KR101583609B1 - 저-용융점 소재 층을 덮는 비-저-용융점 소재 층을 각각 포함하는 두 개의 본딩 구성요소들을 본딩시킴으로써 형성되는 고-용융점 합금을 포함하는 마이크로전자 조립체 - Google Patents

저-용융점 소재 층을 덮는 비-저-용융점 소재 층을 각각 포함하는 두 개의 본딩 구성요소들을 본딩시킴으로써 형성되는 고-용융점 합금을 포함하는 마이크로전자 조립체 Download PDF

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    • H01L2224/05164—Palladium [Pd] as principal constituent
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    • H01L2224/05166—Titanium [Ti] as principal constituent
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    • H01L2224/05171—Chromium [Cr] as principal constituent
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    • H01L2224/05181—Tantalum [Ta] as principal constituent
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    • H01L2224/05569—Disposition the external layer being disposed on a redistribution layer on the semiconductor or solid-state body
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    • H01L2224/05638—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
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    • H01L2224/12—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/13—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors prior to the connecting process of an individual bump connector
    • H01L2224/13001—Core members of the bump connector
    • H01L2224/13099—Material
    • H01L2224/131—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/13101—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of less than 400°C
    • H01L2224/13105—Gallium [Ga] as principal constituent
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    • H01L2224/12—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/13—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors prior to the connecting process of an individual bump connector
    • H01L2224/13001—Core members of the bump connector
    • H01L2224/13099—Material
    • H01L2224/131—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/13101—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of less than 400°C
    • H01L2224/13109—Indium [In] as principal constituent
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    • H01L2224/131—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/13138—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
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    • H01L2224/12—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/13—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors prior to the connecting process of an individual bump connector
    • H01L2224/13001—Core members of the bump connector
    • H01L2224/13099—Material
    • H01L2224/131—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/13138—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/13147—Copper [Cu] as principal constituent
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    • H01L2224/13—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors prior to the connecting process of an individual bump connector
    • H01L2224/13001—Core members of the bump connector
    • H01L2224/13099—Material
    • H01L2224/131—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/13138—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/13155—Nickel [Ni] as principal constituent
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    • H01L2224/131—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/13163—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than 1550°C
    • H01L2224/13184—Tungsten [W] as principal constituent
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    • H01L2224/13099—Material
    • H01L2224/1319—Material with a principal constituent of the material being a polymer, e.g. polyester, phenolic based polymer, epoxy
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    • H01L2224/28—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process
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    • H01L2224/29001—Core members of the layer connector
    • H01L2224/29099—Material
    • H01L2224/291—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/29101—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of less than 400°C
    • H01L2224/29105—Gallium [Ga] as principal constituent
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    • H01L2224/28—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/29—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process of an individual layer connector
    • H01L2224/29001—Core members of the layer connector
    • H01L2224/29099—Material
    • H01L2224/291—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/29101—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of less than 400°C
    • H01L2224/29109—Indium [In] as principal constituent
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    • H01L2224/28—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process
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    • H01L2224/29138—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
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    • H01L2224/28—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/29—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process of an individual layer connector
    • H01L2224/29001—Core members of the layer connector
    • H01L2224/29099—Material
    • H01L2224/291—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/29138—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
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    • H01L2224/32—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
    • H01L2224/321—Disposition
    • H01L2224/32151—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/32221—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/32225—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
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    • H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/31—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
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    • H01L2224/32245—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being metallic
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    • H01L2224/731—Location prior to the connecting process
    • H01L2224/73101—Location prior to the connecting process on the same surface
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Abstract

마이크로전자 조립체(10, 110, 210, 310, 410)는 제1 도전성 요소(26, 126, 226, 326, 426, 526, 626, 726, 826, 926, 1022)를 구비한 제1 기판(12, 112, 212, 312, 412, 512, 612, 712, 812, 912)과 제2 도전성 요소(26, 126, 226, 326, 426)를 구비한 제2 기판(14, 114, 214, 314, 414)을 포함한다. 상기 조립체는, 상기 제1 및 제2 도전성 요소들(26, 126, 226, 326, 426, 526, 626, 726, 826, 926, 1022)에 접합되고 제1 소재, 제2 소재, 및 제3 소재를 포함하며 전기적 도전성을 갖는 합금 매스(16, 116)를 더 포함한다. 상기 합금 매스(16, 116)의 제1 소재 및 제2 소재 각각은 상기 합금의 용융점보다 낮은 용융점을 갖는다. 상기 제1 소재의 농도는 제1 도전성 요소(26, 126, 226, 326, 426, 526, 626, 726, 826, 926, 1022) 측 위치에서의 상대적으로 높은 값으로부터 제2 도전성 요소(26, 126, 226, 326, 426) 측의 상대적으로 낮은 값으로 변화하고, 제2 소재의 농도는 제2 도전성 요소(26, 126, 226, 326, 426) 측 위치에서의 상대적으로 높은 값으로부터 제1 도전성 요소(26, 126, 226, 326, 426, 526, 626, 726, 826, 926, 1022) 측의 상대적으로 낮은 값으로 변화한다.
마이크로전자 조립체(10, 110, 210, 310, 410)는: 제1 본딩 구성요소(30, 230, 330, 430)를 가진 제1 기판(12, 112, 212, 312, 412, 512, 612, 712, 812, 912)을 제2 본딩 구성요소(40, 240, 340, 440)를 가진 제2 기판(14, 114, 214, 314, 414)과 정렬시켜서 상기 제1 본딩 구성요소(30, 230, 330, 430, 1030)와 제2 본딩 구성요소(40, 240, 340, 440)가 서로에 대해 접촉되도록 하는 단계로서, 상기 제1 본딩 구성요소(30, 230, 330, 430, 1030)는 제1 도전성 요소(26, 126, 226, 326, 426, 526, 626, 726, 826, 926, 1022)에 인접한 제1 소재 층(36, 536, 636, 736, 836, 936), 및 제1 소재 층(36, 536, 636, 736, 836, 936)에 겹쳐지는 제1 보호 층(38, 538, 638, 738, 838, 938)을 포함하고, 상기 제2 본딩 구성요소(40, 240, 340, 440)는 제2 도전성 요소(26)에 인접한 제2 소재 층(46), 및 제2 소재 층(46)에 겹쳐지는 제2 보호 층(48)을 포함하는, 단계; 및
상기 제1 본딩 구성요소(30, 230, 330, 430, 1030)와 제2 본딩 구성요소(40, 240, 340, 440)를 가열함으로써, 상기 제1 소재 층(36, 536, 636, 736, 836, 936)과 제2 소재 층(46)의 적어도 일부분들이 함께 확산되어서, 제1 기판(12, 112, 212, 312, 412, 512, 612, 712, 812, 912)과 제2 기판(14, 114, 214, 314, 414)을 서로에 대해 접합시키는 합금 매스(16, 116)를 형성하는, 단계;에 의하여 형성된다.
제1 기판(12, 112, 212, 312, 412, 512, 612, 712, 812, 912) 상에 형성된 복수의 제1 도전성 요소(26, 126, 226, 326, 426, 526, 626, 726, 826, 926, 1022)들과 제2 기판(14, 114, 214, 314, 414) 상에 형성된 복수의 제2 도전성 요소(26, 126, 226, 326, 426)들은 도전성을 갖는 복수의 합금 매스(16, 116)들에 의하여 접합될 수 있다. 상기 도전성 합금 매스(116)에 의하여 둘러싸일 수 있는 내부 체적은 기밀적으로 밀봉될 수 있다.

Description

저-용융점 소재 층을 덮는 비-저-용융점 소재 층을 각각 포함하는 두 개의 본딩 구성요소들을 본딩시킴으로써 형성되는 고-용융점 합금을 포함하는 마이크로전자 조립체용 본딩 구조, 및 이에 대응되는 제조방법{BONDING STRUCTURE FOR A MICROELECTRONIC ASSEMBLY COMPRISING A HIGH MELTING POINT ALLOY FORMED BY BONDING TWO BOND COMPONENTS EACH COMPRISING A NON-LOW MELTING POINT MATERIAL LAYER COVERING A LOW MELTING POINT MATERIAL LAYER AND CORRESPONDING MANUFACTURING METHOD}
본 발명은 마이크로전자 조립체용 본딩 구조, 및 이에 대응되는 제조방법에 관한 것이다.
패키징된(packaged) 마이크로전자 소자, 및 인터포저(interposer) 등과 같은 관련 연결 구성요소는, 다양한 마이크로전자 조립체를 형성하기 위해서 다른 패키징된 마이크로전자 소자 또는 연결 구성요소와의 결합을 용이하게 하는 다양한 구조물을 채용한다. 이와 같은 구조물에는 소자 또는 구성요소의 표면들에 노출된 도전성 금속의 확장된 영역 형태인 접촉 패드(contact pad)가 포함될 수 있다. 대안적으로는, 그러한 구조물이 금속 비아(metalized via), 도전성 핀(pin), 포스트(post), 등의 노출된 단부의 형태를 가질 수 있다. 다른 소자 또는 구성요소에 있는 유사한 연결용 특징부와 정렬된 때에, 상기 연결용 특징부는 예를 들어 솔더 매스(solder mass) 등과 같은 도전성 접합 소재를 이용하여 서로 접합될 수 있다. 도 1a 에 도시된 솔더 매스(1)과 같은 솔더 매스는 종종 그러한 접합부를 형성하기 위하여 사용되는데, 그 이유는 그것이 상대적으로 낮은 용융 온도 때문에 구조물들 간의 접합을 수행하기 쉽기 때문이다. 또한, 그러한 도전성 접합 매스는 재작업(rework) 또는 재유동(reflow)이 가능할 수 있어서, 접합부의 보수 또는 조정을 허용하기도 한다.
그러나, 위와 같은 접합용 매스(joining mass)의 사용은 몇가지 단점들을 갖는바, 특히 그러한 접합부들은 예를 들어 접촉 패드들의 사이에 접합부를 형성하기 위하여 용융된 때에 측방향 변형(lateral deformation)이 발생할 수 있다. 이것은 냉각 전에 퍼지는 경우에 나타날 수 있는데, 이로 인하여 초기에 놓여진 매스보다 더 큰 폭을 갖는 접합부가 초래된다. 또한, 이와 같은 폭 확장은 마이크로전자 조립체의 정상적인 사용 중에 해당 접합부들의 가열에 의하여 증가할 수 있다. 그 결과, 도 1c 에 도시된 바와 같이, 예를 들어 접촉 패드(2)(도 1b 참조)와 같은 도전성 연결 요소들 사이의 최소 간격(P)은 도전성 연결 요소(2) 자체의 폭(W)의 1.5 배라는 점이 일반적으로 받아들여진다. 또한, 땜납(solder) 등과 같은 도전성 접합용 매스의 폭은 (액체 상태에서 발생하는, 형성 중의 표면 장력으로 인하여) 접합용 매스의 높이와 직접 관련되기 때문에, 접합부의 요망 높이(desired height)가 높을 수록 그 폭도 크게 된다. 이와 같은 관계는, 요망되는 본딩 높이에만 근거를 두게 되어서, 접촉 패드(2)와 피치(pitch; P)의 대형화를 필요로 하게 될 수 있다.
상대적으로 더 대형인 접촉 패드(2) 또는 다른 연결 특징부에 대한 필요성으로 인하여, 상기 특징부의 본딩 표면(bonding surface; 3)을 따라서 접시부(dishing)가 확장됨을 초래할 수 있다. 특히, 마이크로전자 소자 또는 연결 구성요소(connection component)의 표면은 (기계적 또는 화학적 수단에 의하여) 연마됨으로써 마무리되는바, 상기 연결 특징부는 오목함(concavity)을 발생시킬 수 있다. 상대적으로 대형인 특징부에서 상기 오목함은 증가할 수 있다. 이와 같은 접시부는 일반적으로 바람직하지 못하며, 본딩 강도에 악영향을 줄 수 있다.
본 발명은 위와 같은 종래 기술의 단점을 해결함을 목적으로 한다.
본 발명의 일 형태는 마이크로전자 조립체에 관한 것으로서, 상기 마이크로전자 조립체는: 제1 도전성 요소와 표면을 구비한 제1 기판; 및 제2 도전성 요소와 표면을 구비한 제2 기판을 포함한다. 상기 조립체는 상기 제1 도전성 요소 및 제2 도전성 요소에 접합되고 전기적 도전성을 가진 합금 매스를 더 포함한다. 상기 도전성을 갖는 합금 매스는 제1 소재, 제2 소재, 및 제3 소재를 포함한다. 상기 제1 소재 및 제2 소재 각각은 상기 합금의 용융점보다 낮은 용융점을 갖는다. 상기 제1 소재의 농도는 제1 도전성 요소 측 위치에서의 상대적으로 높은 값으로부터 제2 도전성 요소 측의 상대적으로 낮은 값으로 변화하고, 상기 제2 소재의 농도는 상기 제2 도전성 요소 측 위치에서의 상대적으로 높은 값으로부터 제1 도전성 요소 측의 상대적으로 낮은 값으로 변화한다. 일 예에서, 상기 제1 기판 또는 제2 기판 중의 적어도 하나가 반도체 소재 또는 유전체 소재 중의 적어도 하나로 이루어진 것일 수 있다.
상기 합금 매스는 5 미크론 미만의 두께를 가질 수 있다. 다른 일 예에서, 상기 합금 매스는 1 미크론 미만의 두께를 가질 수 있다. 상기 제1 소재 또는 제2 소재 중 적어도 하나의 농도는 상대적으로 높은 농도로부터 상대적으로 낮은 농도로 단조롭게 변화할 수 있다. 상기 제1 소재의 상기 상대적으로 높은 농도의 위치는 제1 도전성 요소에 인접할 수 있다.
상기 제3 소재는 구리, 니켈, 비스무스(bismuth), 텅스텐, 코발트, 알루미늄, 주석, 팔라듐(palladium), 붕소, 금(gold), 또는 은(silver)이나, 이 소재들의 조합 등 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 제1 소재 및 제2 소재 각각은 제3 소재와 합금화되지 않은 상태에서 200℃ 미만의 용융점을 가질 수 있다. 다른 일 예에서, 상기 제1 소재와 제2 소재 중 적어도 하나는 제3 소재와 합금화되지 않은 상태에서 50℃ 미만의 용융점을 갖는다. 상기 제1 소재 및 제2 소재는 저-용융점의 소재들일 수 있다. 예를 들어, 제1 소재 및 제2 소재는 주석, 인듐, 및 갈륨으로부터 선택된 다양한 소재들을 포함할 수 있다.
일 예에서, 상기 제1 도전성 요소는 벌크 도전체 매스(bulk conductor mass)를 포함할 수 있고, 상기 도전성을 갖는 합금 매스는 상기 벌크 도전체 매스에 겹쳐진다. 상기 제1 소재의 일부분은 상기 벌크 도전체 매스 안으로 확산(diffuse)될 수 있다. 다른 일 예에서, 상기 제1 도전성 요소는 상기 벌크 도전체 매스에 겹쳐지는 장벽 층을 더 포함할 수 있고, 상기 도전성을 갖는 합금 매스는 상기 장벽 층과 접합될 수 있다.
상기 제1 기판은 반도체 소재 또는 유전체 소재 중 적어도 하나로 이루어져 있는 제1 지지 소재 층(first support material layer)을 포함할 수 있다. 이와 같은 예에서, 상기 지지 소재 층은 제1 기판의 표면을 한정할 수 있으며, 상기 제1 도전성 요소는 상기 제1 지지 소재 층의 일부분을 통하여 연장되어 있는 금속 비아일 수 있고, 상기 금속 비아는 제1 표면에서 노출되어 있다. 상기 제2 도전성 요소는 단부 표면과, 상기 단부 표면으로부터 멀리 연장된 에지 표면을 한정할 수 있고, 상기 에지 표면의 일부분은 상기 비아 내의 제1 지지 소재 층과 접촉할 수 있다. 또한, 상기 에지 표면의 일부분은 상기 제1 지지 소재의 외측으로 연장될 수 있다. 이와 같은 예에서, 상기 제2 기판은 반도체 소재 또는 유전체 소재 중 적어도 하나로 되어 있고 제2 요소의 표면을 한정하는 제2 지지 소재를 포함할 수 있다. 또한 상기 제2 도전성 요소는 상기 제2 지지 소재 층의 일부분을 통하여 연장되고 상기 표면에서 노출된 금속 비아일 수 있고, 상기 도전성을 갖는 합금 매스의 적어도 일부분은 상기 제2 지지 소재 층 안에 배치될 수 있다.
상기 제1 도전성 요소 및 제2 도전성 요소 각각은 상기 도전성을 갖는 합금 매스와의 본딩 계면(bonding interface)들 각각에서 25 미크론 미만의 폭을 가질 수 있다. 다른 일 예에서, 상기 제1 도전성 요소 및 제2 도전성 요소 각각은 상기 도전성을 갖는 합금 매스와의 본딩 계면들에서 3 미크론 미만의 폭을 가질 수 있다.
상기 제1 요소는 복수의 제1 도전성 요소들을 포함할 수 있고, 상기 제2 요소는 복수의 제2 도전성 요소들을 포함할 수 있다. 이와 같은 예에서, 도전성을 갖는 복수의 합금 매스들이 상기 제1 도전성 요소들 및 제2 도전성 요소들 각각의 사이에 접합될 수 있다. 추가적인 예에서, 상기 제1 도전성 요소들 각각은 폭을 가질 수 있고, 상기 제1 도전성 요소들은 측방향에서 제1 도전성 요소들의 폭보다 작은 피치(pitch)로 각각 서로로부터 떨어져 이격되어 있을 수 있다.
상기 제1 도전성 요소는 상기 제2 요소를 향하는 방향으로 연장되어 있는 복수의 모세관 구조물(capillary structure)들을 포함할 수 있고, 상기 도전성을 갖는 합금 매스는 상기 복수의 모세관 구조물들 중에서 적어도 일부의 개별 모세관 구조물들을 둘러싸서 접합될 수 있다.
상기 제1 요소는 상기 제1 요소의 표면을 한정하는 기판을 포함할 수 있고, 상기 기판은 측방향들로 연장되며, 상기 제1 도전성 요소는 상기 표면으로부터 멀어지게 연장된 포스트의 형태를 가질 수 있다.
상기 제1 요소는 상기 제1 도전성 요소와 전기적으로 연결된 마이크로전자 요소(microelectronic element)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 형태는 표면을 한정하는 제1 기판 및 표면을 한정하는 제2 기판을 포함하는 마이크로전자 조립체에 관한 것이다. 상기 조립체는 상기 제1 요소 및 제2 요소의 표면들에 접합된 합금 매스도 포함한다. 상기 합금 매스는 제1 소재, 제2 소재, 및 제3 소재를 포함한다. 상기 제1 소재의 농도는 제1 요소 측 위치에서의 상대적으로 높은 값으로부터 제2 요소 측의 상대적으로 낮은 값까지 변화한다. 제2 소재의 농도는 제2 요소 측 위치에서의 상대적으로 높은 값으로부터 제1 요소 측의 상대적으로 낮은 값으로 변화한다. 상기 합금 매스의 용융점은 비-합금 상태에 있는 제1 소재의 용융점보다 높고, 또한 비-합금 상태에 있는 제2 소재의 용융점보다 높다.
일 예에서, 도전성을 갖는 합금 매스는 상기 제1 요소와 제2 요소의 표면들의 대면하는 일부분들 사이에 한정된 내부 체적을 둘러쌀 수 있다. 또한, 상기 내부 체적은 기밀적으로 밀봉된다.
다른 일 예에서, 상기 제1 요소와 제2 요소는 개별적으로 제1 도전성 요소와 제2 도전성 요소를 포함할 수 있고, 상기 제1 도전성 요소와 제2 도전성 요소는 상기 도전성을 갖는 합금 매스가 접합되는 제1 요소 및 제2 요소의 표면의 일부분들을 한정한다.
본 발명의 다른 일 형태는 마이크로전자 조립체의 제작 방법에 관한 것이다. 상기 마이크로전자 조립체의 제작 방법은: 제1 요소에 포함된 제1 본딩 구성요소와 제2 요소에 포함된 제2 본딩 구성요소가 서로 접촉하도록 제1 본딩 구성요소를 제2 본딩 구성요소와 정렬시키는 단계로서, 상기 제1 요소는 표면을 한정하는 기판 및 상기 표면에서 노출된 있는 제1 도전성 요소를 구비하고, 상기 제1 본딩 구성요소는 상기 제1 도전성 요소에 인접한 제1 소재 층 및 상기 제1 소재 층에 겹쳐지는 제1 보호 층(first protective layer)을 포함하며, 상기 제2 요소는 표면을 한정하는 기판 및 상기 표면에서 노출된 제2 도전성 요소를 구비하고, 상기 제2 본딩 구성요소는 상기 제2 도전성 요소에 인접한 제2 소재 층 및 상기 제1 소재 층에 겹쳐지는 제2 보호 층을 포함하는, 정렬 단계; 및 적어도 상기 제1 소재 층과 제2 소재 층이 함께 확산되어서 상기 제1 요소와 제2 요소를 서로에 대해 접합시키는 합금 매스를 형성하도록, 상기 제1 본딩 구성요소와 제2 본딩 구성요소를 가열하는, 가열 단계;를 포함한다.
상기 가열 단계는 제1 온도에서 수행될 수 있고, 상기 합금 매스는 제1 온도보다 높은 제2 온도에서 용융점을 가질 수 있다. 상기 제1 보호 층 및 제2 보호 층은 상기 가열 단계 동안에 상기 제1 소재 층 및 제2 소재 층과 함께 확산하여 상기 합금 매스를 더 형성할 수 있다. 상기 가열 단계는, 상기 제1 본딩 구성요소와 제2 본딩 구성요소의 온도가 30℃ 내지 200℃ 사이에 도달하도록 수행될 수 있다. 상기 가열 단계 이후에, 상기 전기적 도전성을 갖는 합금 매스는 200℃ 내지 800℃ 사이의 용융점을 가질 수 있다. 일 예에서, 상기 합금 매스의 용융점은 상기 제1 소재 또는 제2 소재 어느 것의 용융점보다 적어도 30℃만큼 더 높다.
상기 제1 소재 층은 가열 단계 전에 상기 제2 소재 층에 존재하지 않는 적어도 한 가지의 소재 성분을 포함할 수 있다. 상기 제1 보호 층 및 제2 보호 층은 유사한 조성(composition)을 가질 수 있다. 상기 제1 소재 층 및 제2 소재 층은 저-용융점 소재들일 수 있다. 일 예에서, 저-용융점을 갖는 상기 제1 소재 및 제2 소재는 주석, 인듐, 갈륨, 및/또는 이들 각각의 합금으로부터 선택된 상이한 소재들일 수 있다. 상기 제1 보호 층은 구리를 포함할 수 있고, 상기 제2 보호 층은 구리, 니켈, 텅스텐, 코발트, 팔라듐, 붕소, 금, 은, 및/또는 이들 각각의 합금 중 적어도 한 가지를 포함할 수 있다.
상기 제1 도전성 요소는 벌크 도전체 층(bulk conductor layer) 및 상기 벌크 도전체 층에 겹쳐지는 시드 층(seed layer)을 포함할 수 있다. 상기 제1 본딩 구성요소는 상기 시드 층에 접합될 수 있다. 상기 마이크로전자 조립체의 제작 방법은, 상기 제1 소재 층 및 제1 보호 층의 용융점을 상기 시드 층의 두께에 의하여 통제하는 단계를 더 포함할 수 있고, 상기 제1 소재 층 및 제1 보호 층의 온도는 가열 단계 동안에 상기 용융점까지 상승될 수 있다. 상기 시드 층은 구리를 포함할 수 있다. 상기 가열 단계 동안에, 상기 시드 층도 상기 제1 소재 층 및 제2 소재 층과 함께 확산될 수 있다. 다른 일 예에서, 상기 제1 소재 층의 일부분은 가열 동안에 상기 벌크 도전체 층 안으로 확산될 수 있다. 상기 제1 도전성 요소는 상기 벌크 도전체 층과 시드 층 사이에 장벽 층을 포함할 수 있다. 이와 같은 예에서, 상기 장벽 층은 상기 가열 단계 동안에 제1 소재가 벌크 도전체 층으로 확산됨을 방지할 수 있다. 상기 장벽 층은 탄탈럼, 탄탈럼 니트라이드, 몰리브덴, 크롬-몰리브덴, 니켈, 인, 텅스텐, 코발트, 팔라듐, 티타늄 니트라이드, 니켈-인, 코발트-인, 티타늄-텅스텐, 니켈 텅스텐, 또는 이들의 조합 중 적어도 한 가지를 포함할 수 있다.
상기 제1 기판은 상기 제1 요소의 표면을 한정하는 제1 지지 소재 층일 수 있고, 상기 제1 도전성 요소는 상기 제1 지지 소재 층의 일부분을 통하여 연장된 금속 비아일 수 있다. 이와 같은 예에서 상기 마이크로전자 조립체의 제작 방법은, 상기 제1 요소의 표면에 겹쳐지는 레지스트 층(resist layer)의 개구 안에 상기 제1 소재 층을 적층시킴으로써 상기 금속 비아 위에 제1 본딩 구성요소를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있고, 상기 개구는 상기 금속 비아와 정렬된다. 상기 제1 본딩 구성요소를 형성하는 단계는, 상기 레지스트 층의 개구 안에 제1 보호 층을 적층시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 개구 안에 제1 소재 층을 적층시키기 전에 상기 레지스트 층과 제1 요소의 표면 사이에는 시드 층이 배치될 수 있고, 상기 시드 층은 상기 금속 비아의 단부 표면과 겹쳐질 수 있다. 또한, 상기 제1 소재 층은 상기 개구 안에서 시드 층 위에 적층될 수 있고, 상기 마이크로전자 조립체의 제작 방법은 제1 소재 층에 의하여 덮이지 않은 시드 층의 일부분들과 레지스트 층을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 기판은 제1 요소의 표면을 한정하는 제1 지지 소재 층일 수 있고, 상기 제1 도전성 요소는 상기 제1 지지 소재 층 내의 개구 안에 있을 수 있다. 이와 같은 예에서 상기 제1 본딩 구성요소와 상기 제1 도전성 요소의 단부 표면은 상기 개구 안에서 요부(recess)를 형성할 수 있고, 상기 제1 본딩 구성요소를 제2 본딩 구성요소와 정렬시키는 단계는 상기 제1 지지 소재 층의 개구 안에 제2 본딩 구성요소를 배치시킴을 포함할 수 있다. 추가적인 예에서, 상기 제1 본딩 구성요소와 제1 도전성 요소의 단부 표면은 구멍 안에서 요부를 이룰 수 있는바, 이로써 상기 제1 보호 층의 외측 표면이 상기 제1 지지 층의 표면과 실질적으로 동일 평면에 놓일 수 있다.
본 발명의 다른 일 형태는 마이크로전자 조립체의 제작 방법에 관한 것이다. 상기 마이크로전자 조립체의 제작 방법은: 제1 요소의 표면에서 노출된 제1 본딩 구성요소와 제2 요소의 표면에서 노출된 제2 본딩 구성요소가 서로 접촉하도록, 제1 본딩 구성요소를 제2 본딩 구성요소에 정렬시키는 단계로서, 상기 제1 요소 및 제2 요소 각각은 기판을 포함하고, 상기 제1 본딩 구성요소는 제1 소재 층 및 상기 제1 소재 층에 겹쳐지는 제1 보호 층을 포함하며, 상기 제2 본딩 구성요소는 제2 소재 층 및 상기 제2 소재 층에 겹쳐지는 제2 보호 층을 포함하는, 정렬 단계; 및
적어도 상기 제1 소재 층 및 제2 소재 층이 함께 확산되어서 상기 제1 요소와 제2 요소를 서로에 대해 접합시키는 합금 매스를 형성하도록 상기 제1 본딩 구성요소와 제2 본딩 구성요소를 가열하는 단계로서, 상기 합금 매스는 상기 제1 소재 층 및 제2 소재 층의 가열 전 용융점들보다 높은 용융점을 갖는, 가열 단계;를 포함한다. 상기 가열 단계 동안에는 상기 제1 보호 층 및 제2 보호 층이 함께, 그리고 제1 소재 층 및 제2 소재 층과 더불어 확산되어서 상기 합금 매스를 더 형성할 수 있다.
상기 제1 본딩 구성요소는 상기 제1 요소의 표면의 일 영역을 둘러쌀 수 있고, 상기 제2 본딩 구성요소는 상기 제2 요소의 표면의 일 영역을 둘러쌀 수 있다. 이와 같은 예에서, 상기 제1 본딩 구성요소를 제2 본딩 구성요소와 정렬시킴으로써 상기 제1 본딩 구성요소, 제2 본딩 구성요소, 그리고 상기 제1 요소 및 제2 요소의 표면들의 둘러싸인 부분들 안에 체적이 한정될 수 있다. 또한, 상기 가열 단계는 상기 내부 체적이 상기 도전성을 갖는 합금 매스에 의하여 기밀적으로 밀봉됨을 유발할 수 있다.
상기 제1 요소 및 제2 요소는 개별적으로, 상기 본딩 구성요소들이 접합되는 제1 요소 및 제2 요소의 표면의 일부분들을 한정하는 제1 도전성 요소 및 제2 도전성 요소를 포함할 수 있고, 상기 가열 단계로 인하여 상기 합금 매스가 상기 제1 도전성 요소와 제2 도전성 요소 사이에서 접합될 수 있다.
아래에서는 하기의 첨부 도면들을 참조로 하여 본 발명의 다양한 실시예들에 대해 설명한다. 이 도면들은 본 발명의 일부 실시예들만을 예시하는 것으로서, 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다는 점이 이해되어야 할 것이다.
도 1a 내지 도 1c 에는 본 발명과 관련된 종래 기술의 다양한 구조가 도시되어 있고;
도 2 에는 본 발명의 일 형태에 따른 방법에서 접합부를 형성하기 전에 대응되는 본딩 부분(bond portion)들을 포함하는 요소들이 도시되어 있고;
도 3 에는 본 발명의 일 형태에 따라서 도 2 의 요소들을 접합시키는 합금 매스(alloy mass)가 도시되어 있고;
도 4 에는 합금 접합용 매스의 높이에 따른 예시적인 농도(concentration)의 레벨(level)이 도시되어 있고;
도 5 에는 복수의 도전성 요소들과, 본 발명의 다른 일 형태에 따른 관련 합금 매스들을 포함하는 요소가 도시되어 있고;
도 6 및 도 7 에는 본 발명의 방법에 따른 합금 매스를 형성하는 데에 사용될 수 있는 본딩 구성요소들이 도시되어 있고;
도 8 및 도 9 에는 합금 매스 형성 방법에서의 추가적인 단계들이 도시되어 있고;
도 10 내지 도 15 에는 본 발명의 일 형태에 따른 본딩 구성요소들을 제작하기 위한 방법의 다양한 단계들 동안의 요소(element)가 도시되어 있고;
도 16 에는 본 발명의 다른 일 형태에 따른 조립체가 도시되어 있는바, 상기 조립체는 인접한 기판들의 표면들과 상기 기판들 각각 내의 도전성 요소들을 접합시키는 합금 매스들을 구비하고;
도 17 에는 본 발명의 다른 일 형태에 따른 조립체가 도시되어 있는바, 여기에서는 요부가 형성된 도전성 요소를 돌출된 도전성 요소와 접합시키는 합금 매스를 형성하기 위하여 본딩 부분들이 사용될 수 있고;
도 18 및 도 19 에는 본 발명의 다른 형태에 따른 조립체들이 도시되어 있는바, 상기 조립체들은 도 16 및 도 17 의 특징들을 조합하여 포함하고;
도 20 내지 도 24 에는 전술된 바와 같은 본딩 구성요소들을 사용할 수 있되, 표면들, 도전성 요소들, 및 본딩 구성요소들 간의 관계에 변화가 있는 구조들이 도시되어 있고;
도 25 에는 도전성 요소 위의 본딩 구성요소가 도시되어 있는바, 여기에서는 그 내부에 보강 구조물(reinforcing structure)들이 구비되어 있다.
도면들을 참조하면, 유사한 특징부들에 대하여는 유사한 참조번호들이 사용되어 있다. 도 3 에는 본 발명의 일 형태에 따른 마이크로전자 조립체(10)가 도시되어 있다. 상기 조립체(10)는 합금 매스(16)에 의하여 서로 접합되어 있는 제1 요소와 제2 요소를 포함한다. 도 2 의 요소들을 접합시키는 합금 매스(16)가 도시되어 있는 도 3 에서, 상기 제1 요소 및 제2 요소는 마이크로전자 소자의 일부분으로서 도시되어 있는데, 상기 마이크로전자 소자는 패키징된 마이크로전자 요소, 인터포저, 기판, 등과 같은 형태를 가진 것일 수 있다. 예를 들어, 제1 요소(12) 및 제2 요소(14)는 도 2 및 도 3 에서 지지 소재 층(18)을 포함하는 것으로 도시되어 있는바, 상기 지지 소재 층(18)은 예를 들어 인터포저 구조(interposer structure), 패키징된 마이크로전자 요소의 일부분, 또는 반도체 다이(semiconductor die)의 일부분에 있는 반도체 소재 층 또는 유전체 소재 층일 수 있다. 일 예로서, 지지 소재 층(18)은 반도체 소재, 유전체 소재, 또는 도 2 및 도 3 에 도시된 예에서와 같이 반도체 소재와 유전체 소재가 조합된 것일 수 있는데, 여기에서 지지 소재 층(18)은 반도체 층(19) 및 상기 반도체 층(19)에 겹쳐지는 유전체 층(20)을 포함한다. 이와 같은 예에서, 상기 유전체 층(20)은 라우팅(routing), 또는 상기 지지 소재 층(18)의 표면(28) 상에 형성된 다른 도전성 구성물을 절연시키기 위하여 사용될 수 있다.
제1 요소(12) 및 제2 요소(14)는 트레이스(trace), 패드, 포스트, 등일 수 있는 도전성 요소를 포함할 수 있다. 도 2 및 도 3 에 도시된 예에서, 도전성 요소는 금속 비아(22)인데, 상기 금속 비아는, 적어도 표면(28)으로 개방되어 있고 지지 소재 층(18)에 있는 개구(23) 안의 벌크 도전성 매스(bulk conductive mass; 26)를 포함한다. 다양한 예들에 있어서, 상기 개구(48)는 지지 소재 층(18) 안에서 끝나는 막힌 개구일 수 있다. 다른 예들에서는, 상기 개구(48)가 지지 소재 층(18)을 완전히 관통하여 연장되는 관통 개구일 수 있다. 또한, 상기 지지 소재 층(18)이 반도체 소재를 포함하는 예들의 경우에는, 개구(48) 안의 벌크 도전체 층(26)과 지지 소재 층(18) 사이에 절연 층(insulating layer)이 포함될 수 있다. 금속 비아(22)는, 금속 비아(22)의 단부 표면(54)들이 지지 소재 층(18)의 표면(28)에서 노출되도록 구성될 수 있다. 본 명세서에서 기판과 관련하여 전기적으로 도전성을 갖는 요소가 기판의 표면에서 "노출"된다는 것은, 기판이 다른 어떤 요소와 조립되지 않는 때에 상기 전기적 도전성 요소가 기판의 외측으로부터 기판의 표면을 향하여 기판의 표면에 대해 직각인 방향으로 움직이는 이론적 지점과 접촉하는 데에 이용될 수 있음을 의미한다. 따라서, 기판의 표면에 있는 단자 또는 다른 도전성 요소는 그와 같은 표면으로부터 돌출되거나, 그와 같은 표면과 같은 높이에 있거나, 또는 그와 같은 표면에 대해 요부를 형성하여 그 기판에 있는 구멍 또는 우묵부(depression) 안에 있을 수 있다.
예를 들어, 단부 표면(54)은 표면(28)과 같은 높이에 있거나, 표면(28) 아래로 요부를 형성할 수 있다. 다른 예에서는, 상기 금속 비아(22)의 단부 표면(54)이 상기 표면(28)의 외측에 배치되어서, 에지 표면(edge surface; 56)도 지지 소재 층의 표면(28)에서 노출될 수 있다.
전술된 바와 같이, 합금 매스(16)는 패키지들(12, 14)을 서로 접합시키기 위하여 제1 요소(12)와 제2 요소(14) 사이에 배치될 수 있다. 도 3 에 도시된 예에서, 합금 매스(16)는 금속 비아(22)들의 대면하는 단부 표면(54)들 사이에 접합된다. 이와 같은 예에서, 합금 매스(16)가 도전성을 가질 수 있는바, 이로써 금속 비아(22)들은 서로에 대해 기계적으로 그리고 전기적으로 접합되어서, 전기 신호 등이 제1 요소(12)로부터 제2 요소(14)로 전달될 수 있다. 합금 매스(16)를 이용하는 이와 같은 유형의 접합은, 예를 들어 패키징된 마이크로전자 요소의 형태인 제1 요소(12)를 인터포저 등과 같은 형태인 제2 요소(14)에 연결하는 데에 사용될 수 있는데, 상기 제2 요소(14)는 전자 시스템의 일부로서 또는 전자 기기에서의 사용을 위한 인쇄 회로 기판(printed circuit board; "PCB") 등에 전기적으로 연결될 수 있다. 다양한 예들에서, 합금 매스(16)는 대략 1000 옹스트롬(Angstrom) 내지 대략 2000 옹스트롬 사이의 높이(H)를 가질 수 있지만, 구성에 따라서 그보다 더 크거나 작은 높이도 가능하다.
합금 매스(16)는 적어도 세 가지의 소재들을 포함할 수 있고, 개별의 합금 매스(16)의 구조에 걸쳐서 상기 소재들 각각의 농도가 상이할 수 있다. 도 4 에 도시된 일 예에 있어서, 합금 매스(16)는 갈륨(Ga), 구리(Cu), 및 인듐(In)을 포함할 수 있고, 전체적인 합금 소재 내에서 이 소재들의 농도들은 적어도 제1 요소(12)와 제2 요소(14) 사이의 방향에서 합금 매스(16)의 구조에 걸쳐서 다르게 될 수 있다. 도 4 의 차트에 도시된 바와 같이, 갈륨의 양은 제1 요소(12)로부터의 거리에 따라서 변화하여 제1 요소(12) 측에서 최고 농도 레벨(peak concentration level) 70 에 도달하도록 제공될 수 있다. 도 4 의 차트에 도시된 특정의 예에서, 합금 매스(16) 내의 갈륨의 최고 농도 레벨 70 은 제1 요소(12)의 비아(22)와 합금 매스(16) 사이의 부착 지점에 배치될 수 있다.
도 4 에 도시된 모든 소재들의 농도 레벨들은 예시적인 것이고, 예를 들어 합금 매스(16)가 연결되는 요소들(12, 14)의 구조에 의하여 영향을 받을 수 있다. 도 4 에 도시된 예시적인 조립체(10)는 벌크 도전체 층(26)과 합금 매스(16) 사이에 장벽 층(32)들을 구비한 비아(22)들을 포함한다. 상기 장벽 층(32)들의 존재로 인하여, 합금 매스(16)에 존재하는 소재들 중 임의의 것이 벌크 도전체 층(26) 안으로 확산(diffuse)됨 또는 다른 어떤 방식으로 벌크 도전체 층(26) 안에 존재하게 됨이 방지될 수 있다. 따라서, 장벽 층을 구비하지 않은 구조는 합금 매스(16)에 걸친 다양한 위치들(여기에는 합금 매스(16)와 벌크 도전체 층(26) 사이의 본딩 계면 주위도 포함됨)에서 상이한 농도 레벨을 가질 수 있다. 그러나, 이와 같은 예에서도, 갈륨의 최고 농도 레벨은 합금 매스(16)와 벌크 도전체 층(26) 사이의 본딩 계면(bonding interface)에서 또는 상기 본딩 계면 안에 위치될 수 있다.
유사하게, 합금 매스(16) 내의 인듐 농도는 전체적으로 제2 요소(14) 측에 배치된 위치에서 최고 레벨(74)을 나타낼 수 있다. 또한, 위에서 갈륨의 농도와 관련하여 설명된 바와 같이, 인듐의 농도 프로파일(concentration profile)은 도 4 에 도시된 것과 상이할 수 있다. 예를 들어 합금 내의 인듐의 농도는 제1 요소(12)에 더 가까운 지점에서 최고일 수 있다. 상기 프로파일은 공정 온도, 공정 시간, 초기 농도 프로파일, 기타 공정 조건, 또는 전술된 바와 같이 장벽 층의 존재나 부존재와 같은 조립체(10)의 다양한 구조적 요인들을 포함하는 다양한 요인들에 의존할 수 있다. 또한, 합금 매스(16) 안에 포함되어 있는 소재들이 다를 수 있다. 예를 들어, 합금 매스(16)는 전술된 바와 같이 갈륨과 같은 저-용융점(low melting-point; "LMP") 소재일 수 있는 제1 소재를 포함할 수 있다. 일반적으로, 이와 같은 저-용융점 소재는 대략 250℃ 미만의 용융점을 가지며, 여기에는 갈륨, 주석, 인듐, 등이 포함될 수 있다. 도 4 에 도시된 바와 같이 합금 매스(16)가 도전성 비아들 사이에 접합되는 일부 예들에서는, 제1 소재가 도전성 소재인 것이 바람직할 수 있다.
합금 매스(16)는 저-용융점 소재일 수 있는 제2 소재를 포함하는데, 상기 제2 소재도 도전성 소재일 수 있으며 전술된 저-용융점 소재들 중 임의의 것으로 선택될 수 있다. 일부 예들에서는, 상기 제1 소재 및 제2 소재가 전술된 바와 같이 상이한 저-용융점 소재들인 것이 바람직할 수 있는데, 위에서는 제1 소재가 갈륨이고 제2 소재가 인듐이다. 위에서 설명된 바와 같이, 합금 매스(16)는 도 4 의 예에서 구리인 제3 소재를 포함할 수 있다. 제3 소재는 비-저-용융점 소재일 수 있는바, 예를 들면 대략 160℃보다 큰 융융점을 갖는 것일 수 있다. 일부 예들에서는, 제3 소재가 300℃보다 큰 용융점을 가질 수 있다. 제1 소재 및 제2 소재에서와 마찬가지로, 제3 소재도 도전성 소재일 수 있는데, 이것은 특히 다른 도전성 특징부들과 함께 접합되는 때에 그러하다.
상기 세 가지의 소재가 도 4 에 도시된 바와 유사한 방식으로 함께 확산되어 있는 경우, 합금 매스(16)는 그 안에 있는 두 개의 저-용융점 소재들 중 어느 하나보다 큰 용융점을 가질 수 있다. 또한, 상기 합금 매스(16)의 용융점은 합금 매스(16)의 적어도 일부분에서 300℃보다 낮을 수 있어서, 합금 매스(16)에 의하여 제1 요소(12) 및 제2 요소(14) 사이에 형성된 접합부가 적어도 부분적으로 "재작업가능성"을 가질 수 있다. 재작업가능성을 가진 접합부가 구비된 일 예에서, 합금 매스(16)는 300℃ 미만의 온도로 가열됨으로써 적어도 부분적으로 재유동화(reflow)될 수 있는바, 이로써 합금 매스(16)의 적어도 일부분이 녹게 되어 제1 요소(12) 및 제2 요소(14)의 서로에 대해 상대적인 위치가 적어도 부분적으로 조정될 수 있게 되거나, 또는 상기 제1 요소(12)와 제2 요소(14)가 서로로부터 분리될 수 있게 된다.
도 4 의 차트에 도시된 바와 같이, 사용되는 특정 저-용융점 소재 층의 성질에 따라서, 합금 매스(16)의 형성 동안에 저-용융점 소재가 비아(22)의 단부 표면(54)과 같은 표면으로부터 멀어지게 이동할 수 있다. 따라서, 인듐(74)의 최고 농도 레벨이 제2 요소(14)의 대응 표면(54)으로부터 멀리 떨어져 있는 것으로 도시되어 있으며, 그 아래에서는 구리의 레벨이 증가되어 있다. 일부 예들에서는, 인듐의 최고 농도가 갈륨의 최고 농도와 거꾸로 되는 경향이 있을 수 있다는 점에 유의한다. 그와 관련된 보호 층(48)의 두께가 증가되면 인듐 또는 유사한 소재들의 이동이 감소될 수 있으며, 그와 같은 역전(거꾸로 됨)이 방지될 수 있다.
상기 제1 소재 및 제2 소재의 농도 최고 위치들이 제1 요소(12) 또는 제2 요소(14) 중 어느 하나 측에 "배치"되어 있다고 설명되는 때에는, 그러한 최고 지점이 배치된 측이라 일컬어지는 제1 요소(12) 또는 제2 요소(14)에 가까이 있을 수 있다. 예를 들어, 도 4 에서 갈륨의 농도 최고 지점(70)이 제1 요소(12) 측에 배치되어 있다고 설명될 수 있는바, 이것은 상기 최고 지점이 제2 요소(14)보다 제1 요소(12)에 더 가까이 있다는 것을 의미할 수 있다. 또한, 이와 같은 맥락에서, 예를 들어 도 4 에서는 인듐인 제2 소재의 최고 농도 지점(74)은 제2 요소(14) 측에 배치되어 있다고 설명될 수 있는바, 이것은 상기 최고 지점(74)이 제1 요소(12)보다 제2 요소(14)에 더 가까이 있다는 것을 의미한다. 혹은, 상기 제1 요소(12) 및 제2 요소(14) 중 어느 하나 또는 다른 것 측에 배치되어 있다는 것은, 상기 농도 최고 지점이 다른 소재들의 최고 농도 지점에 비하여 제1 요소(12) 또는 제2 요소(14)에 더 가까이 있다는 것을 의미할 수 있다. 예를 들어, 갈륨의 최고 농도 지점(70)은 도 4 의 예에서 제1 요소(12) 측에 배치되어 있는 것으로 생각될 수 있는데, 왜냐하면 그것이 인듐의 최고 농도 위치(74)보다 제1 요소에 더 가깝기 때문이다.
대안적으로는, 일 소재의 최고 농도 위치가 제1 요소(12) 또는 제2 요소(14) 측에 배치되어 있는가의 여부가, 해당 최고 농도 위치가 특정 요소로부터의 소정 거리, 예를 들어 합금 매스(16)의 높이 전체의 백분율 거리 내에 있는지의 여부에 의하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 갈륨의 최고 농도 위치(70)는 제1 요소(12)와 제2 요소(14) 사이의 거리(또는, 제1 요소(12) 및 제2 요소(14) 각각의 비아(22)들의 단부 표면(54)들 사이의 거리)의 50% 미만인, 제1 요소(12)의 거리 내에 있기 때문에, 제1 요소(12) 측에 배치되어 있는 것으로 생각될 수 있다. 다른 예들에서는, 상기 백분율이 제1 요소(12)와 제2 요소(14) 사이의 총 거리의 25%보다 작거나, 10%보다 작을 수 있다.
도 4 에 도시된 바와 같이, 제3 소재 또는 비-저-용융점 소재도, 도 4 의 그래프에 도시된 구리의 최고 농도 위치(72)와 같은 최고 농도 위치를 가질 수 있다. 도시된 바와 같이, 상기 비-저-용융점 소재의 최고 농도 위치(72)는 제1 및 제2 저-용융점 소재들(도 4 의 예에서는 각각 갈륨과 인듐)의 최고 농도 위치들(70, 74) 사이에 배치될 수 있다. 따라서, 저-용융점 소재의 최고 농도 위치(70 또는 74)가 제1 요소(12)와 제2 요소(14) 중 어느 요소 측에 상대적으로 배치되어 있는가를 결정하는 때에는, 그러한 최고 농도 지점(70 또는 74)이 다른 저-용융점 소재의 최고 농도 지점(74 또는 70)과 비-저-용융점 소재의 최고 농도 지점(72) 모두보다 요소(12 또는 14)에 더 가까이 있을 수 있다.
합금 매스(16) 내의 소재들의 상대적인 농도들과 분포는 제1 요소(12)와 제2 요소(14) 사이에 합금 매스(16)가 형성되는 방법에 의하여 영향을 받을 수 있다.제1 요소(12)와 제2 요소(14)에 있는 금속 비아(22)들의 대면하는 단부 표면(54)들을 전기적으로 연결하고 상기 단부 표면(54)들 사이에 접합되어 있는 합금 매스(16)를 제작하는 본 발명의 일 형태에 따른 방법이 도 6 내지 도 9 에 도시되어 있다. 도 6 에서, 제1 요소(12)의 일부분은 금속 비아(22)를 구비하는 것으로 도시되어 있는데, 상기 금속 비아(22)는 지지 층(18)을 적어도 부분적으로 통하도록 형성되어 있으며 상기 지지 층(18)의 표면(28)에서 노출되어 있다. 비아 내에 있는 벌크 도전체(26) 위에는 장벽 층(32)이 놓이는데, 이 예에서 상기 장벽 층은 금속 비아(22)의 단부 표면(54)을 형성한다. 전술된 바와 같이, 상기 금속 비아(22)에는 장벽 층이 없을 수 있는바, 이 경우에는 단부 표면(54)이 벌크 도전체(26)에 의하여 형성된다. 상기 벌크 도전체(26)는 구리, 니켈, 텅스텐, 또는 이들이나 다른 적합한 소재들을 포함하는 다양한 합금과 같은 도전성 금속으로 만들어질 수 있다. 상기 장벽 층(32)이 존재하는 경우에는 장벽 층이 탄탈럼 니트라이드(TaN), 몰리브덴, 몰리브덴-크롬, 등과 같은 소재로 만들어질 수 있다. 선택적으로는, 시드 층(34)이 장벽 층 및/또는 벌크 도전체(26) 위에 형성될 수 있다. 상기 시드 층은, 예를 들어 특정 소재로 되어 있는 벌크 도전체(26) 또는 장벽 층(32) 위에 추가적인 층을 형성함을 용이하게 하기 위하여 사용될 수 있다. 상기 시드 층은 전술된 바와 같이, 이 방법 또는 이와 유사한 방법에서 형성되는 합금 매스(16)의 다양한 특성에 기여하기 위하여 사용될 수도 있다. 예를 들어 벌크 도전체(26)가 구리로 되어 있고 장벽 층이 존재하지 않는 다른 경우에서는, 시드 층(34)이 필요하지 않을 수 있다. 상기 시드 층(34)이 존재한다면, 시드 층이 구리 또는 유사한 도전성 금속으로 된 것일 수 있으며, 아래에 기재된 기준에 따라서 선택될 수 있다.
전술된 바와 같이, 제1 저-용융점 소재 층(36)이 적어도 벌크 도전체(26)에 겹쳐지며, 이 때 선택적으로는 전술된 바와 같이 장벽 층(32) 및/또는 시드 층(34)이 벌크 도전체(26)와 제1 저-용융점 소재 층(36) 사이에 배치된다. 상기 제1 저-용융점 소재 층(36)은 전술된 저-용융점 소재들 중 임의의 것을 포함할 수 있다. 제1 저-용융점 소재 층(36)은 도 4 와 관련하여 전술된 예에서와 같이 갈륨과 같은 단일의 저-용융점 소재를 포함하거나, 또는 구리 등과 같은 다른 금속을 조합하여 포함할 수 있다. 예를 들어, 저-용융점 층은 갈륨의 단일 층, 갈륨-구리 합금의 단일 층, 인듐-갈륨-구리 합금의 단일 층, 갈륨과 구리의 복수의 하위 층들 또는 갈륨, 구리, 인듐, 등의 하나 이상의 하위 층들을 갖는 구조일 수 있는바, 상기 하위 층들을 갖는 구조의 경우에는 금속들이 저-용융점 소재(36)에 요망되는 전체적인 백분율에 맞게 미리 정해진 형태로 제공될 수 있으며 또한 층(36)의 높이에 걸쳐서 저-용융점 소재의 계층화된 농도 레벨을 생성할 수도 있다. 상기 저-용융점 소재 층은 그 자체로서 "낮은" 용융점을 가지지 않을 수도 있지만, 여기에서 설명되는 저-용융점 소재들 중 적어도 한 가지를 요망되는 양만큼 함유할 수 있다.
제1 저-용융점 소재 층(36) 위에는 제1 보호 층(38)이 놓일 수 있는바, 상기 제1 보호 층(38)은 제1 저-용융점 소재 층(36)에 포함되어 있는 임의의 비-저-용융점 소재, 벌크 도전체(26), 또는 시드 층(34)의 소재와 유사한 소재를 포함할 수 있다. 다른 예들에서는, 보호 층(38)을 위하여 셀레늄 플래쉬 층(selenium flash layer)이 사용될 수 있다. 상기 보호 층(38)은, 예를 들어 제1 요소(12)의 취급 중의 손상이나 산화 등에 대비하여 저-용융점 소재 층(34)을 위한 보호를 제공할 수 있다. 보호 층은, 도 4 와 관련하여 전술된 바와 같이, 마무리된 합금 매스(16) 내에 비-저-용융점 소재의 공급원(source)의 적어도 일부분을 제공할 수 있다. 보호 층(38)의 두께, 특히 저-용융점 소재 층 및/또는 시드 층(34)에 대한 상대적인 두께는, 아래에서 설명되는 바와 같이 합금 매스(16)의 형성의 후속 단계들 동안에 본딩 부분(30)의 거동(behavior)에 영향을 줄 수 있다. 일 예에서, 보호 층(38)은 대략 200 옹스트롬의 두께를 가질 수 있지만, 예를 들어 위에서 설명된 기준에 따라서 더 두껍거나 얇은 보호 층(38)이 사용될 수 있다. 제1 본딩 부분(30) 또는 임의의 다른 유사한 본딩 부분의 다양한 층들은 전기 도금(electroplating), 비전해 도금(electroless plating), 증발(evaporation), 화학 기상 증착(chemical vapor deposition; "CVD"), 등을 이용하여 형성될 수 있다.
제1 본딩 부분(30)에서와 마찬가지로, 제2 본딩 부분(40)은 접합 또는 다른 방식에 의하여 제2 요소(14)와 연결될 수 있다. 도 7 에 도시된 예에서, 제2 본딩 부분(40)은 제2 요소(14)의 지지 소재 층(18)의 적어도 일부분을 통하여 금속 비아(22)의 단부 표면(54)에 겹쳐진다. 제1 본딩 부분(30)과 유사하게, 제2 본딩 부분(40)은 선택적으로 비아(22)의 벌크 도전체(25)에 겹쳐질 수 있는 시드 층(44)를 포함할 수 있고, 비아(22)는 선택에 따라서 시드 층(44)과 벌크 도전체(26) 사이에 장벽 층(42)을 포함할 수 있다. 장벽 층(42)과 시드 층(44)은 도 6 과 관련하여 장벽 층(32) 및 시드 층(34)에 대하여 설명된 조성과 유사한 조성 및 유사한 구조를 가질 수 있다.
제2 본딩 부분(40)은 제2 요소(14)의 비아(22)에 겹쳐지는 저-용융점 소재 층(46)을 더 포함하고, 장벽층(42)과 시드 층(44)이 상기 구조에 존재하는 때에는 저-용융점 소재 층(46)이 장벽층(42)과 시드 층(44)에도 겹쳐진다. 저-용융점 소재 층(46)은, 도 4 와 관련하여 위에서 설명된 저-용융점 소재들 중 하나를 포함할 수 있고, 저-용융점 소재 층(36)과 상이한 저-용융점 소재를 더 포함할 수 있다. 예를 들어 도 4 에 도시된 바와 같이, 저-용융점 소재 층(46)은 인듐을 포함할 수 있다. 또한, 저-용융점 소재 층(46)은 예를 들어 구리인 도전성 금속과 같은 추가적인 소재를 포함할 수 있다. 저-용융점 소재 층(46) 내의 임의의 추가적인 비-저-용융점 소재가, 합금 형태인 저-용융점 소재와 혼합되거나, 또는 저-용융점 소재 층(46)에 다수의 하위 층들로 포함될 수 있는바, 상기 저-용융점 소재 층(46)은 층(46) 내에 요망되는 농도의 소재들을 제공하고 그리고/또는 전술된 바와 같이 층(46)의 두께에 걸쳐서 소재들의 요망되는 계층화를 제공하도록 구성될 수 있다.
도 8 에 도시된 바와 같이, 제1 요소(12) 및 제2 요소(14)는, 개별의 표면(29)들이 서로 대면하도록, 그리고 제1 본딩 부분(30)이 제2 본딩 부분(40)과 정렬되도록, 그리고 보호 층들(38, 48)과 함께 서로 접촉하도록 배치될 수 있다. 그 다음에는 적어도 본딩 부분들(30, 40)이 미리 정해진 온도까지 가열되어서 저-용융점 소재 층들(36, 46) 내의 저-용융점 소재들의 용융과, 보호 층들(38, 48), 시드 층들(34, 44), 또는 저-용융점 소재 층들(36, 46) 자체 중 임의의 것 안에 있는 비-저-용융점 소재의 포위(consume)가 유발될 수 있다. 이와 같은 가열 동안에, 상기 포위되는 비-저-용융점 소재가 저-용융점 소재의 액체 상 안에 부유된 고체 입자들로 됨에 따라서, 그리고 액상의 저-용융점 소재들이 함께 혼합됨에 따라서, 합금 매스(16)가 형성될 수 있다. 이와 같은 혼합물은 혼합물 전체에 대해 해당되는 용융점을 가질 것인데, 이 용융점은 그 구성성분들의 (중량 또는 원자량(atomic mass)에 의한) 백분율에 따라서 달라질 수 있으며, 그 용융점에서는 상기 비-용융점 소재도 용융되어 혼합될 것이고 그 시스템 전체가 액체 상으로 될 것이다. 유사하게, 인듐과 같은 다른 저-용융점 소재보다 낮은 용융점을 가진 갈륨과 같은 저-용융점 소재는, 자신의 용융점(갈륨의 경우, 30℃)을 초과하되 다른 저-용융점 소재의 용융점(인듐의 경우, 대략 156℃) 미만인 온도에서 다른 저-용융점 소재를 포위할 수 있다.
본딩 부분들(30, 40)의 일부 변형예들에서는 보호 층(38 또는 48)이 필요하지 않을 수 있다. 예를 들어, 제1 저-용융점 소재 층(36)이 저-용융점 소재들과 비-저-용융점 소재들의 패턴으로 된 복수의 도금된 층들을 포함하는 본딩 부분들(30, 40)의 변형예에 있어서, 그러한 층들의 최상측 층은 예를 들어 구리와 같이 보호성이 있는 비-저-용융점 소재로 될 수 있다. 다른 변형예들에서는 저-용융점 소재 층(35 또는 46)의 조성이, 계층화된 합금 구조일 수 있는바, 상기 합금 구조에서는 별도의 보호 층(38 또는 48)에 대한 필요가 없도록 하기 위하여 상측 부분 가까이에 보호성 소재가 적어도 충분히 구비된 것이다. 이와 같은 변형예 또는 다른 가능한 변형예들(예를 들면, 상기 보호 층이, 가열 중에 증발하는 휘발성 소재로 이루어진 변형예)에서, 저-용융점 소재 층의 소재들은 임의의 보호 층 소재로 확산되지 않을 것이다. 다른 예에서, 예를 들어 제1 요소(12) 및 제2 요소(14)가 낮은 레벨의 산소를 가진 환경 안에서 형성 및 조립되거나, 또는 산화가 발생하기 전에 형성 및 조립되는 등과 같은 때에는, 보호 층이 필요하지 않을 수 있다.
또한, 액상의 저-용융점 소재에 의하여 포위될 수 있는 비-저-용융점 소재의 양은 해당 시스템(system)의 온도에 따라 달라진다. 즉, 그러한 시스템 안에서 비-저-용융점 소재의 포위에 필요한 온도는 비-저-용융점 소재의 양이 증가함에 따라서 증가한다. 본딩 부분들(30, 40) 내의 비-저-용융점 소재에 대한 저-용융점 소재의 비율이 증가함에 따라서, 보호 층들(36, 46)의 포위를 위하여 필요한 온도가 증가하는데, 이것은 곧 제1 요소(12)와 제2 요소(14)에 접합되는 합금 매스(16)를 형성하기 위하여 적절히 혼합되어야 하는 본딩 부분들(30, 40)의 구성성분들 및 개별의 소재들을 위하여 필요한 온도의 증가로 이어진다. 도 4 의 예에 도시된 바와 같이, 합금 매스(16)의 형성을 위하여 혼합물이 균일할 필요는 없지만, 적어도 보호 층들(38, 48) 모두가 포위되어야 한다. 일부 예들에 있어서, 합금 매스(16)는 규정된 온도에 10 내지 30 분 사이의 시간 동안 노출된 후에 적절히 형성될 수 있다. 이로 인하여 합금 매스(16) 내의 소재들이 충분히 혼합될 수 있게 되어서, 냉각된 때에 제1 요소와 제2 요소가 서로 접합되게 되며, 도 9 의 조립체(10)의 경우에는 각각의 요소들(12, 14)의 비아(22)들이 서로 전기적으로 연결된다.
합금 매스(16)의 형성에 필요한 온도가 본딩 부분들(30, 40) 안에 포함된 비-저-용융점 소재의 양에 따라서 증가하기 때문에, "본딩 온도"로 호칭될 수 있는 이 온도는 본딩 부분들(30, 40)에 존재하는 시드 층들(34, 44)과 같은 임의의 시드 층들 및 보호 층들(38, 48)의 두께에 의하여 통제될 수 있다. 위에서 언급된 다양한 소재들로부터 다양한 소재를 선택함으로써, 그리고 본딩 부분들(30, 40) 내의 다양한 저-용융점 소재들 및 비-저-용융점 소재들의 상대적인 양을 조절함으로서, 30℃ 내지 150℃ 범위 내의 용접 온도가 얻어질 수 있다. 위에서 도 6 내지 도 9 와 관련하여 설명한 에에서, 제1 저-용융점 소재 층(36)은 인듐을 포함하고, 제2 저-용융점 소재 층은 갈륨을 포함하며, 시드 층들(34, 44)과 보호 층들(38, 44)은 구리이며, 상기 시드 층의 시작 두께는 30 내지 600 nm 일 수 있고, 갈륨으로 된 제1 소재 층의 시작 두께는 100 내지 500 nm 일 수 있고, 보호 층의 시작 두께는 10 내지 100 nm 일 수 있다. 제2 본딩 부분(40)에 대하여, 유사한 두께들이 채택될 수 있다. 저-용융점 소재 층(36 또는 46) 내에 비-저-용융점 소재를 포함하는 본딩 부분들(30, 40)의 변형예에서, 저-용융점 소재에 대한 상기 비-저-용융점 소재의 비율은 본딩 부분들(30, 40)의 본딩 온도에도 영향을 줄 수 있다.
본딩 부분들(30, 40)의 다양한 층들로부터의 소재들을 합금 매스(16) 안으로 함께 확산시키면, 위의 예에서 사용된 갈륨 및 인듐과 같이 내부에 포함되어 있는 저-용융점 소재들의 용융점보다 더 높은 용융점을 가진 구조가 얻어진다. 또한, 합금 매스(16)가 냉각되어 고화(solidify)된 다음에도, 차후 합금 매스(16)의 용융점은 합금 매스(16)의 형성에 사용된 용접 온도보다 더 높을 수 있다. 본딩 부분들(30, 40) 내의 층들을 위한, 전술된 소재들의 다양한 조합들에 의하여, 전술된 범위 내의 용접 온도를 가진 본딩 부분들(30, 40)이 얻어질 수 있는바, 이 본딩 부분들(30, 40)은 전술된 범위 내의 용융 온도를 가진 합금 매스(16)를 형성할 수 있다. 상기 본딩 부분들의 특정 용접 온도들과, 결과적으로 얻어지는 합금 매스(16)들의 용융 온도들은 전술된 바와 같이 본딩 부분들(30, 40)의 구성 성분들의 상대적인 비율을 조절함으로써 통제되거나 영향을 받을 수 있다. 다시 말하면, 상기 비-저-용융점 소재는, 비-저-용융점 소재와 적어도 하나의 다른 저-용융점 소재를 포함하는 합금의 용융점을 증가시키도록 선택될 수 있다.
본딩 부분들(30, 40)의 선택적인 조성(selective composition)은 상기 본딩 부분들의 대략적인 용접 온도와, 결과적으로 얻어지는 합금 매스(16)의 용융 온도를 다양한 기준에 따라서 통제하도록 설계될 수 있다. 예를 들어, (제1 요소(12) 또는 제2 요소(14)와 같은) 연관되어 있는 요소들의 다른 부분들, 또는 심지어 동일한 패키지(10) 등에 있는 다른 본딩에 손상을 가하지 않고 도달될 수 있는 온도에서 재작업이 가능하게 되는 합금 매스(16)를 형성하는 것이 바람직할 수 있다. 이와 같은 기준(criteria)은, 비-저-용융점 소재의 조성에 상대적으로 많은 저-용융점 소재를 가함으로써 얻어질 수 있다.
유사하게, 합금 매스를 형성하기 위하여 사용되는 일부 본딩 부분들이 낮은 용점 온도를 가져서, 이미 형성되어 있는 접합부들 또는 본딩들의 재유동화(reflow) 또는 손상을 유발하지 않도록 하면서 본딩 부분들이 용융 및 접합될 수 있도록 하는 것이 바람직할 수 있다. 한편, 요소들을 서로 접합시키기 위하여 사용되는 일부 합금 매스(16)들이 상대적으로 높은 용융 온도를 가져서, 합금 매스(16)들이 높은 온도의 적용예들에 대해 더 높은 저항성을 가지도록, 또는 조립체에서 후속하는 합금 매스(16)들 또는 다른 접합부들의 형성 중에 그들이 재유동화되지 않도록 하는 것이 바람직할 수 있다. 본딩 부분들(30, 40)은, 본딩 부분들의 사용에 의하여 형성되는 합금 매스(16)들에 그러한 특성이 얻어지도록 하기 위하여, 위와 같은 기준에 따라서 제작될 수 있다.
전술된 바와 같이, 위와 같은 합금 매스(16)들은 다수의 다양한 마이크로전자 적용예들을 갖는 요소들을 그들의 다양한 특징부들에서 접합시키기 위하여 사용될 수 있다. 전술된 예에서, 합금 매스(16)는 인터포저, 마이크로전자 다이, 패키징된 마이크로전자 요소, 등일 수 있는 요소에 있는 도전성 비아(22)들을 전기적으로 그리고 기계적으로 접합시키기 위하여 사용되었다. 제1 요소(12) 및 제2 요소(14) 각각에 있는 대응되는 금속 비아(22)에는 단 하나의 합금 매스(16)만이 연결된 것으로 도시되어 있으나, 위와 같은 조립체(10)는 제1 요소와 제2 요소 각각 안에 복수의 금속 비아(22)들을 포함할 수 있으며, 이 때 대응되는 합금 매스(16)들은 상기 복수의 비아(22)들 각각의 사이에 부착될 수 있다. 이와 같은 비아들은 마이크로전자 조립체들 또는 패키징된 마이크로전자 소자에서 사용되는 임의의 개수의 구성형태로 배치될 수 있는바, 비아(22)들은 행과 열을 이루어 배치될 수 있으며 또한 예를 들어 최소 피치(minimum pitch) 등으로 이격되어 있을 수 있다. 유사하게 배열되는 다른 특징부들, 예를 들어 하나 이상의 다른 전기적으로 도전성인 특징부와 연결되어 있는 접촉 패드, 접촉 패드 등과 겹쳐지거나 전기적으로 연결될 수 있는 도전성 핀 또는 포스트나, 트레이스(trace) 등이 여기에서 설명된 유형의 합금 매스를 이용하여 접합될 수 있다.
다른 적용예들에 있어서, 그와 같은 특징부들은 땜납 또는 다른 접합용 금속의 매스들에 의하여 접합될 수 있는바, 도 1c 에 도시된 바와 같이 상기 땜납 등은 인접한 특징부들 사이의 최소 피치가 특징부의 폭의 적어도 1.5배일 것을 필요로 한다. 도 5 에 도시된 바와 같이, 전술된 본딩 부분들(30, 40)은, 도전성 특징부들의 배열에서의 최소 피치(P)가 도전성 특징부 자체의 폭보다 작은 적용예에서 합금 매스(16)의 형성에 의하여 도전성 특징부들을 접합시키기 위하여 사용될 수 있다. 또한, 땜납과 같은 도전성 접합 소재의 매스에 의하여 형성된 도전성 특징부들 간의 접합부들을 구비한 조립체에서는, 본딩 높이 또는 요소들 간의 간격이 그러한 도전성 특징부들에 대해 필요한 폭과 직접적으로 관련될 수 있다. 즉, 본딩 높이가 높으면 도전성 특징부의 폭이 클 필요가 있다. 도전성 특징부들의 접합을 위한 것으로서 여기에서 제시되는 합금 매스(16)를 이용하는 구조에서는, 그 특징부가 예를 들어 6 ㎛보다 높은 본딩 높이를 가지면서도 6 ㎛ 미만, 일부의 경우에 있어서는 3 ㎛ 미만의 폭(W)을 가질 수 있으며, 그보다 더 큰 폭도 가능하다. 개별의 본딩 계면들에서 적은 폭을 갖는 도전성 특징부를 이용함으로써, 도전성 특징부들의 계면 표면들에서 작은 접시부를 가지면서도 보다 신뢰성있는 구조가 얻어질 수 있게 된다. 도 1b 에 도시된 바와 같이, 다른 인접한 구조와 관련하여 사용되는 대형의 접촉 패드(2)는, 연마 또는 그러한 요소의 형성에 있어서의 다른 단계들로 인하여 표면(3)을 따라서 접시부를 구비할 수 있다(즉, 오목부가 형성될 수 있다). 이것은, 그러한 요소의 제작 또는 사용 중에 접합의 신뢰성이 감소되는 결과를 초래할 수 있다.
앞선 예들과 관련하여 위에서 설명된 유형의 본딩 부분들(30, 40)은 도 10 내지 도 15 에 도시된 방법에 의하여 도전성 특징부들 상에 형성될 수 있다. 이와 같은 특정의 예에서, 본딩 부분들(30, 40)은 적어도 부분적으로 지지 구조(18)를 통하는 도전성 비아(22)들의 단부 표면(54)들 위에 형성된 것으로 도시되어 있다. 그와 같은 요소들은 반도체 층 또는 유전체 층에 구멍을 형성(그리고 필요하다면 그 구멍들을 코팅)함으로써, 그리고 그 안에 도전성 금속을 적층(deposit)시킴으로써 만들어질 수 있다. 그러한 구멍들은 끝이 막힌 구멍일 수 있으며, 표면(28)의 반대측에 있는 표면을 통하여 시작되는 것일 수 있다. 이와 같은 방법에서, 상기 반도체 층(19)은, 반도체 층(19) 위에 유전체 층(20)을 적층시키기 전에 상기 비아들의 단부들이 노출되도록 배면 연마 및 에칭될(back ground and etched) 수 있는바, 그것의 연마에 의하여 금속 비아(22)들의 단부 표면(54)이 노출되어 도 10 에 도시된 구조가 얻어질 수 있다. 도 10 에는 패키지에 있는 단 하나의 비아(22)만이 도시되어 있으나, 유사한 방법을 이용하여 패키지 안에 복수의 비아들이 동시에 형성될 수 있다. 비아의 형성에 관한 다른 방법도 사용될 수 있다.
도 11 에 도시된 바와 같이, 장벽 층(32, 42) 및/또는 시드 층(34, 44)이 필요하다면, 그러한 층을 위하여 요망되는 소재의 층들(32', 34')이 요소(12)의 표면(28) 위에 적층될 수 있다. 표면(28) 위에 그리고 요소(12) 상에 존재하는 임의의 본딩 소재 층(32') 또는 시드 소재 층(34') 위에 레지스트 층(52)이 배치될 수 있고, 비아(22)와 겹쳐지는 위치 또는 본딩 부분(30)이 필요한 임의의 다른 위치에서 레지스트 층(52) 안에 개구(50)가 형성되거나 또는 다른 방식에 의하여 존재하게 된다. 개구(50) 안에는 전술된 조성들 중 어느 하나에 따른 저-용융점 소재 층(36)이 적층될 수 있고, 그 다음에 저-용융점 소재 층(36) 위에 보호 층(38)이 적층될 수 있다. 그 후, 상기 레지스트 층(52)은 상기 요소(12) 상의 요망되는 위치들에 필요한 개수의 본딩 부분(30)들을 남긴 채로 제거될 수 있다. 후속하여, 상기 저-용융점 소재 층(36)의 외측에 있는 본딩 소재 층(32')과 시드 소재 층(34') 부분들은 벗겨질 수 있다. 도 15 에 도시되어 있는 요소(14) 상의 본딩 부분(40)을 제작하기 위하여 이와 유사한 방법이 사용될 수 있다. 그 다음, 위에서 설명된 바와 같이 합금 매스(16)를 만들기 위하여 상기 요소들(12, 14)이 정렬 및 가열될 수 있다. 패드, 포스트 등과 같은 다른 도전성 특징부 상에 유사한 본딩 부분을 만들기 위하여 유사한 방법이 사용될 수 있다.
요소들을 서로 본딩시키기 위하여 합금 매스를 형성하는, 위에서 설명된 유형의 본딩 부분들은 전술된 요소들의 변형예, 예를 들어 도 16 에 도시된 예에서 사용될 수 있는데, 여기에서는 도전성 특징부를 포함하지 않는 표면(28)의 일부분들에서 패키지들(112, 114)의 지지 소재 층(118)들을 서로 접합시키기 위하여 추가적인 합금 매스(116)들이 사용된다. 도시된 바와 같이, 동일한 패키지에서 일부 합금 매스(116)들은 금속 비아(122)들과 같은 도전성 요소들을 접합시키기 위하여 사용되는 한편, 일부 적용예들에서는 요소들(112, 114)을 표면(128)만을 따라서 접합시키기 위하여 합금 매스(116)들이 사용될 수 있다. 표면(128)에 접합되는 합금 매스(116)들은, 어떠한 도전성 특징부에 겹쳐지지 않는 레지스트 층(52) 안에 구멍(50)을 포함시킴으로써 전술된 바와 동일한 방법으로 만들어질 수 있다. 도 16 에 도시된 변형예의 추가적인 변형예로서, 합금 매스(116)들은 표면(128)들을 따라서 하나 이상의 측방향으로 확장될 수 있는바, 이로서 합금 매스(116)들이 표면(128)들의 대면하는 일부분들과 함께 내부 체적을 한정할 수 있다. 일부 적용예들에서는 이와 같은 유형을 갖는 단일의 연속적인 합금 매스(116)가 그러한 내부 체적을 완전히 둘러쌀 수 있으며, 또 다른 예에서는 그와 같은 내부 체적을 기밀적으로 밀봉할 수 있다.
도 17 에 도시된 바와 같이, 위에서 설명된 것과 유사한 본딩 부분들(230, 240)은 도전성 비아(222)들, 또는 하나의 요소(212) 안에서 요부를 이루며 다른 요소(214) 안에서 표면(228) 위로 돌출되는 다른 특징부에 겹쳐질 수 있다. 변형예로서, 패키지(212)의 비아(222)는 표면(228)과 같은 높이를 이루되 본딩 부분(230)만이 표면(228) 위로 돌출될 수 있는데, 이는 비아(222)와 관련된 개구 안에서 본딩 부분(240)이 요부를 이루는 깊이에 따라 달라질 수 있다. 다른 형태에서는, 이와 같은 구성이 조립 중에 자체적으로 정렬되는 본딩 부분들(230, 240)로 귀결될 수 있다. 일단 본딩 부분들(230, 240)이 정렬되면, 이들은 요소들(212, 214)을 서로 접합시키는 합금 매스 또는 합금 매스들을 형성하도록, 전술된 바와 같이 용융될 수 있다. 도 18 및 도 19 에는 이와 같은 조립체의 추가적인 변형예들이 도시되어 있는데, 여기에서는 도 18 의 조립체(310)가 도 17 의 예에서와 같이 돌출되고 요부를 이루는 비아(22)들을 포함하되, 그 표면은 도 16 과 관련하여 설명된 바와 같이 본딩 부분들(330, 340)에 본딩되어 있다. 도 19 에 도시된 바와 같이, 이와 같은 본딩 부분들(430, 440)은 에지 칩 구조(edge chip structure; 462)를 포함하는 조립체(410)에서도 사용될 수 있다.
또한, 도 20 내지 도 23 에 도시된 바와 같이, 도전성 특징부 및 이와 관련된 본딩 부분들을 위한 다양한 구성형태들이 위에서 설명된 틀 안에서 가능한데, 그 구성형태들의 예들은 도 20 내지 도 24 에 도시되어 있다. 도 20 에 도시된 바와 같이, 비아(522)의 단부 표면(524)이 표면(528) 아래로 요부를 이루되 저-용융점 소재 층(536 또는 546)도 표면(528) 아래에 위치되도록 구성될 수 있는바, 이 때 보호 층(538 또는 548)은 표면(528)과 정렬되거나 또는 같이 높이를 이룰 수 있다. 도 21 의 예에서는 저-용융점 소재 층(636 도는 646)의 일부분만이 표면(529) 아래에 배치되고 나머지는 그 위로 돌출되어서, 보호 층(538 도는 548)이 표면(528) 위에 배치될 수 있다. 도 22 에는, 보호 층(738 또는 748)이 자신의 일부분을 따라서 정점(739)을 포함하도록, 저-용융점 소재 층(736 또는 746)의 일부분을 따라서 테이퍼질 수 있는 본딩 부분(730 또는 740)의 변형예가 도시되어 있다. 도 23 에 도시된 변형예에서는, 벌크 도전체(826)의 일부분이 표면(828) 위로 돌출되고, 그 위에 형성된 본딩 부분(830 또는 840)은 표면(828) 위로 이격되어 있다. 이와 같은 구조는 도 17 을 참조하여 위에서 설명된 바와 같이 자체적으로 정렬되는 특징부를 형성하거나 또는 요소들 사이에 더 큰 간격을 제공하기 위하여 사용될 수 있다. 또 다른 대안적인 예로서, 도 24 에는 도전성 포스트(962) 상에 있는 본딩 부분(930)이 도시되어 있다. 이와 같은 구조는 도전성 패드, 다른 포스트 등에 접합된 다른 본딩 부분과의 연결을 위하여 사용될 수 있다.
도 25 에 도시된 바와 같이, 여기에서 설명된 유형의 본딩 부분들 중 어느 하나 또는 둘 다는, 전술된 바와 같은 용접 또는 재유동화 동안에 본딩 부분의 형상 유지를 돕기 위하여 보강 구조물을 포함할 수 있다. 이 예에서, 본딩 부분(1030)은 도 25 에 도시된 바와 같이 도전성 비아(1022)의 벌크 도전체 상에 있는 것으로 도시되어 있다. 복수의 모세관 구조물(1058)들은 금속 비아(1022)의 벌크 도전체 층(1026)의 단부 표면(1054)로부터 돌출된다. 상기 모세관 구조물(1058)들은 폴리이미드(polyimide) 등과 같은 유연성 소재로 되어 있을 수 있으며, 본딩 부분(1030)의 의도된 용접 온도까지는 적어도 열적 저항성을 갖는 소재로 되어 있을 수 있다. 상기 모세관 구조물(1058)들은 단부 표면(1054) 상에서 이격되어 있을 수 있는데, 이로써 본딩 부분(1030)이 금속 비아(22)와 적절한 전기적 연결을 이룰 수 있게 된다. 또한, 상기 모세관 구조물(1058)들은, 용융된 때에 본딩 부분(1030)의 표면 장력이 본딩 부분(1030)과 그로 인하여 얻어지는 합금 매스에 대해 필요한 일반적인 형상을 유지하기에 충분한 크기 및 밀도를 가질 수 있다. 따라서, 본딩 부분(1030)들은 모세관 요소들이 없이 유사한 조성을 갖는 본딩 부분들의 경우에 비하여 더 높은 본딩 온도를 갖도록 형성되는 것이 일반적이다. 모세관 구조물(1058)들이 유연성을 갖는 경우에는 요소들의 조립 동안에 요소들 사이의 압력 하에서 파손 등에 대해 저항성을 갖게 될 수 있다. 모세관 구조물(1058)들은, 시드 층(1034) 위에 폴리이미드 층을 적층시키고, 상기 폴리이미드 층을 요망되는 형상 및 밀도를 갖는 모세관 구조물(1058)들로 패턴화시킨 다음에, 시드 층이 노출되도록 함으로써 형성될 수 있다. 또한, 시드 층(1034)의 존재로 인하여, 벌크 도전체(1022) 내에 금속간 구조물(intermetalic structure)들의 형성이 최소화될 수 있다.
여기에서는 특정의 실시예들을 참조로 하여 설명되었으나, 이 실시예들은 본 발명의 원리 및 적용예를 예시하는 것일 뿐이라는 점이 이해되어야 할 것이다. 그러므로, 상기 예시적인 실시예들에 대해서는 다양한 변형이 가해질 수 있으며, 아래에 첨부된 청구범위에 정의된 본 발명의 범위와 취지를 벗어나지 않는 범위 내에서 다른 구성이 고찰될 수 있다는 점이 이해되어야 할 것이다.

Claims (53)

  1. 제1 도전성 요소(first conductive element)와 표면을 구비한 제1 기판(first substrate);
    제2 도전성 요소와 표면을 구비한 제2 기판; 및
    상기 제1 도전성 요소와 제2 도전성 요소에 접합되고 전기적 도전성을 갖는 합금 매스;를 포함하는 마이크로전자 조립체로서,
    상기 도전성을 갖는 합금 매스는 제1 소재(first material), 제2 소재, 및 제3 소재를 포함하고, 제3 소재는 제1 소재 또는 제2 소재 중 적어도 하나와 제3 소재를 포함하는 합금의 용융점을 증가시키도록 선택되며,
    상기 제1 소재의 농도는 제1 도전성 요소 측 위치에서의 상대적으로 높은 값으로부터 제2 도전성 요소 측에서의 상대적으로 낮은 값으로 변화하고,
    상기 제2 소재의 농도는 제2 도전성 요소 측 위치에서의 상대적으로 높은 값으로부터 제1 도전성 요소 측에서의 상대적으로 낮은 값으로 변화하며,
    제3 소재는 제1 소재의 제1 최고 농도와 제2 소재의 제2 최고 농도 사이의 위치에서 최고 농도를 갖는 것을 특징으로 하는, 마이크로전자 조립체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 기판 또는 제2 기판 중 적어도 하나는 반도체 소재(semiconductor material) 또는 유전체 소재(dielectric material) 중 어느 하나로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는, 마이크로전자 조립체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 합금 매스는 5 미크론(micron) 미만의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는, 마이크로전자 조립체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 소재 또는 제2 소재 중 적어도 하나의 농도는 상대적으로 높은 농도로부터 상대적으로 낮은 농도로 단조롭게 변화하는 것을 특징으로 하는, 마이크로전자 조립체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제3 소재는 구리, 니켈, 텅스텐, 코발트, 인(phosphorous), 팔라듐(palladium), 붕소, 금(gold), 또는 은(silver) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는, 마이크로전자 조립체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 소재의 상기 상대적으로 높은 농도의 위치는 제1 도전성 요소에 인접한 것을 특징으로 하는, 마이크로전자 조립체.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 소재 및 제2 소재 각각은 제3 소재와 합금화되지 않은 상태에서 200℃ 미만의 용융점을 갖는 것을 특징으로 하는, 마이크로전자 조립체.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 소재 및 제2 소재 중 하나는 50℃ 미만의 용융점을 갖는 것을 특징으로 하는, 마이크로전자 조립체.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 소재 또는 제2 소재 중 적어도 하나와 제3 소재로 형성된 합금의 용융점은 제1 소재 및 제2 소재의 용융점들보다 적어도 30℃ 더 높은 것을 특징으로 하는, 마이크로전자 조립체.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 소재는 제2 소재와 상이한 소재이고, 상기 제1 소재 및 제2 소재는 주석(tin), 인듐(indium), 또는 갈륨(gallium) 중 적어도 한 가지의 소재를 포함하는 것을 특징으로 하는, 마이크로전자 조립체.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1 도전성 요소는 벌크 도전체 매스(bulk conductor mass)를 포함하고, 상기 도전성을 갖는 합금 매스는 상기 벌크 도전체 매스에 겹쳐지며, 상기 제1 소재의 일부분은 상기 벌크 도전체 매스 안으로 확산(diffuse)되는 것을 특징으로 하는, 마이크로전자 조립체.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 도전성 요소는 상기 벌크 도전체 매스에 겹쳐지는 장벽 층(barrier layer)을 더 포함하고, 상기 도전성을 갖는 합금 매스는 상기 장벽 층에 본딩되는 것을 특징으로 하는, 마이크로전자 조립체.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제1 기판은 반도체 소재 또는 유전체 소재 중 적어도 하나로 이루어져 있는 제1 지지 소재 층(first support material layer)을 포함하고, 상기 지지 소재 층은 제1 기판의 표면을 한정(define)하며, 상기 제1 도전성 요소는 상기 제1 지지 소재 층의 일부분을 통하여 연장되어 있는 금속 비아(metalized via)이고, 상기 금속 비아는 제1 표면에서 노출되어 있는 것을 특징으로 하는, 마이크로전자 조립체.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 금속 비아의 일부분은 상기 제1 지지 소재 층의 외측에 위치된 것을 특징으로 하는, 마이크로전자 조립체.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제2 도전성 요소는 반도체 소재 또는 유전체 소재 중 적어도 하나로 되어 있는 제2 지지 소재와 상기 제2 도전성 요소의 표면을 한정하는 층을 포함하고, 상기 제2 도전성 요소는 상기 제2 지지 소재 층의 일부분을 통하여 연장된 금속 비아이며, 상기 제2 도전성 요소의 적어도 일부분이 상기 표면에 있고, 상기 도전성을 갖는 합금 매스의 적어도 일부분은 상기 제2 지지 소재 층 안에 배치된 것을 특징으로 하는, 마이크로전자 조립체.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 제1 도전성 요소 및 제2 도전성 요소 각각은 상기 도전성을 갖는 합금 매스와의 본딩 계면(bonding interface)들 각각에서 25 미크론 미만의 폭을 갖는 것을 특징으로 하는, 마이크로전자 조립체.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 제1 도전성 요소 및 제2 도전성 요소 각각은 상기 도전성을 갖는 합금 매스와의 본딩 계면들 각각에서 3 미크론 미만의 폭을 갖는 것을 특징으로 하는, 마이크로전자 조립체.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 제1 도전성 요소는 복수의 제1 도전성 요소들을 포함하고, 상기 제2 도전성 요소는 복수의 제2 도전성 요소들을 포함하며, 도전성을 갖는 복수의 합금 매스들이 상기 제1 도전성 요소들 및 제2 도전성 요소들 각각의 사이에 접합된 것을 특징으로 하는, 마이크로전자 조립체.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 제1 도전성 요소들 각각은 폭을 가지며, 상기 제1 도전성 요소들은 측방향에서 제1 도전성 요소들의 폭보다 작은 피치(pitch)로 각각 서로로부터 떨어져 이격되어 있는 것을 특징으로 하는, 마이크로전자 조립체.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 제1 도전성 요소는 상기 제2 도전성 요소를 향하는 방향으로 연장되어 있는 복수의 모세관 구조물(capillary structure)들을 포함하고, 상기 도전성을 갖는 합금 매스는 상기 복수의 모세관 구조물들 중에서 적어도 일부의 개별 모세관 구조물들을 둘러싸서 접합되는 것을 특징으로 하는, 마이크로전자 조립체.
  21. 제1항에 있어서,
    상기 제1 도전성 요소는 상기 제1 도전성 요소의 표면을 한정하는 기판을 포함하고, 상기 기판은 측방향들로 연장되며, 상기 제1 도전성 요소는 상기 표면으로부터 멀어지게 연장된 포스트의 형태를 갖는 것을 특징으로 하는, 마이크로전자 조립체.
  22. 제1항에 있어서,
    상기 제1 도전성 요소는 상기 제1 도전성 요소와 전기적으로 연결된 마이크로전자 요소(microelectronic element)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 마이크로전자 조립체.
  23. 내부에 형성된 제1 요소를 구비하고, 표면을 한정하는, 제1 기판;
    내부에 형성된 제2 요소를 구비하고, 표면을 한정하는, 제2 기판; 및
    상기 제1 요소 및 제2 요소의 표면들에 접합된 합금 매스;를 포함하는 마이크로전자 조립체로서,
    상기 합금 매스는 제1 소재, 제2 소재, 및 제3 소재를 포함하고,
    상기 제1 소재의 농도는 제1 요소 측 위치에서의 상대적으로 높은 값으로부터 상기 제2 요소 측의 상대적으로 낮은 값으로 변화하며, 상기 제2 소재의 농도는 제2 요소 측 위치에서의 상대적으로 높은 값으로부터 제1 요소 측의 상대적으로 낮은 값으로 변화하고,
    제3 소재는 제1 소재의 제1 최고 농도와 제2 소재의 제2 최고 농도 사이의 위치에서 최고 농도를 가지며,
    상기 합금 매스의 용융점은, 비-합금 상태(unalloyed state)에 있는 제1 소재의 용융점보다 더 높고, 비-합금 상태에 있는 제2 소재의 용융점보다 더 높은 것을 특징으로 하는, 마이크로전자 조립체.
  24. 제23항에 있어서,
    도전성을 갖는 합금 매스는, 상기 제1 요소와 제2 요소의 표면들의 대면하는 일부분들 사이에 한정된 내부 체적을 둘러싸는 것을 특징으로 하는, 마이크로전자 조립체.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 내부 체적은 기밀적으로(hermetically) 밀봉된 것을 특징으로 하는, 마이크로전자 조립체.
  26. 제23항에 있어서,
    상기 제1 요소와 제2 요소는 개별적으로 제1 도전성 요소와 제2 도전성 요소를 포함하고, 상기 제1 도전성 요소와 제2 도전성 요소는 상기 도전성을 갖는 합금 매스가 접합되는 제1 요소 및 제2 요소의 표면의 일부분들을 한정하는 것을 특징으로 하는, 마이크로전자 조립체.
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