TW511443B - Method for laminating and mounting semiconductor chip - Google Patents

Description

511443 五、發明説明（ 1 ) 發 明 背 景 本 發 明 係 廣 義 地 關 於 —^ 種 用 以 疊 層 和 安 裝 半 導 體晶 片 之 方 法 Ο 尤 其 本 發 明 係 針 對 一 種 以 二 維 方式疊層和安裝 裝 半 導 體 晶 體 之 方 法 〇 在 用 以 疊 層 和 安 裝 該 種 被 說 明 之 半 導 體 晶 片 的 技術 方 面 當 半 導 體 晶 片 彼 此 相 互 疊 層 時 小 尺 寸 的 半導體 晶 片 係 經 由 黏 著 物 安 裝 在 另 一 個 大 尺 寸 的 半 導 體 晶片之 電 路 面 上 妖 J\ \\ 後 密 封 以 藉 由 已 知 之 導 線 接 合 的 使用， 得 到 電 連 接 〇 藉 由 疊 層 半 導 體 晶 片 ， 可 以 實 現 局 密 度 安 裝 〇 在此 情 形 下 爲 了 接 合時的 撞 擊 力 組 合 半 導 體 晶 片 ，而不 會 對 電 路 面 造 成 傷 害 就 會 變 得 愈 來 愈 重 要 了 〇 爲 此 要 暨 層 之 半 導 體 晶 片 有 必 要 持 續 減 少 尺 寸， 以 當 作 疊 層 的 先 決 條 件 〇 因 此 ， 爲 了 要 達 成 局 密 度的半 導 體 元 件 半 導 體 晶 片 必 須 要 作 薄 化 處 理 〇 現在 參 考 第 1 圖 其 將 會 說 明 有 關 一 種 用 以 疊 層和 安 裝 半 導 體 晶 片 之 相 關 方 法 〇 總 而 言 之 在示 於 第1圖 的 半 導 體 元 件 中 ， 疊 層 的 半 導 體 晶 片 係 藉 由 導 線 接合而< 彼 此 相 互 連 接 〇 尤 其 半 導 體 晶 片 1 a和尺寸小於半導體晶片 la之半 導 pm 體 晶 片 lb， 藉 ，由Ag 膠 疊 層 在 插 入 層 12之上。 再 者 半 導 體 晶 片 1 ： a和 lb 係 藉 由 導 線 接 合 線 1 1的 使 用 而 有 電 性 連 接 再 用 成 型 樹 脂 1 5密封 ，然後裝上 外部 丄山 m 子 (焊錫隆起物] [4)， 因 此形 成 示 於 第 1 圖 之半 導 體 元 件 〇 3- 511443 五、發明説明（2 ) 但是，如此製造之半導體元件係要經由導線接合才 能實現電性連接。因此，在此情形下，唯有具有彼此相 異尺寸之半導體晶片才能疊層。此外，半導體晶片並不 能面朝下安裝。 因爲導線接合需要額外的區域，因此，對於高密度 的安裝而言，並不適當。 此外，爲了導線接合，以完成半導體晶片和疊層半 導體晶片後的插入層之間的電性連接，不可避免地，大 型負載會被應用到疊層在下層之半導體晶片的電路面。 此可能會致使破壞半導體晶片。 在另一方面，有一種在組合適合疊層的半導體元件 之後，用以疊層半導體晶片之方法，而不用像另一用以 疊層和安裝半導體晶片之相關方法一樣，直接疊層半導 體晶片。 參考第2A圖和第2B圖，其將說明有關這種另一用 以疊層和安裝半導體晶片之相關方法。 將半導體晶片1排放在插入層1 2之上，且在其上形 成焊錫隆起物1 4。此處，將在用以疊層之焊錫隆起物 1 4的平分範圍之中之排放的半導體晶片1和插入層1 2 ，作薄化處理。 在疊層這些半導體元件且安裝好期望的數目之後’ 完全完成迴流製程，以連接電極。在此，應該注意參$ 數字1 6表示熔劑。 但是，在此種方法中，每一個半導體晶片都必須 -4- 511443 五、發明説明（3 ) 以疊層插入層才能被使用’因此無法製造很薄的半導體 元件。 再者，雖然完全迴流係在疊層期間完成，但是也有 可能執行自行對準製程。特別地，只有當使用高度介於 0.5 mm和1 mm之間之相當大的焊錫隆起物，以消除或 減少平坦度或定位精確度的變異時’疊層才會變得可能。 此外，有一種像另一用以安裝半導體元件之相關方 法一樣，具有微小局度之疊層半導體晶片的方法。 參考第3 A圖至第3 D圖，其將說明有關這種另一用 以安裝半導體元件之相關方法。 如第3圖所示，將各自具有電路面6和背面7之半 導體晶片1定位，並且用焊錫4接合。之後，定位要順 序疊層之半導體晶片1，然後用焊錫接合。 在此情形下，因爲微小節距的關係，所以完全迴流 並不期望有自行對準的效應。因此，不可避免地，後面 必須要完成焊錫接合。在此，應該注意參考數字2表示 穿透電極，參考數字3表示隆起物，而參考數字5則表 不焊錫接合層。 根據此種方法，增強半導體元件之電極的定位精確 度’充分地檢查半導體晶片之電極材料的成分，及進一 步減少在疊層和安裝時的熱滯現象就變得很重要了。 但是，相關的疊層方法很難使半導體晶片小型化。 再者’在安裝具有微小電極的半導體晶片之情形下，在 疊層期望數目的半導體晶片之後，也很難藉由迴流而完

511443 五、發明説明（4 ) 全接合。因此，半導體晶片必須依序疊層，且必須藉由 焊錫之接合。 在此事件中，在數次的接合焊錫期間，對起始疊層 的接合部分加熱，直到最後的疊層爲止。因此，在第一 階段和最後階段之間之接合部分的結構不同。再者，可 靠度會因重複加熱而下降。 考慮此種狀況，插入層的電層規格，在每次疊層時 及各層都必須改變，因此會造成成本提高。 發明總述 因此’本發明的目的係要提供一種用以疊層和安裝 半導體晶片之方法，其中在用以疊層和安裝具有微小電 極之半導體晶片的方法中，其能夠藉由在疊層之後之完 全加熱迴流而安裝半導體晶片。 本發明的另一目的係要提供一種用以疊層和安裝半 導體晶片之方法，其中其能夠製造具有高均勻性和可靠 度的接合部分之半導體晶片。 根據本發明，各自具有電極面之許多半導體晶片係 依序疊層和安裝。 開始，先激活彼此相對排放之半導體晶片的電極面。 然後，將半導體晶片定位。 接著，疊層半導體晶片並藉由壓力接合，使得不會 形成反應層，或反應層的形成會格外受到抑制。 最後，將全部的半導體晶片加熱，以在所有的半導 體晶片都完成疊層和接合之後，形成反應層。 -6- 511443 五、發明説明（5 ) 在此情形下，在疊層和接合步驟中，除了壓合之外 ，可以外加超音波。 再者，隆起物係形成在半導體晶片之上，而電極面 則包含形成在隆起物之上之焊錫。 另外地，隆起物係形成在半導體晶片之上，而電極 面則包含含有藉由無電鍍所形成之活性成分的焊錫。 在此事件中，反應層包含由焊錫所製成之接合層。 該反應層可以很均勻地形成在半導體晶片之間。 最好可以完成激活步驟，以移除在電極面上之有機 物質。 再者，可希望完成壓合步驟，使得藉由激活的電極 面接近原子間距離，接合可經由原子間力完成。 激活步驟可藉由由電漿激勵之惰性氣體的原子束完 成。 另外，激活步驟可藉由照射氟基或濺鍍而完成。 激活步驟可藉由在還原氣體中的熱處理而取代完成。 尤其，根據本發明之方法並不會採用此種在每一階 段都將半導體晶片加熱，然後依序接合之方法。 本發明之方法係採用該種不用以加熱取代由於在許 多疊層安裝的半導體晶片之黏著物，如熔劑，所產生之 臨時性連接，就能完成疊層之方法。在此情形下，在所 有的疊層步驟都結束之後，才完成加熱和焊錫接合。 因此，疊層係藉由不用加熱之接合實行’而接合則 是藉由完全迴流實行。因此，可以在接合部分的第一階 -7- 511443 五、發明説明（6 ) 段和接合部分的最後階段之間的相问結構中’形成反應 層。 爲此，被應用到接合部分和半導體晶片之熱負載會 變得很均勻，因此可以獲得相等的接合強度。所以’可 以避免接合部分的可靠度之差與保持在高溫下之可靠度 有關。再者’具有微小間距之電極的半導體晶片可以非 常精確的疊層。 尤其，在臨時性接合期間，並不完成加熱。因此’ 不用反應層就可以實行疊層。渙言之，可以實行疊層， 使得反應層的形成會格外受到抑制。結果，每一次疊層 和每--層都可藉由在接合期間之完全加熱，而形成很均 勻的反應層，因此在結構上會很穩定。 圖式簡單說明 ;毛1圖爲用於豐層和女裝半導體晶片之相關技術的 橫截面圖； 第2A圖和第2B圖爲用於疊層和安裝半導體晶片之 另一相關技術的橫截面圖； 第3A圖到第3D圖爲用於疊層和安裝半導體晶片之 再一相關技術的橫截面圖。 第4 A圖到第4 D圖爲根據本發明實施例之用於疊層 和安裝半導體晶片之方法的橫截面圖；及 第5圖爲根據本發明實施例之用於疊層和安裝半導 體晶片之方法的流程圖。 優選實施例說明 511443 五、發明説明（7 ) 參考第4A圖到第4D圖和第5圖，下面將說明根據 本發明實施例之製造方法。 在示於第5圖的流程圖之中，半導體晶片的疊層製 程大致上分爲疊層臨時性接合步驟2 〇和疊層加熱接合 步驟2 1。 在此情形下’疊層臨時性接合步驟包含表面激活步 驟201，定位步驟202和壓合/安裝步驟203。在另一 方面，疊層加熱接合步驟包含加熱接合步驟2 0 4。 如第4圖所示，隆起物3係形成在半導體晶片1的 電路面6和背面上，然後再將焊錫4供應在隆起物3之 上。此處，應該注意參考數字2表示穿透電極。 就此種半導體晶片1而言，可在還原氣氛下完成濺 鍍，或另外地，可以引入不同種類的氣體。在此情形下 ，會照射由電漿所激勵之原子束，使得可以移除在形成 於隆起物3上之焊錫4的表面上之有機物質，並將其激 活（步驟20 1 )。 對要疊層之半導體晶片1也完成類似的製程。再者 ，當有需時，可在還原氣氛下處理定位，以使得表面已 被激活之半導體晶片1的表面不會再被污染（步驟202) 。之後，完成加熱（步驟203 )。 藉由壓合，被激活的表面層很接近原子間距離’因 此可以藉由原子間力實行接合。此種接合可以不用加熱 就可完成。因此，不會形成反應層（接合物接合層5) ° 換言之，反應層的形成會格外地受到抑制。透過此步驟 -9- 511443 五、發明説明（8 ) ，藉由此種不會形成反應層5之臨時性接合，就可以完 成疊層。 在疊層臨時性接合步驟20中疊層期望的半導體晶片 數之後，藉由加熱到可藉由焊錫接合的那個溫度（步驟 204)，完成疊層安裝製程。 藉由採用此種方法，因爲不用實行由於溶劑黏著所 造成之臨時性附著，所以在接合之後的淸洗步驟就變不 需要了。 再者，加熱係在疊層期望的半導體晶片數之後一起 完戌，而不用在疊層期間加熱和接合。因此，對於每一 次疊層和各層，都有利地形成具有均勻反應層之高可靠 度接合部分。之後，當有需要時，用樹脂密封半導體晶 片，然後裝上外部端子。 在上述之實施例中，可以不用在還原氣氛中完成表 面激活步驟和疊層臨時性接合步驟。 另外地，表面激化可以藉由照射被電漿或氟基激勵 之惰性氣體，或其他被電漿或其他氣體激勵之活性氣體 的泛子束實行。其也可以藉由濺鍍方法或在還原氣體中 的熱處理取代實行。 再者，疊層臨時性接合可以在表面持續激化之情形 下，在還原氣氛之大氣中，或在惰性氣氛下完成。 此外，由於在表面激化之後之壓合所造成的疊層臨 時性接合，除了壓合之外’可以藉由外加超音波完成。 在此情形下，雖然有將焊錫4供應在隆起物3之上 -10- 511443 五、發明説明（9 ) ’但是焊錫也可藉由無電鍍的使用供應，而且可以使用 在其中含有用以激活表面之成分的焊錫。 表面藉由無電鍍中含磷的還原操作而激活，如此其 可以取代或幫助表面激活步驟。此處，在焊錫中所含的 激活成分可以沒有磷。 再者，焊錫4可以不用供應在隆起物3之上。根據 本發明之疊層方法，藉由調整用於激活表面之方法和用 於疊層之還原氣氛環境，可以使用銅，金，鋁和各種金 屬材料的組合當作隆起物。 [範例] (第一例） 參考第4圖，其將說明本發明之第一例。 在電路面6和背面7上之隆起物3係由銅所形成的 ’然後將錫供應在由0.2〜0.5 μπι的銅所製成之隆起物3 上當作接合物4。 激活要疊層之半導體晶片1的表面，且使彼此相互 定位。然後，將它們排放在具有壓合和安裝功能的裝置 中，並且陳放在約爲lxl 〇_3〜lxl 〇_5pa的真空狀態下 。之後，在其中通入氬氣，以產生電漿，然後使氬原子 朝著隆起物的表面照射5分鐘。 在此事件中，照射時間取決於供應當作隆起物或焊 錫之材料的蝕刻速率，而且選擇範圍係在1分鐘和20 分鐘之間。之後，在這樣的還原氣氛中，半導體晶片彼 此相互定位，然後壓合，使其柔順地變形，使得隆起物 -11- 五、發明説明（10 ) 的接合表面會彼此相互連接。 經由上述的製程，可以完成具有激活接合表面之隆 起物的臨時性接合。因此，將藉由臨時性順序接合所形 成的疊層本體加熱到20(TC，然後藉由錫的擴散，完成 最後的接合。 在此第一例中，係在真空中使用氫原子束激活表面 。二擇其一地，也可以使用被大氣中之電漿所激勵之氣 體。再者，雖然係在大氣中完成表面激活後之壓合和臨 時性接合，但是其也可以在通入像氮氣和氬氣之氣體的 大氣中實行。 (第二例） 參考第4圖，其將說明本發明之第二例。 在電路面6上之隆起物3係由金所形成的，而在背 面7上之隆起物3則是由銅所形成的。 激活要疊層之半導體晶片1的表面，且使彼此相互 定位。然後，將它們排放在具有壓合和安裝功能的裝置 中，並且陳放在約爲lxl(T3〜lxl(T5pa的真空狀態下 。之後，在其中通入氬氣，以產生電漿，然後使氬原子 朝著隆起物的表面照射1 〇分鐘。 之後，在這樣的還原氣氛中，半導體晶片彼此相互 定位，然後壓合，使其柔順地變形，使得隆起物的接合 表面會彼此相互連接。 經由上述的製程，可以完成具有激活接合表面之隆 起物的臨時性接合。因此，將藉由臨時性順序接合所形 成的疊層本體加熱到250t，然後藉由金和銅的互相擴 散，完成最後的接合。 -12- 511443

五、發明説明（11 ) 在此事件中，雖然加熱溫度係設到25〇°c ’但是加熱、 可以在更高的溫度下完成，以使得半導體晶片不會變成 有缺陷的。此外，隆起物的材料可以作適當的改變’ ^ 且可以隨意地組合金屬材料。 本發明已揭露幾個相關的實施例，那些技術中的技 巧可能可以很容易地使本發明以各種不同的其他方式實 現。 參考符號說明 1.....半導體晶片 1 a.....半導體晶片 1 b.....半導體晶片 2 .....穿透電極

J · · • •陸起籾 4 · · · .•焊錫 5· ••焊錫接合層 6 · · · • •電路面 Ί—— · • •背面 11· · •·•導線接合線 12 · · • · •插入層 14 · · • · •焊錫隆起物 15· · • · •成型樹脂 16· · • · ·熔劑 -13

Claims (1)

1. 511443 六、申請專利範圍 1 · 一種用以順序疊層和安裝許多具有電極面之半導體晶 片的方法，其包含下列步驟： 激活彼此相對排列之半導體晶片的電極面； 定位該半導體晶片； 藉由壓合’豐層和接合該半導體晶片，使不會形成 反應層或反應層的形成會格外地受到抑制；及 將該半導體晶片全部加熱，以在所有的半導體晶片 完成疊層和接合之後，形成反應層。 2 .如申請專利範圍第1項之方法，其中在該疊層和接合 步驟中，除了壓力之外，還可外加超音波。 3·如申請專利範圍第1項之方法，其中在該半導體晶片 上有形成隆起物，而電極面包含形成在該隆起物上之 焊錫。 4.如申請專利範圍第1項之方法，其中在該半導體晶片 上有形成隆起物，而電極面包含含有由無電鍍形成之 活性成份的焊錫。 5 .如申請專利範圍第1項之方法，其中該反應層包含由 焊錫製成之接合層。 6. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該反應層係很均 勻地形成在該半導體晶片之間。 7. 如申請專利範圍第1項之方法，其中完成該激活步驟 ，以移除在該電極面上之有機物質。 8 ·如申請專利範圍第1項之方法，其中完成該壓合步驟 ，使得藉由激活電極面接近原子間距離，經由原子間 511443 六、申請專利範圍 力而完成接合。 9.如申請專利範圍第1項之方法，其中該激活步驟係藉 由被電漿激勵之惰性氣體的原子束而完成。 1 〇 ·如申請專利範圍第1項之方法’其中該激活步驟係藉 由照射氟基而完成。 11·如申請專利範圍第1項之方法，其中該激活步驟係藉 由濺鍍而完成。 12·如申請專利範圍第丨項之方法’其中該激活步驟係藉 为在還原氣體中的熱處理而完成。 -15 - —