輸入/輸出墊結構的製作方法

2023-05-17 00:06:31 1

專利名稱：輸入/輸出墊結構的製作方法
技術領域：
本發明涉及半導體裝置，且特別涉及一種三維集成電路(3D-IC)的輸入/ 輸出墊(I/Opad)結構。
背景技術：
半導體IC晶片結構通過各種輸入/輸出墊與外界傳輸，例如信號墊、電 源/地墊(Power/Ground pad)等。圖1顯示一傳統的輸入/輸出墊結構100，其 具有七層布線的焊墊下電路(CUP; Circuit Under Pad)結構。包含第一層至第 五層金屬作為內連線的輸入/輸出單元結構120形成在基底110上方。輸入/ 輸出單元結構120可為任何電路，而其最頂部的兩層金屬一第六層金屬134 與第七層金屬136在此處作為焊墊結構130。第七層金屬136通過導孔144 電性連接至第六層金屬134。第六層金屬134通過導孔142電性連接至輸入/ 輸出單元結構120。接著以焊線連接至第七層金屬136。輸入/輸出單元結構 120通常包括電晶體與電阻等半導體元件，用來輸入和/或輸出信號，並用來 接收電源與接地。這些半導體元件可用在輸入緩衝器、輸出驅動器、或靜電 放電(ESD; electrostatic discharge)電路上。 一般而言，這些半導體元件設置 在有源區上，其導電性為介於導體與絕緣體之間的半導體。
然而，傳統的輸入/輸出墊結構100是為了配合單一晶片封裝技術而發 展。隨著三維集成電路的日益普及，輸入/輸出墊結構也要能配合三維集成電 路的技術。
圖2顯示一種三維集成電路的焊墊結構200，其中兩個裸片210、 230以 面-對-面(face-to-face)方式堆疊以節省空間。下裸片210包含一基底212以及 一穿過介電材料215的內導體(inner-connector)218，以連接基底212至銅接 合墊221。基底212中形成有半導體元件，例如電晶體。內導體218可包含 數層金屬層、導孔、與接觸插塞(未顯示)。導孔(via)連接兩金屬層。接觸插 塞(contact)連接一金屬層至基底212。銅接合墊221為一金屬表面，用來連接
4上裸片230的銅接合墊241。上裸片230具有類似的結構，包含一基底232 以及一穿過介電材料235的內導體238，以連接基底232至銅接合墊241。 內導體238可包含數層金屬層、導孔、與接觸插塞(未顯示)。由於外部信號 與電源供應是連接到上裸片230，在一般工藝中，利用矽通孑L(TSV; through siliconvia)252將內導體238連接至背側金屬255。之後，通常是以重分布層 (RDL; redistributed layer)的形式將鋁墊260設置在背側金屬255之上。焊線 可接合至鋁墊260上的凸塊265。
請同時參照圖1與圖2，本領域普通技術人員當可了解，傳統的輸入/輸 出墊結構100無法用於三維集成電路的焊墊結構200，因為矽通孔252與內 導體238會阻礙任何輸入/輸出單元結構設置於鋁墊260下方。因此，具有圖 1的傳統輸入/輸出墊結構的晶片無法直接翻覆而用在三維集成電路上。由於 輸入/輸出墊結構非常關鍵，且可能需要經投片驗證(proven-in-silicon)，重新
設計一輸入/輸出墊結構經常曠時費日，成本過高。
因此，目前亟需一種可將傳統輸入/輸出墊結構用在三維集成電路的技 術，而不需重新設計傳統的輸入/輸出墊結構。

發明內容
為了解決上述現有技術存在的問題，本發明公開一種集成電路的輸入/
輸出墊結構，包括 一第一垂直區域於集成電路中，包括一頂金屬層與一個 或多個半導體元件於頂金屬層下方，第一垂直區域的頂金屬層作為一第一焊
墊，半導體元件電性連接至第一焊墊； 一第二垂直區域於集成電路中，包括
頂金屬層與一個或多個矽通孔於頂金屬層下方，第二垂直區域的頂金屬層作 為一第二焊墊，且第二焊墊下方沒有形成半導體元件，矽通孔電性連接至第
二焊墊，其中第一焊墊與第二焊墊經由至少一金屬層電性連接。
依照本發明一實施例，上述第一焊墊為探針墊，而第二焊墊為銅接合墊。
依照本發明另一實施例，上述第一焊墊為銅接合墊，而第二焊墊為探針墊。 本發明還公開了一種輸入/輸出墊結構，適用於一集成電路，包括.* 一第
一垂直區域於該集成電路中，該第一垂直區域包括一頂金屬層與一個或多個
半導體導元件形成於該頂金屬層下方，該第一垂直區域的該頂金屬層作為一
探針墊，所述半導體元件電性連接至該探針墊； 一第二垂直區域於該集成電路中且鄰近該第一垂直區域，該第二垂直區域包括該頂金屬層與一個或多個 矽通孔形成於該頂金屬層下方，該第二垂直區域的該頂金屬層作為一接合 墊，且該接合墊下方沒有形成半導體元件，該矽通孔電性連接至該接合墊； 其中該探針墊與該接合墊經由至少一金屬層電性連接。
本發明另外還公開了一種輸入/輸出墊結構，適用於一集成電路，包括 一第一垂直區域於該集成電路中，該第一垂直區域包括一頂金屬層與一個或 多個半導體導元件形成於該頂金屬層下方，該第一垂直區域的該頂金屬層作 為一接合墊，所述半導體元件電性連接至該接合墊； 一第二垂直區域於該集 成電路中且鄰近該第一垂直區域，該第二垂直區域包括該頂金屬層與一個或 多個矽通孔形成於該頂金屬層下方，該第二垂直區域的該頂金屬層作為一探 針墊，且該探針墊下方沒有形成半導體元件，該矽通孔電性連接至該探針墊； 其中該接合墊與該探針墊經由至少一金屬層電性連接。
本發明可將傳統輸入/輸出墊結構用在三維集成電路的技術，而不需 重新設計，具有應用靈活方便，並且成本較低的優點。
為讓本發明的上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉 出優選實施例，並配合附圖，作詳細說明如下。


圖1為一傳統輸入/輸出墊結構的剖面圖。
圖2為一種三維集成電路的焊墊結構的剖面圖。
圖3A與圖3B顯示本發明將TSV尾端結構結合至一傳統輸入/輸出墊結 構的實施例。
4A圖~圖4C顯示TSV尾端結構於三維集成電路的各種應用。
上述附圖中的附圖標記說明如下
100~傳統輸入/輸出墊結構
110~基底
120~輸入/輸出單元結構 130~焊墊結構 134 第六層金屬 136 第七層金屬142、 144~導孔
200 三維集成電路的焊墊結構
210、 230 裸片
212、 232~基底
215、 235~介電材料
218、 238~內導體
221、 241 銅接合墊
252 矽通孔
255 背側金屬
260~鋁墊
265~凸塊
300 TSV尾端結構
320 輸入/輸出尾端連接器
324、 326~金屬層
336 頂金屬層
344~導孔
352~矽通孔
355 背側金屬
360 鋁墊
365~焊線凸塊
400、 470~裸片
410、 480 基底
415、 485、 415A、 485A 連接層 436、 476~銅接合墊 452~矽通孔 455 背側金屬
具體實施例方式
本發明將一矽通孔(TSV)尾端結構結合至一傳統的輸入/輸出墊結構上， 使其能應用在三維集成電路。圖3A與圖3B顯示本發明將TSV尾端結構300結合至一傳統的輸入/輸 出墊結構100的實施例。傳統的輸入/輸出墊結構100與圖1所顯示者相同， 其中最頂端的兩金屬層134、 136用來使焊墊具有更好的黏著力。在最頂端 兩金屬層134、 136以下的其他金屬層可具有任何結構。輸入/輸出單元結構 120包含一功能性電路，例如靜電放電(ESD)電路，通常設置於金屬層134、 136下方以節省布局空間。為了使傳統的輸入/輸出墊結構IOO可以用在三維 集成電路，將一矽通孔(TSV)尾端結構300設置於傳統輸入/輸出墊結構100 旁邊。TSV尾端結構300包含一頂金屬層336作為銅接合墊或探針墊。銅接 合墊是用來連接堆疊裸片上的另一銅接合墊；而探針墊則是只用在測試時與 探針接觸，在測試過後，探針墊即不再使用。
請再參見圖3A， TSV尾端結構300也包含一輸入/輸出尾端連接器(1/0 tailconnector)320。與輸入/輸出單元結構120不同的是，輸入/輸出尾端連接 器320單純地只作為頂金屬層336與基底110的連接。此連接包含頂金屬層 336與下方金屬層之間的導孔(via)344。輸入/輸出尾端連接器320可包含頂 金屬層336下方所有的金屬層。不同的金屬層之間以導孔作為連接。舉例而 言，圖3A所示的傳統輸入/輸出墊結構100與TSV尾端結構300是以7層金 屬工藝形成，換言之，頂金屬層336為第7層金屬(meta17)，而輸入/輸出尾 端連接器320則是由第l層金屬(metal l)至第6層金屬(metal 6)與各自的導孔 所構成。輸入/輸出尾端連接器320通過兩金屬層324、 326連接至輸入/輸出 墊結構IOO。兩金屬層324、 326可為第l層金屬至第6層金屬的任意兩層。 事實上，該連接可由單一金屬層或甚至所有的金屬層來達成，只要輸入/輸出 墊結構100與TSV尾端結構300連接即可。
請再參見圖3A,圖中顯示多個矽通孔(TSV)352將輸入/輸出尾端連接器 320連接至背側金屬355，且此背側金屬355被一鋁墊360所覆蓋。 一焊線 凸塊365設置於鋁墊360表面。
圖3B為輸入/輸出尾端結構300結合至傳統輸入/輸出墊結構100的簡化 俯視圖。傳統輸入/輸出墊結構100—般包含探針墊136，且在探針墊136底 下為輸入/輸出單元結構120。輸入/輸出尾端結構300 —般包含銅接合墊336， 且在銅接合墊336底下為輸入/輸出尾端連接器320。輸入/輸出單元結構120 經由金屬層324連接至輸入/輸出尾端連接器320。在金屬層324底下可能還包括另一金屬層326(未顯示)。輸入/輸出墊結構100與輸入/輸出尾端結構300 可為互相抵接(butted)或分離，只要電性連接即可。使用輸入/輸出尾端結構 300來加入TSV結構可使該晶片用於三維集成電路，而不需改變傳統的輸入 /輸出墊結構100。重新設計輸入/輸出墊結構100可能需要許多次重複的工 藝，因此需昂貴成本且無法確保成功。
圖4A 圖4C顯示TSV尾端結構於三維集成電路的各種應用，其中標號 100代表傳統的輸入/輸出墊結構，標號300代表輸入/輸出尾端結構，標號 400代表上裸片，標號470代表下裸片，標號410代表上裸片的基底，標號 480代表下裸片的基底，標號436、 476分別代表上裸片400與下裸片470 的銅接合墊，標號452代表上裸片400的TSV，標號455代表上裸片400的 背側金屬，標號415、 485與其衍生標號例如415A、 485A分別代表上裸片 400的輸入/輸出墊結構100與輸入/輸出尾端結構300跟下裸片470的連接。 上裸片400與下裸片470最終是以面對面(face-to-face)接合技術結合在一起， 通常是利用熱或壓力的方式。
圖4A顯示一外部信號(包括電源或接地供應)由上裸片400與下裸片470 共享時的應用。在此實施例中，上裸片400的連接層415與下裸片470的連 接層4S5皆從輸入/輸出墊結構100連續延伸至輸入/輸出尾端結構300。上述 外部信號先連接至上裸片400的背側金屬455，之後經由銅接合墊436、 476 連接至下裸片470。
圖4B顯示一外部信號(包括電源或接地供應)只供應至下裸片470的應 用。在此實施例中，上裸片400的連接層415在輸入/輸出墊結構100與輸入 /輸出尾端結構300之間中斷。然而，下裸片470的連接層485則從輸入/輸 出墊結構100連續延伸至輸入/輸出尾端結構300。上述外部信號先只連接至 上裸片400的輸入/輸出尾端結構300，然後經由銅接合墊436、 476連接至 下裸片470。
圖4C顯示一外部信號(包括電源或接地供應)只供應至上裸片400的應 用。在此實施例中，上裸片400的連接層415從輸入/輸出墊結構100連續延 伸至輸入/輸出尾端結構300。然而，下裸片470的連接層485甚至未設置在 輸入/輸出尾端結構300的區域。上述外部信號只供應至上裸片400。
雖然圖4A 圖4C顯示本發明應用在面對面接合的三維集成電路，但因
9為本發明只跟裸片中正面與背面之間的連接區域相關，因此本領域普通技術
人員同樣可將本發明應用在面對背(face-to-back)的三維集成電路。
雖然本發明己以數個優選實施例公開如上，然其並非用以限定本發明， 任何所屬技術領域中普通技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可 作任意的更動與潤飾，因此本發明的保護範圍當視所附的權利要求所界定的 範圍為準。
權利要求
1.一種輸入/輸出墊結構，適用於一集成電路，包括一第一垂直區域於該集成電路中，該第一垂直區域包括一頂金屬層與一個或多個半導體元件形成於該頂金屬層下方，該第一垂直區域的該頂金屬層作為一第一焊墊，所述半導體元件電性連接至該第一焊墊；一第二垂直區域於該集成電路中，該第二垂直區域包括該頂金屬層與一個或多個矽通孔形成於該頂金屬層下方，該第二垂直區域的該頂金屬層作為一第二焊墊，且該第二焊墊下方沒有形成半導體元件，該矽通孔電性連接至該第二焊墊；其中該第一焊墊與該第二焊墊經由至少一金屬層電性連接。
2. 如權利要求1所述的輸入/輸出墊結構，其中該第一焊墊為一探針墊， 且該第二焊墊為一用來電性連接兩個堆疊集成電路的接合墊。
3. 如權利要求1所述的輸入/輸出墊結構，其中該第一焊墊為一用來電性 連接兩個堆疊集成電路的接合墊，且該第二焊墊為一探針墊。
4. 如權利要求3所述的輸入/輸出墊結構，其中該接合墊的材料包含銅。
5. 如權利要求1所述的輸入/輸出墊結構，其中所述半導體元件包括用於 輸入緩衝器、輸出驅動器、或靜電放電電路的電晶體。
6. 如權利要求1所述的輸入/輸出墊結構，還包括一背側金屬層與該第二 垂直區域的矽通孔接觸。
7. 如權利要求1所述的輸入/輸出墊結構，還包括一金屬墊於該背側金屬 層上且與該背側金屬層接觸，用以連接一焊線。
8. —種輸入/輸出墊結構，適用於一集成電路，包括 一第一垂直區域於該集成電路中，該第一垂直區域包括一頂金屬層與一個或多個半導體導元件形成於該頂金屬層下方，該第一垂直區域的該頂金屬 層作為一探針墊，所述半導體元件電性連接至該探針墊；一第二垂直區域於該集成電路中且鄰近該第一垂直區域，該第二垂直區 域包括該頂金屬層與一個或多個矽通孔形成於該頂金屬層下方，該第二垂直 區域的該頂金屬層作為一接合墊，且該接合墊下方沒有形成半導體元件，該 矽通孔電性連接至該接合墊；其中該探針墊與該接合墊經由至少一金屬層電性連接。
9. 如權利要求8所述的輸入/輸出墊結構，其中該接合墊的材料包含銅。
10. 如權利要求8所述的輸入/輸出墊結構，其中所述半導體元件包括用 於輸入緩衝器、輸出驅動器、或靜電放電電路的電晶體。
11. 如權利要求8所述的輸入/輸出墊結構，還包括一背側金屬層與該第 二垂直區域的矽通孔接觸。
12. —種輸入/輸出墊結構，適用於一集成電路，包括 一第一垂直區域於該集成電路中，該第一垂直區域包括一頂金屬層與一個或多個半導體導元件形成於該頂金屬層下方，該第一垂直區域的該頂金屬 層作為一接合墊，所述半導體元件電性連接至該接合墊；一第二垂直區域於該集成電路中且鄰近該第一垂直區域，該第二垂直區 域包括該頂金屬層與一個或多個矽通孔形成於該頂金屬層下方，該第二垂直 區域的該頂金屬層作為一探針墊，且該探針墊下方沒有形成半導體元件，該 矽通孔電性連接至該探針墊；其中該接合墊與該探針墊經由至少一金屬層電性連接。
13. 如權利要求12所述的輸入/輸出墊結構，其中該接合墊的材料包含銅。
14. 如權利要求12所述的輸入/輸出墊結構，其中所述半導體元件包括用 於輸入緩衝器、輸出驅動器、或靜電放電電路的電晶體。
15. 如權利要求12所述的輸入/輸出墊結構，還包括一背側金屬層與該第 二垂直區域的矽通孔接觸。
全文摘要
本發明公開一種集成電路的輸入/輸出墊結構，包括一第一垂直區域於集成電路中，包括一頂金屬層與一個或多個半導體元件於頂金屬層下方，第一垂直區域的頂金屬層作為一第一焊墊，半導體元件電性連接至第一焊墊；一第二垂直區域於集成電路中，包括頂金屬層與一個或多個矽通孔於頂金屬層下方，第二垂直區域的頂金屬層作為一第二焊墊，且第二焊墊下方沒有形成半導體元件，矽通孔電性連接至第二焊墊，其中第一焊墊與第二焊墊經由至少一金屬層電性連接。本發明可將傳統輸入/輸出墊結構用在三維集成電路的技術，而不需重新設計，具有應用靈活方便，並且成本較低的優點。
文檔編號H01L23/522GK101582412SQ200910002060
公開日2009年11月18日 申請日期2009年1月12日 優先權日2008年5月12日
發明者王中興, 蔡志升 申請人:臺灣積體電路製造股份有限公司