JP3232042B2 - メモリチップパッケージ - Google Patents
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Description
ッケージングに関し、特に、メモリアレイをアルファ粒
子(線)損傷から保護するフリップチップパッケージの
新たな設計に関する。
アルファ粒子損傷に対する感受性は、長い間認識されて
きている。この問題は半導体メモリデバイスの開発初期
の時点で発見され、高密度のMOSトランジスタメモリ
アレイの出現以来、この問題は、より深刻となってい
る。これらのメモリアレイは電子またはホール(Nチャ
ネルデバイスにおいては通常電子)の形態でデータを記
録し、非常に小さな電荷が高密度のアレイ中でデータビ
ットを表している。これらのデバイスの蓄積キャパシタ
にヒットした1個のアルファ粒子で十分なホール−電子
対を生成しその結果、例えばゼロ(0)状態のキャパシ
タの電荷状態(電荷のない状態)は(1)状態として読
み出されてしまう。
バイスをアルファ粒子に対する露出から保護するために
用いられてきた。通常デバイスをパッケージ外にあるア
ルファ粒子サイトから保護してきた。パッケージの中身
すなわちメモリ列をアルファ粒子露出からシールドする
ようなパッケージデザインは公知である。ある種のデバ
イスパッケージ、例えばある種の金属製容器がアルファ
粒子汚染の原因であり、その使用を回避するかあるいは
アルファ粒子ソースから半導体チップを絶縁するような
ステップがとられている。一般的にメモリチップパッケ
ージの技術は十分に開発され、従来のメモリチップパッ
ケージはアルファ粒子問題はない。
アルファ粒子に耐ええることが十分証明されているもの
であるが、このようなものはデュアルインラインパッケ
ージ、そして最近では表面搭載クワッドパッケージであ
る。これら両方のデバイスパッケージ等もカプセル化さ
れたIC状のリード線、あるいはパッドとプリント書き
込みボード、あるいは他の相互接続基板との間ではんだ
接続をしばしば用いている。通常このはんだは標準のP
b・Snはんだである。
ドパッケージおよびワイヤボンドリードパッケージは、
ある種のアプリケーションでは、その製造と大きさは高
級すぎる点でコスト高となり、より洗練されたメモリチ
ップパッケージのアプローチが模索されている。何年に
もわたって半導体デバイスとパッケージ設計の傾向はよ
り高いレベルで集積化され、これはメモリ技術において
は同一チップ上にメモリと論理回路とを集積するという
形態をとっている。パワーモジュールとドライバ回路
は、DRAMデバイスおよびSRAMデバイスの従来か
らの一部であり多くのメモリデバイス設計は、共通チッ
プ上にメモリアレイを具備したアプリケーション仕様の
論理回路である。しかし論理用とメモリ用の半導体素子
は、数多くの共通の特徴を有してはいるが差異も存在す
る。例えばメモリ要素の重要な特徴は、蓄積キャパシタ
素子である。この素子は、好ましくは小型で欠陥あるい
はリークがあってはならない。論理デバイスはそれに対
応する素子を有さず、ある種のデバイスにおいては、よ
り許容される。したがってメモリデバイスに最適のウェ
ハーの製造プロセスは、論理デバイスには必ずしも最適
なものではない。かくして同一の半導体チップ上に異な
るデバイスの種類を集積するためには妥協が必要であ
る。
の方向に進んでおり、この脱集積の方向ではメモリデバ
イスはおもにメモリセルからなり、オンボードロジック
と他のトランジスタは別のチップ上に搭載される。これ
らのチップはその構成要素のサイズと特徴に最適なよう
に処理される。この技術においては集積化はパッケージ
レベルで行なわれ、これが成功するためのキーは性能と
コスト及び少なくともサイズが同一のチップ集積された
システムよりも優れた最終製品を作り出すようなパッケ
ージ技術である。
ップチップボンディングとその組み立てである。フリッ
プチップボンディングは、十分開発しつくされてきた技
術であり、裸のシリコン製ICダイを裏返して相互接続
基板(プリント回路基板)上にボンディングすることを
特徴としている。数種類のボンディング技術が開発され
ており、例えばボールボンディング、ボールグリットア
レイ(BGAボールボンディングの一形態)およびアン
ダーバンプボンディングがある。これらの技術は、接触
表面が小さくなることにより、I/Oピッチを減少さ
せ、周辺相互接続アレイよりも面積を小さくできること
になる。さらにまた、電気的性能も向上するが、その理
由はリード線の長さが減少するからである。通常これら
の技術のボンディング方法は、はんだボンディングであ
る。
短縮化は、新たな予測できない問題(結果)を引き起こ
している。ワイヤボンドおよび延長リードおよび表面搭
載パッケージの技術者に未知なことは、これらの技術に
おけるリード線は、活性回路要素すなわちトランジスタ
を、はんだの相互接続領域内のアルファ粒子ソースか
ら、十分に絶縁できるほど長い点であり、しかしこれら
のリード線が短くなるにつれて、すなわち上記のように
リード線が改良されるにつれて、ICの活性要素ははん
だの接続領域により近づくことになることである。はん
だ接続領域が、アルファ粒子に対し感受性が高いIC構
成要素に非常に近づくことになった結果、はんだから放
出されるアルファ粒子が、活性要素近傍の半導体基板に
対し、悪影響を及ぼし、上記したようなアルファ粒子損
傷を引き起こす。このアルファ粒子問題は、相互接続層
が鉛のはんだを含有するときにもっとも深刻である。
を解決する一つのアプローチは、I/Oリード線を、は
んだから放出されるアルファ粒子から空間的に絶縁する
ために、アルファ粒子に対し感受性の高い回路要素をは
んだ領域から十分に離しておくことである。ある程度は
この方法で、特に周辺I/Oパッドを有する大きなパッ
ケージに対しては、達成可能である。しかし、現在最新
の設計者に対し、興味のある新たなパッケージ技術にお
いては、最適の相互接続アプローチは、潜在的にアルフ
ァ粒子に対し感受性の高い回路要素に隣接して配置され
たI/Oパッドの面アレイを用いている。さらにまた、
周辺I/Oパッドでさえも現在設計されている非常に小
型のパッケージ内で活性要素に極めて近接して配置して
いる。
チップ相互接続に関連する、特にマルチチップパッケー
ジ内のメモリチップを含むフリップチップパッケージに
関連するアルファ粒子問題を認識すると、本発明者らは
アルファ粒子問題をなくすあるいはアルファ粒子問題を
軽減するような最新型のフリップチップ相互接続パッケ
ージを提供できるような相互接続方法を開発した。この
相互接続方法およびそのようにして得られたパッケージ
デザインは、鉛ベースのはんだを除去することに基づい
ている。さらにまた、本発明者らは、無鉛はんだに適し
た、より頑強なパッド金属化を開発した。ほとんどすべ
てのICにおける主なパッド材料(ICの最終金属製相
互レベルの一部)はAlである。このAl製パッドは、
チップを基板にはんだボンディングする前に、はんだと
互換性のある材料でもってコーティングしなければなら
ない。本発明の一実施例であるはんだバンプ相互接続方
法においては、このはんだに適応性のある(互換性のあ
る)の材料は、アンダーバンプ金属化材料(umder bump
metallization:UBM)と称する。既存のUBM材料
は、鉛はんだに適したように開発されたものである。こ
のため、鉛含有度の低い、あるいは無鉛はんだ材料に使
用されるアンダーバンプ材料が開発された。
この相互接続用基板11上に、ボンディングされた3個
の半導体チップ12、13、14を有するマルチチップ
モジュール(MCM)の部分の平面図が示されている。
チップ12、13は、メモリチップで、14は論理チッ
プ例えばマイクロプロセッサである。相互接続用基板1
1は、セラミックまたはシリコンのような半導体ウェハ
ーエポキシ製ボードあるいは、他の適切な材料製基板で
ある。シングル層あるいはマルチ層で、他の相互接続用
基板に相互接続される。本発明は、少なくとも1つのメ
モリチップを含む、ICパッケージに適応できるもので
ある。特に、メモリチップが微細なチップ領域でもっ
て、メモリチップを支持する真下の基板に相互接続され
るようなICパッケージに適応できる。別法として、こ
のメモリチップは、上記の技術により別のチップ、すな
わち構成要素(これが次に相互接続用基板に接合され
る)に結合されるフリップチップでもよい。このような
マルチチップ構成は、従来公知のものである。
いは電荷の形態で半導体中にデータを蓄積する他の種類
のメモリでもよい。本発明は、わずかな電荷がデータビ
ットを表す、すなわち電荷が非常に小さなキャパシタ内
に蓄積されるようなメモリデバイスについて適応され
る。このような状態はメガビットレベル以上のメモリデ
バイス、すなわち少なくとも1チップあたり100万個
以上のトランジスタを有するメモリデバイスで見られ
る。
を図2に示す。同図において相互接続用基板上のボンデ
ィングパッドは15で、チップ上のボンディングパッド
は16で、はんだバンプピラーは17で示す。半導体チ
ップ上のボンディングパッド16は、通常Al製で、前
述したようにはんだ容易性を与えるために、アンダーバ
ンプ金属化層でもってコーティングしてある。基板上の
ボンディングパッド16は、通常プリント回路基板の一
部であり、はんだを容易に行うために、UBMを必要と
する場合もあるし、また必要としない場合もある。はん
だバンプピラー17は、通常アンダーバンプから形成さ
れるが、はんだパッドあるいはボールあるいははんだペ
ーストも使用可能である。チップと相互接続用基板との
間のスペース、およびはんだバンプピラー17との間の
スペースは、エポキシあるいは他の適当な材料(アンダ
ーヒルと称する)により充填され、チップの基板へのこ
の領域をシールし、チップの基板への接着を改善する。
この接着性アンダーヒルの使用は、シリコン製基板と有
機積層体材料との間の熱膨張差に起因して、使用中に結
合が破壊することを回避するために、シリコンチップと
有機積層体とをボンディングする場合に有効である。こ
の種の問題を解決する方法は、シリコン製相互接続基板
を使用することである。この接着性アンダーヒルは、ア
ルファ粒子を放射しない材料から構成しなければならな
い。
プ12、論理チップ(マイクロプロセッサ)14の内部
で、相互接続用基板11とチップ間の内部(領域率)の
相互接続構造を示す。本発明は、領域列のはんだ相互接
続を有するメモリチップにもっともよく適応可能であ
る。その理由は、この高性能メモリセルは、セルに隣接
するはんだ材料からのアルファ粒子に、最もさらされや
すいからである。
放射されるアルファ粒子の悪影響を認識し、そして細か
い面積ピッチ列のの相互接続が、この悪影響に敏感であ
るということを認識したことである。本発明によれば、
メモリチップを相互接続用基板に接合するのに用いられ
るはんだは、アルファ粒子放射材料をほとんど含有して
いない。鉛は、アルファ粒子ソースであるので、本発明
は、鉛をわずかにしか含んでいないはんだあるいは無鉛
はんだを使用している。本発明の一実施例においては、
はんだは無鉛のものであるが、鉛を極少量含むような例
えば5%以下しか含まないはんだ材料は、ある種のパッ
ケージには使用できるものである。推奨される無鉛はん
だは、共融点近傍でSnベースのはんだである。多くの
Snベースのはんだ材料は、PWB組立体で使用される
共有Sn−Pbはんだよりも融点が高い。その結果、本
発明のプロセスは、より高いはんだリフロー温度を必要
とする。これらの温度は、従来のPWBの推奨される処
理温度以上である。通常、FR4、PWBは、220℃
以上に数分間加熱されると劣化する。この問題を解決す
るために、高融点のSnはんだを有するPWBは、不活
性ガスあるいは、低酸素レベルすなわち、100ppm
以下のレベルの酸素を有するオーブン内で、リフローす
ることができる。低いリフロー温度が望ましいために、
無鉛はんだ組成は、融点であるいはその5%近傍の温度
で、選択される。適切に使用可能なSnベースのはんだ
は、以下の表に示す。
る。高いSnはんだは、通常75%以上のSnを含有し
ているが、好ましくは90%以上のSnを含有してい
る。他の無鉛はんだも本発明でも用いることができる。
プチップアンダーバンプ技術を用いている。このアンダ
ーバンプは、組み立て前に、I/O接点パッドのアレイ
(列)上に形成される。はんだを、接点パッドのアレイ
に局部的すなわち選択的に配置するために、パッドの表
面は、はんだ濡れ性(はんだがのりやすい)でなければ
ならない。集積回路に使用される金属製相互接続パター
ンは、Alであるが、Alに直接はんだする技術が試み
られているが、Alははんだをするのに好ましい材料で
はないということが知られている。したがって、産業界
の慣行では、Al製の接点パッドの上に金属コーティン
グを施し、このはんだバンプ、すなわちパッドを、この
コーティング層に接合している。前述したように、この
コーティングはアンダーバンプ金属化層(metallizatio
n:UBM)と称する。
く接着しなければならず、そして通常のはんだ処理方法
により、濡れ性を有しており、導電率も高くなければな
らない。このような要件に適合するものは、CrとCu
の混合物である。Crをまず堆積し、Alに接合し、そ
してCuをCrの上に形成して、はんだ濡れ製の表面を
提供する。Crは、様々な材料、有機材料、無機材料の
いずれにもよく接着することが知られている。したがっ
て、Crは誘電体材料、例えばSiO2、SINCAP
S、プリイミドと、通常、ICプロセスで用いられてい
る材料、およびCu、Alのような金属にもよく接着す
る。しかし、はんだ合金は、Cuを分解し、Crから濡
れ性をなくす。したがって、Crに直接接触した薄いC
u製の層は、分解して溶融はんだになり、このはんだが
その後Cr層から濡れ性をなく(de−wet)す。は
んだとUBMとの間の界面の完全性を確保するために、
CrとCuの合成層をCr層と、Cu層との間に通常用
いる。
いたが、これらの層を堆積する、いくつかのオプション
を利用することができる。これらの層は、合金のターゲ
ットから、スパッタリングにより堆積して形成される。
Crターゲットを用いてスパッタし、その後、Cuター
ゲットに変更することもできる。あるいは、別個のCr
ターゲットと、Cuターゲットを用い、そしてそれら2
つのターゲットの間を移り変わらせることにより、スパ
ッタすることもできる。この後者の方法は、傾斜組成の
層を形成することができ、好ましい方法である。
技術は、米国特許出願08/825923号(出願日1
997年4月2日)に開示されている。
例で用いられる高Snのはんだのそれよりも40℃低
い。このことは、高濃度にSnを含有したはんだ材料を
用いる時に、UBMの腐食の原因となる。
導体が開発されている。この特殊なUBMは、Cr層と
大きな遷移層を有するCu層からなる5層構造体であ
る。この遷移層は少なくともその厚さが4000A(オ
ングストローム:以下Aで代用する)で、好ましくは、
Cr/Cuの混合層を3層有している。
に示すと、同図に示されたUBMは、5層を含んでい
る。第1層は、Cr層で、1000A〜2000Aの厚
さで、その下のAl製ボンディングパッドの接着用であ
る。第5層は、Cu層で、厚さは1000A〜6000
Aではんだ付けを容易にするためのものである。第2−
4層は、遷移層である。この遷移層の厚さとその層の数
は、大幅に変わるものであるが、好ましい範囲を以下に
示す。第2層と第4層は、CrとCuを含有するが、こ
れはCrとCuを同時に堆積し、そしてCrソースとC
uソースの出口量を変化させることにより、濃度を傾斜
させる。同図において、遷移状態は、線形あるいはほぼ
線形が好ましい実施例である。しかし、組成が第1層に
おいて100%Crで、第3層においてCr/Cuの比
が33.3%−66.7%で、第4層で100%Cuと
遷移する限り、線形傾斜も用いることができる。一般的
にこの遷移は、単調である。
な5層構造体である。この構造体は、第1層は、150
0A厚のCrで、第2層は、750A厚の遷移層で、第
3層は、4000A厚の50−50%のCr/Cu層
で、第4層は750の遷移層で、第5層は3000A厚
のCu層である。この仕様の変動は、同図に示した境界
内に入るものである。上限は、66.7%のCrの中心
層を有する積層構造体で、下限は、66.7%のCuの
中心層を有する積層構造体である。同図に示した範囲は
33.3%−66.7%Cuと33.3%−66.7%
のCrである。これらは、本発明の必須の構成要件であ
る。しかし、それ以外の添加物を含有しても、本発明は
用いることができる。
金属あるいは貴金属でもってコーティングし、UBMの
Cu表面に酸化物が形成されるのを阻止する。このよう
なコーティングは、行っても行わなくてもよい。
プ技術を例に説明したが、本発明は他の相互接続、例え
ば、表面搭載(surface mount:SM)と、ボールグリ
ットアレイBGAの技術にも適用できる。これらの相互
接続技術は通常、エッジで列を構成する相互接続構造を
用いている。しかし、将来これらの技術の変形例は、表
面列相互接続の場合にも適用できるようになるであろ
う。この表面列相互接続構造においては、少なくとも複
数の相互接続が、相互接続されるべきチップあるいは要
素の内側に配置される。エッジ列の相互接続は、接合さ
れる要素のエッジに沿って1列のボンドサイトを有す
る。2列のボンドサイドが、チップのエッジあるいはチ
ップのエッジ近傍に具備されるような構成は、本発明の
面アレイに含まれるものと考えることができる。その理
由は、メモリパッケージ上のボンドサイドの内部の列
は、アルファ粒子に敏感なメモリセルに隣接して存在す
る可能性があるからである。
たが、より広い形態においては、エッジ列相互接続にも
適応できる。ある種のチップ形状においては、チップの
エッジ近傍のボンドサイドは、メモリセルに非常に近く
に配置されることがあり、これらのボンドサイドに形成
される、高濃度の鉛を含有するはんだは、有害なアルフ
ァ粒子のソースとなりうる。本発明は、低鉛、あるいは
無鉛はんだによる相互接続を用いて、鉛はんだが、アル
ファ粒子の損傷が影響を与えるメモリセルの近傍に鉛は
んだが置かれるような場所に適用している。このこと
は、半導体メモリキャパシタにおいて、ボンドサイドと
電荷蓄積との間の距離からして、意味のあることであ
り、そしてその距離が150μm以下となると、有害な
状態が存在するようになる。
の容易なる理解のためで、発明を限定的に解釈すべきも
のではない。
平面図
その濃度を表す側面図
Claims (16)
- 【請求項1】半導体メモリチップを収納するメモリチッ
プパッケージにおいて前記メモリチップは、半導体電荷
蓄積サイトを有し、 前記メモリチップは、はんだ接続の領域列を用いて、相
互接続基板上に搭載され、 前記はんだ相互接続は、前記半導体の電荷蓄積サイトか
ら150μm以内にあり、 前記はんだ接続に使用される前記はんだ材料は、無鉛で
あり少なくとも75%のスズを含有することを特徴とす
るメモリチップパッケージ。 - 【請求項2】 前記メモリチップは、少なくともメガビ
ットの蓄積容量を有することを特徴とする請求項1のパ
ッケージ。 - 【請求項3】 論理チップをさらに有することを特徴と
する請求項2記載のパッケージ。 - 【請求項4】 前記はんだ材料は、少なくとも75%の
Snを含有することを特徴とする請求項1記載のパッケ
ージ。 - 【請求項5】 前記はんだによる相互接続は、はんだバ
ンプ相互接続であることを特徴とする請求項4記載のパ
ッケージ。 - 【請求項6】 前記はんだバンプは、メモリチップと相
互接続用基板の一方あるいは両方の上のボンディングパ
ッドに結合されることを特徴とする請求項5記載のパッ
ケージ。 - 【請求項7】 前記ボンディングパッドの少なくとも一
部は、アンダーバンプ金属層でコーティングされること
を特徴とする請求項6記載のパッケージ。 - 【請求項8】 前記アンダーバンプ金属層は、CrとC
uを含有することを特徴とする請求項7記載のパッケー
ジ。 - 【請求項9】 前記アンダーバンプ金属化層は、 前記ボンディングパッドの上に形成され、1000−2
000オングストローム(以下Aと略記する)厚のクロ
ム製の第1層と、 前記第1層上に形成され、5000A以上の厚さのCr
/Cu製の第2層と、 前記第2層上に形成され1000A−6000A厚のC
u製の第3層と、からなることを特徴とする請求項8記
載のパッケージ。 - 【請求項10】 前記アンダーバンプ金属化層は、 前記ボンディングパッドの上に形成され、1000A−
2000A厚のCr製の第1層と、 前記第1層上に形成され、500A−1000Aの厚さ
で、Cr/Cuからなる第2層と、 前記第2層上に形成され、3000A−5000A厚さ
で、33.3%−66.7%のCrと66.7%−3
3.3%のCuからなる第3層と、 前記第3層上に形成され、500A−1000Aの厚さ
で、Cr/Cuからなり、第3層から第5層まで組成が
単調に変化する第4層と、 前記第4層上に形成され、3000−5000A厚さ
で、33.3%−66.7%のCrと66.7%−3
3.3%のCuからなる第5層と、からなり、 第1層から第3層まで組成が単調に変化するることを特
徴とする請求項8記載のパッケージ。 - 【請求項11】 前記第3層の組成は、50%Crと5
0%Cuである、ことを特徴とする請求項10記載のパ
ッケージ。 - 【請求項12】 第1層は1500A厚で、 第3層は4000A厚で、 第5層は3500A厚であることを特徴とする請求項1
0記載のパッケージ。 - 【請求項13】 論理チップをさらに含む、ことを特徴
とする請求項1記載のパッケージ。 - 【請求項14】 前記相互接続用基板は、積層された有
機材料を含む、ことを特徴とする請求項1記載のパッケ
ージ。 - 【請求項15】 前記メモリチップと相互接続用基板と
の間に、充填材料をさらに有し、 前記充填材料には、アルファ粒子ソースを有さない、こ
とを特徴とする請求項1記載のパッケージ。 - 【請求項16】 前記メモリチップ用の相互接続基板
は、前記論理チップである、ことを特徴とする請求項1
3記載のパッケージ。
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