晶圓上晶片結構及其形成方法
2024-02-26 23:33:15 2
專利名稱：晶圓上晶片結構及其形成方法
技術領域：
本發明涉及一種半導體器件及其形成方法，具體而言，本發明涉及晶圓上晶片結構及其形成方法。
背景技術：
在三維集成電路(3DIC)形成工藝中，可以將器件管芯接合至晶圓。通常，在將管芯接合到晶圓上之後，應用模塑料以密封器件管芯和晶圓。焊料凸塊形成在晶圓上以電連接至晶圓中的器件。通過矽通孔(TSV)實現了器件管芯中的器件和晶圓中的器件的電連接。在應用模塑料之後，實施管芯切割以切割晶圓和器件管芯成封裝件，其中每一個封裝件都可以包括一個器件管芯和晶圓中的一個晶片。通常採用刀片實施管芯切割，刀片切穿晶圓中的劃線。因為晶圓可以包括低k介電材料，所以由刀片實加的機械應力會導致碎裂。低k介電材料中的碎裂可以擴展到晶圓中的晶片，導致產量損失。
發明內容
為了解決現有技術中存在的問題，根據本發明的一個方面，提供了一種器件，包括:封裝元件，包括襯底，其中，所述襯底包括正面和位於所述正面上方的背面；通孔，穿透通過所述襯底；導電部件，位於所述襯底的所述背面上方並且與所述通孔電連接；第一介電圖案，形成覆蓋所述導電部件的邊緣部分的環；凸塊下金屬化層(UBM)，位於所述導電部件的中心部分的上方並且接觸所述導電部件的中心部分；聚合物，接觸所述襯底的側壁；以及第二介電圖案，位於所述聚合物上方並且對準所述聚合物，其中，所述第一介電圖案和所述第二介電圖案由相同的介電材料形成，並且設置為處於基本相同的水平。在上述器件中，其中，所述第一介電圖案和所述第二介電圖案包括附加聚合物。在上述器件中，其中，所述第一介電圖案和所述第二介電圖案包括感光材料。在上述器件中，還包括接合至所述封裝元件的正面的管芯，其中，所述聚合物還環繞所述管芯並接觸所述管芯的側壁。在上述器件中，所述器件是分立封裝件，其中，所述聚合物形成環繞所述襯底並接觸所述襯底的側壁的第一環，其中，所述第二介電圖案形成位於所述第一環的上方並與所述第一環對準的第二環，並且所述第一環和所述第二環具有彼此對準的外邊緣。在上述器件中，其中，所述第一介電圖案和所述第二介電圖案相互斷開。 在上述器件中，其中，所述第二介電圖案接觸所述聚合物。根據本發明的另一方面，還提供了一種器件，包括:晶圓，包括:
多個晶片，包括穿透通過所述晶圓的半導體襯底的多個襯底通孔；和多條劃線，將所述多個晶片彼此分開；多個管芯，位於所述晶圓的正面的下方並且接合至所述晶圓的正面；第一聚合物區，包括:位於多條劃線中的第一部分，穿透通過所述晶圓，並且接觸所述半導體襯底的側壁；和第二部分，與所述多個管芯處於相同的水平並且環繞所述多個管芯；多個導電部件，位於所述半導體襯底的背面上並且與所述多個襯底通孔電連接；以及第二聚合物層，包括:第一部分，覆蓋所述多個導電部件的邊緣部分；以及第二部分，位於所述第一聚合物區的第一部分的上方並且與所述第一聚合物區的第一部分對準。在上述器件中，還包括:多個凸塊下金屬化層(UBM)，位於所述多個導電部件的中心部分的上方並且接觸所述多個導電部件的中心部分；以及多個連接件，位於所述多個UBM的上方並且與所述多個UBM對準。在上述器件中，其中，所述第一聚合物區包括模塑料，並且所述第二聚合物層包括感光材料。在上述器件中，其中，所述第二聚合物層的第一部分和第二部分彼此斷開，並且所述第二聚合物層的第一部分形成環。在上述器件中，其中，所述第二聚合物層的第二部分接觸所述第一聚合物區的第一部分。在上述器件中，還包括接觸所述半導體襯底的背面的絕緣層，其中，所述第二聚合物層的第二部分通過所述絕緣層與所述第一聚合物區的第一部分間隔開。根據本發明的又一方面，還提供了一種方法，包括:在晶圓的劃線中形成溝槽，其中，所述溝槽從所述晶圓的正面延伸到所述晶圓的襯底內；將第一聚合物填充到所述溝槽內；從所述襯底的背部減薄所述襯底，其中，在減薄步驟之後，暴露出位於所述襯底中的所述第一聚合物和通孔；在所述晶圓的背面上形成導電部件並且與所述通孔電連接；在所述晶圓的背面上形成第二聚合物層並且覆蓋所述導電部件；以及使所述第二聚合物層圖案化，其中，經圖案化的所述第二聚合物層的剩餘部分包括覆蓋所述導電部件的邊緣部分的第一部分以及與所述第一聚合物位於所述溝槽中的部分對準的第二部分。在上述方法中，其中，所述第二聚合物層的第一部分形成彼此斷開的環並且與所述第二聚合物層的第二部分斷開。在上述方法中，還包括:形成延伸至所述第二聚合物層的第一部分中並與對應下面的導電部件連接的凸塊下金屬化層(UBM);以及形成位於所述UBM上方並與所述UBM對準的連接件。在上述方法中，還包括:在使所述第二聚合物層圖案化的步驟之後，對所述晶圓實施管芯切割以形成封裝件，其中，在所述封裝件中，所述第一聚合物的一部分形成環繞所述晶圓的晶片的第一環，並且所述第二聚合物層的第二部分形成第二環，並且其中，所述第一環和所述第二環的對應外邊緣彼此對準。在上述方法中，還包括:在使所述第二聚合物層圖案化的步驟之後，對所述晶圓實施管芯切割以形成封裝件，其中，在所述封裝件中，所述第一聚合物的一部分形成環繞所述晶圓的晶片的第一環，並且所述第二聚合物層的第二部分形成第二環，並且其中，所述第一環和所述第二環的對應外邊緣彼此對準，其中，所述第一環和所述第二環的所述外邊緣與所述封裝件的相應邊緣對準。在上述方法中，還包括:在將所述第一聚合物填充到所述溝槽內的步驟之前，將管芯接合到所述晶圓上，其中，所述第一聚合物還密封所述管芯。在上述方法中，其中，所述第一聚合物包括模塑料，並且所述第二聚合物層包括感光材料。
為了更充分地理解本實施例及其優點，現在將結合附圖所進行的以下描述作為參考，其中:圖1至圖1lB是根據一些示例性實施例製造封裝件的中間階段的剖視圖；以及圖12示出採用圖1至圖1lB中的工藝形成的封裝件的俯視圖。
具體實施例方式在下面詳細討論本發明的實施例的製造和使用。然而，應該理解，實施例提供了許多可以在各種具體環境中實現的可應用的概念。所討論的具體實施例僅僅是說明性的，而不用於限制本發明的範圍。根據示例性實施例，提供晶圓上晶片(CoW)封裝件及其形成方法。根據實施例，示出形成CoW封裝件的中間階段。論述了實施例的變化。在所有各個視圖和示例性實施例中，相似參考標號用於表明相似兀件。圖1至圖1lB是根據一些示例性實施例封裝集成電路的中間階段的剖視圖。圖1示出封裝元件20的剖視圖，其可以是器件晶圓、中介層晶圓等。封裝元件20包括襯底22。在一些實施例中，襯底22是諸如晶體矽襯底的半導體襯底。可選地，襯底22包括諸如矽鍺、矽碳等的其他半導體材料。在可選的實施例中，襯底22是介電襯底。封裝元件20可以是器件晶圓，其包括在半導體襯底22的表面22A形成的諸如電晶體的有源器件(未示出)。在整個說明書中，表面22A和22B分別被稱為襯底22的正面和背面。當封裝元件20是器件晶圓時，其也可以包括諸如電阻器和/或電容器的無源器件(未示出)。在可選的實施例中，封裝元件20是其中不具有有源器件的中介層晶圓。在這些實施例中，封裝元件20可以包括或者可以不包括形成在其中的無源器件。襯底通孔(TSV) 24可以形成為從襯底22的頂面22k延伸至襯底22中。當襯底22是矽襯底時，TSV 24有時也被稱為矽通孔。封裝元件20包括多個封裝元件40，它們可以彼此相同。多條劃線42位於相鄰的封裝元件40之間。封裝元件40可以是器件管芯(也被稱為晶片)、中介層管芯/晶片等。在襯底22上方形成互連結構28，並且互連結構用於電連接至封裝元件20和/或TSV24中的集成電路器件。互連結構28可以包括多個介電層30。金屬線32形成在介電層30中。通孔34形成在上覆的金屬線32和下面的金屬線32之間，並且互連上覆的金屬線32和下面的金屬線32。金屬線32和通孔34有時被稱為再分布線(RDL) 32/34。在一些實施例中，介電層30包括氧化矽、氮化矽、碳化矽、氮氧化矽、或它們的組合。可選地，介電層30可以包括具有低k值的一個或多個低k介電層。例如，介電層30中的低k介電材料的k值可以低於約3.0，或者低於約2.5。在封裝元件20的頂面形成連接件38。在一些實施例中，連接件38包括金屬柱，其中，焊料蓋頂可以形成或者可以不形成在金屬柱的頂面上。在可選的實施例中，連接件38包括焊料區。在又一些其他實施例中，連接件38可以是包括銅柱、鎳層、焊料蓋頂等的複合凸塊。參考圖2，例如通過倒裝晶片接合，將封裝元件44接合至封裝元件20。因而，連接件38相應地將封裝元件44中的電路電連接至封裝元件20中的RDL32/34和TSV 24。封裝元件44可以是包括邏輯電路、存儲電路等的器件管芯。因此，在整個說明書中，封裝元件44可選地被稱為管芯44。可選地，封裝元件44可以包括封裝件，其包括接合至相應的中介層、封裝基板等的管芯。在每一個晶片40上，可以接合兩個或者兩個以上的管芯44。接下來，將聚合物45分配到管芯44和封裝元件20之間的空間(間隙)內。聚合物45可以是底部填充，因此在下文中被稱為底部填充45，然而其也可以包括諸如環氧樹脂的其他聚合物。底部填充45也可以是模塑底部填充。參考圖3,對封裝元件20執行刻槽(grooving)步驟以形成溝槽46。溝槽46位於劃線42內。溝槽46的底部可以基本上齊平、或者低於TSV 24的底端。溝槽46的寬度Wl可以在例如約10 μ m和約100 μ m之間。溝槽46的寬度Wl也可以小於或者基本上等同於劃線42的寬度W2。接下來，如圖4中所示，例如，採用壓縮模塑在管芯44和封裝元件20上模製聚合物56。在一些實施例中，聚合物56包括模塑料、環氧樹脂等。聚合物56可以包括填充至溝槽內並延伸至襯底22內的第一部分、填充相鄰管芯44之間的間隙的第二部分以及位於管芯44上方的第三部分。然後固化聚合物56。參考圖5，在一些實施例中，在固化聚合物56之後，執行諸如研磨步驟的平坦化步驟使聚合物56的頂面齊平。去除聚合物56位於管芯44上方的部分。結果是，暴露出一些或者所有管芯44的頂面。在可選的實施例中，不執行平坦化步驟。圖6至圖10示出封裝元件20的背部結構的形成。首先將圖5中示出的封裝結構上下翻轉，從而半導體襯底22朝上。然後，例如通過粘合劑60將載具58接合至封裝結構的底部。在一些示例性實施例中，載具58是玻璃晶圓。在一些示例性實施例中，粘合劑60可以是紫外線(UV)膠。參考圖7A和圖7B，對半導體襯底22的背部實施背面研磨以減薄半導體襯底22，直到暴露出TSV 24。然後，在半導體襯底22的背部上形成絕緣層(或多個絕緣層)62，其中TSV 24延伸穿透絕緣層62。在減薄半導體襯底22之後形成絕緣層62，並且實施化學機械拋光(CMP)工藝以暴露出TSV 24。絕緣層62也用作隔離層以隔離半導體襯底22。絕緣層62的材料可以包括氧化矽、氮化矽等。用於形成絕緣層62的形成工藝可以包括低溫沉積工藝。在一些實施例中，如圖7A中示出，在形成絕緣層62之後，通過絕緣層62暴露出聚合物部分56A，可選地，如圖7B中所示，絕緣層62覆蓋聚合物部分56A。參考圖8，在絕緣層62上方形成導電部件64並將其連接至TSV 24。導電部件64包括再分布線(RDL)和導電焊盤。在一些實施例中，導電部件64包括鋁、銅等。根據一些實施例，導電部件64的形成包括形成覆蓋層，並且使覆蓋層圖案化。接下來，如圖9中所示，形成介電圖案66A和66B。介電圖案66A和66B可以包括諸如環氧樹脂、聚醯亞胺、聯苯並環丁烯(BCB)、聚苯並惡唑(PBO)等的聚合物。介電圖案66A和66B也可以包括感光材料(諸如PBO或者聚醯亞胺)。因此，介電圖案66A和66B的形成可以包括塗覆覆蓋感光材料，並且對感光材料進行曝光和顯影。介電圖案66A和66B的材料可以是相對柔軟的從而用於吸收應力。可選地，諸如氧化物、氮化物、它們的組合的其他介電材料以及多層其他介電材料也可以用於形成介電圖案66A和66B。對應的形成工藝包括低溫沉積工藝，從而不損壞粘合劑58。在圖9中示出的結構的俯視圖中，介電圖案66A可以具有環形。介電圖案66B包括位於聚合物部分56A上方並且與聚合物56A對準的部分。此外，介電圖案66B可以具有大於聚合物部分56A的寬度Wl的寬度W3，並且可以延伸超出聚合物部分56A的相應邊緣。因此，介電圖案66B可以覆蓋聚合物部分56A的全部。在聚合物部分56A穿透通過絕緣層62的實施例中，介電圖案66B與聚合物部分56A接觸。在聚合物部分56A被絕緣層62覆蓋的可選實施例中(圖7B)，介電圖案66B通過絕緣層62與聚合物部分56A間隔開。圖12中示出介電圖案66A和66B的示例性俯視圖。圖10示出連接件68的形成，其通過導電部件64的暴露部分電連接至TVS 24。在一些實施例中，連接件68是焊球。在其他實施例中，連接件68可以包括金屬焊盤、金屬凸塊、焊料蓋頂等。示例性形成工藝可以包括採用物理汽相沉積(PVD)覆蓋形成覆蓋凸塊下金屬化(UBM)層(未示出)，形成掩模(未示出)，其中，通過掩模暴露出UBM層直接位於導電部件64的暴露部分上方的部分，而覆蓋UBM的一些其他部分。然後，將連接件68電鍍(plate)至掩模中的開口中。然後去除掩模，並實施快速蝕刻以去除未被連接件68覆蓋的UBM層的暴露部分。UBM層的剩餘部分被稱為UBM 67。在連接件68包括焊料的實施例中，可以在電鍍之後實施回流。連接件68可以用於接合至其他電元件(未示出)，其可以是封裝基板、印刷電路板(PCB)等。然後實施管芯切割以從圖10中示出的封裝結構切割分離出封裝件70。沿著劃線42實施切割。切線69可以位於聚合物部分56A的中心處(圖10)。圖1IA和IIB示出最終的封裝件70。每一個封裝件70都包括一個管芯40和一個或多個管芯44。在切割之後，如圖1lA和IlB中所示，在襯底22的側壁上和介電層30的側壁上保留一些聚合物部分56A。介電圖案66B也具有位於聚合物部分56A的上方並且與聚合物部分56A對準的剩餘部分，其中，介電圖案66B的外邊緣與聚合物部分56A的相應外邊緣對準。在圖1lA中，介電圖案66B接觸聚合物部分56A的頂面。在圖1lB中，介電圖案66B通過絕緣層62與聚合物部分56A間隔開。圖12示出封裝件70的俯視圖。介電圖案66B形成延伸至封裝件70的邊緣的環。介電圖案66B的邊緣與聚合物部分56A的邊緣對準，其也形成環繞並接觸晶片40 (請參考圖1)的環。除覆蓋整個聚合物部分56A之外，介電圖案66B還可以在朝向封裝件70的中心的方向上稍微延伸超過聚合物部分56A。介電圖案66A可以形成多個彼此分隔的環,並且與介電圖案66B分隔。每個介電圖案66A都可以形成覆蓋各自下面的導電部件64的邊緣部分的環。在實施例中，介電圖案66B(圖10)覆蓋聚合物圖案56A。因此，在封裝工藝中，例如，在形成如圖10中的UBM的沉積工藝中，介電圖案66B阻止聚合物部分56A的脫氣。從而降低形成UBM67期間的不期望的再沉積。根據實施例，一種封裝元件包括襯底，其中襯底具有正面和位於正面上方的背面。通孔穿透過襯底。導電部件設置在襯底的背面的上方並且電連接至通孔。第一介電圖案形成覆蓋導電部件的邊緣部分的環。凸塊下金屬化層(UBM)設置在導電部件的中心部分的上方並且與其接觸。聚合物接觸襯底的側壁。第二介電圖案設置在聚合物的上方並且與聚合物對準。第一和第二介電圖案由相同的介電材料形成，並且設置在基本上相同的水平面。根據其他實施例，一種晶圓包括多個晶片和多個將多個晶片彼此分隔的劃線，晶片包括多個穿透通過晶圓的半導體襯底的襯底通孔。多個管芯位於晶圓的正面的下面並且結合至晶圓的正面。第一聚合物區包括位於多個劃線內的第一部分，其中第一部分穿透通過晶圓並且接觸半導體襯底的側壁。第一聚合物區還包括與多個管芯位於相同水平面，並且環繞多個管芯的第二部分。多個導電部件設置在半導體襯底的背面上並且電連接至多個襯底通孔。第二聚合物層包括覆蓋多個導電部件的邊緣部分的第一部分和位於第一聚合物區的第一部分上方並且與第一聚合物區的第一部分對準的第二部分。根據又一些實施例，一種方法包括在晶圓的劃線中形成溝槽，其中溝槽從晶圓的正面延伸至晶圓的襯底內。將第一聚合物填充至溝槽內。從背部減薄襯底，其中在減薄步驟之後，暴露出襯底中的第一聚合物和通孔。導電部件形成在晶圓的背部上並且電連接至通孔。第二聚合物層形成在晶圓的背部上並且覆蓋導電部件。然後使第二聚合物層圖案化。經圖案化的第二聚合物層的剩餘部分包括覆蓋導電部件的邊緣部分的第一部分，和與第一聚合物位於凹槽中的部分對準的第二部分。儘管已經詳細地描述了實施例及其優勢，應該理解，可以在不背離所附權利要求限定的實施例的精神和範圍的情況下，進行各種改變、替換和更改。而且，本申請的範圍並不僅限於本說明書中描述的工藝、機器、製造、材料組分、裝置、方法和步驟的特定實施例。作為本領域普通技術人員根據本發明應很容易理解，根據本發明可以利用現有的或今後開發的用於執行與本文所述相應實施例基本上相同的功能或者獲得基本上相同的結果的工藝、機器、製造、材料組分、裝置、方法或步驟。因此，所附權利要求預期在其範圍內包括這樣的工藝、機器、製造、材料組分、裝置、方法或步驟。此外，每條權利要求構成單獨的實施例，並且多個權利要求和實施例的組合在本發明的範圍內。
權利要求
1.一種器件，包括: 封裝元件，包括襯底，其中，所述襯底包括正面和位於所述正面上方的背面； 通孔，穿透通過所述襯底； 導電部件，位於所述襯底的所述背面上方並且與所述通孔電連接； 第一介電圖案，形成覆蓋所述導電部件的邊緣部分的環； 凸塊下金屬化層(UBM)，位於所述導電部件的中心部分的上方並且接觸所述導電部件的中心部分； 聚合物，接觸所述襯底的側壁；以及 第二介電圖案，位於 所述聚合物上方並且對準所述聚合物，其中，所述第一介電圖案和所述第二介電圖案由相同的介電材料形成，並且設置為處於基本相同的水平。
2.根據權利要求1所述的器件，其中，所述第一介電圖案和所述第二介電圖案包括附加聚合物。
3.根據權利要求1所述的器件，其中，所述第一介電圖案和所述第二介電圖案包括感光材料。
4.根據權利要求1所述的器件，還包括接合至所述封裝元件的正面的管芯，其中，所述聚合物還環繞所述管芯並接觸所述管芯的側壁。
5.一種器件，包括: 晶圓，包括: 多個晶片，包括穿透通過所述晶圓的半導體襯底的多個襯底通孔； 和 多條劃線，將所述多個晶片彼此分開； 多個管芯，位於所述晶圓的正面的下方並且接合至所述晶圓的正面； 第一聚合物區，包括: 位於多條劃線中的第一部分，穿透通過所述晶圓，並且接觸所述半導體襯底的側壁；和 第二部分，與所述多個管芯處於相同的水平並且環繞所述多個管芯； 多個導電部件，位於所述半導體襯底的背面上並且與所述多個襯底通孔電連接；以及 第二聚合物層，包括: 第一部分，覆蓋所述多個導電部件的邊緣部分；以及 第二部分，位於所述第一聚合物區的第一部分的上方並且與所述第一聚合物區的第一部分對準。
6.根據權利要求5所述的器件，還包括: 多個凸塊下金屬化層(UBM)，位於所述多個導電部件的中心部分的上方並且接觸所述多個導電部件的中心部分；以及 多個連接件，位於所述多個UBM的上方並且與所述多個UBM對準。
7.根據權利要求5所述的器件，其中，所述第一聚合物區包括模塑料，並且所述第二聚合物層包括感光材料。
8.一種方法，包括: 在晶圓的劃線中形成溝槽，其中，所述溝槽從所述晶圓的正面延伸到所述晶圓的襯底內；將第一聚合物填充到所述溝槽內； 從所述襯底的背部減薄所述襯底，其中，在減薄步驟之後，暴露出位於所述襯底中的所述第一聚合物和通孔； 在所述晶圓的背面上形成導電部件並且與所述通孔電連接； 在所述晶圓的背面上形成第二聚合物層並且覆蓋所述導電部件；以及使所述第二聚合物層圖案化，其中，經圖案化的所述第二聚合物層的剩餘部分包括覆蓋所述導電部件的邊緣部分的第一部分以及與所述第一聚合物位於所述溝槽中的部分對準的第二部分。
9.根據權利要求8所述的方法，其中，所述第二聚合物層的第一部分形成彼此斷開的環並且與所述第二聚合物層的第二部分斷開。
10.根據權利要求8所述的方法，還包括: 形成延伸至所述第二聚合物層的第一部分中並與對應下面的導電部件連接的凸塊下金屬化層(UBM)；以及 形成位於所述UBM 方並與所述UBM對準的連接件。
全文摘要
一種封裝元件包括襯底，其中襯底具有正面和位於正面上方的背面。通孔穿透通過襯底。導電部件設置在襯底的背面的上方並且與通孔電連接。第一介電圖案形成覆蓋導電部件的邊緣部分的環。凸塊下金屬化層(UBM)設置在導電部件的中心部分的上方並且與該中心部分接觸。聚合物接觸襯底的側壁。第二介電圖案設置在聚合物的上方並且對準聚合物。第一介電圖案和第二介電圖案由相同的介電材料形成，並且設置在基本上相同的水平面。本發明還提供晶圓上晶片結構及其形成方法。
文檔編號H01L23/31GK103137583SQ20121021750
公開日2013年6月5日 申請日期2012年6月27日 優先權日2011年11月30日
發明者林俊成, 章鑫, 林士庭 申請人:臺灣積體電路製造股份有限公司