[发明专利]一种三维堆叠集成结构及其多芯片集成结构和制备方法

说明书

本发明一种三维堆叠集成结构及其多芯片集成结构和制备方法，包括基片和嵌装在基片内的若干芯片；基片上设置若干贯穿基片正面和背面的导电通孔，与基片绝缘设置的导电通孔内部填充导电材料；基片背面间隔设置有若干凹槽，每个凹槽内均嵌入对应的芯片，芯片正面的芯片焊盘朝向基片背面；基片背面的表面依次设置有电连通的背面多层金属布线层、背面凸点下金属层和背面对外电引脚，基片正面的表面依次设置有电连通的正面多层金属布线层、正面凸点下金属层和正面对外电引脚，形成多芯片集成结构水平方向的电连接；实现多个芯片高密度、高性能、高可靠的三维TSV堆叠集成，解决不同功能、不同尺寸、不同材质、不同工艺的多个芯片三维集成问题。

技术领域

本发明涉及先进电子封装技术领域，具体为一种三维堆叠集成结构及其多芯片集成结构和制备方法。

背景技术

对电子系统功能多元化、复杂化需求逐步提高的同时，要求电子系统的体积、功耗、重量进一步减小，促进了电子集成技术的飞速发展。SOC(System-on-Chip)“片上系统”这种单片集成技术经过多年的研究和发展，虽然已经取得了很大的进步，但对其弊端和局限性的认识也逐渐清晰。特别是受到半导体晶圆制造工艺的限制，很多功能芯片，如射频芯片、光电芯片、传感器芯片、功率芯片等，同CMOS工艺和材料不兼容，无法实现SoC单片集成；同时电子系统复杂度提高，使得SoC设计难度增大、研发时间和市场投放时间增长。另外，随着半导体集成电路微缩制程逼近物理极限，二维平面集成技术的发展速度进一步放缓，以TSV硅通孔技术为代表的三维立体集成技术成为电子行业关注的热点。TSV是英文Through-Silicon-Via的首字母缩写，意思是穿透硅材料的导电通孔，TSV使硅芯片正面的电连接穿过硅衬底，以最短的距离到达硅芯片背面，形成连接硅芯片上下表面的垂直电通道。TSV技术使得多个芯片相互堆叠集成成为可能，将芯片集成从二维集成扩展到三维集成。

TSV三维芯片堆叠集成技术最早应用于相同存储器芯片间的堆叠集成。2014年三星推出了DRAM芯片TSV三维堆叠集成产品，堆叠了4层DRAM芯片；随后内存厂商海力士在市场上推出的HBM(High Bandwidth Memory)也是4层DRAM芯片TSV三维堆叠。相同存储器芯片间尺寸和芯片引脚一致，功耗较低，堆叠集成设计相对也比较简单。存储器芯片间的堆叠集成需要先在存储器芯片晶圆上制备TSV通孔，再进行上下芯片层间的键合形成电气连接。目前市场上，这种在有源芯片上直接打TSV通孔并进行芯片垂直堆叠集成技术仅应用在相同的存储器芯片堆叠产品上，原因是在有源芯片上打TSV孔，一不小心就会损坏内部电路，所以对工艺要求高，需要对芯片内部的电路和结构有充分的了解，芯片晶圆的尺寸要求同TSV工艺线的尺寸相吻合，芯片晶圆在设计和加工时就要考虑到后续的TSV通孔工艺，以及TSV通孔的keep-out区域等，所用芯片需要专门设计才可以打TSV孔并进行堆叠。同时芯片垂直堆叠对芯片的大小尺寸的等同也有一定的要求，这些都导致TSV三维堆叠技术目前还没能用于其它芯片。另外当前TSV工艺还没有移至到Ge、GaAs、InP、SiC、GaN等半导体基材中去，所以基于这些半导体衬底的芯片晶圆目前还不能制备连接上下表面的垂直导通孔。

电子系统涉及的IC芯片种类繁多，包括数字电路芯片、模拟电路芯片、射频/微波电路芯片、微机电系统(MEMS)芯片、光子芯片，以及无源电路芯片等，功能各异，工艺节点、晶圆尺寸和芯片尺寸相差巨大。如何实现这些不同尺寸、不同材料、不同工艺、不同功能的芯片的高密度三维集成，对电子系统的微型化的具有重大意义。