[發明專利]三維芯片堆疊件及其形成方法

在審

• 申請號: 201410033284.4
• 申請日: 2014-01-23
• 公開（公告）號: CN104425437A
• 公開（公告）日: 2015-03-18
• 發明（設計）人: 陳偉銘;謝正賢;黃松輝;許國經
• 申請（專利權）人: 臺灣積體電路制造股份有限公司
• 主分類號: H01L23/52
• 分類號: H01L23/52;H01L21/768
• 代理公司: 北京德恒律治知識產權代理有限公司 11409
• 代理人: 章社杲;孫征

技術領域

本發明一般地涉及半導體技術領域，更具體地，涉及三維芯片堆疊件及其形成方法。

背景技術

在嘗試進一步增加電路密度的過程嘗試中，已經對三維集成電路（3DIC）進行了研究。在3DIC的典型形成工藝中，兩個芯片接合在一起，且在襯底上的每一個芯片和接觸焊盤之間形成電連接。例如，可以通過將一個芯片附接在另一個芯片的頂部上來完成接合兩個芯片。然后，將堆疊式芯片接合至載體襯底，且接合引線將每一個芯片上的接觸焊盤電連接至載體襯底上的接觸焊盤。然而，這需要載體襯底大于芯片，以用于引線接合。最近的嘗試更多地集中于倒裝芯片互連件和導電球/凸塊的使用以在芯片和下方的襯底之間形成連接，從而允許在相對較小的封裝件中實現高布線密度。傳統芯片堆疊所使用的焊料接點包括焊料、助焊劑和底部填充物。所有這些工藝在間距、接點高度和助焊劑殘留物上均具有缺陷和局限性。

發明內容

為了解決現有技術中所存在的缺陷，根據本發明的一方面，提供了一種三維芯片堆疊件，包括：第一芯片，包含第一襯底；和第二芯片，包含第二襯底；其中，所述第一芯片接合至所述第二芯片以在所述第一襯底和所述第二襯底之間形成接合的互連件，所述接合的互連件包括：位于所述第一襯底上方的第一導電柱、位于所述第二襯底上方的第二導電柱、及介于所述第一導電柱和所述第二導電柱之間的接合結構；以及所述接合結構包括：鄰近所述第一導電柱的第一金屬間化合物（IMC）區域、鄰近所述第二導電柱的第二IMC區域及介于所述第一IMC區域和所述第二IMC區域之間的金屬化層。

在該三維芯片堆疊件中，所述金屬化層包括銅層。

在該三維芯片堆疊件中，所述第一IMC區域包括銅和錫。

在該三維芯片堆疊件中，所述第二IMC區域包括銅和錫。

在該三維芯片堆疊件中，所述第一導電柱包括銅柱。

在該三維芯片堆疊件中，所述第一導電柱包括位于所述銅柱上的金屬覆蓋層。

在該三維芯片堆疊件中，所述金屬覆蓋層包括鎳層。

在該三維芯片堆疊件中，所述第一IMC區域包括銅、錫和鎳。

在該三維芯片堆疊件中，所述第二導電柱包括銅柱。

在該三維芯片堆疊件中，所述第二導電柱包括位于所述銅柱上的金屬覆蓋層。

在該三維芯片堆疊件中，所述金屬覆蓋層包括鎳層。

在該三維芯片堆疊件中，所述第二IMC區域包括銅、錫和鎳。

根據本發明的另一方面，提供了一種形成三維芯片堆疊件的方法，包括：在第一半導體襯底上形成第一凸塊結構，其中，所述第一凸塊結構包括：第一導電柱和位于所述第一導電柱的頂部上的第一焊料層；在第二半導體襯底上形成第二凸塊結構，其中，所述第二凸塊結構包括：第二導電柱、位于所述第二導電柱的頂部上的第二焊料層及位于所述第二焊料層上的金屬化層；將所述第一凸塊結構附接至所述第二凸塊結構；以及實施熱回流工藝以在所述第一導電柱和所述金屬化層之間形成第一金屬間化合物（IMC）區域，并且在所述第二導電柱和所述金屬化層之間形成第二IMC區域。

在該方法中，所述金屬化層包括銅層，并且所述第一IMC區域包括銅和錫。

在該方法中，所述第一導電柱包括銅柱。

在該方法中，所述第一導電柱包括位于所述銅柱和所述第一焊料層之間的金屬覆蓋層。

在該方法中，所述金屬覆蓋層包括鎳層。

該方法進一步包括：在將所述第一凸塊結構附接至所述第二凸塊結構之前，將所述第一焊料層形成為半球形焊料層。

根據本發明的又一方面，提供了一種形成三維芯片堆疊件的方法，包括：接收包括在第一半導體襯底上所形成的第一凸塊結構的第一芯片，其中，所述第一凸塊結構包括第一導電柱和位于所述第一導電柱的頂部上的第一焊料層；接收包括位于第二半導體襯底上的第二凸塊結構的第二芯片，其中，所述第二凸塊結構包括第二導電柱、位于所述第二導電柱的頂部上的第二焊料層、和位于所述第二焊料層上的金屬化層；以及通過將所述第一凸塊結構附接至所述第二凸塊結構來將所述第一芯片接合至所述第二芯片；其中，在所述第一導電柱和所述金屬化層之間形成包括銅和錫的第一金屬間化合物（IMC）區域，并且在所述第二導電柱和所述金屬化層之間形成包括銅和錫的第二IMC區域。

在該方法中，所述金屬化層包括銅層。

附圖說明

圖1至圖4是根據至少一個實施例在第一芯片上制造第一凸塊結構的各個階段的截面圖；