[发明专利]多层芯片架构及连接方法

说明书

一种多层芯片架构相互连接，通过硅通孔（TSV）的键合方法及可以实施方式为多层相同或不同功能的集成电路芯片相互连接。多层芯片通过硅通孔（TSV）键合形成圆柱体金属互连，芯片之间用顶部与底部堆叠方式，或芯片倒装堆叠芯片方式实现层与层硅通孔定位对准。不同几何尺寸芯片堆叠键合方式互连是通过芯片上固定位置硅通孔（TSV）金属键合，增加一个辅助层使得各层芯片通过硅通孔（TSV）可持续互连。这种固定位置硅通孔（TSV）金属化垂直互连，可以作为工艺定位和对齐基准使得堆叠芯片互连焊接准确，工艺控制简便，连接可靠，可以规模化并具有合理成本的生产，可以跨层和简化各层之间电连接。

技术领域

本发明涉及半导体集成电路，具体为一种封装内部多层芯片架构及连接方法。

背景技术

目前集成电路三维芯片技术及其实施方式是在：两个芯片堆叠层或目前最多只能三个芯片堆叠层之间的器件的之间直接连接是通过任意位置通孔垂直连接，这种通孔的位置是按照需要电连接器件所在位置决定，这种方式就局限只能在两层芯片最多三层芯片特定位置上的垂直互连，不论是顶部对顶部，或是底部对顶部的堆叠方式。这种通孔位置是基于器件所在位置，采用垂直互连接方式的定位精度不高，精准定位和对齐上下层通孔及器件困难。受这种定位方式的局限，完全不能进行多层堆叠芯片的互连，并且不能实现不同芯片层之间的跨接连接。采用通孔直接连接器件方式，无法大规模量产以及有效降低成本。随着多层芯片的集成度增加，采用通孔直连接器件的实施变得更加困难。集成度不高的一个封装外过多和过长的互连线电阻及电容使信号传播延时增加，且更多消耗功率，电容还会引起额外噪声使得电路可靠性降低。

本发明可以实施一个封装内部解决多层芯片堆叠的连接，实现间隔不同芯片层和功能模块跨接。这样使得不同芯片功能模块可以堆叠组合成单个系统级单元的封装，用本专利生成的模块能够处理多重复合功能。这种硅通孔作为专门特定位置方法解决了堆叠芯片层的定位精度可以容易对齐通孔实施工艺控制，实现规模化量产。

因此，本发明多层芯片架构及连接方法，这种在一个封装内高集成度和高密度架构的互连，有效解决三个方面技术缺陷：无法超过三层芯片以上的硅通孔连接，不同芯片层的跨层连接，多层芯片连接定位和工艺对齐控制。

发明内容

本发明内容目的是针对目前多层芯片3维集成电路技术中存在的上述问题和缺陷并提供有效解决实施方法。本发明提供一种多层芯片架构及连接方法，将多层芯片在至少一个方向上的相同位置排列相同直径硅通孔，其中包括可以实现不同几何尺寸芯片堆叠，以及增加具有通孔的辅助层，保持不同尺寸芯片堆叠时各芯片层持续连接。由于这种在所有堆叠芯片相同位置排列硅通孔以及多个互连的连接方法，可以在多层芯片架构的封装结构内实施不同芯片层的跨层连接。且本发明硅通孔(TSV)金属化垂直互连，使得不同堆叠芯片硅通孔之间焊接所必须的定位准确，芯片对齐工艺简化，连接可靠，可以跨层和简化各层之间电连接；其工艺过程控制简便可行，实施标准化，流程化，规模化兼具合理成本的生产。

本发明是一种多层芯片架构及连接方法实施，包括：

芯片层包括基板，导电层，绝缘层，金属连接端子，金属连接线和硅通孔。芯片层的器件通过金属连接线和连接端子连接至硅通孔，在硅通孔中实施金属键合与这些金属连接线和金属连接端子互连。

硅通孔内的金属铜圆柱体贯通连接上一层和下一层。

多层芯片在封装内顶部对底部的堆叠，或者倒装方式堆叠时硅通孔位置都保持一致，在对齐硅通孔进行金属连接时工艺定位容易控制，准确。

每一层器件连接至硅通孔采用金属连接线和连接端子，如果其中的一个或多个硅通孔不需要与该芯片层的器件互连接，硅通孔中金属圆柱体直接贯通该层连接至上层和下层。

几何尺寸较小的芯片堆叠在两个几何尺寸较大的芯片层中间，在该两个几何尺寸较大芯片间会出现多余空间，或在其中一个方向上就没有连接上下芯片层的硅通孔，根据这种情况，增加一个具有硅通孔的辅助层用于贯通并连接上下层。