JP6008431B2 - Icデバイスのクラックアレストビア - Google Patents

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Description

開示される実施例は、集積回路(IC)に関し、更に特定して言えばチップスケールパッケージに関連する。
機能性の増大した、より小さくより多くの携帯型電子的製品に対する需要が、多くの市場及び用途における成長を促進している。これらの製品を提供するため、設計者らは、チップスケールパッケージ(CSP)など寸法が低減されたパック方法に移ってきている。CSPの1つの特定の実装例であるウエハCSP(WCSP)により、パッケージ寸法がダイ自体の寸法まで低減され得、一層大きなCSPに典型的である一層大きな介在層の必要性がなくなる。
WCSPは、ICダイ自体をWCSP基板として用いることにより、パッケージ基板へのダイボンディング、ワイヤボンディング、及びダイレベルフリップチップ取り付けプロセスなどの従来のパッケージング工程をなくす。ダイ自体をWCSP基板として利用することは、より大きなフットプリントパッケージ基板(例えば、PCB基板)に取り付けられる同じICダイに比べ、ICダイ自体に対するフットプリントを著しく低減する。
WCSPは、ダイレクトバンプWCSP又はリダイレクト層(RDL)WCSPとして組み込まれ得、RDL WCSPは、ダイレクトバンプWCSPとは異なり、所望の位置での外部入力/出力(I/O)端子の再位置決めを可能にするための再配線層として機能するRDLを付加する。典型的なRDL WCSP製造フローにおいて、従来のバックエンドオブライン(BEOL)ウエハファブ処理の終了後、WCSPダイは、概して、ダイパッド(ボンドパッドとしても知られている)と、ダイパッドの上のパッシベーション開口を除くBEOL金属積層の上の誘電体パッシベーション層とを含んでいる。第1のWCSP誘電体(例えば、ポリイミド)が堆積される。リソグラフィ/エッチングが、ダイパッドの上の第1のWCSP誘電体内に第1の誘電体ビアを形成し、ダイパッドに接し且つそこからRDL捕捉パッドへ横方向に延びる複数のRDLトレースを含むRDL金属の堆積及びパターニングがその後続く。第2のWCSP誘電体(例えば、ポリイミド)がその後堆積され、ダイパッドの位置の横であるRDL捕捉パッド位置においてRDLに達する第2の誘電体ビアが形成される。第1及び第2の誘電体ビアは、断面形状が、いずれも円形であることが都合がよく、又は場合によっては四角形である。
通常「ボールパッド」又は「バンプパッド」と呼ばれる、アンダーバンプメタライゼーション(UBM)パッドが、第2の誘電体ビアの上に形成され、RDL捕捉パッドに結合され且つ概してRDL捕捉パッドにより囲まれ、その後、UBMパッド上に金属(例えば、はんだ)ボール、ピラー、又は他のボンディングコネクタを形成することが続く。はんだボールなどの各ボンディングコネクタは、WCSPダイに対し再配置された外部I/O接続を提供する。WCSPウエハはその後シンギュレーションされて、通常、基板面積が貴重である携帯型デバイスのための基板上に用いるための、複数のシンギュレートされたWCSPダイを形成する。
WCSPデバイスの1つの課題は信頼性である。典型的に、基板レベル信頼性(BLR)テストは、温度サイクル(TC)、落下、及び湾曲テストを含む。BLR−TCでは、WCSPは、従来通り有機印刷回路基板上に搭載され、TCを受け、RDL及びはんだボールの特性だけでなく、それらの間に用いられる任意の付着又は拡散障壁層の特性が評価される。WCSPダイ寸法が増大すると、BLR−TCテストの間加速される形式で明らかになり得る信頼性が低減することが知られている。WCSPダイに対するBLR−TC性能は、従来、WCSPプロセス及び材料(例えば、代替の誘電体)に変更を行うことにより対処されており、これは、BLR−TC性能を幾らか改善してきている。
本発明者らは、WCSPなど、金属パッドへビアにより結合されるボンディング導体を含むI/Oを有する従来のICデバイスが、BLR−TCテストにおいて、又はより一般的には実地の使用の間、ニュートラル応力ポイント(NSP)までの距離に関連する問題に起因して、うまく機能し得ないことを認識している。NSPまでの距離の問題は、非周辺I/Oに比べてダイ上の周辺I/Oに対し実地の使用又はBLR−TCテストの間一層高い頻度で故障する傾向となり得る。WCSPダイに対するこのような故障は発明者らによって、はんだボール又は他の金属ボンディングコネクタの下の第2レベル誘電体ビア開口におけるRDLパッドの破損に起因して起こると認識されている。回路動作の間、周辺I/Oの電気抵抗は、この破損位置がこのビア開口のまわりを伝播するにつれて増大し、結果として、開回路に起因する電気的故障となり得る。
WCSPプロセス及び材料に対する変更が、BLR−TC性能の間を含む信頼性を幾らか改善してきたが、故障率を低減するため更なる信頼性改善が必要とされている。従来の解決策とは対照的に、開示される実施例は、プロセス又は材料に影響を与えることなく実装され得るCSP設計特徴を変更することを含み、これが、WCSP信頼性を更に著しく改善することがわかっている。開示されるICデバイスは、複数のダイパッドの上の第1の誘電体ビアを含む第1の誘電体層、第1の誘電体ビアの上の複数のダイパッドに結合される複数のRDL捕捉パッドを含むリダイレクト層(RDL)、及び複数のRDL捕捉パッドの上の第2の誘電体ビアを含む第2の誘電体層を含む。少なくとも1つの第2の誘電体ビアが、本明細書において「クラックアレスト(arrest)ビア」と称するものである。クラックアレストビアは、ICダイ上のNSPから離れて面し且つNSPからクラックアレストビアへのラインに沿って一実施例においてラインからプラスマイナス30度、及びラインからプラスマイナス15度の範囲で面する(向く)ように方向付けられる頂点を含むビア形状を有する。
開示される実施例によって提供されるBLR−TC改善は、(i)クラックアレストビア形状が、従来の円形又は矩形ビアに比べてボンディング導体(例えば、はんだボール)とRDLパッドとの間の第2の誘電体の量を増加させることにより、全体的な応力プロファイルを低減するため、RDLとUBMとの間にある一層多い第2の誘電体材料に起因して第2の誘電体クラック/クラック発生率/密度及び寸法の低減を含むことがわかっている。また、BLR−TC改善は、(ii)形成する第2の誘電体クラックの限定された数に対し、このようなクラックをクラックアレストビアから横方向に離れて向けるようにクラックアレストビア機能をラインからNSPへのラインから離れて向ける頂点の方向付けによる、このようなクラックのRDLパッドからの反りを含む。応力モデリング及び本発明者らが得た経験的データはいずれも開示されるクラックアレストビアが、故障までの平均時間(MTF)を増加させることにより信頼性を改善し、更にBLR性能も改善することを示している。
図1は、例示のWCSPデバイス上のパッドに対する例示の応力分布を図示する。
図2Aは、開示される一実施例に従った、WCSPダイの最外ロー及びコラムに沿った三角形クラックアレストビアを有する例示のWCSPダイ部を図示する。
図2Bは、開示される一実施例に従った、ダイのNSPへのラインから離れて面し且つ頂点を有する例示の三角形クラックアレストビアを図示する。
図3は、開示される一実施例に従ったクラックアレストビアを有する例示のWCSPダイの一部の断面図を図示する。
図4は、開示される実施例に従って、従来の円形のビアに比べた、開示されるクラックアレストビアを有するWCSPダイに対するTC性能のBLR改善の証拠となる経験的結果を図示する。
本発明者らは、処理及び材料の変更がWCSPデバイス信頼性に対し限られた改善しか提供しないことを見出した。また、WCSPデバイスの信頼性に影響を与える主な要因は、少なくとも多数のはんだボール(例えば、>80)を備えた9mmを超えるダイ寸法では特に、WCSPデバイスとPCB、特に有機PCB、との間の熱膨張係数(CTE)の差により誘導される応力であると認識されている。温度が変わるにつれてPCBはWCSPデバイスに対して膨張し得、その結果、WCSPダイ内の種々の層における圧縮及び引っ張り力となる。特に、このような力は、ダイの端部に一層近いWCSPダイの部分に対し増大され、特に、WCSPダイのUBMパッド(バンプパッド)に近接する、このような領域において応力を増大させる。従って、UBMパッドのWCSPダイ上の、通常ダイの中心である、NSPまでの距離が増加されるにつれて、UBMパッドにおける応力も増加され、これは、はんだボール又は他のボンディング導体の下の第2の誘電体において開始する誘電体クラックにつながり得ると本発明者らは認識している。
WCSPダイ100上のパッド108、110、及び112を含むUBMパッド102の例示の応力分布パターンを図1に示す。上述の種々の力の結果、WCSPダイ100上のUBMパッド102の各々に対する物理的応力の量は変化し得る。本発明者らは、WCSPダイ100における応力は、WCSPダイ100の端に沿った増大した撓みの量に起因して、本質的に概して放射状であることを見出している。従って、WCSPダイ100のUBMパッド102とNSP106(「X」で示す)との間の距離が増大するにつれて、UBMパッド102への応力も増大し得る。しかし、応力パターンは、必ずしもWCSPダイ100にわたって均一とは限らない。例えば、応力パターンは、WCSPダイ100の中央領域104において最小であり得る。この最小応力は、典型的に、WCSPダイ100のNSP106に最も近いUBMパッド102(即ち、NSPまでのより短い距離106を有するUBMパッド102は、)に関連する。
本明細書において用いられるようなICダイのNSPは、応力が最小化される又はゼロであるポイントを向ける。典型的に、NSP106は、WCSPダイ100の幾何学的中心に又はその近くにある。幾つかの場合において、NSP106は、WCSPダイ上に形成される層の数、種類、及びパターンに基づいて、WCSPダイ100の幾何学的中心からオフセットし得る。例えば、機能的回路の高い及び低い密度領域を備えて形成される機能的回路の場合、密度の変動(及び従って、機能的回路層の変動)は、ダイ応力の変動となり得、この変動は、NSPをWCSPダイ100の幾何学的中心からオフセットさせ得る。別の例では、WCSPダイの形状が変化するにつれて、撓みの局地的及び全般的変動も、WCSPダイ100のNSPをその幾何学的中心からオフセットさせ得る。
本明細書において用いられるような、NSPまでの距離は、NSP106から特徴の中心までの距離を向ける。重なった及び調整された特徴の場合、NSPまでの距離は全ての特徴に対し同じであり得る。例えば、ビア及び導体の層を画定する同心の円形又は矩形の特徴のグループなど、一連の同心に重なった形状の場合、特徴の各々に対するNSPまでの距離は、NSP106からそれらの特徴の幾何学的中心まで測定される。しかし、幾つかの例において、形状が同心状ではない可能性がある。このような場合、特徴の各々に対するNSPまでの距離は、各特徴の幾何学的中心から測定される。しかし、多数の関連する特徴が、一つの層内に形成され得、単一の特徴に関連付けされ得る。例えば、2つ又はそれ以上のビアを、異なる層内の2つのパッドを接続するために用いることができる。このような場合、これらの多数のビアは、単一の特徴を含むと考えられ得るため、NSPまでの距離がビアの幾何学的中心から測定され得る。
UBMパッド102のNSPまでの全体的な距離106は、概して、信頼性に影響を与える主な要因であるが、これが唯一の要因ではない場合がある。例えば、典型的なダイにおいて、UBMパッド108における応力は、概して、UBMパッド110における応力より小さくなる。本発明者らは、UBMパッド110など、ダイの角の一層近くに形成されるUBMパッドに対し、応力が概して更に強められる結果、一層高い故障の尤度となることを見出している。また、この応力は、他の影響に起因してNSPまでの同じ距離を有するUBMパッドに対し更に強められる場合もある。例えば、上述のような機能的回路密度の変動が、放射状応力パターンの局地的変動ともなり得る。別の例では、WCSPダイの寸法及び形状の変動もまた、応力の変動となり得る。
図2Aは、開示される一実施例に従った、その最外ロー及びコラムに沿った第2の誘電体層220内に三角形クラックアレストビア250を有する例示のWCSPダイ部(ダイ象限)200を示す。WCSPダイ部200上に図示される他のビアは従来の円形のビア240である。WCSPダイ部200の角に示す特定のクラックアレストビア250の一つには250’と番号付けられている。三角形のビア形状は、正三角形(即ち、全ての3つの辺が同じ長さを有する)として示されている。
クラックアレストビアの向こうの環は、それぞれ、UBMパッド231、及びUBMパッド231の下のRDLパッド232を表す。ダイパッド242も示されている。WCSPダイ部200に対応するダイの中心が示されており、簡潔にするため、これはこのダイ上のNSP106であると仮定される。NSP106から三角形クラックアレストビア250及び250’へのライン211が示されている。
これらの三角形クラックアレストビア250及び250’は、251として示すそれらの頂点の1つが、NSP106から離れて面し、NSP106から三角形クラックアレストビアへのライン211に沿って方向付けられる、又はより一般的にはこのラインからプラスマイナス30度の範囲であるように、方向付けられることが分かる。頂点251のこの方向付けは、クラックアレストビア250及び250’(及びビア240)の各々の下にあるRDLパッド232に向かって下へ垂直に伝搬することから形成する第2の誘電体内の低減された数のクラックから横方向に逸れることが分かっている。また、この方向付けは、頂点251が、三角形クラックアレストビア250の最高応力ポイントにあるようになされる。これは、NSP106までのその距離が、三角形クラックアレストビア250及び250’の任意の端部の中で最も長いためである。
図2Bは、図2Aに示すWCSPダイ部200の角における三角形クラックアレストビア250’の拡大図を示し、三角形クラックアレストビア250’は、開示される一実施例に従って、ダイのNSP106から離れて面し且つ、NSP106から三角形クラックアレストビア250’へのラインに沿って、そのラインからプラスマイナス30度範囲で面するように調整される、その頂点251の一つを有する。曲線的ビアコーナー254が示されている。本明細書において用いられるような、「曲線的コーナー」は、少なくとも30度の中心角に対する、三角形のビアの隣接する辺を接続する曲線的輪郭と定義される。発明者らは、曲線的コーナーが、尖った領域により生成される応力に比べて低減された応力集中により、クラックを更に低減することを見出している。
例示の三角形クラックアレストビア250は更に、従来の円形のビアに比べてRDLとUBMとの間の一層多い第2の誘電体に起因して第2の誘電体クラック/クラックの発生率/密度及び寸法の低減を提供する。開示される三角形クラックアレストビア250は、全ビア面積を、同じ半径を有する従来の円形のビアに比べて約40%低減させ得、その結果、従来の円形のビアに比べて最大で約40%多い誘電体材料を提供し得、これは、ボンディングコネクタ(例えば、はんだボール)とRDLパッドとの間にある一層多い第2の誘電体材料に起因して全応力プロファイルを著しく低下させる。
図3は、開示される一実施例に従ったクラックアレストビアを有する例示のICデバイス300の断面図の一部を示す。ICデバイス300は、図示されたノード308を備えた複数のI/Oノードと、複数のI/Oノードに結合される複数のダイパッド302とを含む能動回路要素309を含む上面304を有する基板305を含む。第1の誘電体層306が、ダイパッド302の上の第1の誘電体ビア312を含む。RDL314が、パッド316に接するダイパッド、RDLトレース318を含むRDLトレース、及びRDLトレース318により第1の誘電体ビア312の上のダイパッド302に結合されて図示されるRDL捕捉パッド319を備えた複数のRDL捕捉パッドを含む。第2の誘電体層320が、RDLパッド319を含む複数のRDL捕捉パッドの上の第2の誘電体ビア322を含む。第2の誘電体ビア322が、図2A及び図2Bに示す三角形クラックアレストビア250又は250’など、開示されたクラックアレストビアを含んで図示される。
アンダーバンプメタライゼーション(UBM)パッド324が、第2の誘電体ビア322の上のRDLパッド319を含む複数のRDL捕捉パッドに結合される。はんだボールとして示す金属ボンディングコネクタ326が、UBMパッド324上にある。ボンディングコネクタ326がはんだボールとして示されているが、開示される実施例のボンディングコネクタは、ピラー(例えば銅ピラー)、基板貫通ビア、及びスタッド(例えば、金スタッド)など、他のボンディングコネクタを含み得る。一実施例において第1の誘電体層及び第2の誘電体層はいずれも、ポリイミド又はベンゾシクロブテン(BCB)を含み、RDLは銅を含む。図3に示すカバー誘電体フィルム327が、第2の誘電体層320の上に形成され得る。
図4は、開示される実施例に従って、従来の円形のビアに比べた、開示されるクラックアレストビアを有するWCSPダイに対するBLR改善の証拠となるTC性能の経験的結果を示す。TCテストが、FR4(有機)基板にボンディングされたWCSPダイで−40〜125℃で実行された。開示されるクラックアレストは、従来の円形の第2の誘電体ビアを含む従来のWCSPダイに比べて、5%故障率に基づいてBLR−TC性能(有機基板上のWCSPダイ)の177%の改善を提供することが分かる。
ウエハ半導体基板上に形成される能動回路要素は、一般的に、トランジスタ、ダイオード、コンデンサ、及びレジスタだけでなく、信号ライン及びこれらの種々の回路要素を相互接続する他の電気的導体を含む回路要素を含む。開示される実施例は、種々のデバイス及び関連する製品を形成するための種々のプロセスフローに統合することができる。半導体基板は、その中の種々の要素及び/又はその上の層を含み得る。これらは、障壁層、他の誘電体層、デバイス構造、或いは、ソース領域、ドレイン領域、ビットライン、ベース、エミッタ、コレクタ、導電性ライン、導電性ビアなどを含む能動要素及び受動要素を含み得る。また、バイポーラ、CMOS、BiCMOS及びMEMSを含む種々のプロセスにおいて、開示された実施例を用いることができる。
本発明に関連する技術に習熟した者であれば、他の多くの実施例及び変形が本発明の特許請求の範囲内で成され得ること、及び本発明の特許請求の範囲から逸脱することなく、更なる付加、削除、代替、変形が成され得ることが分かるであろう。

Claims (9)

  1. 集積回路(IC)デバイスであって、
    複数の入力/出力(I/O)ノードと、前記複数のI/Oノードに結合される複数のダイパッドとを含む能動回路要素を含む上面を有する基板と、
    前記複数のダイパッドの上の第1の誘電体ビアを含む第1の誘電体層と、
    前記第1の誘電体ビアの上の前記複数のダイパッドに結合される複数のRDL捕捉パッドを含むリダイレクト層(RDL)と、
    前記複数のRDL捕捉パッドの上の第2の誘電体ビアを含む第2の誘電体層であって、前記第2の誘電体ビアの少なくとも1つがクラックアレストビアであり、前記クラックアレストビアが、前記ICデバイスのニュートラル応力ポイントから離れて面する頂点を含むビア形状を有し、前記頂点が、前記ニュートラル応力ポイントから前記クラックアレストビアへのラインに沿って前記ラインからプラスマイナス30度の範囲で面するように方向付けられる、前記第2の誘電体と、
    前記第2の誘電体ビアの上の前記複数のRDL捕捉パッドに結合されるアンダーバンプメタライゼーション(UBM)パッドと、
    前記UBMパッド上の金属ボンディングコネクタと、
    を含む、ICデバイス。
  2. 請求項1に記載のICデバイスであって、
    前記頂点が、前記ラインからプラスマイナス15度の範囲で面するように方向付けられる、ICデバイス。
  3. 請求項1に記載のICデバイスであって、
    前記クラックアレストビアのための前記ビア形状が曲線的コーナーを含む三角形である、ICデバイス。
  4. 請求項1に記載のICデバイスであって、
    前記少なくとも一つのクラックアレストビアが、前記ICデバイスの最外周ロー及びコラムに沿った前記第2の誘電体ビアの全てに対し提供される複数のクラックアレストビアを含む、ICデバイス。
  5. 請求項1に記載のICデバイスであって、
    前記金属ボンディングコネクタがはんだボールを含む、ICデバイス。
  6. 請求項1に記載のICデバイスであって、
    前記第1の誘電体層と前記第2の誘電体層とがいずれも、ポリイミド又はベンゾシクロブテン(BCB)を含み、前記RDLが銅を含む、ICデバイス。
  7. 請求項1に記載のICデバイスであって、
    前記ICデバイスがウエハチップスケールパッケージ(WCSP)を含む、ICデバイス。
  8. 集積回路(IC)デバイスであって、
    複数の入力/出力(I/O)ノードと、前記複数のI/Oノードに結合される複数のダイパッドとを含む能動回路要素を含む上面を有する基板と、
    前記複数のダイパッドの上の第1の誘電体ビアを含む第1の誘電体層と、
    前記第1の誘電体ビアの上の前記複数のダイパッドに結合される複数のRDL捕捉パッドを含むリダイレクト層(RDL)と、
    前記複数のRDL捕捉パッドの上の第2の誘電体ビアを含む第2の誘電体層であって、前記第2の誘電体ビアの少なくとも1つがクラックアレストビアであり、前記クラックアレストビアが、前記ICデバイスのニュートラル応力ポイントから離れて面する頂点を含むビア形状を有し、前記頂点が、前記ニュートラル応力ポイントから前記クラックアレストビアへのラインに沿って前記ラインからプラスマイナス15度の範囲で面するように方向付けられる、前記第2の誘電体と、
    前記第2の誘電体ビアの上の前記複数のRDL捕捉パッドに結合されるアンダーバンプメタライゼーション(UBM)パッドと、
    前記UBMパッド上の金属ボンディングコネクタと、
    を含み、
    前記クラックアレストビアのための前記ビア形状が、曲線的コーナーを含む三角形であり、
    前記少なくとも一つのクラックアレストビアが、前記ICデバイスの最外周ロー及びコラムに沿った前記第2の誘電体ビアの全てに対し提供される複数のクラックアレストビアを含む、ICデバイス。
  9. 集積回路(IC)デバイスを形成する方法であって、
    複数のICダイを含む頂部半導体表面を有するウエハを提供することであって、前記ICダイが、複数の入力/出力(I/O)ノードと、前記複数のI/Oノードに結合される複数のダイパッドとを含む能動回路要素を含む、前記ウエハを提供することと、
    前記複数のダイパッドの上の第1の誘電体ビアを含む第1の誘電体層を形成することと、
    前記複数の第1の誘電体ビアの上の前記複数のダイパッドに結合される前記第1の誘電体層上に複数のRDL捕捉パッドを含むリダイレクト層(RDL)を形成することと、
    前記複数のRDL捕捉パッドの上の第2の誘電体ビアを含む第2の誘電体層を形成することであって、前記第2の誘電体ビアの少なくとも1つがクラックアレストビアであり、前記クラックアレストビアが、前記ICダイのニュートラル応力ポイントから離れて面する頂点を含むビア形状を有し、前記頂点が、前記ニュートラル応力ポイントから前記クラックアレストビアへのラインに沿って前記ラインからプラスマイナス30度の範囲に面するように方向付けられる、前記第2の誘電体層を形成することと、
    前記複数のRDL捕捉パッドの各々の上の前記第2の誘電体ビアの上にアンダーバンプメタライゼーション(UBM)パッドを形成することと、
    前記UBMパッド上に金属ボンディングコネクタを形成することと、
    を含む、方法。
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