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DE102013104970B4 - Gekapselte Halbleitervorrichtungen und Kapselungsvorrichtungen und -verfahren - Google Patents

Gekapselte Halbleitervorrichtungen und Kapselungsvorrichtungen und -verfahren Download PDF

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DE102013104970B4
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conductive
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integrated circuit
circuit chip
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Po-Hao Tsai
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Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
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Abstract

Verfahren zum Kapseln einer Halbleitervorrichtung, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
Bereitstellen eines ersten integrierten Schaltkreischips, wobei der erste integrierte Schaltkreischip mit einer ersten Oberfläche eines Substrats verbunden ist, das eine Mehrzahl von Substrat-Durchkontaktierungen umfasst, die darin angeordnet sind,
wobei die Mehrzahl der Substrat-Durchkontaktierungen vertikale elektrische Verbindungen von der ersten Oberfläche zu der zweiten Oberfläche des Substrats bereitstellen;
Verbinden einer leitenden Kugel mit jedem der Mehrzahl von Substrat-Durchkontaktierungen auf einer zweiten Oberfläche des Substrats, wobei die zweite Oberfläche der ersten Oberfläche des Substrats entgegengesetzt ist;
Verbinden eines zweiten integrierten Schaltkreischips mit der zweiten Oberfläche des Substrats;
Ausbilden einer Formmasse über den leitenden Kugeln, dem zweiten integrierten Schaltkreischip und der zweiten Oberfläche des Substrats;
Entfernen der Formmasse von einer oberen Fläche der leitenden Kugeln;
Ausbilden einer Vertiefung in der oberen Fläche der leitenden Kugeln, wobei die Vertiefung unter einer Oberfläche der Formmasse liegt; und
Ausbilden einer Verteilungsschicht über der oberen Fläche der leitenden Kugeln und der Formmasse.

Description

  • HINTERGRUND
  • Halbleitervorrichtungen werden in einer Vielzahl von elektronischen Anwendungen verwendet, wie etwa beispielsweise PCs, Mobiltelefonen, Digitalkameras und anderer elektronischer Ausrüstung. Halbleitervorrichtungen werden üblicherweise hergestellt, indem nacheinander isolierende oder dielektrische Schichten, leitende Schichten und Halbleiterschichten aus einem bestimmten Material über einem Halbleitersubstrat abgelagert werden und die verschiedenen Materialschichten mittels Lithographie strukturiert werden, um Schaltungskomponenten und -elemente darauf auszubilden. Dutzende oder Hunderte von integrierten Schaltkreisen werden üblicherweise auf einem einzigen Halbleiterwafer hergestellt. Die einzelnen Chips werden vereinzelt, indem die integrierten Schaltkreise entlang einer Risslinie zersägt werden. Die einzelnen Chips werden dann beispielsweise einzeln, in Mehrchip-Modulen oder anderen Arten von Gehäusen gekapselt, was man auch als „packaging“ bezeichnet.
  • Die Halbleiterbranche fährt damit fort, die Integrationsdichte von verschiedenen elektronischen Komponenten (z.B. Transistoren, Dioden, Widerständen, Kondensatoren etc.) zu verbessern, indem sie die minimale Merkmalgröße kontinuierlich verringert, was es ermöglicht, dass mehr Komponenten in eine vorgegebene Fläche integriert werden können. Diese kleineren elektronischen Komponenten erfordern auch kleinere Gehäuse, die in manchen Anwendungen weniger Fläche als Gehäuse der Vergangenheit benötigen. 3DICs und Gehäuse-auf-Gehäuse-(Package-on-Package, PoP)-Vorrichtungen sind einige neue Gehäuse-Entwürfe, in denen mehrere Chips vertikal in einem Gehäuse gestapelt werden.
  • Die US 2009/0014858 A1 bezieht sich auf gekapselte Halbleiteranordnungen, spezieller eine Halbleiteranordnung mit einem Support und einem Chip, das Halbleiterbauteile enthält. Eine Umverteilungsstruktur umfasst Leitungen und Durchkontaktierungen, die eine erste Bondstelle mit einer Chip-Bondstelle des Chips verbinden. Die jeweiligen Verbinder sind derart beschrieben, dass sie sich „seitlich“ innerhalb einer dielektrischen Schicht erstrecken, um die Bondstellen zu verbinden.
  • US 2011/0147906 A1 zeigt leitende Kugeln, die innerhalb eines Kapselungsmaterials angeordnet sind und Oberflächen haben können, die „koplanar“ mit Oberflächen des Kapselungsmaterials sind.
  • US 2008/0078810 A1 zeigt eine Kapselungsvorrichtung mit einer Formmassenschicht, in die Lötkugeln eingebettet sind.
  • Figurenliste
  • Für ein vollständigeres Verständnis der vorliegenden Offenbarung und ihrer Vorzüge wird nun auf die folgende Beschreibung Bezug genommen, zusammengenommen mit den beigefügten Zeichnungen, bei denen:
    • 1 bis 13 Schnittansichten sind, die verschiedene Schritte des Verfahrens zum Kapseln („packaging“) von integrierten Schaltkreischips darstellen, in Übereinstimmung mit manchen Ausführungen;
    • 14 und 15 zeigen detailliertere Schnittansichten von Abschnitten der gekapselten Halbleitervorrichtung, die in 13 gezeigt ist; und
    • 16 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Kapseln einer Halbleitervorrichtung darstellt, in Übereinstimmung mit manchen Ausführungen.
  • Entsprechende Bezugszeichen und Symbole in den verschiedenen Figuren beziehen sich im Allgemeinen auf entsprechende Elemente, außer es ist anders angegeben. Die Figuren sind so gezeichnet, dass sie die relevanten Aspekte der Ausführungen klar darstellen und sind nicht notwendigerweise im Maßstab gezeichnet.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON ERLÄUTERNDEN AUSFÜHRUNGEN
  • Manche Ausführungen der vorliegenden Offenbarung beziehen sich auf die Kapselung von Halbleitervorrichtungen. Neue Kapselungsverfahren, Kapselungsvorrichtungen und gekapselte Halbleitervorrichtungen werden hier beschrieben.
  • Die 1 bis 13 sind Schnittansichten, die Verfahren zum Kapseln von integrierten Schaltkreischips darstellen, in Übereinstimmung mit manchen Ausführungen. Bezieht man sich zuerst auf die 1, so ist eine teilweise gekapselte Halbleitervorrichtung 100 vorgesehen. Die teilweise gekapselte Halbleitervorrichtung 100 umfasst einen oder mehrere erste integrierte Schaltkreischips 114a und 114b, die an einem Interposer-Substrat bzw. Zwischensubstrat 102 befestigt sind. Die teilweise gekapselte Halbleitervorrichtung 100 wird mit einem zweiten integrierten Schaltkreischip 130 gekapselt (siehe 4), in Übereinstimmung mit manchen Ausführungen.
  • Bezieht man sich wieder auf die 1, umfasst das Substrat 102 beispielsweise ein Siliziumsubstrat, einen Silizium- oder Glas-Interposer, eine Leiterplatte (Printed Circuit Board, PCB), ein organisches Laminat-Substrat oder eine andere Art von Substrat. Das Substrat 102 umfasst eine Mehrzahl von Durch-Substrat-Kontaktlöchern (Through Substrate Vias, TSVs) 104, die darin angeordnet sind. Die TSVs 104 erstrecken sich von einer ersten Seite 106 des Substrats 102 zu einer zweiten Seite 108 des Substrats 102. Die TSVs 104 umfassen ein leitendes Material und stellen vertikale elektrische Verbindungen von der ersten Seite 106 zu der zweiten Seite 108 des Substrats 102 bereit. Bond-Kontaktstellen (sog. „Bond-Pads“) 110 sind mit einem oder mehreren der TSVs 104 auf der ersten Seite 106 des Substrats 102 verbunden und Kontaktinseln („Contact-Pads“) 112 sind mit einem oder mehreren der TSVs 104 auf der zweiten Seite 108 des Substrats 102 verbunden.
  • Ein integrierter Schaltkreischip 114a ist mit dem Substrat 102 in einem Integrierter-Schaltkreis-Chip-Befestigungsbereich 113 des Substrats 102 verbunden. Der integrierte Schaltkreischip 114a kann an dem Substrat 102 mittels eines Haftmittels, eines Klebebandes oder anderer Mittel befestigt sein. Der integrierte Schaltkreischip (IC-Chip) 114a ist mit den Bond-Kontaktstellen 110 mittels Draht-Bonds 116a elektrisch verbunden. Der integrierte Schaltkreischip 114b kann an einer oberen Fläche des integrierten Schaltkreischips 114a mittels eines Haftmittels, eines Klebebandes oder anderer Mittel befestigt sein. Der integrierte Schaltkreischip 114b ist mit den Bond-Kontaktstellen 110 mittels Draht-Bonds 116b elektrisch verbunden. In den Figuren sind die integrierten Schaltkreischips 114a und 114b der Einfachheit halber so gezeigt, dass sie mit denselben Bond-Kontaktstellen 110 verbunden sind; in manchen Ausführungen sind die integrierten Schaltkreischips 114a und 114b jedoch jeweils mit unterschiedlichen Bond-Kontaktstellen 110 auf dem Substrat 102 verbunden.
  • Die teilweise gekapselte Halbleitervorrichtung 100 kann in manchen Ausführungen einen integrierten Schaltkreischip 114a umfassen, oder die teilweise gekapselte Halbleitervorrichtung 100 kann zwei gestapelte integrierte Schaltkreischips 114a und 114b umfassen, die unterschiedliche Abmessungen oder dieselben Abmessungen haben können. Die integrierten Schaltkreischips 114a und 114b können beispielsweise eine oder mehrere Halbleitermaterial-Schichten, eine oder mehrere Schichten aus leitendem Material, eine oder mehrere Schichten aus dielektrischem Material oder Kombinationen daraus umfassen. Eine Formmasse 118 ist über den vertikal gestapelten integrierten Schaltkreischips 114a und 114b, über den Draht-Bonds 116a und 116b und über freigelegten Abschnitten des Substrats 102 ausgebildet.
  • Um die teilweise gekapselte Halbleitervorrichtung 100 mit einem anderen integrierten Schaltkreischip 130 zu kapseln, ist ein Träger-Wafer 120 vorgesehen, wie in der 2 gezeigt ist. Der Träger-Wafer 120 umfasst in manchen Ausführungen ein Siliziumsubstrat, einen Silizium- oder Glas-Interposer, eine PCB oder ein organisches Laminat-Substrat. Alternativ kann der Träger-Wafer 120 andere Arten von Wafern oder Materialien umfassen. Ein Haftmittel 122 wird auf den Träger-Wafer 120 angewendet. Das Haftmittel 122 kann beispielsweise einen Klebstoff umfassen, eine Laminat-Beschichtung, eine Folie oder andere Arten von Haftmitteln. Die teilweise gekapselte Halbleitervorrichtung 100, die in der 1 gezeigt ist (oder andere Arten von teilweise gekapselten integrierten Schaltkreisen) wird umgedreht und an dem Haftmittel 122 auf dem Träger-Wafer 120 befestigt, wie in der 3 gezeigt ist. Eine Mehrzahl von teilweise gekapselten Halbleitervorrichtungen 100 werden an dem Haftmittel 122 auf dem Träger-Wafer 120 befestigt und verarbeitet, und nachdem das Kapselungsverfahren fertig gestellt ist, werden die gekapselten Halbleitervorrichtungen vereinzelt, was hier weiter beschrieben ist.
  • Eine Mehrzahl von leitenden Kugeln 124 werden an den Kontaktinseln 112 auf der zweiten Seite 108 des Substrats 102 befestigt, was auch in der 3 gezeigt ist. Die leitenden Kugeln 124 umfassen beispielsweise Lötmittel, Cu oder andere eutektische leitende Materialien. In manchen Ausführungen umfassen die leitenden Kugeln 124 Lötmittel, Cu oder einen Cu-Kern, als ein anderes Beispiel. Die leitenden Kugeln 124 können beispielsweise um den Umfang des Substrats 102 oder entlang zweier oder mehrerer Seiten des Substrats 102 ausgebildet werden. Die leitenden Kugeln 124 können beispielsweise in einer oder mehreren Reihen um den Umfang eines Integrierter-Schaltkreis-Befestigungsbereichs 126 auf der zweiten Seite 108 des Substrats 102 ausgebildet werden. Die leitenden Kugeln 124 können beispielsweise in verschiedenen Kugelgitter-(Ball Grid Array, BGA)-Anordnungen ausgebildet werden. Alternativ können die leitenden Kugeln 124 und die Kontaktinseln 112 in anderen Konfigurationen angeordnet sein.
  • Ein zweiter integrierter Schaltkreischip 130 ist an dem Integrierter-Schaltkreischip-Befestigungsbereich 126 des Substrats 102 mittels eines Haftmittels 128 befestigt, wie in der 4 gezeigt ist. Der integrierte Schaltkreischip 130 umfasst eine Mehrzahl von leitenden Bondhügeln 132, die darauf angeordnet sind. Die leitenden Bondhügel 132 können beispielsweise Lötmittel-Bondhügel, Flip-Chip- oder C4-(Controlled Collapse Chip Connection)-Bondhügel, Cu-Bondhügel oder andere Arten von eutektischen Materialien umfassen.
  • Eine Formmasse 134 wird über dem zweiten integrierten Schaltkreischip 130, den leitenden Kugeln 124 und freigelegten Abschnitten des Substrats 102 ausgebildet, wie in der 5 gezeigt ist. Die Formmasse 134 umfasst beispielsweise ein isolierendes Material, wie etwa ein Polymer, ein Form-Füllmaterial oder andere Isolatoren. Die Formmasse 134 wird hier auch z.B. in manchen der Ansprüche als eine Formmassen-Schicht 134 bezeichnet.
  • Ein oberer Anteil der Formmasse 134 wird dann von oberen Flächen der leitenden Kugeln 124 mittels eines Schleifverfahrens 136 entfernt, wie in der 6 gezeigt ist. Das Schleifverfahren 136 führt in manchen Ausführungen auch zu dem Entfernen der Formmasse 134 von oberen Flächen der leitenden Bondhügel 132 auf dem integrierten Schaltkreischip 130. Das Schleifverfahren 136 umfasst in manchen Ausführungen ein mechanisches Schleifverfahren. Alternativ können andere Arten von Schleifverfahren 136 verwendet werden. Das Entfernen des oberen Anteils der Formmasse 134 umfasst beispielsweise in manchen Ausführungen das Schleifen der Formmasse 134.
  • Das Schleifverfahren 136 kann in manchen Ausführungen einen Rückstand 138 auf einer oberen Fläche der Formmasse 134, der leitenden Kugeln 124 und/oder der leitenden Bondhügel 132 zurücklassen. In anderen Ausführungen wird beispielsweise kein Rückstand 138 auf der oberen Fläche der Formmasse 134 aufgrund des Schleifverfahrens 136 ausgebildet. Der Rückstand 138 kann beispielsweise Materialien der Formmasse 134, der leitenden Kugeln 124 und/oder der leitenden Bondhügel 132 umfassen. Der Rückstand 138 kann beispielsweise ein oder mehrere leitende und/oder isolierende Materialien umfassen. In manchen Ausführungen umfassen zumindest Abschnitte des Rückstands SnOx.
  • Als nächstes wird ein Ätzverfahren 140 verwendet, um die leitenden Kugeln 124 zu vertiefen, wie in der 7 gezeigt ist. Nur eine teilweise gekapselte Halbleitervorrichtung 100 und ein integrierter Schaltkreischip 130 sind in der 7 und den verbleibenden Zeichnungen gezeigt, um die Figuren zu vereinfachen. Das Ätzverfahren 140 umfasst beispielsweise ein chemisches Ätzverfahren, das angepasst ist, um die leitenden Kugeln 124 zu vertiefen, aber nicht die Formmasse 134 zu vertiefen. Das Ätzverfahren 140 umfasst in manchen Ausführungen beispielsweise ein Ätzverfahren, das das Material der leitenden Kugeln 124 selektiv ätzt.. Das Ätzverfahren 140 kann in manchen Ausführungen beispielsweise eine weiche chemische Ätzung umfassen und kann KOH, Ameisensäure, H2SO4, eine HF- und HNO3-Mischung oder eine HClO4- und H3COOH-Mischung umfassen, obwohl alternativ andere Arten von chemischen Ätz-Zusammensetzungen verwendet werden können. Das Ätzverfahren 140 bildet Vertiefungen 142 in der oberen Fläche der leitenden Kugeln 124 in manchen Ausführungen aus. Das Vertiefen der oberen Fläche der leitenden Kugeln 124 umfasst in manchen Ausführungen beispielsweise das Ätzen der leitenden Kugeln 124.
  • Eine detaillierterer Schnittansicht einer Vertiefung 142, die in einer leitenden Kugel 124 ausgebildet ist, ist in der 8 gezeigt. Das Vertiefen der oberen Fläche der leitenden Kugeln 124 umfasst beispielsweise das Vertiefen der oberen Fläche der ersten leitenden Kugeln um eine Abmessung d1, die etwa 10 µm oder weniger unter einer oberen Fläche der Formmasse 134 nach dem Schleifverfahren 136 in manchen Ausführungen umfasst. Alternativ kann die Abmessung d1 der Vertiefung 142 andere Werte umfassen.
  • In manchen Ausführungen führt das Ätzverfahren 140 auch zum Ausbilden einer Vertiefung 144 in den oberen Flächen der leitenden Bondhügeln 132 des integrierten Schaltkreischips 130, wie in einer detaillierteren Schnittansicht in der 9 gezeigt ist. Die Vertiefungen 144 in den oberen Flächen der leitenden Bondhügel 132 können eine Abmessung d1 unter einer oberen Fläche der Formmasse 134 umfassen, wobei die Abmessung d1 der Vertiefungen 144 der leitenden Bondhügel 132 beispielsweise im Wesentlichen gleich der Abmessung d1 der Vertiefungen 142 der leitenden Kugeln 124 oder von ihr verschieden sein kann. In anderen Ausführungen führt das Ätzverfahren 140 nicht zum Ausbilden von Vertiefungen 144 in den oberen Flächen der leitenden Bondhügel 132.
  • In manchen Ausführungen führt das Ätzverfahren 140 vorteilhaft zu dem Entfernen des Rückstands 138 (siehe 6) von den oberen Flächen der Formmasse 134, der leitenden Kugeln 124 und/oder der leitenden Bondhügel 132. In Ausführungen, in denen Abschnitte des Rückstands 138 ein leitendes Material umfassen, werden Kurzschlüsse und/oder Leckstrom in dem Gehäuse durch das neue Ätzverfahren 140 verhindert, das verwendet wird, um die Vertiefungen 142 in den leitenden Kugeln 124 auszubilden und um den Rückstand 138 zu entfernen.
  • Bezieht man sich als nächstes auf die 10 und 11, so wird eine Verteilungsschicht (Redistribution Layer, RDL) 154 über der oberen Fläche der Formmasse 134, den vertieften oberen Flächen der leitenden Kugeln 124 und den oberen Flächen der leitenden Bondhügel 132, die vertieft sein können oder nicht, ausgebildet, in Übereinstimmung mit manchen Ausführungen. Das Ausbilden der RDL 154 umfasst in manchen Ausführungen beispielsweise das Verbinden von Abschnitten der RDL 154 mit den leitenden Kugeln 124 und/oder den leitenden Bondhügeln 132, die auf dem integrierten Schaltkreischip 130 angeordnet sind..
  • Um die RDL 154 auszubilden wird eine erste Passivierungsschicht 146, die eine oder mehrere isolierende Materialien oder isolierende Materialschichten umfasst, über der Formmasse 134, den vertieften oberen Flächen der leitenden Kugeln 124 und den oberen Flächen der leitenden Bondhügel 132 ausgebildet, wie in der 10 gezeigt ist. Die erste Passivierungsschicht 146 kann beispielsweise ein Polymer, Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, andere isolierende Materialien oder mehrere Schichten oder Kombinationen daraus umfassen. Alternativ kann die erste Passivierungsschicht 146 andere Materialien umfassen.
  • Die erste Passivierungsschicht 146 wird strukturiert, wobei mindestens Teile der oberen Flächen der leitenden Kugeln 124 und der oberen Flächen der leitenden Bondhügel 132 belichtet werden. Die erste Passivierungsschicht 146 kann mittels Photolithographie strukturiert werden, indem eine Schicht aus Photoresist (nicht gezeigt) über der ersten Passivierungsschicht 146 ausgebildet wird, die Schicht aus Photoresist mit Energie oder Licht belichtet wird, die bzw. das durch eine Lithographiemaske reflektiert oder übertragen wird, die eine angestrebte Struktur darauf aufweist, und die Schicht aus Photoresist entwickelt wird. Belichtete oder unbelichtete Bereiche der Schicht aus Photoresist werden plasmageätzt oder geätzt, beispielsweise abhängig davon, ob die Schicht aus Photoresist ein positives oder negatives Photoresist ist. Die Schicht aus Photoresist wird dann als eine Ätzmaske verwendet, während Abschnitte der ersten Passivierungsschicht 146 weggeätzt werden. Alternativ kann die erste Passivierungsschicht 146 mittels anderer Verfahren strukturiert werden, wie etwa einem direkten Strukturierverfahren, z.B. in Ausführungen, in denen die erste Passivierungsschicht 146 ein lichtempfindliches Material umfasst.
  • Ein erstes leitendes Material 148 wird über der strukturierten ersten Passivierungsschicht 146 ausgebildet, wie auch in der 10 gezeigt ist. Das erste leitende Material 148 umfasst beispielsweise einen Leiter, wie etwa Cu, Al, Ti oder Kombinationen oder mehrere Schichten daraus. Das erste leitende Material 148 wird mittels Photolithographie in eine angestrebte Struktur strukturiert, wie in der 11 gezeigt ist. Abschnitte des ersten leitenden Materials 148 verbleiben in den Strukturen in der ersten Passivierungsschicht 146 und bilden Kontakte oder Kontaktlöcher, die mit den oberen Flächen der leitenden Kugeln 124 und der leitenden Bondhügel 132 elektrisch verbunden sind. Abschnitte des ersten leitenden Materials 148 auf der oberen Fläche der ersten Passivierungsschicht 146 können in manchen Ausführungen beispielsweise Fan-out-Bereiche umfassen, die seitliche oder horizontale Verdrahtungen oder Verbindungen der RDL 154 bilden..
  • Eine zweite Passivierungsschicht 150 wird über dem strukturierten ersten leitenden Material 148 und der strukturierten ersten Passivierungsschicht 146 ausgebildet, wie in der 11 gezeigt ist. Die zweite Passivierungsschicht 150 kann beispielsweise ähnliche Materialien umfassen, wie sie für die erste Passivierungsschicht 146 beschrieben wurden. Die zweite Passivierungsschicht 150 wird mittels ähnlicher Verfahren strukturiert, wie sie für die erste Passivierungsschicht 146 beschrieben wurden, und ein zweites leitendes Material 152 wird über der strukturierten zweiten Passivierungsschicht 150 ausgebildet. Das zweite leitende Material 152 umfasst beispielsweise ähnliche Materialien, wie sie für das erste leitende Material 148 beschrieben wurden. Das zweite leitende Material 152 wird dann mittels Photolithographie strukturiert. Abschnitte des zweiten leitenden Materials 152 umfassen in manchen Ausführungen beispielsweise eine Unter-der-Kugel-Metallisierungs-(Under-Ball Metallization, UBM)-Struktur..
  • Eine Mehrzahl von zweiten leitenden Kugeln 156 wird auf Abschnitten des zweiten leitenden Materials 152 der RDL 154 ausgebildet, wie in der 12 gezeigt ist. Die leitenden Kugeln 156 können beispielsweise mittels eines Kugel-Tropf- oder Kugel-Befestigungsverfahrens ausgebildet werden. Die leitenden Kugeln 156 umfassen beispielsweise Lötmittel oder anderes eutektisches Material. Alternativ können die leitenden Kugeln 156 andere Materialien umfassen und können mittels anderer Verfahren ausgebildet werden.
  • Der Träger-Wafer 120 und das Haftmittel 122 werden dann von den gekapselten Halbleitervorrichtungen 160 mittels eines Entbondungsverfahrens entfernt, wie in der 13 gezeigt ist, die eine gekapselte Halbleitervorrichtung 160 darstellt, nachdem das Gehäuse umgedreht wurde. Die gekapselten Halbleitervorrichtungen 160 werden mittels einer Chipsäge oder eines anderen Vereinzelungsverfahrens vereinzelt, um eine Mehrzahl von einzelnen gekapselten Halbleitervorrichtungen 160 auszubilden. Die gekapselten Halbleitervorrichtungen 160 umfassen PoP-Vorrichtungen, die jeweils eine teilweise gekapselte Halbleitervorrichtung 100 und einen eingebetteten integrierten Schaltkreischip 130 umfassen, der mit der teilweise gekapselten Halbleitervorrichtung 100 verbunden ist. Die RDL 154 stellt Fan-out-Bereiche aus Verdrahtung und elektrischen Verbindungen für die gekapselte Halbleitervorrichtung 160 bereit.
  • Die 14 und 15 sind detailliertere Schnittansichten von Abschnitten der gekapselten Halbleitervorrichtung 160, die in der 13 gezeigt ist. Die 14 stellt Kontakte dar, die aus dem ersten leitenden Material 148 bestehen, die mit einer leitenden Kugel 124 verbunden sind, die die Vertiefung 142 auf einer ihrer Oberflächen umfasst. Ein Abschnitt des ersten leitenden Materials 148 füllt die Vertiefung 142 in der leitenden Kugel 124. Ein Abschnitt der ersten Passivierungsschicht 146 füllt auch einen Abschnitt der Vertiefung 142, in Übereinstimmung mit manchen Ausführungen. Die leitende Kugel 124 ist mit einer Kontaktinsel 112 auf dem Substrat 102 verbunden, und die Kontaktinsel 112 ist mit einem TSV 104 in dem Substrat 102 verbunden.
  • Die 15 stellt Kontakte dar, die aus dem ersten leitenden Material 148 bestehen, die mit den leitenden Bondhügeln 132 des integrierten Schaltkreischips 130 verbunden sind, die eine Vertiefung 144 auf einer seiner Oberflächen umfasst. Ein Abschnitt des ersten leitenden Materials 148 füllt die Vertiefungen 144 in den leitenden Bondhügeln 132. Ein Abschnitt der ersten Passivierungsschicht 146 füllt auch einen Abschnitt der Vertiefungen 144, in Übereinstimmung mit manchen Ausführungen. Die leitenden Bondhügel 132 sind auf dem integrierten Schaltkreischip 130 angeordnet und sind durch die Formmasse 134 gekapselt.
  • Die Vertiefungen 142 und 144 in den leitenden Kugeln 124 bzw. den leitenden Bondhügeln 132 sind in manchen Ausführungen in einer Schnittansicht gekrümmt.. Die Vertiefungen 142 und 144 können beispielsweise in einem zentralen Bereich tiefer sein und in Randbereichen flacher sein. Alternativ können die Vertiefungen 142 und 144 quadratisch oder trapezförmig in einer Schnittansicht sein, was nicht in den Zeichnungen gezeigt ist. Die Vertiefungen 142 und 144 können alternativ beispielsweise andere Formen umfassen, abhängig von der Art des Ätzverfahrens 140 und/oder der Materialien der leitenden Kugeln 124 und der leitenden Bondhügel 132.
  • In manchen Ausführungen werden die leitenden Bondhügel 132 auf dem integrierten Schaltkreischip 130 nicht unter die Oberfläche der Formmasse 134 vertieft. Die leitenden Bondhügel 132 auf dem integrierten Schaltkreischip 130 umfassen beispielsweise obere Flächen, die im Wesentlichen koplanar mit der oberen Fläche der Formmasse 134 in diesen Ausführungen sind.
  • Die 16 ist eine Flussdiagramm 170, das ein Verfahren zum Kapseln einer Halbleitervorrichtung darstellt, in Übereinstimmung mit manchen Ausführungen. In Schritt 172 wird ein erster integrierter Schaltkreischip 114a bereitgestellt, wobei der erste integrierte Schaltkreischip 114a mit einer ersten Oberfläche 106 eines Substrates 102 verbunden ist einschließlich einer Mehrzahl von Durch-Substrat-Kontaktlöchern (TSVs) 104, die darin angeordnet sind. In Schritt 174 wird eine leitenden Kugel 124 mit jedem der Mehrzahl von TSVs 104 auf einer zweiten Oberfläche 108 des Substrats 102 verbunden, wobei die zweite Oberfläche 108 entgegengesetzt der ersten Oberfläche 106 des Substrats 102 liegt. In Schritt 176 wird ein zweiter integrierter Schaltkreischip 130 mit der zweiten Oberfläche 108 des Substrats 102 verbunden. In Schritt 178 wird eine Formmasse 134 über den leitenden Kugeln 124, dem zweiten integrierten Schaltkreischip 130 und der zweiten Oberfläche 108 des Substrats 102 ausgebildet. In Schritt 180 wird die Formmasse 134 von einer oberen Fläche der leitenden Kugeln 124 entfernt und in Schritt 182 wird die obere Fläche der leitenden Kugeln 124 vertieft. In Schritt 184 wird eine RDL 154 über der oberen Fläche der leitenden Kugeln 124 und der Formmasse 134 ausgebildet.
  • Die integrierten Schaltkreischips 114a, 114b und 130, die hier beschrieben sind, können aktive Komponenten oder Schaltkreise, die nicht gezeigt sind, umfassen. Die integrierten Schaltkreischips 114a, 114b und 130 können beispielsweise Silizium oder andere Arten von Halbleitermaterial umfassen, wobei darin aktive Komponenten oder Schaltkreise ausgebildet sind. Die integrierten Schaltkreischips 114a, 114b und 130 können Schichten aus leitendem Material, Schichten aus isolierendem Material und Halbleiterelemente, wie etwa Transistoren, Dioden, Kondensatoren, Induktionsspulen, Widerstände etc., umfassen. In manchen Ausführungen umfassen die integrierten Schaltkreischips 114a und 114b beispielsweise Speichervorrichtungen und der integrierte Schaltkreischip 130 umfasst eine Logikvorrichtung oder einen Prozessor. Alternativ können die integrierten Schaltkreischips 114a, 114b und 130 andere Arten von funktionalen Schaltkreisen umfassen.
  • Manche Ausführungen der vorliegenden Offenbarung umfassen Verfahren zum Kapseln von Halbleitervorrichtungen und umfassen auch gekapselte Halbleitervorrichtungen 160, die mittels der neuen Kapselungsverfahren, die hier beschrieben sind, gekapselt werden. Andere Ausführungen umfassen neue Kapselungsvorrichtungen.
  • Bezieht man sich beispielsweise wieder auf die 13, so umfasst in Übereinstimmung mit manchen Ausführungen eine Kapselungsvorrichtung ein Substrat 102, das TSVs umfasst, die darin angeordnet sind. Das Substrat 102 umfasst einen Integrierter-Schaltkreischip-Befestigungsbereich 113 auf einer Seite 106 und einen Integrierter-Schaltkreis-Befestigungsbereich 126 auf der anderen Seite 108, die der Seite 106 entgegengesetzt ist. Eine leitende Kugel 124 ist mit jedem der TSVs 104 verbunden und eine Formmasse 134 ist über dem Substrat 102 und Abschnitte der leitenden Kugeln 124 angeordnet. Obere Flächen der leitenden Kugeln 124 umfassen eine Vertiefung 142 und sind unter eine Oberfläche der Formmasse 134 vertieft. Eine RDL 154 ist über der Formmasse 134 angeordnet und Abschnitte (z.B. Abschnitte des ersten leitenden Materials 148) der RDL 154 sind mit den vertieften oberen Flächen der leitenden Kugeln 124 verbunden. In manchen Ausführungen umfasst das Substrat 102 eine Kontaktinsel 112, die mit jedem der TSVs 104 verbunden ist, und jede leitende Kugel 124 ist mit einer Kontaktinsel 112 verbunden.
  • Manche Ausführungen der vorliegenden Offenbarung umfassen gekapselte Halbleitervorrichtungen 160, die die Kapselungsvorrichtungen umfassen, die hier beschrieben sind. Die gekapselten Halbleitervorrichtungen 160 umfassen einen integrierten Schaltkreischip 130, der mit der Oberfläche 108 des Substrats 102 verbunden ist, mit der die leitenden Kugeln 124 verbunden sind. Leitende Bondhügel 132 des integrierten Schaltkreischips 130 sind mit Abschnitten der RDL 154 der Kapselungsvorrichtung verbunden. Die leitenden Bondhügel 132 sind auch unter die obere Fläche der Formmasse 134 vertieft, in Übereinstimmung mit manchen Ausführungen. In manchen Ausführungen umfasst die gekapselte Halbleitervorrichtung 160 auch einen integrierten Schaltkreischip 114a und/oder 114b, die mit einer Oberfläche 106 des Substrats 102 verbunden sind.
  • Vorteile von manchen Ausführungen der Offenbarung umfassen das Bereitstellen von neuen Kapselungsverfahren und -vorrichtungen, wobei ein neues Ätzverfahren 140 verwendet wird, um einen Rückstand 138 zu entfernen, der durch ein Schleifverfahren 136 für eine Formmasse 134 gebildet wurde, was Kurzschlüsse und Leckstrom zwischen den integrierten Schaltkreischips 114a, 114b und 130 verhindert und/oder verringert. Eine verbesserte Haftung der ersten Passivierungsschicht 146 der RDL 154 mit der Formmasse 134 wird aufgrund des Entfernens des Rückstands 138 erreicht. Abschnitte des Rückstands 138 können SnOx umfassen und das Ätzverfahren 140 entfernt vorteilhaft das SnOx, was zu einer verbesserten leitenden Zwischenschicht auf den leitenden Kugeln 124 und den leitenden Bondhügeln 132 führt.
  • Ein thermisches Budget für die Formmasse 134 kann verringert werden, was den Bedarf für eine hohe Ausheiltemperatur für die Formmasse 134 vermeidet, aufgrund der Implementierung des Ätzverfahrens 140, das eine Verkrümmung des Gehäuses verringert. Ein Hochtemperatur-Ausheilverfahren („curing“), das verhindern würde, dass der Rückstand leicht in einer weichen Formmasse (die noch nicht bei einer hohen Temperatur ausgeheilt wurde) während eines CMP-Verfahrens gefangen wird, wird beispielsweise vermieden durch die Implementierung des Ätzverfahrens 140 von Ausführungen der vorliegenden Offenbarung.
  • Nur ein Substrat 102 wird benötigt und der integrierte Schaltkreischip 130 ist in das Kapselungssystem eingebettet, ohne dass beispielsweise ein zusätzliches Interposer-Substrat benötigt wird. Ein 3D-Kapselungssystem mit niedrigen Kosten ist offenbart, das eine neue Fan-out-Verbindungsstruktur aufweist. Darüber hinaus sind die neuen Kapselungsvorrichtungen und -verfahren leicht in Herstellungs- und Kapselungs-Verfahrensflüssen implementierbar.
  • In Übereinstimmung mit manchen Ausführungen der vorliegenden Offenbarung umfasst ein Verfahren zur Kapselung einer Halbleitervorrichtung das Bereitstellen eines ersten integrierten Schaltkreischips, der mit einer ersten Oberfläche eines Substrats verbunden ist, das TSVs umfasst, die darin angeordnet sind. Eine leitende Kugel ist mit jedem der TSVs auf einer zweiten Oberfläche des Substrats verbunden, die der ersten Oberfläche des Substrats entgegengesetzt ist. Ein zweiter integrierter Schaltkreischip ist mit der zweiten Oberfläche des Substrats verbunden und eine Formmasse ist über den leitenden Kugeln, dem zweiten integrierten Schaltkreischip und der zweiten Oberfläche des Substrats ausgebildet. Die Formmasse wird von einer oberen Fläche der leitenden Kugeln entfernt und die obere Fläche der leitenden Kugeln wird vertieft. Eine RDL wird über der oberen Fläche der leitenden Kugeln und der Formmasse ausgebildet.
  • In Übereinstimmung mit anderen Ausführungen umfasst ein Verfahren zur Kapselung einer Halbleitervorrichtung das Befestigen eines ersten integrierten Schaltkreischips an einem Träger-Wafer, wobei der erste integrierte Schaltkreischip mit einem Substrat verbunden ist. Das Substrat umfasst eine Mehrzahl von TSVs, die darin angeordnet sind, und umfasst eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche, die der ersten Oberfläche entgegengesetzt ist. Der erste integrierte Schaltkreischip ist mit der ersten Oberfläche des Substrats verbunden und die Mehrzahl von TSVs erstreckt sich von der ersten Oberfläche zu der zweiten Oberfläche des Substrats. Das Verfahren umfasst das Verbinden einer ersten leitenden Kugel mit jedem der Mehrzahl von TSVs auf der zweiten Oberfläche des Substrats, das Verbinden eines zweiten integrierten Schaltkreischips mit der zweiten Oberfläche des Substrats und das Ausbilden einer Formmassen-Schicht über den ersten leitenden Kugeln, dem zweiten integrierten Schaltkreischip und der zweiten Oberfläche des Substrats. Das Verfahren umfasst das Schleifen der Formmassen-Schicht, um eine obere Fläche der ersten leitenden Kugeln freizulegen, das Vertiefen der oberen Fläche der ersten leitenden Kugeln und das Ausbilden einer RDL über der oberen Fläche der ersten leitenden Kugeln und einer oberen Fläche der Formmassen-Schicht. Eine Mehrzahl von zweiten leitenden Kugeln wird über der RDL ausgebildet und der Träger-Wafer wird entfernt.
  • In Übereinstimmung mit anderen Ausführungen umfasst eine Kapselungsvorrichtung ein Substrat, das eine Mehrzahl von TSVs umfasst, die darin angeordnet sind, und eine leitende Kugel die mit jedem der Mehrzahl von TSVs verbunden ist. Eine Formmassen-Schicht ist über dem Substrat und Abschnitten der leitenden Kugeln angeordnet, wobei obere Flächen der leitenden Kugeln unter eine obere Fläche der Formmassen-Schicht vertieft sind. Eine RDL ist über der Formmassen-Schicht angeordnet. Abschnitte der RDL sind mit den vertieften oberen Flächen der leitenden Kugeln verbunden.

Claims (20)

  1. Verfahren zum Kapseln einer Halbleitervorrichtung, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Bereitstellen eines ersten integrierten Schaltkreischips, wobei der erste integrierte Schaltkreischip mit einer ersten Oberfläche eines Substrats verbunden ist, das eine Mehrzahl von Substrat-Durchkontaktierungen umfasst, die darin angeordnet sind, wobei die Mehrzahl der Substrat-Durchkontaktierungen vertikale elektrische Verbindungen von der ersten Oberfläche zu der zweiten Oberfläche des Substrats bereitstellen; Verbinden einer leitenden Kugel mit jedem der Mehrzahl von Substrat-Durchkontaktierungen auf einer zweiten Oberfläche des Substrats, wobei die zweite Oberfläche der ersten Oberfläche des Substrats entgegengesetzt ist; Verbinden eines zweiten integrierten Schaltkreischips mit der zweiten Oberfläche des Substrats; Ausbilden einer Formmasse über den leitenden Kugeln, dem zweiten integrierten Schaltkreischip und der zweiten Oberfläche des Substrats; Entfernen der Formmasse von einer oberen Fläche der leitenden Kugeln; Ausbilden einer Vertiefung in der oberen Fläche der leitenden Kugeln, wobei die Vertiefung unter einer Oberfläche der Formmasse liegt; und Ausbilden einer Verteilungsschicht über der oberen Fläche der leitenden Kugeln und der Formmasse.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Entfernen der Formmasse von der oberen Fläche der leitenden Kugeln weiter das Entfernen der Formmasse von einer oberen Fläche leitender Bondhügel umfasst, die auf dem zweiten integrierten Schaltkreischip angeordnet sind.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Vertiefen der oberen Fläche der leitenden Kugeln weiter das Vertiefen der oberen Fläche der leitenden Bondhügel umfasst, die auf dem zweiten integrierten Schaltkreischip angeordnet sind.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei das Ausbilden der Verteilungsschicht ein Verbinden von Abschnitten der Verteilungsschicht mit den leitenden Bondhügeln umfasst, die auf dem zweiten integrierten Schaltkreischip angeordnet sind.
  5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Vertiefen der oberen Fläche der leitenden Kugeln ein Ätzen der leitenden Kugeln umfasst.
  6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Entfernen der Formmasse ein Schleifen der Formmasse umfasst.
  7. Verfahren nacheinem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Ausbilden der Verteilungsschicht das Verbinden von Abschnitten der Verteilungsschicht mit den leitenden Kugeln umfasst.
  8. Verfahren zum Kapseln einer Halbleitervorrichtung, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Befestigen eines ersten integrierten Schaltkreischips an einen Träger-Wafer, wobei der erste integrierte Schaltkreischip mit einem Substrat verbunden ist, wobei das Substrat eine Mehrzahl von Substrat-Durchkontaktierungen umfasst, die darin angeordnet sind, wobei das Substrat eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche umfasst, die der ersten Oberfläche entgegengesetzt ist, wobei der erste integrierte Schaltkreischip mit der ersten Oberfläche des Substrats verbunden ist, wobei die Mehrzahl von Substrat-Durchkontaktierungen sich von der ersten Oberfläche zu der zweiten Oberfläche des Substrats vertikal erstrecken, um elektrische Verbindungen von der ersten Oberfläche zu der zweiten Oberfläche des Substrats bereitzustellen; Verbinden einer ersten leitenden Kugel mit jedem der Mehrzahl von Substrat-Durchkontaktierungen auf der zweiten Oberfläche des Substrats; Verbinden eines zweiten integrierten Schaltkreischips mit der zweiten Oberfläche des Substrats; Ausbilden einer Formmassenschicht über den ersten leitenden Kugeln, dem zweiten integrierten Schaltkreischip und der zweiten Oberfläche des Substrats; Schleifen der Formmassenschicht, um eine obere Fläche der ersten leitenden Kugeln freizulegen; Ausbilden einer Vertiefung in der oberen Fläche der ersten leitenden Kugeln, wobei die Vertiefung sich unter eine Oberfläche der Formmassenschicht erstreckt Ausbilden einer Verteilungsschicht über der oberen Fläche der ersten leitenden Kugeln und einer oberen Fläche der Formmassen-Schicht; Ausbilden einer Mehrzahl von zweiten leitenden Kugeln über der Verteilungsschicht; und Entfernen des Träger-Wafers.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Vertiefen der oberen Fläche der ersten leitenden Kugeln das Vertiefen der oberen Fläche der ersten leitenden Kugeln um etwa 10 µm oder weniger umfasst.
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei das Schleifen der Formmassen-Schicht ein mechanisches Schleifen der Formmassen-Schicht umfasst.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei das Schleifen der Formmassen-Schicht einen Rückstand auf einer oberen Fläche der Formmassen-Schicht und der oberen Fläche der ersten leitenden Kugeln zurücklässt.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Vertiefen der oberen Fläche der leitenden Kugeln ein chemisches Ätzverfahren umfasst und wobei das chemische Ätzverfahren den Rückstand von der oberen Fläche der Formmassen-Schicht und der oberen Fläche der ersten leitenden Kugeln entfernt.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei das Schleifen der Formmassen-Schicht eine obere Fläche einer Mehrzahl von leitenden Bondhügeln freilegt, die auf dem zweiten integrierten Schaltkreischip angeordnet sind, und wobei das Ausbilden der Verteilungsschicht Folgendes umfasst: Ausbilden einer ersten Passivierungsschicht über der oberen Fläche der ersten leitenden Kugeln, der Formmassen-Schicht und der Mehrzahl von leitenden Bondhügeln; Strukturieren der ersten Passivierungsschicht, Freilegen der oberen Fläche der ersten leitenden Kugeln und der oberen Fläche der Mehrzahl von leitenden Bondhügeln; Ausbilden eines ersten leitenden Materials über der ersten Passivierungsschicht, der oberen Fläche der ersten leitenden Kugeln und der oberen Fläche der Mehrzahl von leitenden Bondhügeln; Strukturieren des ersten leitenden Materials; Ausbilden einer zweiten Passivierungsschicht über dem strukturierten ersten leitenden Material und der ersten Passivierungsschicht; Strukturieren der zweiten Passivierungsschicht; Ausbilden eines zweiten leitenden Materials über der strukturierten zweiten Passivierungsschicht; und Strukturieren des zweiten leitenden Materials.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Ausbilden des ersten leitenden Materials und das Strukturieren des ersten leitenden Materials ein Ausbilden von Kontakten und Fan-out-Bereichen der Verteilungsschicht umfasst, wobei das Ausbilden des zweiten leitenden Materials und das Strukturieren des zweiten leitenden Materials ein Ausbilden einer UBM-Struktur umfasst und wobei das Ausbilden der Mehrzahl von zweiten leitenden Kugeln über der Verteilungsschicht ein Verbinden der Mehrzahl von zweiten leitenden Kugeln mit der UBM-Struktur umfasst.
  15. Kapselungsvorrichtung, die Folgendes umfasst: ein Substrat, das eine Mehrzahl von Substrat-Durchkontaktierungen umfasst, die darin angeordnet sind, wobei die Mehrzahl der Substrat-Durchkontaktierungen vertikalen elektrische Verbindungen von einer ersten Oberfläche zu einer zweiten Oberfläche des Substrats bereitstellen; eine leitende Kugel, die mit jedem der Mehrzahl von Substrat-Durchkontaktierungen verbunden ist; eine Formmassen-Schicht, die über dem Substrat und Abschnitten der leitenden Kugeln angeordnet ist, wobei in den oberen Flächen der leitenden Kugeln Vertiefungen ausgebildet sind, die unter einer oberen Fläche der Formmassenschicht liegen; und eine Verteilungsschicht, die über der Formmassen-Schicht angeordnet ist, wobei Abschnitte der Verteilungsschicht mit den vertieften oberen Flächen der leitenden Kugeln verbunden sind; und einen integrierten Schaltkreischip, der mit dem Substrat verbunden ist, wobei die Formmasse über dem integrierten Schaltkreischip ausgebildet ist.
  16. Kapselungsvorrichtung nach Anspruch 15, wobei die leitenden Kugeln Lötmittel, Cu oder einen Cu-Kern umfassen.
  17. Gekapselte Halbleitervorrichtung, die die Kapselungsvorrichtung nach Anspruch 15 umfasst, wobei die erste Oberfläche und die zweite Oberfläche des Substrats einander gegenüberliegende Flächen sind, wobei die leitenden Kugeln mit der ersten Oberfläche verbunden sind, wobei die Halbleitervorrichtung einen ersten integrierten Schaltkreischip umfasst, der mit der ersten Oberfläche des Substrats verbunden ist, und wobei leitende Bondhügel des ersten integrierten Schaltkreischips mit Abschnitten der Verteilungsschicht verbunden sind.
  18. Gekapselte Halbleitervorrichtung nach Anspruch 17, wobei die leitenden Bondhügel des ersten integrierten Schaltkreischips im Wesentlichen koplanar mit der oberen Fläche der Formmassen-Schicht sind.
  19. Gekapselte Halbleitervorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, wobei die leitenden Bondhügel des ersten integrierten Schaltkreischips unter die obere Fläche der Formmassen-Schicht vertieft sind.
  20. Gekapselte Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 19, die weiter einen zweiten integrierten Schaltkreischip umfasst, der mit der zweiten Oberfläche des Substrats verbunden ist.
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