴鍍晶種層僅覆蓋所述導(dǎo)電層的端面的一部分。
[0009]在該半導(dǎo)體器件中，所述開口的深度為約2 μ m至約100 μ m。
[0010]在該半導(dǎo)體器件中，所述開口具有圓角表面輪廓。
[0011 ] 在該半導(dǎo)體器件中，所述開口具有成角度的表面輪廓。
[0012]在該半導(dǎo)體器件中，所述成角度的表面輪廓具有約90度的角度。
[0013]在該半導(dǎo)體器件中，所述開口包括與所述TPV的線性側(cè)壁相交的所述介電材料的線性側(cè)壁。
[0014]在該半導(dǎo)體器件中，所述介電材料的線性側(cè)壁和垂直于所述TPV的線性側(cè)壁的線之間的角度為約10度至約85度。
[0015]在該半導(dǎo)體器件中，所述介電材料包括模塑料層和位于所述模塑料層上方的鈍化層，并且所述鈍化層和所述模塑料層環(huán)繞所述TPV的端部。
[0016]在該半導(dǎo)體器件中，所述鈍化層環(huán)繞所述開口的側(cè)壁的表面與所述模塑料的側(cè)壁的表面是連續(xù)的。
[0017]在該半導(dǎo)體器件中，所述開口的側(cè)壁與所述TPV的端部的側(cè)壁平行。
[0018]在該半導(dǎo)體器件中，所述介電材料包括位于第二介電層上方的第一介電層，所述開口延伸穿過所述第一介電層并延伸至所述第二介電層中，所述第二介電層的頂面在開口中形成平臺。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種半導(dǎo)體器件，包括:半導(dǎo)體管芯；一個或多個介電層，鄰近所述半導(dǎo)體管芯；一個或多個封裝通孔(TPV)，設(shè)置在所述一個或多個介電層中，所述一個或多個TPV從所述一個或多個介電層的第一面延伸到所述一個或多個介電層的第二面；以及凹槽，位于所述一個或多個介電層中且環(huán)繞對應(yīng)的所述一個或多個TPV的端部，所述凹槽暴露所述一個或多個TPV的對應(yīng)端部的側(cè)壁的至少一部分。
[0020]根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供了一種半導(dǎo)體器件，包括:第一管芯封裝件，所述第一管芯封裝件包括:第一半導(dǎo)體管芯；位于所述第一半導(dǎo)體管芯相對面上的介電材料；和位于所述介電材料中的通孔(TV)，所述介電材料中的開口環(huán)繞所述TV的端部以暴露所述端部；以及第二管芯封裝件，所述第二管芯封裝件包括:第二半導(dǎo)體管芯；和外部連接件；其中，所述第二管芯封裝件的所述外部連接件使用焊料接合至所述第一管芯封裝件的所述TV的端部以形成接合結(jié)構(gòu)，所述焊料至少部分地位于所述開口內(nèi)。
[0021]該半導(dǎo)體器件進一步包括:在所述外部連接件和所述TV的端部之間所形成的金屬間化合物(MC)層，其中，所述MC層覆蓋所述TV的端部。
[0022]在該半導(dǎo)體器件中，所述TV的端部從所述開口的底部伸出的距離為約I μ m至約70 μ m0
[0023]該半導(dǎo)體器件進一步包括:介于所述第一管芯封裝件和所述第二管芯封裝件之間的聚合物層，所述焊料的至少一部分嵌入所述聚合物層中。
[0024]該半導(dǎo)體器件進一步包括:介于所述第一管芯封裝件和所述第二管芯封裝件之間的底部填充物，所述底部填充物部分地填充所述開口。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]為了更充分地理解實施例及其優(yōu)點，現(xiàn)將結(jié)合附圖所進行的下列描述作為參考，其中:
[0026]圖1A是根據(jù)一些實施例的封裝結(jié)構(gòu)的透視圖；
[0027]圖1B是根據(jù)一些實施例的管芯封裝件接合至另一管芯封裝件的截面圖；
[0028]圖2A至圖20示出根據(jù)一些實施例制備疊層封裝(POP)器件的順序工藝流程的截面圖；
[0029]圖3A至圖3H示出根據(jù)一些實施例的環(huán)繞封裝通孔(TPV)的暴露頂部的各種結(jié)構(gòu)的截面圖；以及
[0030]圖4A至圖4C示出根據(jù)一些實施例的各種接合結(jié)構(gòu)的截面圖。
【具體實施方式】[0031]在下面詳細論述本發(fā)明的實施例的制造和使用。然而，應(yīng)該理解，實施例提供了許多可以在各種具體環(huán)境中實現(xiàn)的可應(yīng)用的發(fā)明概念。所論述的具體實施例僅是示例性的，而不用于限制本發(fā)明的范圍。
[0032]自從發(fā)明了集成電路以來，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)由于不斷改進各種電子部件(例如，晶體管、二極管、電阻器、電容器等)的集成密度而經(jīng)歷了持續(xù)的快速增長。通常，集成密度的這種改進源于最小部件尺寸的不斷減小，從而允許更多的部件集成到給定的區(qū)域中。
[0033]這些集成改進在本質(zhì)上基本是二維(2D)的，原因在于被集成部件所占用的體積基本上位于半導(dǎo)體晶圓的表面上。雖然光刻方面的顯著改進為2D集成電路形成帶來了相當大的改進，但是對于在二維上可以達到的密度仍具有物理限制。這些限制中的一種是制造這些部件所需的最小尺寸。此外，當將更多的元件置于一個芯片中時，需要更復(fù)雜的設(shè)計。
[0034]因此為了解決上述限制而創(chuàng)建了三維集成電路(3D 1C)。在3D IC的一些形成工藝中，形成兩個或更多個晶圓，每一個晶圓都包括集成電路。對晶圓進行切割以形成管芯。對具有相同或不同器件的管芯進行封裝，然后在器件對準的情況下進行接合。封裝通孔(TPV)也被稱為模塑通孔(through-molding-vias,TMV),越來越多地用作實現(xiàn)3D IC的方法。諸如TPV的通孔(TV)經(jīng)常用于3D IC和堆疊管芯中以提供電連接和/或輔助熱耗散。除了TPV和TMV之外，TV還包括硅通孔(TSV)和其它適用的結(jié)構(gòu)。
[0035]圖1A是根據(jù)一些實施例的封裝件100的透視圖，其中封裝件100包括接合的封裝件110和另一封裝件120，另一封裝件120進一步與另一襯底130接合。管芯封裝件110和120中的每一個都至少包括半導(dǎo)體管芯(未示出)。半導(dǎo)體管芯包括如在半導(dǎo)體集成電路制造中應(yīng)用的半導(dǎo)體襯底，并且可以在半導(dǎo)體襯底中和/或半導(dǎo)體襯底上形成集成電路。半導(dǎo)體襯底是指包含半導(dǎo)體材料的任何構(gòu)造，包括(但不限于):塊狀硅、半導(dǎo)體晶圓、絕緣體上硅(SOI)襯底或硅鍺襯底。也可以使用包括III族、IV族和V族元素的其它半導(dǎo)體材料。半導(dǎo)體襯底可以進一步包括多個隔離部件(未示出)，諸如淺溝槽隔離(STI)部件或局部硅氧化(LOCOS)部件。隔離部件可以限定和隔離各種微電子元件。可以在半導(dǎo)體襯底中形成的各種微電子元件的實例包括:晶體管(例如，金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)、互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)晶體管、雙極結(jié)型晶體管(BJT)、高電壓晶體管、高頻晶體管、P溝道和/或η溝道場效應(yīng)晶體管(PFET/NFET)等)；電阻器；二極管；電容器；電感器；以及其它合適的元件。執(zhí)行各種工藝來形成各種微電子元件，各種工藝包括沉積、蝕刻、注入、光刻、退火和/或其它合適的工藝?；ミB微電子元件以形成集成電路器件，諸如邏輯器件、存儲器件(例如，SRAM)、RF器件、輸入/輸出(I/O)器件、芯片上系統(tǒng)(SoC)器件、它們的組合以及其它合適類型的器件。根據(jù)一些實施例，封裝件120包括封裝通孔(TPV)并用作中介層。
[0036]襯底130可以由雙馬來酰亞胺三嗪(BT)樹脂、FR-4 (由編織玻璃纖維布和具有耐燃性的環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑組成的復(fù)合材料)、陶瓷、玻璃、塑料、膠帶、膜或可以具有用于接收導(dǎo)電端子所需的導(dǎo)電焊盤或接合焊盤的其它支撐材料制成。在一些實施例中，襯底130是多層電路板。封裝件110通過連接件115接合至封裝件120，并且封裝件120通過外部連接件145接合至襯底130。在一些實施例中，外部連接件145是諸如接合焊料凸塊的接合凸塊結(jié)構(gòu)，或者是與連接焊料層接合的銅柱。本文所述的焊料可以含鉛或者可以不含鉛。[0037]圖1B示出了根據(jù)一些實施例的位于管芯封裝件120上方的管芯封裝件110的截面圖。如圖1B所示，封裝件110包括兩個半導(dǎo)體管芯112和113，其中管芯113設(shè)置在管芯112上方。然而，封裝件110可以包括一個半導(dǎo)體管芯或兩個以上的半導(dǎo)體管芯。在一些實施例中，在管芯112和113之間具有膠合層(未示出)。半導(dǎo)體管芯112和113可以包括如上面關(guān)于半導(dǎo)體管芯所述的多種微電子元件。半導(dǎo)體管芯112與襯底115接合。襯底115可以包括上面關(guān)于襯底130所述的各種材料和/或部件。根據(jù)一些實施例，半導(dǎo)體管芯112通過接合引線114與襯底115中的導(dǎo)電元件(未示出)電連接。類似地，半導(dǎo)體管芯113通過接合引線116與襯底115中的導(dǎo)電元件電連接。封裝件110還包括模塑料111，模塑料覆蓋半導(dǎo)體管芯112和113，以及還覆蓋接合引線114和116。封裝件110還包括用于外部連接的一些連接件117。連接件117形成在金屬焊盤118上，金屬焊盤118通過互連結(jié)構(gòu)119與接合引線114和116電連接，互連結(jié)構(gòu)119可以包括通孔和金屬線。
[0038]根據(jù)一些實施例，如圖1B所示，管芯封裝件120包括半導(dǎo)體管芯121和TPV122，其中，TPV122環(huán)繞管芯121。封裝件120還包括再分配結(jié)構(gòu)125，再分配結(jié)構(gòu)125包括一個或多個再分配層(RDL) 123。再分配層(RDL) 123是金屬互連層，其可以包括金屬線和通孔；并且再分配層(RDL) 123被(一種或多種)介電材料包圍。RDL123能夠使管芯121扇出。如圖1B所示，諸如球柵陣列(BGA)的外部連接件126與再分配結(jié)構(gòu)125上的金屬焊盤(未示出)連接。如圖1B所示，TPV122與封裝件110的連接件117連接。管芯121和外部連接件126位于再分配結(jié)構(gòu)125的相對側(cè)上。管芯121通過連接件127與再分配結(jié)構(gòu)125連接。
[0039]在一些實施例中，管芯封裝件110的連接件117由焊料制成。在一些實施例中，連接件117包括在焊料柱的端部處具有焊料的銅柱。連接件117的焊料與TPV122的暴露銅表面接合，TPV122填充有銅。然而，暴露的銅表面在暴露于空氣時會形成氧化銅。結(jié)果，如在圖1B的TPV122D所示出，氧化銅層141會形成在TPV122的表面上。雖然可以在TPV122的表面上施加助焊劑來去除形成在TPV122的表面上的氧化銅層，但是在一些實施例中，去除工藝是不一致的。結(jié)果，氧化銅層141或者氧化銅層141的至少一部分保留在一些TPV122(諸如TPV122D)上。連接件117的焊料不能很好地與氧化銅層141接合；因此，接合處會不牢固，從而會影響成品率和可靠性。
[0040]雖然助焊劑確實從諸如TPV122AU22B和122C的TPV去除氧化銅層，但是連接件117的焊料和TPV的銅之間的直接接觸會形成金屬間化合物(MC)，諸如Cu: Sn。圖1B示出根據(jù)一些實施例形成在連接件260的焊料和TPV122AU22B和122C的銅之間的MC層142。由于改變了封裝件120上的不同元件的熱膨脹系數(shù)(CTE)，封裝件120在封裝工藝期間和/或在封裝工藝之后會彎曲。這種彎曲(或翹曲)對在封裝件120和封裝件110之間通過接合連接件117和TPV122形成的接合結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生應(yīng)力。應(yīng)力會導(dǎo)致接合結(jié)構(gòu)260 (通過連接件117和TPV122形成的)的在TPV122和連接件117之間的界面所形成的MC層142附近發(fā)生開裂，從而影響疊層封裝(PoP)結(jié)構(gòu)的成品率和可靠性。因此，需要在管芯封裝件之間形成無上述問題的接合結(jié)構(gòu)的機構(gòu)。
[0041]圖2A至圖20示出根據(jù)一些實施例制備疊層封裝(PoP)器件的順序工藝流程的截面圖。圖2A示出位于載具201上方的粘合層(或膠合層)202。根據(jù)一些實施例，載具201由玻璃制成。然而，對于載具201也可以使用其它材料。在一些實施例中，在載具201上方沉積或?qū)訅赫澈蠈?02。粘合層202可以由膠形成，或者可以是諸如箔的層壓材料。在一些實施例中，粘合層202是感光的，并且在完成所涉及的封裝工藝之后通過對載具201照射紫外(UV)光或激光很容易地與載具201分開。例如，粘合層202可以是由3M Company (St.Paul,Minnesota)制造的光熱轉(zhuǎn)換(LTHC)涂層。在一些其它實施例中，粘合層202是熱敏性的。
[0042]在一些實施例中，在粘合層202上方形成鈍化層208。鈍化層208是電介質(zhì)并且用作管芯封裝件上的鈍化層。在一些實施例中，鈍化層208由諸如聚酰亞胺、聚苯并惡唑(PBO)的聚合物或者阻焊劑(solder resist)制成。鈍化層208改進了形成在載具201上方的噴鍍晶種層(在下文中描述的)的粘著性。如果噴鍍晶種層能夠很好地粘附至粘合層202，則可以省略鈍化層208的形成。
[0043]根據(jù)一些實施例，如圖2B所示，然后在鈍化層208上形成噴鍍晶種層204。在一些實施例中，噴鍍晶種層204由銅制成并且通過物理汽相沉積(PVD)形成。然而，也可以使用其它的導(dǎo)電膜。例如，噴鍍晶種層204可以由T1、Ti合金、Cu和/或Cu合金制成。Ti合金和Cu合金可以包括銀、鉻、鎳、錫、金、鎢和它們的組合。在一些實施例中，噴鍍晶種層204的厚度在約0.05 μ m至約l.0ym的范圍內(nèi)。在一些實施例中，噴鍍晶種層204包括擴散阻擋層，在沉積噴鍍晶種層之前形成該擴散阻擋層。噴鍍晶種層204還可以用作與下層的粘著層。在一些實施例中，擴散阻擋層由Ti制成，其厚度在約0.01 μ m至約0.1 μ m的范圍內(nèi)。然而，擴散阻擋層可以由諸如TaN的其它材料或其它適用材料的制成，并且厚度范圍不限于上面所述的范圍。在一些實施例中，通過PVD形成擴散阻擋層。
[0044]根據(jù)一些實施例，如圖2C所示，在沉積噴鍍晶種層204之后，在噴鍍晶種層204上方形成光刻膠層205?？梢酝ㄟ^諸如旋涂工藝的濕法工藝或者通過諸如干膜的干法工藝來形成光刻膠層205。在形成光刻膠層205之后，對光刻膠層205進行圖案化以形成開口 206，該開口被填充后形成上文圖1B中所述的TPV。所涉及的工藝包括光刻和抗蝕劑顯影。在一些實施例中，開口 206的寬度W在約40μπι至約260μπι的范圍內(nèi)。在一些實施例中，開口206的深度D在約5 μ m至約300 μ m的范圍內(nèi)。
[0045]根據(jù)一些實施例，此后，如圖2D所示，在噴鍍晶種層204上方噴鍍導(dǎo)電層207以填充開口 206。在一些實施例中，導(dǎo)電層207由銅或銅合金制成。在一些實施例中，層207的厚度D在約5 μ m至約300 μ m的范圍內(nèi)。
[0046]在噴鍍間隙填充工藝之后，通過蝕刻工藝去除光刻膠層205，該蝕刻工藝可以是干法工藝或者濕法工藝。在一些實施例中，在去除光刻膠205之前，使用平坦化工藝來去除形成在光刻膠層205的表面203上方的多余的導(dǎo)電層207。圖2E示出根據(jù)一些實施例在去除光刻膠205并且開口 206中的導(dǎo)電層207被暴露作為(導(dǎo)電)柱122’之后的載具201上的結(jié)構(gòu)的截面圖。
[0047]在去除光刻膠層205且導(dǎo)電層207被示出為柱122’之后，去除暴露的噴鍍晶種層204或噴鍍晶種層204未位于導(dǎo)電層207下方的部分。通過蝕刻，諸如通過濕蝕刻去除噴鍍晶種層204。為了去除銅,可以使用磷酸(H3PO4)和過氧化氫(H2O2)的水溶液。如果噴鍍晶種層204包括擴散阻擋層，諸如Ti層，則可以使用HF水溶液。圖2E示出保留位于導(dǎo)電層207下方的噴鍍晶種層204并去除其余部分(或暴露部分)。
[0048]根據(jù)一些實施例，此后，如圖2F所示，在載具201上方通過膠合層210將半導(dǎo)體管芯121附接到表面209。根據(jù)一些實施例，膠合層210由管芯附接膜(DAF)制成。DAF可以由環(huán)氧樹脂、酚樹脂、丙烯酸橡膠、二氧化硅填充物或它們的組合制成。圖2F示出管芯121的連接件127背對表面209，該表面209位于鈍化層208上方。然后在載具201上方的噴鍍晶種層204的表面上施加液態(tài)模塑料材料來填充導(dǎo)電柱122’和管芯121之間的空間并覆蓋管芯121和導(dǎo)電柱122’。然后實施熱工藝來硬化模塑料材料并將其轉(zhuǎn)換成模塑料123。根據(jù)一些實施例，如圖2G所示，在形成環(huán)繞導(dǎo)電柱的模塑料123之后，導(dǎo)電柱122’成為 TPV122”。
[0049]此后，實施平坦化工藝以去除多余的模塑料123，從而暴露TPV122”和管芯121的連接件127。在一些實施例中，平坦化工藝是研磨工藝。在一些其它實施例中，平坦化工藝是化學機械拋光(CMP)工藝。根據(jù)一些實施例，在圖2H中示出平坦化后結(jié)構(gòu)。
[0050]根據(jù)一些實施例，在平坦化工藝之后，如圖21所示，在圖2H的結(jié)構(gòu)上方的表面211上方形成再分配結(jié)構(gòu)215。圖21示出第二再分配結(jié)構(gòu)215包括RDL213，RDL213可以通過一個或多個諸如層212和214的鈍化層絕緣。RDL213可以包括金屬線和導(dǎo)電通孔。RDL213由導(dǎo)電材料制成并且與TPV122”和管芯121的連接件127直接接觸。在一些實施例中，RDL213由鋁、鋁合金、銅或銅合金制成。然而，RDL213可以由其它類型的導(dǎo)電材料制成。鈍化層212和214由(一種或多種)介電材料制成并且對于在接合外部連接件126與襯底130期間所產(chǎn)生的接合應(yīng)力提供應(yīng)力消除。在一些實施例中，鈍化層212和214由諸如聚酰亞胺、聚苯并惡唑(PBO)或苯丙環(huán)丁烯(BCB)的聚合物制成。對鈍化層214進行圖案化以形成開口(未示出)，從而暴露部分RDL213以形成接合焊盤(未示出)。在一些實施例中，在接合焊盤上方形成凸塊底部金屬(UBM)層(未示出)。UBM層還可以內(nèi)襯鈍化層214的開口的側(cè)壁。在一些實施例中，RDL213可以是單層。
[0051]在于2012 年 3 月 22 日提交的名稱為“Bump Structures for Mult1-ChipPackaging”的第13/427，753號美國申請(代理人案卷號TSMC2011-1339)和于2011年12月 28 日提交的名稱為 “Packaged Semiconductor Device and Method of Packaging theSemiconductor Device” 的第 13/338，820 號美國申請(代理人案卷號 TSMC2011-1368)中描述了再分配結(jié)構(gòu)和接合結(jié)構(gòu)及其形成方法的實例。上面提到的兩個申請全都以其全文內(nèi)容結(jié)合到本文中作為參考。
[0052]根據(jù)一些實施例，如圖2J所示，在形成再分配結(jié)構(gòu)215之后，在再分配結(jié)構(gòu)215的接合焊盤(未示出)上安裝外部連接件216 (或者將外部連接件接合至再分配結(jié)構(gòu)的接合焊盤)。根據(jù)一些實施例，對載具201上的管芯進行電測試以檢查管芯的功能性以及還檢查TPV122”、再分配結(jié)構(gòu)215和接合的外部連接件216的形成的質(zhì)量。在一些實施例中，還實施可靠性測試。
[0053]根據(jù)一些實施例，如圖2K所示，在將外部連接件216安裝在接合焊盤上之后，將圖2J中的結(jié)構(gòu)進行翻轉(zhuǎn)并附接至膠帶219。根據(jù)一些實施例，膠帶219是感光的，并且通過對膠帶219照射紫外(UV)光可以很容易地將其與管芯121的管芯封裝件分開。在將圖2J的結(jié)構(gòu)附接至膠帶219之后，去除粘合層202。根據(jù)一些實施例，使用激光器來提供熱量以去除粘合層202。圖2L示出在去除粘合層202之后的圖2K的結(jié)構(gòu)。
[0054]根據(jù)一些實施例，如圖2M所示，在去除粘合層202之后，去除模塑料123和鈍化層208環(huán)繞TPV122”的頂部(遠離連接件216的部分或者端部)的部分。在一些實施例中，使用激光工具來去除(通過鉆孔)環(huán)繞TPV122”的頂部的材料，諸如模塑料123和鈍化層208，從而暴露頂部。圖3A至圖3H示出環(huán)繞TPV122”的暴露頂部的結(jié)構(gòu)的各個實施例，在下文中對其進行更詳細的描述。
[0055]在 去除模塑料123和鈍化層208環(huán)繞TPV122”的頂部的部分之后，完成半導(dǎo)體管芯121的封裝工藝，半導(dǎo)體管芯121被封裝為封裝管芯120’。根據(jù)一些實施例，然后將膠帶219上的封裝管芯120’分割成單獨的封裝管芯120’。分割通過管芯切割實現(xiàn)。在完成分割之后，從封裝管芯去除膠帶219。圖2N示出根據(jù)一些實施例在去除膠帶219之后的封裝管芯120’。圖2N中的區(qū)域X包括TPV122”。在圖3A至圖3H中示出了區(qū)域X中的結(jié)構(gòu)的各個實施例，并在下文中進行描述。
[0056]然后，將單獨的封裝管芯120’接合至其它管芯封裝件以形成疊層封裝(PoP)結(jié)構(gòu)。根據(jù)一些實施例，如圖20所示，將管芯封裝件110放置在管芯封裝件120’上方并接合至管芯封裝件120’。將管芯封裝件110的外部連接件117接合至管芯封裝件120’的TPV122”，從而形成接合結(jié)構(gòu)260’。每個TPV122”都包括主體和噴鍍晶種層204，主體由銅制成，而噴鍍晶種層204可以由銅、T1、或它們的組合制成。連接件117與PTV122”的接合涉及回流工藝，從而會導(dǎo)致緊挨著TPV122”的外部(和先前暴露的)輪廓形成MC層142’。如果在噴鍍晶種層204中包含MC層142’，則MC層142’含有銅、焊料和Ti。在一些實施例中，MC層142’的厚度在約0.5μπι至約10 μ m的范圍內(nèi)。
[0057]通過去除環(huán)繞TPV122”的頂部的材料以形成環(huán)繞TPV122”的頂部的開口 220，形成在每個TPV122”上的MC層142’不是二維(2D)表面層，諸如圖1B的MC層142在應(yīng)力下在角部處很容易開裂。相反，如圖20所示，MC層142’是覆蓋TPV122”伸出到模塑料123上方的部分的表面的三維(3D)層。這種3D層較牢固并且在應(yīng)力下不可能開裂。結(jié)果，由連接件117和TPV122”所形成的接合結(jié)構(gòu)比沒有開口 220的那些接合結(jié)構(gòu)(諸如圖1B所示的接合結(jié)構(gòu))更強。圖20中的區(qū)域Y包括具有連接件117和TPV122”的接合結(jié)構(gòu)260’。在圖4A至圖4C中示出區(qū)域Y中的結(jié)構(gòu)的各個實施例并在下文進行描述。
[0058]圖3A示出根據(jù)一些實施例的圖2N的區(qū)域X的放大圖。區(qū)域X包括通過模塑料123環(huán)繞的TPV122”。TPV122”與RDL213連接，如上所述，RDL213通過鈍化層212和214絕緣。圖3A示出TPV122”包括位于導(dǎo)電層207上方的噴鍍晶種層204。諸如通過激光鉆孔去除覆蓋噴鍍晶種層204和導(dǎo)電層207的頂部的鈍化層208和模塑料123，從而形成開口 300A。如果噴鍍晶種層204和導(dǎo)電層207由相同的諸如銅或銅合金的導(dǎo)電材料制成，則TPV122”會表現(xiàn)為由一種材料制成且無明顯的界面。
[0059]開口 300A在鈍化層208的表面301之下具有深度Dp在一些實施例中，D1在約2μπι至約IOOym的范圍內(nèi)。開口 300Α在噴鍍晶種層204的表面302Α之下具有深度D2。在一些實施例中，D2在約Ιμπι至約70μπι的范圍內(nèi)。開口 300Α的下部從TPV122”的側(cè)壁表面304到模塑料123的側(cè)壁表面303具有寬度I。在一些實施例中，W1在約2 μ m至約50μπι的范圍內(nèi)。開口 300Α的頂部寬度W2寬于TPV122”的寬度W。在一些實施例中，評2在約30 μ m至約300 μ m的范圍內(nèi)。
[0060]圖3A示出開口 300A的側(cè)壁303是基本上豎直的并且基本上垂直于開口 300A的底面。此外，側(cè)壁的表面是連續(xù)的和光滑的?？蛇x地，根據(jù)一些實施例，如圖3B所示，在開口 300B的模塑料123處的角部可以是圓角。開口 300B的剩余部分(諸如D^D2J1和W2的范圍)與開300類似。[0061]圖3A和圖3B示出鈍化層208的側(cè)壁和模塑料123的側(cè)壁的連接302A和302B是光滑的。通過控制激光鉆孔工藝來實現(xiàn)側(cè)壁之間的光滑連接302A和302B，該激光鉆孔工藝的工藝參數(shù)包括鉆孔能量、鉆孔角度和鉆孔時間。對鉆孔工藝進行調(diào)節(jié)以去除鈍化層208和模塑料123，但不去除噴鍍晶種層204或?qū)щ妼?07。在一些實施例中，鉆孔能量在約
0.1mJ至約30mJ的范圍內(nèi)。在一些實施例中，鉆孔角度為與鈍化層208的表面301的法線所成角度，其在約O度(垂直于表面301)至約85度的范圍內(nèi)。在一些實施例中，對于每個開口 300A或300B，鉆孔時間在約Iys至約150 μ s的范圍內(nèi)。
[0062]如上所述，圖3A和圖3B示出鈍化層208的側(cè)壁和模塑料123的側(cè)壁的連接302A和302B是光滑的?？蛇x地，這兩層的側(cè)壁之間的連接可以是不光滑的。圖3C示出根據(jù)一些實施例的模塑料123的側(cè)壁303是基本上豎直的開口 300C。然而，鈍化層208的側(cè)壁傾斜與平行于鈍化層208的表面302的表面的角度Θ。在一些實施例中，角度Θ在約10度至約85度的范圍內(nèi)。結(jié)果，鈍化層208和模塑料123的開300C的側(cè)壁之間的連接302C不光滑并且具有尖角。開300C中的最寬的部分具有寬度W3。在一些實施例中，W3在約30 μ m至約300 μ m的范圍內(nèi)。開300C的剩余部分(諸如DpD2J1和W2的范圍)與圖3A中的那些范圍類似?？梢哉{(diào)節(jié)激光鉆孔工藝以形成圖3C所示的輪廓。鈍化層208和模塑料123的其它側(cè)壁輪廓也是可能的。
[0063]圖3D示出根據(jù)一些實施例的鈍化層208和模塑料123的側(cè)壁傾斜與平行于鈍化層208的表面301的表面的 角度α的開口 300D。在一些實施例中，角度α在約10度至約85度的范圍內(nèi)。圖3D的剩余部分(諸如Dp D2和W3的范圍)與圖3C類似。
[0064]圖3Ε示出根據(jù)一些實施例的具有位于模塑料123上的傾斜側(cè)壁和位于鈍化層208上的基本上豎直的側(cè)壁的開口 300Ε。在模塑料123的側(cè)壁和鈍化層208的側(cè)壁之間的連接302Ε上具有平臺(ledge)。平臺的距離W4在約3 μ m至約40 μ m的范圍內(nèi)。圖3E的剩余部分(諸如DpDyWpW2'W3和角度α的范圍)與圖3C和圖3D中的描述的那些范圍類似。
[0065]圖3F示出根據(jù)一些實施例的其中噴鍍晶種層204F大于導(dǎo)電層207的開口 300F。除了噴鍍晶種層204F比導(dǎo)電層207寬，圖3F中的結(jié)構(gòu)與圖3Α中的結(jié)構(gòu)類似。寬度(或突出的寬度)差W5在約0.001 μ m至約Ιμπι的范圍內(nèi)。如圖2Ε所示，是在去除未被導(dǎo)電層207覆蓋的噴鍍晶種層204期間形成噴鍍晶種層204F的突出部分?？梢詫θコに嚨奈g刻時間進行控制以保留噴鍍晶種層204未被導(dǎo)電層207覆蓋的小部分。圖3F的剩余部分(諸如D^D2J1和W2的范圍)與圖3Α中所述的那些范圍類似。然而，圖3Β至圖3Ε中所述的其它輪廓也可以適用于圖3F的實施例中。
[0066]圖3G不出根據(jù)一些實施例的其中噴鍍晶種層204G相對于導(dǎo)電層207是縮進的開口 300G。除了噴鍍晶種層204G比導(dǎo)電層207窄之外，圖3G類似于圖3F。凹槽W6在約
0.001 μ m至約Ιμπι的范圍內(nèi)。如圖2Ε所示，可以在去除未被導(dǎo)電層207覆蓋的噴鍍晶種層204期間通過過蝕刻形成該凹槽。類似地，圖3Β至圖3Ε所述的其它輪廓也可以適用于圖3G的實施例中。
[0067]圖3Η示出根據(jù)一些實施例的具有基本上位于模塑料123上而不位于鈍化層208上的側(cè)壁的開口 300Η。在這種情況下，去除鈍化層208。根據(jù)一些實施例，在形成開口 300Η之前去除鈍化層208。圖3Η的剩余部分(諸如DyW1和W2的范圍)與圖3Α中所述的那些范圍類似。在圖3Β(開口的下部圓角)、圖3D(傾斜側(cè)壁)、圖3F(突出噴鍍晶種層)和圖3G(凹凹進的噴鍍晶種層)中所述的其它輪廓也可以適用于圖3H的實施例中。
[0068]如上所述，圖20中的區(qū)域Y包括具有來自上管芯封裝件110的連接件117和下管芯封裝件120’的TPV122”的接合結(jié)構(gòu)260’。以下描述Y區(qū)域中的結(jié)構(gòu)的各個實施例。圖4A示出根據(jù)一些實施例的連接件117接合至TPV122”未嵌入模塑料123和鈍化層208中的頂部的接合結(jié)構(gòu)260’。在接合之前，TPV122”附近的結(jié)構(gòu)是上面所述的圖3D的結(jié)構(gòu)和圖3E的結(jié)構(gòu)之間的混合結(jié)構(gòu)。開口 300’具有位于鈍化層208和模塑料123上的傾斜側(cè)壁。鈍化層208從模塑料123的邊緣往回凹陷，如圖4A所示。在接合工藝(熱工藝)之后，由噴鍍晶種層204中的諸如Cu、Ti或這二者的材料和連接件117的焊料材料形成MC層142’。根據(jù)接合工藝，導(dǎo)電層207的一部分(銅)可以位于MC層142’中。MC層142’環(huán)繞TPV122”的伸出部分進行覆蓋。MC層142’具有頂部和側(cè)部，頂部基本上是平坦的，側(cè)部形成環(huán)繞伸出的TPV122”的環(huán)。MC層142’的厚度在約0.2μπι至約8μπι的范圍內(nèi)。連接件117的上部與接合焊盤118可以形成另一 MC層143。IMC層143的厚度取決于接合焊盤118的材料。諸如N1、Au、Ag的一些材料不會與連接件117中的焊料形成MC層143或者形成非常薄的MC層143。因此，在一些實施例中，MC層143可以不存在。
[0069]由于開口 300’環(huán)繞TPV122”的伸出部分，連接件117的放置會更準確并且連接件117不會水平滑動從而錯過部分TPV122”。在將連接件117放置并接合至與模塑料123齊平的TPV122(諸如圖1B所示的那些TPV122)時，會發(fā)生連接件117的水平滑動。這種水平滑動會導(dǎo)致連接件117與鄰近的TPV122短路。此外，形成的MC層142’被成形為帽狀物(3D結(jié)構(gòu))而不是表面(2D結(jié)構(gòu))。結(jié)果，MC142’不會輕易成為接合結(jié)構(gòu)的最弱點，并且也不會如圖1B的接合結(jié)構(gòu)260那樣容易開裂。這個觀察結(jié)果得到了研究的支持。接合結(jié)構(gòu)260’的成品率和可靠性優(yōu)于接合結(jié)構(gòu)260。
[0070]圖4B示出根據(jù)一些實施例嵌入聚合物層270中的接合結(jié)構(gòu)260”的一部分。如上面所提到的，諸如通過激光鉆孔去除了環(huán)繞TPV122”的頂部的模塑料123。在模塑料123上方可以存在或者可以不存在鈍化層208。鈍化層208的存在是可選的。環(huán)繞接合結(jié)構(gòu)260”的下部形成聚合物層270。在將管芯封裝件110接合至管芯封裝件120’之前，可以在管芯封裝件120’的表面上施加助焊劑，并且助焊劑覆蓋TPV122”和模塑料123的暴露表面。施加的助焊劑防止暴露的噴鍍晶種層204和導(dǎo)電層207被環(huán)境以及在接合工藝期間發(fā)生氧化。助焊劑在其施加于封裝件120’的表面上時是含聚合物的液體，并且在接合工藝完成之后，諸如通常通過清潔液去除助焊劑。然而，助焊劑可以保留在封裝件120’的表面上并且成為聚合物層270，該聚合物層270在應(yīng)力下屈服并且可以防止接合結(jié)構(gòu)260’開裂。在助焊劑中包含的聚合物可以是環(huán)氧聚合物或者其它類型的聚合物。聚合物層270的厚度DF在約0.5 μ m至約30 μ m的范圍內(nèi)。如果不存在鈍化層208，則從模塑料123的表面開始測量厚度Df ;如果存在鈍化層208，則從鈍化層208的表面開始測量厚度Df。在封裝件110面向封裝件120’的表面305和模塑料123的表面306之間相隔距離Ds。根據(jù)一些實施例，Df小于Ds。
[0071]圖4C示出根據(jù)一些實施例的嵌入底部填充物275中的接合結(jié)構(gòu)260’。如上面所提到的，諸如通過激光鉆孔去除了環(huán)繞TPV122”的頂部的模塑料123。在模塑料123上方可以存在或者可以不存在鈍化層208。鈍化層208的存在是可選的。在連接件117接合至TPV122”之后，形成環(huán)繞接合結(jié)構(gòu)260’的底部填充物275。底物填充物275包含聚合物，諸如UF3808和UF3810( 二者均為基于環(huán)氧的底部填充物材料)。如圖4C所示，底部填充物275填充管芯封裝件110和120’之間的空間。由聚合物制成的底部填充物275在應(yīng)力下屈服并且保護接合結(jié)構(gòu)260’不開裂。
[0072]提供了形成具有環(huán)繞封裝通孔(TPV)的端部的開口的封裝通孔(TPV)以及具有利用TPV的接合結(jié)構(gòu)的疊層封裝(PoP)器件的機構(gòu)的一些實施例。通過諸如采用激光鉆孔去除環(huán)繞TPV的端部的材料來形成開口。環(huán)繞管芯封裝件的TPV的端部的開口使在與另一管芯封裝件之間形成的接合結(jié)構(gòu)的焊料能夠保留在開口中而不滑動，因此增加接合結(jié)構(gòu)的成品率和可靠性。也可以添加聚合物來填充環(huán)繞TPV的開口、甚至填充管芯封裝件之間的空間以減少接合結(jié)構(gòu)在應(yīng)力下的開裂。
[0073]在一些實施例中，提供了一種半導(dǎo)體器件。半導(dǎo)體器件包括半導(dǎo)體管芯和鄰近半導(dǎo)體管芯的介電材料。半導(dǎo)體器件還包括設(shè)置在介電材料中的封裝通孔(TPV)。介電材料中的開口環(huán)繞TPV的端部從而暴露端部，并且其中開口的至少一部分位于TPV的端部和模塑料之間。
[0074]在一些實施例中，提供了一種半導(dǎo)體器件。半導(dǎo)體器件包括半導(dǎo)體管芯和鄰近半導(dǎo)體管芯的一個或多個介電層。半導(dǎo)體管芯還包括設(shè)置在一個或多個介電層中的一個或多個封裝通孔(TPV)。一個或多個TPV從一個或多個介電層的第一面延伸到一個或多個介電層的第二面。半導(dǎo)體器件還包括位于一個或多個介電層中且環(huán)繞對應(yīng)的一個或多個TPV的端部的凹槽。凹槽暴露對應(yīng)的一個或多個TPV的端部的側(cè)壁的至少一部分。
[0075]在又一些實施例中，提供了一種半導(dǎo)體器件。該半導(dǎo)體器件包括第一管芯封裝件。第一管芯封裝件包括第一半導(dǎo)體管芯和位于該第一半導(dǎo)體管芯相對面上的介電材料。第一管芯封裝件還包括位于介電材料中的通孔(TV)，并且介電材料中的開口環(huán)繞TV的端部以暴露端部。半導(dǎo)體器件還包括第二管芯封裝件。第二管芯封裝件包括第二半導(dǎo)體管芯和外部連接件。第二管芯封裝件的外部連接件使用焊料接合至第一管芯封裝件的TV的端部以形成接合結(jié)構(gòu)。焊料至少部分地位于開口內(nèi)。
[0076]盡管已經(jīng)詳細地描述了實施例及其優(yōu)勢，但應(yīng)該理解，可以在不背離所附權(quán)利要求限定的實施例的精神和范圍的情況下，進行各種改變、替換和更改。而且，本申請的范圍并不僅限于說明書中描述的工藝、機器、制造、材料組分、裝置、方法和步驟的特定實施例。作為本領(lǐng)域普通技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明將很容易理解，根據(jù)本發(fā)明可以利用現(xiàn)有的或今后開發(fā)的用于執(zhí)行與本文所述相應(yīng)實施例基本上相同的功能或者獲得基本上相同的結(jié)果的工藝、機器、制造、材料組分、裝置、方法或步驟。因此，所附權(quán)利要求預(yù)期在其范圍內(nèi)包括這樣的工藝、機器、制造、材料組分、裝置、方法或步驟。此外，每條權(quán)利要求構(gòu)成單獨的實施例，并且各個權(quán)利要求和實施例的組合也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種半導(dǎo)體器件，包括: 半導(dǎo)體管芯； 介電材料，鄰近所述半導(dǎo)體管芯；以及 封裝通孔(TPV)，設(shè)置在所述介電材料中，所述介電材料中的開口環(huán)繞所述TPV的端部以暴露所述端部，并且所述開口的至少一部分位于所述TPV的端部和模塑料之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述TPV的端部在所述開口的底部之上延伸的距離為約I μ m至約70 μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述TPV的端部包括噴鍍晶種層和導(dǎo)電層，并且所述噴鍍晶種層覆蓋所述導(dǎo)電層的端面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述TPV的端部包括噴鍍晶種層和導(dǎo)電層，并且所述噴鍍晶種層僅覆蓋所述導(dǎo)電層的端面的一部分。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述開口的深度為約2μ m至約100 μ m。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述開口具有圓角表面輪廓。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述開口具有成角度的表面輪廓。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述成角度的表面輪廓具有約90度的角度。
9.一種半導(dǎo)體器件，包括: 半導(dǎo)體管芯； 一個或多個介電層，鄰近所述半導(dǎo)體管芯； 一個或多個封裝通孔(TPV)，設(shè)置在所述一個或多個介電層中，所述一個或多個TPV從所述一個或多個介電層的第一面延伸到所述一個或多個介電層的第二面；以及 凹槽，位于所述一個或多個介電層中且環(huán)繞對應(yīng)的所述一個或多個TPV的端部，所述凹槽暴露所述一個或多個TPV的對應(yīng)端部的側(cè)壁的至少一部分。
10.一種半導(dǎo)體器件，包括: 第一管芯封裝件，所述第一管芯封裝件包括: 第一半導(dǎo)體管芯； 位于所述第一半導(dǎo)體管芯相對面上的介電材料；和 位于所述介電材料中的通孔(TV)，所述介電材料中的開口環(huán)繞所述TV的端部以暴露所述端部；以及 第二管芯封裝件，所述第二管芯封裝件包括: 第二半導(dǎo)體管芯；和 外部連接件； 其中，所述第二管芯封裝件的所述外部連接件使用焊料接合至所述第一管芯封裝件的所述TV的端部以形成接合結(jié)構(gòu)，所述焊料至少部分地位于所述開口內(nèi)。
【文檔編號】H01L23/488GK103972191SQ201310261078
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2013年6月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年1月31日
【發(fā)明者】林俊成, 洪瑞斌, 鄭禮輝 申請人:臺灣積體電路制造股份有限公司