通過使用有槽的襯底的低翹曲晶片結(jié)合的制作方法
【專利摘要】在晶片結(jié)合工藝中，兩個晶片襯底其中之一或二者在結(jié)合之前被刻劃。通過在襯底中形成槽，在結(jié)合期間晶片的特性類似于較薄晶片的特性，由此減小由于與每個晶片關(guān)聯(lián)的CTE特性的差異引起的可能翹曲。優(yōu)選地，形成與切割/劃片圖案一致的多個槽，使得所述多個槽將不存在于經(jīng)切割的封裝中，由此保留完整厚度襯底的結(jié)構(gòu)特性。
【專利說明】通過使用有槽的襯底的低翹曲晶片結(jié)合
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制作領(lǐng)域，并且具體地涉及晶片級結(jié)合。
【背景技術(shù)】
[0002]晶片結(jié)合正越來越流行地用于在切割(劃片)之前耦合不同晶片上的元件。直徑為4〃-8"的晶片可能含有數(shù)百或數(shù)千個器件，并且兩個晶片的結(jié)合可以替代傳統(tǒng)的單獨地結(jié)合每個這些數(shù)百或數(shù)千個器件。
[0003]在發(fā)光器件(LED)的傳統(tǒng)制作中，例如，含有半導(dǎo)體器件的晶片被劃片，并且單個器件隨后被結(jié)合到底座，該底座提供結(jié)構(gòu)支持以及用于耦合到外部電源或其它電路的裝置。通常，底座經(jīng)尺寸調(diào)適以促進后續(xù)制作工藝，諸如安裝在印刷電路板上，或者放置在固定裝置(fixture)中。如果LED的尺寸顯著小于底座的尺寸，這個工藝是相當高效的。
[0004]然而，特別是在LED領(lǐng)域中，例如由于發(fā)光元件的面積增大，或者對于在單一器件中包括多個發(fā)光元件，單個器件(芯片)的尺寸不斷增大。因此，其中經(jīng)封裝(安裝)的器件的整體尺寸不顯著大于芯片的芯片級封裝變得非常普遍。在芯片尺寸與底座尺寸類似的這種情況下，將LED的晶片結(jié)合到底座的晶片可以實現(xiàn)非常高效的制作工藝。
[0005]用于不同晶片的材料經(jīng)常是不同的材料，一個晶片的材料被選擇為促進半導(dǎo)體器件的制作，并且另一個晶片的材料被選擇為促進結(jié)構(gòu)和電學(xué)上可靠的封裝。在發(fā)光器件的示例中，半導(dǎo)體晶片經(jīng)常含有位于藍寶石生長襯底上的GaN基或GaP材料(諸如AlInGaN、AlInGaP> InGaN等)的厚層，而底座晶片可能典型地包括位于娃襯底上的一個或多個金屬層。
[0006]由于不同材料通常被用于形成半導(dǎo)體以及形成底座，晶片結(jié)合的可行性遭受許多挑戰(zhàn)。兩個晶片或者該組合的其它層之間的熱膨脹系數(shù)(CTE)差異可能導(dǎo)致組裝之后的翹曲，特別是當較高溫度被用于實現(xiàn)該結(jié)合時。除了在結(jié)合工藝期間造成的問題之外，得到的翹曲的封裝將在后續(xù)工藝(諸如用于移除層、對表面紋理化等的工藝)中引入問題，并且在這些翹曲的封裝被安裝到印刷電路板或其它固定裝置時可能導(dǎo)致可靠性問題。
[0007]傳統(tǒng)上，減小翹曲的一種方法是確保所結(jié)合的材料其中之一顯著薄于另一材料，較厚的材料實現(xiàn)某一平整度。然而，在半導(dǎo)體封裝的情況下，生長襯底和底座襯底典型地具有相當?shù)暮穸?。生長襯底必須足夠厚以支持制作工藝，并且底座襯底必須足夠厚從而為成品封裝提供結(jié)構(gòu)支持。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]能夠結(jié)合不同材料的晶片使得翹曲可能性減小，這將是有利的。能夠結(jié)合這些晶片同時仍維持所封裝的器件的結(jié)構(gòu)完整性，這也將是有利的。
[0009]為了更好解決這些顧慮中的一個或多個，在本發(fā)明的實施例中，底座晶片在與半導(dǎo)體晶片結(jié)合之前被刻劃。通過在底座晶片中形成槽，在結(jié)合期間晶片的特性類似于較薄晶片的特性。優(yōu)選地，形成與劃片圖案一致的槽，使得槽將不存在于經(jīng)切割的封裝中，由此保留完整厚度底座晶片的結(jié)構(gòu)特性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]參考附圖更詳細并且通過示例方式解釋本發(fā)明，在附圖中:
圖1圖不兩個晶片的不例結(jié)合。
[0011]圖2圖示襯底的示例刻劃。
[0012]圖3圖示有效晶片厚度與刻劃節(jié)距的函數(shù)的示例曲線。
[0013]圖4圖示有效晶片翹曲與有效晶片厚度的函數(shù)的示例曲線。
[0014]圖5圖示用于確定與晶片襯底的刻劃關(guān)聯(lián)的參數(shù)的示例流程圖。
[0015]相同附圖標記在各圖中始終表示相似或相應(yīng)的特征或功能。各圖被包含以用于圖示目的并且不是旨在限制本發(fā)明的范圍。
【具體實施方式】
[0016]在下述說明書中，為了解釋而非限制的目的，給出諸如具體架構(gòu)、界面、技術(shù)等的特定細節(jié)，從而提供對本發(fā)明的構(gòu)思的徹底理解。然而本領(lǐng)域技術(shù)人員將顯見，本發(fā)明可以在背離這些特定細節(jié)的其它實施例中實踐。類似地，此說明書的文本涉及如各圖中所圖示的示例實施例，并且不旨在將所要求保護的發(fā)明限制為超出權(quán)利要求中明確包括的限制。為了簡化和清楚的目的，省略了對公知的器件、電路和方法的詳細描述從而不由于不必要的細節(jié)而模糊本發(fā)明的說明書。
[0017]圖1圖示第一晶片100和第二晶片200的示例結(jié)合。第一晶片100可以包括形成于襯底110上的功能結(jié)構(gòu)120。功能結(jié)構(gòu)120可以包括例如生長在生長襯底110上的多個半導(dǎo)體器件125。在半導(dǎo)體發(fā)光器件的領(lǐng)域中，例如，器件125可以包括由生長在藍寶石襯底110上的一系列η型和P型層形成的一個或多個發(fā)光元件。區(qū)域126可以用于分離或隔離器件125，并且可以提供這樣的特征，所述特征促進將晶片100切割/劃片為單個器件125。
[0018]如本領(lǐng)域中所知，通過移除藍寶石襯底110并且粗糙化第一生長層(其典型地為η型GaN層)，可以提高光提取效率；光隨后從經(jīng)粗糙化層被提取，所述經(jīng)粗糙化層在圖1中將是結(jié)構(gòu)120的最頂層。在結(jié)構(gòu)120的最底層，導(dǎo)電層可以形成并且被圖案化從而提供墊片(pad)或接觸135，所述墊片或接觸促進將每個發(fā)光器件125耦合到外部電源。
[0019]盡管結(jié)構(gòu)120可以含有許多剛性很高的層，諸如半導(dǎo)體、金屬和電介質(zhì)，但是結(jié)構(gòu)120并且特別是器件125可能并不具有允許結(jié)構(gòu)120或器件125由后續(xù)制作工藝處理和/或進行后續(xù)制作工藝的結(jié)構(gòu)完整性。因此，在襯底110被移除之前，結(jié)構(gòu)120可以安裝在不同襯底上，此不同襯底提供所需的結(jié)構(gòu)完整性。晶片200的襯底210可以提供此結(jié)構(gòu)完整性，并且允許將器件125耦合到外部電源或其它電路。該耦合可以由被用作底座的第二晶片200的一部分提供。
[0020]在示例性實施例中，第一晶片100上的器件125器件以及第二晶片200的節(jié)段布設(shè)在器件/底座的矩形格柵中。每個器件可以與單一底座對齊，但是諸如單一底座上的多個器件或多個底座上的單一器件的其它布置也被考慮到并且被包括在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
[0021]2011 年 8 月 10 日 Marc de Samber 和 Eric van Grunsven 提交的共同待審的美國專利申請 61/521783，"WAFER LEVEL PROCESSING OF LEDS USING CARRIER WAFER"公開了使用具有通孔(通路)的底座晶片，所述通孔與生長襯底上的LED結(jié)構(gòu)上的相應(yīng)接觸區(qū)域?qū)R，并且該美國專利申請通過引用結(jié)合于此。在將兩個晶片結(jié)合在一起之后，該組合被加工以允許在這些通路中形成導(dǎo)體，這些導(dǎo)體由此通過所述通路將所述接觸延伸到LED結(jié)構(gòu)。
[0022]盡管不限于此示例，底座晶片200的襯底210為硅。通路235位于襯底210內(nèi)，使得它們與電連接到器件125的接觸135對齊。在典型地使用粘合劑結(jié)合層將晶片100結(jié)合到晶片200之后，任何殘余結(jié)合材料從通路235被移除，并且諸如銅的導(dǎo)電材料被用于填充通路235并且在襯底210的下表面上形成墊片(未示出)，由此促進到器件125的(多個)外部連接。
[0023]如上文指出，在結(jié)合晶片100、200之后，原始生長層110可以被移除，并且所生長的結(jié)構(gòu)120的最頂層可以被加工以促進高效光提取。這些工藝以及其它工藝可能受所結(jié)合的晶片的任何翹曲負面地影響。
[0024]為了減小可能翹曲，同時仍為器件125提供結(jié)構(gòu)支持，底座晶片可以刻劃形成有多個槽250?？虅澋鬃r底210將減小其整體剛性，允許其在需要時彎曲以緩解某些張力，所述張力可能由于襯底110、210之間的熱膨脹系數(shù)(CTE)差異引起，或者由于其它加工效應(yīng)引起。
[0025]如圖1中所圖示，槽250優(yōu)選地定位為使得在器件125被切割時它們不位于器件125下方。因此，槽250可以沿著與將用于切割器件的線路(lines)相同的線路定位，所述線路典型地直接位于器件125之間的邊界區(qū)域126下方。因而，槽可以與器件/底座的“格柵”對齊。
[0026]圖1圖示槽250由4個器件125分隔開，不過如虛線的可能的槽250’所圖示，槽250可以一起隔得更近或者更遠。具體間距或節(jié)距將基于諸多因素來選擇，所述因素包括與制作每個槽關(guān)聯(lián)的成本以及槽的具體特性，如圖2-4所詳細說明。
[0027]圖2圖示由節(jié)距P分離的兩個槽250 ;典型地，此節(jié)距將定義為各槽之間的整數(shù)個器件。節(jié)距P越大，對于給定晶片尺寸所需的槽越少。典型地，節(jié)距P相對于器件/底座的格柵在水平方向和豎直方向上將是相同的，從而形成器件的正方形，不過不要求這種均勻性。類似地，不要求跨過晶片的均勻節(jié)距，并且槽可以僅僅在一個維度上取向。為了容易參考和理解，針對圖3和4的分析，假設(shè)在兩個取向中節(jié)距相等。
[0028]通過對襯底210形成槽，襯底210的〃有效厚度〃在槽位置從其原始厚度T減小。經(jīng)調(diào)整晶片的"有效厚度"通常定義為提供與經(jīng)調(diào)整(有槽的)晶片相同剛性的未經(jīng)調(diào)整(無槽的)晶片的厚度。諸多統(tǒng)計結(jié)果中的任意一種，諸如’最大’剛性或’平均’剛性，可以用于定義此等效量。
[0029]減小節(jié)距P則減小有效厚度，這是因為有槽的晶片的’剛性’行為類似于較薄晶片的行為。類似地，有效厚度也取決于槽的深度D以及其寬度W。增大深度D或?qū)挾萕將減小有效厚度。在示例實施例中，晶片厚度T可以為200um，槽的深度D可以為150um，并且槽的寬度W可以為lOOum。典型地，深度D將在厚度T的40-80%的范圍內(nèi)，并且寬度W將在器件的寬度的5-20%的范圍內(nèi)。
[0030]有限元分析(FEA)通常用于基于材料的形狀和其它特性來評估材料性能變化。圖3圖示使用上述槽尺度(T=200um, D=150um, W=IOOum)以及Immxlmm的示例器件尺寸,娃襯底210的有效厚度與槽的節(jié)距P的函數(shù)的曲線300。
[0031]如圖3中所圖示，如果槽的節(jié)距P使得每個器件之間存在一個槽(節(jié)距=1)，則有效厚度310小于實際晶片厚度T的一半。如果槽的節(jié)距使得每隔10個器件存在一個槽(節(jié)距=10)，有效厚度320為實際晶片厚度的大約80%。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認識到，可以生成作為每個其它槽和襯底尺度的函數(shù)的有效厚度的類似曲線。
[0032]圖4圖示有效晶片翹曲作為有效晶片(waver)厚度的函數(shù)的曲線。有效晶片翹曲可以是與將在厚度等于有效晶片厚度的未經(jīng)調(diào)整(無槽的)晶片中發(fā)生的晶片翹曲有關(guān)的任何統(tǒng)計結(jié)果，諸如最大翹曲或平均翹曲。
[0033]曲線410、420圖示，當示例200um硅襯底210使用在兩個不同溫度的結(jié)合工藝而被結(jié)合到厚度約為1.3mm的前述藍寶石襯底時，可能經(jīng)歷的有效翹曲。曲線410對應(yīng)于在200°C下示例使用BCB (苯并環(huán)丁烯)結(jié)合層，并且曲線420對應(yīng)于在150°C下示例使用Epotek 377結(jié)合層。這些曲線可以用于確定最大有效底座厚度以實現(xiàn)給定最大晶片翅曲，并且反之亦然。
[0034]例如，如果最大晶片翹曲在此示例中為250um，如圖4中的線430所指示，則BCB結(jié)合的硅襯底的有效厚度不能超過大約125um(415);并且Epotek 377結(jié)合的襯底210的有效厚度不能超過大約165um(425)。
[0035]在圖4中還圖示了對應(yīng)于上文關(guān)于圖3示例晶片所討論的兩個節(jié)距的豎直線440、450。豎直線440對應(yīng)于提供大約90um(200um的45%)的有效厚度的為I的節(jié)距。如果Epotek377結(jié)合的襯底在此節(jié)距被使用，則有效晶片翹曲將為大約150um(445)，這低于250um的前述最大晶片翹曲(430)。類似地，如果BCB結(jié)合的襯底在此節(jié)距被使用，則有效晶片翹曲將為大約200um(446)，這也低于250um的最大晶片翹曲(430)。
[0036]另一方面，豎直線450對應(yīng)于在圖3的示例晶片中為10的節(jié)距，其提供大約160um(200um的80%)的有效厚度。如果Epotek 377結(jié)合的襯底(420)采用此節(jié)距被使用，則有效翹曲將剛好低于(455)250um的最大晶片翹曲(430)。然而，在BCB結(jié)合的襯底上使用為10的節(jié)距(410)將導(dǎo)致大約340um的有效翹曲(456)，這超過250um的最大限制(430)。類似分析可以應(yīng)用于不同節(jié)距和不同晶片襯底，從而確定所選擇的晶片材料和節(jié)距滿足所指定的最大有效晶片翅曲。
[0037]在圖5中給出用于確定用于刻劃襯底的優(yōu)選參數(shù)的示例流程圖。
[0038]關(guān)于圖1和2，重要的是注意，由于槽250基本上定位在器件125的邊界處，并且不出現(xiàn)在器件125的區(qū)域內(nèi)，就每個器件125而言襯底210的有效厚度沒有減小，并且保持在底座襯底210的原始厚度T。因此，如圖5的示例流程圖中所圖示，在本發(fā)明的典型實施例中，在510，基于在任意制作和后制作工藝期間需要被提供給器件125的結(jié)構(gòu)支持，選擇/確定給定材料的底座襯底210的厚度T。附加地，在520，典型地基于針對任意單個制作工藝所允許的容差，還定義了在切割之前的最大容許翹曲。
[0039]給定這些參數(shù)(選定的襯底材料和厚度，最大容許翹曲)，以及諸如預(yù)期結(jié)合溫度的其它參數(shù)，在530，使用例如圖4的曲線410、420、430，可以確定襯底的最大有效厚度。也就是說，如果最大翹曲為250um，并且BCB結(jié)合的襯底將被使用，則最大有效翹曲厚度為大約125um(415);如果Epotek 377結(jié)合的襯底將被使用，則最大有效翹曲厚度為大約165um(425)。
[0040]在540，如果所選擇的襯底210的厚度T低于此最大有效厚度，則在襯底210中不
需要槽。
[0041]然而在540，如果襯底210的給定厚度T大于最大有效厚度，則襯底210的有效厚度可以通過刻劃來減小。這種情況下，在550，可以執(zhí)行FEA或類似分析，從而確定用于減小襯底210有效厚度的槽的節(jié)距、深度和寬度的恰當選擇，直至所述有效厚度變?yōu)榈陀谒_定的最大有效厚度。
[0042]在560，在襯底210中形成槽。如上文指出，槽的所選擇的節(jié)距優(yōu)選地為沿著給定維度的器件125寬度的整數(shù)倍，并且槽與器件125之間的邊界對齊，由此保留支持每個器件125的襯底210的總厚度T0
[0043]盡管本發(fā)明已經(jīng)在附圖和前述說明書中予以圖示和描述，這種圖示和描述被認為是圖示性或示例性的并且不是限制性的；本發(fā)明不限于所公開的實施例。
[0044]例如，有可能在其中不執(zhí)行槽特性的形式分析的實施例中操作本發(fā)明。認識到例如添加槽促進或改善后續(xù)工藝和/或所封裝器件的后續(xù)可靠性，則可以添加在與制作器件關(guān)聯(lián)的成本約束內(nèi)所可承受的盡可能多的槽。類似地，諸如"每個維度內(nèi)一個槽"的最低成本選擇可以被設(shè)置成為用于所有結(jié)合的晶片的標準，由附加的解析分析來判定附加的槽是否合理。
[0045]附加地，盡管本發(fā)明是在在結(jié)合之前刻劃襯底的上下文中給出，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將認識到刻劃可以發(fā)生在結(jié)合之后，但是發(fā)生在可能引入翹曲的某些后續(xù)工藝之前。
[0046]類似地，盡管本發(fā)明是在刻劃底座襯底的上下文中給出，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將認識到通過刻劃生長襯底可以實現(xiàn)類似優(yōu)點?？虅澤L襯底的優(yōu)點在于，如果生長襯底將在后續(xù)被移除，槽不需要對齊到器件的邊界。本領(lǐng)域技術(shù)人員還將認識到，可以使用兩個襯底都刻劃，例如從而實現(xiàn)通過僅僅刻劃一個襯底不可能實現(xiàn)的目標。
[0047]本領(lǐng)域技術(shù)人員在實踐所要求保護的發(fā)明時，通過研究附圖、公開內(nèi)容以及所附權(quán)利要求，可以理解和達成對所公開的實施例的其它變型。在權(quán)利要求中，單詞"包括"不排除其它元件或步驟，并且不定冠詞〃一〃 (〃a〃或〃an")不排除多個。單一工藝或其它單元可以完成權(quán)利要求中列舉的若干項目的功能。在互不相同的從屬權(quán)利要求中陳述某些措施的純粹事實不表示不能用有利地使用這些措施的組合。計算機程序可以存儲/分布于合適介質(zhì)，諸如與其它硬件一起或者作為其它硬件的一部分被供應(yīng)的光學(xué)存儲介質(zhì)或固態(tài)介質(zhì)，但是也可以以其它形式分布，諸如經(jīng)由因特網(wǎng)或者其它有線或無線遠程通信系統(tǒng)。權(quán)利要求中的任何附圖標記不應(yīng)解讀為限制范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種結(jié)構(gòu)，包括: 第一半導(dǎo)體晶片，以及 第二晶片，所述第二晶片結(jié)合到所述第一晶片， 其中所述第一晶片和第二晶片至少其一被刻劃形成有多個槽，所述槽布置成減小所結(jié)合的結(jié)構(gòu)的翹曲。
2.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中所述第一半導(dǎo)體晶片包括多個半導(dǎo)體器件。
3.如權(quán)利要求2所述的結(jié)構(gòu)，其中所述半導(dǎo)體器件包括發(fā)光器件。
4.如權(quán)利要求2所述的結(jié)構(gòu)，其中所述槽與所述半導(dǎo)體器件之間的邊界對齊。
5.如權(quán)利要求4所述的結(jié)構(gòu)，其中所述第二晶片包括底座襯底，所述底座襯底被刻劃形成有所述多個槽。
6.如權(quán)利要求5所述的結(jié)構(gòu)，其中所述底座襯底具有厚度T，并且所述槽具有介于所述厚度T的40%和80%之間的深度D。
7.如權(quán)利要求5所述的結(jié)構(gòu)，其中所述半導(dǎo)體器件具有器件寬度，并且所述槽具有介于所述器件寬度的5%和20%之間的槽寬度。
8.一種方法，包括: 在包括生長襯底的第一晶片上形成多個半導(dǎo)體器件，以及 將所述第一晶片結(jié)合到第二晶片，所述第二晶片包括底座襯底， 其中所述生長襯底或底座襯底至少其一被刻劃形成有多個槽，所述槽布置成減小所結(jié)合的襯底的翹曲。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，包括刻劃至少一個襯底。
10.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述多個槽與所述半導(dǎo)體器件之間的邊界對齊。
11.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述半導(dǎo)體器件包括發(fā)光器件。
12.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述底座襯底被刻劃形成有所述多個槽。
13.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述底座襯底具有厚度T，并且所述槽具有介于所述厚度T的40%和80%之間的深度D。
14.如權(quán)利要求8所述的方法，其中 所述半導(dǎo)體器件具有器件寬度，并且所述槽具有介于所述器件寬度的5%和20%之間的槽寬度。
15.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述生長襯底包括藍寶石，并且所述底座襯底包括硅。
【文檔編號】H01L21/20GK103907175SQ201280051691
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2012年10月5日 優(yōu)先權(quán)日:2011年10月21日
【發(fā)明者】M.A.德薩伯, E.C.E.范格倫斯文, R.A.B.恩格倫 申請人:皇家飛利浦有限公司