用于对半导体元件进行键合的系统及方法技术方案

一种对半导体元件进行超声键合的方法，所述方法包括以下步骤：(a)将第一半导体元件的多个第一导电结构的表面与第二半导体元件的多个第二导电结构的相应表面对准；以及(b)将所示第一导电结构中的若干个导电结构超声键合至所述第二导电结构中相应的若干个导电结构。第一导电结构和第二导电结构中的至少一种导电结构的键合表面包括易碎涂层。

【技术实现步骤摘要】
用于对半导体元件进行键合的系统及方法相关申请的交叉引用本申请是于2016年5月5日提交的15/147,015号申请的部分延续申请，该15/147,015号申请是于2015年8月10日提交的14/822,164号申请的分案申请，该14/822,164号申请是于2014年10月3日提交的14/505,609号申请(现为美国专利9,136,240号)的延续申请，该14/505,609号申请要求于2013年8月8日提交的临时申请61/888,203号的权益，这些申请中的每个的内容通过引用并入本文。
本专利技术涉及半导体封装的形成，尤其涉及用于将半导体元件键合在一起的改进的系统及方法。
技术介绍
传统的半导体封装通常包括裸片附接工艺和引线键合工艺。在这个行业中，先进半导体封装技术(例如，倒装芯片键合、热压键合等)正获得更多的关注。例如，在热压键合中，在半导体元件之间使用热量和压力来形成多个互连部。虽然先进封装技术的应用日益增加，但是在这些技术中存在许多限制，这些限制包括例如与一些先进封装技术的相对初期(relativeinfancy)有关的限制。因此，期望提供用于将半导体元件键合在一起的改进系统及方法。
技术实现思路
根据本专利技术的示例性实施例，提供了一种对半导体元件进行超声键合的方法。该方法包括以下步骤：(a)将第一半导体元件的多个第一导电结构的表面与第二半导体元件的多个第二导电结构的相应表面对准；以及(b)将所述第一导电结构中的若干个第一导电结构超声键合至所述第二导电结构中相应的若干个第二导电结构。在步骤(b)之前，所述第一导电结构和所述第二导电结构中的至少一种导电结构的键合表面包括易碎涂层。例如，位于第一半导体元件和第二半导体元件中的至少一个的导电结构上的易碎涂层可以在倒装芯片键合前施加，以保护导电结构的键合表面免于氧化(例如，在导电结构可以由铜形成或者包括铜的情况中)。涂层可以是由氮化硅、氧化硅或碳化硅或它们的混合物构成的表面层，该涂层具有适于键合的厚度而无需用熔剂处理(fluxing)，并且该涂层在超声键合的作用下足够易碎，以在第一半导体元件和第二半导体元件的导电结构之间获得金属到金属接触。该涂层的厚度的示例性范围在10埃到500埃之间，另一示例性范围在15埃到250埃之间。该涂层可以是例如钛、钽、铟、铝、锡、锌、锆、钒、铬、镍的氮化物、氧化物或碳化物。可以使用足够易碎的陶瓷涂层，以在超声倒装芯片键合期间在相应导电结构的键合表面之间获得金属到金属接触，并且获得适于键合而无需用熔剂处理的表面。即，提供了一种方法以保护导电结构(例如，铜导电结构)的用于包括超声连接的倒装芯片键合的键合表面免受污染物(诸如氧化铜)或者从该键合表面移除污染物。该方法包括使键合表面涂覆有陶瓷材料层，该陶瓷材料层具有适于键合而无需熔剂处理、并且给该层提供足够易碎以在倒装芯片键合期间在导电结构的键合表面之间获得金属到金属接触的硬度的厚度。导电结构的涂层可以是由与铜形成配合物(complexes)的稀土金属构成的表层涂层(例如，如果包括涂层的导电结构是铜)。涂层可以具有这样的厚度，使得在形成铜配合物(例如，暴露于含有氢的还原环境)时，形成陶瓷氢化物层(例如，选自铜-稀土金属配合物的金属氢化物以及形成金属氢化物的不与铜融合金属的金属氢化物的金属氢化物化合物的层)，该陶瓷氢化物层具有适于键合且无需熔剂处理并且给该层提供前述硬度的厚度。附图说明当结合附图阅读下面的详细描述时，将最佳地理解本专利技术。需要强调的是，根据通常的实践，附图的各种特征不是按比例绘制的。相反，为清楚起见，各种特征的尺寸被任意扩大或减小。附图中包括以下图片：图1A至图1C是超声键合机的部分的框图，它们示出了根据本专利技术的一个示例性实施例的将上部半导体元件键合至下部半导体元件的结构及方法；图2A是超声键合机的部分的框图，其示出了根据本专利技术的另一个示例性实施例的将上部半导体元件键合至下部半导体元件的结构及方法；图2B是图2A的“图2B”部分的放大图；图2C是图2B在超声键合后的视图；图3是超声键合机的部分的框图，其示出了根据本专利技术的又一个示例性实施例的将上部半导体元件键合至下部半导体元件的结构及方法；图4A是超声键合机的部分的框图，其示出了根据本专利技术的又一个示例性实施例的将上部半导体元件键合至下部半导体元件的结构及方法；图4B是图4A的“图4B”部分的放大图；图4C是图4B在超声键合后的视图；图5A是超声键合机的部分的框图，其示出了根据本专利技术的另一个示例性实施例的将上部半导体元件键合至下部半导体元件的结构及方法；图5B是图5A的“图5B”部分的放大图；图5C是图5B在超声键合后的视图；图6A是超声键合机的部分的框图，其示出了根据本专利技术的又一个示例性实施例的将上部半导体元件键合至下部半导体元件的结构及方法；图6B是图6A的“图6B”部分的放大图；图6C是图6A的一部分在导电结构之间接触后的视图；图7示出了根据本专利技术的一个示例性实施例的对半导体元件进行超声键合的方法的流程图；图8A至图8C是超声键合机的部分的框图，它们示出了根据本专利技术的一个示例性实施例的将上部半导体元件键合至下部半导体元件的结构及方法；图9是示出了根据本专利技术的一个示例性实施例的对半导体元件进行超声键合的方法的流程图；图10A至图10C是超声键合机的部分的框图，它们示出了根据本专利技术的另一个示例性实施例的将上部半导体元件键合至下部半导体元件的另一个结构及方法；图11是示出了根据本专利技术的又一个示例性实施例的对半导体元件进行超声键合的又一个方法的流程图；图12A至图12C是超声键合机的部分的框图，它们示出了根据本专利技术的又一个示例性实施例的将上部半导体元件键合至下部半导体元件的又一个结构及方法；图13是示出了根据本专利技术的又一个示例性实施例的对半导体元件进行超声键合的又一个方法的流程图。具体实施方式如本文所使用的，术语“半导体元件”意指包括(或者被构造成在后续步骤中包括)半导体芯片或裸片的任何结构。示例性的半导体元件包括裸露的半导体裸片、位于衬底(例如，引线框架、PCB、载体等)上的半导体裸片、封装半导体器件、倒装芯片半导体器件、嵌入衬底中的裸片、由半导体裸片构成的堆叠等。此外，半导体元件可以包括被构造成被键合或者以其它方式被包括在半导体封装中的元件(例如，被结合在堆叠裸片构型中的间隔件、衬底等)。根据本专利技术的某些示例性实施例，提供了用于装配诸如叠层封装(即，PoP)结构的半导体器件的创新技术(及结构)。例如，多个半导体元件(可以是封装)可以呈堆叠构型布置。这些元件中的每个元件优选地包括被超声键合在一起的铝(或铝合金、或部分是铝(partiallyaluminum))导电结构。这种技术具有某些优点，包括例如：与其它互连技术(例如，基于焊料的PoP技术)相比，密度减小；与其它互连技术相反，不使用焊料块回流；并且在某些应用中通过使用铝-铝互连使得能进行室温超声键合。图1A示出了超声键合机100的部分，该超声键合机100包括键合工具124以及支撑结构150。如本领域技术人员将理解到的，热压键合机(诸如机器100或本文所描述的任何其它机器的实施例)可包括为了简单起见而未在附图中示出的许多元件。示例性的元件包括例如：输入元件，其用于提本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种对半导体元件进行超声键合的方法，所述方法包括以下步骤：(a)将第一半导体元件的多个第一导电结构的表面与第二半导体元件的多个第二导电结构的相应表面对准，其中所述第一导电结构和所述第二导电结构中的至少一种导电结构的键合表面包括易碎涂层；以及(b)将所述第一导电结构中的若干个第一导电结构超声键合至所述第二导电结构中相应的若干个第二导电结构。

【技术特征摘要】
2017.03.13 US 15/456,7671.一种对半导体元件进行超声键合的方法，所述方法包括以下步骤：(a)将第一半导体元件的多个第一导电结构的表面与第二半导体元件的多个第二导电结构的相应表面对准，其中所述第一导电结构和所述第二导电结构中的至少一种导电结构的键合表面包括易碎涂层；以及(b)将所述第一导电结构中的若干个第一导电结构超声键合至所述第二导电结构中相应的若干个第二导电结构。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一半导体元件是半导体裸片。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一半导体元件和所述第二半导体元件中的每个是相应的半导体裸片。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一半导体元件包括半导体裸片。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一半导体元件和所述第二半导体元件中的每个包括相应的半导体裸片。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：使所述第一半导体元件朝着所述第二半导体元件移动，使得所述第一导电结构的下表面与相应的所述第二导电结构的上表面接触。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：在所述步骤(b)的至少一部分期间，在所述第一半导体元件和所述第二半导体元件之间施加压力。8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：在所述步骤(b)期间，使所述第一导电结构中的若干个第一导电结构变形。9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(b)在环境温度下进行。10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：在所述步骤(b)的至少一部分期间对所述第一半导体元件和所述第二导电元件中的至少一个进行加热。11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：在所述步骤(b)的至少一部分期间，使用保持所述第一半导体元件的键合工具来对所述第一半导体元件进行加热。12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：在所述步骤(b)的至少一部分期间，使用在所述步骤(b)期间支撑所述第二半导体元件的支撑结构来对所述第二半导体元件进行加热。13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个第一导电结构和所述多个第二导电结构中的至少一种导电结构由铜形成。14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个第一导电结构和所述多个第二导电结构均为铜导电结构。15.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个第一导电结构和所述多个第二导电结构中的至少一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·N·希拉克，D·A·迪安杰利斯，H·克劳贝格，
申请(专利权)人：库利克和索夫工业公司，
类型：发明
国别省市：美国,US