KR100367702B1 - 티타늄장벽층을포함하는솔더범프제조방법및구조 - Google Patents

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그레천 마에커 아데마
마크 디. 켈럼
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Abstract

콘택 패드를 갖는 마이크로 전자 소자 상에 솔더 범프를 제조하는 방법은 상기 소자 상에 티타늄 장벽층을 증착하는 단계, 상기 티타늄 장벽층 상에 하부 범프 야금층을 형성하는 단계, 그리고 상기 하부 범프 야금층 상에 하나 이상의 솔더 범프를 형성하는 단계를 포함한다. 상기 솔더 범프 또는 솔더 범프들은 제거될 상기 하부 범프 야금층의 노출 부위를 한정하고, 다음에 상기 티타늄 장벽층의 노출 부위가 제거된다. 상기 티타늄 장벽층은 상기 하부 범프 야금층을 제거하는데 사용되는 식각액으로부터 하부의 마이크로 전자 소자를 보호하게 된다. 또한 상기 티타늄 장벽층은 상기 하부 범프 야금층이 하부의 마이크로 전자 소자 상의 잔여물을 형성하는 것을 방지하게 된다. 따라서, 상기 티타늄 장벽층은 상기 하부 범프 야금층이 잔여물 문제를 남기지 않고 빠르게 제거될 수 있게 하고 이로 인해 솔더 범프간의 전기적 단락의 가능성을 줄일 수 있게 한다.

Description

티타늄 장벽층을 포함하는 솔더 범프 제조 방법 및 구조{SOLDER BUMP FABRICATION METHODS AND STRUCTURE INCLUDING A TITANIUM BARRIER LAYER}
흔히 고성능의 마이크로 전자 소자는 다른 마이크로 전자 소자와 전기적으로 상호연결하기 위해 솔더 볼(Solder ball) 또는 솔더 범프(Solder bump)를 사용한다. 예를 들어, 대규모 집적(VLSI) 칩(Chip)은 솔더 볼이나 솔더 범프를 이용하여 회로 기판 또는 다른 차레벨의 패키징 기판에 전기적으로 연결될 수 있다. 또한 이러한 연결 기술은 "Controlled Collapse Chip Connection-C4" 또는 "플립-칩(Flip-Chip)" 기술로 언급되며, 그리고 여기에서는 솔더 범프로 언급될 것이다.
IBM사에 의해 개발된 원래의 솔더 범프 기술에서, 상기 솔더 범프는 집적회로 웨이퍼에 금형된 섀도우 마스크(Shadow mask) 내의 개구부를 통해 증발(Evaporation)에 의해 형성된다. 예를 들어, 발명의 명칭이 "Debondable Metallic Bonding Method"(Katz et al.)인 미합중국 특허 제5,234,149호에서는 칩 배선 단자와 금속층을 갖는 전자 소자가 기재되어 있다. 상기 배선 단자는 전형적으로 순수한 알루미늄이고, 상기 금속층은 티타늄(Titanium) 또는 크롬(Chromium) 국부 접착층(Localized adhesived layer), 공동 증착된 국부 크롬 구리층, 국부 습식 구리층, 그리고 국부 금 또는 주석 덮개층(Capping layer)을 포함할 수 있다. 증발된 국부 납-주석(lead-tin) 솔더층은 덮개층 상부에 위치하게 된다.
또한 전기 도금 방법을 기초로 하는 솔더 범프 기술의 연구가 적극적으로 수행되고 있다. 상기 전기 도금 방법은 특히 기판이 크고 범프가 작은 경우에 유용하다. 이 방법에서는, 하부 범프 야금(Under bump metallurgy)층이 보통 증발이나 스퍼터링(Sputtering)에 의해 상부에 콘택 패드(Contact pad)를 갖는 마이크로 전자 기판에 증착된다. 연속적인 하부 범프 야금층은 보통은 패드 상이나 상기 패드 사이의 기판 상에 형성되어, 솔더 도금 중에 전류의 흐름을 허용하게 된다.
하부 범프 야금층을 갖는 전기 도금 방법의 예가 미합중국 특허 제5,162,257호에 개시되어 있는 바, 발명의 명칭이 "솔더 범프 집적 방법"(Yung)이며, 본 출원의 양수인에 의해 위임되어 있다. 이 특허에서는 상기 하부 범프 야금층은 기판과 패드에 인접한 크롬층, 솔더가 가능한 금속 역할을 하는 상부 구리층, 그리고 상기 크롬층과 구리층 사이에 단계적(Phased) 크롬/구리층을 포함하고 있다. 상기 솔더 범프와 콘택 패드 사이의 하부 범프 야금층을 솔더와 상기 하부 야금층의 솔더 성분의 금속간 영역으로 변환시킴으로써 상기 솔더 범프의 하부는 유지된다. 그런데, 상기 단계적 크롬/구리층과 하부 크롬층을 제거하기 위해서는 여러 번의 식각 싸이클이 필요할 수 있다. 여러 번의 식각 싸이클을 통해서도 상기 하부 범프 야금층을 완전히 제거하기가 어렵고, 솔더 범프간 전기적인 단락의 위험성을 발생하게 된다.
상기 언급한 특허에 불구하고, 솔더 범프의 전기적 도금 후에 상기 하부 범프 야금층은 쉽고도 완전하게 제거할 수 있으며 그로인해 솔더 범프간의 전기적인 단락의 가능성을 줄여주는 솔더 범프를 형성하는 방법과 그로인해 형성된 솔더 범프 구조에 대한 기술의 필요성이 여전히 존재한다. 또한 상기 하부 범프 야금층이 제거될 때 상기 솔더 범프는 심각하게 언더컷(Under Cut)될 필요가 없으며 그로인해 기계적 또는 전기적인 결점의 가능성을 줄여주는 솔더 범프를 형성하는 방법에 관한 기술의 필요성이 존재한다.
본 발명은 마이크로 전자 소자를 제조하는 방법 및 구조에 관한 것으로, 특히 마이크로 전자 소자에 대한 전기적 및 기계적 연결들을 구성하는 방법과 구성된 연결들에 관한 것이다
도 1 내지 도 6은 본 발명에 따른 솔더 범프를 형성하는 첫 번째 방법의 여러 단계 중에서 콘택 패드를 갖는 마이크로 전자 소자의 단면도를 나타내고 있다.
도 7 내지 도 12는 본 발명에 따른 솔더 범프를 형성하는 두 번째 방법의 여러 단계 중에서 콘택 패드를 갖는 마이크로 전자 소자의 단면도를 나타내고 있다.
본 발명의 목적은 마이크로 전자 소자 콘택 패드에 대한 솔더 범프 공정을 위한 개선된 방법과 이로 인해 형성된 개선된 솔더 범프를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 솔더 범프의 전기 도금 후에 상기 하부 범프 야금층의 노출 부위를 제거하는데 필요한 시간을 줄이기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 솔더 범프들간의 전기적 단락을 줄이기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 전기 도금 이후에 상기 하부 범프 야금층이 제거될 때 솔더 범프의 언더컷을 줄이기 위한 것이다.
본 발명에 따른 이들 및 다른 목적들은 하부 범프 야금층을 형성하기 전에 마이크로 전자 소자의 상부에 연속적인 티타늄 장벽층을 증착시키는 것이다. 따라서 상기 하부 범프 야금층은 상기 티타늄층으로부터 선택적으로 제거될 수 있으며, 그리고 다음에 상기 티타늄층은 상기 마이크로 전자 소자로부터 제거될 수 있다.상기 티타늄층은 상기 하부 범프 야금층이 솔더 범프간 전기적 단락을 초래할 수 있는 마이크로 전자 소자 상의 잔여물이 형성되는 것을 방지하게 된다. 더욱이, 상기 티타늄 장벽층은 상기 하부 범프 야금층을 제거하는데 사용되는 식각액으로부터 뒤에 숨은 마이크로 전자 소자를 보호하게 된다.
본 발명의 일예로써, 솔더 범프를 형성하는 방법은, 콘택 패드를 포함하는 마이크로 전자 소자 상부에 티타늄 장벽층을 증착하는 단계, 상기 티타늄 장벽층 상부에 하부 범프 야금층을 형성하는 단계, 그리고 다음에 상기 하부 범프 야금층 상부에 솔더 범프를 형성하는 단계를 포함한다. 상기 솔더 범프는 각각 선택적으로 제거되는 상기 하부 범프 야금층의 노출된 부위와 상기 티타늄 장벽층을 명백히 보여준다. 따라서, 상기 솔더 범프의 심각한 언더컷 없이 또는 솔더 범프간의 단락을 초래할 수 있는 잔여물을 남김이 없이 솔더 범프를 전기적으로 도금한 후에 상기 하부 범프 야금층의 노출 부위는 빠르고도 완전하게 제거될 수 있다.
상기 하부 범프 야금층의 노출 부위는 상기 솔더 범프와 티타늄 장벽층을 우선 고려하여 상기 하부 범프 야금층을 식각하는 식각액을 사용하여 선택적으로 제거될 수 있다. 다음에 상기 티타늄 장벽층은 상기 솔더 범프와 상기 솔더 범프 하부에 남아 있는 하부 범프 야금층의 일부분을 고려하여 상기 티타늄 장벽층을 먼저 식각하는 식각액을 사용하여 선택적으로 제거될 수 있다.
상기 하부 범프 야금층은 상기 티타늄 장벽층의 상부에 형성되는 크롬층, 상기 크롬층 상부에 형성되는 크롬과 구리의 단계층, 그리고 상기 단계적 층 상부에 형성되는 구리층을 포함하는 것이 바람직하다. 이 실시예에서는, 수산화 암모늄과과산화수소의 혼합물이 상기 하부 범프 야금층의 구리 부분을 선택적으로 식각하는데 사용될 수 있다; 염화수소산이 상기 하부 범프 야금층의 크롬층을 식각하는데 사용될 수 있다; 그리고 불화암모늄에 의해 완충된 불화수소산이 상기 티타늄층을 선택적으로 식각하는데 사용될 수 있다.
또한 솔더댐(Solder dam)이 상기 솔더 범프에 의해 덮히지 않은 영역에서 상기 하부 범프 야금층의 상부에 형성될 수 있고, 이러한 솔더댐은 상기 하부 범프 야금층의 노출 부위를 제거하기 전에 미리 제거하는 것이 바람직하다. 상기 솔더댐은 크롬이나 티타늄과 같이 솔더 비습식층을 포함하는 것이 바람직하다. 또한 상기 솔더댐은 상기 솔더 비습식층의 상부에 구리 등과 같은 솔더 습식 재료층을 포함할 수도 있다.
상기 솔더 범프를 형성한 후에, 상기 솔더 범프는 리플로우(Reflow)될 수 있다. 상기 솔더 범프를 리플로우하는 단계는 금속간 영역이 되는 상기 솔더 범프와 솔더 범프에 인접한 상기 하부 범프 야금층의 비노출 부위 간에 반응을 일으킬 수 있으며, 여기에서 상기 하부 범프 야금층의 구리 부분을 제거하는데 사용된 식각액이 상기 금속간 영역을 우선 고려하여 구리를 식각하게 된다.
본 발명의 바람직한 실시예를 보여주는 첨부한 도면을 참고로 하여, 지금부터 본 발명을 충분히 설명하겠다. 그러나 본 발명은 많은 다른 형태의 실시예를 포함할 수 있으며, 여기에 언급한 실시예에 국한된 것으로 간주해서는 안된다; 오히려, 이러한 실시예들은 본 기술 내용을 철저하고 완전하게 하기 위한 것이고, 본 발명이 속하는 기술 분야의 숙련가에게 본 발명의 범위를 충분히 전달하기 위한 것이다. 본 발명을 분명하게 하기 위해 층들의 두께는 과장되어진 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 마이크로 전자 소자(20)는 기판(22), 다수의 콘택 패드(24), 그리고 패시베이션층(Passivation layer)(26)을 포함할 수 있다. 상기 기판(22)은 실리콘, 갈륨비소, 실리콘 탄화물, 다이아몬드 등과 같은 반도체 재료층, 인쇄회로 기판이나 다층 기판, 또는 이 기술이 속하는 분야의 숙련자에 알려진 다른 기판 재료로 이루어질 수 있다. 상기 콘택 패드(24)는 알루미늄, 구리, 티타늄, 상기 언급한 금속들의 조합인 AlCu, AlTi3등과 같은 금속간, 또는 이 기술이 속하는 분야의 숙련자에게 알려진 다른 재료들로 이루어진다. 상기 패시베이션층(26)은 폴리미드층인 것이 바람직하지만, 대안으로서 이산화규소층, 질화규소층, 또는 이 기술이 속하는 분야의 숙련자에게 알려진 다른 패시베이션 재료층일 수 있다. 도시된 바와 같이, 상기 패시베이션층은 상기 기판 맞은 편의 각각의 콘택 패드의 상부 에지 부위를 덮고 있는 것이 바람직하며, 노출된 각각의 상기 콘택 패드(24)의 중앙 표면 부위는 남겨져 있다.
상기 마이크로 전자 소자(20)가 회로 기판이나 다른 차레벨 패키징 기판과 같은 다른 마이크로 전자 소자와 전기적 및 기계적으로 연결될 수 있도록 상기 소자의 상부에 형성되는 솔더 범프를 제공하는 것이 바람직하다. 이 기술이 속하는 분야의 숙련자들에 의해 이해될 수 있는 것처럼, 상기 콘택 패드는 먼저 임의의 원 산화물(native oxide)을 제거하기 위해 미리 처리된다. 연속적인 티타늄 장벽층(28)(약 500Å의 두께)은 상기 패시베이션층(26)과 콘택 패드(24)의 노출된 표면 부위를 따라서 형성된다. 상기 티타늄 장벽층(28)은 상기 패시베이션층을 심각하게 식각하지 않고 상기 패시베이션층(26)으로부터 쉽게 식각될 수 있다. 만일 티타늄 콘택 패드가 사용된다면, 상기 티타늄 장벽층이 티타늄 콘택 패드 외부에서 산화될 것이기 때문에 기처리된 단계는 제거될 수 있다.
다음에 연속적인 하부 범프 야금층이 상기 티타늄 장벽층(28)의 상부에 형성된다. 상기 하부 범프 야금층은 솔더 범프와 콘택 패드간에 적당한 접착성을 제공하고, 상기 티타늄 장벽층을 심각하게 식각하지 않고 상기 티타늄 장벽층(28)으로부터 선택적으로 식각될 수 있는 재료로부터 형성되게 된다. 따라서, 상기 하부 범프 야금층은 크롬층(30)(약 1000Å 두께), 상기 크롬층 상부에 형성된 크롬과 구리의 단계층(32)(약 1000Å 두께), 그리고 상기 단계층의 상부에 형성된 구리층(34)(약 1㎛ 두께)으로 이루어진다. 예를 들어, 크롬층, 크롬과 구리의 단계층, 그리고 구리층을 포함하는 하부 범프 야금층이 미합중국 특허 제5,162,257호에 기재되어 있는 바, 발명의 명칭은 "솔더 범프 공정 방법"(Yung)으로서, 그 기술 내용은 참고적으로 그 전체가 지금까지의 내용에서편입된다.
상기 하부 범프 야금층을 형성한 후에, 솔더댐이 제공된다. 바람직한 실시예에서는, 상기 솔더댐은 크롬이나 티타늄층의 솔더 비습식층(36)(약 1500Å 두께)인 것이 바람직하다. 또한 상기 솔더댐은 상기 솔더 비습식층(36)의 상부에 구리 등과 같은 솔더 습식층(38)(약 125Å 두께)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 크롬층 상부에 형성된 구리층을 갖는 솔더댐은 솔더가 그 상부에 도금될 수 있게 해주며, 나중의 리플로우 단계는 크롬을 노출하고 있는 구리를 용해시킬 수 있다. 이 실시예에서, 솔더는 솔더댐의 솔더 습식층(38)의 상부에서 균일하게 전기도금될 수 있다. 다음에 상기 솔더에 의해 덮이지 않은 솔더 습식층의 부위는 제거되고, 이로 인해 솔더 범프가 상기 리플로우 단계 중에 팽창하는 것을 방지할 수 있다. 상기 솔더가 그 액화 온도(95% 납과 5% 주석을 갖는 솔더에 대해 대략 312℃) 이상으로 가열될 때, 상기 솔더는 리플로우되며, 상기 습식층(38)의 나머지 부분을 용해시키고, 그리고 솔더 비습식층(36)과 접촉하게 된다. 따라서, 상기 리플로우된 솔더 범프는 표면 장력 때문에 실질적으로 구 모양을 형성하게 된다. 도 2는 티타늄 장벽층(28); 크롬층(30), 크롬과 구리의 단계층(32), 그리고 구리층(34)을 갖는 하부 범프 야금층; 그리고 솔더 비습식층(36)과 솔더 습식층(38)을 갖는 솔더댐을 갖는 마이크로 전자 소자(20)를 도시하고 있다. 티타늄, 크롬, 단계적 크롬과 구리, 그리고 구리의 층들은 각각 증발, 스퍼터링, 또는 이 기술이 속하는 분야의 숙련자에게 알려진 다른 증착 기술에 의해 형성될 수 있다. 상기 크롬과 구리의 단계층은 크롬과 구리의 공동 증착에 의해 형성될 수 있다.
상기 솔더댐은 도 3에 도시된 바와 같이, 솔더 범프를 필요로 하는 콘택 패드(24) 위의 영역에서 선택적으로 제거된다. 솔더댐의 부위들은 표준 노광/식각 기술 또는 리프트-오프(Lift-off) 기술에 의해 선택적으로 제거될 수 있다. 표준 노광/식각 기술이 이용된다면, 티타늄은 솔더 비습식층(36)에 대해 이용되는 것이 바람직한데, 티타늄이 구리층을 심각하게 식각하지 않고 뒤에 숨은 구리층으로부터 선택적으로 식각될 수 있기 때문이다. 상기 솔더댐(층 36과 38)에 의해 덮이지 않고 남겨진 구리층(34) 영역은 아래에 논의되는 것처럼, 리플로우 단계 이후에 상기 마이크로 전자 소자의 상부에 형성된 솔더 범프의 표면 영역을 분명히 나타내게 된다.
또한 감광 마스크와 같이 패턴이 형성된 마스크층(40)은 솔더댐의 상부에 형성되어, 솔더가 전기도금될 상기 솔더댐과 하부 범프 야금층 위의 덮이지 않은 영역을 나타내게 된다. 상기 마스크층(40)에 의해 덮이지 않고 남겨진 표면 영역은, 도 3과 도 4에 도시된 바와 같이, 보다 넓은 영역에 솔더의 전기 도금을 허용하기 위해 상기 솔더댐(층 36과 38)에 의해 덮이지 않고 남겨진 각각의 표면 영역보다는 클 수 있다. 상기 솔더 범프(42)는 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 마스크층(40)에 의해 덮이지 않고 남겨진 영역의 상부에 전기 도금된다.
상기 솔더는 이 기술이 속하는 분야의 숙련자에게 알려진 전기 도금 기술을 이용하는 솔더댐과 하부 범프 야금층의 노출 부위 상에 도금된다. 예를 들어, 마스크층(40)을 갖는 마이크로 전자 소자(20)의 표면은 납과 주석이 함유된 도금 용액에 노출되고, 전기적인 바이어스가 크롬층(30), 크롬과 구리의 단계층(32), 그리고구리층(34)을 포함하는 연속적인 하부 범프 야금층에 인가되게 된다. 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 전기적 바이어스는 납-주석 솔더가 솔더 범프(42)를 형성하는 구리층들(34와 38)의 노출 부위 상에 도금되게 된다.
도금되는 솔더의 크기는 상기 마스크층(40)에 의해 덮이지 않고 남겨진 영역, 인가된 전기적 바이어스, 도금 용액의 농도, 그리고 도금 단계의 경과시간을 조절함으로써 제어될 수 있다. 솔더가 크롬 등과 같은 솔더 비습식 재료 상에서는 균일하게 도금되지 않기 때문에, 상기 솔더 비습식층(36)의 상부에 형성된 구리층과 같은 솔더 습식층(36)을 갖는 솔더댐을 이용하여 상기 솔더가 상기 마스크층에 의해 덮이지 않은 영역에서 상기 솔더댐 위에 균일하게 도금될 수 있게 한다. 따라서, 솔더가 도금되지 않은 상부의 영역, 그리고 도금된 전체 크기는 독립적으로 솔더댐에 의해 덮이지 않은 영역을 결정할 수 있고, 이것은 리플로우 이후에 마이크로 전자 소자의 상부에 형성된 솔더 범프의 표면 크기를 결정하게 된다.
도 5에 도시된 바와 같이, 도금 단계를 완료한 후에는, 솔더 범프에 의해 덮이지 않은 상기 마스크층(40)과 솔더 습식층(38)의 일부는 제거되며, 그리고 상기 솔더 범프(42)가 리플로우될 수 있도록 액화 온도(95% 납과 5% 주석을 갖는 솔더에 대해 대략 312℃) 이상으로 가열되게 된다. 만일 상기 솔더 습식층이 구리층이라면, 수산화암모늄과 과산화수소의 혼합물이 상기 솔더 습식층을 제거하기 위해 사용될 수 있다. 솔더 범프가 솔더댐의 솔더 습식층(38) 위에서 전기 도금되는 곳에서, 상기 솔더 습식층(38)은 상기 솔더댐의 솔더 비습식층(36)이 상기 솔더 범프에 노출되어 솔더 범프 속으로 용해되게 된다. 따라서, 표면 장력은 상기 리플로우된솔더 범프(42)가 상기 솔더댐에 의해 덮이지 않은 상기 하부 범프 야금층의 일부 위에서 실질적으로 구형의 모양을 형성하게 해준다. 상기 솔더 범프가 냉각될 때, 솔더는 실질적으로 구형의 모양을 유지하면서 응고하게 된다.
더욱이, 상기 리플로우된 솔더는 솔더 범프와 인접한 하부 범프 야금층의 일부와 함께 금속간 영역(34)을 형성하게 된다. 바람직한 실시예에서는, 상기 하부 범프 야금층은 크롬층(30), 크롬과 구리의 단계층(32), 그리고 구리층(34)을 포함하고 있다; 그리고 상기 솔더는 상기 구리층(34)의 일부와 작용하여 금속간 영역(34')을 형성하게 된다. 이러한 금속간 영역은 구리, 크롬, 그리고 티타늄을 제거하는데 공통적으로 사용될 수 있는 식각액과 심각하게 반응하지 않는 Cu3Sn을 포함할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 상기 리플로우된 솔더 범프(42)는 상기 하부 범프 야금층의 노출 및 비노출된 부위를 명백하게 한다. 따라서, 상기 솔더 범프(42)는 상기 솔더 범프를 보충하는데 이용될 수 있는 하부 범프 야금층의 일부를 마스크하는데 이용될 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 솔더 범프에 의해 노출되어 남겨진 상기 하부 범프 야금층의 일부는 제거되어 각각의 솔더 범프(42)가 다른 솔더 범프의 각각으로부터 전기적으로 분리될 수 있다.
먼저, 상기 비습식층(36)을 제거할 필요가 있다. 상기 비습식층이 크롬이면, 염화수소산이 비습식층을 제거하는데 이용될 수 있다. 대안으로서, 티타늄이 상기 비습식층에 대해 사용된다면, 불화암모늄에 의해 완충된 불화수소산이 사용될 수있다.
티타늄 장벽층이 밑에 숨은 패시베이션층(26)과 콘택 패드(24)를 보호하는 반면에 상기 솔더 범프(42)에 의해 노출되어 남겨진 상기 하부 범프 야금층의 일부분은 효율적으로 상기 티타늄 장벽층(28)으로부터 제거될 수 있다. 다음에 상기 티타늄 장벽층의 노출 부위는 밑에 숨은 패시베이션층에 심각한 영향을 주지 않는 식각액을 사용하여 제거될 수 있다.
예를 들어, 수산화암모늄과 과산화수소의 혼합물과 같은 화학적 식각액은 상기 솔더 범프(42)에 의해 노출되어 남겨진 구리층(34)을 식각하는데 이용될 수 있다. 이러한 혼합물은 상기 솔더 범프, 티타늄 장벽층(28), 그리고 금속간 영역(34')을 고려하여 구리층을 먼저 식각하게 된다. 따라서, 이러한 식각은 상기 솔더 범프의 솔더 크기를 심각하게 줄이지 않고, 또는 상기 솔더 범프를 심각하게 언더컷하지는 않는다. 또한 이러한 혼합물은 크롬과 구리의 단계층(32)으로부터 구리의 일부를 제거할 것이다.
염화수소산과 같은 화학적 식각액은 상기 솔더 범프에 의해 노출되어 남겨진 단계층(32)과 크롬층(30)의 나머지 부분을 식각하는데 사용될 수 있다. 이러한 산은 솔더 범프, 티타늄 장벽층, 그리고 금속간 영역(34')을 고려하여 단계층과 크롬층을 먼저 식각하게 된다. 이러한 산은 심각한 잔여물을 남기지 않고 상기 티타늄 장벽층으로부터 하부 범프 야금층의 나머지 노출된 부분을 제거할 것이다.
불화암모늄으로 완충된 불화수소산 등과 같은 티타늄 식각액은 상기 솔더 범프(42)에 의해 노출되어 남겨진 티타늄 장벽층(28)의 일부를 식각하는데 사용될 수있다. 이러한 산은 상기 솔더 범프(42), 금속간 영역(34'), 단계층(32), 그리고 크롬층(30)을 고려하여 상기 티타늄을 먼저 식각하게 된다. 만일 폴리미드층이 패시베이션층으로 사용된다면, 이러한 산은 상기 패시베이션층을 심각하게 식각시키지는 않을 것이다. 만일 이산화규소나 질화실리콘이 패시베이션층으로 사용된다면, 이러한 산은 상기 패시베이션층을 어느 정도 식각할지도 모른다. 이러한 재료들의 식각은 상기 티타늄 장벽층을 제거하는데 필요한 시간대 식각 기간을 한정함으로써 최소화할 수 있다. 따라서,폴리이미드(polyimide)는 패시베이션층으로 바람직한 물질이다. 도 6에 최종적인 솔더 범프의 구조가 도시되어 있다.
상기 티타늄 장벽층이 없으면, 상기 하부 범프 야금층은 리플로우 단계 이후에 완전하게 제거되기가 어렵고, 원하지 않는 도전성 잔여물이 마이크로 전자 소자 상에 남을 수 있다. 출원인은 상기 하부 범프 야금층이 두 층간의 인터페이스에서 도전성 반응물을 형성하는 패시베이션층과 반응한다는 이론을 제기하고 있다. 솔더 범프의 언더컷 없이 또는 그로인해 원하지 않는 도전성 잔여물을 발생하는 솔더 범프 크기의 축소 없이 이러한 도전성 반응물은 식각하기가 어려울 것이다. 이러한 잔여물은 솔더 범프간의 전기적인 단락을 발생시킬 지도 모른다.
티타늄 장벽층의 사용은 솔더 범프간의 전기적 단락을 형성할 수 있는 잔여물의 발생을 줄이는 반면에, 상기 하부 범프 야금층이 효율적으로 상기 리플로우 단계 이후에 제거될 수 있게 해준다. 상기 티타늄 장벽층은 상기 하부 범프 야금층이 패시베이션층과 반응하는 것을 방지하여 이로 인해 잔여물을 줄이게 된다. 다음에 상기 티타늄 장벽층은 심각한 어떠한 잔여물을 남기지 않고 상기 패시베이션층으로부터 식각될 수 있다.
전형적으로 원하지 않는 잔여물의 제거는 부가층이 상기 구조에 더해진다는 사실에도 불구하고 솔더 범프간 도전층을 제거하는데 필요한 시간을 축소하는 결과를 초래한다. 티타늄 장벽층이 전체 식각 시간을 줄여서, 이로 인해 솔더 범프가 식각액에 노출되는 시간을 감소시키기 때문에 언더컷에 대한 잠재적 가능성이 줄어든다. 또한 티타늄 장벽층의 추가는 생산량을 증가시키고, 소자 결점의 가능성을 줄일 수 있다. 또한 상기 언급된 방법에 의해 형성된 솔더 범프는 낮은 전기 저항을 가진다. 예를 들어, 마이크로 전자 소자 상에서 반경 50㎛의 원형 표면을 갖는 솔더 범프는 전기 저항이 거의 3 밀리옴(milliohms)인 것이 증명되었다.
도 1 내지 도 6을 고려하여 상기 언급된 방법의 다른 양상이 도 7 내지 도 12에 도시되었다. 도 1을 고려하여 상기 언급된 것처럼, 도 7은 기판(22), 콘택 패드(24), 그리고 패시베이션층(26)을 갖는 마이크로 전자 소자(20)를 도시하고 있다. 도 2를 고려하여 상기 언급된 것처럼, 도 8은 티타늄 장벽층(28)의 추가층, 그리고 크롬층(30), 크롬과 구리의 단계층(32) 및 구리층(34)을 포함하는 하부 범프 야금층을 도시하고 있다. 그런데, 도 8에서, 솔더댐(50)은 단지 하나의 솔더 비습식층을 가지고 있고, 이것은 티타늄 층(약 1000Å 두께)인 것이 바람직하다.
티타늄 솔더댐 층의 사용은 도 9에 도시된 바와 같이 솔더 범프 형성 중에 하나의 마스크를 사용하는 방법인 것을 의미한다. 여기에서, 감광 마스크 또는 이 기술이 속하는 분야의 숙련자에게 알려진 다른 마스크 등과 같은 마스크층(52)은 솔더댐(50)의 패턴이 형성되기에 앞서서 패턴이 형성된다. 다음에 상기마스크층(52)은 상기 솔더댐(50)의 패턴을 형성하는데 사용될 수 있다. 따라서, 마스크층과 솔더댐의 패턴을 모두 형성하는데 오직 하나의 노광 단계가 필요하다. 티타늄층이 솔더댐으로 사용되는 것이 바람직한데, 구리와 솔더를 고려하여 티타늄을 먼저 식각하는 불화암모늄으로 완충된 불화수소산 등과 같은 식각액을 사용하여 구리층(34)을 선택적으로 제거할 수 있기 때문이다. 상기 솔더댐(50)은 솔더가 솔더댐의 상부에 도금되지 않기 때문에 솔더 습식층이 필요하지 않다. 여기에서, 상기 솔더댐(50)은 단지 솔더 범프(54)가 리플로우 단계 중에 확산되는 것을 방지하게 된다.
도 10에 도시된 바와 같이, 마스크층(52)과 솔더댐(50)은 솔더가 도금될 하부 범프 야금층 상의 영역을 명백하게 나타낸다. 도금 단계는 솔더가 솔더댐의 일부분 위에서 도금되지 않는 것을 제외하면, 도 4를 고려하여 상기 언급된 것과 동일하다. 솔더 범프를 도금한 후에, 상기 마스크층(40)은 선택적으로 제거되며, 그리고 솔더 범프는 솔더를 리플로우하기 위해 액화 온도(95% 납과 5% 주석을 갖는 솔더에 대해 대략 312℃) 이상으로 가열되게 된다. 상기 솔더댐(50)은 리폴로우된 솔더가 원하는 영역들 밑으로 흐르는 것을 방지하게 된다. 도 11에 도시된 바와 같이, 표면 장력이 상기 리플로우된 솔더 범프(54)가 실질적으로 구형의 모양을 형성하게 해준다. 상기 솔더 범프가 냉각될 때, 솔더 범프가 응고되어 이러한 모양을 유지하게 된다. 또한 도 5를 고려하여 상기 언급된 것처럼, 상기 리플로우 단계는 구리층(34) 내에 금속간 영역(34')을 형성하기 위해 사용된다.
도 5 내지 도 6을 고려하여 상기 언급된 것처럼, 솔더 범프는 하부 범프 야금층과 티타늄 장벽층의 노출 및 비노출 부위를 명백히 보여주며, 도 12에 도시된 것처럼, 상기 노출 부위는 각각의 솔더 범프를 전기적으로 분리시키기 위해 제거된다. 먼저 상기 솔더댐(50)은 불화암모늄으로 완충된 불화수소산과 같은 식각액을 사용하여 제거된다. 다음에 도 5 내지 도 6을 고려하여 상기 언급한 것처럼, 하부 범프 야금층과 티타늄 장벽층이 제거된다.
도면과 명세서에서 본 발명의 전형적인 바람직한 실시예가 개시되었고, 그리고 비록 특정 용어가 사용되었지만이것들은 일반적이고 설명적인 의미에서만 사용되었고, 제한을 목적으로 하는 것은 아니며, 본 발명의 범위는 다음의 청구범위에 개시한다.

Claims (21)

  1. 기판(22)과 상기 기판(22)의 상부에 형성되는 다수의 콘택 패드(24)를 갖고, 상기 콘택 패드(24)의 각각은 노출된 표면 부위를 구비하는 마이크로 전자 소자(20)에 있어서;
    상기 콘택 패드(24) 상에 연속적인 티타늄 장벽층(28)을 형성하고, 여기에서 상기 장벽층(28)은 상기 콘택 패드의 노출된 표면 부위를 덮으며, 상기 기판에 걸쳐 확장되는 단계;
    상기 기판 맞은 편의 상기 장벽층(28) 상에 하부 범프 야금층(30, 32, 34)을 형성하는 단계;
    상기 콘택 패드(24) 중 하나와 상기 장벽층의 노출된 표면 맞은 편의 상기 하부 범프 야금층(30, 32, 34) 상에 솔더 범프(42)를 형성하고, 이로 인해 상기 하부 범프 야금층의 노출 및 비노출 표면부위를 명백히 보여주는 단계;
    상기 하부 범프 야금층(30, 32, 34)의 노출된 부위를 선택적으로 제거하고, 이로 인해 상기 장벽층(28)의 노출된 부위를 명백히 보여주는 단계; 그리고
    상기 장벽층(28)의 노출 부위를 선택적으로 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 솔더 범프를 형성하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 콘택 패드(24)는 티타늄 콘택 패드로 이루어진 것을 특징으로 하는 솔더 범프를 형성하는 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 하부 범프 야금층(30, 32, 34)의 노출된 부위를 선택적으로 제거하는 단계는 상기 하부 범프 야금층(30, 32, 34)에 화학적 식각액을 적용하는 단계이고, 여기에서 상기 화학적 식각액은 상기 장벽층(28)과 상기 솔더 범프(42)를 우선 고려하여 상기 하부 범프 야금층을 식각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 솔더 범프를 형성하는 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 티타늄 장벽층(28)의 노출된 부위를 선택적으로 제거하는 단계는 상기 장벽층에 티타늄 식각액을 적용하는 단계이고, 여기에서 상기 티타늄 식각액은 상기 솔더 범프(42)와 상기 하부 범프 야금층을 우선 고려하여 상기 장벽층을 식각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 솔더 범프 형성 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 하부 범프 야금층(30, 32, 34)을 형성하는 단계는,
    상기 장벽층(28) 상에 크롬층(30)을 형성하는 단계;
    상기 장벽층(28) 맞은 편의 상기 크롬층 상에 크롬과 구리의 단계층(32)을 형성하는 단계; 그리고
    상기 크롬층(30) 맞은 편의 상기 단계층(32) 상에 구리층(32)을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 솔더 범프를 형성하는 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 하부 범프 야금층(30, 32, 34)의 노출된 부위를 선택적으로 제거하는 단계는,
    상기 구리층(34)의 노출 부위에 구리 식각액을 적용하고, 여기에서 상기 구리 식각액은 상기 솔더 범프(42), 상기 크롬층(30) 및 상기 티타늄 장벽층(28)을 우선 고려하여 상기 구리층(34)과 상기 단계층(32)의 구리 부위를 선택적으로 식각하는 단계; 그리고
    상기 단계층(32)의 크롬 부위와 상기 크롬층(30)에 크롬 식각액을 적용하고, 여기에서 상기 크롬 식각액은 상기 솔더 범프(42), 상기 구리층(34) 및 상기 티타늄 장벽층(28)을 우선 고려하여 상기 단계층(32)의 크롬 부위와 상기 크롬층(30)을 선택적으로 식각하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 솔더 범프를 형성하는 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 솔더 범프(42)를 형성하는 단계는 상기 하부 범프 야금층의 노출 부위 상에 솔더 비습식층(36)을 포함하는 솔더댐층을 형성하는 단계보다 뒤에 수행되고, 상기 하부 범프 야금층의 노출 부위를 선택적으로 제거하는 단계는 상기 솔더댐층을 제거하는 단계보다뒤에수행되는 것을 특징으로 하는 솔더 범프를 형성하는 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 솔더댐층을 형성하는 단계는 티타늄 장벽층과 크롬층으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 솔더 비습식층(36)을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 솔더 범프를 형성하는 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 솔더댐층을 형성하는 단계는,
    상기 하부 범프 야금층 맞은 편의 상기 솔더 비습식층(36) 상에 솔더 습식층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 솔더 범프를 형성하는 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 솔더 범프를 형성하는 단계는,
    상기 솔더댐층 상에 패턴이 형성된 마스크층(40)을 형성하는 단계;
    상기 하부 범프 야금층(30, 32, 34)의 비노출 부위 상에 솔더를 전기 도금하는 단계; 그리고
    상기 패턴이 형성된 마스크층(40)을 선택적으로 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 솔더 범프를 형성하는 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 솔더 범프를 형성하는 단계는 상기 솔더 범프(42)를 리플로우하는 단계 보다 먼저 수행되는 것을 특징으로 하는 솔더 범프를 형성하는 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 솔더 범프(42)를 리플로우하는 단계는 상기 솔더 범프(42)와 상기 하부 범프 야금층의 비노출 부위간의 반응을 일으켜서 금속간 영역(34')을 형성하는 것을 특징으로 하는 솔더 범프를 형성하는 방법.
  13. 기판(22)과 상기 기판(22)의 상부에 형성되는 다수의 콘택 패드(24)를 갖고, 상기 콘택 패드(24)의 각각은 노출된 표면 부위를 구비하는 마이크로 전자 소자(20)에 있어서;
    상기 기판을 따라서 확장되어 있고, 상기 각각의 콘택 패드(24)의 각각 노출된 표면 부위와 접촉되는 연속적인 티타늄 장벽층(28);
    상기 기판 맞은 편의 상기 장벽층(28) 상에 형성된 연속적인 하부 범프 야금층(30, 32, 34); 그리고
    상기 하나의 콘택 패드(24) 맞은 편의 상기 하부 범프 야금층(30, 32, 34) 상에 형성되는 솔더 범프(42)를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 전자 소자에 관한 솔더 범프 구조.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 연속적인 하부 범프 야금층은,
    상기 장벽층(28) 상에 형성되는 크롬층(30);
    상기 장벽층(28) 맞은 편의 상기 크롬층(30) 상에 형성되는 크롬과 구리의 단계층(32); 그리고
    상기 크롬층(30) 맞은 편의 상기 단계층(32) 상부에 형성되는 구리층(34)을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 전자 소자에 관한 솔더 범프 구조.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 다수의 콘택 패드(24)는 다수의 티타늄 콘택 패드를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 전자 소자에 관한 솔더 범프 구조.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 솔더 범프(42)는 상기 하부 범프 야금층(30, 32, 34)의 노출 부위를 명백히 보여주고, 상기 장벽층(28) 맞은 편의 상기 하부 범프 야금층(30, 32, 34)의 노출 부위 상에 솔더댐층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 전자 소자에 관한 솔더 범프 구조.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 솔더댐층은 솔더 비습식층(36)을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 전자 소자에 관한 솔더 범프 구조.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 솔더 비습식층(36)은 티타늄층과 크롬층으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 마이크로 전자 소자에 관한 솔더 범프 구조.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 솔더댐은 상기 하부 범프 야금층 맞은 편의 솔더 비습식층(36) 상에 솔더 습식층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 전자 소자에 관한 솔더 범프 구조.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 하부 범프 야금층을 형성하는 단계는,
    상기 티타늄 장벽층(28) 상에 크롬층(30)을 형성하는 단계; 그리고
    상기 장벽층(28) 맞은 편의 상기 크롬층(30) 상에 구리층(34)을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 솔더 범프를 형성하는 방법.
  21. 제13항에 있어서,
    상기 연속적인 하부 범프 야금층은,
    상기 티타늄 장벽층(28) 상에 형성되는 크롬층(30); 그리고
    상기 장벽층(28) 맞은 편의 상기 크롬층(30) 상에 형성되는 구리층(34)을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 전자 소자에 관한 솔더 범프 구조.
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