JP2015095482A - 半導体部品上へのマイクロバンプの作製方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】ピラー型マイクロバンプを、例えば集積回路チップまたはインターポーザー基板のような半導体部品上に形成する方法。【解決手段】複数のコンタクト開口部16が、部品の上に堆積されたパッシベーション層15の中に形成され、1つのバンプが、複数の開口部を介して部品のメタライゼーション層に接触する。好適には、複数の開口部は、小さな開口部の規則的なアレイを形成する。好適には、バンプが電気メッキで形成される前に、コンタクトパッド18,19が開口部の上に等方的に堆積される。複数の開口部により、平坦なマイクロバンプが非常に小さな直径で形成でき、非常に狭いピッチを有するバンプアレイの作製が可能となる。開口部はまた個々のバンプの剪断強度を増加させる。開口部は好適には傾斜したサイドウォールを有する。本発明は、同様に、本発明の方法により得られる1またはそれ以上の部品を含む半導体パッケージに関する。【選択図】図2

Description

本発明は、集積回路チップのような、半導体部品のパッケージングに関する。
メモリーロジック(Memory-Logic)またはロジックセルデス(Logic-SERDES)のような高性能応用の場合、半導体チップと接触するために選ばれたパッケージング技術は、全体のシステムの性能に対して大きな影響を与える。相互作用のバンド幅が、チップの間の入力/出力(I/O)数を増やすことにより改良される。フリップチップ/3Dパッケージング技術の場合、これはチップに接触するバンプの数の増加を意味し、これはピッチと寸法を減らすことにより得られる。(ソルダーボール型と反対の)ピラー型マイクロバンプは、一般にはピッチが40〜50μmまたはそれ以下と考えられる。非常に狭いピッチ(20μmまたはそれ以下)の場合、下層構造および/または(バンプ直径の低減により影響された)バンプ接着により形成された形状は、良好な積み重ね率(stacking yield)および信頼性を確保するために問題となる。
形状の問題を図1に示す。ここでは、半導体チップ3の上の活性マイクロバンプ1とダミーバンプ2が示されている。垂直接続により、即ち、最後のBEOL層の上に存在するパッシベーション層6の中のコンタクト開口部を介して、活性バンプは、(一般には最後のバックエンドオブライン(Back-end-of-line: BEOL)層として知られる)チップの上部メタライゼーション層中の金属層4と接触し、一方、ダミーバンプ2はパッシベーション層6の上に堆積される。金属コンタクト層7は、バンプとチップとの間に存在し、金属層はまたプロービングパッド8を形成する。活性バンプ1のコンタクト開口部の形状は、活性バンプの上に転写されて、そこではキャビティ9として明らかであり、一方、ダミーバンプ2は本質的に平坦な上面を有する。バンプ2は、また、最後のBEOL層への垂直接続の無い、金属コンタクト層7を介して回路に接続された活性バンプでも良い。
本発明は、集積回路チップまたはインターポーザー基板のような半導体部品の上にピラー型マイクロバンプを作製する方法に関する。複数のコンタクト開口部が、部品の上に堆積されたパッシベーション層の中に形成され、1つのバンプは、複数の開口部を通って部品のメタライゼーションに接触する。好適には、複数の開口部は、小さな開口部の規則的なアレイを形成する。好適には、電気メッキでバンプを形成する前に、コンタクトパッドが等角的に開口部の上に堆積される。複数の開口部によって、平坦なマイクロバンプが非常に狭い直径を有して形成でき、非常に狭いピッチを有するバンプアレイの作製が可能となる。開口部はまた、個々のバンプの剪断強度を増加させる。開口部は好適には傾斜したサイドウォールを有する。
本発明は、同様に、本発明の方法によって得られる1またはそれ以上の部品を含む半導体パッケージに関する。本発明および本発明のパッケージは、添付された請求の範囲に記載される。
本発明は、このように、第1に、半導体部品の上にピラー型マイクバンプを作製する方法に関し、この方法は、
コンタクト領域を含む上部メタライゼーション層を有する半導体部品を提供する工程と、
メタライゼーションの上にパッシベーションを堆積する工程と、
パッシベーションの中に複数の開口部を作製し、これにより開口部の底にコンタクト領域を露出させる工程と、を含む。開口部は、このように、本質的にパッシベーション層を通る垂直の開口部であり、「垂直」は、上部表面から底部表面までの開口部で、中心軸の周囲に、好適には対称軸の周囲に配置されるとの意味で、コンタクト領域の上にマイクロバンプを作製し、マイクロバンプは複数の開口部を通ってコンタクト領域と電気的に接触する。
好適な具体例では、開口部の数と大きさおよび開口部の間の距離は、開口部で形成される形状が実質的にマイクロバンプの上部表面に転写されないように選択される。
1つの具体例では、金属コンタクト層はパッシベーション層の上と開口部の中に等角的に堆積され、金属コンタクト層はパターニングされてコンタクト領域を覆い、コンタクト領域と電気的に接触する金属コンタクトパットを形成し、マイクロバンプは、金属コンタクトパッドの上に作製される。
可能であれば、マイクロバンプの作製前に、第2のパッシベーション層が金属コンタクトパッドの全体の上に堆積され、第2のパッシベーション層はパターニングされて、コンタクトパッドの端部を覆い、一方で、開口部の少なくとも一部を覆わない。
パッシベーション層中の開口部は、好適には傾斜したサイドウォールを有する。パッシベーション層の平面に対するサイドウォールの角度は、50°と85°の間である。開口部は、規則的なパターンに配置されても良い。開口部の最大直径は、2つの隣り合った開口部の距離と同様に、0.5μmから4μmである。
1つの具体例では、上部メタライゼーション層は、バックエンドオブライン(BEOL)メタライゼーション層のスタックの最後の層である。
1つの具体例では、パッシベーション層中の開口部の体積とマイクロバンプの体積との間の比は、0.1%から5%である。
本発明は、同じく半導体パッケージに関し、半導体パッケージは、2つの部品の間に電気的接続を形成するピラー型マイクロバンプを有する第1および第2の部品を含み、マイクロバンプの少なくとも1つは、パッシベーション層の中の複数のコンタクト開口部を通って、部品の1つに接続する。本発明にかかるパッケージにおいて、部品の1つは集積回路チップでも良い。開口部は、パッシベーション層の全体の膜厚を通る本質的に垂直な開口部であり、「垂直」は、「上面から底面までの開口部で、中心軸の周囲に、好適には対称軸の周囲に配置される」との意味である。パッシベーション層は、好適には部品の上部メタライゼーション層(好適には最後のBEOL層)の上に堆積される層であり、上部メタライゼーション層はコンタクト領域を含み、開口部を介してコンタクト領域に接続するバンプを有する。換言すれば、バンプの材料は開口部を充填し、これによりコンタクト領域に接続する。
1つの具体例では、開口部は傾斜したサイドウォールを有する。パッシベーション層の平面に対するサイドウォールの角度は、50°から85°である。開口部は、規則的なパターンとして配置されても良い。開口部の最大直径は、2つの隣り合った開口部の間の距離と同様に、0.5μmから4μmである。コンタクトパッドは複数の開口部を覆い、マイクロバンプがコンタクトパッドの上に堆積される。
従来技術として知られるマイクロバンプで発生する形状の問題を示す。 半導体部品の上にコンタクトパッドを作製するための、本発明の方法の具体例にかかる複数のプロセス工程を示す。 図2のプロセス工程により作製したコンタクトパッドの上に、マイクロバンプを作製するためのプロセス工程を示す。 マイクロバンプのためのコンタクトパッドと同じ方法で、プロービングパッドを作製するために、この方法をどのように適用するかを示す。 マイクロバンプのためのコンタクト領域の可能な形状を示し、コンタクト領域は、本発明の方法にかかる小さなコンタクト開口部の規則的なパターンを有するように形成される。
本発明では、ピラー型の活性マイクロバンプがその上に形成されるコンタクト表面が、1つの大きなコンタクト開口部の代わりに、パッシベーション層を通る複数の小さな開口部として形成される。好適な具体例では、開口部の数や大きさ、および開口部の間の距離は、開口部で形成される形状が実質的にマイクロバンプの上部表面に転写されないように、換言すればバンプの上部表面が実質的に平坦になるように選択される。コンタクト開口部は、好適には傾斜したサイドウォールを有する。本発明の方法は、これ以下に、好適な具体例に従って述べる。
図2aは、集積回路チップの上部メタライゼーション層11を示し、好適にはこれは最後のBEOL層である。この層は、誘電体層14に埋め込まれた金属コンタクト領域12と導体線13を含む。金属充填バイア9(部分的に示す)は、領域12/13を下層のメタライゼーション層に接続する。当業者には知られていると考えるので、それらのメタライゼーション層がどのように作製されるかについては、ここでは詳細には記載しない。
これ以降に詳細に記載される具体例は、チップ上に2つのピラー型マイクロバンプを作製する方法であって、1つのダミーバンプまたはBEOLスタックに垂直な接続を有さない活性バンプと、1つの活性バンプで、後者は、垂直な接続を介してチップのコンタクト領域12に電気的に接続する。図2aに示すように、パッシベーション層15が上部メタライゼーション層11の上に最初に堆積される。これは、メタライゼーション層11の上に堆積された、例えばSiCNとSiCO層層のスタックのような複数のサブレイヤを含む層でよく、SiO層の上のSiN層の代わりに、SiCN/SiCO層の上のSiO層がこれに続く。
公知でありここでは詳細には記載しないリソグラフィとエッチングにより、複数の開口部16がパッシベーション層中に形成され、これにより、開口部の底部にコンタクト領域12を露出させる。すなわち、開口部は、パッシベーション層の全膜厚を通る垂直な開口部である(上記「垂直」の意味参照)。好適には、例えば互いに等間隔の互いに同一の開口部の矩形アレイのような、開口部16の規則的なアレイが形成される。
開口部16は、図に示すように、傾斜したサイドウォールを有する。それぞれのマイクロバンプのために形成される開口部の数は、隣接する開口部の間の距離と同様に、パッシベーション層の膜厚、バンプの直径、および開口部の直径に依存する。
各バンプに対する開口部の数は、コンタクトを最大にして、これによりマイクロバンプを通る電流経路の全体の抵抗を低減するために、好適には、可能なかぎり、それらのパラメータを考慮に入れる。これは、特に高出力応用の場合の、電力消費およびエレクトロマイグレーションに対して有益である。
次に、キャビティ21が金属層に形成されるように、金属層17がパッシベーション層15と開口部16との上に等角的に堆積される(図2c参照)。ここで、「等角的(conformally)」は、金属層17が開口部により形成された形状に従うことを意味する。この金属層は、例えばTa層に続いてTiNの堆積とAlの堆積が行われるように、連続した複数の堆積により得られても良い。
金属層17のパターニングのために他のリソグラフィ工程が行われ(図2d)、これによりダミーバンプのための金属コンタクトパッド18と、活性バンプのための金属コンタクトパッド19が得られ、後者はキャビティ21を備える。
次に、第2のパッシベーション層20が堆積され(図2e)、リソグラフィ工程でパターニングされ(図2f)、コンタクトパッド18/19が露出し、一方で、コンタクトパッドの端部は第2のパッシベーション層20で覆われたままである。この第2のパッシベーション層は、SiN層でも良い。
コンタクトパッド18/19の上への銅のピラー型マイクロバンプの形成は、いずれかの公知プロセスで行われる。図3は、好適な具体例を示し、例えばTiWとCuの積層からなる、シード層25の堆積から始まる(図3a)。
シード層は、または、等角であり、即ち、最初の開口部16中に形成されたキャビティ21中の金属層17の形状に従う。リソグラフィにより、マイクロバンプの位置を規定するマスク中の開口部を有するように、シード層の上にレジストマスク26が形成される。それらのバンプ27、28が、次に、銅メッキにより形成され、その後、マスクが除去される(図3c参照)。CuとTiWシード層がエッチングされ(図3d)、マイクロバンプ、即ちダミーバンプ27および活性バンプ28の作製が完了する。コンタクト開口部16のおかげで、活性バンプ28の上面は本質的に平坦である。活性バンプ28とダミーバンプ27との間の高さの違いは無視できる。
金属層17の堆積と第2のパッシベーション層20の堆積のように、上述の工程のいくつかは任意的である。
図4に示した具体性では、プロービングパッド30が、金属層17のパターニング工程中に、コンタクトパッド18、19と共に形成される。パッシベーション層15の中にコンタクト開口部16’が形成され、これにより、コンタクト領域12と開口部16に関する上記記載と同じ方法で、プロービングパッドのコンタクト領域31を露出させる。金属層17がパターニングされて、キャビティ21’を備えるプロービングパッド30が形成される。コンタクトパッド19と同じ数と大きさのキャビティ21’を有するプロービングパッド30のデザインは、好適には、開口部16、16’をエッチングするエッチング時間が同じであるという事実による。プロービングパッドを形成するために、パッシベーション層15中により広い開口部が形成された場合、この開口部はより速くエッチングされて、より小さな開口部16がエッチングされる前にこの領域はオーバーエッチングされる。しかしながら、好適なエッチストップ層が形成されれば、図1の平坦なプロービングパッドが、本発明にかかるコンタクトパッド19と組み合わせることができる。
述べたように、開口部16、16’は、好適には傾斜したサイドウォールを有し、即ちパッシベーション層15の表面の上方の断面は、パッシベーション層の底面の下方の断面より広く、サイドウォールは、パッシベーション層15の平面に対して傾斜角度αで配置される(図2b参照)。1またはそれ以上の開口部のサイドウォールの上部、例えばサイドウォールの高さの上部10%が、多くのサイドウォールに比較して、パッシベーション層の面に対して鋭い角度で傾斜することも可能である。この場合、主なサイドウォールの傾斜角度(即ち、開口部の底から開始し、より鋭く傾斜した上方部分となるまでの下方部分)が、その壁の角度αと理解される。
開口部中に傾斜したサイドウォールが存在することは、実際のマイクロバンプをメッキで形成する前にコンタクト層17を堆積する場合に本質的に重要である。サイドウォールが垂直な場合、金属層17は開口部16の内側にオーバーハングし、これにより、開口部16の中の金属層17の全体の上にシード層を形成するのが困難となり、開口部16中にボイドを形成するリスクを引き起こす。開口部16の大きさと、その中に開口部16がエッチングされるパッシベーション層15の厚さに依存して、パッシベーション層15の平面に対するサイドウォールの角度α(図2b参照)は、50°から85°でも良い。
本発明に方法により作製されたマイクロバンプは、(図1に示すような)平坦なコンタクトパッドの上に作製されたマイクロバンプと比較して改良された剪断強度を有する。これは、7.5μmの直径を有し、本発明にかかる方法で作製されたマイクロバンプの上で、即ちキャビティ21を有するコンタクトパッド上のマイクロバンプの上で、平坦なコンタクトパッドの上に作製された同じバンプと比較して、発明者らが行った試験により実験的に確認された。1μmの最大直径(即ち、傾斜したサイドウォールの上部での直径)と相互距離(即ち、同じ列で隣り合った2つの開口部の間の距離)を有するパッシベーション層15の中の開口部16の矩形のアレイの上に堆積したコンタクトパッド19により、このパッドを置き換えた場合、平坦なコンタクトパッドに比較して約48%、剪断強度が改良されることが見出された。開口部が2μmで、相互距離が2μmのアレイに対して、改良は100%より大きい。好適な具体例では、最大直径(即ち、パッシベーション層の上方の表面での直径)は、相互距離と同様に0.5μmから4μmである。
パッシベーション層15の面の開口部16/16‘の断面は、多角形または円でも良い。多角形の場合、「直径」は、その中に多角形が内接する円に直径で、または多角形上の2点の間の最大距離で定義される。
開口部の形状がバンプに転写されるか否かは、開口部の大きさ、開口部の間の距離、および実際にバンプの堆積が行われる前に開口部中に堆積された層(例えば金属層17とシード層25)の厚さに依存する。1つの具体例では、その上にバンプが堆積される全ての開口部16の体積と、バンプの体積との間の比は、0.1%から5%である。より好適には、0.1%から1%である。
本発明は、同様に、第1および第2の部品を含み、2つの部品の間に電気的接続を行うピラー型のマイクロバンプを備えた半導体パッケージであって、マイクロバンプの少なくとも1つは、パッシベーション層15の中の、複数のコンタクト開口部16を介して部品の1つに接続する半導体パッケージに関する。換言すれば、マイクロバンプの少なくとも1つは、本発明の方法により得ることができる。本発明のパッケージの特定の具体例は、それらの特徴がパッケージ中で実現できる限り、即ち、開口部の傾斜したサイドウォール、開口部の矩形アレイ、開口部の大きさ等が実現できる限り、本方法について上述したような特徴のいずれかにより特徴づけられる。本発明の範囲内でいずれの部品の組み合わせも可能であるが、第1の部品は集積回路チップであり、第2はインターポーザー基板でも良い。本発明の方法を用いて、マイクロバンプの列が小さなピッチで、上述の形状の問題無しに形成でき、一方で高い剪断強度を維持できる。
数値例
図5は、活性マイクロバンプ28の上面と、様々な領域の可能な大きさを示す。それらの大きさは、例示としてのみ示される。開口部は、パッシベーション層の平面において、正八角形の形状を有する。パッシベーション層15の中の開口部16の示された大きさ(2μmより僅かに大きい最大直径)と数、およびアレイの同じ列の隣り合う開口部の間の距離(2μm)は、開口部の上に等角に堆積した金属コンタクトパッド19の上に堆積した、直径が25μmのマイクロバンプが、認識できる上部形状を示さないことを確実にできる。この図で見られる他の特徴は、金属コンタクトパッド19の周囲と第2のパッシベーション層20の中に作製された円形のコンタクト開口部32である。
この例のパッシベーション層15の厚さは約0.8μmで、パッシベーション層の平面に対する開口部16のサイドウォールの角度は約72°である。それらの25μm直径のバンプでは、例えば40μmのような短いピッチでマイクロバンプを形成できる。しかしながら、本発明は例えば約7μmのようなより小さいバンプ直径にも適用でき、これにより20μm以下のピッチを有するバンプアレイが形成できる。一方、この大きさのマイクロバンプは導入部で述べた形状の問題に遭遇したが、本発明の方法により作製したバンプはこの問題に遭遇しない。
以下の詳細は、この例を完成するために述べられる。パッシベーション層15の堆積は、それに続く、SiCN層(5nm)、SiCO層(25nm)、SiO層(600nm)、およびSiN層(200nm)のPECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition: プラズマ強化化学気相堆積)堆積で行われる。金属層17は、それに続くTa(25nm)、TiN(30nm)、およびAl(500nm)のPVDによる堆積により作製される。
第2のパッシベーション層20は、30nm膜厚のSiN層で、PECVDにより堆積される。シード層25は30nmのTiWと150nmのCu層から形成され、PVDで堆積される。
上で述べない多くのプロセス工程が、公知の好適な技術、例えば金属層17と第2のパッシベーション層20をパターニングするためのリソグラフィ/エッチング、または所定の角度αを有する傾斜したサイドウォールを有する開口部16を作製するためのリソグラフィ/エッチングの方策に従って適用できる。この方法は、明確には上で述べないが、当業者に知られた追加の工程、例えばリソグラフィ/エッチングの前に必要な洗浄工程を含んでも良い。
パッシベーション層の膜厚と開口部16の大きさを考慮し、電気メッキで堆積した銅の体積は約4900μm(平面上に堆積された直径が25μmで高さが10μmのバンプに対応する)であり、その上にバンプが堆積される開口部16の体積とバンプの体積との間の比が約0.9%であることを考慮する。
本発明は図面や先の記載に詳細に説明され、述べられるが、そのような図面や説明は実例や例示であり、限定するものとは考えられない。開示された具体例の他の変形は、図面、開示、および添付された請求項を研究することで、請求された発明を実施する当業者は理解および達成できる。請求項において、「含む(comprising)」の文言は他の要素や工程を排除するものではなく、不定冠詞「a」または「an」は、複数を排除するものではない。所定の手段が、互いに異なる従属請求項で引用されるという単なる事実は、それらの手段の組み合わせが有利に使用できないことを表さない。請求項中の参照符号は、範囲を限定するように解釈すべきではない。
先の記載は、本発明の所定の具体例を詳述する。しかしながら、テキスト中に先の記載が如何に詳しく表わされていても、本発明は多くの方法で実施でき、それゆえに開示された具体例に限定されない。本発明の所定の特性や形態を記載する場合の、特定の専門用語の使用は、その専門用語がここで再定義され、その専門用語が関係する本発明の特性または形態の特定の特徴を含むように限定されるものではない。
厳密に特定しない限り、他の層または基板の「上(on)」に堆積または形成された層の記載は、任意的に、「他の層または基板の上に、即ち接触して、層が形成または堆積されること」、および「その層と、他の層または基板との間の、1または積層された中間層の上に層が形成されること」を含む。

Claims (17)

  1. ピラー型マイクロバンプを半導体部品上に形成する方法であって、
    半導体部品を提供する工程であって、半導体部品は上部メタライゼーション層を有し、メタライゼーション層はコンタクト領域を含む工程と、
    メタライゼーション層の上にパッシベーション層を堆積する工程と、
    パッシベーション層の中に複数の開口部を形成し、それにより開口部の底にコンタクト領域を露出させる工程と、
    コンタクト領域の上にマイクロバンプを形成する工程であって、マイクロバンプは複数の開口部を介してコンタクト領域に電気的に接続する工程と、を含む方法。
  2. 開口部の数と大きさ、および開口部の間の距離は、開口部によって規定される形状がマイクロバンプの上面に実質的に転写されないように選択される請求項1に記載の方法。
  3. パッシベーション層と開口部の上に、金属コンタクト層が等方的に堆積され、
    金属コンタクト層がパターニングされて、コンタクト領域を覆い、コンタクト領域と電気的に接続する金属コンタクトパッドが形成され、
    金属コンタクトパッドの上にマイクロバンプが形成される請求項1または2に記載の方法。
  4. マイクロバンプの形成前に、金属コンタクトパッドの全体の上に第2のパッシベーション層が堆積され、
    コンタクトパッドの端部を覆う一方、少なくとも開口部の一部を露出させるように、第2のパッシベーション層がパターニングされる請求項3に記載の方法。
  5. 開口部は傾斜したサイドウォールを有する請求項1に記載の方法。
  6. パッシベーション層の平面に対するサイドウォールの角度は、50°から85°である請求項5に記載の方法。
  7. 開口部は、規則的なパターンに配置される請求項1に記載の方法。
  8. 2つの隣り合う開口部の間の距離と同様に、開口部の最大直径は、0.5μmから4μmである請求項1に記載の方法。
  9. 上部メタライゼーション層は、バックエンドオブライン(BEOL)メタライゼーション層の積層の、最後の層である請求項1に記載の方法。
  10. パッシベーション層の中の開口部の体積と、マイクロバンプの体積との間の比は、0.1%から5%である請求項1に記載の方法。
  11. 第1と第2の部品を含み、ピラー型マイクロバンプが2つの部品の間の電気的接続を形成する半導体パッケージであって、
    マイクロバンプの少なくとも1つは、パッシベーション層の中の複数のコンタクト開口部を介して部品の1つに接触する半導体パッケージ。
  12. 開口部は傾斜したサイドウォールを有する請求項11に記載の半導体パッケージ。
  13. パッシベーション層の平面に対するサイドウォールの角度は、50°から85°である請求項12に記載の半導体パッケージ。
  14. 開口部は、規則的なパターンに配置される請求項11に記載の方法。
  15. 2つの隣り合う開口部の間の距離と同様に、開口部の最大直径は、0.5μmから4μmである請求項11に記載の半導体パッケージ。
  16. コンタクトパッドは、コンタクトパッドの上に堆積されたマイクロバンプと共に、複数の開口部を覆う請求項11に記載の半導体パッケージ。
  17. 部品の1つは、集積回路チップである請求項11に記載の半導体パッケージ。
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