专利名称：使用直接铜接合的电/光集成方案的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及半导体封装件。更具体地说，本发明涉及使用直接铜接合来提高性能并提供电光连接的半导体封装件和制造方法。
背景技术：
在高度复杂的计算机工业中，朝向更高的处理速度和增强的功能性的趋势已经是众所周知的。尽管这种趋势对于消费者来说是所希望的，但它对电路设计者和制造商提出了重大的挑战。
在一般的计算环境中，诸如处理器之类的集成电路(IC)被密封在电介质材料中，以形成半导体管芯(或IC晶片)。IC晶片经常具有各种IC接触焊盘(contact pad)，这些接触焊盘经由垂直延伸的过孔和水平延伸的导线或迹线连接到IC的元件上。为了将紧密间隔的IC接触焊盘电连接到邻近的诸如母板之类的印刷线路板(PWB)的各种迹线上，已经使用的许多技术。一种方法是将诸如芯片转接板(interposer)或宿主晶片(hostwafer)之类的中间晶片连接到IC晶片上，以便形成较大的和更易管理的半导体封装件。中间晶片具有一个或多个中间接触焊盘，这些中间接触焊盘提供到中间晶片板侧的直通连接。通常使用被金属化的过孔来提供上述直通连接。一种连接两个晶片的传统方法是使用间接连接手段，例如受控塌陷芯片连接(C4)。如果中间晶片具有可插入互连机构，例如引脚或球栅阵列(BGA)焊球，则半导体封装件可以直接与被硬布线到PWB的插座相配合。否则，在半导体封装件和插座之间放置可插入接口。随着处理速度持续提高以及计算设备的尺寸持续缩减，封装设计对信号吞吐量的影响已经引起了更多的关注。
最近的一种发展是利用通过传送光域中的信号所提供的带宽优点。特定地，已经确定出使用光学系统传输高速时钟信号以及输入/输出(I/O)信号可以显著地提高性能。利用光学系统的传统半导体封装件经常提供IC晶片和具有光学装置的中间晶片。光学装置通常将包括波导和耦合器，例如布拉格(Bragg)光栅。波导和耦合器从而提供了用于在诸如激光器或者发光二极管(LED)之类的光源和邻近的IC晶片之间传递光信号的机构。但是，重要的是应注意到信号的处理经常发生在电域中。这在被广泛使用于工业中的计算机处理器的情况中尤为真实。在这种情况中，普遍在IC晶片上提供在制造过程中与光耦合器对准的光电探测器。
尽管上述传统方法已经在一些情况中满足要求，但是仍存在某些难点。一个具体的难点涉及光探测器在IC晶片上的布置。特定地，已经确定出C4接合造成了晶片之间的“间隙”，并且从光学的角度，间隙可以导致许多问题。例如，光学装置与光电探测器的对准要求很高程度的精密度，以便充分地耦合穿过在两个晶片之间的接口的光能。另外，间接接合方法造成在60微米量级上的间隙，这种间隙可以使得光能逃逸，而不论晶片多么良好地被对准。虽然上述的光损耗可以通过在中间晶片上放置光探测器而在一定程度上被避免，但是已经确定出C4接合从电学的角度来看同样可以带来问题。例如，不需要的互连延迟、电阻、电容和环路电感可以都由被放置在IC接触焊盘与中间接触焊盘之间的C4焊球引起。因此，传统的电光半导体封装件的制造商和设计者面临着在与光探测器的IC晶片布置相关联的光损耗和与光探测器的中间晶片布置相关联的电损耗之间的艰难选择。
图1是根据本发明一个实施例的在直接铜接合之前的电光半导体封装件的例子的横截面视图；图2是根据本发明一个实施例的在直接铜接合之后的电光半导体封装件的例子的横截面视图；图3是根据本发明一个实施例的制造电光半导体封装件的方法的例子的流程图；图4是根据本发明一个实施例的将IC接触焊盘直接铜接合到中间接触焊盘的处理的例子的流程图；以及图5是根据本发明一个实施例的制造中间晶片的方法的例子的流程图。
具体实施例方式
电光半导体封装件和制造方法的实施例提供了提高的性能。根据该制造方法的一个实施例，提供了具有一个或多个IC接触焊盘的集成电路(IC)晶片，其中IC接触焊盘被连接到IC晶片上的IC。提供了具有一个或多个中间接触焊盘的中间晶片，其中中间接触焊盘被连接到中间晶片上的电光装置。该方法还提供了用于将IC接触焊盘直接铜接合到邻近的中间接触焊盘的步骤，使得产生电光半导体封装件。
在另一个实施例中，制造中间晶片的方法提供了用于在中间晶片中放置波导的步骤。光耦合器邻近中间晶片中的波导被放置，其中耦合器使能光信号的传递，并且中间晶片的一个或多个中间接触焊盘使能电信号的传递。该方法还提供了用于在光耦合器和中间接触焊盘之间放置电光转换器的步骤，使得转换器使能光信号和电信号之间的转换。该转换器可以是光探测器或者光发射器。
进一步根据本发明的实施例，提供了电光半导体封装件。该半导体封装件包括具有一个或多个IC接触焊盘的IC晶片，其中IC接触焊盘被连接到IC晶片上的IC。中间晶片具有一个或多个中间接触焊盘，其中中间接触焊盘被连接到中间晶片上的电光装置。接触焊盘形成了多个直接铜接合。
应当理解，上述的概括描述和下面的详细描述都只是本发明的示例性内容，其意思是提供概述或框架，用于理解如所主张的本发明的特性和特点。附图被包括进来用于提供对本发明的进一步的理解，并结合到本说明书中，构成本说明书的一部分。附图示出了本发明的各种特征和实施例，并连同描述一起用于解释本发明操作和原理。
现在转到图1和图2，分别示出了在接合处理之前和之后的电光半导体封装件。通常，完成的半导体封装体10包括具有一个或多个IC接触焊盘14的IC晶片12。IC接触焊盘14经由垂直延伸的过孔16和水平延伸的导线或迹线18被连接到IC晶片12上的IC(没有示出)。应当认识到，只在IC晶片12中示出了两级互连，但是通常可以使用多至六个或者更多个级别。封装件还包括具有一个或多个中间接触焊盘22的中间晶片20。中间接触焊盘22被连接到中间晶片20上的电光装置24。如下面将更详细讨论的，在制造完成之后，接触焊盘14、22形成了多个直接铜接合，使得两个晶片12、20之间的间隙被消除。通过消除两个晶片12、20之间的间隙，可以避免许多性能上的难点。
特定地，所示出的电光装置的实施例包括第一装置24a和第二装置24b。第一装置24a具有被放置在中间晶片20之中的波导26。光耦合器28被邻近中间晶片20之中的波导26放置，使得耦合器28能够接收来自波导26的光信号。光信号可以从任何源获得，这些源例如是激光器、发光二极管(LED)或者另一个波导。应当认识到，光信号的源也可以从中间晶片20的内部或者从外部源产生。诸如光探测器30之类的电光转换器被放置在光耦合器28与中间接触焊盘22的一个或多个之间，使得光探测器30基于光信号使能向中间接触焊盘传递电信号。光探测器在半导体工业中是众所周知的，可以使用许多可商业获得的探测器。在所示的实施例中，光探测器30使能电信号向中间接触焊盘22b和22c的传输。得到的电信号可以是时钟信号、输入/输出(I/O)信号或者适于在光域中传送的任何其他类型的信号。但是，应当注意，时钟和I/O信号通常含有较高的频率，并因而出于带宽的考虑，适于光传送。
还应当认识到，中间接触焊盘22的数量、取向和位置依赖于电光装置24的体系结构和使用半导体封装件10的具体应用。还可以看到，第二装置24b类似地包括被放置在中间晶片20之中的波导32和光耦合器34。光耦合器34被邻近中间晶片20之中的波导32放置，并使能光信号向波导32的传送。诸如光发射器36之类的电光转换器被放置在光耦合器34与中间接触焊盘22e和22f之间，使得光发射器36基于通过中间接触焊盘22e和22f传递的电信号，使能光信号向波导32的传输。为了表明向外部部件发送光信号的可能性，可以看到波导32延伸到中间晶片20的外表面。另一方面，波导26被示出为在垂直于波导32的方向上延伸，并示出了使用其他内部光源的可能性。因此，电光装置24可以包括光探测器30、光发射器36或者它们的任何组合，而不脱离本发明的精神和范围。
还可以看到，所示出的中间晶片20还包括延伸穿过中间晶片20到达中间接触焊盘22a和22d的过孔38、40。过孔30、40提供了用于测试某些单元或者用于将半导体封装件10与例如引脚栅格阵列(PGA)、球栅阵列(BGA)等的其他结构互连的机构。另外，半导体封装件10提供了一种机构，用于帮助通过人工、制造机械和其他外部元素操作封装体10。特定地，中间晶片20可以借助于释放层42被构建在操纵晶片(handlewafer)44上或者被连接到操纵晶片44。在如图2中最佳示出的直接铜接合处理之后，通过刻蚀除去释放层42，操纵晶片44是可移去的。
现在转到图3，根据本发明一个实施例，在50处示出了制造电光半导体封装件的方法。一般地，在处理框52提供具有一个或多个IC接触焊盘的IC晶片。如已经讨论的，IC接触焊盘被连接到IC晶片上的IC。在框54提供具有一个或多个中间接触焊盘的中间晶片，其中，中间接触焊盘被连接到中间晶片上的电光装置。处理框56提供了用于将IC接触焊盘直接铜接合到邻近的中间接触焊盘的步骤，使得产生电光半导体封装件。在优选的实施例中，释放层在框58被去除，以便促进到可能存在的任何过孔的连接。
图4更加详细地在框56示出了对接触焊盘进行直接铜接合的优选的方法。特定地，在框60，IC焊盘和中间焊盘被清洁。清洁处理的一种方法是使用酸浴，之后用水冲洗并甩干。在A.Fan等，“Copper WaferBonding”，Electrochemical and Solid State Letters，2(10)，第534-36页(1999)中更详细地讨论了可应用的清洁处理。虽然酸浴的目的是去除接触焊盘的金属表面上存在的任何天然氧化物，但是已经确定出没有表面预处理的晶片接合也可以获得可重复的结果。并且，处理框62提供了用于在具有预定环境温度的抗氧化环境(例如氮环境)中将IC接触焊盘邻近中间接触焊盘放置的步骤。虽然适当的环境温度基于许多因素而不同，但是在390℃量级上的温度已经被证实为足够支持接合处理。在处理框64，对于预定的一段时间，以预定的压力迫使IC接触焊盘直接与邻近的中间接触焊盘接触，使得产生直接铜接合。应当注意，与从C4接合以及其他传统方法所获得的铜-焊料-铜的界面相比，作为上述处理的结果，邻近的接触焊盘成为了单个的、连续的铜层。还应当注意，使用这样的接合来降低光和电两者的损耗表现出对传统方法的显著改善。在A.Rahman等，“Comparison of Key Performance Metrics in Two-and Three-DimensionalIntegrated Circuits”中，Microsystems Technology，马萨诸塞州剑桥市麻省理工学院，讨论了与直接铜接合相关联的关键性能度量指标。
实际上，图5例示出直接铜接合使能了一种用于制造中间晶片的独特方法。举例来说，制造方法66包括在中间晶片之中放置波导的处理框68。在框70，光耦合器被邻近中间晶片之中的波导放置，使得耦合器使能接收来自波导的光信号。处理框72提供了用于将光探测器放置在中间晶片的一个或多个中间接触焊盘与光耦合器之间的步骤，使得光探测器基于光信号使能电信号到中间接触焊盘的传输。因此，与将探测器放置在IC晶片上的的传统方法相比，光探测器可以被放置在中间晶片上。通过这样做，可以获得许多优点。例如，由于晶片之间的C4间隙而通常发生的光损耗被最小化。另外，与穿过C4接合传送电信号相关联的电损耗被显著地降低了。这些损耗包括不需要的互连延迟、电阻、电容和环路电感。还可以看到，在框74，过孔穿过中间晶片延伸到一个或多个中间接触焊盘。
应当注意，这里所描述的多个过程进行的顺序可以根据情况而不同。例如，制造上的考虑可能要求在放置波导之前创建过孔，或者在放置波导和光耦合器之前放置光探测器。也可能将释放层沉积在操纵晶片上，将中间晶片20构建在操纵晶片的上方。在这种方法中，将首先沉积基底覆层，其后沉积和界定波导材料。界定光耦合器34，其后沉积和界定光探测器，并最后完成过孔40的界定和中间接触焊盘22的界定。
现在，本领域的技术人员可以从上述描述认识到，可以以各种形式实现本发明宽泛的教导。因此，尽管已经结合其特定的示例描述了本发明，但是本发明真正的范围不应如此被限定，因为在研究了附图、说明书和权利要求之后，对于本领域的专业人员来说，其他的修改将变得明显。
权利要求
1.一种制造电光半导体封装件的方法，所述方法包括提供具有一个或多个集成电路接触焊盘的集成电路晶片，所述集成电路接触焊盘被连接到所述集成电路晶片上的集成电路；提供具有一个或多个中间接触焊盘的中间晶片，所述中间接触焊盘被连接到所述中间晶片上的电光装置；以及将所述集成电路接触焊盘直接铜接合到邻近的中间接触焊盘，以形成所述电光半导体封装件。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括清洁所述接触焊盘；在具有预定环境温度的抗氧化环境中邻近所述中间接触焊盘放置所述集成电路接触焊盘；以及以预定的压力迫使所述集成电路接触焊盘直接与所述邻近的中间接触焊盘相接触，以形成直接铜接合。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括在酸浴中清洁所述接触焊盘。
4.根据权利要求2所述的方法，还包括在氮环境中邻近所述中间接触焊盘放置所述集成电路接触焊盘。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括在所述中间晶片之中放置波导；邻近在所述中间晶片之中的所述波导放置光耦合器，所述耦合器使能光信号的传递，所述中间接触焊盘使能电信号的传递；以及在所述光耦合器与一个或多个所述中间焊盘之间放置电光转换器，所述转换器使能所述光信号与所述电信号之间的转换。
6.根据权利要求5所述的方法，还包括在所述光耦合器与一个或多个所述中间焊盘之间放置光探测器，所述探测器使能所述光信号到所述电信号的转换。
7.根据权利要求5所述的方法，还包括在所述光耦合器与一个或多个所述中间焊盘之间放置光发射器，所述发射器使能所述电信号到所述光信号的转换。
8.根据权利要求5所述的方法，还包括将过孔穿过所述中间晶片延伸到一个或多个所述中间接触焊盘。
9.根据权利要求5所述的方法，还包括将释放层耦合到所述中间晶片的表面；以及将操纵体耦合到所述释放层。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括在将所述集成电路接触焊盘直接铜接合到所述中间接触焊盘之后，去除所述释放层。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括刻蚀掉所述释放层。
12.根据权利要求5所述的方法，还包括使能所述光信号和时钟信号之间的转换。
13.根据权利要求5所述的方法，还包括使能所述光信号和输入/输出信号之间的转换。
14.根据权利要求1所述的方法，还包括提供具有一个或多个集成电路接触焊盘的计算机处理器晶片。
15.根据权利要求1所述的方法，还包括提供芯片转接板作为所述中间晶片。
16.根据权利要求1所述的方法，还包括提供宿主晶片作为所述中间晶片。
17.一种制造中间晶片的方法，所述方法包括在所述中间晶片之中放置波导；邻近在所述中间晶片之中的所述波导放置光耦合器，所述耦合器使能光信号的传递，所述中间晶片的一个或多个中间接触焊盘使能电信号的传递；以及在所述光耦合器与所述中间接触焊盘之间放置电光转换器，所述转换器使能所述光信号和所述电信号之间的转换。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括在所述光耦合器与一个或多个所述中间焊盘之间放置光探测器，所述探测器使能所述光信号到所述电信号的转换。
19.根据权利要求17所述的方法，还包括在所述光耦合器与一个或多个所述中间焊盘之间放置光发射器，所述发射器使能所述电信号到所述光信号的转换。
20.根据权利要求17所述的方法，还包括将释放层耦合到所述中间晶片的表面；以及将操纵体耦合到所述释放层。
21.根据权利要求20所述的方法，还包括在将一个或多个集成电路接触焊盘直接铜接合到所述中间接触焊盘之后，去除所述释放层。
22.根据权利要求21所述的方法，还包括刻蚀掉所述释放层。
23.一种制造电光半导体封装件的方法，所述方法包括提供具有一个或多个集成电路接触焊盘的处理器晶片，所述集成电路接触焊盘被连接到所述处理器晶片上的计算机处理器；将释放层耦合到中间晶片的表面；将操纵柄耦合到所述释放层；在所述中间晶片之中放置波导；邻近在所述中间晶片之中的所述波导放置光耦合器，所述耦合器使能接收来自所述波导的光信号；在所述光耦合器与一个或多个所述中间接触焊盘之间放置光探测器，所述光探测器使能基于所述光信号将电信号传递到所述中间接触焊盘；在酸浴中清洁所述接触焊盘；在具有预定环境温度的抗氧化环境中邻近所述中间接触焊盘放置所述集成电路接触焊盘；以及以预定的压力迫使所述集成电路接触焊盘直接与所述中间接触焊盘相接触，以形成直接铜接合。
24.根据权利要求23所述的方法，还包括在将所述集成电路接触焊盘直接铜接合到所述中间接触焊盘之后，去除所述释放层。
25.根据权利要求24所述的方法，还包括刻蚀掉所述释放层。
26.一种电光半导体封装件，包括具有一个或多个集成电路接触焊盘的集成电路晶片，所述集成电路接触焊盘被连接到所述集成电路晶片上的集成电路；具有一个或多个中间接触焊盘的中间晶片，所述中间接触焊盘被连接到所述中间晶片上的电光装置；以及所述接触焊盘形成了多个直接铜接合。
27.根据权利要求26所述的封装件，其中，所述中间晶片的所述电光装置包括被放置在所述中间晶片之中的波导；邻近在所述中间晶片之中的所述波导而被放置的光耦合器，所述耦合器使能接收来自所述波导的光信号；和被放置在所述光耦合器与一个或多个所述中间接触焊盘之间的光探测器，所述光探测器使能基于所述光信号将电信号传递到所述中间接触焊盘。
28.根据权利要求27所述的封装件，其中，所述中间晶片还包括穿过所述中间晶片延伸到一个或多个所述中间接触焊盘的过孔。
29.根据权利要求26所述的封装件，还包括被耦合到所述中间晶片表面的释放层；和被耦合到所述释放层的操纵体。
30.根据权利要求29所述的封装件，其中，通过刻蚀掉所述释放层，所述操纵体是可去除的。
全文摘要
一种电光半导体封装件和制造方法提供了提高的性能。提供具有一个或多个集成电路(IC)接触焊盘的集成电路，其中所述集成电路接触焊盘被连接到集成电路晶片上的集成电路。提供具有一个或多个中间接触焊盘的中间晶片，其中所述中间接触焊盘被连接到所述中间晶片上的电光装置。该方法还提供了用于将所述集成电路接触焊盘直接铜接合到邻近的中间接触焊盘的步骤，使得形成电光半导体封装件。
文档编号H01L27/15GK1605123SQ02825186
公开日2005年4月6日 申请日期2002年11月26日 优先权日2001年12月19日
发明者吉尔罗伊·范登特普, 郑君非 申请人:英特尔公司