Устройство интегральной схемы и способ изготовления устройства интегральной схемы

Изобретение относится к микроэлектронике, а именно к формированию пакета интегральных микросхем. Сущность изобретения: устройство интегральной схемы содержит первый кристалл с множеством продолжающихся через подложку переходных отверстий (ПОК), каждое из которых включает электропроводный материал, причем первый кристалл содержит площадь поверхности; и множество вторых кристаллов, каждый из которых содержит множество контактных точек, соединенных с электропроводным материалом ПОК первого кристалла, причем множество вторых кристаллов расположены на первом кристалле так, что они совместно составляют площадь поверхности, приблизительно равную или наиболее соответствующую площади поверхности первого кристалла. Предложен способ изготовления устройства интегральной схемы с множеством вторых кристаллов, размещаемых на первом кристалле. Изобретение обеспечивает укладку кристаллов микросхемы друг на друга для повышения рабочих характеристик без увеличения площади поверхности. 3 н. и 18 з.п. ф-лы, 8 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Формирование пакета интегральных микросхем.

Уровень техники

В последнее время делались попытки укладки микросхем, или кристаллов, друг на друга для повышения рабочих характеристик без увеличения занимаемого места (например, без увеличения площади поверхности) на печатной плате. В частности, такой подход диктуется требованиями разработки новых усовершенствованных сотовых телефонов, смартфонов и других мобильных устройств. Изготовители микросхем комбинируют динамическое и статическое оперативное запоминающие устройства (DRAM (ДОЗУ, динамическое оперативное запоминающее устройство) и SRAM (СОЗУ, статическое оперативное запоминающее устройство), запоминающее устройство типа флэш и другие запоминающие устройства в виде соединенной структуры или пакета интегральных микросхем, но исторически они сталкивались с ограничениями, связанными с требованиями выделять дополнительное место для разводки проводов (например, при проводном соединении), которые соединяют кристаллы. В технологии укладки друг на друга микросхем, или кристаллов две или больше микросхем объединяют вместе для формирования соединенной структуры интегральной микросхемы. Микросхемы или кристаллы могут быть соединены вместе соединительными проводами вдоль боковых сторон уложенного набора или с помощью металлических переходных отверстий на границе перехода между микросхемами.

Один общий подход при укладке друг на друга микросхем, или кристаллов, называется соединением с обращенными друг к другу передними сторонами. В этой конфигурации стороны устройства, состоящего из, например, двух соответствующих кристаллов, укладывают друг на друга так, что их стороны устройства обращены друг к другу, и металлические переходные отверстия электрически соединяют эти кристаллы на границе перехода между кристаллами. В одном представлении структуры интегральной схемы, соединенной с обращенными друг к другу передними сторонами, центральное процессорное устройство (CPU, ЦПУ) или логический кристалл и кристалл запоминающего устройства (например, ДОЗУ или ДОЗУ) уложены друг на друге с конфигурацией соединения с обращенными друг к другу передними сторонами. Теплоотвод может быть закреплен на всей микросхеме ЦПУ или на логическом кристалле и выводы питания и ввода/вывода (I/O, В/В) с пакетом или с печатной платой выполняют с использованием столбиковых выводов, выведенных через всю толщину кристалла запоминающего устройства. Переходные отверстия через кремниевую подложку (TSV, ПОК) можно использовать для перехода через кристалл запоминающего устройства и соединения металлических частей двух кристаллов на границе перехода.

В описанном выше примере, поскольку выполненные через кремниевую подложку переходные отверстия проходят через активный участок кремниевой подложки запоминающего устройства второго кристалла (например, кристалла запоминающего устройства), в схеме должна быть выделена достаточная площадь для того, чтобы обеспечить возможность размещения проходящих через кремниевую подложку переходных отверстий. Такие переходные отверстия типично могут быть крупными (более чем в 10 раз) больше, чем установлены в соответствии с минимальными конструктивными требованиями для данного процесса, ввиду требований подачи питания. Питание к обоим кристаллам подводят по переходным отверстиям через кремниевую подложку. Требование обеспечения питания диктует необходимость размещения приблизительно одного переходного отверстия через кремниевую подложку на один столбиковый контакт. При упаковке с перевернутой микросхемой столбиковые контакты обычно располагают в виде широко размещенной однородной структуры по всей двумерной поверхности кристалла, что обеспечивает большое количество однородных соединений для питания и заземления на верхнем металлическом слое. Это требует, чтобы схема второго кристалла (например, кристаллы запоминающего устройства) была разработана так, чтобы обеспечивалась возможность размещения таких переходных отверстий с соответствующим зазором между соседними структурами. В результате требуется, чтобы второй кристалл был специально сконструирован так, чтобы он точно соответствовал требованиям размещения переходных отверстий первого кристалла.

Еще одна конфигурация соединения представляет собой конфигурацию соединения передней стороны с задней стороной. Используя, например, кристалл ЦПУ и кристалл запоминающего устройства в конфигурации с соединением передней стороны с задней стороной, положение двух кристаллов можно менять местами. Например, соединения для передачи сигналов и питания первого кристалла (кристалл ЦПУ) могут быть закреплены на пакете обычным способом, используя стандартную технологию столбиковых выводов. Соединения для подачи питания и сигналов для второго кристалла (например, кристаллы запоминающего устройства) могут проходить через первый кристалл, используя проходящие через кремниевую подложку переходные отверстия. Требования к снабжению питанием кристалла запоминающего устройства обычно гораздо ниже, чем для ЦПУ или логического кристалла, и поэтому количество проходящих через кремниевую подложку переходных отверстий, которые должны проходить через первый кристалл (например, кристалл ЦПУ), значительно меньше, и они не обязательно должны быть однородно размещены по всей поверхности кристалла. Это позволяет обеспечить меньшее влияние на конструкцию и компоновку кристалла ЦПУ со стороны трехмерного соединения второго кристалла.

Краткое описание чертежей

Свойства, аспекты и преимущества вариантов воплощения будут более понятны из следующего подробного описания приложенной формулы изобретения и приложенных чертежей, на которых:

на фиг.1 показан вид сверху с покомпонентным представлением деталей соединенной структуры интегральной микросхемы, включающей в себя первый кристалл и множество разделенных или неразделенных кристаллов, расположенных так, что они занимают площадь поверхности первого кристалла;

на фиг.2 показан вид верхней стороны структуры по фиг.1, и представлены соединительные площадки, связанные с каждым из вторых кристаллов;

на фиг.3 показан вид сбоку, вдоль линии 3-3;

на фиг.4 показана структура по фиг.2, вдоль линии 3-3, иллюстрирующая слой перераспределения, предназначенный для электрического соединения контактов на вторых кристаллах с проходящими через кремниевую подложку переходными отверстиями в первом кристалле;

на фиг.5 представлен вариант воплощения поверхности первого кристалла;

на фиг.6 представлен другой вариант воплощения соединенной структуры интегральной микросхемы, включающий в себя первый кристалл и множество вторых кристаллов;

на фиг.7 показана блок-схема последовательности операций варианта воплощения способа формирования соединенной структуры интегральной микросхемы;

на фиг.8 схематично показан вид сбоку электронного узла, как части настольного компьютера.

Подробное описание изобретения

На фиг.1-3 показаны различные виды варианта воплощения соединенной структуры интегральной микросхемы, включающей в себя первый кристалл 110 и несколько разделенных или неразделенных вторых кристаллов 210, электрически соединенных на первом кристалле 110. Кристалл 110 представляет собой кристалл ЦПУ или логический кристалл. В одном варианте воплощения кристалл 210 (объединенные отдельные кристалл 210А, кристалл 210 В, кристалл 210С и кристалл 210D) представляет собой запоминающее устройство (например, СОЗУ, ДОЗУ), или другое устройство, или другие комбинации различных устройств (например, логических устройств и запоминающих устройств). Множество кристаллов, совместно представленных кристаллом 210, имеют размер кристалла (площадь поверхности), приближающийся или соответствующий размеру (площади поверхности) первого кристалла 110. В качестве примера, кристалл 110, который представляет собой ЦПУ или логический кристалл, может иметь площадь поверхности 400 квадратных миллиметров (мм²). Каждый кристалл 210 (кристалл 210А, кристалл 210В, кристалл 210С, кристалл 210D) в данном примере имеет площадь поверхности 100 мм², таким образом, общая площадь поверхности, занятая кристаллами 210, также составляет 400 мм². В случаях, когда кристалл 210 представляет собой структуру запоминающих устройств, таких как ДОЗУ, эти кристаллы могут быть подобраны так, чтобы совместно эти кристаллы обеспечивали приемлемое соответствие плотности и размерам ДОЗУ. Что касается плотности, объем кристалла ДОЗУ может составлять один гигабайт (Гб) в соответствии с современными технологиями, в случаях, когда количество кристаллов равно четырем, как показано на чертеже. В качестве альтернативы, для ДОЗУ меньшей емкости (например, 512 килобайт (кб) или 256 кб, количество кристаллов 210 может быть большим (например, восемь кристаллов по 512 кб с размером 60 мм² каждой из них (всего 480 мм²)).

На фиг.1 показаны два примера кристалла 210. В одном примере каждый кристалл 210 (кристалл 210А, кристалл 210В, кристалл 210С и кристалл 210D) выполнен разделенным и собран как отдельный модуль на кристалле 110. В качестве альтернативы, множество кристаллов могут быть сформированы как единый модуль и закреплены на кристалле 110.

Кристаллы запоминающих устройств (например, ДОЗУ, ДОЗУ) свободно доступны либо в форме кристалла, либо в форме кремниевых пластин. Такие кристаллы повсеместно используют с применением проводных соединений. В качестве примера, такой кристалл может иметь 4-32 контактных соединительных площадок ввода/вывода и для подключения питания на кристалл. Такие соединительные площадки обычно располагают в виде узкой колонки шириной одна-две соединительные площадки, продолжающейся через центр кристалла. На фиг.2 показан кристалл 210 (например, кристалл 210А, кристалл 210В, кристалл 210С и кристалл 210D), имеющий колонку шириной две соединительные площадки, продолжающуюся через центр каждого кристалла, состоящую из соединительных площадок 220 (показаны пунктирными линиями для иллюстрации того, что соединительные площадки расположены на противоположной поверхности кристалла в представленном виде).

В одном варианте воплощения кристалл 110 может представлять собой многоядерный процессор. Многоядерный процессор обычно имеет множество законченных ядер в одном физическом процессоре, каждое из которых работает с одинаковой частотой. Каждое ядро обычно расположено в одном и том же пакете. Как показано на фиг.1, кристалл 110 может представлять собой, например, двухъядерный процессор, четырехъядерный процессор (показан на чертеже) или процессор с большим количеством ядер.

В одном варианте воплощения кристалл 110 и кристаллы 210 соединены в конфигурации соединения с обращенными друг к другу передней и задней сторонами. Как показано на фиг.3, кристалл 110 имеет множество проходящих через кремний переходных отверстий (ПОК) 130, сформированных в ней. Проходящие через кремний переходные отверстия 130 включают в себя электропроводный материал, проложенный через отверстие, такой как медь, который используется для соединения кристалла 110 и/или контактов 320 на упаковке 310 с контактами (например, соединительными площадками) на кристаллах 210 (кристалл 210С и кристалл 210D, показанных на чертеже). На фиг.3 показан кристалл 110, сторона 120 устройства которого расположена рядом и соединена с пакетом 310, и с продолжающимися через кремниевую подложку переходными отверстиями 130, которые продолжаются через кристалл 110 (со стороны устройства на заднюю сторону (поверхность 125)). Продолжающиеся через кремниевую подложку переходные отверстия электропроводного материала, такого как медь, могут быть сформированы на некоторых этапах обработки, которые применяют при изготовлении кристалла 110. Таким образом, продолжающиеся через кремниевую подложку переходные отверстия 130 могут быть размещены так, чтобы они совмещались с контактными площадками 220 (см. фиг.2) вторых кристаллов. На фиг.3 показаны продолжающиеся через кремниевую подложку переходные отверстия 130, продолжающиеся от электрических контактов 320 (например, контактных ножек припоя на соединительных площадках) до контактных площадок 220 на втором кристалле 210С и 210D. Кристаллы 210 могут быть расположены таким образом, чтобы сторона устройства (сторона соединительной площадки) каждого кристалла была расположена на задней стороне кристалла 110. На фиг.3 также показан теплоотвод 410, соединенный с задней стороной кристалла 210.

В некоторых вариантах воплощения продолжающиеся через кремниевую подложку переходные отверстия, связанные с кристаллом 110, могут не быть совмещенными с контактами (например, соединительными площадками) кристаллов 210. В таких ситуациях, электропроводный слой перераспределения, такой как металлический (например, медный) слой, может быть сформирован либо на задней стороне кристалла 110, или на стороне устройства кристалла 210. Такой слой перераспределения может использоваться как взаимное соединение между контактными точками (например, соединительными площадками) кристаллов 210 и продолжающимися через кремниевую подложку переходными отверстиями 130. На фиг.4 показана соединенная структура интегрального кристалла по фиг.2 в разрезе вдоль линии 3-3 в соответствии с другим вариантом воплощения. В данном примере контактные точки 220 кристаллов 210С и 210D не совмещены с продолжающимися через кремниевую подложку переходными отверстиями 130, продолжающимися между пакетом 310 и кристаллом 110. На фиг.4 представлен слой 150 перераспределения, состоящий, например, из электропроводного материала, такого как медь, сформированный в одном варианте воплощения на задней стороне кристалла 110. На фиг.5 показана поверхность задней стороны кристалла 110, на которой сформированы продолжающиеся через кремниевую подложку переходные отверстия 130А и 130В, продолжающиеся через кристалл 110 на поверхность задней стороны. На фиг.5 также показан сформированный слой 150 перераспределения, продолжающийся в поперечном направлении от каждого продолжающегося через кремниевую подложку переходного отверстия 130А. В данном примере, продолжающиеся через кремниевую подложку переходные отверстия 130В могут быть совмещены с контактными точками вторых кристаллов 210. В данном примере, слой 150 перераспределения может представлять собой электропроводный материал, такой как медь, сформированный с использованием фотолитографических технологий, в котором, например, медный материал осаждают на поверхность задней стороны кристалла 110, после чего наносят маску для формирования слоя 150 перераспределения и выполняют травление для получения структуры слоя перераспределения в виде штрихов, продолжающихся поперечно от пропущенных через кремниевую подложку переходных отверстий 130А до требуемого положения для формирования электрического контакта с контактными точками вторых кристаллов 210С и 210D. Слой 150 перераспределения может быть соединен с контактными точками кристаллов 210 через, например, паяное соединение, пропущенное через переходные отверстия 130В через кремниевую подложку.

В случае, когда это необходимо, материал прокладки может быть сформирован из, например, диэлектрического материала, соединенного со слоем перераспределения на поверхности кристалла 110 или кристаллов 210 для компенсации каких-либо зазоров между кристаллами. На фиг.4 показан материал 160 прокладки, сформированный со слоем 150 перераспределения на поверхности кристалла 110.

При описании со ссылкой на фиг.1-5 показаны четыре кристалла 210, такие как кристаллы запоминающих устройств (например, ДОЗУ или ДОЗУ), причем каждый из таких кристаллов имеет аналогичный размер кристалла. Следует понимать, что в других вариантах воплощения кристаллы, имеющие разные функции и различные размеры могут быть расположены друг над другом. На фиг.6 показан вид сверху соединенной структуры интегрального кристалла, состоящего из кристалла 510, представляющего собой, например, ЦПУ или логический кристалл. На поверхности (например, на поверхности задней стороны) кристалла 510 расположены кристаллы 610А и 610В, представляющие собой, например, запоминающие устройства ДОЗУ. Также на задней стороне кристалла 510 расположен кристалл 620, имеющий больший размер кристалла (площадь поперечного сечения), чем у кристалла 610А или кристалла 610В. Кристалл 620 представляет собой, например, запоминающее устройство ДОЗУ. В данном примере кристалл 610А, кристалл 610В и кристалл 620 описаны как кристаллы запоминающих устройств, но следует понимать, что также можно использовать другие типы кристаллов, такие как ЦПУ, логические кристаллы.

На фиг.7 показана блок-схема последовательности операций способа формирования соединенной структуры интегрального кристалла. В данном варианте воплощения кристаллы запоминающего устройства собирают на поверхности, такой как поверхность задней стороны ЦПУ или логического кристалла. Как отмечено выше, следует понимать, что тип кристаллов может быть выбран произвольно.

Как показано на фиг.7, в данном варианте воплощения сначала определяют требования к запоминающим устройствам для соединенной структуры интегрального кристалла (блок 710). Например, желательные требования к запоминающим устройствам могут представлять собой запоминающее устройство типа ДОЗУ объемом один гигабайт (Гб) для соединенной структуры интегральной схемы.

После определения требований к запоминающим устройствам выбирают количество кристаллов запоминающих устройств таким образом, чтобы суммарная площадь поверхности множества кристаллов приблизительно равнялась площади поверхности (например, площади задней боковой поверхности) ЦПУ или логического кристалла (блок 720). Например, в случаях, когда площадь поверхности ЦПУ или логического кристалла равна 400 мм² и существуют кристаллы запоминающих устройств ДОЗУ емкостью 1 Гб, имеющие площадь поверхности 100 мм², четыре кристалла запоминающего устройства ДОЗУ (4×100 мм²) приблизительно составляют площадь поверхности ЦПУ или логического кристалла.

После выбора кристаллов запоминающих устройств исследуют точки контактов (точки подключения питания и точки контактов ввода/вывода) кристаллов запоминающих устройств, и эту структуру сравнивают со структурой продолжающихся через кремниевую подложку переходных отверстий, требуемых для ЦПУ или логического кристалла. В этот момент определяют, требуется ли слой перераспределения (блок 730). Если слой перераспределения не нужен, контакты могут быть размещены на задней стороне ЦПУ, или логического кристалла (блок 740). Если необходим слой перераспределения, такой слой перераспределения формируют на задней стороне поверхности ЦПУ или логического кристалла и формируют контакты для слоя перераспределения (блок 750).

После того, как контакты будут установлены на поверхности (например, на задней боковой поверхности) кристалла ЦПУ, множество кристаллов запоминающих устройств соединяют с ЦПУ или логическим кристаллом, например, используя паяное соединение (блок 760). После соединения кристаллов запоминающих устройств с ЦПУ или логическим кристаллом, соединенный пакет кристаллов может быть соединен с пакетом подложки, включающим в себя проходящие через кремниевую подложку переходные отверстия, которые продолжаются до кристаллов запоминающих устройств (блок 770). Установка теплоотвода и любые другие технологии, обычно используемые при сборке пакетных подложек, могут использоваться после этого.

На фиг.8 показан вид сбоку электронного узла, включающего в себя соединенную структуру интегрального кристалла, который может быть физически и электрически соединен с печатной платой проводной разводки или с печатной платой (РСВ, ПП). Этот электронный узел может представлять собой часть электронной системы, такой как компьютер (например, настольный компьютер, переносной компьютер, портативный компьютер, сервер, и т.д.), беспроводного устройства связи (например, сотового телефона, беспроводного телефона, пейджера, и т.д.), периферийного устройства, относящегося к компьютеру (например, принтер, сканер, монитор и т.д.), устройства для развлечения (например, телевизионный приемник, радиоприемник, стереоустановка, ленточный проигрыватель и проигрыватель компакт-дисков, устройство записи видеокассет, проигрыватель МРЗ (проигрыватель, работающий с форматом аудиоданных Группы экспертов движущегося изображения, аудиоуровень 3 и т.д.) и т.п. На фиг.8 иллюстрируется пакет, который представляет собой часть настольного компьютера. На фиг.8 показан электронный узел 800, включающий в себя соединенную структуру 805 интегральной схемы, физически и электрически соединенной с подложкой 810. Подложку 810 пакета можно использовать для соединения кристалла 100 с печатной платой 820, такой как материнская плата или другая печатная плата.

В предшествующем подробном описании делается ссылка на специфические варианты его воплощения. Однако следует понимать, что различные модификации и изменения могут быть выполнены в нем без выхода за пределы широкого понимания сущности и объема следующей формулы изобретения. Описание и чертежи, соответственно, следует рассматривать как иллюстрацию, а не в ограничительном смысле.

1. Устройство интегральной схемы, содержащее:
первый кристалл, содержащий множество продолжающихся через подложку переходных отверстий (ПОК), каждое из которых включает электропроводный материал, причем первый кристалл содержит площадь поверхности; и
множество вторых кристаллов, каждый из которых содержит множество контактных точек, соединенных с электропроводным материалом ПОК первого кристалла, причем множество вторых кристаллов расположены на первом кристалле так, что они совместно составляют площадь поверхности, приблизительно равную или наиболее соответствующую площади поверхности первого кристалла.

2. Устройство по п.1, в котором первый кристалл и множество вторых кристаллов соединены в конфигурации, в которой передняя сторона обращена к задней стороне.

3. Устройство по п.2, в котором первый кристалл содержит ЦПУ или логический кристалл.

4. Устройство по п.3, в котором множество вторых кристаллов содержит модули запоминающего устройства.

5. Устройство по п.3, в котором множество вторых кристаллов содержит модули динамического оперативного запоминающего устройства.

6. Устройство по п.1, в котором первый кристалл содержит многоядерный процессор, и множество вторых кристаллов имеют такую конфигурацию, что каждый из множества вторых кристаллов расположен на соответствующих ядрах многоядерного процессора.

7. Устройство по п.1, в котором первый кристалл дополнительно содержит множество контактных точек, соединенных с ПОК через электропроводный слой перераспределения, и множество контактных точек каждого из вторых кристаллов соединены с множеством контактов первого кристалла.

8. Способ изготовления устройства интегральной схемы, содержащий: размещение множество вторых кристаллов на первом кристалле таким образом, что совместно множество вторых кристаллов составляет площадь поверхности, приблизительно равную или наиболее соответствующую площади поверхности первого кристалла; и электрически соединяют множество вторых кристаллов с множеством продолжающихся через подложку переходных отверстий (ПОК) первого кристалла, при этом ПОК включают электропроводный материал.

9. Устройство по п.8, в котором первый кристалл и множество вторых кристаллов соединены в конфигурации соединения в которой передняя сторона обращена к задней стороне.

10. Устройство по п.9, в котором первый кристалл содержит ЦПУ или логический кристалл.

11. Устройство по п.10, в котором множество вторых кристаллов содержит модули запоминающих устройств.

12. Устройство по п.10, в котором множество вторых кристаллов содержит модули динамического оперативного запоминающего устройства.

13. Способ по п.8, в котором первый кристалл содержит многоядерный процессор, и размещение множества вторых кристаллов на первом кристалле содержит такую компоновку, что каждый из множества вторых кристаллов соединен с соответствующим одним из ядер многоядерного процессора.

14. Способ по п.8, в котором первый кристалл содержит множество контактных точек, соединенных с ПОК через электропроводный слой перераспределения, и соединение множества вторых кристаллов содержит соединение контактных точек множества вторых кристаллов с множеством контактных точек первого кристалла.

15. Система интегральной схемы, содержащая:
сборку электронного узла, включающую в себя печатную плату и структуру интегральной схемы, соединенную с печатной платой, при этом структура интегральной схемы содержит:
первый кристалл, содержащий множество продолжающихся через подложку переходных отверстий (ПОК), каждое из которых включает электропроводный материал, причем первый кристалл содержит площадь поверхности; и
множество вторых кристаллов, каждый из которых содержит множество контактных точек, соединенных с электропроводным материалом ПОК первого кристалла, причем множество вторых кристаллов размещено на первом кристалле таким образом, что совместно они составляют площадь поверхности, приблизительно равную или наиболее соответствующую площади поверхности первого кристалла.

16. Система по п.15, в которой первый кристалл и множество вторых кристаллов соединены в конфигурации с соединением передней стороны с задней стороной.

17. Система по п.16, в которой первый кристалл содержит ЦПУ или логический кристалл.

18. Система по п.17, в которой множество вторых кристаллов содержит модули запоминающих устройств.

19. Система по п.17, в которой множество вторых кристаллов содержит модули динамического оперативного запоминающего устройства.

20. Система по п.15, в которой первый кристалл содержит многоядерный процессор, и множество вторых кристаллов, выполненных таким образом, что каждый из множества вторых кристаллов расположен на соответствующих ядрах многоядерного процессора.

21. Система по п.15, в которой первый кристалл дополнительно содержит множество контактных точек, соединенных с ПОК через электропроводный слой перераспределения, и множество контактных точек каждого из вторых кристаллов соединено с множеством контактных точек первого кристалла.