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。
本发明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。
背景技术：
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。
技术实现要素：
根据本发明的示例性实施例，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，将最佳地理解本发明。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，它们示出了根据本发明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，其示出了根据本发明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，其示出了根据本发明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，其示出了根据本发明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，其示出了根据本发明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，其示出了根据本发明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示出了根据本发明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，它们示出了根据本发明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是示出了根据本发明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，它们示出了根据本发明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是示出了根据本发明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，它们示出了根据本发明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是示出了根据本发明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)。
根据本发明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，其用于提供待与其它半导体元件键合的输入工件；输出元件，其用于接收此时包括其它半导体元件的经加工工件；用于移动工件的传送系统；用于对工件进行成像和对准的成像系统；承载键合工具的键合头组件；用于移动键合头组件的运动系统；包括用于操作机器的软件的计算机系统；以及其它元件。
再次参考图1a，上部半导体元件108由键合工具124的保持部分110(例如，通过真空，诸如通过由保持部分110的保持表面限定的真空端口)保持。上部半导体元件108包括位于其下表面上的上部导电结构112a及112b。下部半导体元件160包括被键合至衬底104(或者以其它方式由衬底104支撑)的半导体裸片102。下部导电结构106a及106b被设置在下部半导体裸片102的上表面上。衬底104又由支撑结构150(例如，机器100的加热块、机器100的砧座或者任何其它期望的支撑结构)支撑。在图1a所示的构型(准备进行键合)中，上部导电结构112a及112b中的每个大体与相对的相应下部导电结构106a及106b对准。通过键合工具124的运动(如图1a中的箭头126所示)使半导体元件108向下移动。在这个运动之后，图1b示出了相应导电结构106a与112a以及106b与112b之间的接触。利用超声换能器(未示出，但在附图中被表示为“usg”，即超声发生器)通过键合工具124将超声能量114施加至上部半导体元件108以及上部导电结构112a和112b。例如，承载键合工具124的超声换能器又可以由机器100的键合头组件承载。
在超声键合期间，下部导电结构106a及106b可通过由支撑结构150提供给下部半导体元件160的支撑(例如，支撑结构150的支撑表面可包括一个或多个真空端口，以在键合期间将衬底104紧固至支撑结构150)来保持相对静止。超声能量114(与可选的键合力和/或热量一起)可以使得导电结构局部变形。例如，在图1c中，导电结构106a及106b以及112a及112b被示出为部分地变形。在图1c中，超声键合部被形成在相应成对的导电结构之间。例如，超声键合部128a被形成在变形的导电结构112a'/106a'之间，并且超声键合部128b被形成在变形的导电结构112b'/106b'之间。导电结构106a及106b以及112a及112b可以由铝或铝合金形成、或者可以在它们的键合表面处包含铝、等等。
相应成对的导电元件106a与112a以及106b与112b可以在室温下(在键合工艺期间无需添加热量)被键合在一起。可选地，可以施加额外的热量，例如：(1)在键合工艺期间，通过键合工具124给上部半导体元件108施加额外的热量，由此加热上部导电元件112a及112b；和/或(2)在键合工艺期间，通过支撑结构150(例如，加热块150)给下部半导体元件160施加额外的热量，由此加热下部导电结构106a及106b。这种可选的加热(例如，通过键合工具和/或支撑结构等)适用于在本文中示出并描述的本发明的任何实施例。
图1a至图1c所示的半导体元件160和108可以是被构造成键合在一起的多个半导体元件中的任何一种。在一个特别具体的示例(其也可适于在本文中示出并描述的其它实施例)中，半导体元件160是处理器(例如，也可被称为apu(应用处理器单元)的移动电话处理器)，并且半导体元件108是被构造成如图1a至图1c所示地键合至处理器的存储装置。
图1a至图1c所示的导电结构(即，112a、112b、106a、106b)被示出为通用结构。这些结构可以采取许多不同的形式，诸如导电柱、柱形凸起(例如，使用柱形凸起机形成)、电镀导电结构、溅射导电结构、导线部分、键合焊盘、接触焊盘以及其它形式。本文提供的各种其它附图示出了这些结构的具体示例。根据本发明的某些实施例，导电结构在于该位置处将被键合至其它导电结构的接触区域(即，键合表面)包括铝。在这些实施例中，导电结构可以由铝或铝合金(例如，铝与铜熔成合金、铝与硅和铜熔成合金等)形成。在其它示例中，导电结构可以包括除铝之外的基底导电材料(例如，铜)与位于接触区域的铝(或铝合金)。在本申请中，如果导电结构被称为“铝”，则应理解到，该结构可以是铝，可以是铝合金，或者可以在这种导电结构的接触区域包括铝(或铝合金)。
图2a示出了超声键合机200的部分，该超声键合机200包括键合工具224以及支撑结构250。上部半导体元件208由键合工具224的保持部分210(例如，通过真空)保持，并且包括设置在其下表面处的上部导电结构222a及222b(即，导电铝焊盘222a及222b)。下部半导体元件260包括被键合至衬底204(或者以其它方式由衬底204支撑)的半导体裸片202。下部导电结构206a及206b被设置在下部半导体裸片202的上表面上。衬底204又由支撑结构250支撑。在图2a所示的构型中，上部导电结构222a及222b中的每个大体与相对的相应下部导电结构206a及206b对准(并且被构造成超声键合至相对的相应下部导电结构206a及206b)。下部导电结构206a包括被设置在下部半导体裸片202上的上表面上的铜(cu)柱230以及位于cu柱230的上表面上的上部铝接触结构216。上部铝接触结构216例如可以被电镀或溅射到下部铜柱230的上表面上。图2b是图2a的“b”部分的放大图，并且示出了下部导电结构206a的与上部导电元件222a处于接触的顶部。
利用超声换能器(未示出)通过键合工具224将超声能量施加至上部半导体元件208。如图2c所示，超声能量可以使导电结构局部变形。即，超声键合部228被形成在变形的上部导电结构222a'与变形的接触结构216'之间(如图2c所示)。
如本领域技术人员将理解到的，cu柱230(包括电镀或溅射的铝接触结构/部分216)仅是包括铝的导电结构的一个示例。图2a还示出了另一种示例性的导电结构206b。下部导电结构206b是诸如一部分铝线(可以使用引线键合工艺来键合)、铝柱等的铝结构(或铝合金结构)。
图3示出了超声键合机300的部分，该超声键合机300包括键合工具324以及支撑结构350。上部半导体元件308由键合工具324的保持部分310(例如，通过真空)保持，并且包括上部导电结构322a及322b(即，导电铝焊盘322a及322b)。图3示出了封装半导体器件360(即，下部半导体元件360)到上部半导体元件308的键合。下部半导体元件360包括键合至衬底304(或以其它方式由衬底304支撑)的半导体裸片302。下部导电结构306a及306b被设置在衬底304的上表面上。衬底304又由支撑结构350支撑。引线环320a及320b被键合在半导体裸片302和衬底304之间(虽然未在图3中示出，但是裸片302可以倒装芯片键合至衬底304，这与引线环互连不同于或是对它的补充)。已经在裸片302和引线环320a及320b上施加涂层/封装334(例如，环氧树脂模塑料)。如图所示，下部导电结构306a及306b的上部部分暴露于涂层/封装334上方，以允许电连接至上部半导体元件308。
在图3所示的构型中，上部导电结构322a及322b中的每个大体与相对的相应下部导电结构306a及306b对准(并且被构造成超声键合至相对的相应下部导电结构306a及306b)。如图3所示，下部导电结构306a及306b中的每个包括位于衬底304的上表面上的相应cu柱330a及330b、以及位于cu柱330a及330b的上表面上的相应上部铝接触结构316a及316b。上部铝接触结构316a及316b可以被电镀或溅射到cu柱330a及330b的相应上表面上。如图所示，已经通过键合工具324的运动(如图3中的箭头所示)使半导体元件308向下移动，图3示出了导电结构306a与322a以及306b与322b之间的接触。使用超声换能器来(例如，通过键合工具324)将超声能量(与可选的热量和/或键合力一起)施加至上部半导体元件308，以在铝导电结构322a及322b与相应的铝接触结构316a及316b之间形成超声键合部。
图4a示出了超声键合机400的部分，该超声键合机400包括键合工具424以及支撑结构450。上部半导体元件408由键合工具424的保持部分410(例如，通过真空)保持，并且包括设置在其下表面上的上部导电结构412a及412b(即，例如溅射铝凸起、铝柱形凸起等)。下部半导体元件460包括被键合至支撑结构404(例如，fr4支撑结构)(或以其他方式由支撑结构404支撑)的半导体裸片402。下部导电结构406a及406b(即，例如溅射铝凸起、铝柱形凸起等)被设置在下部半导体裸片402的上表面上。衬底404又由支撑结构450支撑。在图4a所示的构型中，上部导电结构412a及412b中的每个大体与相对的相应下部导电结构406a及406b对准(并且被构造成超声键合至相对的相应下部导电结构406a及406b)。图4b示出了结构412a及406a(在超声键合之前)的细节。再次参考图4a，已经通过键合工具424的运动(如图4a中的箭头所示)使半导体元件408向下移动，接触被示出在导电结构406a与412a以及406与412b之间。使用超声换能器来(例如，通过键合工具424)将超声能量414(与可选的热量和/或键合力一起)施加至上部半导体元件408，以在变形的上部铝导电结构和变形的相应下部铝接触结构之间形成超声键合部428a和428b(参见，例如如图4c所示的被形成在变形的结构412a'与变形的结构406a'之间的完整超声键合部428a')。
图5a示出了超声键合机500的部分，该超声键合机500包括键合工具524以及支撑结构550。上部半导体元件508由键合工具524的保持部分510(例如，通过真空)保持，并且包括上部导电结构522a及522b(即，导电铝焊盘522a及522b)。下部半导体元件560包括被键合至衬底504(例如，fr4支撑结构)(或者以其它方式由衬底504支撑)的半导体裸片502。下部导电结构506a及506b(即，例如溅射铝凸起、铝柱形凸起等)被设置在下部半导体裸片502的上表面上。衬底504又由支撑结构550支撑。在图5a所示的构型中，上部导电结构522a及522b中的每个大体与相对的相应下部导电结构506a及506b对准(并且被构造成超声键合至相对的相应下部导电结构506a及506b)。图5b示出了结构522a及506a(在超声键合之前)的细节。如图所示，已经通过键合工具524的运动(如图5a中的箭头所示)使半导体元件508向下移动，图5a示出了导电结构506a与522a之间的接触。使用超声换能器来(例如，通过键合工具524)将超声能量(与可选的热量和/或键合力一起)施加至上部半导体元件508，以在变形的上部铝导电结构与变形的相应下部铝接触结构之间形成超声键合部528a及528b(参见，例如如图5c所示的被形成在变形的结构522a'与变形的结构506a'之间的完整超声键合部528a')。
图6a示出了超声键合机600的部分，该超声键合机600包括键合工具624以及支撑结构650。在图6中，根据本发明的教导，多个半导体元件已经呈堆叠构型键合在一起。具体而言，半导体元件660a包括被键合至衬底604a(或者以其它方式由衬底604a支撑)的半导体裸片602a，其中导电结构606a及606b(即，例如溅射铝凸起、铝柱形凸起等)被设置在半导体裸片602a的上表面上。半导体元件660a由支撑结构650支撑。
另一个半导体元件660b(包括被键合至衬底604b或者以其它方式由衬底604b支撑的相应半导体裸片602b，并且包括位于衬底604b上的导电结构612a及612b)已经预先被键合至半导体元件660a。具体而言，键合工具624预先将元件660b键合(例如，超声键合)至元件660a，使得在相应成对的铝导电结构612a与606a以及612b与606b之间形成超声键合部628a及628b。元件660b还包括导电结构606a'及606b'，它们已经在下面描述的步骤中被键合至元件660c的导电结构。图6b示出了包括变形的导电结构612a及606a的超声键合部628a的详细视图。
类似地，又一个半导体元件660c(包括被键合至衬底604c或者以其它方式由衬底604c支撑的相应半导体裸片602c，并且包括位于衬底604c上的导电结构612a'及612b')已经预先被键合至半导体元件660b。具体而言，键合工具624预先将元件660c键合(例如，超声键合)至元件660b，使得在相应成对的铝导电结构612a'与606a'以及612b'与606b'之间形成超声键合部628a'及628b'。元件660c还包括导电结构606a”及606b”，它们将在下面描述的步骤中被键合至元件660d的导电结构。
如图6a所示，上部半导体元件660d由键合工具624的保持部分610(例如，通过真空)保持，并且包括被键合至衬底604d(或者以其它方式由衬底604d支撑)的半导体裸片602d。导电结构612a”及612b”(即，例如溅射铝凸起、铝柱形凸起等)被设置在衬底604d的下表面上。导电结构612a”及612b”大体与相对的相应导电结构606a”及606b”对准(并且被构造成超声键合至相对的相应导电结构606a”及606b”)。通过键合工具624的运动(如图6a中的箭头所示)使半导体元件660d向下移动。在该向下运动之后，在相应成对的导电结构612a”与606a”以及612b”与606b”之间发生接触(参见，例如图6c的结构612a”与606a”之间在通过超声键合变形前的接触的详细视图)。使用超声换能器(未示出)通过键合工具624将超声能量施加至上部半导体元件604d，以在相应成对的导电结构612a”与606a”以及612b”与606b”之间形成超声键合部。
虽然已经示出了具体的示例性上部铝导电结构和下部铝导电结构，但是本领域技术人员将理解到，在本发明的教导内允许有各种形状和设计的上部铝导电结构和下部铝导电结构。
图7是示出了根据本发明的一个示例性实施例的将半导体键合在一起的方法的流程图。如本领域技术人员所理解到的，可以省略被包括在流程图的某些步骤；可以增加一些附加步骤；以及，步骤的顺序可以相对于所示出的顺序改变。在步骤700中，第一半导体元件(例如，包括位于衬底上的半导体裸片)被支撑在键合机的支撑结构上。第一半导体元件(例如，半导体结构的上表面)包括至少部分地由铝构成的多个第一导电结构(参见，例如图1a中的元件160的结构106a及106b；图2a中的元件260的结构206a及206b；图3中的元件360的结构306a及306b；图4a中的元件460的结构406a及406b；图5a中的元件560的结构506a及506b；以及图6a中的元件660c的结构606a”及606b”)。在步骤702中，第二半导体元件由键合机的键合工具的保持部分保持(参见，例如相应附图中的元件108、208、308、408、508以及660d)。第二半导体元件包括至少部分地由铝构成的多个第二导电结构(例如，位于第二半导体元件的下表面上)。在步骤704中，第一导电结构和第二导电结构被彼此对准(参见，例如图1a和图6a)，随后使它们彼此接触。在可选的步骤706中，以预定大小的键合力将多个被对准的第一导电结构和第二导电结构压在一起。预定大小的键合力可以是单个键合力值，或者可以是键合操作期间实际键合力在其中变化的键合力曲线(profile)。在可选的步骤708中，将热量施加至多个被对准的第一导电结构和/或第二导电结构。例如，可以使用支撑第一半导体元件的支撑结构来将热量施加至第一导电结构。类似地，可以使用保持第二半导体元件的键合工具来将热量施加至第二导电结构。在步骤710中，多个第一导电结构和第二导电结构被超声键合在一起，以在它们之间形成超声键合部。
如本领域技术人员将理解到的，由于本发明将铝材料键合至铝材料，这可以容易地利用超声能量和/或键合力来完成，而通常不需要加热，因此当期望环境温度/较低温度的键合操作时，本发明尤其有益。
虽然已经主要关于被超声键合在一起的两对导电结构示出并描述了本发明，但是本发明当然不限于此。实际上，根据本发明装配的半导体封装(例如，先进封装)可以具有任意数量的导电结构，并且可以具有被超声键合在一起的数百(或者甚至数千)对导电结构。此外，导电结构不需要成对键合。例如，一个结构可以被键合至两个或更多个相对的结构。因此，来自一个半导体元件的任意数量的导电结构可以被超声键合至另一个半导体的任意数量的导电结构。
虽然本发明主要描述(和示出)了超声能量通过键合工具(例如，在键合工具与超声换能器接合的位置)的施加，但是本发明不限于此。更确切地说，可以通过任何期望的结构传输超声能量，例如支撑结构。
如本领域技术人员将理解到的，根据具体应用，超声键合的细节可广泛变化。尽管如此，现在描述一些非限制性的示例性细节。例如，可以结合导电结构(例如，柱结构等)的设计来对超声换能器的频率进行设计，使得换能器谐振频率大致与给定的半导体元件的谐振频率一致，在这种情况下，导电结构可以作为悬臂梁来动态地起作用。在另一个示例性替代方案中，换能器能够以简单的“从动”型方式相对于半导体元件成非谐振状态运行。
施加至超声换能器(例如，施加至换能器驱动器中的压电晶体/陶瓷)的能量的示例性范围可以在0.1khz至160khz、10khz至120khz、20khz至60khz等范围内。在键合期间，可以施加单个频率，或者可以施加多个频率(例如，依序地、同时地或者依序且同时地)。对半导体元件的擦洗(即，被施加至由键合工具保持的半导体元件的振动能量)可以在多个期望方向中的任意方向上被施加，并且可以通过保持半导体元件的键合工具(如本文中所示出的)、通过支撑半导体元件的支撑结构、以及其它构型来施加。具体参考本文所示的实施例(其中超声能量通过保持半导体元件的键合工具施加)，擦洗可以在大致平行于或者大致垂直于键合工具的纵向轴线的方向上(或者在其它方向上)施加。
由超声换能器施加的振动能量可以例如以0.1um至10um的峰-峰幅度范围施加(例如，利用对恒定电压、恒定电流的反馈控制、或包括但不限于斜坡电流、斜坡电压的交替控制方案、或基于一个或多个输入的比例反馈控制)。
如本文所描述的，还可以在超声键合周期的至少一部分期间施加键合力。键合力的示例性范围为0.1kg至100kg。键合力可以作为恒定值施加，或者可以是在键合周期期间改变的键合力曲线。在受控的键合力实施方式中，基于一个或多个输入(例如，超声振幅、时间、速度、变形、温度等)，对键合力的反馈控制可以是恒定的、斜坡的或成比例的。
如本文所描述的，可以在键合周期前和/或在键合周期期间对半导体元件中的一个或多个进行加热。半导体元件的示例性温度范围在20℃至250℃之间。热量(例如，通过键合工具和支撑结构中的一个或全部、或者其它元件施加的)可以作为恒定值施加，或者可以是在键合周期期间改变的温度曲线，并且可以利用反馈控制来控制。
虽然已经主要关于在位于相应半导体元件上的铝导电结构之间形成超声键合部示出并描述了本发明，但是本发明当然不限于此。即，本发明的教导可以适用于在具有不同成分的导电结构之间形成超声键合部。用于被连接的导电结构的材料的示例性列表包括：铝与铜(即，在位于一个半导体元件上的铝导电结构与位于另一半导体元件上的铜导电结构之间形成超声键合部)；无铅焊料(例如，主要由锡组成)与铜；无铅焊料与铝；铜与铜；铝与银；铜与银；铝与金；金与金；以及铜与金。当然，可以设想导电结构成分(例如，铟)的其它组合。
如以上所提供的，虽然已经结合被包括在半导体元件的各种导电结构中的铝材料描述了本发明的方面，但是本发明不限于此。即，位于半导体元件上的导电结构可以包括各种不同的材料(或由各种不同的材料形成)。例如，位于上部半导体元件(例如，使用键合工具承载和键合的元件)上的导电结构和/或位于下部半导体元件(例如，上部导电元件被键合至的元件)上的导电结构可以由铜形成(或者包括铜)。这种铜材料表面可能经受大气污染物；即，铜表面倾向于氧化。
因此，在本发明的某些实施例中，多个第一导电结构和多个第二导电结构中的至少一种导电结构可以由铜形成(或者包括铜)。在本发明的这种实施例中，整个导电结构不需要由铜形成，而是，多个第一导电结构和/或多个第二导电结构可以在邻近多个第一导电结构和多个第二导电结构中的另一种导电结构的界面部分处包括铜。
根据本发明的方面，可以在进行超声键合前，将涂层(例如，无机涂层)施加至这种导电结构的表面，以防止铜表面(例如，诸如铜柱的铜导电结构的连接表面)氧化。具体而言，可以在进行键合前，将这种涂层施加至位于上部半导体元件(例如，使用键合工具来承载和键合的元件)上的导电结构和/或位于下部半导体元件(例如，上部导电元件键合被键合至的元件)上的导电结构的表面(例如，接合表面)。
例如，这种涂层可以是作为薄的易碎涂层被施加在导电结构(例如，铜柱导电结构)上的无机涂层(例如，氮氧化硅涂层)。在位于上部半导体元件和下部半导体元件上的相应导电结构之间形成倒装芯片互连部前，涂层可以起到保护这些导电结构(诸如铜导电结构)中的某些免于氧化等的作用。随后，结合超声倒装芯片连接工艺，位于相应导电结构上的(一个或多个)涂层被超声擦除，由此建立金属到金属的接触/互连。
通过在导电结构上设置涂层，可以提高细间距倒装芯片封装的生产率和稳固性。例如，由于倒装芯片封装(其可以包括铜互连部)趋向越来越细的间距，因此涂层的使用适用于包括但不限于裸片到衬底、裸片到裸片以及裸片到晶圆的各种场合中形成互连部。
在利用超声能量破坏(breakthrough)涂层(和/或形成在导电结构上的其它氧化物层)后，完成半导体元件的导电结构之间的最终连接工艺(例如，其可包括热、压力和/或力的任何所需组合)。
图8a至图8c(与图9的流程图一起)、图10a至图10c(与图11的流程图一起)以及图12a至图12c(与图13的流程图一起)示出了在利用前述(一个或多个)涂层的半导体元件之间形成互连部的系统及方法。图9、图11及图13是示出了根据本发明的示例性实施例的将半导体元件键合在一起的方法的流程图。如本领域技术人员所理解到的，可以省略被包括在流程图中的某些步骤；可以增加一些额外的步骤；以及，步骤的顺序可以相对于所示出的顺序改变。
具体参考图8a，上部半导体元件808由键合工具824的保持部分810(例如，通过真空，诸如通过由保持部分810的保持表面限定的真空端口)保持。上部半导体元件808包括位于其下表面上的上部导电结构812a及812b。下部半导体元件860包括被键合至衬底804(或者以其它方式由衬底804支撑)的半导体裸片802。下部导电结构806a及806b(例如，诸如铜柱的铜导电结构、其它导电结构)被设置在下部半导体裸片802的上表面上。涂层806a1被设置在导电结构806a上，并且涂层806b1被设置在导电结构806b上。衬底804又由支撑结构850(例如，机器800的加热块、机器800的砧座或者任何其它期望的支撑结构)支撑。在图8a所示的构型(准备进行键合)中，上部导电结构812a及812b中的每个大体与相对的相应下部导电结构806a及806b对准。通过键合工具824的运动(如图8a中的箭头826所示)使半导体元件808向下移动。在这个运动之后，图8b示出了相应导电结构806a(包括涂层806a1)与812a以及806b(包括涂层806b1)与812b之间的接触。利用超声换能器(未示出，但在附图中被表示为“usg”，即超声发生器)通过键合工具824将超声能量814施加至上部半导体元件808以及上部导电结构812a和812b。例如，承载键合工具824的超声换能器又可以由倒装芯片键合机800的键合头组件承载。在超声键合期间，下部导电结构806a及806b可通过由支撑结构850提供给下部半导体元件860的支撑(例如，支撑结构850的支撑表面可包括一个或多个真空端口，以在键合期间将衬底804紧固至支撑结构850)来保持相对静止。超声能量814(与可选的键合力和/或热量一起)可以使得导电结构局部变形。例如，在图8c中，导电结构806a及806b以及812a及812b被示出为变形(或者至少部分地变形)。在图8c中，超声键合部被形成在相应成对的导电结构之间。例如，超声键合部828a被形成在变形的导电结构812a'/806a'之间，并且超声键合部828b被形成在变形的导电结构812b'/806b'之间。
具体参考图9，在步骤900中，第一半导体元件(例如，包括位于衬底上的半导体裸片，诸如图8a所示的元件860)被支撑在键合机的支撑结构上。第一半导体元件(例如，半导体结构的上表面)包括多个第一导电结构，该多个第一导电结构包括位于导电结构的接触表面(例如，用于倒装芯片键合的键合表面)上的易碎涂层(参见，例如如图8a所示的元件860的包括涂层806a1及806b1的结构806a及806b)。在步骤902中，第二半导体元件由键合机的键合工具的保持部分保持(参见，例如图8a中的元件808)。第二半导体元件包括多个第二导电结构(例如，位于第二半导体元件的下表面上)。在步骤904中，第一导电结构和第二导电结构被彼此对准(参见，例如图8a)，并且随后使它们彼此接触(参见，例如图8b)。在步骤906中，超声能量(诸如在图8b中，通过承载第二半导体元件的键合工具)被施加至第二半导体元件，使得第二半导体元件的导电结构破坏第一半导体元件的导电结构的与在该成对导电结构之间形成超声键合部(例如，参见图8c中的超声键合部828a及828b)相关的相应涂层。
具体参考图10a，上部半导体元件1008由键合工具1024的保持部分1010(例如，通过真空，诸如通过由保持部分1010的保持表面限定的真空端口)保持。上部半导体元件1008包括位于其下表面上的上部导电结构1012a及1012b(例如，由铜形成或包括铜的导电结构)，其中涂层1012a1被设置在导电结构1012a上，并且涂层1012b1被设置在导电结构1012b上。下部半导体元件1060包括被键合至衬底1004(或者以其它方式由衬底1004支撑)的半导体裸片1002。下部导电结构1006a及1006b(例如，诸如铜柱的铜导电结构、其它导电结构)被设置在下部半导体裸片1002的上表面上。衬底1004又由支撑结构1050(例如，机器1000的加热块、机器1000的砧座或者任何其它期望的支撑结构)支撑。在图10a所示的构型(准备进行键合)中，上部导电结构1012a及1012b中的每个大体与相对的相应下部导电结构1006a及1006b对准。通过键合工具1024的运动(如图10a中的箭头1026所示)使半导体元件1008向下移动。在这个运动之后，图10b示出了相应导电结构1006a与1012a(包括涂层1012a1)以及1006b与1012b(包括涂层1012b1)之间的接触。利用超声换能器通过键合工具1024将超声能量1014施加至上部半导体元件1008以及上部导电结构1012a及1012b。例如，承载键合工具1024的超声换能器又可以由机器1000的键合头组件承载。在超声键合期间，下部导电结构1006a及1006b可通过由支撑结构1050提供给下部半导体元件1060的支撑(例如，支撑结构1050的支撑表面可包括一个或多个真空端口，以在键合期间将衬底1004紧固至支撑结构1050)来保持相对静止。超声能量1014(与可选的键合力和/或热量一起)可以使得导电结构局部变形。例如，在图10c中，导电结构1006a及1006b以及1012a及1012b被示出为变形(或者至少部分地变形)。在图10c中，超声键合部被形成在相应成对的导电结构之间。例如，超声键合部1028a被形成在变形的导电结构1012a'/1006a'之间，并且超声键合部1028b被形成在变形的导电结构1012b'/1006b'之间。
具体参考图11，在步骤1100中，第一半导体元件(例如，包括位于衬底上的半导体裸片，诸如图10a所示的元件1060)被支撑在键合机的支撑结构上。第一半导体元件(例如，半导体结构的上表面)包括多个第一导电结构(参见，例如如图10a所示的元件1060的结构1006a及1006b)。在步骤1102中，第二半导体元件由键合机的键合工具的保持部分保持(参见，例如图10a中的元件1008)。第二半导体元件包括多个第二导电结构(例如，位于第二半导体元件的下表面上)，该多个第二导电结构包括位于导电结构的接触部分上的涂层(参见，例如如图10a所示，元件1060的包括涂层1012a1及1012b1的结构1012a及1012b)。在步骤1004中，第一导电结构和第二导电结构被彼此对准(参见，例如图10a)，并且随后使它们彼此接触。在步骤1006中，超声能量(诸如在图10b中，通过承载第二半导体元件的键合工具)被施加至第二半导体元件，使得第一半导体元件的导电结构破坏第二半导体元件的导电结构的与在该成对导电结构之间形成超声键合部(例如，参见图10c中的超声键合部1028a及1028b)相关的相应涂层。
具体参考图12a，上部半导体元件1208由键合工具1224的保持部分1210(例如，通过真空，诸如通过由保持部分1210的保持表面限定的真空端口)保持。上部半导体元件1208包括位于其下表面上的上部导电结构1212a及1212b(例如，由铜形成或包括铜的导电结构)，其中涂层1212a1被设置在导电结构1212a上，并且涂层1212b1被设置在导电结构1212b上。下部半导体元件1260包括被键合至衬底1204(或者以其它方式由衬底1204支撑)的半导体裸片1202。下部导电结构1206a及1206b(例如，诸如铜柱的铜导电结构、其它导电结构)被设置在下部半导体裸片1202的上表面上。涂层1206a1被设置在导电结构1206a上，并且涂层1206b1被设置在导电结构1206b上。衬底1204又由支撑结构1250(例如，机器1200的加热块、机器1200的砧座或者任何其它期望的支撑结构)支撑。在图12a所示的构型(准备进行键合)中，上部导电结构1212a及1212b中的每个大体与相对的相应下部导电结构1206a及1206b对准。通过键合工具1224的运动(如图12a中的箭头1226所示)使半导体元件1208向下移动。在这个运动之后，图12b示出了相应导电结构1206a(包括涂层1206a1)与1212a(包括涂层1212a1)以及1206b(包括涂层1206b1)与1212b(包括涂层1212b1)之间的接触。利用超声换能器(未示出，但在附图中被表示为“usg”，即超声发生器)通过键合工具1224将超声能量1214施加至上部半导体元件1208以及上部导电结构1212a及1212b。例如，承载键合工具1224的超声换能器又可以由机器1200的键合头组件承载。在超声键合期间，下部导电结构1206a及1206b可通过由支撑结构1250提供给下部半导体元件1260的支撑(例如，支撑结构1250的支撑表面可包括一个或多个真空端口，以在键合期间将衬底1204紧固至支撑结构1250)来保持相对静止。超声能量1214(与可选的键合力和/或热量一起)可以使得导电结构局部变形。例如，在图12c中，导电结构1206a及1206b以及1212a及1212b被示出为变形(或者至少部分地变形)。在图12c中，超声键合部被形成在相应成对的导电结构之间。例如，超声键合部1228a被形成在变形的导电结构1212a'/1206a'之间，并且超声键合部1228b被形成在变形的导电结构1212b'/1206b'之间。
具体参考图13，在步骤1300中，第一半导体元件(例如，包括位于衬底上的半导体裸片，诸如图12a所示的元件1260)被支撑在键合机的支撑结构上。第一半导体元件(例如，半导体结构的上表面)包括多个第一导电结构，该多个第一导电结构包括位于导电结构的接触表面上的涂层(参见，例如如图12a所示，元件1260的包括涂层1206a1及1206b1的结构1206a及1206b)。在步骤1302中，第二半导体元件由键合机的键合工具的保持部分保持(参见，例如图12a中的元件1208)。第二半导体元件包括多个第二导电结构(例如，位于第二半导体元件的下表面上)，该多个第二导电结构包括位于导电结构的接触部分的涂层(参见，例如如图12a所示，元件1208的包括涂层1212a1及1212b1的结构1212a及1212b)。在步骤1304中，第一导电结构和第二导电结构被彼此对准(参见，例如图12a)，并且随后使它们彼此接触。在步骤1306中，超声能量(诸如在图12b中，通过承载第二半导体元件的键合工具)被施加至第二半导体元件，使得第二半导体元件的导电结构破坏第一半导体元件的导电结构的与在该成对导电结构之间形成超声键合部(例如，参见图12c中的超声键合部1228a及1228b)相关的相应涂层(并且反之亦然，即，第一半导体元件的导电结构破坏第二半导体元件的导电结构的与在该成对导电结构之间形成超声键合部相关的相应涂层)。
相应成对的导电元件(图8a中的806a与812a以及806b与812b；图10a中的1006a与1012a以及1006b与1012b；以及图12中的1206a与1212a以及1206b与1212b)可以在室温下(无需在键合工艺期间添加热量)被键合在一起。可选地，可以例如：(1)在键合工艺期间，通过键合工具824/1024/1224给上部半导体元件808/1008/1012施加热量，由此加热相应的上部导电元件；和/或(2)在键合工艺期间，通过支撑结构850/1050/1250给下部半导体元件860/1060/1260施加热量，由此加热相应的下部导电结构。这种可选的加热(例如，通过键合工具和/或支撑结构等)适用于在本文中示出并描述的本发明的任何实施例。
此外，在键合工艺(例如，结合图8a至图8c、图10a至图10c以及图12a至图12c示出并描述的工艺)期间，可以用预定大小的键合力将多个第一导电结构和第二导电结构压在一起。预定大小的键合力可以是单个键合力值，或者可以是倒装芯片键合操作期间实际键合力在其中变化的键合力曲线。
无论上述特定元件如何，半导体元件860及808(在图8a至图8c中)、1060及1008(在图10a至图10c中)以及1260及1208(在图12a至图12c中)可以是被构造成键合在一起的多个半导体元件中的任意一个(例如，被构造成键合至处理器的存储器件)。例如，下部半导体元件(860、1060、1260)可以是被构造成在倒装芯片键合工艺期间接收上部半导体元件(例如，裸片)的半导体裸片、晶圆、面板、衬底、以及许多其它可能的元件。
导电结构(即，图8a至图8c中的812a、812b、806a及806b；图10a至图10c中的1012a、1012b、1006a及1006b；以及图12a至图12c中的1212a、1212b、1206a及1206b)被示为通用结构。这些结构可以采用许多不同的形式，诸如导电柱、柱形凸起(例如，使用柱形凸起机形成的)、电镀导电结构、溅射导电结构、引线部分、键合焊盘、接触焊盘以及其它形式。本文提供的各种其它附图示出了这种结构的具体示例。根据本发明的某些实施例，导电结构可以由铜或受氧化的一些其它材料等形成，或者包括铜或受氧化的一些其它材料等。
尽管本文参考具体实施例示出和描述了本发明，但是本发明不意图限于所示细节。更确切地说，可以在权利要求的等同物的界限和范围内并且在不脱离本发明的情况下对细节进行各种修改。