(57)【要約】【解決手段】システム及び方法は、腐食性の要素（または少なくとも酸化剤）が、積層型ＩＣデバイス（１０）の２つのレイヤの間の界面の金属接続に接することを防止する。レイヤが互いに近接して配置された時、レイヤの表面の境界に空洞が形成される。この空洞は、レイヤ間の周辺封止部（１１０／１１３）によって区画される。一実施形態では、空洞内に真空が形成され、これによって空洞内の腐食性の環境を低減する。別の実施形態では、この空洞は、アルゴンのような不活性ガスにより充填される。空洞が低減された酸化要素を有すると、空洞内に汚染物質が浸潤することを防止するために、周辺封止部（１１０／１１３）によって封入され得る。【選択図】図１Ｃ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いにその表面に沿って接着され、それぞれが少なくとも一つのアクティブ素子を備える第１及び第２ティア（tiers）と、
前記表面のうちの接着された一つの周辺縁部を取り囲む環境封止部と
を備える積層型半導体デバイス。
【請求項２】
前記封止部によって区画された領域内で、前記接着された表面間に実質的に非腐食性の環境を更に備える、請求項１の構造。
【請求項３】
前記実質的に非腐食性の環境は、不活性ガスを備える、請求項２の構造。
【請求項４】
前記実質的に非腐食性の環境は、低減された気圧を有する、請求項２の構造。
【請求項５】
前記封止部の外縁部に形成された環境保護シールドを更に備える、請求項２の構造。
【請求項６】
前記保護シールドは、コンフォーマル（conformal）ＰＥＣＶＤ（プラズマ励起化学気相堆積）膜で形成される、請求項５の構造。
【請求項７】
前記ティアは、ダイ（die）である、請求項２の構造。
【請求項８】
前記第１ティアはダイ（die）であり、前記第２ティアはウェハである、請求項２の構造。
【請求項９】
積層型半導体デバイスを組み立てる方法であって、前記方法は、
前記半導体デバイスの隣接するティア（tiers）の表面を、接着のために接続することと、
前記隣接するティアの前記表面間に、制御された環境を生成することと、
前記表面が接着された後、前記制御された環境を維持することと
を備える方法。
【請求項１０】
前記生成することは、低い気圧を生成すること、を備える請求項９の方法。
【請求項１１】
前記維持することは、
前記表面が接着されるよりも前に、前記表面の各々上の材料から構成された少なくとも一つの周辺封止部を設けること、を備える請求項９の方法。
【請求項１２】
前記維持することは、
前記周辺封止部の外縁部上に保護膜を堆積すること、を備える請求項１１の方法。
【請求項１３】
前記生成することは、
前記表面間に非酸素ガスを加えること、を備える請求項９の方法。
【請求項１４】
前記ガスは、アルゴン、窒素、及びこれらを含むガス（フォーミングガス：forming gas）のリストから選択される、請求項１３の方法。
【請求項１５】
その上にＩＣ素子を有し、前記素子が形成される少なくとも一つの表面を有する第１のダイ（die）と、
その上にＩＣ素子を有し、前記素子が形成される少なくとも一つの表面を有する第２のダイと、
前記ダイのそれぞれの前記表面上に形成された少なくとも一つの封止素子と
を備え、前記ダイの前記表面は、前記封止素子が、前記ＩＣ素子の少なくともいくつかの周囲の環境（environment）を封止するように一体化されるように、共に接着される、積層型ＩＣデバイス。
【請求項１６】
前記封止された環境内に、選択的に形成された環境（atmosphere）を更に備える、請求項１５の積層型ＩＣデバイス。
【請求項１７】
前記形成された環境は、改良された雰囲気（ambient atmosphere）である、請求項１６の積層型ＩＣデバイス。
【請求項１８】
前記選択的に形成された環境は、低い気圧、及び非酸素ガスのリストから選択される、請求項１６の積層型ＩＣデバイス。
【請求項１９】
前記封止素子内に前記生成された環境を維持するように、前記封止素子に関して位置付けられた封入材料を更に備える、請求項１６の積層型ＩＣデバイス。
【請求項２０】
前記封止素子は、前記封止された環境の周囲を取り囲むように設けられた金属部を備える、請求項１７の積層型ＩＣデバイス。
【請求項２１】
積層型ＩＣデバイスを組み立てる方法であって、前記方法は、
第１のダイ（die）を、第２のダイとの関係で位置合わせすることと、
前記第１のダイの表面と前記第２のダイの表面との間に、制御された環境を確立することと、
前記積層型ＩＣデバイスを形成するために、前記第１及び第２のダイを接着することと
を備える方法。
【請求項２２】
前記接着された積層型ＩＣデバイスに、環境バリアを付加すること、を更に備える請求項２１の方法。
【請求項２３】
前記確立することは、
前記ダイに形成された対を為す素子（mated elements）によって、前記各表面間に、封止された空洞を形成すること、を備える請求項２２の方法。
【請求項２４】
前記確立することは、
前記封止された空洞内の気圧を低減すること、を更に備える請求項２３の方法。
【請求項２５】
前記確立することは、
前記封止された空洞内に非酸素ガスを注入すること、を更に備える請求項２３の方法。
【請求項２６】
前記接着することは、前記第１及び第２のダイを共に加圧しつつ、前記ダイの温度を上昇させること、を備える請求項２３の方法。
【請求項２７】
前記第２のダイは、そこに複数のダイを有するウェハ上に含まれる、請求項２１の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この開示は集積回路（ＩＣ）に関し、より具体的にはマルチレイヤＩＣ（multi-layered ICs））に関し、更に具体的にはレイヤ間での腐食を制御するシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＩＣ技術では、マルチレイヤ（３−Ｄ）ＩＣデバイスを形成するために、複数のチップ（ダイ）を互いに積層する必要がある。３−Ｄデバイスを形成する一つの方法は、２つ（またはそれ以上）のレイヤを接続して、これらのレイヤを一つの構造に封入（encapsulate）することである。各レイヤの表面上の電気的な導体及び／またはコンタクトが、異なるレイヤの回路間で電気信号を伝送する役目を果たす。これらの導体／コンタクトは非常に小さく、直径はミクロンのオーダーであり、腐食性の環境に晒された際には、比較的速く腐食される。そして腐食は、３Ｄデバイスの信号処理能力を妨げる。
【０００３】
腐食は、２つのダイが接続される際に、それらの間に小さなギャップ（gap）が生成されることに起因する。水や酸素といった腐食性の材料は、これらのギャップにトラップされ得る。そしてこのトラップされた腐食性の材料は、金属性の導体／コンタクトと相互作用し、信頼性の問題を引き起こす。
【０００４】
一つの解決方法は、充填材料によってこの“ギャップ”を埋めることである。ギャップのサイズは一定では無いので、充填材料の量も一定では無い。よって、ギャップを完全に埋めることは困難である。他方で、非常に多くの充填材料を使用することは、結果として得られる３−Ｄデバイスのサイズを増大させ、これによりフォームファクタ（form factor）が変化する。
【０００５】
別の解決方法は、ギャップを無くすか、またはそれを非常に小さくすることである。これを為すためには、各ダイの表面が極めて平らでなくてはならず、ダイの取り扱いコスト及びデバイスのコストを増加させるだろう。
【０００６】
更なる問題は、温度上昇または外部圧力低下の際に、レイヤ間にトラップされたガスが膨張することである。膨張したガスは、接着されたティア（tier）に、分離圧力を及ぼす。
【発明の概要】
【０００７】
本開示は、腐食性の要素（例えば酸化剤）が、積層型ＩＣデバイスの２つのレイヤの間の界面の金属接続に接することを防止するシステム及び方法に向けられている。レイヤが互いに近接して配置されると、レイヤの表面の境界に空洞が形成される。この空洞は、レイヤ間の周辺封止部によって区画される。一実施形態では、空洞内に真空が形成され、これによって空洞内の腐食性の環境を除去または低減する。別の実施形態では、この空洞は、アルゴンのような非酸化ガスにより充填される。空洞から酸化要素が除去されると、空洞内に汚染物質が浸潤することを防止するため、そして封止部自身の腐食を防止するために、周辺封止部によって封入される。
【０００８】
上記は、後に続く本発明の詳細な説明がより理解され得るために、本発明の特徴及び技術的な利点の要点を、かなりおおざっぱに説明した。更なる特徴及び利点が、本発明の特許請求の範囲の主題を構成する以下で述べられる。開示される概念及び具体的な実施形態が、本発明と同じ目的を達成するためのその他の構造の改良または設計の基礎として、容易に使用し得ることが、当業者によって理解されるべきである。そのような等価な構成は、添付の特許請求の範囲で説明されたような本発明の精神及び範囲から逸脱しないこともまた、当業者によって理解されるべきである。本発明を特徴づけると信じられる新規な特徴は、その構成及び動作の方法の両方について、更なる目的と利点と共に、添付図面と共に考慮される際に、以下の説明からより良く理解されるだろう。しかしながら、図面の各々は、例示及び説明のみの目的で与えられ、本発明の境界の定義付けとして意図されないことが、明白に理解されるだろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
本発明のより完全な理解のため、以下の記述に対する言及が、添付図面ととともに為される。
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の実施形態に従ったマルチレイヤＩＣデバイス及びマルチレイヤＩＣデバイスを製造する典型的なプロセスの例を示す。
【図１Ｂ】図１Ｂは、本発明の実施形態に従ったマルチレイヤＩＣデバイス及びマルチレイヤＩＣデバイスを製造する典型的なプロセスの例を示す。
【図１Ｃ】図１Ｃは、本発明の実施形態に従ったマルチレイヤＩＣデバイス及びマルチレイヤＩＣデバイスを製造する典型的なプロセスの例を示す。
【図２】図２は、本発明の実施形態に従った、別の積層型ＩＣデバイスを示す。
【図３】図３は、本発明の実施形態に従った、ダイとウェハとの積層の一実施形態を示す。
【図４】図４は、本発明の実施形態に従った、マルチレイヤＩＣデバイスが環境制御されたチャンバー内で接着される別の実施形態を示す。
【図５】図５は、本発明の実施形態に従った、マルチレイヤＩＣデバイスのレイヤ間の腐食を制御する方法の一実施形態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１Ａを参照すると、上側のダイ１１及び下側のダイ１２を備える積層型ＩＣデバイス１０が示されている。上側のダイ１１は、アクティブレイヤ１０１と基板レイヤ１０２を有する。下側のダイ１２は、アクティブレイヤ１０３と基板レイヤ１０４を有する。図１Ａは、接着のために接続される前に位置合わせされた上側のダイと下側のダイとを示す。本実施形態では、基板レイヤ１０２はアクティブレイヤ１０３と接着され、よってこれは“裏面対表面（back-to-face）”接着配置である。議論されるように、“表面対表面（face-to-face）”、“裏面対裏面（back-to-back）”、“表面対裏面（face-to-back）”、または“裏面対表面（back-to-face）”の組み合わせのあらゆる配置が、積層型半導体素子を形成するために、本明細書内で議論された概念を用い得る。
【００１１】
図１Ａ〜１Ｃは、二層構造の積層型ＩＣデバイスを示しているが、積層型デバイスは更なるレイヤを備えていても良い。基板レイヤ１０２は、レイヤ１０１の要素１１１（または端子）をレイヤ１０３のアクティブ要素１１５（または端子）に接続するように機能する接続（素子）１１２を含む。これらの接続は、コネクタ経路１１２を用いて形成され、そしてレイヤ１０２及び１０３の表面が接続される際に、これはレイヤ１０３表面上のパッド１１４と対を為す。上側のダイ１１及び下側のダイ１２の周辺部の周囲には、素子１１０及び１１３がそれぞれ形成され、これらは、レイヤが対を為す際に、一体となって封止部（seal）を形成する（後に示す）。図示された実施形態では、封止部分１１０及び１１３は金属であるが、その他の材料を有していても良い。
【００１２】
図１Ｂは、ダイ１１及び１２が一体とされ、周辺部の対を為す素子１１０／１１３によって区切られた領域内に１つまたはそれ以上のギャップ１２０が形成される様子を示す。素子１１０／１１３は一体となって、周辺部の周囲に封止部を形成する。ここで、コネクタ素子１１２及び１１４を用いて、要素１１１から要素１１５の電気的な接続があることに留意する。
【００１３】
素子が適切に位置を調整されると、環境制御されたチャンバー内で、新たな環境（atmosphere）が選択的に形成される。この新たな環境は、もし環境の調整が為されなければ通常形成されるであろう環境とは異なり、例えば雰囲気（ambient atmosphere）である。例えば、通常の環境は、水、その他の気体（vapor）、及び／またはその他のガスを含み、これはＩＣデバイスの適切な動作の障害となるだろう。
【００１４】
そのような例において、選択的に生成され、環境制御されたチャンバー内で生成された非腐食性の環境は、議論されるように、例えばポンプを用いて環境制御されたチャンバーの気圧を下げること、及び／または環境制御されたチャンバー内の空気（atmosphere）を、不活性ガスまたは非酸素ガスで実質的に置換することによって得られ得る。生成された環境は、酸素、水、及び／またはその他の酸化剤を追い出して、これにより腐食を低減するように設定される。適切な環境が生成されると、適切な環境がギャップ１２０内に存在するように、好ましくは空中で（in air）１５０℃より高い温度で、ダイが互いに加圧されて接着される。
【００１５】
低い圧力が１つまたはそれ以上のポンプを用いて生成され得ることに留意する。これらのポンプはまた、減圧の代わりに、またはそれに加えて、環境制御されたチャンバーに、アルゴンまたは窒素のような、所望の環境を導入するためにも用いられ得る。低い圧力は、実質的に真空になるまで、所望のように低くされ得る。
【００１６】
ある状況では、レイヤ間に２つ以上のギャップが形成され、そして異なるギャップには異なる環境を生成することが望ましい場合があり得ることに留意する。ギャップは、個別のギャップとなることが望まれる部分の周囲に、対を為す素子１１０／１１３を設けることによって形成され得る。よって、同じ積層型ＩＣデバイス内で、あるギャップについては低い圧力が与えられ、別のギャップでは別の環境が生成され得る。これらの異なる環境は、同じレイヤ間、及び／または異なるレイヤ間で生じ得る。
【００１７】
図１Ｃは、封止部１１０／１１３の外側に保護レイヤ１４０を加えた様子を示す。この保護レイヤは、例えばプラズマ励起化学気相堆積法（ＰＣＶＤ：plasma enhanced chemical vapor deposition）によって加えられ、封止された空洞内部の環境が、通常の環境で検出される水または酸素のような腐食性の要素に接触することを防止することに役立ち得る。レイヤ１４０は、シリコン窒化膜またはシリコン酸化膜のような絶縁層であり得る。膜１４０は、図１Ｃに示すように単に封止リング（seal ring）１１０／１１３上だけではなく、必要によっては積層型ＩＣデバイスの外側の周囲全てに堆積されても良い。このレイヤ１４０の機能は、封止リング１１０／１１３とその外部環境との間にバリアを形成することである。金属封止部１１０／１１３は、全周囲にわたって何らのリークも無く完璧な不浸透性の接着を形成するように十分に堅固（tight）である可能性は低いため、保護レイヤ１４０が形成される。更に、もし封止部１１０／１１３が金属で形成される場合には、封止部１１０／１１３は腐食され得る。
【００１８】
図２は、代替的な積層型ＩＣデバイスのアレンジメント２０を示し、ダイ２１及び２２を有し、レイヤの少なくとも２つの表面（face）２０２、２０３が、“表面対表面（face-to-face）”の関係で接着されている。これは、図１Ａ〜１Ｃに示す“裏面対表面（back-to-face）”の接着とは対象的である。図２において、積層型ＩＣデバイス２０は、外部要素との接続をもたらすビア（vias）２１０（必要に応じて）と共に、レイヤ間の電気的なコンタクト２１２、２１３を有する。本実施形態では、領域２１４及び２１５によって、レイヤ間の金属周辺封止リングが形成されることに留意する。もちろん、レイヤのあらゆる組み合わせ及びあらゆる数が使用され得る。
【００１９】
本明細書で議論される概念は、ダイとダイとの積層、ダイとウェハとの積層、及びある状況ではウェハとウェハとの積層で達成され得る。図３は、まだウェハ３００の一部であるダイ３１−１とダイ３０−１が対を為す、ダイとウェハとの積層を示す。ダイ３０−１及び３１−１は、異なるサイズを有していても良い。これは、ウェハ３００上に位置するダイ３１−１〜３１−Ｎのいずれかと接着される他の任意の数のダイ（図示せず）につき、順次繰り返され、または並列的に為され得る。そして、封入（encapsulation）（図３には図示せず）が、保護外部封止を与えるために、１つのダイの組、または全てのダイの組に関して行われ得る。その後、ダイ３１−１〜３１−Ｎはウェハ３００から切り離され、個々の積層ＩＣデバイスが形成され得る。
【００２０】
図４は、マルチレイヤＩＣデバイスが環境制御されたチャンバー内で接着される、ある代替的な実施形態を示す。図示するように、ダイ４０は、チャンバー４０１内部で、ダイ４１に関して位置合わせされて、積層ＩＣデバイス４００が形成される。ダイ４０及び４１は適切に位置合わせされ、その後、環境制御４０２は、リング４２及び４３を用いて、レイヤ間の周辺部を取り囲む封止部を形成するため、適切な環境を生成する。例えばこの環境は、（必要であれば真空も含む）低い圧力であり、またはこの環境は、窒素またはアルゴンのようなガス、または対を為すレイヤ間の空洞内部での腐食またはその他の望まれない影響を避けるまたは低減する材料または材料の組み合わせであり得る。アルゴンは、熱伝導率の向上が望まれる状況において好適なガスである。圧力は、好ましくは１atmより低くされるべきである。
【００２１】
積層型ＩＣデバイス４００は、積層型ＩＣデバイス４００が冷却された際にティア間のギャップが大気圧よりも小さくなるよう、好ましくは１３０℃〜４００℃に熱せられる。加熱されている間、熱圧着（compression thermal bonding）がダイ４０及び４１を接着するために用いられ得る。レイヤが接着されると、積層型ＩＣデバイス４００の全体にわたって保護膜（図示せず）が堆積され、または必要に応じてレイヤ間封止リング４２／４３の周囲にのみ堆積され得る。接着の前にレイヤを加熱することにより空洞内部を減圧することは、レイヤを一つに接合することを容易にするように機能する。更に、もし温度が上昇した場合、空洞内部の圧力は、レイヤを引き離すのに十分では無いだろう。
【００２２】
図５は、マルチレイヤＩＣデバイスのレイヤ間の腐食を制御する方法の一実施形態５０を示す。ブロック５０１は、１つまたはそれ以上のダイの、第２のダイ（またはウェハ）に対する位置合わせ（positioning）を制御する。ブロック５０２が、周辺部の封止（例えば図２の２１４／２１５）が確立されるように、位置あわせが完了したと判断すると、ブロック５０３は、上記議論した方法またはその他の方法のようなあらゆる方法のうちのいずれかで、ダイ間に制御された環境を確立する。
【００２３】
適切な環境が確立されたとブロック５０４が判断するまで、ブロック５０３及び５０４が繰り返され、適切な環境が確立されたとブロック５０４が判断された時、ブロック５０５はダイを共に接着する。必要であれば、ブロック５０６は、上記議論されたように、確立された封止部の外側に保護バリアを付加する。
【００２４】
ブロック５０１及び５０２がブロック５０３及び５０４の前に示されているが、ブロック５０３及び５０４がブロック５０１及び５０２の前にあっても良いことが想到される。風姿部が周辺部を取り囲むように図示されているが、封止部は、特定の素子のみを取り囲むようにあっても良いし、そして２つ以上の封止された領域が２つのレイヤ間に形成されても良いことが理解されるべきである。
【００２５】
本願及びその利点が詳細に述べられてきたが、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、種々の変更、置換、及び代替が、本明細書内で為され得ることが理解されるべきである。更に、本出願の範囲は、本明細書で述べられたプロセス、機械、製造物、組成物、手段、方法、及びステップの特定の実施形態に限定されることを意図しない。当業者は、本明細書で述べられた対応する実施形態と実質的に同じ結果を得る、または同じ機能を実質的に実行する、既存の、または後に開発されるプロセス、機械、製造物、組成物、手段、方法、またはステップが、本発明に従って使用され得ることを、本開示から容易に理解するだろう。従って、添付の特許請求の範囲は、そのようなプロセス、機械、製造物、組成物、手段、方法、またはステップを、その範囲内に含むことを意図される。
【図１Ａ】
2012500477.tif 000003
【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２】
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【図３】
2012500477.tif 000007
【図４】
2012500477.tif 000008
【図５】
2012500477.tif 000009
【国際調査報告】
2012500477.tif 000010
2012500477.tif 000011
2012500477.tif 000012
2012500477.tif 000013
2012500477.tif 000014