專利名稱：可循環(huán)熱連接的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及半導體，并且更具體地，涉及用于這樣的裝置的電連接。
背景技術：
當堆疊芯片時，主要有兩種方式可以形成芯片與芯片的連接。 一種方式是形成全 部堆疊，然后同時使整個堆疊都處于諸如加熱和冷卻的條件下，這些條件促使導電粘合材 料建立導電通路。另一種方式是通過連接點的加熱和冷卻將兩個元件順序連接到一起，然 后以同樣的方式順序地附接下一個芯片，依次類推，直到完成堆疊。
第一，"同時"方法存在缺點，因為實際上很難在堆疊元件之間保持對齊。另外， 很難保證使所有單獨連接中的每一個連接都處于在堆疊的組成元件中形成可靠的互連所 必需的合適的條件下。因此，存在由于接近連接的條件不充分或不利地超過所需的條件而 不能構成任意特定連接的風險。第二，"順序"方法不存在對齊的問題。但是，因為用于在第一個芯片之后接合 每個芯片的熱量對之前被接合的芯片的連接起不利的作用，所以"順序"方法仍然存在缺 點。因此，需要一種更好的接合芯片以形成堆疊的方法，這種方法可以減少或消除通 過使用傳統(tǒng)的同時和順序接合技術會遇到的問題。

發(fā)明內(nèi)容
我們已經(jīng)設計出一種允許通過不會遭受上述問題的順序方法或同時方法來建立芯 片的堆疊(在芯片、管芯或晶片基底上)的方法。 —個方面涉及建立電連接的方法。該方法涉及在兩個不同的芯片中的每一個上設 置觸點對中的一個觸點，該觸點對限定它們之間的體積，該體積容納至少兩個各自具有熔 點的成分，該成分已被選擇使得加熱到第一溫度將在該至少兩個成分中的至少一個成分中 引起改變，這種改變將產(chǎn)生新成分，該新成分具有第二溫度的新成分熔點，該新成分熔點 高于該第一溫度和該至少兩個成分的至少第一個成分的熔點，以及將該觸點對和該至少兩個成分加熱到該第一溫度。另一個方面涉及芯片的堆疊。芯片的堆疊具有使用具有第一熔點的第一材料成分 將兩個芯片電接合到一起的第一組成對的觸點，和在該兩個芯片的一個芯片上的觸點組， 在該兩個芯片的一個芯片上包括具有低于第一熔點的第二熔點的粘合組成成分，使得當該 觸點組與第三芯片上相對應的觸點組配合并且該觸點組和相對應的觸點組被加熱到與第 一和第二熔點相對應的溫度之間的溫度時，該粘合組成成分將成為第一材料成分。
又一個方面涉及在電觸點上執(zhí)行的方法。該方法涉及將位于連接點的至少兩個導 電材料加熱到第一溫度，該第一溫度超過引起該至少兩個導電材料的第一個導電材料的至 少一些變成某一狀態(tài)所需的溫度，該狀態(tài)具有比該至少兩個導電材料中的第一個導電材料 的熔點高、但比與該至少兩個導電材料中的第一個導電材料在狀態(tài)圖上的液態(tài)相對應的液 相溫度低的較高的熔點，以及使得連接點冷卻到低于引起該至少兩個導電材料中的第一個 導電材料的至少一些改變至具有較高的熔點的狀態(tài)所需的溫度。本文中說明的優(yōu)點和特點是可從代表性實施例中獲得的許多優(yōu)點和特點中的一部 分，并且是僅為幫助理解本發(fā)明而陳述的。應當了解這些優(yōu)點和特點不被認為是對權利要 求所限定的本發(fā)明的限制，或者是對權利要求的等同物的限制。例如，這些優(yōu)點中的一些 優(yōu)點互相矛盾，因為它們不能同時存在于單一實施例中。類似地， 一些優(yōu)點可適用于本發(fā) 明的一個方面，不適用于其他方面。因此，這些特點和優(yōu)點的概括在確定等效性時不應當 被認為是決定性的。本發(fā)明另外的特點和優(yōu)點在以下說明中從附圖和權利要求中變得顯而 易見。


圖l是金和錫的二元合金的相圖表示；圖2是根據(jù)本文所述方法的變形例的觸點200的剖面照片；圖3是如圖2所示的類似原始成分觸點在已經(jīng)被接合到相配合的觸點之后的剖面照 片；圖4是觸點的剖面照片；圖5是如同圖4的觸點在已經(jīng)被接合到另一個觸點之后的剖面圖；
圖6是如同圖5的觸點在完成高溫暴露之后的剖面照片；
圖7是鉛和錫的二元合金的相圖表示；和
圖8A至圖8H圖示使用上述方法的變形例的堆疊建立。
具體實施例方式如所說明的，本文中說明的技術特別適用于建立非常緊湊的芯片的堆疊。而且，這些技術可以涉及提供獨立于本文所述的多個技術的其他優(yōu)點的"定位焊&熔合"處理的使用。另外，與本文同時提交并通過引用結合在本文中的名稱為"電連接中的移動粘合"的美國專利申請描述了減少或消除在連接中的相間隔離的問題。將顯而易見的是，該方法與本文中所述的技術完全兼容，可以實現(xiàn)其他的優(yōu)點，而這些優(yōu)點無法靠它們中的任意一個而獲得。具體地，我們已經(jīng)設計出對這些技術的進一步改進，該改進允許通過不會遭受上述問題的順序方法或同時方法來建立芯片的堆疊(在芯片、管芯或晶片基底上)。另外，在某些實現(xiàn)中，我們利用特定阻隔與特定粘合材料的使用來防止移動原子產(chǎn)生相間間隔或空隙。這是基于粘合材料流動所處的溫度，通過特定地選擇所使用的粘合材料而實現(xiàn)的，以允許多個高溫處理步驟發(fā)生而不會對任意之前形成的連接產(chǎn)生不利影響。
這可以通過不同的方式實現(xiàn)。但是， 一般該方法涉及選擇將作為電連接形成的一部分的特定材料(不管特定材料是否是純金屬、基本純金屬或是合金)使得導電連接的初始形成發(fā)生在特定溫度"T1"。但是，這種形成的結果是形成導電連接的材料將會變成具有比原始材料熔點高的熔點的成分。結果，使用相同材料建立的隨后的連接不會引起原始連接開始液化(或如果新熔點高于Tl,但非常接近Tl，使得沒有最低限度地存在的原始材料明顯液化)。任意地，材料可以被選擇為隨后提高到較高的溫度"T2"會引起其進一步變成仍然具有較高熔點的成分。在這種方式中，隨后溫度提高到T1將根本不會有影響。
有利地是，與定位焊&熔合連接處理在一起該方法尤其有用，因為該方法已經(jīng)涉及較低溫度"定位焊"階段和隨后較高溫度"熔合"階段。
該方法的一個實例相關于圖1至圖3而圖示。在本實例中，合金沉積在觸點上。在本實例中，沉積的合金是金和錫的合金，具體地，是80%金和20%錫。圖1是金和錫的二元合金的相圖100的表示(雖然未精確地按比例顯示)?？梢钥闯?，這種80/20金錫合金位于相圖100中的共熔點102。這個共熔點102代表這種合成合金的最低熔點。但是，當合金被加熱到較高溫度時，合金與存在的一些其他材料，例如觸點材料或優(yōu)選地，沉積在i)觸點和合金之間或ii)合金上方的材料互相作用，引起合金的成分改變。取決于互相作用和材料，該成分改變根據(jù)重量百分比成分濃度減少或增加而引起在相圖上向右或左移動。只要成分不引起在相圖上向較低熔點的成分移動，結果就是產(chǎn)生具有比初始成分熔點高的成分。取決于特定執(zhí)行方式，在相圖上的左移或右移可以是組成成分之一增加、組成成分之一減少或一個或更多個成分增加的結果。通過一個實例，純錫或高錫濃度的金-錫層可以被沉積在合金頂部。因此，當達到主金-錫合金的熔化溫度時，增加的錫或金-錫合金也已熔化并且與80/20的合金結合以形成錫更高的新濃度，例如70/30的金-錫合金。該濃度在原始成分的右邊，并且因此具有比80/20的合金高的熔點?；蛘?，可以使用將錫從金-錫合金和它本身的合金中抽取出來以剩下較高濃度的金的材料。這將導致由于金的較高濃度，從而因此作為結果的較高的合金熔點而在相圖上向左移動。在80/20金-錫合金的情況下，觀察相圖，為實現(xiàn)期望的結果，成分的改變可以是增加的錫或被移除的金而引起的在相圖上向右的成分移動，或者是被移除的錫或增加的金而引起的在相圖上向左的成分移動。在另一個相似的可選方案中，可以使用將金和錫兩者與其自身熔合產(chǎn)生少量三元合金的材料，并且只要主合金的成分改變使得其具有較高熔點，就能達到同樣的效果。
參考圖2和圖3，通過類似實例的方式，假設使用與上述相同的方法和材料(即80/20金-錫)，但例如在合金下方沉積足量的鎳作為合金和觸點之間的阻隔，或者在合金的頂部沉積足量的鎳作為蓋。圖2是根據(jù)本文中所述方法的變形例、具有沉積在阻隔材料204(鎳阻隔)的頂部的連接材料202 (80/20金-錫合金)的觸點200的橫截面的照片。在這種情況下，在大約30(T C或高于300。 C的提升的溫度處，材料將擴散到一定范圍。結果是，在鎳已捕獲一些較高遷移率的錫并且吸收其剩余部分的同時，錫原子將被鎳層吸收或與鎳層形成合金，留下高濃度的較低遷移率種類的金屬(在本情況下是金)的金-錫合金成分。
圖3是諸如圖2所示的類似原始成分觸點302在如上所討論的提高的溫度下在其己被連結到相配合的觸點304以在兩個觸點302、 304之間形成導電連結之后的橫截面照片。在圖3中，作為上述方法所得到的結果，在觸點對302、 304之間的體積中的新的成分遠不是原始的80/20的百分比。 一些區(qū)域306具有97%的金，而一些區(qū)域308具有25%的錫。結果，根據(jù)圖I的相圖IOO，應當很明顯地可以看出各種作為結果的材料的熔點已被顯著地改變。而且，由于觸點的實質(zhì)部分現(xiàn)在多于95%的金的事實，觸點的大多數(shù)將具有高于300。 C、接近IOOO。 C的熔點。即使那些具有較高錫濃度的區(qū)域也具有高于300。 C、接近40Q。 C的
8熔點。此外，有利地，在成分混合物中增加的鎳使錫更少可能被移動。這意味著減少了
相間隔離問題的可能性。另外，有利地，錫的吸收或加入合金成分防止整個混合物變得以自我為中心(self-centering)，我們和上述結合的申請中稱其為"液化(liquidous)"或"液相"狀態(tài)，該狀態(tài)不同于在相中提及的液相狀態(tài)。但是注意，對于某些執(zhí)行方式的連接被軟化為對于材料或其某些成分在相圖上不及液相狀態(tài)的某些狀態(tài)，例如，使用柱和穿透連接方法，"可鍛"材料需要在高溫下以允許材料充分軟化，從而允許柱穿透但不被軟化成我們已經(jīng)定義的"液相"狀態(tài)，更不用說熔化狀態(tài)。結果，觸點可以被反復提高到原始熔點而不影響該連接。因此，應當認識到該方
法可以被反復使用以將芯片加到堆上而不用考慮新連接的形成會毀壞先前的連接。當然，現(xiàn)在應認識到，只要成分的改變導致熔點向上移動，初始成分就無需處于
最低熔點。這可以從以下實例中得出，在該實例中材料開始隔離然后結合成最終狀態(tài)。圖4是根據(jù)阻隔402，在本情況下是鎳，構成的一個變形例的觸點400的橫截面的照
片，該阻隔離402在被100%金的層406覆蓋的器件襯墊404的頂部，該層406被100%錫的層408覆蓋。如同圖4的觸點將被連結到另一個觸點(未顯示在圖4中)以形成電連接。在本實例中，另一個觸點是被鎳層覆蓋的柱。圖5是類似圖4的觸點400在其已被連結到處于定位焊&熔合處理的定位焊階段的另一個觸點500之后的橫截面照片。對觸點加熱己引起具有較低熔點的錫層408擴散到金層406中，并且穿過鎳的阻隔402。這將成分改變使得仍然存在具有大量的約100%金的層406，但同時也存在約80%金和20%錫的合金層502而不是原始的100%錫層。因此，雖然原始成分在圖1的相圖上位于點"C0"和"C1"，金層仍然大約處于點"CO"，但是新成分現(xiàn)在在圖l的相圖上位于點"C2"，使得在錫變化為錫合金的情況下，熔點已從232。 C左右上升到282。 C左右，并且金的熔點基本上未改變。(當然實際上，金的成分目前也許稍微小于100%，從而稍微降低熔點，但是因為有意義的溫度在232。 C左右和282。 C左右之間，所以這是非實質(zhì)的改變)。重新參考圖5，如果對觸點對400、 500被施加合適的較高溫度，例如通過使用定位焊&熔合處理的熔合階段，會發(fā)生進一步的成分改變。
圖6是如同圖5的觸點在完成高溫暴露處理例如經(jīng)過熔合處理之后的剖面照片。如圖6可見，連接的最終成分目前主要是與金、錫和鎳的三元合金604側面相接的金(大約98%)中心區(qū)602，在本實例中，三元合金604是大約45% Au、 35% Sn和20。/。 Ni。由于該合金604具有比80%/20%金-錫合金高的熔點，所以已經(jīng)獲得與上述相同的效果。因此，可以對該觸點實行熱循環(huán)直到引起三元合金604形成的溫度，而不存在因為成分熔點全部高于該溫度而破壞連接的風險。此處應注意上述方法不局限于使用純金屬或合金?？梢詫噶?無論他們是否含鉛或無鉛)使用相同的方法。圖7是用于鉛和錫(雖然刻度上未精確顯示)的二元合金的相圖700的表示。記住以上說明和實例，現(xiàn)在可知如果使用與共晶點702—致的初始成分并且使用附加成分來增加鉛或去除錫，則隨著成分向相圖的左側移動，熔點將上升。換句話說，對于相同的起點702，如果使用附加成分來去除鉛或增加錫，則熔點將由于成分移動到相圖700的右側而上升?，F(xiàn)在應認識到同樣的方法也可以有利地與傳統(tǒng)的C4焊料一起使用，如在相圖上所示的，傳統(tǒng)的C4焊料含有大約6(E鉛/40y。錫的成分。為達到該目的，顯而易見地，在加熱時使用附加成分將從C4焊料中去除錫或在C4焊料中增加鉛。在這種方式中，成分的改變將在C4焊料的成分的左側的點產(chǎn)生，并且因此導致較高熔點。如果假設對連接實施上述處理并且作為結果的成分是25%錫和75%鉛，則熔點將從溫度TC4上升到與在相圖上標記"TN"的點相對應的溫度。此后，連接的溫度可以上升到且超過C4熔點，并且，只要不超過TN點溫度，連接就不會被破壞?，F(xiàn)在，可以了解，通過使用該方法的變形例，可以很容易地以順序的方式如下來建立芯片的堆疊800。該處理以極其簡化的形式在圖8A至圖8H中圖示，圖8A至圖8H中圖示了使用上述方法的變形例的堆疊建立。使用上述的連接，將用于堆疊的兩個芯片802、 804 (不管仍然是晶片的部分或是分離后)(圖8A)放在一起(圖8B)，連接點806處的溫度被升高到高于連接的兩個元件808、 810中的一個的熔點，該連接包含一個適合本文描述的方法的材料的變形。這將會使電連接在每個連接點806處形成，并且還會將導電粘合材料的成分變成新成分812，新成分812將具有比用于形成該成分的溫度更高的熔點。然后，被接合的芯片802， 804可以被冷卻到低于連接形成溫度的溫度以使連接形成"組"。之后，可以將另一個芯片814放到現(xiàn)在形成的堆疊中(圖8C)，該芯片的觸點(該觸點也可以用于這里所描述的變形例，
10并且理想地，用同樣的變形例接合最先的兩個芯片)能夠與堆疊上相配合的觸點在它們各 自的連接點處接觸。隨后在這些連接點處將溫度升高到連接形成溫度將使第三芯片連接到 堆疊上(圖8D)，但是，由于接合處理產(chǎn)生的成分具有較高的熔點，最先的兩個芯片之間 的連接將不會受到影響。反復進行該處理(圖8E，圖8F)(圖8G，圖8H)，重復建立堆疊 所需的次數(shù)。因此應當理解本說明書(包括附圖)只是某些示例性的實施例的代表。為了方便 讀者，上述描述已經(jīng)集中在所有可能的實施例的代表性實例上，教導本發(fā)明的原理的實例 上。本說明書并沒有試圖窮舉所有可能的變形例?？商娲膶嵤├赡軟]有作為本發(fā)明的 具體部分呈現(xiàn)，或者此外未描述的可替代的實施例可能是可作為一部分得到的，但是這并 不被認為是對那些可替代的實施例的放棄。 一個普通的技術人員應了解許多那些未描述的 實施例結合了本發(fā)明的相同原理，并且其他的也是等同的。
權利要求
1.一種建立電連接的方法，其特征在于，包括在兩個不同的芯片中的每一個上設置觸點對中的一個觸點，所述觸點對限定它們之間的體積，所述體積容納至少兩個各自具有熔點的成分，所述成分已被選擇使得加熱到第一溫度將在所述至少兩個成分中的至少一個成分中引起改變，所述改變將產(chǎn)生新成分，該新成分具有第二溫度的新成分熔點，所述新成分熔點高于所述第一溫度和所述至少兩個成分中的至少第一個成分的熔點；以及將所述觸點對和所述至少兩個成分加熱到所述第一溫度，借此將在所述連接器對之間由所述至少兩個成分中的至少一個成分形成包括所述新成分的導電通路。
2. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，進一步包括，在加熱之后將所述觸點對冷卻到低于所述第 一溫度的溫度。
3. 如權利要求2所述的方法，其特征在于，進一步包括，在冷卻之后使第三芯片上的觸點與所述兩個不同的芯片中的一個上的觸點配合；將所述觸點和配合的觸點加熱到至少是所述第一溫度但是低于所述第二溫度的溫度；以及在加熱所述觸點之后，將所述觸點冷卻到低于所述第一溫度的冷的溫度。
4. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，設置所述觸點對包括在所述觸點中的一個觸點和所述體積之間設置阻隔材料。
5. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，設置所述觸點對包括在所述體積內(nèi)設置材料，該材料在高于所述第一溫度時與所述至少兩個成分中的一個成分形成合金。
6. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，設置所述觸點對包括在所述體積內(nèi)以層疊的排列設置所述至少兩個成分。
7. —種芯片的堆疊，其特征在于，包括使用具有第一熔點的第一材料成分將兩個芯片電接合到一起的第一組成對的觸點，和在所述兩個芯片中的一個芯片上的觸點組，在所述兩個芯片中的一個芯片上包括具有低于所述第一熔點的第二熔點的粘合組成成分，使得當所述觸點組與第三芯片上相對應的觸點組配合并且所述觸點組和相對應的觸點組被加熱到與所述第一和第二熔點相對應的溫度之間的溫度時，所述粘合組成成分將成為所述第一材料成分。
8. 如權利要求7所述的堆疊，其特征在于，所述第一材料成分包括合金。
9. 如權利要求7所述的堆疊，其特征在于，所述粘合組成包括實質(zhì)上的純金屬。
10. 如權利要求7所述的堆疊，其特征在于，所述粘合組成包括合金。
11. 如權利要求7所述的堆疊，其特征在于，所述粘合組成包括金。
12. 如權利要求7所述的堆疊，其特征在于，所述粘合組成包括錫。
13. 如權利要求7所述的堆疊，其特征在于，所述粘合組成包括鎳。
14. 如權利要求7所述的堆疊，其特征在于，所述粘合組成包括焊料。
15. 如權利要求7所述的堆疊，其特征在于，所述第一組成對的觸點或所述觸點組中的至少一個進一步包括阻隔材料。
16. 如權利要求15所述的堆疊，其特征在于，所述阻隔材料是在所述粘合組成成分成為所述第一材料成分時將束縛原子的導電材料。
17. —種在電觸點上執(zhí)行的方法，其特征在于，包括將位于連接點的至少兩個導電材料加熱到第一溫度，所述第一溫度超過引起所述至少兩個導電材料中的第一個導電材料的至少一些變成某一狀態(tài)所需的溫度，該狀態(tài)具有比所述至少兩個導電材料中的所述第一個導電材料的熔點高、但比與所述至少兩個導電材料中的所述第一個導電材料在相圖上的液態(tài)相對應的液相溫度低的較高的熔點；以及使得所述連接點冷卻到低于引起所述至少兩個導電材料中的所述第一個導電材料的至少一些改變至具有所述較高的熔點的所述狀態(tài)所需的溫度。
18.如權利要求17所述的方法，其特征在于，在允許所述連接點冷卻之后，隨后所述 方法進一步包括將所述連接點加熱到高于所述第一溫度并且低于所述液相溫度的再加熱溫度。
全文摘要
一種建立電連接的方法，包括在兩個不同的芯片(802，804)中的每一個上設置觸點對(808，810)中的一個觸點，所述觸點對限定它們之間的體積，所述體積容納至少兩個各自具有熔點的成分，所述成分已被選擇使得加熱到第一溫度將在所述至少兩個成分中的至少一個成分中引起改變，所述改變將產(chǎn)生新成分，該新成分具有第二溫度的新成分熔點，所述新成分熔點高于所述第一溫度和所述至少兩個成分中的至少第一個成分的熔點；以及將所述觸點對和所述至少兩個成分加熱到所述第一溫度。該方法在芯片堆疊的制造中是很有用的，在堆疊的制造中保持焊料的層次是很重要的，該方法允許用于接合芯片觸點的相同的成分被用在每個芯片與芯片的交界面處。
文檔編號H01L21/60GK101652846SQ200880011004
公開日2010年2月17日 申請日期2008年6月5日 優(yōu)先權日2007年4月5日
發(fā)明者約翰·特雷扎 申請人:丘費爾資產(chǎn)股份有限公司