[发明专利]堆叠半导体管芯以用于系统级ESD保护的半导体装置和方法

说明书

本发明公开堆叠半导体管芯以用于系统级ESD保护的半导体装置和方法。一种半导体装置具有包括第一保护电路的第一半导体管芯。包括第二保护电路的第二半导体管芯被设置在第一半导体管芯上面。移除第一半导体管芯和第二半导体管芯的一部分以减小管芯厚度。形成互连结构以共同地连接第一保护电路和第二保护电路。使入射到互连结构的瞬变情况共同地通过第一保护电路和第二保护电路放电。具有保护电路的任何数目半导体管芯可以被堆叠并经由互连结构而互连以增加ESD电流放电能力。可以通过将第一半导体晶片设置在第二半导体晶片上面然后将晶片单片化来实现管芯堆叠。替换地，使用管芯到晶片或管芯到管芯组装。

要求国内优先权

本申请要求2016年2月29日提交的美国临时申请号62/301,045的权益，所述申请通过引用被并入本文中。

技术领域

本发明一般涉及半导体装置，并且更特别地涉及堆叠半导体管芯以在小半导体封装中提供系统级静电放电(ESD)、电过应力(EOS)、和电快速瞬变(EFT)保护的半导体装置和方法。

背景技术

在现代电子产品中通常有半导体装置。半导体装置在电气组件的数目和密度方面变化。分立的半导体装置一般包含一种类型的电气组件，例如发光二极管(LED)、小信号晶体管、电阻器、电容器、电感器、或功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。集成半导体装置典型地包含数百至数百万个电气组件。集成半导体装置的示例包括微控制器、微处理器、电荷耦合装置(CCD)、太阳能电池、以及数字微镜装置(DMD)。

半导体装置执行各种各样的功能，诸如信号处理、高速计算、发射和接收电磁信号、控制电子装置、将阳光转换为电力、以及创建视觉投影用于电视显示。在娱乐、通信、功率变换、网络、计算机和消费品的领域中有半导体装置。在军事应用、航空、汽车、工业控制器和办公设备中也有半导体装置。

半导体制造的一个目标在于生产更小的半导体装置。较小的装置典型地消耗更少的功率，可以被更高效地生产，并且具有更高的性能。此外，更小的半导体装置具有更小的覆盖区，这对于增加印刷电路板上的装置密度并且减小最终产品的尺寸而言是期望的。更小的管芯尺寸可以通过前端工艺中的改进来实现，从而导致具有更小、更高密度有源和无源部件的半导体管芯。后端工艺可以通过电互连和封装材料中的改进而导致具有更小覆盖区的半导体装置封装。

已知半导体装置易受来自静电放电(ESD)、电过应力(EOS)、和电快速瞬变(EFT)——统称作ESD事件的损害。当静电电荷累积在例如人体上时，形成相对于地的高静电势。如果人体电接触半导体装置，则人体的静电势使电流通过半导体装置放电，倘若电流足够大，这可以损害半导体装置的有源和无源电路。如果超过个别电路元件的击穿电压，则半导体装置可以远在其有用的预期寿命之前变得有缺陷。

半导体装置可以包含用于ESD事件的保护电路。保护电路具有有限的能力来使来自ESD事件的电流放电。为了增加保护能力，半导体封装典型地制得较大以包括更多管芯区域并且处理更高的电流。然而，增加半导体封装尺寸与较小的封装和最终产品的目标不一致。许多应用完全不允许较大的半导体封装，即使在要求更大的ESD保护的情形下。

附图说明

图1图示具有安装到PCB的表面的不同类型封装的印刷电路板(PCB)；

图2a-2e图示形成具有半导体管芯的半导体晶片的过程；

图3图示形成在半导体管芯上的保护电路；

图4a-4b图示具有堆叠半导体管芯的半导体封装，每一个半导体管芯包含保护电路并且半导体封装耦合到所述保护电路以保护负载免受ESD事件；

图5a-5c图示在半导体晶片上面堆叠半导体管芯；

图6a-6c图示在第二半导体晶片上面堆叠第一半导体晶片；

图7a-7d图示形成在半导体晶片或半导体管芯的背表面上的接触焊盘；