[发明专利]具有覆盖过孔的金属垫的微电子元件

说明书

技术领域

本发明涉及微电子器件的封装，特别是半导体器件的封装。

背景技术

微电子元件通常包括半导体材料例如硅或砷化镓的薄板，通常称作裸片或半导体芯片。半导体芯片通常被作为单独的、封装单元提供。在某些单元设计中，半导体芯片被安装于基板或芯片载体上，基板或芯片载体被安装于电路板例如印制电路板上。

有源电路被制作在半导体芯片的第一表面(例如前表面)上。为了便于电连接到有源电路，芯片在同一表面上设置有焊垫。焊垫典型地布置为规则的阵列，或者围绕裸片的边缘或者，对许多存储装置来说，在裸片中心处。焊垫通常由约0.5μm厚的导电金属例如铜或铝制成。焊垫可以包括一层或多层金属。焊垫的尺寸随装置的类型而不同，但典型地在一侧上有几十微米至几百微米的尺寸。

硅过孔技术(TSV)用于连接焊垫和半导体芯片的与第一表面相反的第二表面(例如后表面)。传统的过孔包括穿透半导体芯片的孔和从第一表面至第二表面延伸通过孔的导电材料。焊垫可以电连接到过孔上，以允许焊垫和半导体芯片第二表面上的导电元件之间连通。

传统的TSV孔可以减少可能会用于包含有源电路的第一表面的那部分。可以用于有源电路的第一表面上的可用空间的这种减少可能增加用以制作每个半导体芯片所需硅的量，因而潜在地增加了每个芯片的成本。

由于过孔内部的非最优应力分布以及半导体芯片例如和芯片被焊接于其上的结构之间的热膨胀系数(CTE)不匹配，传统的过孔可能面临着可靠性的挑战。例如，当半导体芯片上的导电过孔通过相对较薄且较硬的介电材料绝缘时，过孔内可能存在很大的应力。另外，当半导体芯片焊接到聚合体基板的导电元件上时，芯片和基板的较高CTE结构之间的电连接部将由于CTE不匹配而处于应力作用下。

在芯片的任意物理配置中，尺寸是一个很重要的考虑因素。随着便携式电子装置的快速发展，越来越强烈地需要更紧凑物理配置的芯片。仅仅通过实例，通常被称为“智能手机”的装置，利用强大的数据处理器、存储器和辅助装置例如全球定位系统接收器、电子照相机和局域网连接，连同高分辨率显示器和相关的图形处理芯片一起，集成了移动电话的功能。这种装置可以提供如下性能：例如完整的网络连通性、包括全分辨率视频的娱乐、导航，电子银行以及更多，所有这些都处于口袋大小的装置内。复杂的便携式装置需要将许多芯片封装于很小的空间内。而且，一些芯片具有很多输入和输出连接，通常称为“I/O”。这些I/O必须与其他芯片的I/O相互连接。相互连接应该很短并且应该具有低阻抗以使信号传播延迟最小化。形成相互连接的部件应该不会大大增加该组件的尺寸。类似的需求在作为例如数据服务器的其他应用中也出现了，例如用于网络搜索引擎中的那些数据服务器。例如，在复杂的芯片之间提供许多短小、低阻抗的相互连接的结构可能增加搜索引擎的带宽并且减小其能量消耗。

虽然在半导体过孔形成和相互连接方面已经取得了一些进步，但仍需要改进以使半导体芯片的尺寸最小化，同时提高电互连的可靠性。本发明的这些特征通过构造如下所述的微电子封装而实现了。

发明内容

根本发明的一个方面，微电子单元包括具有前表面和背离前表面的后表面的半导体元件。半导体元件内可以具有多个有源半导体器件。半导体元件可以具有多个导电垫，每个导电垫具有暴露于前表面处的顶表面并且具有背离顶表面的底表面。半导体元件可以具有第一开口，第一开口从后表面开始朝向前表面延伸部分地穿过半导体元件。半导体元件可以具有至少一个第二开口，每个第二开口从第一开口开始至少延伸至相应一个导电垫的底表面。

微电子单元可以还包括至少一个导电过孔部，该至少一个导电过孔部在该至少一个第二开口中的相应一个内延伸并与相应的导电垫电连接。微电子单元可以还包括覆盖于第一开口内的半导体元件表面上的介电区域。介电区域可以具有延伸离开导电过孔部的缝隙，其中，缝隙的轮廓不与第一开口的轮廓相符。在某一实施例中，缝隙可以具有圆柱形形状或截头圆锥形形状中的至少一种。

微电子单元可以还包括至少一个导电互连部，该至少一个导电互连部电连接到相应的导电过孔部并在缝隙内远离该导电过孔部延伸。微电子单元可以还包括被暴露用以与外部元件互连的至少一个导电触点。触点可以电连接到相应的导电互连部上，该至少一个触点与第一开口内半导体元件的一部分沿竖直方向对正，竖直方向是半导体元件在前表面和后表面之间的厚度方向。