專利名稱：單片倒裝芯片中的多個半導(dǎo)體器件的制作方法
相關(guān)申請本發(fā)明要求2001年10月3日提交的第60/326,667號美國臨時申請的優(yōu)先權(quán)權(quán)益。
本發(fā)明的領(lǐng)域本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件，尤其涉及帶有多個互連的半導(dǎo)體器件的單片半導(dǎo)體芯片。
本發(fā)明的背景要求多個半導(dǎo)體芯片的大量電路是公知的，例如直流到直流轉(zhuǎn)換器、半橋結(jié)構(gòu)等等。用于這些電路的各個半導(dǎo)體器件(其可以包括金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)、雙極晶體管、二極管等)可被形成在一種倒裝芯片(flip chip)結(jié)構(gòu)中，用以與與其它電路元件一起安裝并互連在印刷電路板上。
倒裝芯片器件在Naresh Thapar于2001年2月9日提交的名稱為“VERTICAL CONDUCTION FLIP-CHIP DEVICE WITH BUMPCONTACTS ON A SINGLE SURFACE”(在單表面上帶有塊形接觸的垂直傳導(dǎo)倒裝芯片器件)的第09/780,080號共同未決申請中(IR-1696(《伊利諾斯研究1696》))得到了披露。該公開被合并在本文中用作參考。因為需要在支撐表面上單獨安裝這些器件，所以需要電路板上有橫向的間距或面積。使這些元件在支撐電路板上具有盡可能最小的“覆蓋區(qū)”是人們所希望的。
本發(fā)明的簡要說明依據(jù)本發(fā)明，多個半導(dǎo)體倒裝芯片器件形成在單片通用半導(dǎo)體芯片上，并且在所述單片芯片內(nèi)被彼此橫向隔開并被形成為芯片表面的絕緣溝槽相互物理隔離。多個球形連接器或所期望的其它觸點隨后被形成于所述該芯片的上表面(該表面接納了所述隔離溝槽)，并且所述球形連接器或觸點聚集在器件的通用端子處，以使所述器件端子的所需互連處于所述芯片之內(nèi)或者位于接納所述芯片的安裝面上，從而在安裝時形成所需的器件。所述器件和電路由此可以在支撐電路板上具有縮小的覆蓋區(qū)，并且集成的倒裝芯片比分開的多個倒裝芯片器件的成本要低。
附圖的簡要描述

圖1是典型的同步降壓轉(zhuǎn)換器電路的電路圖，其中半導(dǎo)體元件可根據(jù)本發(fā)明得以實現(xiàn)；圖2是含有圖1的半導(dǎo)體器件的單片芯片的剖面圖；圖3是圖2所示器件的一個MOSFET單元的放大圖；圖4是圖2所示的芯片的俯視圖，其中通用的球形端子被聚集用以簡化與支撐面的連接；圖5示出了圖2所示器件的底面，其被構(gòu)圖用以促進冷卻并且?guī)в懈邿彷椛渎实耐繉?；圖6和圖7分別示出了圖4器件的焊球布局的第二和第三實施例。
優(yōu)選實施例的詳細描述能夠依據(jù)本發(fā)明而得到實現(xiàn)的一種電路是如圖1所示的直流到直流轉(zhuǎn)換器。對本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，顯然也可以由此實現(xiàn)其它多種電路。圖1所示的電路通常被稱為同步降壓轉(zhuǎn)換器(synchronous buckconverter)，它包括一對輸入直流端子10和11、MOSFET12(它經(jīng)常被稱作控制用MOSFET)、第二MOSFET13(它經(jīng)常被稱作同步MOSFET，并且可像二極管一樣工作)、電感14、控制用集成電路或IC(集成電路)15以及一對輸出直流端子16和17。IC15以選定和受控的占空比(dutycycle)來使控制用MOSFET12導(dǎo)通或截止，以維持端子16和17上的固定輸出電壓。當(dāng)控制用MOSFET12截止時，同步MOSFET13被導(dǎo)通，以在MOSFET12截止時提供通過電感14的電流通路。
元件12和13經(jīng)常被實現(xiàn)為單獨的器件，并且有時被實現(xiàn)為倒裝芯片器件。當(dāng)它們是倒裝芯片器件時，如圖1所示，它們將通常含有分別用于MOSFET12的源極、漏極和柵極端子S1、D1和G1的球形觸點以及分別用于MOSFET13的源極、柵極和漏極端子S2、D2、G2的球形觸點。如果需要，也可以用平面觸點代替觸點球。
依據(jù)本發(fā)明，如圖2、圖3和圖4所示，MOSFET12和13被實現(xiàn)在單片倒裝芯片結(jié)構(gòu)中。應(yīng)該注意，其它類似的電路也可根據(jù)本發(fā)明而得以實現(xiàn)，如半橋電路以及包括不同于所有MOSFET的部分并包括例如二極管的電路。
參照圖2，其中示出了帶有高電阻性的P-襯底31的單片硅芯片30。襯底31帶有在其上生長的外延生長硅N-層32。襯底31也可以是任何所需類型的絕緣襯底。另外，如果襯板31是硅，則P溝道器件應(yīng)選用N-硅。
在晶片形式中，多個相同的單片芯片或芯片模(die)被同時形成。因此，大量的P型基區(qū)(base)33擴散進襯底的頂部，并且N+源區(qū)34擴散進P基區(qū)33。然后，如圖3所示，多個分開的柵溝槽(gate trench)41被蝕刻進各個P區(qū)33，以用于圖2所示的單元之一。氧化物40被生長在溝槽41內(nèi)，以定義出直立的柵極氧化物區(qū)和底部氧化物層。每個溝槽隨后被填充以導(dǎo)電的多晶硅柵極體42。各個器件12和13內(nèi)的柵極體區(qū)域42被單獨互連，從而分別形成了絕緣柵G1和G2(圖2)。
如圖2所示，接觸溝槽45隨后形成，并且導(dǎo)電電極50和51形成于溝槽45并位于硅的上方，以連接接觸溝槽45內(nèi)的源區(qū)34和基區(qū)33。注意，如下面將要描述的那樣，還提供絕緣氧化物60以分隔這兩個器件。另外，還提供了N+接觸區(qū)61和62，它們用于接納漏極觸點63和64。
為實現(xiàn)該單片器件并且依據(jù)本發(fā)明所述，在MOSFET13周圍形成有深的隔離溝槽70，并且溝槽70中填充有氧化物60。注意，溝槽也可在MOSFET12周圍形成。如圖2、圖4和圖5所示，隨后可在器件表面上形成接觸球，其中分開的球S1和S2被形成在源極觸點50和51上；漏極觸點D1和D2被分別形成在漏極觸點63和64上；而且柵極球G1和G2根據(jù)需要被連接至器件的柵極。
依據(jù)本發(fā)明，觸點51與器件12的源極區(qū)34(球S1)和MOSFET13的漏極區(qū)61(球D2)兩者相連，因而將器件12的源極和器件13的漏極連接在一起。
球S1和D2可通過接納該器件的電路板上的軌跡(track)連接在一起。可選地，也可以在硅上淀積金屬層以將源極區(qū)和漏極區(qū)S1和D2連接在一起。這種金屬化處理(metalisation)將在從S1到D2的絕緣溝槽區(qū)上架橋，并不得不與漏極區(qū)D1具有合適的絕緣。
這樣就形成了包含MOSFET12和13的單片倒裝芯片。注意到，其它的器件也可得到應(yīng)用。例如，MOSFET12和13可以都是平面器件；或者一個是平面器件一個是溝槽器件。并且圖2、圖3和圖4中的器件也可被形成為集成式半橋電路。也可使用結(jié)絕緣(junction isolation)。
圖5示出了本發(fā)明的另一特征，其中圖2和圖4的單片芯片的上部自由表面70可以具有新穎的散熱結(jié)構(gòu)(它也可用于任何倒裝芯片結(jié)構(gòu))，其中用作散熱器的銅層71通過吸附(clamping)或粘貼或通過淀積而被涂布到表面70上，并且銅層71經(jīng)過構(gòu)圖以使其中帶有多個隔開的平行槽。經(jīng)過構(gòu)圖的銅隨后具有高輻射系數(shù)熱涂層80，諸如在其上形成的黑氧化物，以提高器件的輻射冷卻。中心銅帶85可被擴大以形成大的中心區(qū)域，該中心區(qū)域與芯片模(die)拾取裝置和放置裝備一起協(xié)同工作。
銅散熱器71可以是100到400微米厚(在100到300微米厚的襯底上)。因而，厚的金屬71還起到了加強硅芯片模的作用。
黑氧化物可從與銅71接觸30秒到5分鐘的氨銅碳酸鹽溶液(ammonia copper carbonate solution)中形成，或者可以通過電鍍形成。
圖6示出了圖4的備選實施例。其中，漏極、源極和柵極觸點都根據(jù)需要通過支撐襯底(如印刷電路板或其它襯底)上的導(dǎo)電軌跡相互連接。虛線200和201指出了D1和D2觸點與下面的襯板或漂移區(qū)的連接。
在圖7中，S1觸點通過導(dǎo)電橋210與D2觸點連接。應(yīng)注意，橋210應(yīng)與硅表面適當(dāng)絕緣。
盡管本發(fā)明是結(jié)合其特定實施例描述的，但對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，許多其他的變換、修改和應(yīng)用將是顯而易見的。因此，本發(fā)明并不局限于本文的具體說明。
權(quán)利要求
1.一種集成倒裝芯片結(jié)構(gòu)，包括帶有頂部結(jié)接納表面的單片硅芯片；第一和第二半導(dǎo)體器件，每個所述半導(dǎo)體器件帶有各自的結(jié)圖案組和各自的端子金屬組；所述第一和第二結(jié)圖案組分別形成在所述頂部結(jié)接納表面的多個橫向分開的區(qū)域內(nèi)；所述第一和第二器件的所述各端子金屬組彼此橫向分開，并被淀積在所述頂部結(jié)接納表面的上方，由此使全部所述端子金屬可在所述倒裝芯片的一側(cè)得以接通。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，包括深的隔離溝槽，所述隔離溝槽延伸進所述頂部結(jié)接納表面，并包圍了含有一組所述結(jié)圖案的區(qū)域。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的器件，其特征在于，所述第一和第二半導(dǎo)體器件為帶有各自的源極、漏極和柵極端子金屬的金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管器件。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的器件，其特征在于，每個所述端子金屬都包括各自的接觸球。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的器件，其特征在于，所述器件帶有5個端子連接器，包括接至所述第一器件的漏極端子金屬的第一端子連接器；連接至所述第二器件的所述源極端子金屬的第二端子連接器；連接至所述第一器件的所述源極端子金屬以及所述第二器件的所述漏極端子金屬的第三端子連接器；以及分別連接至所述第一和第二器件的所述柵極的第四和第五端子連接器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的器件，其特征在于，所述器件在同步降壓轉(zhuǎn)換器電路內(nèi)是可直接連接的。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的器件，其特征在于，所述端子連接器包括在接納所述集成結(jié)構(gòu)的支撐板上的分開的金屬化處理圖案。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的器件，其特征在于，所述芯片與所述頂部結(jié)接納表面相對的表面上具有金屬化處理層；所述金屬化處理層被構(gòu)圖處理以形成散熱鰭片，用于當(dāng)所述芯片的所述結(jié)接納表面被安裝在支撐板上時促進所述芯片的冷卻。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的器件，其特征在于，所述芯片與所述頂部結(jié)接納表面相對的表面上具有金屬化處理層；而且在所述金屬處理層的外表面上有高熱輻射率層。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的器件，其特征在于，所述高熱輻射率層為黑氧化物。
11.一種倒裝芯片半導(dǎo)體器件含有相對的第一和第二表面，所述第一表面帶有用于連接至支撐表面的端子觸點；所述第二表面上具有金屬化處理層；所述金屬處理層被構(gòu)圖處理以形成散熱鰭片，用于在所述芯片的所述結(jié)接納表面安裝在支撐板上時，促進所述芯片的冷卻。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的器件，其特征在于，所述金屬化處理層為銅。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的器件，進一步包括位于所述金屬化處理層上的高熱輻射率層。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的器件，其特征在于，所述高熱輻射率層為黑氧化物。
15.一種倒裝芯片半導(dǎo)體器件含有相對的第一和第二表面，所述第一表面帶有用于連接至支撐表面的端子觸點；所述第二表面上具有金屬化處理層；并且在所述金屬處理層上有高熱輻射率層。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的器件，其特征在于，所述高熱輻射率層為黑氧化物。
全文摘要
一種倒裝芯片結(jié)構(gòu)(30)包括通用芯片內(nèi)的橫向分開的諸如MOSFET(12和13)的半導(dǎo)體器件。深溝槽(70)將這些器件分開。觸點與源極、漏極以及其它電極相連，并在芯片內(nèi)或在支撐電路板上按電路功能的要求互連。球觸點(S1、S2、D1和D2)與這些電極連接。與芯片的器件形成表面相對的表面帶有銅或其它金屬層(71)，該層被構(gòu)圖處理以增加用于熱交換的面積。銅的表面上被覆蓋以黑氧化物(80)以提高其熱輻射能力。
文檔編號H01L21/60GK1565057SQ02819568
公開日2005年1月12日 申請日期2002年10月2日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月3日
發(fā)明者馬克·帕維爾, 提姆·薩蒙 申請人:國際整流器公司