用于包括通过接合包含覆盖低熔点材料层的非低熔点材料层的两个接合部件而形成的高 ...的制作方法
【专利说明】
【背景技术】
[0001]封装微电子设备和相关连接部件(诸如中介片等)使用各种结构来利于与其他封装微电子设备或连接部件的附接，从而形成各种微电子组件。这种结构可以包括在设备或部件的表面处露出的导电金属的放大面积形式的接触焊盘。可选地，这种结构可以为金属化过孔、导电销、柱等的露出端的形式。当与另一设备或部件中的类似连接部件对准时，可以使用例如导电接合材料(诸如焊料块等)将连接部件接合到一起。诸如图1A所示焊料块I的焊料块通常被用于形成这种接合件，因为它们相对较低的熔化温度而容易在结构之间接合。此外，这种导电接合块可以再加工或回流，允许修复或调整接合件。
[0002]然而，这种接合块的使用可以具有一些缺陷，尤其当被熔化以在例如接触焊盘等之间形成接合件时，这种接合件会经受横向变形。这可以在冷却之前的块加宽的过程中显示出来，导致接合件宽于初始沉积的块。此外，这种加宽会由于接合件的加热而在微电子组件的正常使用期间增加。因此，如图1C所示，一般接受的是，导电连接元件(诸如接触焊盘2(图1B)等)之间的最小间隔P等于导电连接元件2本身的宽度W的1.5倍。此外，由于导电接合块(诸如焊料等)的宽度直接与其高度相关(由于形成期间的表面张力，其发生在液态)，所以这种接合件的期望高度越高，宽度越大。这种关系会仅基于期望的接合高度而需要大接触焊盘2和大间隔P。
[0003]对于相对较大接触焊盘2或其他连接部件的需求会导致沿着这些部件的接合表面3增加凹陷。具体地，当微电子设备或连接部件的表面通过抛光(通过化学或机械装置)完成时，连接部件会产生凹面。这种凹面可以在相对较大的部件中增加。这种凹陷会不利地影响接合强度并且通常是不期望的。
【发明内容】
[0004]本公开的一个方面涉及一种微电子组件，其包括:第一衬底，具有表面和第一导电元件；以及第二衬底，具有表面和第二导电元件。该组件还包括接合至第一和第二导电元件的导电合金块。导电合金块包括第一材料、第二材料和第三材料。第一和第二材料的熔点均低于合金的熔点。第一材料的浓度从朝向第一导电元件设置的位置处的相对较大量向朝向第二导电元件的相对较小量变化，并且第二材料的浓度从朝向第二导电元件设置的位置处的相对较大量向朝向第一导电元件的相对较小量变化。在一个示例中，第一衬底和第二衬底中的至少一个为半导体材料或介电材料中的至少一种材料。
[0005]合金块可具有小于5微米的厚度。在又一示例中，合金块具有小于I微米的厚度。第一材料和第二材料中的至少一种材料的浓度从相对较大浓度向相对较小浓度单调地变化。第一材料的相对较大浓度的位置可以与第一导电元件相邻。
[0006]第三材料可包括铜、镍、钨、钴、磷、钯、硼、金或银或这些材料的合金等中的至少一种。第一材料和第二材料中的每一个都可在未与第三材料合金化的状态下具有小于200摄氏度的熔点。在又一示例中，第一材料和第二材料中的至少一种材料在未与第三材料合金化的状态下具有小于50°C的熔点。第一和第二材料可以是低熔点材料。例如，第一和第二材料可以是从锡、铟和镓中选择的不同材料。
[0007]在一个示例中，第一导电元件可包括块状导体块，导电合金块上覆块状导体块。第一材料的一部分可扩散到块状导体块中。在另一示例中，第一导电元件还可以包括上覆块状导体块的阻挡层，导电合金块可以接合至阻挡层。
[0008]第一衬底可以包括半导体和介电材料中的至少一种材料的第一支持材料层。在这种示例中，支持材料层限定第一衬底的表面，并且第一导电元件可以是延伸穿过第一支持材料层的一部分并且在第一表面处露出的金属化过孔。第一导电元件可以限定端面和远离端面延伸的边缘面，并且边缘面的一部分可以接触过孔内的第一支持材料层。此外，边缘面的一部分可以在第一支持材料外延伸。在这种示例中，第二衬底可以包括半导体和介电材料中的至少一种材料并限定第二元件的表面的第二支持材料。第二导电元件还可以是延伸穿过第二支持材料层的一部分并在表面处露出的金属化过孔，并且导电合金块的至少一部分可以设置在第二支持材料层内。
[0009]第一导电元件和第二导电元件在与导电合金块的相应接合界面处均具有小于25微米的宽度。在又一示例中，第一导电元件和第二导电元件在与导电合金块的相应接合界面处均具有小于3微米的宽度。
[0010]第一元件可包括多个第一导电元件，并且第二元件可包括多个第二导电元件。在这种示例中，多个导电合金块可以接合在相应的第一导电元件和第二导电元件之间。在又一示例中，第一导电元件均具有一宽度，并且第一导电元件在横向上相互隔开的间距小于第一导电元件的宽度。
[0011]第一导电元件可包括在朝向第二元件的方向上延伸的多个毛细结构，并且导电合金块可以环绕并接合至多个毛细结构中的至少一些单个的毛细结构。
[0012]第一元件可以包括限定第一元件的表面并在横向上延伸的衬底，且第一导电元件为远离表面延伸的柱的形式。
[0013]第一元件还可以包括与第一导电元件电连接的微电子元件。
[0014]本公开的另一方面涉及一种微电子组件，包括限定表面的第一衬底和限定表面的第二衬底。该组件还包括合金块，接合至第一元件和第二元件的表面。合金块包括第一材料、第二材料和第三材料。第一材料的浓度从朝向第一元件设置的位置处的相对较大量向朝向第二元件的相对较小量变化。第二材料的浓度从朝向第二元件设置的位置处的相对较大量向朝向第一元件的相对较小量变化。合金块的熔点大于第一材料处于未合金状态的熔点并且大于第二材料处于未合金状态的熔点。
[0015]在一个示例中，导电合金块可环绕在第一元件和第二元件的表面的对面部分之间限定的内部容积。此外，内部容积被密封。
[0016]在另一示例中，第一元件和第二元件可分别包括第一导电元件和第二导电元件，第一导电元件和第二导电元件限定第一元件和第二元件的表面的接合至导电合金块的部分。
[0017]本发明的另一方面涉及一种用于制造微电子组件的方法。该方法包括:将第一接合部件与第二接合部件对准，使得第一接合部件和第二接合部件相互接触。第一接合部件包括在第一元件中，第一元件具有限定表面和表面处露出的第一导电元件的衬底。第一接合部件包括与第一导电元件相邻的第一材料层和上覆第一材料层的第一保护层。第二接合部件包括在第二元件中，第二元件包括限定表面和在该表面处露出的第二导电元件的衬底。第二接合部件包括与第二导电元件相邻的第二材料层和上覆第一材料层的第二保护层。该方法还包括加热第一接合部件和第二接合部件，使得至少第一材料层和第二材料层一起扩散以形成将第一元件和第二元件相互接合的合金块。
[0018]可以以第一温度执行加热步骤，并且合金块的熔点处于大于第一温度的第二温度。在加热以进一步形成合金块的步骤期间，第一保护层和第二保护层与第一材料层和第二材料层一起扩散。可以执行加热步骤，使得第一接合部件和第二接合部件的温度达到30°C和200°C之间。在加热步骤之后，导电合金块的熔点在200°C和800°C之间。在一个示例中，合金块的熔点比第一或第二材料的熔点大至少30摄氏度。
[0019]第一材料层可包括在加热之前在第二材料层中不存在的至少一种材料组分。第一保护层和第二保护层可以为类似组成。第一材料层和第二材料层可以为低熔点材料。在一个示例中，第一和第二低熔点材料可以是从锡、铟、镓和/或它们的对应合金中选择的不同材料。第一保护层可以包括铜，并且第二保护层可包括铜、镍、钨、钴、磷、钯、硼、金、银和/或它们对应的合金中的至少一种。
[0020]第一导电元件可包括块状导体层和上覆块状导体层的晶种层。第一接合部件可接合至晶种层。该方法可进一步包括:通过晶种层的厚度控制在加热步骤期间温度会升高的第一材料层和第一保护层的熔点。晶种层可包括铜。在加热步骤期间，晶种层还可以与第一材料层和第二材料层一起扩散。在又一不例中，在加热期间，第一材料层的一部分可扩散到块状导体层中。第一导电元件可以包括位于块状导体层和晶种层之间的阻挡层。在这种示例中，阻挡层可以防止第一材料在加热步骤期间扩散到块状导体层中。阻挡层可包括钽、氮化钽、钼、铬-钼、镍、磷、钨、钴、钯、氮化钛、镍磷、钴磷、钛钨、镍钨或它们的组合中的至少一种。
[0021]第一衬底可以是限定第一元件的表面的第一支持材料层，并且第一导电元件可以是延伸穿过第一支持材料层的一部分的金属化过孔。在这种示例中，该方法可进一步包括通过在上覆第一元件的表面的光刻胶层的开口内沉积第一材料层来在金属化过孔之上形成第一接合部件，开口与金属化过孔对准。形成第一接合部件的步骤还可以包括:在光刻胶层的开口内沉积第一保护层。
[0022]在开口内沉积第一材料层之前，晶种层可以位于第一元件的表面和光刻胶层之间，并且可以进一步上覆金属化过孔的端面。此外，可以在开口内的晶种层上覆沉积第一材料层，并且该方法可进一步包括去除光刻胶层和晶种层的未被第一材料层覆盖的部分。
[0023]第一衬底可以是限定第一元件的表面的第一支持材料层，并且第一导电元件可位于第一支持材料层内的开口中。在这种示例中，第一导电元件的端面和第一接合部件可以在开口内凹陷，并且将第一接合部件与第二接合部件对准的步骤可以包括在第一支持材料层的开口内定位第二接合部件。在又一示例中，第一导电元件的端面和第一接合部件可以在孔内凹陷，使得第一保护层的外表面基本与第一支持材料层的表面共面。
[0024]本发明的另一方面涉及一种用于制造微电子组件的方法。该方法包括:将第一元件的表面处露出的第一接合部件与第二元件的表面处露出的第二接合部件对准，使得第一接合部件和第二接合部件相互接触。第一元件和第二元件中的每一个元件均包括衬底，并且第一接合部件包括第一材料层和上覆第一材料层的第一保护层。第二接合部件包括第二材料层和上覆第二材料层的第二保护层。该方法进一步包括加热第一接合部件和第二接合部件，使得至少第一材料层和第二材料层一起扩散以形成将第一元件和第二元件接合到一起的合金块。在加热之前合金块的熔点高于第一材料层和第二材料层的熔点。在加热以进一步形成合金块的步骤之前，第一保护层和第二保护层与第一材料层和第二材料层一起扩散。
[0025]第一接合部件可环绕第一元件的表面的区域，第二接合部件可环绕第二元件的表面的区域。在这种示例中，将第一接合部件与第二接合部件对准可以在第一接合部件、第二接合部件以及第一元件和第二元件的表面的被环绕部分内限定容积。此外，加热步骤还可以使得内部容积变得被导电合金块密封。
[0026]第一元件和第二元件分别包括第一导电元件和第二导电元件，第一导电元件和第二导电元件限定第