JP5702136B2 - 耐熱サイクル接続 - Google Patents

Description

本発明は半導体に関し、特に係るデバイスの電気的接続に関する。

チップをスタック（積層）する場合、基本的には、チップ対チップ接続を形成する方法が２つある。１つはスタックを完成させ、同時に、導電性結合材料が導電性経路を形成するのに必要な加熱および冷却等の条件下にスタック全体を晒す方法である。もう１つは、接続点の加熱および冷却により順次に２つの構成要素を接続した後、同じ方法で次のチップを結合して、これを順次に続け、最終的にスタックを完成させる方法である。

第１の「同時」手法の欠点は、実際にはスタック要素間のアライメントの維持が困難なことである。さらに、スタック構成要素間の信頼できる相互接続の形成に必要な適切な条件へ、全ての接続をそれぞれ確実に適応させることは困難である。そのため、接続付近の条件が、所要範囲に達していなかったり、過剰であったりして、特定の接続が何ら得られないおそれがある。

第２の「順次」手法には、アライメントの問題はない。しかし、最初のチップの後、次々にチップを結合する際に用いる熱が、それより前に結合したチップの接続に悪影響を及ぼす可能性があり、この方法にも難点がある。

このように、従来の「同時」または「順次」の結合手法に起因する問題を軽減または排除するようにスタックを形成する、より良好なチップの結合方法が求められている。

本発明者は、上記の問題の影響を受けない同時手法または順次手法により、（チップ、ダイまたはウェハ基盤上に）チップのスタックを創成することができる方法を発明した。

一態様は、電気的接続を創成する方法を含む。この方法は、２つの異なるチップの各々に一対の接点の各々を提供することを含み、一対の接点はその間に容積部を画成し、容積部は各々が融点を有する少なくとも２つの組成物を収容し、第１温度まで加熱することにより少なくとも２つの組成物のうちの少なくとも一方に変化を生じさせ、その変化により第２温度である新しい組成物融点を有する新たな組成物が得られ、第２温度は、第１温度および少なくとも２つの組成物のうちの少なくとも第１の組成物の融点よりも高くなるように、これら組成物は選択され、さらにこの方法は、一対の接点と少なくとも２つの組成物とを第１温度まで加熱することを含む。

別の態様は、チップのスタックを含む。チップのスタックは、第１融点を有する第１材料組成物を用いて２つのチップを電気的に結合する第１ペア接点セットと、第１融点よりも低い第２融点を有する結合成分組成物を上に含む、２つのチップの一方上の接点セットとを有し、接点セットを第３チップ上の対応する接点セットと接触させて接点セットと対応する接点セットを第１融点と第２融点間の範囲の温度まで加熱するとき、結合成分組成物が第１材料組成物になる。

更なる態様は、電気接点に施す方法を含む。この方法は、接続点に位置する少なくとも２種類の導電性材料を第１温度まで加熱することを含み、第１温度は、少なくとも２種類の導電性材料のうちの第１の少なくとも一部を、少なくとも２種類の導電性材料のうちの第１の融点よりも高いが、状態図上の、少なくとも２種類の導電性材料のうちの第１の液相状態に対応する液相温度よりも低い融点を有する状態に変化させるのに必要な温度を超え、この方法はさらに、少なくとも２種類の導電性材料のうちの第１の少なくとも一部をより高い融点を有する状態に変化させるのに必要な温度より低くなるまで接続点を冷却させることを含む。

本明細書で説明する利点および特長は、代表的な実施例から得られる多くの利点および特長の内の僅かでしかなく、本発明の理解を助けるために提示するに過ぎない。言うまでもなく、それらは特許請求の範囲によって定義される本発明を制限したり、特許請求の範囲の均等物を制限したりするものと解釈すべきではない。例えば、これら利点のいくつかが相互に矛盾し、単一の実施例に同時にあてはまらないことがある。同様に、いくつかの利点が本発明の一の態様にあてはまるものの、他の態様にはあてはまらない場合がある。従って、特長および利点についてこの概要が、均等を判定する際の手掛かりになると考えるべきではない。本発明の更なる特長および利点は、以下の説明、図面、および特許請求の範囲から明らかになろう。

図１は、金とスズの二元合金の状態図を示す。

図２は、本明細書に記載する手法の変形による接点２００の断面写真である。

図３は、相手接点に結合した後の、図２に類似する元の組成物の接点の断面写真である。

図４は、接点の断面写真である。

図５は、別の接点に結合した後の、図４と同様の接点の断面写真である。

図６は、昇温曝露終了後の、図５と同様の接点の断面写真である。

図７は、ＰｂとＳｎの二元合金の状態図を示す。

図８Ａ乃至図８Ｈは、上記手法の変形を用いたスタック創成を示す。

本明細書に記載の手法は、その記載通り、チップの非常にコンパクトなスタックの創成に特に好適である。その上、これら手法には、本明細書に記載する手法の多くとは無関係に更なる利点をもたらす「タック−融合」プロセスを含めることもできる。

さらに、引用して本出願に組み込まれる、本出願と同時に出願された米国特許出願、発明の名称「電気的接続における可動式結合（Ｍｏｂｉｌｅ Ｂｉｎｄｉｎｇ Ｉｎ Ａｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ）」は、接続における相分離（Ｐｈａｓｅ Ｓｅｇｒｅｇａｔｉｏｎ）の問題を軽減または排除する方法を述べている。この手法は、本明細書に記載する技術と完全に両立可能であり、両立させることにより、いずれか一方だけでは得られない追加の利点が得られることが後に明らかになる。

具体的には、本発明者は、上記問題の影響を受けない同時手法または順次手法により（チップ、ダイまたはウェハ基盤上に）チップのスタックを創成する当該技術の更なる改良を発明するに至った。さらに、実施によっては、特定の結合材料とともに特殊バリアを用いて、可動原子（ｍｏｂｉｌｅ ａｔｏｍ）による相分離つまりボイド（隙間）の生成を防止する。これを、結合材料の流動温度に基づいて、使用する結合材料を具体的に選択することにより行うことで、先に形成した接続に悪影響を及ぼすことなく複数の高温処理ステップを実行できる。

これは種々の方法で達成できる。しかし、概してその手法は、導電性接続の最初の形成が特定温度「Ｔ１」近傍で行われるように、電気的接続形成の一部となる（純金属、実質的に純粋な金属、または合金に拘らず）特定材料を選択することを含む。しかし、その形成の結果、導電性接続を形成する材料は、元の材料よりも高い融点を有する組成物に変化することになる。結果として、同じ材料で創成されるその後の接続が、元の接続を液化させることにはならない（または、新たな融点がＴ１より高くても、非常にＴ１に近い場合、最小限度で存在する元の材料が明らかに液化をすることはない）。

任意ではあるが、引き続き、より高い温度「Ｔ２」まで昇温することにより、一段と高い融点を有する組成物へ更なる変化をもたらすように材料を選択しておくこともできる。この場合、その後のＴ１への昇温は影響を及ぼすことは全くない。

好都合なことに、この方法はタック−融合接続プロセスとの関連において特に有益である。というのは、タック−融合接続プロセスには、低い方の温度での「タック」フェーズとそれに続く高い方の温度での「融合」フェーズとが既に含まれているからである。

図１乃至図３を参照して、本手法の一実施例を説明する。

この実施例では、接点上に合金を堆積させる。この実施例では、堆積合金は金とスズの合金で、具体的には８０％Ａｕ、２０％Ｓｎである。図１は、金とスズの二元合金の状態図１００を示す（但し、正確に実寸で示されていない）。見て分かるように、この８０／２０Ａｕ−Ｓｎ合金は、状態図１００の共融点１０２に位置している。この共融点１０２は、この組成合金の最低融点をあらわしている。しかし、合金はより高い温度に置かれると、合金はそこにある他の何らかの材料、例えば、接点材料、または、好ましくはｉ）接点と合金との間、もしくはｉｉ）合金の上面のいずれかに堆積した材料、と相互作用して合金の組成変化をもたらす。相互作用および材料に応じて、その組成変化は、どの成分の重量パーセント（Ｗｅｉｇｈｔ％）濃度が増減するかに基づき、状態図上での左右移動をもたらすことになる。組成物が状態図上で最初の組成物より低い融点の組成物への移行を起こさない限り、結果として生ずる組成物は、最初の組成物よりも高い融点を有する。

特定の実施にもよるが、構成成分のうちの１つを追加したり、構成成分のうちの１つを除去したり、または１つ以上の他の成分を追加したりすることにより、この状態図上での左右移動がなされる。

一例として、純スズ層または高スズ濃度の金−スズ層を合金上に堆積したとする。すると、金−スズ合金本体の融点に達した時、追加したスズまたは金−スズ合金も融解して８０／２０合金と混合されてスズ濃度の高い新たな濃度、例えば７０／３０金−スズ合金を生成したであろう。この濃度は元の組成物の右側に位置するので、８０／２０合金より高い融点を有する。

代替として、例えば、金−スズ合金からスズを抜き出した材料自体を金濃度が高くなったスズとの合金として使用したとする。その結果、より高い金濃度によって状態図上を左へ動き、得られる合金の融点は高くなる。

８０／２０金−スズ合金の場合、状態図を見ると、所望結果を得るには、組成変化は、スズを加えるか金を除くかして状態図で右方向への組成の移動を生じさせる組成変化、またはスズを除くか金を加えるかして状態図で左方向への組成の移動を生じさせる組成変化のいずれかであろう。

類似する別の代替では、金とスズの両方とともに少量の三元合金を自らが生成し、合金本体の組成がより高い融点を有するように変化する限りにおいて同じ効果が得られるような材料を使用できるであろう。

図２および図３を参照して、上と同じ方法および材料（すなわち８０／２０Ａｕ−Ｓｎ合金）が使用されるが、例えば、合金と接点との間で合金の下にバリアとして、または合金の上にキャップとして、十分な量のニッケルを堆積した場合を類似例として考えて見る。図２は、本明細書に記載する方法の変形による接点２００の断面写真であり、バリア材料２０４（ニッケルバリア）上に堆積した接続材料２０２（８０／２０Ａｕ−Ｓｎ合金）を有する。この場合、約３００℃の上昇温度またはそれ以上で、材料はある程度まで融解することになる。その結果、スズ原子がニッケル層に吸収される、すなわちニッケル層と合金を成し、低移動度の種（この場合は金）が高割合となるＡｕ−Ｓｎ合金組成物を残す一方で、ニッケルが高移動度のスズの一部を捕捉しその残部を吸収する。

図３は、図２に示す類似する元の組成物接点３０２が、上で検討したように、昇温された温度で相手接点３０４に結合され、両接点３０２，３０４間に導電性接続を形成した後の断面写真である。図３では、上記手法の結果、接点ペア３０２，３０４間の容積部内の新たな組成は、元の８０／２０の百分比とは遥かに異なるものとなる。一部の領域３０６は９７％金であり、また一部の領域３０８は２５％スズである。その結果、図１の状態図から、得られた種々の材料の融点は劇的に変化したことが明らかである。さらに、ここでは接点のかなりの部分で金が９５％を超えるという事実により、接点の大部分では融点が３００℃よりも１０００℃に近いことになる。スズ濃度の高い領域であっても、融点は３００℃よりも４００℃に近い。

その上さらに好都合なことに、組成混合物にニッケルを添加することにより、スズの移動性は低下する。これは、相分離問題が生ずる可能性が低くなることを意味する。

さらに好都合なことに、スズの吸収つまり合金化は、混合物全体のセルフセンタリング（ｓｅｌｆ−ｃｅｎｔｅｒｉｎｇ）を防ぐ。セルフセンタリングとは、本発明者および本出願に組み込む上記出願での「ｌｉｑｕｉｄｕｓ」または「ｌｉｑｕｉｄｕｓ」（液相）状態を言い、相において言及される液相線（ｌｉｑｕｉｄｕｓ）状態とは異なる。

しかし、注目すべきことは、幾つかの実施における接続において、例えば、ポスト−ペネトレーション接続手法で用いる材料またはその何らかの成分の状態図における液相状態（すなわち融点）をいくらか下まわるまで軟化させることが可能なことであり、「展性」材料は、ある昇温温度まで高めて材料を十分に軟化させてポストをペネトレート（進入）させる必要はあるが、本発明者の定義する「液相」状態にまで、ましてや融解状態にまで軟化させる必要はない。

その結果、接続に全く影響を及ぼすことなく、接点を元の融点まで何回でも繰り返し昇温することができる。従って、当然ながら、新たな接続の形成がそれ以前の接続を分離するという心配もなく、この手法を何回となく用いてスタックにチップを加えていくことができる。

当然ながら、組成変化が融点の上方への移行だけをもたらす限り、出発組成物が最も低い融点である必要はない。そのことは、材料が分離した状態から始まり、結合して最終状態に至る次の例からも解る。

図４は、１００％金層４０６で覆われ、順に１００％スズ層４０８で覆われた、デバイスパッド４０４上の、この場合ではニッケルのバリア４０２で構成される一変形例による接点４００の断面写真である。

図４と同様の接点が別の接点（図４には不図示）に結合されて電気的接続を形成することになる。この例では、他方の接点はニッケル層で覆われたポストである。

図５は、タック−融合プロセスのタックフェーズにおいて他方の接点５００に結合された後の、図４と同様の接点４００の断面写真である。

接点の加熱により、融点が低いスズの層４０８を金の層４０６に拡散させてニッケルのバリア４０２まで到達させる。それにより、層４０６は依然として相当量が約１００％の金で構成されるものの、元の１００％スズの層の代わりに約８０％の金と約２０％のスズの合金層５０２が生じるように組成が変化する。こうして、元の組成物が、それぞれ図１の状態図の「Ｃ０」点と「Ｃ１」点に位置していたのに対して、金層は依然としてほぼ「Ｃ０」点に位置する一方、新たな組成物は図１の状態図の「Ｃ２」点に位置することになり、スズからスズ合金へ変化する場合、融点が約２３２℃から約２８２℃まで上昇し、金の融点は実質的に変化しない。（もちろん、実際に金の組成は、１００％より僅かに低くなり、それにより融点を僅かに下げることになるが、意味のある温度は約２３２℃から約２８２℃までの範囲であることから、それは実質的な変化とはならない。）図５に戻り、接点ペア４００、５００が、例えば、タック−融合プロセスの融合フェーズの利用により適度な高温に晒されたなら、更なる組成変化が起きるであろう。

図６は、例えば融合プロセスによる昇温曝露プロセスが終了した後の、図５と同様の接点の断面写真である。図６で分かるように、ここでの接続の最終組成物は、この例では、略４５％Ａｕ、３５％Ｓｎ、２０％Ｎｉの金−スズ−ニッケル三元合金６０４で挟まれた、大部分が金（約９８％）の中央領域６０２である。この合金６０４の融点は８０％／２０％金−スズ合金よりも高いので、先に述べたのと同じ効果が得られる。従って、全ての成分の融点が三元金属の形成温度を超えてしまうことによるこの接続の分離を心配することなく、この三元合金６０４を形成させる温度までの温度上昇サイクルにこの接点を晒すことができるであろう。

ここで、上記方法が、純金属または合金とともに用いることに限定されないことは注目に値する。同じ方法は、はんだ（鉛を含む含まないに拘らず）に対しても使用できる。

図７は、鉛とスズの二元合金の状態図７００を示す（但し、正確なスケールで示されていない）。上記の説明および実施例を念頭に、共融点７０２に対応する最初の組成物を使用するとともに追加の組成物を用いて鉛を追加するかまたはスズを除去すると、組成物は状態図で左側に移動して融点は上昇することが分かる。代替として、同じ開始点７０２で、追加の組成物を用いて鉛を除去するかまたはスズを追加すると、組成物は状態図７００で右側に移動して融点は同じく上昇することになる。

同じ手法は、状態図で示すように、ほぼ６０％Ｐｂ／４０％Ｓｎの組成物である従来のＣ４はんだ（Ｃ４Ｓｏｌｄｅｒ）に対しても有益に使用できることは言うまでもない。そのためには、加熱によりＣ４はんだからスズを除去するかまたは鉛を加える追加組成物を用いることは明白である。このように、組成変化がＣ４はんだ組成物の左側に点を移動させ、結果的に高い融点をもたらすことになる。これが接続に対して実施され、結果として得られる組成物が２５％スズ７５％鉛であると仮定すると、融点は温度ＴＣ４から状態図で「ＴＮ」と名付けた点に対応する温度まで上昇することになる。その後は、接続の温度をＣ４融点以上まで高めてもよく、ＴＮ点の温度を超えない限り、接続が分離されることはない。

この方法の変形を用いることにより、チップのスタック８００を以下の順次的な方法で簡単に創成できることは言うまでもない。このプロセスは図８Ａ乃至図８Ｈに非常に単純な形で示され、各図に上記方法の変形を用いるスタックの創成を図解する。

上記のような接続を利用して、２つのスタック用チップ８０２，８０４（ウェハの一部のままであるか分離後であるかに拘らず）（図８Ａ）を合体させて（図８Ｂ）、接続点８０６での温度を、本明細書による方法に適した材料の一変形例を含む接続の２つの成分８０８，８１０のうちの一方の融点を超える温度まで上昇させる。それにより、接続点８０６の各々において電気的接続を形成するとともに、導電性結合材料の組成物を、組成物を生成するために用いる温度よりも高い融点を有する新たな組成物８１２へ変化させる。次に、結合されたチップ８０２，８０４を接続形成温度を下回る温度まで冷却して接続を「固める」。その次に、追加チップ８１４をそれまでに形成されたスタックまで近接させ（図８Ｃ）、その接点を（これもまた本明細書で説明される変形、理想的には最初の２つのチップの結合に使用したのと同じ変形を使用し）それぞれの接続点でスタック上の相手接点に接触させる。続いてこれらの接続点における温度を接続形成温度まで上げることにより第３チップをスタックに接続しても（図８Ｄ）、結合プロセスにより生成される組成物のより高い融点によって最初の２つのチップ間の接続が悪影響を受けることはない。このプロセスは、スタックを生成するのに必要なだけ何度も（図８Ｅ，８Ｆ）、何度も（図８Ｇ，８Ｈ）繰り返すことができる。

このように、ここでの記載（図含む）は、説明に役立つ代表的な実施例にすぎないと解されるべきである。読み手の便宜のため、上記記載は、あらゆる可能な実施例のうちの代表的な例に専心したものである。例は、本発明の原理を教授するものである。上記記載は、包括的にあらゆる可能な変形例を列挙しているわけではない。このような代替の実施例は、本発明の特定の部分のためには提示されていないかもしれない、もしくは、さらに不記載の代替の実施例が、（本発明の特定の）部分のためには有用であるかもしれないが、これらの代替の実施例についての権利の放棄とみなされるものではない。当業者は、こうした不記載の実施例の多くが、本発明および他の均等物の原理と同一の原理を包含していることを認識するであろう。

Claims (9)

1. 第１チップ上の第１電気的接点と第２チップ上の第２電気的接点との間に電気的接続を形成する方法であって、
   前記第１および第２電気的接点を互いに近付ける工程であって、第１融点を有する第１組成物が、前記第１電気接点上に堆積され、第２融点を有する第２組成物が、前記第２電気接点上に堆積される、工程と、
   前記第１および第２電気的接点を第１温度に加熱してそれらの間に第３組成物を有する電気的接続を形成する工程であって、前記第３組成物は、前記第１および第２融点より高い第３融点を有する、工程と、
   前記加熱する工程の後、前記第１および第２電気的接点を前記第１温度より低い温度に冷却する工程と、
   前記冷却する工程の後、第３チップ上の第３電気的接点を前記第１または第２チップの一方上の相手電気的接点に近付ける工程と、
   前記第３電気的接点および前記相手電気的接点を、少なくとも前記第１温度であるが前記第３融点より低い温度に加熱する工程と、
   前記第３電気的接点および前記相手電気的接点を加熱する工程の後、前記第３電気的接点および前記相手電気的接点を、前記第１温度より低い温度に冷却する工程と、
   を備える、方法。
2. 前記第１および第２電気的接点間にバリア材料を提供する工程をさらに備える、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１および第２電気的接点間に材料を提供する工程をさらに備え、前記材料は、前記第１温度より高い温度に加熱されると、前記第１または第２組成物の一方と合金を成す、請求項１に記載の方法。
4. 前記第１および第２組成物は層状構成に配置され、前記第３融点は前記第１温度より高い、請求項１に記載の方法。
5. 前記第１または第２電気的接点の少なくとも一方上に合金を配置する工程をさらに備える、請求項１に記載の方法。
6. 前記第１および第２電気的接点間にバリア材料を提供する工程をさらに備え、前記バリア材料は、前記合金、前記第１電気的接点、または前記第２電気的接点の１つからの可動成分と結合するように構成される、請求項５に記載の方法。
7. 前記バリア材料はニッケルを備え、前記可動成分はスズを備える、請求項６に記載の方法。
8. 前記第３組成物は、約７０パーセントの金と３０パーセントのスズを備える、請求項１に記載の方法。
9. 前記電気的接続を、前記第１温度より低くなるように冷却する工程と、
   前記電気的接続を冷却する工程の後、前記電気的接続を、前記第１温度より高いが前記第３融点より低い再加熱温度に加熱する工程と、
   をさらに備える、請求項１に記載の方法。

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