基于纳米结构的封装互连的制作方法

专利名称：基于纳米结构的封装互连的制作方法
技术领域：
本发明的实施例涉及纳米技术领域，更具体而言涉及封装(packaging) 中的纳米技术。
背景技术：
目前一流的互连技术涉及到利用丝网印刷或电镀在硅管芯上形成金属 (通常为铜，Cu)凸点以及在基板侧上形成焊料。在芯片贴装工艺期间， 焊料回流以在管芯和基板之间形成电互连。
现有的互连技术具有若干问题或局限。首先，金属易于受到电迁移的 影响，尤其是在高电流密度的时候。随着用于较高密度互连的凸点的间距 和尺寸变得越来越小，金属凸点所承载的电流密度也在增大。这导致恶化 的电迁移，带来严重的可靠性风险。第二，高密度互连需要减小输入/输出 (I/O)间距，因此需要减小凸点尺寸。用于处理器管芯的现有凸点间距大 约为180n m。利用现有材料和工艺极难实现纳米尺度的互连(例如30um 或更小量级)，这部分是因为电阻和电迁移问题的增加。


可以参考以下说明书和用于例示本发明实施例的附图来理解本发明的
实施例。在附图中
图1A为示出了可以实践本发明的一个实施例的制造系统的图示；
图1B为示出了根据本发明的一个实施例的应用系统100的图示；
图2A为示出了根据本发明的一个实施例的封装的图示；
图2B为示出了根据本发明的一个实施例的纳米结构凸点的图示；
图3为示出了根据本发明的一个实施例的用于对封装进行互连的工艺
的流程图4为示出了根据本发明的一个实施例的利用M0模板来形成纳米结构凸点的工艺的流程图5为示出了根据本发明的一个实施例的利用聚碳酸酯模板来形成纳 米结构凸点的工艺的流程图6为示出了根据本发明的一个实施例的将管芯附着到基板的工艺的 流程图。
具体实施例方式
本发明的实施例为互连技术。在管芯上形成纳米结构凸点。纳米结构 凸点具有限定纳米尺寸的开口的模板以及从所述纳米尺寸的开口延伸出来 的金属纳米线。经由纳米结构凸点将管芯附着到基板。
在以下描述中，给出了很多具体细节。然而，需要理解的是，可以不 用这些具体细节来实践本发明的实施例。在其他情况下，未示出公知的电 路、结构和技术以免影响对本说明书的理解。
可以将本发明的一个实施例描述成一种工艺，通常将该工艺绘示为流 程图、程序图、结构图或方框图。虽然流程图可以将操作描述为顺序过程， 但可以并行或同时执行很多操作。此外，可以重新安排操作次序。在完成 其操作时终止工艺。工艺可以对应于一种制造或制备方法、程序、过程等。
本发明的实施例为用于管芯到基板互连的技术。使用金属纳米结构作 为用于精细间距和高载流应用的互连凸点。纳米结构凸点包括具有纳米尺 寸的开口 (例如微孔(pore)或孔洞(hole))的模板。该模板可以是经阳 极氧化的氧化铝(AA0)模板或中孔聚碳酸酯膜。可以从MO或聚碳酸酯模 板上的纳米尺寸开口竖直生长高度有序的金属纳米线，该金属例如为金 (Au)、银(Ag)或铜(Cu)。金属纳米线可以作为导电和导热路径。金属 纳米线表现出高载流能力。例如，Au纳米线具有高达108A/cm2的载流能力， 这比常规微米尺寸的Au高两个数量级。由于尺寸小，纳米结构凸点为高密 度互连应用提供了非常小的间距。此外，纳米线的高载流能力降低了在高 电流密度时遇到的电迁移风险。基于纳米结构的封装互连适于超高功率互 连应用。
图1A为示出了可以实践本发明的一个实施例的制造系统10的图示。 系统10包括晶片制备阶段15、晶片凸点形成阶段17、晶片准备阶段18、晶片切片阶段20、包封(encapsulation)阶段30、测试阶段40和板组装 阶段50。系统10代表半导体封装工艺的制造流程。
晶片制备阶段15制备含有若干管芯的晶片。个体管芯可以是诸如微处 理器、存储器件、接口电路等任何微电子器件。晶片制备阶段15包括半导 体制备的典型工艺，例如准备晶片表面、生长二氧化硅(Si02)、构图并随 后注入或扩散掺杂剂以获得期望的电性质、生长或沉积栅极电介质以及生 长或沉积绝缘材料、沉积金属和绝缘材料层并将其蚀刻成期望图案。金属 层通常由铝构成，而最近金属层由铜构成。通过在绝缘材料中蚀刻被称为 "过孔"的孔洞而对各金属层进行互连。
晶片凸点形成阶段17为晶片提供附着凸点，用于封装互连。具有纳米 线的纳米结构凸点被沉积、涂布或附着到晶片。凸点形成工艺可以包括蒸 镀、构图、金属沉积、蚀刻等。在包封阶段30中将纳米结构凸点用于把个 体管芯附着到基板上。该阶段可以与晶片制备阶段15合并。
晶片准备阶段18准备包含管芯的晶片，用于封装和测试。在该阶段期 间，在构图工艺之后对晶片进行分类。可以进行检验以检査晶片缺陷。然 后，可以将晶片安装在支撑带(backing tape)上，支撑带附着到晶片的 背面。安装支撑带为后续阶段期间的处理提供机械支撑。
晶片切片阶段20将晶片切片、切割或锯成个体管芯。可以使用高精度 的锯条和图像识别单元。可以在晶片上分布去离子水以冲走切片期间的任 何残余颗粒或污染。然后通过以高旋转速度旋转来干燥晶片。
包封阶段30对管芯和封装基板进行包封。管芯可以是同质的或异质的。 包封包括印刷合成膏剂，放置管芯，倒装芯片熔解和放置，回流或热声 键合，以将管芯上的纳米结构凸点键合到基板上的金属焊盘上。可以执行 其他处理任务，包括检验、底填料分布和固化等。可以将集成散热器(IHS) 附着到管芯和基板组件。封装后的管芯和基板的组件成为可进行测试的封 装。
测试阶段40在各种条件下对封装进行一次或多次测试。该测试可以是 高加速应力测试(HAST)或偏置HAST。可以对封装加电或不加电。测试阶 段40可以是任选的。
板组装阶段50将封装组装到印刷电路板中。该阶段将器件封装附着到板上。该阶段可以包括各种焊接工艺、回流、测试和检验。然后将组装后 的板安装到系统或单元中的平台中。
图1B为示出了根据本发明的一个实施例的应用系统100的图示。系统 100代表移动通信模块。其包括封装上系统(S0P) 110、中频处理单元160 和基带处理单元165。
SOP110代表用于移动通信模块的前端处理单元。它是一个收发器，其 结合了封装上集成的集总式无源部件以及RF部件。它包括天线115、双工 器120、滤波器125、芯片上系统(SOC) 150、功率放大器(PA) 180和滤 波器185。
天线115接收并发射RF信号。将其设计成用于L和C波段无线应用的 紧凑的微带和带状线。双工器120用作开关，用于将天线115耦合到接收 机，将发射机耦合到天线115。滤波器125和185是适于电气和电子工程师 学会(IEEE) 802.11无线局域网(WLAN)的5. 8GHz、窄带性能为200MHz 的C波段LTCC带状线滤波器。SOC 150包括低噪声放大器(LNA) 130、下 变频器135、本地电压控制振荡器(VCO) 140、上变频器170和激励放大器 175。 LNA130对所接收的信号进行放大。下变频器135是将RF信号转换成 待由IF处理单元160处理的IF波段的混频器。上变频器170是将IF信号 转换成适当的RF信号以进行发射的混频器。VCO 140在适当频率产生调制 信号以进行降频转换和增频转换。激励放大器175驱动PA 180。 PA 180对 发射信号进行放大以进行发射。
IF处理单元160包括模拟部件，以处理IF信号，从而进行接收和发射。 它可以包括适当频带的带通滤波器和低通滤波器。基带处理单元165可以 包括模数转换器(ADC)和数模转换器(DAC)，以将模拟信号转换成数字数 据或者将数字数据转换成模拟信号。它可以包括具有存储器和外围部件的 数字处理器，以处理数字数据。
SOP IIO可以是用于利用EP技术的单片微波集成电路(匪IC)的多层 三维(3D)结构。可以利用低温共烧陶瓷(LTCC)和基于有机材料 (organic-based)的技术来实现它。3D结构可以包括多层、单片微波集成 电路(MMIC)和利用EP技术的无源部件，所述多层包括用于实现平面天线 115的层10、用于滤波器125和185的层20、 22和24以及用于SOC 150的层30。具体而言，腦IC包括具有金属纳米结构作为互连凸点的已封装器 件35。
图2A为示出了根据本发明的一个实施例的封装200的图示。封装200 代表在图1A所示的包封阶段130中完成的封装，或图1B所示的已封装器 件35。其包括基板210和管芯230。
基板210是为管芯230提供支撑和电互连的封装基板。基板210可以 是任何适当的材料，例如硅或任何陶瓷或聚合物基板。基板210具有基板 焊盘220。基板焊盘220被置于基板210的上表面上并为与管芯230之间的 互连提供触点。
管芯230是任何半导体管芯。它可以具有诸如微处理器、存储器、接 口芯片、集成电路等的微电子器件。通过若干纳米结构凸点250将管芯230 附着到基板210。纳米结构凸点250提供与基板210上的基板焊盘220之间 的互连。可以利用稍后描述的制备技术来制备纳米结构凸点250。可以利用 至少两种技术焊接和热声键合，来将管芯230附着到基板210上。在使 用焊接时，附着物260可以表示焊膏或凸点。当使用热声键合技术时，它 可以代表与纳米结构凸点250中所用金属的类型相同的金属层。例如，基 板220可以是Cu，纳米结构凸点2150中的纳米线可以由Au生长。在使用 热声键合时，可以用为Au层的附着物260来涂布基板焊盘220，从而实现 可靠的金属到金属键合。
图2B为示出了根据本发明的一个实施例的图2A所示的纳米结构凸点 250的图示。纳米结构凸点250包括模板260和若干金属纳米线280。
模板260具有或限定纳米尺寸的开口 270。模板260被设置、沉积或涂 布在管芯上。它可以是阳极氧化铝(MO)模板或聚碳酸酯模板，该AAO模 板具有呈现为微孔的有序阵列的纳米尺寸的开口 270,该聚碳酸酯模板具有 呈现为从聚碳酸酯膜蚀刻的孔洞的纳米尺寸的开口。它可以具有大约几百 纳米(nm)的厚度，例如在100nm到500nm范围内的厚度。纳米尺寸开口 可以具有从5nm到300nm范围内的尺寸。
金属纳米线280是用金属生长的，并且从对应于管芯上的互连接触部 的纳米尺寸的开口延伸出来。基本上用适当的金属(例如Au、 Ag或Cu)来 填充微孔或孔洞以形成由模板限定的金属纳米线或纳米杆(rod)。可以将AAO作为生长模板，利用电镀或无电工艺来执行该操作。
图3为示出了根据本发明的一个实施例的用于对封装进行互连的工艺 300的流程图。
在"开始"时，工艺300在管芯上形成纳米结构凸点(方框310)。纳 米结构凸点具有限定或具有纳米尺寸的开口的模板以及金属纳米线，利用 诸如Au、 Ag或Cu等金属从纳米尺寸的开口生长或延伸该金属纳米线。然 后，工艺300经由纳米结构凸点而将所述管芯附着到基板上(方框320)。 然后终止工艺300。
图4为示出了根据本发明的一个实施例的利用AAO模板来形成纳米结 构凸点的图3所示的工艺310的流程图。
在"幵始"时，工艺310在管芯上沉积铝层或铝膜(方框410)。铝层 包括高纯度的铝。然后可以通过电子束蒸镀或通过溅射来沉积铝层。然后， 工艺310对铝层进行构图，用于随后生成有序的微孔(方框420)。可以利 用标准的光刻构图工艺来执行该构图过程。接下来，工艺310对已构图的 铝层进行阳极化以形成限定或具有纳米尺寸的开口的阳极氧化铝(MO)模 板(方框430)。在适当的阳极氧化条件下，铝氧化成为多孔结构，具有以 短距离紧凑排列的微孔和可以从大约5nm到30nm变化的微孔尺寸。阳极氧 化产生了具有细长(例如具有高长宽比)的微孔的有序阵列的氧化铝，所 述微孔垂直于铝层厚度延伸。所述纳米尺寸的开口是微孔的有序阵列。可 以在80V下利用5%的磷酸或在40V下利用0. 3M的草酸执行该阳极氧化过程。
两种阳极氧化过程都可以在室温左右执行且都可以持续几个小时。在阳极 氧化期间，可以通过调节电压、电流、溶剂等控制MO模板的厚度。
然后，工艺310沉积金属以将金属纳米线形成到微孔中(方框440)。 可以在氮气中(用于实现惰性气氛)，在130° C左右，在密封的玻璃室中， 在以金属氯化物(例如AuClx)作为电解质的二甲亚砜(DMSO)有机溶液中 执行金属沉积。可以使用频率低于lKHz的交流(AC)电压。通过金属扩散 并沉积到AAO微孔中来形成纳米线。纳米线的生长速率是AC电压、AC频率、 溶液浓度以及MO微孔的几何特性的函数。典型的生长速率是每分钟大约 50腦o
接下来，工艺310蚀刻AAO模板(方框450)。蚀刻可以是部分的，且使用氟化氢(HF)。在蚀刻期间，可以控制MO模板的厚度。因此，在一开 始的阳极氧化期间或在模板蚀刻期间，可以控制MO模板的厚度。可以将 模板厚度控制到几百纳米。
图5为示出了根据本发明的一个实施例的利用聚碳酸酯模板来形成纳 米结构凸点的图3所示的工艺310的流程图。
在"开始"时，工艺310为管芯旋涂聚碳酸酯膜(方框510)。在旋涂 期间，可以将聚碳酸酯模板的厚度控制到几百纳米。然后，工艺310利用 离子束来蚀刻聚碳酸酯膜以生成作为孔洞的纳米尺寸的开口 (方框520)。 孔洞可以具有从5nm到300nm范围内的尺寸。可以通过在聚碳酸酯膜上扫 过离子束来执行蚀刻。蚀刻过的聚碳酸酯膜形成聚碳酸酯模板。
接下来，工艺310沉积金属以将金属纳米线形成在孔洞中(方框530)。 可以通过从以Au氯化物或硫酸盐作为电解质的水溶液中电沉积金属(例如 Au)来执行该操作。然后，工艺310在诸如二氯甲垸等的有机溶剂中至少 蚀刻掉聚碳酸酯模板的表面层(方框540)。然后终止工艺310。
图6为示出了根据本发明的一个实施例的利用纳米结构凸点将管芯附 着到基板的图3所示的工艺320的流程图。
在"开始"时，工艺320选择使用焊接还是热声键合技术。如果使用 焊接技术，工艺320在基板上的基板焊盘上沉积焊膏(方框610)。可以利 用标准焊膏形成(solder pasting)工艺执行该操作。然后，利用诸如拾 放技术等的任何标准技术来设置管芯或使管芯与基板对准。然后，工艺320 对纳米结构凸点进行回流以形成与焊膏之间的接合(方框620)。对于Au或 Ag纳米结构凸点，可以在暴露的Au或Ag顶部沉积或涂布Ni或Cu层，以 获得更可靠的可润湿表面，因为Au和Ag在熔融焊料中可能具有高溶解速 率。可以通过物理气相沉积(PVD)或电镀来执行该操作。对于Cu纳米结 构凸点，可以不需要这种涂布。然后终止工艺320。
如果使用热声键合技术，工艺320首先判断基板焊盘和纳米结构凸点 中的纳米线是否具有同一种金属。如果是，工艺320直接进行到方框650。 否则，工艺320在基板焊盘上形成与纳米线金属相同种类的金属层(方框 640)。例如，可以在基板焊盘中的Cu焊盘顶部形成Au或Ag层，用于Au-Au 或Ag-Ag的金属到金属键合。然后，工艺320对纳米结构凸点与基板上的基板焊盘进行热声键合(方框650)。通过施加热和超声振动，可以通过塑 性变形以及固态扩散和固态焊接实现金属到金属键合。可以使用常规线凸 点形成(wire bumping)设备或工艺。然后终止工艺320。
尽管已经以若干实施例描述了本发明，但本领域的普通技术人员将认 识到，本发明不限于所述实施例，而是可以用所附权利要求的精神和范围 内的修改和变化来实践本发明。因此将说明书视为例示性的而不是限制性 的。
权利要求
1、一种方法，包括在管芯上形成纳米结构凸点，所述纳米结构凸点具有限定纳米尺寸的开口的模板以及从所述纳米尺寸的开口生长的金属纳米线；以及经由所述纳米结构凸点而将所述管芯附着到基板。
2、 根据权利要求1所述的方法，其中形成所述纳米结构凸点包括 在所述管芯上沉积铝层；对所述铝层进行构图；对己构图的铝层进行阳极氧化以形成具有所述纳米尺寸开口的阳极氧 化铝(AA0)模板，所述纳米尺寸的开口为微孔的有序阵列； 沉积金属，以将所述金属纳米线形成到所述微孔中；以及 蚀刻所述AAO模板。
3、 根据权利要求2所述的方法，其中阳极氧化包括控制所述AA0模板的厚度。
4、 根据权利要求2所述的方法，其中蚀刻包括 控制所述AAO模板的厚度。
5、 根据权利要求1所述的方法，其中形成所述纳米结构凸点包括 为所述管芯旋涂聚碳酸酯膜；利用离子束来蚀刻所述聚碳酸酯膜以生成为孔洞的所述纳米尺寸开 口，被蚀刻的聚碳酸酯膜形成聚碳酸酯模板；沉积金属，以将所述金属纳米线形成在所述孔洞中；以及 在有机溶剂中至少蚀刻掉所述聚碳酸酯模板的表面层。
6、 根据权利要求5所述的方法，其中对所述管芯进行旋涂包括 控制所述聚碳酸酯模板的厚度。
7、 根据权利要求1所述的方法，其中将所述管芯附着到所述基板包括 在所述基板上的基板焊盘上沉积焊膏；对所述纳米结构凸点进行回流以形成与所述焊膏之间的接合。
8、 根据权利要求1所述的方法，其中将所述管芯附着到所述基板包括 对所述纳米结构凸点与所述基板上的基板焊盘进行热声键合。
9、 根据权利要求8所述的方法，其中将所述管芯附着到所述基板还包括在对所述纳米结构凸点进行热声键合之前在所述基板焊盘上形成与所 述纳米线具有同种金属的金属层。
10、 一种纳米结构凸点，包括设置于管芯上的限定纳米尺寸的开口的模板；以及金属纳米线，其从对应于所述管芯上的互连接触部的所述纳米尺寸的 开口延伸出来。
11、 根据权利要求10所述的纳米结构凸点，其中所述模板包括具有所述纳米尺寸的开口的阳极氧化铝(AA0)模板，所述纳米尺寸的开口为微孔的有序阵列。
12、 根据权利要求10所述的纳米结构凸点，其中所述模板包括 具有纳米尺寸的开口的聚碳酸酯模板，所述纳米尺寸开口为从聚碳酸酯膜蚀刻出的孔洞。
13、 根据权利要求10所述的纳米结构凸点，其中所述模板的厚度在大 约100nm到500nm的范围内。
14、 根据权利要求10所述的纳米结构凸点，其中所述纳米尺寸开口的尺寸在大约5nm到300nm的范围内。
15、 一种封装，包括 菅心；具有基板焊盘的基板；以及纳米结构凸点，其沉积或涂布在所述管芯上并在所述基板焊盘处附着 到所述基板，所述纳米结构凸点包括限定纳米尺寸的开口的模板，以及金属纳米线，其从对应于所述管芯上的互连接触部的所述纳米尺 寸的开口延伸出来。
16、 根据权利要求17所述的封装，其中所述模板包括-具有所述纳米尺寸的开口的阳极氧化铝(M0)模板，所述纳米尺寸的开口 为微孔的有序阵列。
17、 根据权利要求17所述的封装，其中所述模板包括 具有纳米尺寸的开口的聚碳酸酯模板，所述纳米尺寸的开口为从聚碳酸酯膜蚀刻出的孔洞。
18、 一种系统，包括用于处理基带数据的基带处理单元；中频(IF)处理单元，其耦合到所述基带处理单元以处理IF信号；以及封装上系统(SOP)，其耦合到所述IF处理单元以处理射频(RF)信号，所述SOP包括已封装器件，所述已封装器件包括 管芯；具有基板焊盘的基板；以及纳米结构凸点，其沉积或涂布在所述管芯上并在所述基板焊盘处 附着到所述基板，所述纳米结构凸点包括限定纳米尺寸的开口的模板以及 从对应于所述管芯上的互连接触部的所述纳米尺寸的开口延伸出来的金属纳米线。
19、 根据权利要求18所述的系统，其中所述模板包括具有所述纳米尺寸的开口的阳极氧化铝(M0)模板，所述纳米尺寸开 口为微孔的有序阵列。
20、 根据权利要求18所述的系统，其中所述模板包括具有纳米尺寸开口的聚碳酸酯模板，所述纳米尺寸开口为从聚碳酸酯 膜蚀刻出的孔洞。
全文摘要
本发明的实施例是一种互连技术。在管芯上形成纳米结构凸点。纳米结构凸点具有限定纳米尺寸的开口的模板以及从该纳米尺寸的开口延伸出来的纳米线。经由所述纳米结构凸点将所述管芯附着到基板。
文档编号H01L23/485GK101317255SQ200680044157
公开日2008年12月3日 申请日期2006年12月8日 优先权日2005年12月22日
发明者D·苏, N·R·拉拉维卡 申请人:英特尔公司