專利名稱：包含esd器件的電子器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電子器件，其包含半導(dǎo)體器件和保護(hù)該半導(dǎo)體器件的靜電放電(ESD)器件或電路。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體器件，尤其是集成電路，需要保護(hù)以防止不期望的干擾。保護(hù)水平不斷地提高，這不僅是因?yàn)榉ǘǖ囊?，而且也是因?yàn)橛捎诔叽缈s小導(dǎo)致的集成電路靈敏度的提高。不期望的干擾之一是靜電放電，以下也稱之為ESD。如果有人接觸或接近半導(dǎo)體器件的一個(gè)輸入端口時(shí)，將會(huì)發(fā)生ESD。在包含按鈕、電纜端口等等的消費(fèi)電子產(chǎn)品應(yīng)用中尤其是這種情況。靜電放電導(dǎo)致了進(jìn)入到集成電路中的高壓脈沖。如果不將其充分的導(dǎo)入地，這樣的脈沖將很可能擊毀集成電路。
通常，集成電路用屬于集成電路一部分的特定保護(hù)電路或者另外分離的半導(dǎo)體器件來被保護(hù)防止ESD。兩種現(xiàn)有的解決方案有一個(gè)主要的缺陷考慮到電壓和由此將被分配的功率，在集成電路中的特定保護(hù)電路必須大。這不符合更小尺寸晶體管和這種晶體管的更高密度的發(fā)展趨勢。這些分離器件，如二極管，很大并且要求大量的裝配和充分設(shè)計(jì)的印刷電路板。
此外，不幸地是，ESD不僅發(fā)生在器件的操作中當(dāng)有人接觸一個(gè)端口或其連接線時(shí)，并且在輸入和輸出之間也產(chǎn)生靜電電壓。ESD在集成電路的封裝和裝配中也同樣會(huì)發(fā)生。分離元件不能夠提供任何保護(hù)，這是因?yàn)榉蛛x元件只有在裝配完后才存在于集成電路附近。因此，當(dāng)集成電路不論怎樣都需要有特定的保護(hù)電路時(shí)，其作用很有限。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種在起始段落中提到的電子器件，其可以在操作使用、封裝和裝配時(shí)提供ESD保護(hù)，超過了目前為芯片上(on-chip)ESD保護(hù)普遍使用的標(biāo)準(zhǔn)。
該目的可通過將ESD器件作為在半導(dǎo)體襯底上的集成器件來實(shí)現(xiàn)。設(shè)置有定位在器件的第一表面上的IC區(qū)域中的第一接觸墊。在第一表面上的IC區(qū)域外還設(shè)置有第二接觸墊。至少部分第一接觸墊通過互連被電連接至第二接觸墊之一。這些第二接觸墊適合于耦合至外部板。優(yōu)選地，它們設(shè)置有用于連接至外部板的焊球。至少一個(gè)第二接觸墊直接連接至限定在半導(dǎo)體襯底內(nèi)和/或半導(dǎo)體襯底處的保護(hù)元件。半導(dǎo)體器件，優(yōu)選地是一個(gè)集成電路，被裝配在IC區(qū)域內(nèi)的第一表面上，且該集成電路的接觸墊被電連接至相應(yīng)的第一接觸墊。
本發(fā)明提供以層疊管芯配置的集成電路和ESD保護(hù)。這導(dǎo)致在(靈敏的)集成電路和印刷電路板之間沒有直接的連接。由此減少了在裝配和封裝過程中的靜電放電脈沖的風(fēng)險(xiǎn)。首先，ESD器件中的所有導(dǎo)體都被包封在絕緣材料中，但是印刷電路板上的導(dǎo)體可以不被覆蓋。因此，氣體放電的可能性更小了。第二，在ESD器件和集成電路之間的突起設(shè)置有密封劑，例如底層填料，盡管在板和集成電路之間的空隔通常被空著。這也再次減少了氣體放電的風(fēng)險(xiǎn)。第三，ESD器件一般只承載一個(gè)集成電路，但是在集成電路置于板上的同時(shí)，印刷電路板可以容納其它的電子器件。因此，沒有單獨(dú)器件之間相互影響的風(fēng)險(xiǎn)。
更特別地并且優(yōu)選地，本發(fā)明的ESD器件提供了對高放電脈沖的保護(hù)，同時(shí)置于集成電路中的保護(hù)電路將吸收更低電壓的放電脈沖。不過，高和更低之間的界線會(huì)改變。根據(jù)人體模型(方法MIL883E-3015.7)集成電路通常具有2kV的接觸放電保護(hù)，和至少8kV的已積分的離散(integrated discrete)接觸放電保護(hù)(根據(jù)IEC61000-4-2，Level-4)。使用根據(jù)本發(fā)明的器件，集成電路的放電保護(hù)可以容易地降至1kV或0.5kV，反之，ESD器件甚至要承受超過15kV的脈沖。在印刷電路板和集成電路之間不再有直接連接的情況下可實(shí)現(xiàn)這個(gè)降低。
本發(fā)明中該器件的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)致了小型化，這里有雙重效果除了兩個(gè)管芯的層疊外，能夠縮小ESD器件的尺寸。通常，輸出被形成為至外部板的焊球。在本發(fā)明中，輸出是至集成電路的突起。該突起基本上具有更小的尺寸和間隔，即相鄰?fù)黄鹬g的距離。
此外，第三個(gè)效果是集成電路的尺寸減小了，其中部分ESD電路被置換到ESD器件。在半導(dǎo)體襯底的基體上的載體的頂部上，集成電路的提供具有進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)，其中在ESD器件和集成電路的熱膨脹系數(shù)之間基本上沒有區(qū)別。由此突起的尺寸和高度可以被減小，因?yàn)橥黄饘τ诓煌蛎浀难a(bǔ)償通常是必須的。
本發(fā)明的器件優(yōu)選具有芯片尺寸封裝。在這樣的封裝中，在第二接觸墊上具有足夠尺寸的焊球，另外的封裝可以省略。如果焊球的高度超過集成電路的高度和在集成電路與ESD器件之間的接觸裝置的高度之和，則焊球的尺寸是足夠的。如果必要，集成電路被安裝至ESD器件之前可被變薄。如果需要，突起可被限定在ESD器件的半導(dǎo)體襯底上。那么對接觸裝置高度的要求被有效地減小。具有層疊管芯的芯片尺寸封裝可以從US-A5,977,640知曉，特別是其中的圖2。然而，現(xiàn)有技術(shù)的專利沒有涉及ESD。
對于那些用作橋接電路也被稱為驅(qū)動(dòng)器的集成電路，尤其適合于將集成電路和ESD器件層疊。在消費(fèi)電子器件中的數(shù)據(jù)交換通常以例如8位的格式進(jìn)行。然而，對于與外部器件的交換已經(jīng)建立了別的協(xié)議。這種外部器件包括其它的IC(用I2C總線通信)、記憶棒、SD卡、多媒體卡、USB器件、鍵盤、SIM卡。對于將一種格式轉(zhuǎn)換為另一種格式，橋接電路是必須的，該轉(zhuǎn)換通常包括放大步驟等等。每一個(gè)橋接電路可在單獨(dú)的集成電路中實(shí)現(xiàn)，雖然其中一些可以被合并起來。
現(xiàn)在，特別是在接口處，對人體放電的ESD保護(hù)是必需的。并且，這些橋接電路的I/O端口的數(shù)量不是很高，經(jīng)過具有大突起的芯片尺寸封裝的布線要求大的間隔。其次，在ESD器件中可以包括另外的功能，例如對集成電路中驅(qū)動(dòng)電路的功率控制。最后，對于和其它器件之間的交換，用戶期望有一個(gè)合適的解決方法。而ESD器件和具有橋接功能的集成電路的組合是提供這種解決方法的子系統(tǒng)。并且，其激勵(lì)了這種通信系統(tǒng)用于其他可替代的應(yīng)用。
在進(jìn)一步的改進(jìn)中，ESD器件至少包括第一半導(dǎo)體元件，其中的輸入和輸出都被耦合至集成電路。這種元件尤其是功率開關(guān)、雙極晶體管和二極管。如果其被集成在集成電路中，最終的技術(shù)更加復(fù)雜，且由此也比通常的CMOS技術(shù)更昂貴。對于功率開關(guān)，其在于大尺寸，對于雙極晶體管，其涉及接觸和擴(kuò)散。然而，這些元件可以被形成在ESD器件中而不會(huì)出現(xiàn)很多問題。由于將被保護(hù)元件處理的電壓，ESD器件的尺寸相對較大；并且雙極晶體管和二極管通常被用為作保護(hù)元件。
在優(yōu)選的實(shí)施例中，至少一個(gè)第二接觸墊被接地，并為ESD電路和集成電路提供接地，其中ESD電路的接地被形成為在半導(dǎo)體襯底中的導(dǎo)電層或區(qū)。通過這種方式可獲得進(jìn)一步的小型化，并為在器件中所有的元件獲得接地的適當(dāng)定義。而且，導(dǎo)電層和包括它的整個(gè)襯底，在靜電放電中被用作為散熱器。
在另一實(shí)施例中，保護(hù)元件是耦合至襯底中導(dǎo)電埋置區(qū)的二極管。被反向配置的二極管具有作為保護(hù)元件的良好性能。使用雪崩擊穿機(jī)制，對于超過它們擊穿電壓的電壓其具有快速的反應(yīng)。特別優(yōu)選為齊納二極管。對于ESD的對象，導(dǎo)電埋置區(qū)是極好的，因?yàn)椋绻姾傻竭_(dá)ESD二極管，其能容易的將電流導(dǎo)出去。然后電流通過焊球被導(dǎo)至地。這個(gè)埋置區(qū)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是其在距第一表面短距離處構(gòu)成了接地層，并因此在第一表面提供具有傳輸線特性的互連。
在關(guān)于這個(gè)的特定的改進(jìn)中，集成電路適合于RF，和從一些第二接觸墊至襯底中埋置區(qū)延伸的垂直互連。因?yàn)槁裰脜^(qū)構(gòu)成了良好的接地，所以對于埋置區(qū)來說，形成了從集成電路到地的最短連接。合適地，信號墊(signal pad)相對于地線連接被定位從而形成了同軸結(jié)構(gòu)，這樣減少了阻抗損失。
在進(jìn)一步的實(shí)施例中，互連之一在第一表面的一個(gè)區(qū)域中延伸至集成電路被安裝的區(qū)域。所述的互連提供一個(gè)參考電勢，所述參考電勢被分配給至少部分第一接觸墊?；趨⒖茧妱莸奈恢茫渲恋谝唤佑|墊的距離是短的，且對所有的都是相似的或者甚至相等。因此，參考電勢被充分限定。在本示例中，參考電勢是電源線。在用作I/O功能的接觸墊和電源線之間插入具有大阻值的例如約10kΩ的上拉電阻。這使得其可以用作鍵盤解碼器(keypad decoder)。
在進(jìn)一步的實(shí)施例中，至少一個(gè)所述互連包括在第一金屬層中的第一軌跡，和在第二金屬層中的第二軌跡。這種雙互連的使用減少了阻抗，并且特別是使到集成電路的功率傳輸沒有過多的損耗。


本發(fā)明電子器件的上述和其它方面將參考附圖作進(jìn)一步地解釋說明，其中圖1概略地示出了移動(dòng)電話的體系結(jié)構(gòu)；圖2概略地示出了電子器件的截面圖；圖3示出了作為電子器件的一部分的ESD器件的頂視圖，和圖4示出了電子器件的電氣表示圖。
具體實(shí)施例方式
上述附圖不是按比例畫的，同一附圖標(biāo)記在不同的附圖中表示相同的部件。
圖1概略地示出了移動(dòng)電話的體系結(jié)構(gòu)?；旧蟿澐譃槿缱筮吽镜牟僮鞑糠趾腿缬疫吽镜呐c外部器件的連接部分。該劃分由數(shù)據(jù)線100完成，其是移動(dòng)電話內(nèi)的主要通信通路。操作部分包括前端部分200和基帶部分250，前端部分200包括RF接收器201，合成器202和調(diào)制器203。此外，還有用于連接天線230的驅(qū)動(dòng)器210和功率放大器220。應(yīng)該理解，在仔細(xì)看時(shí)還應(yīng)有更多的部件，但是它們和目前的說明無關(guān)。基帶部分250包括例如基帶編碼譯碼器，RISC，PMU和DSP的多個(gè)部分。
在基帶部分250和前端部分200之間的互連260對ESD敏感的，雖然不是特別高。其可以集成為內(nèi)插器的一部分，該內(nèi)插器包括具有射頻功能的元件，例如去耦電容和阻抗匹配過濾器。圖右邊可以一分為四，第一類包括連接110，其連接至用于數(shù)據(jù)通信的外部器件113，在橋接電路111和器件113之間具有互連112。這種器件113的例子為I2C總線113A，存儲棒113B，保密數(shù)字卡113C，多媒體卡113D，USB總線113E和SIM(用戶識別模塊)卡113F。橋接電路111一般包括信號處理器，用于從內(nèi)部格式向外部器件113、驅(qū)動(dòng)電路和放大器(如果需要放大器的話)的總線格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。所有的互連112都對ESD脈沖敏感，因此相應(yīng)地需要保護(hù)。本發(fā)明的電子器件允許橋接電路111被置于一具有ESD保護(hù)器件的層疊管芯結(jié)構(gòu)中。
第二類包括至音頻編碼譯碼器121的連接120。專有的音頻接口包括至揚(yáng)聲器123的接口122，來自麥克風(fēng)125的接口124，和至系統(tǒng)連接器127的接口126。除了提供所有通常的接口要求之外，音頻接口的設(shè)計(jì)應(yīng)該，(1)過濾來自長電纜的感應(yīng)信號，(2)用非線性元件解調(diào)感應(yīng)信號，(3)提供額外的ESD保護(hù)，因?yàn)樽儞Q器(transducer)位處ESD保護(hù)的上游，(4)提供信道阻抗(channel resistance)以匹配不同的信道和(5)允許偏置。這些功能可以通過包括π-濾波器的ESD器件來實(shí)現(xiàn)。在本發(fā)明中的器件中，模擬放大器適合于層疊在ESD器件上。
第三類包括至內(nèi)部器件131的接口130，該內(nèi)部器件例如UART總線131A，USB總線131B，這兩個(gè)都通過互連128連接至系統(tǒng)連接器127，和存儲器131C。如果需要任何的ESD保護(hù)，這些內(nèi)部器件適合于以層疊管芯配置的方式來配備ESD保護(hù)。
第四類包括至位于移動(dòng)電話內(nèi)的例如鍵區(qū)141A和顯示器141B的用戶器件的接口140A，B。對于這種器件，ESD保護(hù)適合于與帶通濾波器結(jié)合，以減少噪音。適合的濾波器布局是被修正的T-濾波器和π-濾波器。這里的修正是指在電源線和另外連接到電容器的地線之間的二極管?？蛇x地，由于二極管的電容足夠，通常在70-80pf量級，該電容器甚至可省略。這些濾波器一般包括電阻器。適合的材料包括一些公知的電阻器材料，例如TiN、TiW、TiWN、SiCr、NiCr、Si、摻雜多晶硅和Ta。使用這些材料可以實(shí)現(xiàn)從20Ω/到1kΩ/的全范圍的電阻值。
圖2概略地示出了包括ESD器件20和半導(dǎo)體器件10的電子器件的截面圖。圖3示出了其中ESD器件20的頂視圖，圖4示出了該電子器件的電氣表示圖。在這個(gè)示例中，ESD器件20和圖1所示的橋接電路111結(jié)合在一起。然而，可選地，半導(dǎo)體器件10可以為放大器。
ESD器件20包括第一側(cè)21，在其上具有第一接觸墊28和第二接觸墊29。至少部分第一和第二接觸墊28、29通過互連26互相連接。這些互連26中的大部分，尤其是那些連接至I/O端口的部分，都設(shè)置有電阻器R1。這種情況下電阻器R1具有100Ω的電阻值，且由TiWN層構(gòu)成。至少部分第二接觸墊29直接與保護(hù)元件22連接。這里的保護(hù)元件22是反向的齊納二極管。該齊納二極管22包括第一區(qū)域23和第二區(qū)域24，其被摻雜有相反類型的雜質(zhì)，例如n型和p型。被n型摻雜的底部區(qū)域被連接至襯底中導(dǎo)電良好且高摻雜的區(qū)域25。區(qū)域25用于內(nèi)部接地。它被連接至地線墊。與埋置區(qū)域相結(jié)合作為保護(hù)元件的這個(gè)二極管22，其尺寸和選擇使得其可以用作對于很高的例如8kV或更高的ESD脈沖的保護(hù)元件。
可以看出，器件20位于它的設(shè)置有凸點(diǎn)下金屬化層(underbumpmetallisation)的接觸墊28、29上，其對于第一和第二接觸墊28、29其是相同的。在其上，提供另外的例如苯環(huán)丁烷(BCB)或聚酰亞胺的絕緣層31。這個(gè)絕緣層被圖案化以空出第一接觸墊28的區(qū)域。
在焊球30被設(shè)置在第二鍵合墊(bond pad)上之后，集成電路10以它的第一側(cè)11安裝到ESD器件第一側(cè)21的方式被安裝。集成電路10的接觸墊18具有適合的焊料40，例如，PbSn、BiSn、SnAgCu和Au。突起的高度例如為40μm。由于集成電路的厚度約為150μm或可以被減薄為這個(gè)厚度，并且突起30的高度約為240μm，所以突起30的放置不會(huì)因集成電路的存在而受到妨礙。
將集成電路10安裝到ESD器件20上后，用本領(lǐng)域公知的方式將底層填料32填充到器件10、20之間的空隙并固化。可選地，可在安裝之前施加例如為氨化物或丙烯酸脂的底層填料。當(dāng)安裝在例如100℃的平緩的加熱下進(jìn)行時(shí)，底層填料將融化，集成電路10的突起40將下沉通過底層填料32。
圖3以頂視圖示出了ESD器件，并且圖4示出了電氣表示圖。在該示例中，器件20包括16個(gè)I/O端口，每一個(gè)都連接至電源線38。在電源線和第一接觸墊28之間，具有在這種情況下阻值為10kΩ的上拉電阻器R2。這種電阻適合用多晶硅來實(shí)現(xiàn)。除了I/O端口，還有地址線AD、串行時(shí)鐘線SCL和串行數(shù)據(jù)線SDA的端口。這些用保護(hù)元件22來進(jìn)行ESD保護(hù)，但并不連接至電源線35。電源線35被形成為具有足夠?qū)挾鹊幕ミB并延伸到為安裝集成電路10而保留的IC區(qū)域19之下。這樣，其可以為每個(gè)I/O端口提供明確且相同的參考電壓。INT連接提供一中斷輸出，并且具有阻值分別為7.5kΩ和50Ω的電阻R3、R4。
進(jìn)一步示出了互連25A，其被用于接地互連。該互連在ESD器件內(nèi)的不同位置連接至埋置區(qū)域25。并且，一個(gè)地線接觸墊用于給集成電路10和ESD器件20提供地電位。為了將接地與其它互連隔離，其可以設(shè)置在一個(gè)分離的導(dǎo)電層中。進(jìn)一步地，通過在靠近ESD器件20的半導(dǎo)體襯底的導(dǎo)電層中提供互連26，由于埋置地線區(qū)域25的存在這些都具有傳輸線特性。
如果ESD器件20包括開關(guān)和/或例如從功能上作為集成電路10的一部分的電容的其它元件，它們適合于存在IC區(qū)域19中。
本器件與任何的常規(guī)器件都不同，常規(guī)器件中ESD保護(hù)被設(shè)置在與集成電路10鄰近的印刷電路板上。特別地，這種常規(guī)ESD器件的設(shè)計(jì)包括用于輸入的第二接觸墊，和用于輸出的第二接觸墊。在本器件中，輸出實(shí)際上通過第一接觸墊28來構(gòu)成，它通過兩個(gè)因素有效地減少第二接觸墊的數(shù)量。另一方面，地址線AD、時(shí)鐘信號SDA、SCL和中斷INT是必需的，這些在獨(dú)立設(shè)置ESD器件的情況下都不存在。
權(quán)利要求
1.一種電子器件，包括半導(dǎo)體器件和用于保護(hù)集成電路的靜電放電(ESD)器件或電路，其中該ESD器件是半導(dǎo)體襯底上的集成器件，設(shè)置有位于第一表面上并定位在IC區(qū)域內(nèi)的第一接觸墊，該ESD器件還設(shè)置有在第一表面上且在IC區(qū)域外的第二接觸墊，至少部分第一接觸墊通過互連電連接至第二接觸墊之一，所述第二接觸墊適合于耦合至外部板，以及至少一個(gè)第二接觸墊也直接連接到定義在半導(dǎo)體襯底內(nèi)和/或半導(dǎo)體襯底處的保護(hù)元件，和半導(dǎo)體器件被裝配在IC區(qū)域內(nèi)的第一表面上，該半導(dǎo)體器件的接觸墊電連接至相應(yīng)的第一接觸墊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子器件，其中在第二接觸墊上設(shè)置有用于連接至外部板的焊球。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子器件，其中該半導(dǎo)體器件是一橋接接電路，用于轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)格式并驅(qū)動(dòng)信號至外部器件。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子器件，其中該接觸墊的第一部分被用于I/O端口，并且在第一和第二接觸墊之間的互連包括電阻器以構(gòu)成帶通濾波器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子器件，其特征在于至少一個(gè)第二接觸墊被連接至地，并為ESD電路和半導(dǎo)體器件提供接地，其中ESD器件的接地被形成為在半導(dǎo)體襯底中的導(dǎo)電層或區(qū)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電子器件，其中在第一和第二接觸墊之間的互連被設(shè)定尺寸以使得它們作為帶狀線/傳輸線。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子器件，其中該保護(hù)元件是二極管，其被耦合至襯底中的導(dǎo)電埋置區(qū)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子器件，其中在第一和第二接觸墊之間的至少一個(gè)互連包括在第一金屬層中的第一軌跡和第二金屬層中的第二軌跡。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電子器件，其中凸點(diǎn)下金屬化層被用作第二金屬層。
10.具有半導(dǎo)體襯底的ESD器件，設(shè)置有位于第一表面上并定位在IC區(qū)域內(nèi)的第一接觸墊，其可以附著到一半導(dǎo)體器件；位于第一表面上且位于IC區(qū)域的外的第二接觸墊，至少部分第一接觸墊通過互連電連接至第二接觸墊之一，所述第二接觸墊適合于耦合至外部板，限定在半導(dǎo)體襯底內(nèi)和/或在半導(dǎo)體襯底處的保護(hù)元件，至少部分第二接觸墊與其連接。
全文摘要
電子器件包括用于對靜電放電保護(hù)的ESD器件(20)，并設(shè)置有與集成電路(10)相結(jié)合的合適保護(hù)元件(22)，集成電路(10)具體的為用于外部器件的所謂橋接電路或驅(qū)動(dòng)電路，其中外部器件為例如SIM卡、記憶棒、USB總線或12C總線。ESD器件(20)具有芯片尺寸封裝，其中突起(40)可被直接放置在印刷電路板上。集成電路(10)被層疊在ESD器件(20)上。
文檔編號H01L25/065GK1985370SQ200580023520
公開日2007年6月20日 申請日期2005年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月13日
發(fā)明者W·施尼特, K·諾伊曼, M·耶倫 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司