專利名稱：半導體器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及半導體器件，并且更具體地說涉及半導體器件和在襯底的空腔 中安裝具有TSV的半導體部件用于FI-POP的電互連的方法。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)代電子產(chǎn)品中通常會發(fā)現(xiàn)有半導體器件。半導體器件在電部件的數(shù)量和密度 上有變化。分立的半導體器件一般包括一種電部件，例如發(fā)光二極管(LED)、小信號晶體管、 電阻器、電容器、電感器、以及功率金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)。集成半導體 器件通常包括數(shù)百到數(shù)百萬的電部件。集成半導體器件的實例包括微控制器、微處理器、電 荷耦合器件(CCD)、太陽能電池、以及數(shù)字微鏡器件(DMD)。半導體器件執(zhí)行多種功能，例如高速計算、發(fā)射和接收電磁信號、控制電子器件、 將日光轉(zhuǎn)換成電、以及為電視顯示器生成可視投影。在娛樂、通信、功率轉(zhuǎn)換、網(wǎng)絡、計算機、 以及消費品領(lǐng)域中有半導體器件的存在。在軍事應用、航空、汽車、工業(yè)控制器、以及辦公設(shè) 備中也有半導體器件的存在。半導體器件利用半導體材料的電特性。半導體材料的原子結(jié)構(gòu)允許通過施加電場 或基極電流(base current)或者通過摻雜工藝來操縱(manipulated)它的導電性。摻雜 把雜質(zhì)引入半導體材料中以操縱和控制半導體器件的導電性。半導體器件包括有源和無源電結(jié)構(gòu)。有源結(jié)構(gòu)(包括雙極和場效應晶體管)控制 電流的流動。通過改變摻雜水平并且施加電場或基極電流，晶體管促進或限制電流的流動。 無源結(jié)構(gòu)(包括電阻器、電容器、和電感器)產(chǎn)生執(zhí)行多種電功能所必需的電壓和電流之間 的關(guān)系。無源和有源結(jié)構(gòu)被電連接以形成電路，所述電路能夠使半導體器件執(zhí)行高速計算 和其它有用的功能。通常利用兩個復雜的制造工藝來制造半導體器件，即前端制造和后端制造，每個 可能包括數(shù)百個步驟。前端制造包括在半導體晶片的表面上形成多個管芯。每個管芯通常 相同并且包括通過電連接有源和無源部件形成的電路。后端制造包括從已完成的晶片單體 化(singulating)單個管芯并且封裝管芯以提供結(jié)構(gòu)支撐和環(huán)境隔離。半導體制造的一個目標是制造更小的半導體器件。更小的半導體器件通常消耗更 少功率、具有更高的性能、并且能夠被更有效地制造。另外，更小的半導體器件具有更小的 占地面積(footprint)，其對于更小的最終產(chǎn)品而言是期望的。通過改善導致產(chǎn)生具有更 小、更高密度的有源和無源部件的管芯的前端工藝可以實現(xiàn)更小的管芯尺寸。通過改善電 互連和封裝材料，后端工藝可以產(chǎn)生具有更小占地面積的半導體器件封裝。在許多應用中，期望一個在另一個之上地堆疊多個半導體管芯以形成堆疊半導體 封裝。然而，堆疊半導體管芯也增加了半導體封裝的總尺寸和厚度。例如，在包括三個或更 多個堆疊管芯的封裝中，所述封裝需要幾個襯底以便于在每一個半導體管芯之間形成電互 連。在常規(guī)封裝中，例如，當形成扇入型層疊封裝(Fi-PoP)的封裝時經(jīng)常需要三個襯底以 在頂部、中間、和底部管芯之間形成必要的連接。即使使用一個襯底，安裝到襯底相對側(cè)的管芯也會增加封裝厚度和加長傳播路徑，這降低了電性能。

發(fā)明內(nèi)容
在Fi-PoP布置中存在電互連堆疊的半導體管芯的需要。因此，在一個實施例中， 本發(fā)明是包括以下步驟的制造半導體器件的方法提供具有第一表面和第二表面的襯底， 形成通過襯底的第一表面和第二表面的空腔，形成通過第一半導體管芯的通路，利用導電 材料填充所述通路以形成導電通路，在所述空腔中安裝第一半導體管芯，在第一半導體管 芯的第一表面和襯底上沉積密封劑，從第一半導體管芯的第一表面除去密封劑的一部分以 暴露所述導電通路，以及將第二半導體管芯安裝到第一半導體管芯的第一表面。第二半導 體管芯電連接到所述導電通路。所述方法進一步包括在與第一半導體管芯的第一表面相對 的第一半導體管芯的第二表面上安裝第三半導體管芯的步驟。在另一個實施例中，本發(fā)明是包括以下步驟的制造半導體器件的方法提供具有 第一表面和第二表面的襯底，形成通過襯底的第一表面和第二表面的空腔，以及在所述空 腔中安裝第一半導體部件。所述第一半導體部件具有導電TSV。所述方法進一步包括以下 步驟在第一半導體部件的第一表面和襯底上沉積密封劑，從第一半導體部件的第一表面 除去密封劑的一部分以暴露所述導電TSV，以及將第二半導體部件安裝到第一半導體部件 的第一表面。第二半導體部件電連接到所述導電TSV。在另一個實施例中，本發(fā)明是包括以下步驟的制造半導體器件的方法提供具有 第一表面和第二表面的襯底，形成通過襯底的第一表面和第二表面的空腔，以及在所述空 腔上安裝第一半導體部件。所述第一半導體部件具有導電TSV。所述方法進一步包括以下 步驟在第一半導體部件的第一表面上安裝第二半導體部件，在襯底和第二半導體部件上 沉積密封劑，以及在與第一半導體部件的第一表面相對的第一半導體部件的第二表面上安 裝第三半導體部件。在另一個實施例中，本發(fā)明是包括襯底的半導體器件，所述襯底具有通過襯底的 第一表面和第二表面形成的空腔。第一半導體部件安裝在所述空腔中。第一半導體部件具 有導電TSV。第二半導體部件安裝在第一半導體部件的第一表面上。在襯底和第二半導體 部件上沉積密封劑。第三半導體部件安裝在與第一半導體部件的第一表面相對的第一半導 體部件的第二表面上。


圖1示出具有安裝到其表面的不同類型的封裝的PCB ；圖2a_2c示出安裝到所述PCB的典型半導體封裝的更多細節(jié)；圖3a_3h示出利用被安裝在襯底的空腔中的具有TSV的半導體管芯形成Fi-PoP ；圖4示出通過襯底空腔中的TSV管芯互連的堆疊管芯；圖5示出利用設(shè)置在襯底空腔中的TSV插入物(interposer)互連的堆疊管芯；圖6示出利用襯底空腔中的嵌入式凸塊(bump)和TSV互連的堆疊管芯；圖7示出利用被膜中芯片(wire-in-film)材料覆蓋的結(jié)合線和TSV互連的堆疊
管芯；圖8示出利用安裝在襯底空腔上的TSV管芯互連的堆疊管芯；
圖9示出利用延伸到襯底空腔之外的TSV管芯互連的堆疊管芯；圖10示出利用設(shè)置在襯底空腔外部的TSV管芯互連的堆疊管芯；以及圖11示出具有堆疊管芯和熱沉的Fi-PoP。
具體實施例方式一般利用兩個復雜的制造工藝制造半導體器件前端制造和后端制造。前端制造包括在半導體晶片的表面上形成多個管芯。晶片上的每個管芯包括有源和無源電部件，所 述有源和無源電部件被電連接以形成功能電路。有源電部件，例如晶體管和二極管，具有控 制電流的流動的能力。無源電部件，例如電容器、電感器、電阻器、和變壓器，產(chǎn)生執(zhí)行電路 功能所必需的電壓和電流之間的關(guān)系。通過包括摻雜、沉積、光刻、刻蝕、和平面化的一系列工藝步驟在半導體晶片的表 面上形成無源和有源部件。摻雜通過例如離子注入或熱擴散的技術(shù)將雜質(zhì)引入到半導體材 料中。所述摻雜工藝改變有源器件中的半導體材料的導電性，將半導體材料轉(zhuǎn)變成絕緣體、 導體，或響應于電場或基極電流動態(tài)改變半導體材料導電性。晶體管包括有變化的摻雜類 型和程度的區(qū)域，所述區(qū)域根據(jù)需要被設(shè)置為使晶體管能夠在施加電場或基極電流時促進 或限制電流的流動。通過具有不同電特性的材料的層形成有源和無源部件。所述層可以通過部分地 由被沉積的材料的類型決定的多種沉積技術(shù)形成。例如，薄膜沉積可以包括化學汽相沉積 (CVD)、物理汽相沉積(PVD)、電解電鍍、以及無電電鍍(electroless plating)工藝。每個 層通常被圖案化以形成有源部件、無源部件、或部件之間的電連接的各部分?？梢岳霉饪虉D案化所述層，所述光刻包括在將被圖案化的層上沉積光敏材料， 例如光致抗蝕劑。利用光將圖案從光掩模轉(zhuǎn)移到光致抗蝕劑。利用溶劑將經(jīng)受光的光致抗 蝕劑圖案部分除去，暴露將被圖案化的下層的各部分。光致抗蝕劑的剩余物被除去，留下被 圖案化的層?？商鎿Q地，利用例如無電電鍍或電解電鍍的技術(shù)通過直接將材料沉積到通過 先前的沉積/刻蝕工藝形成的區(qū)域或空隙中來圖案化一些類型的材料。在現(xiàn)有圖案上沉積材料的薄膜可能會放大下面的圖案并且引起不均勻的平面。需 要均勻的平面來制造更小和更密集包裝的有源和無源部件?？梢岳闷矫婊瘡木谋砻?除去材料和制造均勻平面。平面化包括利用拋光墊拋光晶片的表面。在拋光期間，磨料和 腐蝕性化學品被添加到晶片的表面。組合的磨料機械作用和化學品腐蝕作用除去了任何不 規(guī)則的表面形貌(topography)，產(chǎn)生均勻的平面。后端制造指的是將已完成的晶片切割或單體化成單個管芯，并且然后封裝管芯用 于結(jié)構(gòu)支撐和環(huán)境隔離。為單體化管芯，沿被叫做劃片街區(qū)(saw street)或劃線的晶片非 功能區(qū)域刻劃和斷開所述晶片。利用激光切割工具或鋸條來單體化晶片。在單體化之后， 單個管芯被安裝到封裝襯底，所述封裝襯底包括用來與其它系統(tǒng)部件互連的引腳或接觸焊 盤。形成在半導體管芯上的接觸焊盤然后被連接到封裝內(nèi)的接觸焊盤?？梢岳煤噶贤?塊、柱形凸塊(stud bump)、導電膠、或線結(jié)合(wirebond)來制作電連接。密封劑或其它成 型材料被沉積到封裝上以提供物理支撐和電隔離。已完成的封裝然后被插入電系統(tǒng)中并且 半導體器件的功能可以用到其它系統(tǒng)部件。圖1示出具有芯片載體襯底或印刷電路板(PCB)52的電子器件50，所述芯片載體襯底或印刷電路板(PCB) 52具有多個安裝在它的表面上的半導體封裝。電子器件50可以 具有一種半導體封裝、或多種半導體封裝，這取決于應用。為了說明的目的，在圖1中示出 不同類型的半導體封裝。電子器件50可以是利用半導體封裝來執(zhí)行一個或多個電功能的獨立系統(tǒng)?？商?換地，電子器件50可以是更大系統(tǒng)的子部件。例如，電子器件50可以是能被插入計算機中 的圖形卡、網(wǎng)絡接口卡、或其它信號處理卡。半導體封裝可以包括微處理器、存儲器、專用集 成電路(ASIC)、邏輯電路、模擬電路、RF電路、分立器件、或其它半導體管芯或電部件。在圖1中，PCB 52提供普通的襯底用于安裝在PCB上的半導體封裝的結(jié)構(gòu)支撐和 電互連。利用蒸發(fā)、電解電鍍、無電電鍍、絲網(wǎng)印刷、或其它合適的金屬沉積工藝將導電信號 跡線(trace) 54形成在PCB 52的表面上或各層內(nèi)。信號跡線54提供半導體封裝、安裝的 部件、以及其它外部系統(tǒng)部件中的每一個之間的電通信。跡線54也將電源和地連接提供給 半導體封裝中的每一個。在一些實施例中，半導體器件可以具有兩個封裝級。第一級封裝是用來將半導體 管芯以機械和電的方式附著到中間載體的技術(shù)。第二級封裝包括將所述中間載體以機械和 電的方式附著到PCB。在其它實施例中，半導體器件可以僅具有第一級封裝，其中管芯被以 機械和電的方式直接安裝到PCB。為了說明的目的，幾種第一級封裝，包括線結(jié)合封裝56和倒裝芯片58，被示出在 PCB 52上。另外，幾種第二級封裝，包括球柵陣列(BGA)60、凸塊芯片載體(BCC)62、雙列直 插式封裝(DIP) 64、岸面柵格陣列(land grid array，LGA) 66、多芯片模塊(MCM) 68、四側(cè)無 引腳扁平封裝(quad flat non-leaded package，QFN) 70、以及四側(cè)扁平封裝72被示出安 裝在PCB 52上。根據(jù)系統(tǒng)要求，利用第一和第二級封裝形式的任何組合配置的半導體封裝 的任何組合、以及其它電子部件，可以被連接到PCB 52。在一些實施例中，電子器件50包括 單個附著的半導體封裝，雖然其它實施例要求多互連封裝。通過在單個襯底上組合一個或 多個半導體封裝，制造商可以將預先制作的部件并入電子器件和系統(tǒng)中。因為所述半導體 封裝包括復雜功能，所以可以利用更便宜的部件和流水線制造工藝來制造電子器件。所得 到的器件較少可能失效并且制造起來花費較少，對用戶而言導致更低的成本。圖2a_2c示出示范性半導體封裝。圖2a示出安裝在PCB 52上的DIP 64的更多 細節(jié)。半導體管芯74包括包含模擬或數(shù)字電路的有源區(qū)，所述模擬或數(shù)字電路被實現(xiàn)為根 據(jù)管芯的電設(shè)計形成在管芯內(nèi)并且被電互連的有源器件、無源器件、導電層、和介電層。例 如，電路可以包括一個或多個晶體管、二極管、電感器、電容器、電阻器、以及形成在半導體 管芯74的有源區(qū)內(nèi)的其它電路元件。接觸焊盤76是導電材料(例如鋁(AL)、銅(Cu)、錫 (Sn)、鎳(Ni)、金(Au)、或銀(Ag))的一個或多個層，并且電連接到形成在半導體管芯74內(nèi) 的電路元件。在DIP 64的組裝期間，利用金硅共晶層或粘附材料(例如熱的環(huán)氧樹脂)將 半導體管芯74安裝到中間載體78。封裝體包括絕緣封裝材料，例如聚合物或陶瓷。導體引 線80和線結(jié)合82在半導體管芯74和PCB 52之間提供電互連。密封劑84被沉積在封裝 上用于通過防止?jié)駳馀c粒子進入所述封裝以及污染管芯74或線結(jié)合82來進行環(huán)境保護。圖2b示出安裝在PCB 52上的BCC 62的更多細節(jié)。半導體管芯88利用底層填料 (underfill)或環(huán)氧樹脂粘附材料92被安裝到載體90上。線結(jié)合94在接觸焊盤96和98 之間提供第一級包裝(packing)互連。模塑料或密封劑100被沉積在半導體管芯88和線結(jié)合94上以為所述器件提供物理支撐和電隔離。接觸焊盤102利用電解電鍍或無電電鍍 這樣合適的金屬沉積形成在PCB 52的表面上以防止氧化。接觸焊盤102電連接到PCB 52 中的一個或多個導電信號跡線54。凸塊104被形成在BCC 62的接觸焊盤98與PCB 52的 接觸焊盤102之間。在圖2c中，利用倒裝芯片型第一級封裝將半導體管芯58面朝下地安裝到中間載 體106。半導體管芯58的有源區(qū)108包含模擬或數(shù)字電路，所述模擬或數(shù)字電路被實現(xiàn)為 根據(jù)管芯的電設(shè)計形成的有源器件、無源器件、導電層、和介電層。例如，該電路可以包括一 個或多個晶體管、二極管、電感器、電容器、電阻器、以及在有源區(qū)108內(nèi)的其它電路元件。 半導體管芯58通過凸塊110被電連接和機械連接到載體106。BGA 60利用凸塊112電連接和機械連接到具有BGA型第二級封裝的PCB 52。半 導體管芯58通過凸塊110、信號線114、以及凸塊112電連接到導電信號跡線54。模塑料 或密封劑116被沉積在半導體管芯58和載體106上以為所述器件提供物理支撐和電隔離。 倒裝芯片半導體器件提供從半導體管芯58上的有源器件到PCB 52上的導電軌跡的短導電 路徑以便減小信號傳播距離、降低電容、并且改善總的電路性能。在另一個實施例中，半導 體管芯58可以在沒有中間載體106的情況下利用倒裝芯片型第一級封裝被以機械和電的 方式直接連接到PCB 52。相對于圖1和2a_2c，圖3a_3h示出利用安裝在襯底的空腔中的具有TSV的半導體 管芯形成Fi-PoP的工藝。圖3a示出包含基底襯底材料122 (例如硅、鍺、砷化鎵、磷化銦、或 碳化硅)用于結(jié)構(gòu)支撐的半導體晶片120。在襯底材料122的第一表面上形成絕緣或鈍化 層124。同樣地，在與襯底材料122的第一表面相對的襯底材料122的第二表面上形成絕緣 或鈍化層126。絕緣層124和126包括二氧化硅(Si02)、氮化硅(Si3N4)、氮氧化硅(SiON)、 五氧化二鉭(Ta205)、氧化鋁(A1203)、或具有類似絕緣和結(jié)構(gòu)特性的其它材料的一個或多 個層。利用PVD、CVD、印刷、旋涂、噴涂、燒結(jié)、或熱氧化來形成絕緣層124和126。如所示地 除去絕緣層124和126的一部分。在圖3b中，利用PVD、CVD、濺射、電解電鍍、無電電鍍工藝或其它合適的金屬沉積 工藝使用圖案化將導電層128形成在絕緣層124的已除去部分中并且將導電層130形成在 絕緣層126的已除去部分中。導電層128和130可以是Al、Cu、Sn、Ni、Au、Ag、或其它合適 的導電材料的一個或多個層。導電層128的一部分和導電層130的一部分可以根據(jù)半導體 器件的設(shè)計和功能是電共有的(electricallycommon)或被電隔離。在圖3c中，利用激光切割工具或鋸條通過絕緣層124和126以及襯底材料122形 成空腔或開口 136。空腔136可以是矩形、圓形、或其它合適的形狀因數(shù)。在圖3d中，半導體管芯或部件138被設(shè)置在空腔136中并且利用帶基(backing tape) 140來固定。半導體管芯138包括包含模擬或數(shù)字電路的有源表面142，所述模擬或 數(shù)字電路被實現(xiàn)為根據(jù)管芯的電設(shè)計和功能形成在管芯內(nèi)并且電互連的有源器件、無源器 件、導電層、和介電層。例如，該電路可以包括一個或多個晶體管、二極管、和形成在有源表 面142內(nèi)的其它電路元件以實現(xiàn)基帶模擬電路或數(shù)字電路，例如數(shù)字信號處理器(DSP)、 ASIC、存儲器、或其它信號處理電路。半導體管芯138也可以包括IPD，例如電感器、電容器、 和電阻器，用于RF信號處理。典型的RF系統(tǒng)需要在一個或多個半導體封裝中的多個IPD 以執(zhí)行必要的電功能?？梢栽诳涨?36中設(shè)置具有直通有機通路(through organic via,T0V)的半導體管芯。在另一個實施例中，半導體管芯或部件138是設(shè)置在空腔136中的具有TSV的插入物。利用激光鉆孔或刻蝕工藝，例如深反應離子刻蝕(DRIE)，通過半導體管芯或插入 物138形成多個通路。使用PVD、CVD、電解電鍍、無電電鍍工藝、或其它合適的金屬沉積工 藝，利用Al、Cu、Sn、Ni、Au、Ag、鈦(Ti)、W、多晶硅、或其它合適的導電材料來填充所述通路， 以形成導電直通硅通路(TSV) 144。TSV 144可以在將半導體管芯138安裝在空腔136中之 前形成在半導體管芯138中。TSV 144可以根據(jù)管芯的設(shè)計與襯底120和有源表面142上 的可選重分布層(RDL) 145電互連。在圖3e中，結(jié)合線146被形成在導電層128和TSV 144之間。利用漿料印刷 (paste printing)、壓縮模塑、傳遞模塑、液體密封劑模塑、真空層壓、或其它合適的施加器 (applicator)將密封劑或模塑料148沉積在半導體管芯138和絕緣層124上。密封劑148 可以是聚合物復合材料，例如具有填充物的環(huán)氧樹脂、具有填充物的環(huán)氧丙烯酸酯、或具有 合適填充物的聚合物。密封劑148不導電并且在環(huán)境上保護半導體管芯免受外部元件和污 染物的影響。密封劑148的一部分通過刻蝕工藝被除去以暴露有源表面142和TSV 144。 在圖3f中帶基140被除去。在圖3g中，器件被倒轉(zhuǎn)并且利用凸塊152將半導體管芯或部件150安裝到與有源 表面142相對的TSV 144。半導體管芯150包括包含模擬或數(shù)字電路的有源表面154，所述 模擬或數(shù)字電路被實現(xiàn)為根據(jù)管芯的電設(shè)計和功能形成在管芯內(nèi)并且電互連的有源器件、 無源器件、導電層、和介電層。例如，該電路可以包括一個或多個晶體管、二極管、和形成在 有源表面154內(nèi)的其它電路元件以實現(xiàn)基帶模擬電路或數(shù)字電路，例如DSP、ASIC、存儲器、 或其它信號處理電路。半導體管芯150也可以包括IPD，例如電感器、電容器、和電阻器，用 于RF信號處理。典型的RF系統(tǒng)需要在一個或多個半導體封裝中的多個IPD以執(zhí)行必要的 電功能。底層填料材料156，例如環(huán)氧樹脂，被沉積在半導體管芯150之下。在另一個實施 例中，半導體部件150可以是安裝到TSV 144的分立半導體器件。利用蒸發(fā)、電解電鍍、無電電鍍、球滴(ball drop)、或絲網(wǎng)印刷工藝將導電凸塊材 料沉積到導電層130上。所述凸塊材料可以是Al、Sn、Ni、Au、Ag、Pb、Bi、Cu、焊料、及其組 合，連同可選的焊劑溶液一起。例如，所述凸塊材料可以是共晶Sn/Pb、高鉛焊料、或無鉛焊 料。利用合適的附著或結(jié)合工藝將所述凸塊材料結(jié)合到導電層130。在一個實施例中，通過 將所述材料加熱到它的熔點以上，所述凸塊材料回流以形成球形球或凸塊158。在一些應用 中，凸塊158 二次回流以改善到導電層130的電接觸。所述凸塊也可以被壓縮結(jié)合到導電 層130。凸塊158表示一種可以形成在導電層130上的互連結(jié)構(gòu)。所述互連結(jié)構(gòu)也可以使 用結(jié)合線、柱形凸塊、微凸塊、或其它電互連。在圖3h中，器件被再次倒轉(zhuǎn)，并且利用凸塊164將在倒裝芯片布置中具有向下取 向的接觸焊盤162的半導體管芯或部件160安裝到TSV 144。半導體管芯160被安裝在密 封劑148的已除去部分中以減小器件厚度。半導體管芯160包括包含模擬或數(shù)字電路的有 源表面166，所述模擬或數(shù)字電路被實現(xiàn)為根據(jù)管芯的電設(shè)計和功能形成在管芯內(nèi)并且電 互連的有源器件、無源器件、導電層、和介電層。例如，該電路可以包括一個或多個晶體管、 二極管、和形成在有源表面166內(nèi)的其它電路元件以實現(xiàn)基帶模擬電路或數(shù)字電路，例如 DSP、ASIC、存儲器、或其它信號處理電路。半導體管芯160也可以包括IPD，例如電感器、電容器、和電阻器，用于RF信號處理。典型的RF系統(tǒng)需要在一個或多個半導體封裝中的多個 IPD以執(zhí)行必要的電功能。在另一個實施例中，半導體部件160可以是安裝到TSV 144的分 立半導體器件。圖4示出具有半導體管芯、IPD、或設(shè)置在襯底120的空腔136中的具有TSV或TOV 的插入物的Fi-PoP 168。所述TSV或TOV電互連半導體部件150和160。通過放置半導體 管芯、IPD、或在空腔136中的具有TSV或TOV的插入物，F(xiàn)i-PoP 168的高度可以被減小。另 外，將半導體管芯160安裝在密封劑148的已除去部分中也減小Fi-PoP 168的厚度。通過 穿過半導體管芯的TSV或T0V、IPD、或設(shè)置在空腔136中的插入物的直接連接，半導體部件 150和160之間的信號傳播被減小。圖5示出包括圖3a_3f中描述的特征的Fi-PoP結(jié)構(gòu)170。另外，通過凸塊176將 層疊或引線框插入物172電連接到TSV 144。結(jié)合線146通過插入物172電連接到TSV 144。在倒裝芯片布置中具有向下取向的接觸焊盤的半導體管芯或部件178利用凸塊182 被安裝到插入物172。半導體管芯178包括包含模擬或數(shù)字電路的有源表面184，所述模擬 或數(shù)字電路被實現(xiàn)為根據(jù)管芯的電設(shè)計和功能形成在管芯內(nèi)并且電互連的有源器件、無源 器件、導電層、和介電層。例如，該電路可以包括一個或多個晶體管、二極管、和形成在有源 表面184內(nèi)的其它電路元件以實現(xiàn)基帶模擬電路或數(shù)字電路，例如DSP、ASIC、存儲器、或其 它信號處理電路。半導體管芯178也可以包括IPD，例如電感器、電容器、和電阻器，用于RF 信號處理。典型的RF系統(tǒng)需要在一個或多個半導體封裝中的多個IPD以執(zhí)行必要的電功 能。在另一個實施例中，半導體部件178可以是安裝到插入物172的分立半導體器件。在 圖3g-3h中描述的特征的其余部分被添加到Fi-PoP結(jié)構(gòu)170。圖6示出包括圖3a_3f中描述的特征的Fi-PoP結(jié)構(gòu)190。另外，嵌入式凸塊192 被電連接到TSV 144或結(jié)合線146。利用漿料印刷、壓縮模塑、傳遞模塑、液體密封劑模塑、 真空層壓、或其它合適的施加器將密封劑或模塑料193沉積在半導體管芯138和絕緣層124 上?？商鎿Q地，為了更細的節(jié)距互連，可以形成嵌入式導電柱或模制通路，而不是嵌入式凸 塊。密封劑193可以是聚合物復合材料，例如具有填充物的環(huán)氧樹脂、具有填充物的環(huán)氧丙 烯酸酯、或具有合適填充物的聚合物。密封劑193不導電并且在環(huán)境上保護半導體管芯免 受外部元件和污染物的影響。圖7示出包括類似于圖3a-3f的特征的Fi-PoP結(jié)構(gòu)200。另外，提壩(dam)材料 或膜上線(wire-on-fiIm(WIF))密封劑材料202被沉積在半導體管芯138上，其消除了對 暴露管芯的專用模盒或?qū)ｉT的密封工藝的需要。在圖3g-3h中描述的特征的其余部分被添 加到Fi-PoP結(jié)構(gòu)200。圖8示出包括圖3a_3f中描述的特征的Fi-PoP結(jié)構(gòu)210。另外，半導體管芯或部 件212被安裝到半導體管芯138上并且利用凸塊218被電連接到TSV 144和導電層128。 半導體管芯212包括包含模擬或數(shù)字電路的有源表面214，所述模擬或數(shù)字電路被實現(xiàn)為 根據(jù)管芯的電設(shè)計和功能形成在管芯內(nèi)并且電互連的有源器件、無源器件、導電層、和介電 層。例如，該電路可以包括一個或多個晶體管、二極管、和形成在有源表面214內(nèi)的其它電 路元件以實現(xiàn)基帶模擬電路或數(shù)字電路，例如DSP、ASIC、存儲器、或其它信號處理電路。半 導體管芯212也可以包括IPD，例如電感器、電容器、和電阻器，用于RF信號處理。典型的 RF系統(tǒng)需要在一個或多個半導體封裝中的多個IPD以執(zhí)行必要的電功能。在另一個實施例中，半導體管芯或部件212可以是安裝到半導體管芯138上的具有TSV的插入物。利用激光鉆孔或刻蝕工藝(例如DRIE)通過半導體管芯或插入物212形成多個通路。使用PVD、CVD、電解電鍍、無電電鍍工藝、或其它合適的金屬沉積工藝，利用Al、Cu、Sn、 Ni、Au、Ag、Ti、W、多晶硅、或其它合適的導電材料來填充所述通路以形成導電TSV216。TSV 216可以在安裝到空腔136上之前形成在半導體管芯212中。TSV 216可以根據(jù)管芯的設(shè) 計與有源表面214上的可選RDL 219電互連。結(jié)合線220被形成在導電層128和TSV 216之間。利用漿料印刷、壓縮模塑、傳遞 模塑、液體密封劑模塑、真空層壓、或其它合適的施加器將密封劑或模塑料222沉積在半導 體管芯212和絕緣層124上。密封劑222可以是聚合物復合材料，例如具有填充物的環(huán)氧 樹脂、具有填充物的環(huán)氧丙烯酸酯、或具有合適填充物的聚合物。密封劑222不導電并且在 環(huán)境上保護半導體管芯免受外部元件和污染物的影響。密封劑222的一部分通過刻蝕工藝 被除去以暴露有源表面214和TSV216。利用凸塊226將半導體管芯或部件224安裝到與有源表面142相對的TSV 144。 半導體管芯224包括包含模擬或數(shù)字電路的有源表面228，所述模擬或數(shù)字電路被實現(xiàn)為 根據(jù)管芯的電設(shè)計和功能形成在管芯內(nèi)并且電互連的有源器件、無源器件、導電層、和介電 層。例如，該電路可以包括一個或多個晶體管、二極管、和形成在有源表面228內(nèi)的其它電 路元件以實現(xiàn)基帶模擬電路或數(shù)字電路，例如DSP、ASIC、存儲器、或其它信號處理電路。半 導體管芯224也可以包括IPD，例如電感器、電容器、和電阻器，用于RF信號處理。典型的 RF系統(tǒng)需要在一個或多個半導體封裝中的多個IPD以執(zhí)行必要的電功能。底層填料材料 230，例如環(huán)氧樹脂，被沉積在半導體管芯224下。在另一個實施例中，半導體部件224可以 是安裝到TSV 144的分立半導體器件。利用蒸發(fā)、電解電鍍、無電電鍍、球滴、或絲網(wǎng)印刷工藝將導電凸塊材料沉積到導 電層130上。所述凸塊材料可以是Al、Sn、Ni、Au、Ag、Pb、Bi、Cu、焊料、及其組合，連同可選 的焊劑溶液一起。例如，所述凸塊材料可以是共晶Sn/Pb、高鉛焊料、或無鉛焊料。利用合適 的附著或結(jié)合工藝將所述凸塊材料結(jié)合到導電層130。在一個實施例中，通過將所述材料加 熱到它的熔點以上，所述凸塊材料回流以形成球形球或凸塊232。在一些應用中，凸塊232 二次回流以改善到導電層130的電接觸。所述凸塊也可以被壓縮結(jié)合到導電層130。凸塊 232表示一種可以形成在導電層130上的互連結(jié)構(gòu)。所述互連結(jié)構(gòu)也可以使用結(jié)合線、柱形 凸塊、微凸塊、或其它電互連。圖9示出包括圖3a_3f中描述的特征的Fi-PoP結(jié)構(gòu)240。另外，半導體管芯或部 件242被設(shè)置成部分在空腔136中并且部分在空腔136外。半導體管芯242進一步包括突 出于空腔136外部的襯底120之上的凹口或凹進243。半導體管芯242包括包含模擬或數(shù) 字電路的有源表面244，所述模擬或數(shù)字電路被實現(xiàn)為根據(jù)管芯的電設(shè)計和功能形成在管 芯內(nèi)并且電互連的有源器件、無源器件、導電層、和介電層。例如，該電路可以包括一個或多 個晶體管、二極管、和形成在有源表面244內(nèi)的其它電路元件以實現(xiàn)基帶模擬電路或數(shù)字 電路，例如DSP、ASIC、存儲器、或其它信號處理電路。半導體管芯242也可以包括IPD，例如 電感器、電容器、和電阻器，用于RF信號處理。典型的RF系統(tǒng)需要在一個或多個半導體封 裝中的多個IPD以執(zhí)行必要的電功能。在另一個實施例中，半導體管芯或部件242是被設(shè) 置成部分在空腔136中并且部分在空腔136外的具有TSV的插入物。
利用激光鉆孔或刻蝕工藝(例如DRIE)通過半導體管芯或插入物242形成多個通 路。使用PVD、CVD、電解電鍍、無電電鍍工藝、或其它合適的金屬沉積工藝，利用Al、Cu、Sn、 Ni、Au、Ag、Ti、W、多晶硅、或其它合適的導電材料來填充所述通路以形成導電TSV246。TSV 246可以在將半導體管芯242安裝到空腔136中之前形成在半導體管芯242中。TSV 246 可以根據(jù)管芯的設(shè)計與襯底120和有源表面244上的可選RDL 245電互連。凹口 243中的 TSV 246利用凸塊248電連接到導電層128。結(jié)合線250被形成在導電層128和TSV 246之間。利用漿料印刷、壓縮模塑、傳遞 模塑、液體密封劑模塑、真空層壓、或其它合適的施加器將密封劑或模塑料252沉積在半導 體管芯242和絕緣層124上。密封劑252可以是聚合物復合材料，例如具有填充物的環(huán)氧 樹脂、具有填充物的環(huán)氧丙烯酸酯、或具有合適填充物的聚合物。密封劑252不導電并且在 環(huán)境上保護半導體管芯免受外部元件和污染物的影響。密封劑252的一部分通過刻蝕工藝 被除去以暴露有源表面244和TSV246。利用凸塊256將半導體管芯或部件254安裝到與有源表面244相對的TSV 246。 半導體管芯254包括包含模擬或數(shù)字電路的有源表面258，所述模擬或數(shù)字電路被實現(xiàn)為 根據(jù)管芯的電設(shè)計和功能形成在管芯內(nèi)并且電互連的有源器件、無源器件、導電層、和介電 層。例如，該電路可以包括一個或多個晶體管、二極管、和形成在有源表面258內(nèi)的其它電 路元件以實現(xiàn)基帶模擬電路或數(shù)字電路，例如DSP、ASIC、存儲器、或其它信號處理電路。半 導體管芯254也可以包括IPD，例如電感器、電容器、和電阻器，用于RF信號處理。典型的 RF系統(tǒng)需要在一個或多個半導體封裝中的多個IPD以執(zhí)行必要的電功能。底層填料材料 260，例如環(huán)氧樹脂，被沉積在半導體管芯254下。在另一個實施例中，半導體部件254可以 是安裝到TSV 246的分立半導體器件。利用蒸發(fā)、電解電鍍、無電電鍍、球滴、或絲網(wǎng)印刷工藝將導電凸塊材料沉積到導 電層130上。所述凸塊材料可以是Al、Sn、Ni、Au、Ag、Pb、Bi、Cu、焊料、及其組合，連同可選 的焊劑溶液一起。例如，所述凸塊材料可以是共晶Sn/Pb、高鉛焊料、或無鉛焊料。利用合適 的附著或結(jié)合工藝將所述凸塊材料結(jié)合到導電層130。在一個實施例中，通過將所述材料加 熱到它的熔點以上，所述凸塊材料回流以形成球形球或凸塊262。在一些應用中，凸塊262 二次回流以改善到導電層130的電接觸。所述凸塊也可以被壓縮結(jié)合到導電層130。凸塊 262表示一種可以形成在導電層130上的互連結(jié)構(gòu)。所述互連結(jié)構(gòu)也可以使用結(jié)合線、柱形 凸塊、微凸塊、或其它電互連。在倒裝芯片布置中具有向下取向的接觸焊盤的半導體管芯或部件264利用凸塊 266被安裝到TSV 246。半導體管芯264包括包含模擬或數(shù)字電路的有源表面266，所述模 擬或數(shù)字電路被實現(xiàn)為根據(jù)管芯的電設(shè)計和功能形成在管芯內(nèi)并且電互連的有源器件、無 源器件、導電層、和介電層。例如，該電路可以包括一個或多個晶體管、二極管、和形成在有 源表面266內(nèi)的其它電路元件以實現(xiàn)基帶模擬電路或數(shù)字電路，例如DSP、ASIC、存儲器、或 其它信號處理電路。半導體管芯264也可以包括IPD，例如電感器、電容器、和電阻器，用于 RF信號處理。典型的RF系統(tǒng)需要在一個或多個半導體封裝中的多個IPD以執(zhí)行必要的電 功能。在另一個實施例中，半導體部件264可以是安裝到TSV 246的分立半導體器件。圖10示出包括圖3a_3c中描述的特征和安裝在空腔136上的半導體管芯或部件 274的Fi-PoP結(jié)構(gòu)270。半導體管芯274包括包含模擬或數(shù)字電路的有源表面278，所述模擬或數(shù)字電路被實現(xiàn)為根據(jù)管芯的電設(shè)計和功能形成在管芯內(nèi)并且電互連的有源器件、無 源器件、導電層、和介電層。例如，該電路可以包括一個或多個晶體管、二極管、和形成在有 源表面278內(nèi)的其它電路元件以實現(xiàn)基帶模擬電路或數(shù)字電路，例如DSP、ASIC、存儲器、或 其它信號處理電路。半導體管芯274也可以包括IPD，例如電感器、電容器、和電阻器，用于 RF信號處理。典型的RF系統(tǒng)需要在一個或多個半導體封裝中的多個IPD以執(zhí)行必要的電 功能。在另一個實施例中，半導體管芯或部件274是安裝在空腔136上的具有TSV的插入 物。利用激光鉆孔或刻蝕工藝(例如DRIE)通過半導體管芯或插入物274形成多個通 路。使用PVD、CVD、電解電鍍、無電電鍍工藝、或其它合適的金屬沉積工藝，利用Al、Cu、Sn、 Ni、Au、Ag、Ti、W、多晶硅、或其它合適的導電材料來填充所述通路以形成導電TSV280。TSV 280可以在安裝半導體管芯274之前形成在半導體管芯274中。TSV 280可以根據(jù)管芯的 設(shè)計與有源表面278上的可選RDL 281電互連。結(jié)合線282被形成在導電層128和有源表面278之間。利用漿料印刷、壓縮模塑、 傳遞模塑、液體密封劑模塑、真空層壓、或其它合適的施加器將密封劑或模塑料284沉積在 半導體管芯274和絕緣層124上。密封劑284可以是聚合物復合材料，例如具有填充物的 環(huán)氧樹脂、具有填充物的環(huán)氧丙烯酸酯、或具有合適填充物的聚合物。密封劑284不導電并 且在環(huán)境上保護半導體管芯免受外部元件和污染物的影響。密封劑284的一部分通過刻蝕 工藝被除去以暴露有源表面278和TSV 280。利用凸塊288將半導體管芯或部件286安裝到與有源表面278相對的TSV 280。 半導體管芯286包括包含模擬或數(shù)字電路的有源表面290，所述模擬或數(shù)字電路被實現(xiàn)為 根據(jù)管芯的電設(shè)計和功能形成在管芯內(nèi)并且電互連的有源器件、無源器件、導電層、和介電 層。例如，該電路可以包括一個或多個晶體管、二極管、和形成在有源表面290內(nèi)的其它電 路元件以實現(xiàn)基帶模擬電路或數(shù)字電路，例如DSP、ASIC、存儲器、或其它信號處理電路。半 導體管芯286也可以包括IPD，例如電感器、電容器、和電阻器，用于RF信號處理。典型的 RF系統(tǒng)需要在一個或多個半導體封裝中的多個IPD以執(zhí)行必要的電功能。底層填料材料 292，例如環(huán)氧樹脂，被沉積在半導體管芯286下。在另一個實施例中，半導體部件286可以 是安裝到TSV 280的分立半導體器件。利用蒸發(fā)、電解電鍍、無電電鍍、球滴、或絲網(wǎng)印刷工藝將導電凸塊材料沉積到導 電層130上。所述凸塊材料可以是Al、Sn、Ni、Au、Ag、Pb、Bi、Cu、焊料、及其組合，連同可選 的焊劑溶液一起。例如，所述凸塊材料可以是共晶Sn/Pb、高鉛焊料、或無鉛焊料。利用合適 的附著或結(jié)合工藝將所述凸塊材料結(jié)合到導電層130。在一個實施例中，通過將所述材料加 熱到它的熔點以上，所述凸塊材料回流以形成球形球或凸塊294。在一些應用中，凸塊294 二次回流以改善到導電層130的電接觸。所述凸塊也可以被壓縮結(jié)合到導電層130。凸塊 294表示一種可以形成在導電層130上的互連結(jié)構(gòu)。所述互連結(jié)構(gòu)也可以使用結(jié)合線、柱形 凸塊、微凸塊、或其它電互連。在倒裝芯片布置中具有向下取向的接觸焊盤的半導體管芯或部件296利用凸塊298被安裝到TSV 280。半導體管芯296包括包含模擬或數(shù)字電路的有源表面300，所述模 擬或數(shù)字電路被實現(xiàn)為根據(jù)管芯的電設(shè)計和功能形成在管芯內(nèi)并且電互連的有源器件、無 源器件、導電層、和介電層。例如，該電路可以包括一個或多個晶體管、二極管、和形成在有源表面300內(nèi)的其它電路元件以實現(xiàn)基帶模擬電路或數(shù)字電路，例如DSP、ASIC、存儲器、或 其它信號處理電路。半導體管芯296也可以包括IPD，例如電感器、電容器、和電阻器，用于 RF信號處理。典型的RF系統(tǒng)需要在一個或多個半導體封裝中的多個IPD以執(zhí)行必要的電 功能。在另一個實施例中，半導體部件296可以是安裝到TSV 280的分立半導體器件。圖11示出被安裝到PCB 312的包括圖3a_3g中描述的特征的Fi-PoP結(jié)構(gòu)310。 熱沉314被放置在半導體管芯的后表面之間。熱沉314可以是Al、Cu、或具有高熱導率的 另外的材料，以為半導體管芯150提供熱耗散。雖然已經(jīng)詳細說明本發(fā)明的一個或多個實施例，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解的 是，在不脫離由下列權(quán)利要求所闡述的本發(fā)明的范圍的情況下可以對那些實施例進行變型 和修改。
權(quán)利要求
一種制造半導體器件的方法，包括提供具有第一表面和第二表面的襯底；形成通過所述襯底的第一表面和第二表面的空腔；形成通過第一半導體管芯的通路；利用導電材料填充所述通路以形成導電通路；在所述空腔中安裝第一半導體管芯；在第一半導體管芯的第一表面和襯底上沉積密封劑；從第一半導體管芯的第一表面除去密封劑的一部分以暴露所述導電通路；將第二半導體管芯安裝到第一半導體管芯的第一表面，第二半導體管芯電連接到所述導電通路；以及在與第一半導體管芯的第一表面相對的第一半導體管芯的第二表面上安裝第三半導體管芯。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，進一步包括 在所述襯底的第一表面上形成第一導電層；以及 在第一導電層和所述導電通路之間形成結(jié)合線。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，進一步包括在第一半導體管芯和第二半導體管芯之間設(shè) 置插入物。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，進一步包括在第一半導體管芯和第二半導體管芯之間設(shè) 置具有多個導電通路的第四半導體管芯。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中第一半導體管芯在所述空腔之上延伸。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，進一步包括在與第一半導體管芯相對的第三半導體管芯 的表面上形成熱沉。
7.—種制造半導體器件的方法，包括 提供具有第一表面和第二表面的襯底；形成通過所述襯底的第一表面和第二表面的空腔；在所述空腔中安裝第一半導體部件，第一半導體部件具有導電直通硅通路(TSV)； 在第一半導體部件的第一表面和襯底上沉積密封劑； 從第一半導體部件的第一表面除去密封劑的一部分以暴露所述導電TSV ；以及 將第二半導體部件安裝到第一半導體部件的第一表面，第二半導體部件電連接到所述 導電TSV。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，進一步包括在與第一半導體部件的第一表面相對的第一 半導體部件的第二表面上安裝第三半導體部件。
9.如權(quán)利要求7所述的方法，進一步包括 在所述襯底的第一表面上形成第一導電層；以及 在第一導電層和所述導電TSV之間形成結(jié)合線。
10.如權(quán)利要求7所述的方法，進一步包括在第一半導體部件和第二半導體部件之間 設(shè)置插入物。
11.如權(quán)利要求7所述的方法，進一步包括在第一半導體部件和第二半導體部件之間 設(shè)置具有多個導電通路的第三半導體部件。
12.如權(quán)利要求7所述的方法，其中第一半導體部件在所述空腔之上延伸。
13.如權(quán)利要求7所述的方法，其中第一半導體部件是半導體管芯、集成的無源器件、 或插入物。
14.一種制造半導體器件的方法，包括 提供具有第一表面和第二表面的襯底；形成通過所述襯底的第一表面和第二表面的空腔；在所述空腔上安裝第一半導體部件，第一半導體部件具有導電直通硅通路(TSV)； 在第一半導體部件的第一表面上安裝第二半導體部件； 在襯底和第二半導體部件上沉積密封劑；以及在與第一半導體部件的第一表面相對的第一半導體部件的第二表面上安裝第三半導 體部件。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，進一步包括在第一半導體部件和第二半導體部件之間 形成凸塊。
16.如權(quán)利要求14所述的方法，進一步包括在第一半導體部件和第二半導體部件之間 設(shè)置插入物。
17.如權(quán)利要求14所述的方法，進一步包括在第一半導體部件和第二半導體部件之間 設(shè)置具有導電TSV的第四半導體部件。
18.如權(quán)利要求14所述的方法，其中第一半導體部件是半導體管芯、集成的無源器件、 或插入物。
19.如權(quán)利要求14所述的方法，進一步包括 在所述襯底的第一表面上形成第一導電層； 在第一導電層和導電TSV之間形成結(jié)合線；以及 在所述結(jié)合線上沉積膜中線材料。
20.一種半導體器件，包括具有通過襯底的第一表面和第二表面形成的空腔的襯底；安裝在所述空腔中的第一半導體部件，第一半導體部件具有導電直通硅通路(TSV)； 安裝在第一半導體部件的第一表面上的第二半導體部件； 沉積在襯底和第二半導體部件上的密封劑；以及安裝在與第一半導體部件的第一表面相對的第一半導體部件的第二表面上的第三半 導體部件。
21.如權(quán)利要求20所述的器件，進一步包括設(shè)置在第一半導體部件和第二半導體部件 之間的插入物。
22.如權(quán)利要求20所述的器件，進一步包括在第一半導體部件和第二半導體部件之間 設(shè)置具有導電TSV的第四半導體部件。
23.如權(quán)利要求20所述的器件，其中第一半導體部件是半導體管芯、集成的無源器件、 或插入物。
24.如權(quán)利要求20所述的器件，進一步包括形成在與第一半導體管芯相對的第三半導 體管芯的表面上的熱沉。
25.如權(quán)利要求20所述的器件，其中第一半導體管芯在所述空腔之上延伸。
全文摘要
本發(fā)明涉及半導體器件及其制造方法。一種具有襯底的半導體器件，所述襯底具有通過襯底的第一表面和第二表面形成的空腔。通過第一半導體管芯形成導電TSV，所述第一半導體管芯被安裝在所述空腔中。第一半導體管芯可以在所述空腔上延伸。密封劑被沉積在第一半導體管芯的第一表面和襯底上。從第一半導體管芯的第一表面除去所述密封劑的一部分以暴露所述導電TSV。第二半導體管芯被安裝到第一半導體管芯的第一表面。第二半導體管芯電連接到所述導電TSV。在第一半導體管芯和第二半導體管芯之間設(shè)置插入物。第三半導體管芯被安裝在第一半導體管芯的第二表面上。熱沉被形成在第三半導體管芯的表面上。
文檔編號H01L23/52GK101989558SQ201010243890
公開日2011年3月23日 申請日期2010年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月31日
發(fā)明者D·A·梅里洛, R·A·帕蓋拉, 關(guān)協(xié)和 申請人:新科金朋有限公司