KR100237671B1

KR100237671B1 - Semiconductor apparatus fabrication method

Info

Publication number: KR100237671B1
Application number: KR1019930006146A
Authority: KR
Inventors: 윤상현; 김진태
Original assignee: 윤종용; 삼성전자주식회사
Priority date: 1993-04-13
Filing date: 1993-04-13
Publication date: 2000-01-15

Abstract

반도체 기판상에 제1절연층과 패터닝된 전극패드를 형성하는 단계; 전면에 제2절연층을을 형성하고 상기 전극패드가 주변부를 제외한 부분이 드러난 접촉창을 형성하는 단계; 전극 패드의 주변부 상의 상기 절연층이 이 요철부를 갖는 도랑 부분을 사진 식각 방법으로 형성하는 단계; 상기 제2절연층 위에 장벽 금속층을 형성하고 도랑부에 한정한 범프 두께 높이의 포토레지스트층을 코팅하여 상기 개구부 보다 넓은 개구부를 형성하는 단계; 범프를 개구된 부분에서 형성하고 범프 주변의 막질을 제거하여 상기 제2절연층이 드러나도록 하는 단계로 구성됨을 특징으로 하는 반도체 장치 제조방법.Forming an electrode pad patterned with a first insulating layer on the semiconductor substrate; Forming a contact window in which a second insulating layer is formed on a front surface and a portion of the electrode pad is exposed except for a peripheral portion; Forming a groove portion in which the insulating layer on the periphery of the electrode pad has the uneven portion by a photolithography method; Forming a barrier metal layer on the second insulating layer and coating a photoresist layer having a bump thickness height defined in the trench portion to form an opening wider than the opening; And forming a bump in the open portion and removing the film quality around the bump to expose the second insulating layer.

Description

Semiconductor device manufacturing method

제1(a)도~제1(c)도는 종래의 범프를 갖는 반도체 장치 제조 공정도.1 (a) to 1 (c) are diagrams illustrating a semiconductor device manufacturing process having conventional bumps.

제2(a)도~제2(d)도는 본 발명에 따른 범프를 갖는 반도체 장치 제조 공정도.2 (a) to 2 (d) are process steps for manufacturing a semiconductor device having bumps according to the present invention.

제3도는 제2(a)도의 평면도이다.3 is a plan view of FIG. 2 (a).

본 발명은 반도체 장치 제조 방법에 관한 것으로, 특히 전극단자로 사용되는 금속 범프(bump)를 갖는 반도체 장치 제조방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly, to a method for manufacturing a semiconductor device having a metal bump used as an electrode terminal.

반도체 장치는 외부와의 연결을 위해서 전극단자를 구비하고 통상은 와이어 본딩으로 외부 금속 리드와 연결된다. 그러나 상기 전극 단자에 금속 범프인 돌기를 형성하게 되면 와이어 본딩 공정이 필요없게 되고 더욱이 반도체 장치의 패키지 두께가 감소되고 반도체 칩의 본딩 패드 즉, 전극영역의 크기 또한 대폭 작아지는 잇점이 있다.The semiconductor device includes an electrode terminal for connecting to the outside and is usually connected to the external metal lead by wire bonding. However, the formation of the bumps, which are metal bumps, on the electrode terminals eliminates the need for a wire bonding process, and further reduces the package thickness of the semiconductor device and significantly reduces the bonding pads of the semiconductor chip, that is, the size of the electrode region.

범프를 갖는 패키징 수법은 플랫(flat)형 패키지로 IC 카드 조립에서 유용하며 반도체 장치의 축소 그리고 고밀도 실장을 위한 응용에 매우 적합한 것이다. 이러한 많은 잇점을 제공하는 범프 형성에 대한 상세한 내용이 제1도에 도시되었다. 이하 공정수순을 상세히 설명한다.The bumping packaging method is a flat package that is useful for IC card assembly and is well suited for miniaturization of semiconductor devices and applications for high density mounting. Details of bump formation that provide many of these advantages are shown in FIG. Hereinafter, the process procedure will be described in detail.

제1(a)도와 같이, 반도체 기판(1) 상에 BPSG 또는 SiO₂와 같은 절연층(2)이 형성되고 그 위에 전극패드(3)가 패턴 형성된다. 이어서 그 위에 절연 보호막(4)을 형성한 뒤 사진 식각 방법으로 금속전극패드(3)가 드러나도록 개구부를 형성하고 Au 재질의 범프 형성에 대비하여 전면에 접착용 금속막(5), 확산 장벽 금속막(diffusion barrier metal film)(6), 도금용 Au막(7)을 형성하고 그 위에 포토 레지스트 필름(8)을 코팅하고, 그리고 금속전극패드인 Al막(3) 위의 보호막(4)이 노출되도록 도면과 같이 개구부(O₁,O₂)를 사진식각 방법으로 형성한다. 이곳은 확산 장벽 금속의 측방향 에칭으로 인한 Al막(3)의 부식 경로를 차단하기 위한 막질 형성을 위한 곳으로 Au 범프의 하단부 가장자리 부분이다. 즉 개구부에는 도금에 의한 Au도금층(9)이 제1(b)도와 같이 형성된다. 이어서 포토레지스트층(10)이 Au도금층(9)을 덮지 않게 패턴 형성되고, 전해 도금방식으로 Au범프(11)를 제1(c)도와 같이 형성한 후, 제2의 포토레지스트층(10)은 제거한다. 제1(c)도와 같이 형성한 후, 각 금속막간의 접착력과 접촉저항을 개선시키기 위해서 그리고 Au 범프의 경도(hardness)조절을 위해서 250~350℃ 범위에서 0.5~2시간 동안 열처리를 실시한다.As shown in FIG. 1A, an insulating layer ₂ such as BPSG or SiO ₂ is formed on the semiconductor substrate 1, and an electrode pad 3 is patterned thereon. Subsequently, an insulating protective film 4 is formed thereon, and then an opening is formed to expose the metal electrode pad 3 by a photolithography method, and an adhesive metal film 5 and a diffusion barrier metal are formed on the front surface in preparation for forming bumps of Au material. A film (diffusion barrier metal film) 6, a plating Au film 7 is formed and a photoresist film 8 is coated thereon, and a protective film 4 on the Al film 3, which is a metal electrode pad, is formed. Opening (O ₁ , O ₂ ) is formed by a photolithography method as shown in the figure to be exposed. This is the bottom edge of the Au bumps for film formation to block the corrosion path of the Al film 3 due to the lateral etching of the diffusion barrier metal. That is, the Au plating layer 9 by plating is formed in the opening part as shown in FIG. 1 (b). Subsequently, the photoresist layer 10 is patterned so as not to cover the Au plating layer 9, and the Au bumps 11 are formed as shown in FIG. 1C by electroplating, and then the second photoresist layer 10 is formed. Remove. After forming as shown in FIG. 1 (c), heat treatment is performed in the range of 250 to 350 ° C. for 0.5 to 2 hours to improve the adhesion and contact resistance between the metal films and to control the hardness of the Au bumps.

종래기술의 주요 목적은 Al 패드상에 접착층, 확산 장벽금속층, Au층을 순차적으로 형성한 후, 포토레지스트에 의한 사진식각방법으로 패터닝하여 Al 패드상에 있는 확산 장벽 금속층의 일부를 식각하고 도금 방식으로 개구된 부분만 선택적으로 Au 도금하므로써 측방향 에칭되는 것을 막고자 하는 것이었다.The main purpose of the prior art is to sequentially form an adhesive layer, a diffusion barrier metal layer, and an Au layer on the Al pad, and then patterned by photolithography using a photoresist to etch a portion of the diffusion barrier metal layer on the Al pad and to plating. It was intended to prevent lateral etching by selectively Au plating only the opened portions.

그러나 이러한 기술에서는 Au가 접착층과 직접 맞닿아 있으므로 상기 접착층을 통해 Au가 쉽게 확산해 나간다는 문제를 방치하고 있고 또한 확산 장벽 금속층, 접착층에 도금 공정의 재현성이 문제가 될 수가 있다.However, in this technique, since Au is in direct contact with the adhesive layer, the problem that Au diffuses easily through the adhesive layer is neglected, and the reproducibility of the plating process on the diffusion barrier metal layer and the adhesive layer may be a problem.

즉, 접착층을 통해 원하지 않는 Au가 Al패드로 확산될 수가 있으며 Au 도금을 하더라도 장벽 금속층 및 접착층에 충분히 도금되지 않는 문제가 유발되는 것이다.That is, unwanted Au can be diffused to the Al pad through the adhesive layer, and even if Au plating is caused, the problem is that the barrier metal layer and the adhesive layer are not sufficiently plated.

본 발명의 목적은 범프를 갖는 반도체 패키지 형성에 있어서, 금속 장벽층 에칭시 측방향 에칭으로 Al이 부식되는 것을 방지하고 또한 금속 장벽층이 확산 억제 장벽층으로서 작용하도록 하는 반도체 창치 및 이의 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a semiconductor device having a bump and a method of manufacturing a semiconductor device for preventing Al from corroding by lateral etching during etching of a metal barrier layer and also allowing the metal barrier layer to act as a diffusion suppressing barrier layer. It is to provide.

제2도는 본 발명에 따른 범프 형성을 위한 공정도이다.2 is a process diagram for bump formation according to the present invention.

Al 패드 및 접촉을 위한 개구부 형성 공정은 제1(a)도와 같이 동일하다.The process of forming the openings for the Al pads and the contacts is the same as in FIG.

제2(a)도와 같이 반도체 기판(11) 위에 BPSG 또는 SiO₂또는 그외의 재질로 절연층(12)을 형성하고 그 위에 전극 패드(13)를 패터닝하여 형성한다. 제3도는 대응하는 평면도로서 이를 통해 전극 패드(13)의 대체적인 윤곽을 알 수 있다.As illustrated in FIG. 2A, the insulating layer 12 is formed of BPSG, SiO _2, or other material on the semiconductor substrate 11, and the electrode pad 13 is patterned thereon. 3 shows a corresponding plan view through which an alternative contour of the electrode pad 13 can be seen.

도전성 전극 패드(13)는 이를테면 Al 재질로 형성될 수 있다. 패드가 형성된 기판 전면에 PSG의 제1의 보호(passivation)막(14)과 나이트라이드(nitride)의 제2의 보호막(15)을 연이어 각각 3000~8000Å, 8000~20,000Å 두께로 침적 형성한다.The conductive electrode pad 13 may be formed of Al material, for example. A first passivation film 14 of PSG and a second passivation film 15 of nitride are successively deposited to a thickness of 3000 to 8000 Å and 8000 to 20,000 Å on the entire surface of the substrate on which the pad is formed.

이어서 접촉창을 형성하기 위해서 마스크 패턴을 사용하는 사진 식각 방법으로 제2(a)도와 같이 개구부(16)를 형성하므로써 금속패드(13)가 노출되도록 한다. 제3도에는 개구부(16)의 형태가 역시 도시되어 있고 도시된 바와 같이 개구부(16)로부터 금속패드 표면(13A)이 노출된다.Subsequently, the metal pad 13 is exposed by forming the opening 16 as shown in FIG. 2A by a photolithography method using a mask pattern to form a contact window. 3, the shape of the opening 16 is also shown and the metal pad surface 13A is exposed from the opening 16 as shown.

패드의 주변부 영역 위에 위치한 제2보호층(15) 부분에 마치 도랑과 같은 요철부를 형성하기 위해서 제2(a)도와 같이 포토레지스트층을 코팅하여 노광, 현상 하므로써 레지스트 패턴(17)을 형성한다. 제3도에서 제2보호막(15)의 표면(15A)이 포토레지스트층(17)에 의해 일부가 드러난다.The resist pattern 17 is formed by coating and exposing the photoresist layer to form a concave-convex portion such as a groove in the portion of the second protective layer 15 positioned on the peripheral region of the pad as shown in FIG. In FIG. 3, part of the surface 15A of the second protective film 15 is exposed by the photoresist layer 17.

제2보호막(15)은 나이트 리이드 재질이므로 이 물질을 에칭하는 약액으로 에칭하여 제2보호막의 에칭된 부분의 두께가 3000~4000Å 정도 되도록 한다. 식각후 포토레지스트층(17)을 제거하면 제2(b)도와 같이 제2보호막이 패드 주변부 위에서 요철 형상을 갖게 된다.Since the second protective film 15 is a nitride material, the material is etched with a chemical solution for etching the material so that the thickness of the etched portion of the second protective film is about 3000 to 4000 mm 3. When the photoresist layer 17 is removed after etching, the second passivation layer has a concave-convex shape on the pad periphery as shown in FIG.

본 실시예에서 제2보호막은 에칭된 부분에서 두께가 감소되어 요철부를 형성하나 식각시 제1보호막이 드러나지 않게 도랑(15A)을 형성하였다. 그리고 그 폭은 1~10㎛로 하여 이 위에 증착되는 층이 충분히 형성되도록 하였다.In the present exemplary embodiment, the thickness of the second passivation layer is reduced in the etched portion to form an uneven portion, but the trench 15A is formed so that the first passivation layer is not exposed during etching. The width was set to 1 to 10 µm so that a layer deposited thereon was sufficiently formed.

이어서 제2(c)도와 같이 접착층(18)을 형성하고 계속하여 니켈, 텅스텐, 구리 등의 장벽 금속층(19), Au막(20)을 스퍼터링 방식으로 각각 200~500Å, 1000~3000Å,500~2000Å 정도로 증착한다. 이때 Au막(20)증착에 있어서 Au막은 제2보호막(15)상에 형성된 도랑(15A)에 충분히 매립될 수 있다.Subsequently, as shown in FIG. 2 (c), the adhesive layer 18 is formed, and then the barrier metal layer 19 and the Au film 20 such as nickel, tungsten and copper are sputtered by 200 to 500 kPa, 1000 to 3000 kPa, 500 to Deposit about 2000 kPa. At this time, in the deposition of the Au film 20, the Au film may be sufficiently embedded in the trench 15A formed on the second protective film 15.

다음에 범프를 형성하기 위한 공정으로서, 노광을 기준하여 개구부(16)보다 넓은 제2개구부(22)를 갖도록 범프의 크기와 유사한 10~30㎛ 정도로 두껍게 포토레지스트층(21)을 코팅하고 패터닝한다.Next, as a step for forming a bump, the photoresist layer 21 is coated and patterned to a thickness of about 10 to 30 μm, similar to the size of the bump, to have a second opening 22 wider than the opening 16 based on the exposure. .

이어서 제2개구부(22)내에는 범프가 형성되는데 형성 방법은 전기 도금 방법을 사용하며 본 예에서는 15~25㎛ 두께로 범프(23)를 형성하였다.Subsequently, a bump is formed in the second opening 22, and the forming method uses an electroplating method. In this example, the bump 23 is formed to a thickness of 15 to 25 μm.

이와 같이 Au범프(23)를 형성한 후에 Au 범프를 에치 마스크로하여 Au 범프 주위의 막질들을 제거하여 제2(d)도처럼 제2의 보호막(15)이 드러나도록 한다. 에칭방법은 습식 에칭을 사용하는데 습식 에칭시 금속 장벽층에서 일부 부식의 발생이 예측되나 에칭 경로가 구조적으로 복잡하기 때문에 Al패드(13)의 부식으로부터 안정한 상태에 놓인다.After the Au bumps 23 are formed in this manner, the Au bumps are used as etch masks to remove the film quality around the Au bumps so that the second passivation layer 15 is exposed as shown in FIG. The etching method uses wet etching, which predicts the occurrence of some corrosion in the metal barrier layer during the wet etching, but remains stable from corrosion of the Al pad 13 because the etching path is structurally complicated.

범프 형성후 각 층간의 접착력, 접촉저항 개선 및 범프의 경로 조절을 위해서 250~350℃, 0.5~2시간 범위내에서 열처리를 행한다.After bump formation, heat treatment is performed within 250 to 350 ° C. and 0.5 to 2 hours to improve adhesion between the layers, improve contact resistance, and control the path of the bump.

본 발명에 의하면 나이트라이드 보호막 형성후 측방향 에칭을 막아주기 위한 요철 부분을 형성하여 줌으로써, 범프를 에칭용 마스크로 이용하여 Au층, 금속 장벽층, 접착층을 순차적으로 습식 식각시 Al 패드에 화학물질 침투를 방지할 수 있으며 전기도금에 의한 범프형성을 기존 방식보다 용이하게 실시할 수 있는 공정이며 재현성이 좋다. 그 이유는 기존 방식으로는 스퍼터된 Au층에만 도금이 일어나고 접착층 및 장벽 금속층에는 도금이 형성되기 힘들고 형성되더라도 접착층을 통한 Au의 확산이 문제시 되기 때문이므로 본 발명은 이러한 문제를 해결하고 있다.According to the present invention, by forming a concave-convex portion for preventing lateral etching after forming the nitride protective film, using the bump as an etching mask, the Au layer, the metal barrier layer, and the adhesive layer are sequentially chemically coated on the Al pad during wet etching. It is a process that can prevent penetration and can easily perform bump formation by electroplating and has good reproducibility. The reason for this is that the plating occurs only on the sputtered Au layer in the conventional manner, and the plating is difficult to form on the adhesive layer and the barrier metal layer, and even if the diffusion of Au through the adhesive layer is a problem, the present invention solves this problem.

Claims

Forming an electrode pad patterned with a first insulating layer on the semiconductor substrate; Forming a contact window in which a second insulating layer is formed on a front surface and a portion of the electrode pad is exposed except for a peripheral portion; Forming a groove portion in which the insulating layer on the periphery of the electrode pad has the uneven portion by a photolithography method; Forming a barrier metal layer on the second insulating layer and coating a photoresist layer having a bump thickness height defined in the trench portion to form an opening wider than the opening; And forming a bump in the open portion and removing the film quality around the bump to expose the second insulating layer.

The method of claim 1, wherein the second insulating layer comprises a phospho-silicate glass (PSG) layer and a nitride protective layer thereon.

3. The method of claim 2, wherein the bottom portion of the trench portion is the surface of the PSG film of the second insulating layer.

The method of claim 1, wherein the electrode pad is formed of an Al material.

The method of claim 1, wherein the peripheral etching of the bumps is performed by wet etching.