具有取决于在裸片上的位置的定向或几何形状或在支柱与裸片垫片之间形成有图案化结构以用于减少热应力的顺应互连支柱

摘要

具有定向顺应性几何形状的支柱(300、306、502)经布置以将半导体裸片(400、500)耦合到衬底。每一支柱(300、306、502)的最大顺应性方向可与由所述半导体裸片(400、500)和所述衬底的不相等热膨胀和收缩引起的最大应力的方向对准。支柱(300、306、502)可以用各种形状进行设计和构造，所述形状具有特定的顺应性特征和特定的最大顺应性方向(302、304、308、310、504)。所述支柱(300、306、502)的形状和定向可随着其在裸片(400、500)上的位置而变来选择，以适应在其位置处的应力的方向和量值。支柱(610)还可以如下方式用特定的形状来制造：在裸片(600)上的垫片上图案化例如钝化材料等材料(604)以增加所述支柱(610)电镀或沉积在其上的表面区域。

说明书

技术领域

本发明属于半导体封装领域，并且更确切地说属于半导体封装中的铜支柱互连件的 领域。

背景技术

集成电路(IC)制造过程生产具有减少的节点间距的IC，所述间距在(例如)48nm与 28nm节点的范围内。具有极低介电常数(ELK)的材料已经被用于适应减少的节点间距并 且用于增强以此小节点间距生产的IC的电气性能。ELK材料可包含相对较多孔的材料， 所述材料可能容易响应于某些应力而开裂。

由例如铜等较为刚性的导电材料构造的互连支柱已与焊料一起用于半导体裸片与 衬底之间的某些焊料凸块连接中。例如，在电子封装中，倒装芯片可包含从裸片或晶片 上的触点延伸到衬底上的焊料连接的支柱。焊料连接可为(例如)垫片上焊料(SOP)连接。

通过允许非常高密度的互连件，支柱的使用提供了对早期半导体互连技术的改进。 与早期焊料结构相比，支柱的冶金特性允许较小的间距连接以维持半导体裸片与其所连 接的衬底之间的恰当相隔距离。铜支柱的使用还减少了互连件中的电迁移(EM)。然而， 铜支柱的使用可使后端硅结构更容易在封装装配期间开裂。

在倒装芯片的处理期间，衬底和半导体裸片受到实质的加热和冷却。半导体裸片可 由例如具有约为2.6×10^-6／℃的热膨胀系数(CTE)的硅等材料构造，并且衬底可具有在约 15×10^-6／℃到约17×10^-6／℃的范围内的CTE。衬底与裸片之间的CTE失配导致衬底在加 热和冷却循环期间膨胀和收缩多于裸片。在包含具有铜支柱而非传统焊料凸块的互连件 以适应较精细凸块间距的封装中，支柱的铜可能不能发生足够的变形以承受由裸片与衬 底之间的热膨胀失配引起的应力。铜支柱的较高杨氏模量使得较多应力被“传递”到裸 片的敏感ELK层。这增加了倒装芯片类型互连件的ELK层开裂的可能性。由于极低介 电常数(ELK)层中的高应力导致的此类开裂为半导体封装的常见故障。

发明内容

为了更完整地理解本发明，现在参考以下详细描述和附图。在一示范性实施例中， 提供了用于倒装芯片互连件的支柱。支柱包含导电材料，例如铜、金或银。

根据本发明的一方面的设备包含半导体裸片和安置在半导体裸片的表面上的至少 一个导电垫片。至少一个支柱耦合到导电垫片。支柱具有界定每一支柱的顺应方向的非 均匀顺应性几何形状。

根据本发明的另一方面，设备包含半导体裸片和安置在半导体裸片的表面上的多个 导电垫片。具有第一支柱几何形状的第一支柱在半导体裸片上的第一位置处耦合到导电 垫片中的一者。第二支柱具有不同于第一支柱几何形状的第二支柱几何形状。第二支柱 在半导体裸片上的第二位置处耦合到导电垫片中的不同一者。

本发明的另一方面提供了用于封装半导体裸片的方法。所述方法包含在半导体裸片 的表面上制造多个导电垫片。具有第一支柱几何形状的第一支柱半导体裸片上的第一位 置处沉积在导电垫片中的一者上。具有不同于第一支柱几何形状的第二支柱几何形状的 第二支柱半导体裸片上的第二位置处沉积在导电垫片中的不同一者上。

本发明的另一方面提供了用于封装半导体裸片的设备。所述设备包含用于在半导体 裸片的表面上制造导电垫片的装置，以及用于在半导体裸片上的第一位置处在导电垫片 中的一者上沉积具有第一支柱几何形状的第一支柱的装置。所述设备还包含用于在半导 体裸片上的第二位置处在导电垫片中的不同一者上沉积具有不同于第一支柱几何形状 的第二支柱几何形状的第二支柱的装置。

这已经相当宽泛地概述了本发明的特征和技术优点，从而使得可以更好地理解下文 的具体实施方式。下文将描述本发明的另外的特征和优点。所属领域的技术人员应了解， 可以容易地利用本发明作为基础来修改或设计其它用于实现本发明的相同目标的结构。 所属领域的技术人员还应认识到，此类等效构造不会脱离如在所附权利要求书中所阐述 的本发明的教示。当结合附图进行考虑时，将从以下描述更好地理解据信为本发明的特 征的新颖特征(均关于其组织和操作方法)连同另外的目标和优点。然而，应明确地理解， 仅出于说明和描述的目的而提供各图中的每一者，且其不希望作为对本发明的限制的界 定。

附图说明

附图经呈现以辅助各实施例的描述。附图仅提供用于各实施例的说明而非其限制。

图1为图示了在附接之前的常规倒装芯片封装的图式。

图2为在附接之后图1的常规倒装封装的示意图。

图3A和3B为根据本发明的各方面具有特定的最大顺应性方向的支柱的示意图。

图4为图示了在半导体裸片上的不同位置处的不同应力量值的图式。

图5为图示了根据本发明的一方面具有与局部最大应力对准的最大顺应性方向的支 柱的放置和定向的图式。

图6A到6F为图示了根据本发明的各方面用于在半导体裸片上形成成形的支柱的过 程的示意图。

图7为展示了根据本发明的各方面将半导体裸片耦合到衬底的过程流程图。

图8为展示了示范性无线通信系统的框图，在所述无线通信系统中可有利地采用具 有成形支柱的耦合到衬底的半导体裸片。

具体实施方式

参考图1，其描述了常规的倒装芯片封装设计。倒装芯片封装100包含裸片或晶片 102，其中支柱104从所述裸片或晶片延伸。当裸片或晶片102耦合到衬底106上时， 倒装芯片封装100完成。焊料凸块108安置在衬底106上以用于耦合到支柱104。例如， 在图2中，焊料材料108耦合到支柱104并且形成导电连接200。尽管图2中仅展示了 一个导电连接200，但支柱104与焊料凸块108之间可存在多个导电连接。

常规支柱具有对称几何形状并且确实包含任何特定的方向性。例如，用于半导体封 装中的常规支柱大体为圆柱形并且通过垫片上焊料(SOP)连接形成与衬底的导电互连。 为了减少ELK层对开裂的易受性并且增加ELK层的稳健性，本发明的各方面提供了在 半导体裸片或晶片上的方向定向支柱设计。这减少了在ELK层上的应力。

参考图3A，其描述了根据本发明的一个方面的方向定向支柱300。在此实施例中， 如在顶视图中所示，支柱300包含大体为矩形的横截面。由于矩形的几何形状，支柱300 对在矩形的较短边的方向(展示为“Y”方向)上的应力比在矩形的较长边的方向(展示为 “X”方向)上的应力更加顺应。因此，支柱300的最大顺应性的方向302、304与“X” 方向正交。

尽管矩形支柱300在两个方向302、304上是顺应的，但本发明的替代方面沿着相 同直线提供了不同形状的支柱，所述支柱可具有最大顺应性的单个方向或最大顺应性的 多个不同方向。例如，图3B展示了具有沿着不同直线定向的两个顺应性方向308和310 的V形支柱306。在另一方面中，支柱内的材料的不同高度可以经设计以影响顺应性几 何形状，如图6A到6F中所示。

裸片与衬底的失配热膨胀导致裸片和衬底的在裸片的一些区域中较多的相对位移 以及在裸片的其它区域中的较少相对位移。例如，如果裸片相对于衬底居中，那么裸片 的中心部分可能经受相对于衬底的中心部分的极小位移或无位移。相反，裸片的边缘可 能经受相对于衬底的边缘部分的显著位移。这些不同的相对位移导致支柱上的应力随着 在裸片上的位置而变化。图4展示了裸片400的顶视图，其中由于失配热膨胀导致的支 柱上的应力由箭头的长度展示。

图5展示了本发明的一方面，其中支柱502经成形以具有最大顺应性方向。支柱502 随着其在裸片500上的位置而变在裸片500上定向，使得其每一支柱502的最大顺应性 方向504对应于由于裸片500与衬底(未图示)的CTE失配导致的最大应力方向。

除随着其在裸片上的位置而变来定向类似地成形的支柱之外，本发明的各方面还可 包含随着其在裸片上的位置而变使用不同地成形的支柱。例如，靠近裸片的中心而定位 且因此受到极小的由于CTE失配而导致的应力的支柱可具有圆形横截面，所述圆形横截 面不具有特定的最大顺应性方向。在同一裸片上，靠近边缘而定位的支柱可具有吸收由 于CTE失配而导致的较大应力的矩形横截面。

本发明的另一方面提供了用于沉积材料以在半导体裸片上形成各种形状的支柱的 方法。参考图6A，所述方法包含在裸片600的将提供支柱的区域上在例如钝化材料等 材料604中沉积或蚀刻图案602。图案602包含在需要增加的支柱高度的位置处增加的 表面区域以及在需要较低的支柱高度处的较少的表面区域。

展示为图6A中的横截面的示范性图案602包含一系列环603、603′、603"，其中图 案中的不同位置根据环的图案密度提供不同的表面区域。图案602的表面区域靠向内环 603处相对较大，在所述内环中，这些环与它们靠近外环603"间隔相比间隔得更加紧密。 根据本发明的各方面，图案602靠向内环603的较大表面区域增加了在图案602的中心 的支柱高度，且图案602靠向外环603"的较小表面区域导致靠向图案602的外边缘的减 少的支柱高度。

参考图6B，使用例如物理气相沉积(PVD)工艺在钝化层604上沉积第一凸块下金属 化层(UBM-1)606。参考图6C，随后将光致抗蚀剂图案608应用于支柱区域周围。在图 6D中，执行高加速器电镀以通过电镀到其中存在UBM-1层的较高表面区域的较高厚度 来形成支柱610。在图6E中，可将焊料612涂覆到支柱610上。在图6F中，剥除光致 抗蚀剂图案且从裸片600蚀刻掉邻近于支柱的UBM材料。

图7为根据本发明的各方面用于将半导体裸片耦合到衬底的过程流程图。在框702 中，在半导体裸片的表面上的不同位置处制造导电垫片。在框704中，在导电垫片中的 一者上沉积具有第一支柱几何形状的第一支柱。在框706中，将具有与第一支柱不同的 几何形状的第二支柱沉积到导体垫片中的不同一者上。在框708中，将衬底通过支柱耦 合到半导体裸片。

图8展示了示范性无线通信系统800，其中可以有利地采用具有改进的倒装芯片互 连件的电子封装的一实施例。为了说明的目的，图8展示了三个远程单元820、830和 850，以及两个基站840。应认识到，典型的无线通信系统可具有更多远程单元和基站。 远程单元820、830和850以及基站840中的任一者可包含具有例如本文所揭示的改进 倒装芯片互连件的电子封装。图8展示了来自基站840以及远程单元820、830和850 的前向链路信号880，以及从远程单元820、830和850到基站840的反向链路信号890。

在图8中，将远程单元820展示为移动电话，将远程单元830展示为便携式计算机， 且将远程单元850展示为在无线本地环路系统中的固定位置远程单元。例如，远程单元 可以为手机、手持式个人通信系统(PCS)单元、例如个人数据助理等便携式数据单元， 或例如仪表读取设备等固定位置数据单元。尽管图8图示了可包含具有如本文所揭示的 改进倒装芯片互连件的电子封装的某些示范性远程单元，但封装不限于这些示范性图示 的单元。可在需要具有改进倒装芯片互连件的电子封装的任何电子装置中适当采用实施 例。

鉴于根据铜支柱描述了本发明的某些方面，但应理解，根据本发明的各个方面，例 如镍、金和银等其它材料也可用于形成支柱。

尽管贯穿本发明使用术语“支柱”来描述用于将半导体裸片耦合到衬底的特定结 构，但应理解，例如“柱”和“凸块”等的各种其它术语通常也用于相同的一般类型的 结构。尽管贯穿本发明使用了术语“互连件”，但应理解，例如“连接”和“接点”等 各种其它术语也用于描述相同类型的结构。

虽然上文已揭示了并入有本发明的原理的示范性实施例，但是本发明不限于所揭示 的实施例。实际上，本申请案意图涵盖使用本发明的一般原理的任何本发明的变体、用 途或改动。此外，本申请案意图涵盖在本发明所涉及并且落在所附权利要求书的限制内 的领域中的已知或惯常做法内的与本发明的此类偏离。