專利名稱：堆疊集成電路的腐蝕控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及集成電路(IC)，且更特定來說涉及多層IC，且更加特定來說涉及用于 控制層之間的腐蝕的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
IC技術(shù)中需要將芯片(裸片)堆疊在一起以形成多層(3-D) IC裝置。一種形成 3-D裝置的方法是將兩個(gè)(或兩個(gè)以上)層集中到一起且接著將所述層囊封入單一結(jié)構(gòu)中。 相應(yīng)層的表面上的電導(dǎo)體和/或接觸件用于在不同層上的電路之間載運(yùn)電信號。這些導(dǎo)體 /接觸件極小，直徑約為幾微米，且在暴露于腐蝕性氣氛時(shí)將相對快速地腐蝕。腐蝕接著干 擾3D裝置的信號處理能力。腐蝕由兩個(gè)裸片(當(dāng)將其靠在一起時(shí))之間產(chǎn)生的小間隙引起。在這些間隙內(nèi)可 捕集例如水和氧等腐蝕性材料。此經(jīng)捕集的腐蝕性材料接著與金屬導(dǎo)體/接觸件相互作 用，從而產(chǎn)生可靠性問題。一種解決方法是用填充劑材料填充“間隙”。因?yàn)殚g隙大小并非恒定，所以填充劑 的量也非恒定。因此，難以完全填充間隙。另一方面，使用過多填充劑將增加所得3-D裝置 的大小，借此改變形狀因數(shù)。另一解決方法是消除間隙或使其極小。為了實(shí)現(xiàn)此目的，相應(yīng)裸片的表面將必須 極其平坦，借此增加裝置成本以及處理裸片的成本。一額外問題是層之間捕集的氣體在溫度增加或外部壓力減少期間膨脹。膨脹的氣 體對經(jīng)結(jié)合層體施加分離壓力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對用于防止腐蝕性元素(例如，氧化劑)與堆疊IC裝置的兩個(gè)層之間的 界面處的金屬連接接觸的系統(tǒng)和方法。當(dāng)層被定位成靠近彼此時(shí)，在所述層的平坦表面的 邊界處形成空穴。此空穴由層之間的周邊密封件界定。在一個(gè)實(shí)施例中，在空穴內(nèi)產(chǎn)生真 空，借此消除或減少空穴內(nèi)的腐蝕性氣氛。在另一實(shí)施例中，用非氧化氣體(例如氬氣)填 充空穴。一旦空穴不含氧化元素，就可囊封周邊密封件以防止污染物滲漏入空穴且防止密 封件本身的腐蝕。前文已頗為廣泛地概述本發(fā)明的特征和技術(shù)優(yōu)點(diǎn)以便可更好地理解隨后的本發(fā) 明的詳述。在下文中將描述形成本發(fā)明的權(quán)利要求書的標(biāo)的的額外特征和優(yōu)點(diǎn)。所屬領(lǐng)域 的技術(shù)人員應(yīng)了解，所揭示的概念和特定實(shí)施例可易于用作修改或設(shè)計(jì)其它用于實(shí)行本發(fā) 明的相同目的的結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員還應(yīng)認(rèn)識到，此類等效構(gòu)造并未偏離在 所附權(quán)利要求書中陳述的本發(fā)明的精神和范圍。當(dāng)結(jié)合附圖考慮時(shí)，從以下描述將更好地 理解據(jù)信表現(xiàn)本發(fā)明特性的新穎特征(關(guān)于其組織和操作方法兩者)以及其它目的和優(yōu) 點(diǎn)。然而應(yīng)明確地了解，僅出于說明和描述的目的而提供各圖的每一者，且其并非希望作為 對本發(fā)明的限制的界定。


為了更全面地理解本發(fā)明，現(xiàn)結(jié)合附圖考慮來參考以下描述，附圖中圖IA到IC展示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的多層IC裝置的實(shí)例和制造所述多層IC裝 置的示范性工藝；圖2展示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的一個(gè)替代性堆疊IC裝置；圖3展示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的裸片到晶片堆疊的一個(gè)實(shí)施例；圖4展示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的一個(gè)替代性實(shí)施例，其中在環(huán)境受控腔室中結(jié)合 多層IC裝置；以及圖5展示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于控制多層IC裝置的層之間的腐蝕的方法的 一個(gè)實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)轉(zhuǎn)向圖1A，展示包含頂部裸片11和底部裸片12的堆疊IC裝置10。頂部裸片 11具有作用層101和襯底層102。底部裸片12具有作用層103和襯底層104。圖IA展示 被靠在一起以用于結(jié)合目的之前經(jīng)定位的頂部裸片和底部裸片。在此實(shí)施例中，襯底層102 將結(jié)合到作用層103且因此此為“背面對正面”結(jié)合布置。如將論述，“正面對正面”、“背面 對背面”、“正面對背面”或“背面對正面”組合的任一布置可使用本文中論述的概念以形成 分層半導(dǎo)體組件。圖1A-1C描繪兩層堆疊IC裝置，然而堆疊IC裝置可包含更多層。襯底層102含 有連接(元件)112，其用于將層101上的組件111 (或端子)連接到層103上的作用組件 115 (或端子)。當(dāng)使層102和103的平坦表面靠在一起時(shí)，使用連接器路徑112產(chǎn)生這些 連接，所述連接器路徑112接著與層103的平坦表面上的襯墊114配對。在頂部裸片11和 底部裸片12的周邊周圍分別形成有元件110和113，元件110和113將在使所述層配對時(shí) 合在一起以形成密封件(如將可見)。在所展示的實(shí)施例中，密封件110和113為金屬，但 可包含其它材料。圖IB展示裸片11和12合在一起，且在由周邊配對元件110/113所界定的區(qū)域內(nèi) 形成一個(gè)或一個(gè)以上間隙120。元件110/113合在一起以形成周邊周圍的密封件。應(yīng)注意， 現(xiàn)在從組件111到組件115存在使用連接器元件112和114的電連接。一旦元件被適當(dāng)對準(zhǔn)，就可在環(huán)境受控腔室中選擇性地建立新氣氛，使得新氣氛 與在不采取氣氛干預(yù)措施的情況下通常將會(huì)形成的氣氛(例如，環(huán)境氣氛)不同。舉例來 說，普通氣氛可含有水、其它蒸氣和/或可引起腐蝕的其它氣體，而腐蝕又將會(huì)對IC裝置的 正常操作造成干擾。如將論述，在此實(shí)例中，可(例如)使用泵(未展示)來降低環(huán)境受控腔室中的大 氣壓力，和/或用惰性氣體或非氧氣體實(shí)質(zhì)上置換環(huán)境受控腔室內(nèi)的氣氛來建立在環(huán)境受 控腔室內(nèi)建立的選擇性建立的非腐蝕性環(huán)境。所建立的氣氛經(jīng)設(shè)計(jì)以驅(qū)除氧、水和/或其 它氧化劑，借此減少腐蝕。一旦建立適當(dāng)環(huán)境，就將裸片壓縮在一起且結(jié)合，優(yōu)選地在空氣 中大于攝氏150度的溫度下進(jìn)行，使得間隙120中存在適當(dāng)環(huán)境。應(yīng)注意，可通過使用一個(gè)或一個(gè)以上泵來建立低壓。替代于降低壓力或除降低壓力以外，這些泵還可用以將所要環(huán)境(例如氬氣或氮?dú)?注入到環(huán)境受控腔室中。所述低 壓可低到所要水平，甚至達(dá)到實(shí)質(zhì)上建立真空的程度。還應(yīng)注意，在一些情形中可能需要在層之間建立一個(gè)以上間隙，且相對于不同間 隙建立不同環(huán)境?？赏ㄟ^在需要成為獨(dú)立間隙的部分周圍放置配對元件110/113來建立間 隙。因此，可相對于一些間隙建立低壓，且在相同堆疊IC裝置內(nèi)的其它間隙中建立不同環(huán) 境。這些不同環(huán)境可在相同層之間和/或在不同層之間。圖IC展示在密封件110/113外部添加保護(hù)層140。可(例如)通過等離子增強(qiáng) 化學(xué)氣相沉積(PCVD)添加此保護(hù)層，以幫助防止經(jīng)密封空穴內(nèi)的環(huán)境與普通環(huán)境中所見 的腐蝕性元素(例如水或氧)接觸。層140可為絕緣層，例如亞硝酸硅或氧化硅。(如果 需要)薄膜140可完全圍繞堆疊IC裝置的外部沉積而非僅在密封環(huán)110/113上沉積，如圖 IC所示。此層140的功能為在密封環(huán)110/113與其外部環(huán)境之間形成障壁。因?yàn)榻饘倜芊?件110/113不太可能足夠緊密地圍繞全部周邊以形成無任何滲漏的完美密封結(jié)合，所以建 立保護(hù)層140。此外，如果密封件110/113由金屬形成，那么密封件110/113可能被腐蝕。圖2展示具有裸片21和22的一個(gè)替代性堆疊IC裝置布置20，其中層中的至少 兩者的“正面” 202、203以“正面對正面”關(guān)系結(jié)合。這與圖IA到IC中展示的“背面對正 面”結(jié)合相反。在圖2中，堆疊IC裝置20具有層間電接觸件212、213以及通道210 (如果 需要)以提供到外部組件的連接性。應(yīng)注意，在此實(shí)施例中，層之間的金屬周邊密封環(huán)由部 分214和215構(gòu)成。當(dāng)然，可使用任何組合和任何數(shù)目的層。可使用裸片對裸片堆疊、裸片對晶片堆疊和(在一些情形中)晶片對晶片堆疊實(shí) 現(xiàn)本文中論述的概念。圖3展示其中裸片30-1與裸片31-1配對的裸片對晶片堆疊，裸片 31-1仍為晶片300的一部分。裸片30-1與裸片31-1可具有不同大小。這可使用結(jié)合到位 于晶片300上的裸片31-1到31-N中的任一者的任何數(shù)目的其它裸片(未展示)來循序地 或并行地重復(fù)?？山又P(guān)于一個(gè)裸片對或關(guān)于所有裸片對進(jìn)行囊封(圖3中未展示)以提 供保護(hù)性外部密封件?？山又鴱木?00分離裸片31-1到31-N以形成個(gè)別堆疊IC裝置。圖4展示一個(gè)替代性實(shí)施例，其中在環(huán)境受控腔室中結(jié)合多層IC裝置。如圖所 示，裸片40與裸片41結(jié)合地定位以在腔室401內(nèi)形成堆疊IC裝置400。裸片40和41經(jīng) 適當(dāng)對準(zhǔn)且接著環(huán)境控制402使用環(huán)42和43在層之間的周邊周圍形成密封而建立適當(dāng)環(huán) 境。此環(huán)境(例如)可為低壓(包括真空，如果需要)或所述環(huán)境可為氣體，例如氮?dú)饣驓?氣，或者防止或減少配對層之間的空穴內(nèi)的腐蝕或其它不當(dāng)效應(yīng)的任何其它物質(zhì)或物質(zhì)的 組合。在需要改進(jìn)的導(dǎo)熱性的情形中，氬氣為優(yōu)選氣體。壓力優(yōu)選應(yīng)低于latm。優(yōu)選將堆疊IC裝置400加熱到130C到400C的溫度，使得當(dāng)堆疊IC裝置400冷卻 時(shí)，層體之間的間隙處在比大氣壓力低的壓力下。在加熱的同時(shí)，可接著使用壓縮熱結(jié)合來 結(jié)合裸片40和41。一旦層被結(jié)合，就可在整個(gè)堆疊IC裝置400上沉積保護(hù)膜(未圖示)， 或如果需要，僅在層間密封環(huán)42/43周圍沉積保護(hù)膜。應(yīng)注意，由在結(jié)合前加熱所述層引起 的空穴內(nèi)的減小的壓力起促進(jìn)將所述層固持在一起的作用。此外，如果溫度上升，那么空穴 內(nèi)的壓力將不足以將層推離開。圖5展示用于控制多層IC裝置的層之間的腐蝕的方法的一個(gè)實(shí)施例50。塊501 控制一個(gè)或一個(gè)以上裸片相對于第二裸片(或晶片)的定位。當(dāng)塊502確定定位完成，使 得建立周邊密封件(例如，圖2中的214/215)時(shí)，塊503以若干方法中的任一種方法(例如以上所論述的方法)或以其它方式在裸片之間建立受控環(huán)境。塊503和504重復(fù)直到塊504確定已建立適當(dāng)環(huán)境為止，在塊504確定已建立適 當(dāng)環(huán)境的情況下塊505將裸片結(jié)合在一起。如果需要，塊506如上文所論述在所建立的密 封件外部添加保護(hù)障壁。盡管塊501和502被展示為在塊503和504之前，但預(yù)期塊503和504可發(fā)生于 塊501和502之前。應(yīng)了解，盡管密封件被展示為在周邊周圍，但密封件可僅在某些元件周 圍，且可在兩個(gè)層之間形成一個(gè)以上密封區(qū)域。雖然已詳細(xì)地描述本發(fā)明及其優(yōu)點(diǎn)，但應(yīng)理解，可在不偏離由所附權(quán)利要求書所 界定的本發(fā)明的精神和范圍的前提下在本文中進(jìn)行各種改變、替代和變更。此外，本申請案 的范圍并非希望限于說明書中所描述的過程、機(jī)器、制造、物質(zhì)組成、手段、方法和步驟的特 定實(shí)施例。如所屬領(lǐng)域的一般技術(shù)人員將易于從本發(fā)明了解，可根據(jù)本發(fā)明利用當(dāng)前現(xiàn)有 或日后將開發(fā)的執(zhí)行與本文所描述的相應(yīng)實(shí)施例實(shí)質(zhì)上相同的功能或?qū)崿F(xiàn)實(shí)質(zhì)上相同結(jié) 果的過程、機(jī)器、制造、物質(zhì)組成、手段、方法或步驟。因此，所附權(quán)利要求書希望在其范圍內(nèi) 包括此類過程、機(jī)器、制造、物質(zhì)組成、手段、方法或步驟。
權(quán)利要求
1.一種分層半導(dǎo)體裝置，其包含第一和第二層體，其沿所述層體的平坦表面彼此結(jié)合，所述層體中的每一者包含至少 一個(gè)作用元件；以及環(huán)境密封件，其圍繞所述平坦表面中的經(jīng)結(jié)合者的周邊邊緣。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其進(jìn)一步包含在由所述密封件界定的區(qū)域內(nèi)的所述經(jīng) 結(jié)合平坦表面之間的實(shí)質(zhì)上非腐蝕性環(huán)境。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的結(jié)構(gòu)，其中所述實(shí)質(zhì)上非腐蝕性環(huán)境包含惰性氣體。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的結(jié)構(gòu)，其中所述實(shí)質(zhì)上非腐蝕性環(huán)境包含降低的大氣壓力。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的結(jié)構(gòu)，其進(jìn)一步包含 形成于所述密封件的外部邊緣上的環(huán)境保護(hù)遮罩。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的結(jié)構(gòu)，其中所述保護(hù)遮罩使用保形PECVD(等離子增強(qiáng)化學(xué)氣 相沉積)膜來建立。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的結(jié)構(gòu)，其中所述層體為裸片。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的結(jié)構(gòu)，其中所述第一層體為裸片且所述第二層體為晶片。
9.一種用于建構(gòu)分層半導(dǎo)體裝置的方法，所述方法包含將所述半導(dǎo)體裝置的相鄰層體的平坦表面靠在一起以用于結(jié)合； 在所述相鄰層體的所述平坦表面之間建立受控環(huán)境；以及 在結(jié)合所述平坦表面后，維持所述受控環(huán)境。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述建立包含 建立低大氣壓力。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述維持包含在結(jié)合所述平坦表面之前，提供由駐留于所述平坦表面中的每一者上的材料所建構(gòu)的 至少一個(gè)周邊密封件。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述維持進(jìn)一步包含 在所述周邊密封件的外部邊緣上沉積保護(hù)膜。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述建立包含 在所述平坦表面之間添加非氧氣體。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中所述氣體選自以下各物的列表氬氣、氮?dú)夂秃?成氣體。
15.一種堆疊IC裝置，其包含上面具有IC元件的第一裸片；所述第一裸片具有至少一個(gè)表面，所述元件形成于所述 至少一個(gè)表面處；上面具有IC元件的第二裸片，所述第二裸片具有至少一個(gè)表面，所述元件形成于所述 至少一個(gè)表面處；形成于所述裸片中的每一者的所述表面上的至少一個(gè)密封元件；且其中 所述裸片的所述表面結(jié)合在一起，使得將所述密封元件靠在一起以密封所述IC元件 中的至少一些IC元件周圍的環(huán)境。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的堆疊IC裝置，其進(jìn)一步包含 在所述密封環(huán)境內(nèi)的選擇性建立的氣氛。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的堆疊IC裝置，其中所述所建立的氣氛是對環(huán)境氣氛的修改。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的堆疊IC裝置，其中所述選擇性建立的環(huán)境選自以下各物的 列表低大氣壓力，和非氧氣體。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的堆疊IC裝置，其進(jìn)一步包含囊封材料，其相對于所述密封元件定位以便維持所述密封元件內(nèi)的所述所建立的環(huán)境。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的堆疊IC裝置，其中所述密封元件包含位于所述密封環(huán)境的 圓周周圍的金屬部分。
21.—種建構(gòu)堆疊IC裝置的方法，所述方法包含 相對于第二裸片定位第一裸片；在所述第一裸片的平坦表面與所述第二裸片的平坦表面之間建立受控環(huán)境；以及 結(jié)合所述第一與第二裸片以形成所述堆疊IC裝置。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其進(jìn)一步包含 對所述經(jīng)結(jié)合的堆疊IC裝置添加環(huán)境障壁。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中所述建立包含通過建構(gòu)于所述裸片上的配對元件而在所述相應(yīng)平坦表面之間建立密封空穴。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中所述建立進(jìn)一步包含 降低所述密封空穴內(nèi)的大氣壓力。
25.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中所述建立進(jìn)一步包含 在所述密封空穴內(nèi)注入非氧氣體。
26.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中所述結(jié)合包含在將所述第一與第二裸片壓縮在一起的同時(shí)，升高所述裸片的溫度。
27.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中將所述第二裸片包含于其上具有多個(gè)裸片的晶 片上。
全文摘要
一種防止腐蝕性元素(或至少氧化劑)與堆疊IC裝置(10)的兩個(gè)層之間的界面處的金屬連接接觸的系統(tǒng)和方法。當(dāng)層被定位成靠近彼此時(shí)，在所述層的平坦表面的邊界處形成空穴。此空穴由所述層之間的周邊密封件(110/113)界定。在一個(gè)實(shí)施例中，在所述空穴內(nèi)產(chǎn)生真空，借此減少所述空穴內(nèi)的腐蝕性氣氛。在另一實(shí)施例中，用惰性氣體(例如氬氣)填充所述空穴。一旦減少所述空穴中的氧化元素，就可囊封所述周邊密封件(110/113)以防止污染物滲漏入所述空穴。
文檔編號H01L23/10GK102105979SQ200980129048
公開日2011年6月22日 申請日期2009年8月14日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月15日
發(fā)明者顧時(shí)群, 馬修·諾瓦克 申請人:高通股份有限公司