KR100232410B1 - 표면장착 및 플립칩 기술을 이용한 집적회로 및 그 형성방법 - Google Patents

표면장착 및 플립칩 기술을 이용한 집적회로 및 그 형성방법 Download PDF

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KR100232410B1
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이우안 흐시에흐 후우
세 호 유에흐
던 조웨이
웨겐 퓌세르 한스
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데이비드 엠 아크터커첸
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Abstract

본 발명은 집적회로의 전기적 절연에 관한 것으로서, 특히 다이아몬드필름 패시베이션층을 갖는 표면장착 및 플립칩 제작기술 양자를 모두 사용한 집적회로의 전체 절연에 관한 것이다. 집적회로칩은 상기 칩의 각 부분의 풀 트랜치 유전체 절연을 갖는다. 히트싱크캡(100)은 상기 기판의 전면 위에 다이아몬드 패시베이션층(96)에 부착된다. 상기 패시베이션층은 전기적 절연과 열전도율 양자를 제공하는 CVD 다이아몬드필름이다. 플립칩 설명에 있어서, 절연의 전기적 접촉(174a,174b)은 전면 패시베이션층을 통과하여 히트싱크캡까지 확장된다. 표면장착 설명에 있어서, 바이어스 위에 형성되는 표면장착 포스트(90a,90g)로, 전면 전기적 접촉에 접촉하고 기판의 뒷면 위에 모든 전기적 접촉을 제공하기 위해서, 바이어스는 기판을 관통하여 에치된다. 그런 다음 웨이퍼는 더 이상 패키징할 필요가 없이 양자의 설명으로 다이안으로 스크라이브되는 것을 특징으로 한다.

Description

[발명의 명칭]
표면장착 및 플립칩 기술을 이용한 집적회로 및 그 형성방법
[발명의 상세한 설명]
본 발명은 집적회로의 전기적 절연에 관한 것으로서, 특히 다이아몬드필름 패시베이션층을 갖는 표면장착 및 플립칩 제작기술 양자를 모두 사용한 집적회로의 전체 절연에 관한 것이다.
집적회로에 적합한 유전체 절연은 공지되어 있다. 트랜치(trench) 또는 홈(groove)이 반도체 칩 기판 안에 형성되어 라인이 그어지며 칩의 여러 부분을 전기적으로 절연시키기 위해서, 절연물질로 채워진다. 예를 들면, 파워(고전압)트랜지스터와 같은 칩의 특정부분은 절연된 트랜치로 둘러싸이고, 그 때문에 파워트랜지스터는 논리형(저전압)트랜지스터로부터 전기적으로 절연된다.
이러한 종래기술의 트랜치 절연은 각 트랜치의 하부가 실리콘기판에서 중대한 기계적 스트레스 영역이고, 그로 인해 칩 기능이 불량하게 되는 손실을 가져온다. 따라서 상기 트랜치는 생산성을 감소시킨다. (비용은 증가). 이러한 결함은 때때로 각 트랜치의 하부를 형성하기 위해서 “원형홀”기술(직각 단면보다는 U자형으로 제공)을 사용함으로써 해소되지만, 비용을 증가시킨다.
2개의 웨이퍼를 사용하여 절연시키는 또 다른 방법은, 하나의 웨이퍼 표면 위에 형성된 옥사이드층으로 제2웨이퍼를 결합시키고; 상기 옥사이드층이 절연시킨다. 2개 웨이퍼가 결합한 후에, 상기 웨이퍼 중 하나의 뒷면은 기판의 나머지부분을 절연시키기 위해서 옥사이드층으로 닦여진다. 그러나, 이것은 2개의 웨이퍼 간의 결합에서 아무런 결점이 없기 때문에 매우 비용이 비싸다. 2개 웨이퍼 간의 결합에서 있어서의 결점은 입자에 의해서 유도되고, 낮은 제품생산성과 높은 비용을 유발한다. 또한, 처리온도순환에 의한 산화 유도된 스태킹 폴트(Oxidation induced stacking faults:OISF)는 벌크실리콘 보다도 상기한 결합에서 더욱 바람직스럽지 않다.
그러므로, 종래기술은 실용적이고 저렴한 유전체 절연 특히, 파워트랜지스터에의 사용뿐만 아니라 다른 타입의 집적회로에서 사용하기에 불충분하다.
집적회로구성 및 제작방법은 트랜치 유전체 절연을 사용한다. 이 트랜치 유전체 절연은 웨이퍼 위에 형성될 각 칩을 패키징하는 칩 제작과정의 일부이고, 그로 인해 웨이퍼가 다수의 다이안으로 스크라이브된 후 반도체 다이를 패키징하는 종래기술의 각 단계를 생략할 수 있다. 그러므로 본원에서 발표되는 공정은 “웨이퍼 스케일”로 집적 회로다이를 조립하거나 패키징하는 것과 동일하고, 때문에 각 다이는 웨이퍼가 스크라이브 되기 전에 미리 패키지된다.
본원 발명에 따르면, 트랜지스터(또는 그 외 반도체 장치)는 종래와 같이 반도체기판 위에 제작된다. 상기 장치 중 일부는(높은 전압에서 작동하는) 파워트랜지스터이고 나머지는 상기 기판의 또 다른 부분에 형성되는 저전압 논리형 트랜지스터이다. 한 실시예에 있어서, 상기 장치들은 반도체기판의 주표면 위에 놓인 절연층에서 형성된 게이트전극을 갖는 전계효과 트랜지스터(field effect transistor)이다. 상기 트랜지스터는 IGBT′s(insulated gate bipolar transistor) 또는 양극성트랜지스터 또는 기타 반도체장치로 대체될 수 있다. 제작공정기술은 예를 들면 CMOS, NMOS, PMOS, DMOS, BiCMOS, 또는 양극성 기술이다. 그 다음 기판 위에 형성된 반도체 영역(예를 들면, 소스나 드레인 같은)에 접촉하기 위해서, 게이트전극(또는 다른 트랜지스터 소자)를 위에 놓고 서로 연결시키려고 연결패턴이 종래와 같이 형성된다.
그 다음 복수의 절연트랜치가 기판의 주표면을 관통하여 그 깊이로 형성되고, (평면도에서) 기판의 여러 부분을 둘러싼다. 트랜치는 평탄화한 후 절연물질을 채우거나 라인을 그음으로써 종래와 같이 절연된다. 이 단계는 금속화보다 우선한다. 그 다음 기판의 뒷면 부분이 통상적인 기계적 가공이나 화학공정에 의해 제거되고, 트랜치의 각 하부가 노출되고, 그 때문에 각 트랜치로 둘러싸인 기판의 여러 부분들이 충분하게(전체가) 전기적으로 절연된다.
기판의 뒷면 부분을 제거하는 단계보다 우선하여, 에폭시나 그와 유사한 결합물질을 사용하여 전면이(예를 들면 실리콘으로 만들어진) 히트싱크캡(heat sink cap)이나 플레이트에 결합된다. 이 히트싱크캡은 기판에 필요한 기계적인 지지를 제공하고, 후술하는 기판제거단계에 따라 완전히 얇게 된다.
2개의 서로 다른 실시예에서 전기적 접촉이 달성된다. 표면장착 실시예에 있어서, 바이어스는 기판의 뒷면기판으로부터 주표면(전면)을 관통하고, 바이어스에서 형성된 전기적 전도물질은 기판의 전면 위에 미리 형성되어 있던 연결구조에 접촉할 수 있다. 기판 뒷면 위의 바이어스 정도는 기판 장착 전기적 접촉에 대한 포스트를 규정한다. 기판의 뒷면 위에 형성된 다른 비슷한 포스트는 벌크기판에 접촉한다. 전면기판표면에 부착된 히트싱크캡은 아무런 전기적 연결이 제공되지 않는데도, 기계적이고 열소실(heat dissipation) 기능을 한다.
플립칩형 실시예에 있어서, 히트싱크캡은 또한 기판 전면 위에 통상적인 연결로 전기적으로 접촉하기 위해, 계속하여 전기적으로 연결한다. 이 히트싱크캡은 통상적인 플립 칩 뒷면에 부착된다. 이 실시예에 있어서 기판 뒷면 위에 형성된 전기적 접촉은 예를 들면 파워 집적회로와 같은 통상적인 드레인이나 콜렉터 접촉이다.
상기 양 실시예에서, 웨이퍼 전면에 (에폭시나 다른 접착물질에 의해)부착된 히트싱크캡의 응용에 의해서, 개별적인 집적회로들은 패키지되지만 여전히 싱글 웨이퍼의 일부이다. 이 캡은 종래기술에서 웨이퍼가 각각의 다이안으로 스크라이브된 후에나 적응되던 통상적인 플라스틱이나 세라믹패키징에 대체된다. 본 경우에서는 다이사이의 풀 트랜치 절연으로 인해 다이는 부착된 전단부 기계적 지지판(캡)과 함께, 절연트랜치에 인접하여 선이 새겨질 수 있도록 하므로, 더 이상 패키징 할 필요가 없다.
전형적으로 기판제거단계 후 기판의 두께는 약 50 마이크로미터 이하다. 이처럼 매우 얇은 기판은 기판의 기계적인 유연성으로 인한 기계적인 스트레스에서 유도되는 열의 영향을 받지 않는다. 장점으로서, 본 발명에 따른 높은 양품률을 제공하는 집적회로칩은 통상적인 단계를 기본적으로 사용하여 저렴하게 제작되고 따라서 비용을 절감시킨다.
유전체 절연 트랜치는 예를 들면, (실리콘 트랜치 월(walls)로부터 형성된) 실리콘 다이옥사이드로 종래와 같이 라인이 그어지거나, 또는 실리콘 다이옥사이드로 라인이 그어진 다음 CVD(chemical vapor deposition)나이트라이드, 폴리실리콘 또는 옥사이드와 같은 물질로 채워진다. 다른 실시예에 있어서, 트랜치는 통상적인 유리섬유로 채워진다. 기타 절연물질이 트랜치 유전체에 사용된다.
히트싱크캡(플레이트)은 전형적으로 실리콘, 실리콘 카바이드, 실리콘 나이트라이드, 알미늄 나이트라이드, 몰리브덴, 또는 충분히 열을 전달하는 물질이고, 종래와 같이 제작된다. 기판 뒷면의 제거는 실리콘에 형성된 트랜치의 바닥부에 통상적으로 존재하는 기계적인 스트레스를 제거하는 장점이 있다. 따라서 종래의 트랜치 절연에 따른 주요한 문제점은 극복되고, 결과적으로 얇으면서 유연한 기판을 얻을 수 있다.
또한, 기판이 매우 얇고 기판 뒷면의 선택 영역 위에 전도물질층이 형성되기 때문에 기판에서 종래의 반도체 매몰층(buried layer)에 대한 필요성은 제거된다. 따라서 효과적인 매몰층을 확립하면서 종래기술에 따른 공정 문제는 제거되고, 종래의 집적회로(특히 파워집적회로)에 전형적으로 존재하는 패러시틱 바이폴라 트랜지스터 이펙트(parasitic bipolar transistor effects)는 매몰된 반도체층 보다는 금속면이나 금속화층인 뒷면접촉에 의해 제거된다.
금속화된 드레인(또는 콜렉터)은 뒷면 기판 위에서 접촉하고, (기판이 얇기 때문에) 상대적으로 액티브 트랜지스터에 근접하게 되고, 매몰층 및 반도체기판의 상대적으로 두꺼운 벌크를 통해 전달된 전류 중 하나를 필요로 하는 종래의 칩 이상으로 전류 운반량이 증가된다. 따라서 최종적인 기판자체의 실제 두께는 액티브 트랜지스터 영역을(기계적으로 그리고 전기적으로) 지지하는데 최소한 필요한 두께면 되는 이점이 있다. 집적회로를 기계적으로 지지하는데 필요한 종래 집적회로의 두께는 400마이크론 다이 두께인 반면, 본원의 두께는 10마이크론 정도이다.
게다가, 트랜치 형성 후 기판의 뒷면 부분을 제거하는 단계는 초기에 트랜치 깊이를 정확히 결정할 필요가 없음을 의미한다. 종래기술에 있어서, 정확한 깊이로 트랜치를 형성하는 것은 공정의 중대한 제한이다. 본 경우에 있어서, 각 트랜치의 뒷면 부분이 제거되기 때문에, 트랜치의 깊이를 정확하게 한정하지 않는다.
또한, 본 발명에 따른 제작공정은 싱글접촉이 아니라 다이의 특정부분과 관련된 복수의 개별적인 뒷면 접촉인 절연 뒷면 접촉 구조를 허용한다는 이점이 있다. 예를 들면, 제1뒷면은 집적회로의 파워 트랜지스터부분에 접촉하고 제2뒷면은 집적회로의 저전압 트랜지스터부분과 관련되어 접촉한다. 따라서 뒷면 접촉은 집적회로의 특정부분에 대해 선택적이고, 칩의 여러 부분은 공동 콜렉터나 공동 드레인을 공유할 필요가 없다.
다른 실시예에 있어서, 히트싱크캡이나 플레이트에 IC 웨이퍼(기판)를 결합시키기 위해서 절연층이나 부착층으로 소용되는 패시베이션층은 CVD 다이아몬드필름이다. 그러한 물질은 높은 열전도율과 높은 전기저항률을 갖는 이점이 있다. 다이아몬드필름은 최종 전면 기판 금속이 패턴형성된 후 기판의 상부 위에 퇴적된다. 열적으로 전도되는(실버 에폭시 같은) 접착제는 상기 기판을 상기 플레이트에 부착시키기 위해서 퇴적된 다이아몬드필름의 노출된 표면에 적용된다. 이러한 다이아몬드필름의 사용은 상술한 표면장착과 플립 칩 실시예 모두에 적합하다. 본 발명에 따르면 플립칩 실시예에 있어서, 금속 접촉의 특정부분 또는 결합패드는 지지판을 통해서 웨이퍼의 전면으로부터 외부 도선에 연결되도록 다이아몬드층이 패턴형성된다.
[도면의 간단한 설명]
제1도에서 제12도는 본 발명의 표면장착 실시예의 예시적인 제작단계를 도시.
제13도에서 제17도는 본 발명의 플립 칩 타입의 실시예의 예시적인 제작단계를 도시한다.
[표면장착 실시예]
제1도에서 제12도까지는 본 발명에 따른 표면장착 집적회로칩을 제작하는 단계를 도시한다. 이것은 회로의 일부 즉 웨이퍼의 일부만 도시된 집적회로의 단면을 통상적으로 나타낸 것임을 알 수 있다. 집적회로의 평면기하학은 통상적이기 때문에 평면도는 도시하지 않고 후술하는 것으로부터 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 이해될 수 있다. 또한, 이것은 표면장착에 대한 접근의 일례일 뿐이고, 도시된 형태의 반도체장치에 한정되는 것은 아니다.
제1도는 이 실시예의 제작에 있어서 초기 단계를 도시한다. 제1도는 하나의 칩 위에 파워 트랜지스터와 저전압 트랜지스터를 모두 포함하는 집적회로에 전형적으로 사용되는 것과 같은 통상적인 구조와 제작이다. 미국 특허출원 제07/948,276호 92년 9월 21일에 제출되고, 발명자는 Hamza Yilmaz등, 명칭은 “BiCDMOS 처리기술 및 구조”이고, 예를 들면 본원의 제작공정에서 참고로 인용하고 있는 것을 보시오. 제1도에 도시된 것은 한 실시예에 있어서 종래와 같이 N- 도프된 에피텍셜(epitaxial)(실리콘)층(20)이 상부에 형성되어 있고, 종래와 같이 N+ 도프된 실리콘(또는 다른 물질)기판(10)이다. 에피텍셜층(20)은 옵션이고 본 발명에서 꼭 필요한 부분은 아니다; 트랜지스터의 액티브 부분은 상기 기판 안에서 형성된다. (본원에서 발표되는 물질, 치수, 트랜지스터구조, 전도형태, 그리고 다른 구성요소들은 단지 예시적인 것이고 한정적인 것이 아님을 알 수 있다.)
기판(10)은 약 500마이크로미터 두께이고, 실리콘층(20)은 1에서 50마이크로미터 두께이다. (본 실시예에서) 실리콘층(20)안에 종래와 같이 형성된 것은 2개의 “딥바디(deep body)”인 종래와 같이 도프된 P+ 영역(22)(24)이다. 바디 영역(22)(24)에서 개별적으로 형성된 것은 N+ 소스영역(26)(28)(30) 및 (32)이고 각각은 종래와 같이 도프된다. 본 실시예에 있어서 P+ 바디 영역(22)(24) 및 관련된 다른 도프영역들은 집적회로의 파워부분의 일부이다. 즉, 파워 트랜지스터임을 알 수 있다.
영역(22)(24)에 근접하여 형성된 것은 종래와 같이 도프된 P 터브(tub)(38)이다. P 터브(38)안에 형성된 것은 N+ 도프된 영역(40)(42)이다. 또한 실리콘층(20)안에 형성된 것은 영역(44)과 도핑수준 및 구조가 유사한 P+ 영역(46)(48)과, 영역(40)(42)과 유사한 N+ 영역(50)이다. 실리콘층(20)의 오버라잉(overlying) 상부면에 즉시 형성되는 것은 예를 들면 실리콘 다이옥사이드와 같은 종래적인 게이트 옥사이드층(60)이다.
종래와 같이 형성된 오버라잉 옥사이드 게이트층(60)은 본 실시예에 있어서 다양한 트랜지스터의 게이트전극형인 (마스킹 단계의 결과인) 부분(54a)(54b)(54c)(54d) 및 (54e)을 포함하는 도프된 폴리실리콘 게이트전극층(54)이다.
오버라잉 게이트전극층(54)은 실리콘 다이옥사이드에서 형성된 제2의 오버라잉(상부) 절연층(62)이고, 또한 게이트전극(54a,…,54e) 각각의 사이드 에지(side edge)를 덮는다.
오버라잉 상부 옥사이드층(62)은 0.5에서 1.5마이크로미터 두께로 형성된 BPSG(borophosphorsilicate glass)층(64)이고 그 다음 게이트전극(54a,…,54e)을 완전히 덮기 위해서 종래와 같이 다시 흐른다.
제2도는 BPSG층(64) 위에 놓이면서 형성되는 종래의 마스킹층(70)을 갖는 후속 공정을 도시한다. 트랜치(72a)(72b)(72c)(72d) 및 (72e)를 규정하기 위해서 부식 액으로 실리콘층(20)을 통과해서 기판(10)을 관통하면서, 마스킹층(70)은 종래와 같이 패턴형성되고 언더라잉(underlying) 구조가 에치된다. 상기 트랜치의 폭은 0.5에서 5마이크로미터이고, 깊이는 5에서 50마이크로미터이다. (그 깊이는 후에 설명할 이유로 상대적으로 임의의 값이고 폭 또한 한정적인 값은 아니다.) 트랜치 에치는 종래의 비등방성 공정이다. 단면도에서 도시된 바와 같이 트랜치(72a,…,72e)는 집적회로의 여러 부분을 둘러싸기 위해서 즉, P 터브(38)를 포함하는 부분으로부터 이 부분을 분리시키는 파워 트랜지스터 부분(22)(24)을 둘러싸기 위해서 평면도에서 보면 서로 연결되어 있음을 알 수 있다.
그 다음 (도시되지 않은) 마스킹층(70)의 나머지 부분은 종래와 같이 벗겨진다.
다음 제3도에 있어서, 각 트랜치(72a,…,72e)에 있어서 이 트랜치 각각을 채우고 또한 1에서 2 마이크로미터 두께로 BPSG층(64)의 상부면 아래에 놓이는 섬유 같은 것에 의해 유리층(76)이 종래와 같이 형성된다.
층(76)을 형성하는데 있어서 SOG의 대체물은 CVD로 형성된 물질 또는 플라즈마 인헨스드 CVD로 형성된 물질이다. 유리섬유층(76)의 형성 후, 이러한 물질들은 제거된다. 여기서 유리섬유층(76)은 트랜치 유전체 절연물질이다. 다른 실시예에 있어서, 트랜치는 예를 들면 형성된 실리콘 다이옥사이드층으로 라인이 그어지고 그 다음 CVD 옥사이드, 또는 나이트라이드, 또는 폴리실리콘과 같은 또 다른 물질로 채워진다. (이러한 것들은 유전체층을 형성하기 위한 종래의 공정이다.)
다음 제4도에 있어서, 먼저 유리섬유층(76)을 예를 들면 CMP를 사용하여 에치백(평탄화) 단계로 게이트전극(54a,…,54e) 위에 놓인 층(76)의 이러한 부분들을 효과적으로 제거한다. CMP의 대체물은 포토레지스트층을 적용한 다음 드라이 에치를 사용하여 에치백하는 것이다.
에치백 단계 다음에, LTO(low temperature oxide)층(80)이 0.5에서 2.0마이크로미터 두께로 상기 구조의 상부면 위에 퇴적된다. LTO층(80)이 퇴적된 다음에, (도시되지 않은) 전기적 접촉마스크층이 LTO층(80) 위에 놓이게 된다. 접촉마스크층은 그 다음 종래와 같이 패턴 형성되고 언더라인층이 에치되고, 상기 에치는 LTO층(80)을 통과해서, 유리섬유(76)층의 나머지 부분을 통과하여, 실리콘층(20)의 주표면 아래까지 확장되어서 실리콘층(20)의 주표면 부분을 노출시키고 접촉개구부(84a,…,84g)를 규정한다.
다음 제5도에 있어서, (알미늄같은) 전도성물질층(90)이 여러 접촉개구부(84a,…,84g)를 채우고 실리콘층(20)안에 형성된 언더라잉 반도체 영역과 접촉하고, 기판의 표면 위에 종래와 같이 퇴적된다. 그 다음 전도층(90)은 종래와 같이 마스크되고; 그 마스크층은 패턴형성되고, 층(90)은 전기적 접촉물(90a,…,90g)을 규정하기 위해서 에치된다.
그 다음 제6도에 있어서, 예를 들면 플라즈마 나이트라이드 물질과 같은 종래의 패시베이션층은 전기적 접촉물(90a,…,90g) 위에 형성된다. 패시베이션층(96)은 0.5에서 2.5마이크로미터 두께이다.
오버라잉 패시베이션층(96), 에폭시 물질층(98)은 25에서 250마이크로미터 두께로 종래와 같이 퇴적된다. 상기 에폭시 물질(98)은 (실버 에폭시 같은) 열적으로 전도하는 예를 들면 하이 퍼포먼스 에폭시수지 구성물이다.
다음으로 “캡”(플레이트)(100)은 제거될 에폭시층(98)에 첨부되고, 캡(100)은 패시베이션층(96)에 결합된다. 캡(100)은 약 500마이크로미터두께이고 예를 들면 도프되지 않은 실리콘이다. 단일캡(100)은 기판(10) 및 실리콘층(20)을 포함하는 전체 웨이퍼를 덮는다. 에폭시와 다른 결합 물질 및 공정이 캡(100)에 첨부되어 사용되곤 한다. 캡(100)은 에폭시층(98)을 통해 열적으로 전도하고 또한 기판(10), 실리콘층(20), 및 액티브 트랜지스터 영역 및 그 위에 형성된 연결부에 충분한 기계적인 지지를 제공한다.
다음으로 제7도에 있어서, 기판(10) 및/또는 실리콘층(20)의 전체 두께를 5에서 100마이크론 범위로 하기 위해서 기판(10)의 뒷면은 그라인딩, 에칭, 또는 CMP(chemical-mechanical polishing)에 의해 부분적으로 제거된다. 이것은 기판(10) 및 실리콘층(20)의 약 500마이크론의 본래의 전체 두께와는 현저히 다르다(다시 말하지만, 상기 치수는 예시적일 뿐이고 한정적인 것은 아니다.) 목표는 그 안에 형성되는 트랜지스터의 전기적 기능에 필요한 최소두께로 기판(10) 및 실리콘층(20)의 두께를 감소시키는 것이다. 제거단계는 각 트랜치(72a,…,72e)의 바닥부가 노출되고, 그로 인해 각 트랜치 안에 형성된 절연물질이 기판(10)의 뒷면에 노출되도록, 기판(10)의 두께를 감소시킨다. 이것은 기판(10)의 각 부분을 전체적으로 전기적으로 절연시킨다. 상기한 경우에 있어서 제거 단계 후, 상기 기판이 하나의 집적회로(integrated piece)안에 남는 것을 확실히 하기 위해서 히트싱크캡(100)은 제거단계에 우선하여 부착됨을 알 수 있다. 종래의 마스킹단계, 임플랜테이션단계, 및 어닐링단계는 후속물질층(104)을 위해 기판(10)의 뒷면위에 N+ 또는 P+ 접촉물을 원하는 대로 형성하기 위해서 상기 공정에 추가된다.
다음 제8도에서, 기판(10)의 뒷면은 그 위에 예를 들면 0.15에서 1.5마이크로미터 두께를 갖는 (알미늄) 금속층(104)을 형성하기 위해서 종래의 스퍼터링 또는 증발공정에 의해 금속화된다. 그런 다음 금속층(104)은 종래와 같이 마스크층으로 덮여지고, 상기 마스크층은 패턴형성되고, 그 다음 금속층(104)은 기판(10)의 뒷면 위에 뒷면접촉패드(104a)(104b)를 규정하기 위해서 에치된다. 각 접촉패드(104a)(104b)는 트랜치(72a,…,72e)에 의해 규정됨으로써 집적회로다이의 선택된 부분과 관련된다. 물론 다이의 각 부분이 반드시 접촉패드를 가질 필요는 없다; 접촉패드(104a)(104b)는 똑같이 필요한 다이의 접촉 부분에 제공할 뿐이다. (종래와 같이 동일한 형태의 트랜지스터는 뒷면 접촉물을 필요로 하지 않음을 알 수 있다.)
다음 제9도에 있어서, 보호/패시베이션층(110)은 접촉패드(104a)(104b) 위에 놓인 기판(10)의 뒷면 위에 퇴적된다. 그런 다음 층(110)은 개구부(112a)(112b)를 규정하기 위해서 종래와 같이 패턴형성된다. 각 개구부(112a)(112b)는 도시된 바와 같이 실리콘층(20)의 상부면 표면 위의 특정 전기적 접촉(90a)(90g)과 관련된다.
다음 제10도에 있어서, 전기적 접촉(90a)(90g)의 하면 부분을 노출시키기 위해서 기판(10) 및/또는 실리콘층(20)을 통해 확장되는 바이어스(116a)(116b)를 규정하기 위해서 개구부(112a)(112b)를 통해 깊게 실리콘 에치된다. 상기 깊은 실리콘 에칭단계는 웨트 또는 웨트/드라이 또는 드라이 에칭 기술을 사용한다.
바이어스(116a)(116b)는 접촉(90a)(90g)에 우수한 전기적 경로를 설정하기에 충분하게 넓어야 할 필요만 있고 바이어스 폭의 치수는 한정적인 것은 아니다; 단면 형상의 어느 쪽도 한정적인 것은 아니다. 그 다음 제10도에서 도시된 바와 같이 층(110)의 나머지 부분은 종래와 같이 벗겨지거나 패시베이션층으로써 유지된다.
다음 제11도에 있어서 플레이트단계(전착)에 의해, 바이어스(116a)(116b)는 바이어스로부터 확장되는 포스트(124)(130)를 규정하기 위해서 땜납 가능한 금속(예를 들면 니켈, 금, 구리)으로 채워진다. 동일한 전착단계에 있어서, 금속 포스트(126)(128)는 금속 접촉(104a)(104b)위에 퇴적된다.
대안으로 포스트(126)(128)는 표면장착 포스트를 원하는 두께로 설정하기 위해서 각각의 뒷면(104)(104b) 연결도선 위에 원하는 형태의 금속으로 스크린프린팅에 의해 형성된다. 표면장착 포스트의 직경은 특정한 응용에 따라 다양하다.
다음으로 제12도에 있어서, (옵션인) 패시베이션층(136)은 표면장착포스트(124)(126)(128) 및 (130)의 모든 노출표면 위에 0.8에서 1.2마이크로미터 두께로 퇴적된다. 패시베이션층(136)은 예를 들면 폴리아미드 또는 저온 옥사이드이다.
그런 다음 패시베이션층(136) 부분은 인쇄회로기판과 같은 것에, 땜납하기 위해서 노출된 포스트 바닥표면을 남기려고, (마스킹 및 에칭 또는 다른 수단 예를 들면 CMP에 의해) 각 표면장착 포스트(124)(126)(128)(130)의 바닥표면으로부터 제거된다. 기판(10)의 낮은 뒷면으로부터 확장되는 표면장착 포스트의 높이는 통상적으로 10에서 300마이크로미터이거나, 또는 장착되는 것에 따라서 필요한 임의의 높이다.
제12도에 있어서 칩의 바깥으로의 모든 전기적 연결은 표면장착 포스트(124)(126)(128) 및 (130)에 의해서 기판(10)의 뒷면 위에서 제공된다.
(도시되지 않은) 후속적인 웨이퍼는 미리 설계된 스크라이브 라인 예를 들면 유전체로 채워진 트랜치에 근접한 스크라이브 라인을 따라 개별적인 집적 회로 안으로 스크라이브된다. 따라서 스크라이빙 단계의 결과로서, 여러 가지 집적회로다이는 상부캡(100) 및 바닥면 패시베이션층(136)에 의해서 미리 패키지 되고; 그 결과 더 이상의 패키징은 필요없게 된다.
[플립칩 실시예]
플립칩 실시예에 있어서, 초기 공정단계는 표면장착 실시예의 제1도에서 제5도에 도시된 것과 동일하고, 그 결과 제13도의 구조로 된다. 다시 말하지만, 플립칩 실시예는 도시된 형태의 반도체장치에 한정되는 것은 아니다. 제13도의 구조는 (제6도의 패시베이션층(96)의 물질 및 두께와 같은) 패시베이션층(160)이 패턴 형성된 마스크층(도시되지 않음)을 사용하여 마스크되고, 다음으로 마스크층을 통과하여 접촉개구부(164a)(164b)를 규정하기 위해 에칭되는 것이 다음단계인 것만 제외하면, 제5도의 것과 동일하다. 접촉개구부(164a)(164b)는 언더라잉 전기적 접촉(90a)(90g)부분에 노출된다. 이 실시예의 목표는 기판의 전면 및 뒷면의 전기적 접촉물 양자를 규정하는 것이다; 개구부(164a)(164b)는 전면 접촉 개구부를 규정한다.
다음으로 제14도에 있어서, 그 위에 (알미늄 또는 땜납 가능한 물질)금속연결구조(176a)(176b)를 (기판(10)에 조립하기에 앞서) 형성한 실리콘(또는 기타 적절한 물질)히트싱크캡(172)이 제공된다. 연결구조(176a)(176b)는 접촉(90a)(90b)에 면해 있는 캡(172)의 표면 위에 연결라인을 포함한다; 상기 연결라인은 예를 들면 10에서 50마이크로미터의 두께를 갖는다. 캡(172)은 모든 표면 위에서 예를 들면 옥사이드 유전체층(175)에 의해 전기적으로 절연된다. 그런 다음 연결구조(176a)(176b)는 종래와 같이 땜납 되거나 또는 언더라잉 접촉(90a)(90g)에 탕화된다. 이 전기적 접촉은 임의의 다른 종래방법에 의해서 제공될 수 있다.
캡(172)은 패시베이션층(160)위에 25에서 250마이크로미터의 두께로 하이 퍼포먼스 열전도성을 갖고 (및 전기적으로 절연되는) 에폭시수지층(168) (또는 다른 하이 퍼포먼스 접착물)에 의해 언더라잉 구조에 부착된다. 접착물층(168)은 접착물층(168)을 마스킹하거나 에칭함으로써 또는 연결로부터 접착물층(168)을 닦아냄으로써 (구성요소(176a)(176b)와(90a)(90b) 사이의) 전기적 연결이 방해받는 것을 억제할 수 있다. 예를 들면, 접착물층(168)은 먼저 구조(176a)(176b)를 덮는 두꺼운 층으로 형성되고 나서 웨트나 드라이 에치를 사용하여 구조(176a)(176b)의 단부를 노출시키기 위해서 에칭백된다.
캡(172)은 히트싱크로서 소용되고 캡(172)의 반대표면 위에 연결접촉물(174a)(174b)을 형성하기 위해서 캡(172)을 통과하여 확장되는 바이어스를 통과하여 연결되는 접촉 구조물(176a)(176b)을 지지한다. 이러한 연결접촉물(174a)(174b)은 기계적인 지지 및 그것에 전기적인 결합을 제공하는 종래의 (도시되지 않은) 플립칩-형 백 플레이트 아래에 놓이고 지지하기 위해서 부착되기에 적절하다.
다음 제15도에 있어서, (제7도와 유사하다.) 기판(10)의 뒷면은 닦여지거나 유전체적으로 절연된 트랜치(72a,…,72e)의 낮은 부분을 노출시키기 위해서 에치된다. 다시 말하면, 기판(10) 및 실리콘층(20)의 전체 두께는 이 제거단계에 의해 전기적 기능에 적절하게 필요한 것으로 최소화된다. 다음으로 제16도에서, 뒷면접촉물(178a)(178b)이 형성되고, 제8도의 접촉물(104a)(104b)과 유사하다. 다음으로 제17도에서, 뒷면 패시베이션층(186)이 기판(10)의 뒷면 위 그리고 초기에 접촉영역(178a)(178b)위에 옥사이드 또는 나이트라이드 또는 옥사이드-나이트라이드 “샌드위치” 물질을 사용하여 예를 들면 0.5에서 2.5마이크로미터 두께로 퇴적되지만, 그 다음 패턴 형성될 마스크의 사용과 패시베이션층(186)의 불필요한 부분의 에칭에 의해 노출표면으로부터 그 다음 제거된다. 만일 원한다면, 이것은 파워 장치 드레인접촉(178a) 및 콜렉터형 드레인 접촉(178b)의 결합영역을 노출시킨다. (다시 말하면 뒷면 접촉의 사용은 관련 반도체장치의 특성에 의존한다.) 따라서 제17도의 플립칩 구성은 캡(172)을 통과하는 전면기판의 전기적 접촉(174a)(174b) 그리고 또한 뒷면 접촉(178a)(178b) 양자에 제공된다. 상기 전면도선은 트랜지스터에 빔(beam) 또는 터널(tunnel)도선구조 또는 형태이다.
다시 말하면, 제17도의 단계 후에 전체 웨이퍼는 (도시되지 않은)소정의 스크라이브 라인을 따라 종래와 같이 스크라이브된다; 따라서 칩스크라이빙의 결과로서 완전하게 (패키징되고), 더 이상의 패키징 단계가 필요없게 되는 이점이 있다.
[다이아몬드필름 패시베이션층 실시예]
상술한 플립칩 형태 실시예 및 표면장착 실시예는 종래의 유전체 절연과 같은 실리콘 다이옥사이드 또는 나이트라이드 및 반도체 웨이퍼 자체와 히트싱크플레이트 사이의 패시베이션층에 사용한다. 상기 물질들은 예를 들면 대략 2 W/mK인 실리콘 다이옥사이드의 매우 낮은 열전도율 때문에, 상대적으로 빈약한 열전도를 제공하는 것으로 알려져 있다. 반대로, (우수한 유전체 절연물질인) 다이아몬드필름은 약 2,000 W/mK의 열전도율을 제공한다. 또한 다이아몬드는 어떤 알려진 물질의 매우 밀집한 크리스탈 격자를 갖기 때문에, 화학적 불활성으로 공지되어 있고, 다른 구성요소가 다이아몬드로 확산되는 것은 매우 낮다. 따라서 다이아몬드는 월등한 열전도율을 갖는 우수한 유전체 절연체일 뿐만 아니라 우수하게 부식을 보호하는 패시베이션층으로 효과적으로 소용되는 물질이기도 하다.
본 발명에 따르면 다이아몬드필름은 이용 가능한 물질의 열전도율 및 전기저항률이 최상의 조합인 것으로 결정되었다. 알미늄 나이트라이드, 알미늄 옥사이드, 또는 실리콘 카바이드와 같은 물질들 또한 높은 유전체절연을 제공하지만 다이아몬드보다 열전도율이 낮다. 다이아몬드필름과 열전도율이 비슷한 유일한 물질들인 구리와 은과 같은 것은 전기적으로 전도성물질이고, 패시베이션층으로 사용되기에 부적합하다.
600°에서 950℃의 온도 및 대기보다 낮은 압력하에서 퇴적된 다이아몬드필름에 화학적 진공 증착법(CVD)을 제공하는 것은 공지되어 있다. 전형적으로 메탄 또는 아세틸렌은 수소원자의 중대한 부분 압력을 갖는 카본소스로서 사용된다. 사용되는 여기소스는 마이크로웨이브 또는 무선주파수 플라즈마, 핫 필라멘트 및 서멀 플라즈마 및 연소불꽃을 포함한다.
예를 들면, 통상적으로 활용되는 가스 및 하이드로겐을 함유하는 카본혼합물, 알콜과 물, 할로겐화 가스 및 기타 가스 조합의 혼합물에 래어가스를 첨가하는 것과 같이 다른 프로세스 가스혼합물을 사용함으로써 600℃이하의 온도에서 다이아몬드 퇴적을 달성하는 것 또한 공지되어 있다. 전형적으로 약 400℃의 퇴적온도에서 단위시간당 약 0.2마이크로미터의 성장률이 달성된다.
본 발명에 따른 다이아몬드필름을 퇴적하는 방법은 저온 마이크로웨이브 플라즈마 CVD원조를 포함한다. 대안은 아크제트 CVD공정이다. 그것은 반도체 제작에서 공지된 바와 같이, 종래의 옥시겐을 베이스로 하는 RIE(reactive ion etching)공정을 사용하여 다이아몬드필름을 패턴형성하는 것으로 알려져 있다.
따라서 상술한 표면장착 실시예에 대해 본 발명에 따르면, 상술한 공정중 하나 (또는 임의의 다른 공정)에 의해 형성된 다이아몬드필름은 패시베이션층(96)을 대용한다. 다이아몬드필름은 예를 들면 약 0.5에서 10마이크로미터 두께의 층으로 형성된다. (그러나 한정적인 것은 아니다) 그 다음 통상의 에폭시물질층(98) 사용을 대신하는 대용물은 플레이트(100)를 다이아몬드필름에 결합시키는데 사용되는 상업상 이용가능한 실버에폭시와 같은 열전도성 접착물이다. 모든 그외 공정단계들은 본 실시예에 대해서 상술한 바와 같다.
마찬가지로, 상술한 플립 칩 형태 실시예의 패시베이션층(160)은 약 0.5에서 10마이크로미터 두께(다시 말하지만 이 치수는 한정적인 것은 아니다.)의 CVD (또는 그 외 형태의) 다이아몬드필름이다. 다이아몬드필름이 아닌 플립칩형 실시예에 대해서 상술한 바와 같이, 다이아몬드필름은 그것을 통과하는 접촉개구부(164a)(164b)를 규정하는 패턴형성하기 위해서 마스크층을 사용하여 마스크된다. 상술한 바와 같이, 나머지 공정은 히트싱크캡(172)을 다이아몬드필름 패시베이션층(160)에 결합시키기 위해서 열전도성(그러나 전기적으로는 절연되는) 하이 퍼포먼스 접착물을 사용한다. 따라서 구조적 관점에서 공정단계는 다이아몬드필름 패시베이션층 물질이 있다는 것만 제외하면, 다이아몬드가 아닌 플립칩형 실시예에 대해서 상술한 것과 유사하다.
상술한 것은 예시적인 것이고 한정적인 것이 아니다; 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 명세서 및 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 변경을 할 수 있음이 명백하다.

Claims (18)

  1. 주표면 및 약 100마이크로미터 이하의 두께를 갖는 반도체기판; 상기 기판 안에 형성되는 복수의 반도체장치; 상기 주표면 위에 놓이며 형성되고 상기 장치와 전기적으로 접촉하는 전도성 라인의 패턴; 상기 전도성 라인의 패턴 위에 최소부분이 놓이는 전기적으로 절연되는 필름; 상기 절연필름에 영구적으로 결합되고 상기 전도성 라인의 패턴 위에 놓이는 열전도성 플레이트; 및 상기 기판을 통과하여 기판의 주표면으로부터 기판의 반대 뒷면까지 확장되는 복수의 절연트랜치를 구비하는 것을 특징으로 하는 집적회로.
  2. 제1항에 있어서, 상기 기판의 뒷면 위에 형성되고, 복수의 트랜치에 의해 규정되는 뒷면의 선택부분과 접촉하는 복수의 전기적 전도성 접촉을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 집적회로.
  3. 제1항에 있어서, 상기 기판의 두께는 약 50마이크로미터 이하인 것을 특징으로 하는 집적회로.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1패턴과 전기적으로 접촉하고 상기 플레이트에 나란히 놓여진 전도성 라인의 제2패턴을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 집적회로.
  5. 제1항에 있어서, 상기 기판은 주표면으로부터 뒷면까지 확장되고, 전도성 라인의 패턴일부와 주표면 위에서 전기적으로 접촉하고, 뒷면 위에서 전기적 접촉을 형성하는 복수의 전도성 바이어스를 규정하는 것을 특징으로 하는 집적회로.
  6. 제5항에 있어서, 상기 뒷면 위의 전기적 접촉은 뒷면으로부터 확장되는 각 포스트인 것을 특징으로 하는 집적회로.
  7. 제1항에 있어서, 상기 절연필름은 0.5에서 10마이크로미터 범위내의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 집적회로.
  8. 제1항에 있어서, 상기 절연필름은 열전도성 접착물층에 의해 상기 플레이트에 결합되는 것을 특징으로 하는 집적회로.
  9. 주표면을 갖는 반도체기판 제공단계; 상기 기판 안에 복수의 반도체장치 형성단계; 상기 기판 안에서 기판의 주표면으로부터 기판 안으로 특정 깊이까지 확장되는 기판 안의 복수의 트랜치 형성단계; 상기 각 트랜치 안에 절연물질층 형성단계; 상기 장치와 전기적으로 접촉하고 주표면 위에 놓이는 전도성 라인의 패턴 형성단계; 상기 기판 위에 놓이는 전기적 절연필름층 형성단계; 열전도성 플레이트를 상기 절연필름층에 영구적으로 결합하고 상기 기판의 주표면 위에 놓는 단계; 및 상기 기판의 일부를 주표면과 반대인 기판의 뒷면으로부터 제거하고, 그로 인해 상기 트랜치 각각의 최소 바닥부분이 노출되고 기판의 두께가 약 100마이크로미터 이하로 감소되는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 집적회로 형성방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 뒷면 위에 전도층 형성단계; 및 상기 복수의 트랜치에 의해 규정되는 상기 뒷면의 선택부분과 접촉하는 복수의 접촉영역 안으로 상기 전도층을 패턴 형성하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 집적회로 형성방법.
  11. 제9항에 있어서, 상기 제거단계는 기판의 나머지 두께를 약 50마이크로미터 이하로 남기는 것을 특징으로 하는 집적회로 형성방법.
  12. 제9항에 있어서, 상기 결합단계에 우선하여 상기 플레이트의 표면 위에 전도성 라인의 제2패턴을 형성하는 단계를 더 구비하고, 여기에서 상기 결합단계는 상기 제1패턴부분과 상기 제2패턴부분을 전기적으로 접촉하는 것을 구비하는 것을 특징으로 하는 집적회로 형성방법.
  13. 제9항에 있어서, 상기 결합단계는 상기 절연필름층과 상기 플레이트 사이에 열전도성 접착물 응용을 구비하는 것을 특징으로 하는 집적회로 형성방법.
  14. 제9항에 있어서, 상기 제거단계 후에, 상기 기판의 뒷면으로부터 주표면까지 확장되는 복수의 바이어스 형성단계; 상기 전도성 라인의 패턴부분과 주표면 위에서 전기적으로 접촉하고, 상기 뒷면 위에서 전기적 접촉을 형성하는 전도성 물질을 상기 각 바이어스 안에 제공하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 집적회로 형성방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 전도성 물질 제공단계는 상기 뒷면 위에 상기 전도성 물질층 형성을 구비하고, 및 상기 뒷면으로부터 밖으로 확장되고, 상기 바이어스중 하나에서 상기전도성 물질에 전기적으로 연결되는 복수의 포스트 안으로 전도성 물질층 형성단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 집적회로 형성방법.
  16. 제9항에 있어서, 상기 절연필름층은 0.5에서 10마이크로미터 범위 내의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 집적회로 형성방법.
  17. 제1항에 있어서, 상기 절연필름은 다이아몬드필름인 것을 특징으로 하는 집적회로.
  18. 제9항에 있어서, 상기 절연필름은 다이아몬드필름인 것을 특징으로 하는 집적회로 형성방법.
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