JP2010525553A - 半導体装置のバンプ構造 - Google Patents
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Abstract
本発明は、第1の金属層と、第1の金属層と一体的に形成されるように第1の金属層に電気的に接続され、半導体装置の電極パッドと電気的に接続された第2の金属層を含み、第2の金属層は、第1の金属層の融点または第1の金属層が他の物質の表面と融着反応する場合の共融点(eutectic temperature)より高い融点を有する一つ以上の金属または合金で構成されることを特徴とする半導体装置のバンプ構造を提供する。第2の金属層は、第1の金属層より厚みが厚いことが好ましく、また、第1の金属層と第2の金属層の間に拡散防止層を更に備えることができる。
【選択図】図3
【選択図】図3
Description
本発明は、半導体装置のバンプ構造に関するもので、より具体的にはその上端の広がり現象を最小化して物理的に高い支持力を有し、微細ピッチの実現に適合した新規なバンプ構造に関するものである。
半導体チップが高集積化、高性能化及び高速化されるにつれて、半導体パッケージを小型化及び大量生産するための多様な努力が試みられている。例えば、半導体チップのパッド上に形成されたソルダ材質や金属材質のバンプを通じて、直接的に半導体チップのパッドと印刷回路ボードの電極端子を電気的に連結させる半導体パッケージが提案された。
ソルダバンプを利用した半導体パッケージとしては、代表的にフリップチップボールグリッドアレイ(FCBGA)及びウエハーレベルチップスケールパッケージ(WLCSP)方式が適用されている。金属材質のバンプを利用した半導体パッケージとしては、代表的にチップオングラス(chip−on−glass)/TCP(テープキャリアパッケージ)方式が適用されている。
プリップチップボールグリッドアレイ方式は、半導体チップのパッドと接触したソルダバンプを回路基板のパッドと電気的に接続した後、ソルダボールを半導体チップが接触した回路基板の背面に付着して印刷回路ボードの電極端子に電気的に連結させ、ソルダバンプを外部環境または機械的問題から保護するためにアンダーフィル(underfill)プロセスを実施することにより、半導体パッケージを完成する。ウエハーレベルチップスケールパッケージ(WLCSP)は、製品を軽く、薄く、短く、及び小さくするために電極パッドを再配置(redistributionまたはreconfiguration)させて金属バンプを通じてチップとパッケージサイズを同一に製造する。
このような多様な半導体パッケージ技術において、バンプの構造は、半導体パッケージを軽く、薄く、短く、及び小さくすること、及び微細ピッチを実現するために非常に重要である。しかしながら、バンプ構造に使用される金属が電気的接続のために外部回路ボードと融着するとき、その結果、バンプ構造が大きく変形される、隣接する電極間にブリッジ(bridge)が発生する、またはバンプ構造若しくはパッケージ構造が汚染する、または損傷することが発生する。この結果、製造収率を減少させる、及び半導体装置の機能を低下させるという深刻な問題を発生させる。
例えば、図1に示すように、バンプ構造40は、誘電層30によって電極パッド20が露出された回路基板10上に形成される。バンプ構造40が外部回路ボードまたは他の半導体装置と電気的に接続されるとき、部分融着によって上部表面(図2のX)は大きく変形される。
また、図2に示すように、バンプ構造40の形状が大きく変形するためその構造的安定性は弱くされている。好ましくない変形をしたバンプ構造40が周辺のバンプ構造40と接続される、または既に回路基板に形成されている構造物または配線に浸透するまたは接触するとき、電気的な不良を引き起こす。
バンプ構造上端が融着により水平方向に広がるとき(以下、「水平的広がり」という)、隣接する電極間の電気的連結を発生させる。この上端の水平的広がりは、半導体装置の動作特性を阻害するのみならず、微細ピッチの素子設計の適用及びそのプロセスに限界を設けている。
したがって、本発明の目的は、バンプ構造上端部の水平方向への広がり(水平的広がり)及び垂直方向の変形(垂直的変形)を防止し、物理的な支持力を向上させた新規の半導体装置のバンプ構造を提供することである。
また、本発明の他の目的は、微細ピッチの半導体パッケージング工程において隣接電極間のブリッジを防止し、半導体装置に形成されている部品の汚染または損傷を防止することにより、収率を増加させると共に性能低下を減少させた半導体装置のバンプ構造を提供することである。
本発明の一実施形態によれば、本発明は、半導体装置のバンプ構造であって、印刷回路ボード、電気的部品または機械的部品を含む各種回路基板に電気的に接続された第1の金属層と、第1の金属層と一体的に形成されるように第1の金属層に電気的に接続され半導体装置の電極パッドと電気的に接続された第2の金属層と、を備え、ここにおいて、第2の金属層は、第1の金属層の融点または第1の金属層が他の物質の表面と融着反応する場合の共融点(eutectic temperature)より高い融点を有する一つ以上の金属または合金で構成されることを特徴とする半導体装置のバンプ構造を提供する。
好ましくは、第2の金属層の厚さは、第1の金属層の厚さより厚い。例えば、第2の金属層は、第1の金属層の厚さの1倍以上、好ましくは1.5〜2倍以上の垂直厚さで形成され、これによりバンプ構造の構造的安定性を高め、第1の金属層の融着による広がりを改善する。
このバンプ構造は、第1の金属層と第2の金属層の間に拡散防止層を更に備えてもよい。本発明は、このバンプ構造は、第1の金属層の上部に更にソルダ層を備えてもよい。
本発明の他の実施形態によれば、本発明は、半導体装置のバンプ構造であって、印刷回路ボード、電気的部品または機械的部品を含む各種回路基板に電気的に接続された第1の金属層と、第1の金属層と一体的に形成されるように第1の金属層に電気的に接続され半導体装置の電極パッドと電気的に接続された第2の金属層を備え、ここにおいて、第2の金属層は、第1の金属層より垂直方向の厚みが厚いことを特徴とする半導体装置のバンプ構造を提供する。
本発明によると、2層以上の多層バンプ構造として、各層を構成する導電性物質の物理的または化学的性質を異にして、バンプ構造が外部回路ボードやその他の半導体素子などに電気的に接続されるとき、バンプ構造の最外部層の融着による広がり現象を最小化することができる。また、バンプ構造の機械的または物理的安定性を更に向上できる。従って、微細ピッチの半導体パッケージ実現に適合し、高価のバンプ材料をより低価格の他の材料で代替して製造費用を節減することができる。
図3は、本発明の一つの実施形態に基づくバンプ構造を示す断面図である。バンプ構造を構成する第1の金属層130及び第2の金属層140は、印刷回路ボードやシリコン回路基板などの回路基板100表面の所定領域において、他の領域は誘電層120に覆われながら局所的に露出した電極パッド110の上に積層され一体化されている。電極パッドは、回路基板100内部で再配置された配線(図示しない)の一端に形成することもできる。
第1の金属層130は、第2の金属層140より垂直方向の厚みが薄く、第1の金属層130及び第2の金属層140は、それぞれ、導電性が高い一つ以上の金属で形成される。
第1の金属層130としては、例えば、導電性が高い金属または合金を使用することができ、本発明の一つの実施形態では、Auを使用するが、必ずしもこれに限定される必要はない。第1の金属層130の厚みは、数十Å乃至数百μmまで適用可能であり、回路基板構造によって弾力的に適用可能である。また、図3に図示されないが、ソルダ層を更に第1の金属層の上部に設けてもよく、ソルダ層は、共晶ソルダ(Eutectic solder:Sn/37Pb)、高融点ソルダ(High Lead solder:Sn/95Pb)、鉛フリーソルダ(Lead free solder:Sn/Ag、Sn/Cu、Sn/Zn、Sn/Zn/Bi、Sn/Zn/Bi、Sn/Ag/Cu、Sn/Ag/Bi)から選択されるいずれか一つの物質で構成される。
第2の金属層140は、第1の金属層130が外部回路ボードまたは半導体装置などと物理的に接触して電気的接続をなすとき、接触表面での融着における共融点より高い融点を有することが好ましい。第1の金属層130が半導体回路基板の材料であるシリコンやその他の導電性物質等と電気的に接続する場合、接触表面で融着によって共融反応(eutectic reaction)が発生する。この場合、第1の金属層の融点より低い温度で融着が発生する。融着によって第1の金属層130は、水平方向に広がり、接触界面の面積が増加する。
例えば、第1の金属層にAuが使用され、バンプ構造と接合される外部回路ボードの材質がシリコンの場合、接触界面では、Au−Siの共融反応が発生する。よって、第2の金属層として、Au−Siの共融温度である363℃より融点が高いすべての金属を使用することができる。本発明の一つの実施形態では、第2の金属層にCuを使用したが、必ずしもこれに限定される必要はなく、チタンまたはチタン合金、クロムまたはクロム合金、銅または銅合金、ニッケルまたはニッケル合金、金または金合金、アルミニウムまたはアルミニウム合金、バナジウムまたはバナジウム合金など多様な金属を使用することができる。
第1の金属層130が融着によって水平方向に広がるとき、第2の金属層140は、第1の金属層130の下部で物理的な支持力を提供すると共に第1の金属層130が過度に広がることを防止し、一つのバンプ構造が隣接するバンプ構造に電気的に連結することが防止される。
更に、第2の金属層140は第1の金属層130の下部で第1の金属層130を支持しながら一つの一体化した積層構造を形成するので、第1の金属層130だけでバンプ構造を形成する場合より第1の金属層130の相対的な厚みの割合を減らすことができ、その結果、第1の金属層及び第2の金属層から構成されるバンプ構造は、第1の金属層に高価な金属を使用する場合にバンプ構造形成に必要となる費用を大きく削減できる。例えば、Auを使用した第1の金属層だけでバンプ構造を形成する場合より、第1の金属層と第2の金属層を積層した多層構造の場合、バンプ構造形成に約3〜4倍以上の材料費削減効果を得ることができる。
図4は、本発明の他の実施形態によるバンプ構造の断面を示したもので、図3の実施形態とは異なり、バンプ構造は3層の積層構造に形成されている。
図4に示すように、第1の金属層130と第2の金属層140との間に、付加的に拡散防止層150が挿入されている。この拡散防止層150は、第1の金属層130と第2の金属層140との間の接合力を向上させて、拡散を防止する役割をする。拡散防止層150としては、ニッケル、チタン、クロム、銅、バナジウム、アルミニウム、金、コバルト、マンガン、パラジウムまたはこれらの合金など一般的に使用される拡散防止層及び接合層材料は、すべて使用可能であり、単一層または複合層にも形成することができる。
図5及び図6は、本発明に基づくバンプ構造を通じて半導体装置と他の半導体装置(または外部回路ボード)との間の電気的な接続構造を形成した様子を示している。
まず、図5に示すように、他の半導体装置または外部回路ボード200をバンプ構造が形成されている回路基板100に近接して配置し、他の半導体装置または外部回路ボード200の表面をバンプ構造の最上部である第1の金属層130に接触させる。バンプ構造の第1の金属層130が、他の半導体装置または外部回路ボード200の表面に熱処理によって融着されると、第1の金属層130が部分的に溶融して物理的接合及び電気的接続を構成する。
第1の金属層130の下部の第2の金属層140は、第1の金属層130と他の半導体装置または外部回路ボード200の表面の混合物の共融温度よりも溶融点が高いため、融着過程の間にも第2の金属層140の物理的な形状は変化せず、第2の金属層140はバンプ構造を堅固に維持する。
従って、図6に示すように、バンプ構造の上端を構成する第1の金属層130が部分的に水平方向に広がっても、全体的なバンプ構造の形状は、最初の形状と大きく変わらない堅固な状態を維持する。特に、第1の金属層130が接合過程で大幅に溶融されても、溶融は第2の金属層140上端までに制限される。従って、第1の金属層130の溶融による各種問題点が解決され、製品収率向上と工程信頼性を達成することができる。
また、半導体装置と外部回路ボード200または他の半導体装置との間の電気的接続に必要な空間は、一種のスペーサーとして作用する第2の金属層140の高さを調節することで確保できる。第1の金属層130の高さを調節することにより水平的な広がりを最小化することができる。そのために、第2の金属層140は、第1の金属層130より垂直方向の厚みが厚いことが好ましい。より好ましくは、第2の金属層140の垂直方向の厚みは、第1の金属層130のそれより1.5〜2倍以上厚いことである。
また、各バンプ構造の高さの均一性が優れていることは、バンプ構造と外部回路ボード200または他の半導体装置との接合不良を防止することができる。特に、第1の金属層130の水平的広がりが防止されて、微細ピッチの半導体パッケージ実現が可能である。
本発明は、広範囲な半導体装置及び半導体パッケージに適用することができる。それのみならず、前記半導体装置としては、金属配線が形成されたシリコンウエハー素子、シリコンをはじめとする各種金属で形成された二次元または三次元構造物を有する電子素子などが含まれ得る。
以上で好ましい実施例を通じて本発明を例示的に説明したが、本発明は、このような特定実施例にのみ限定されるのではなくて、本発明で提示した技術的思想、具体的には特許請求の範囲に記載した範疇内で多様な形態で修正、変更、または改善することができる。
Claims (12)
- 半導体装置のバンプ構造であって、
印刷回路ボード、電気的部品または機械的部品を含む各種回路基板に電気的に接続された第1の金属層と、
前記第1の金属層と一体的に形成されるように前記第1の金属層に電気的に接続され、前記半導体装置の電極パッドと電気的に接続された第2の金属層と、を備え、
ここにおいて、前記第2の金属層は、前記第1の金属層の融点または前記第1の金属層が他の物質の表面と融着反応する場合の共融点より高い融点を有する一つ以上の金属または合金で構成されることを特徴とする半導体装置のバンプ構造。 - 前記第2の金属層は、前記第1の金属層の厚みより厚いことを特徴とする、請求項1に記載の半導体装置のバンプ構造。
- 前記第1の金属層と第2の金属層の間に、一つ以上の拡散防止層を更に備えた、請求項1に記載の半導体装置のバンプ構造。
- 前記拡散防止層は、ニッケル、チタン、クロム、銅、バナジウム、アルミニウム、金、コバルト、マンガン、パラジウム、及びこれらの合金の中から選択されるいずれか一つ以上の物質を含むことを特徴とする、請求項3に記載の半導体装置のバンプ構造。
- 前記第1の金属層の上部にソルダ層を更に備えた、請求項1に記載の半導体装置のバンプ構造。
- 前記第1の金属層が、Auで構成される、請求項1に記載の半導体装置のバンプ構造。
- 前記第2の金属層が、チタンまたはチタン合金、クロムまたはクロム合金、銅または銅合金、ニッケルまたはニッケル合金、金または金合金、アルミニウムまたはアルミニウム合金、バナジウムまたはバナジウム合金の中から選択されるいずれか一つ以上の物質で構成される、請求項1に記載の半導体装置のバンプ構造。
- 前記半導体装置の前記電極パッドは、再配置された配線の一端に形成されている、請求項1に記載の半導体装置のバンプ構造。
- 半導体装置のバンプ構造であって、
印刷回路ボード、電気的部品または機械的部品を含む各種回路基板に電気的に接続された第1の金属層と、
前記第1の金属層と一体的に形成されるように前記第1の金属層に電気的に接続され、前記半導体装置の電極パッドと電気的に接続された第2の金属層と、を備え、
ここにおいて、前記第2の金属層は、前記第1の金属層より垂直の厚みが厚いことを特徴とする半導体装置のバンプ構造。 - 前記第2の金属層は、前記第1の金属層の融点または前記第1の金属層が他の物質の表面と融着反応する場合の共融点より高い融点を有する一つ以上の金属または合金で構成されることを特徴とする、請求項9に記載の半導体装置のバンプ構造。
- 前記第1の金属層と前記第2の金属層の間に一つ以上の拡散防止層を更に備えた、請求項9に記載の半導体装置のバンプ構造。
- 前記第1の金属層の上部にソルダ層を更に備えた、請求項9に記載の半導体装置のバンプ構造。
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