KR100877018B1 - 반도체 장치 및 그 장착 구조물 - Google Patents
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Abstract
반도체 장치는 집적 회로를 갖는 반도체 기판, 반도체 기판상에 형성된 제 1 절연막, 제 1 절연막 상에 형성된 적어도 하나의 전원 내부 배선, 및 제 1 절연막과 내부 배선 상에 형성되며, 내부 배선의 부분을 노출하는 복수의 개구부를 포함하는 제 2 절연막을 포함한다. 적어도 하나의 배선은 내부 배선과 상응하도록 제 2 절연막의 상부에 형성되며, 제 2 절연막의 복수의 개구부를 통하여 내부 배선과 전기적으로 접속한다. 배선은 제 2 절연막의 개구부 갯수보다 적은 갯수를 갖는 적어도 하나의 외부 전극 패드를 포함한다.
반도체 장치, 반도체 장착 구조물, 전극 패드, 접속 패드, 전원 내부 배선, 절연막.
Description
본 발명은 반도체 장치와 그 장착 구조물에 관한 것이다.
최근, 개인용 컴퓨터와 휴대용 장치 등과 같은 기기에서, 기기 크기를 줄이기 위하여, 반도체 장치가 기판 상에 플립-칩-장착된(flip-chip-mounted) 경우가 있다. 이 경우, 내부에 집적회로를 포함하는 베어(bare) 반도체 기판에, 집적 회로와 접속하는 외부 전극 패드가 직접적으로 제공되고, 솔더볼이 외부 전극 패드 상에 형성되며, 솔더볼이 외부 회로 보드의 접속 단자에 결합되어, 장착 영역을 감소시키는 방법이 사용된다(예로, 일본 특허 출원 공개 제 2001-196374호 참조).
상술한 반도체 장치에서는, 실리콘 산화물이 실리콘 기판 상에 형성되고, 복수의 스루홀(through-hole)이 실리콘 산화막에 형성되며, 금속층이 스루홀에 제공된다. 이후, 실리콘 박층이 실리콘 산화막 상에 형성되며, P-형 및/또는 N-형 MOS 트랜지스터를 포함하는 집적회로가 실리콘층에 형성되며, 집적회로의 상부면은 층간 절연막으로 덮인다. 순차적으로, 실리콘 산화막의 하단면을 노출시키도록 완전히 제거되기 위하여, 실리콘 기판은 그 두께 방향에서 하단 측으로부터 연마된다. 이후, 솔더볼이 외부 전극 패드부 상에 제공되기 이전에, 외부 전극 패드부는 실리 콘 산화막에 제공된 스루홀에 상응하는 위치에 형성된다. 이러한 방식으로, 외부 전극 패드부와 솔더볼은 스루홀을 통해 집적회로에 접속된 금속막에서 서로 대응하도록 제공된다.
최근, 수 기가 헤르쯔의 고속 클럭에서 구동되는 제어에 사용되는 반도체 장치가 등장했다. 외부의 전원으로부터 이러한 반도체 장치로 수십 A의 전류를 공급할 필요가 있다. 이 경우, 발열로 인한 솔더볼의 파손을 방지하기 위하여, 외부 전극 패드부에 제공되는 솔더볼의 직경이 약 100㎛일 경우, 하나의 솔더볼에 약 30㎃의 전류밖에 흐르게 할 수 없다. 그에 따라서, 수십 A의 큰 전류 전원이 요구될 때, 수천 솔더볼을 통해 수천 외부 전극 패드부로 흐르는 전류는 내부에서 합류하게 된다.
예를 들면, 다수의 외부 기판 패드부 상에 제공된 솔더볼을 통하여 외부 회로판의 접속 단자 부분에 페이스-다운 장착(face-down mounting)을 하기 위하여, 반도체 장치의 크기가 현저하게 증가되며, 이는 큰 장착 영역을 필요로 한다. 또한, 대량의 솔더볼로 인하여, 단락(short-circuit)이 결합 단계에서 발생하며, 솔더볼의 크기가 불규칙하여 접속의 신뢰성을 얻을 수 없다.
따라서, 본 발명은 크기 감소 및 접속 신뢰성을 향상시키기 위하여, 외부 전극 패드부의 수를 줄일 수 있는 반도체 장치 및 그 장착 구조물를 제공하기 위하여 안출되었다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 반도체 장치는: 복수의 내부 접속 패드를 구비한 집적 회로를 갖는 반도체 기판; 상기 내부 접속 패드에 각각 대응되는 복수의 제 1 개구부를 구비하고 상기 반도체 기판 상에 형성된 제 1 절연막; 상기 제 1 절연막 상에 형성되고 상기 제 1 개구부에 의해 상기 내부 접속 패드에 접속된 적어도 하나의 전원 내부 배선; 상기 제 1 절연막과 상기 전원 내부 배선 상에 형성되며, 상기 전원 내부 배선 일부를 노출하는 복수의 제 2 개구부를 갖는 제 2 절연막; 및 상기 전원 내부 배선의 두께 보다 두꺼운 두께를 가지며, 상기 전원 내부 배선에 상응하도록 상기 제 2 절연막의 상부 측에 형성되며, 상기 제 2 절연막의 복수의 제 2 개구부를 통해 상기 전원 내부 배선과 전기적으로 접속되는 적어도 하나의 배선을 포함하며, 적어도 하나의 상기 배선은 상기 제 2 절연막의 제 2 개구부 갯수 보다 작은 갯수를 갖는 적어도 하나의 외부 전극 패드부를 가지며, 상기 제 2 절연막의 제 2 개구부의 갯수가 상기 제 1 절연막의 제 1 개구부의 갯수 보다 더 크다.
본 발명에 따라서, 외부 접속을 위한 배선은 제 2 절연막에 형성된 복수의 개구부를 통해 전원 내부 배선과 접속한다. 그에 따라서, 배선의 갯수는 종래 기술과 비교하여 현저하게 감소할 수 있으며, 반도체 장치의 크기를 줄이며, 접속시 신뢰성을 향상시킨다.
본 발명의 부가적인 목적과 이점은 이하 상세한 설명으로 더욱 명확해지며, 본 발명의 실시에 의해 이해될 수 있을 것이다. 또한 본 발명의 목적과 이점은 이하 지시되는 방법들과 조합에 의해 구현되며 획득될 수 있을 것이다.
상세설명의 일부가 병합되어 구성된 첨부된 도면은 본 발명의 실시예 및 상술된 본 발명의 일반적 개요 및 이하 설명될 상세한 설명을 도시하며, 본 발명의 요지를 설명하기 위하여 제공된다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예로서의 반도체 장치의 단면도이고;
도 2는 본 발명의 제 2 실시예로서의 반도체 장치의 단면도이며;
도 3은 본 발명의 반도체 장치에 연결된 회로기판의 일실시예를 도시하는 평면도이다.
(제 1
실시예
)
도 1은 본 발명의 제 1 실시예로서의 반도체 장치의 단면도이다. 이러한 반도체 장치는 실리콘 기판(반도체 기판)을 포함한다. 소정 기능을 갖는 집적 회로(미도시)가 실리콘 기판(1)의 상면 중심에 제공되며, 집적 회로와 전기적으로 접속되는 방식으로, 알루미늄계 금속과 같은 금속으로 만들어진 복수의 내부 접속 패드(2)가 상면의 주변부에 제공된다.
실리콘 산화물 등으로 만들어진 제 1 절연막(3)이 내부 접속 패드(2)와 실리콘 기판(1)의 상부면 상에 제공된다. 제 1 절연막(3)에서, 내부 접속 패드(2)의 상면의 중심과 상응하는 부분들에 복수의 개구부(4)가 예를 들면, 매트리스형 배열로 형성된다. 제 1 절연막(3)의 개구부(4)를 통해 내부 접속 패드(2)와 전기적으로 접속하는 방식으로, 구리 또는 합금으로 만들어진 약 1㎛ 두께의 전원 내부 배선(5)은 제 1 절연막(3)의 상면 상에 제공된다.
여기서, 도 1에 도시된 전원 내부 배선(5)은 접지 또는 VDD용(일반적으로 "전원"으로 불리는) 내부 배선이며, 수 개 내지 수십 개의 배선이 도 1의 표면에 서로 평행하게 그리고 수직으로 떨어지게 제공된다. 도 1에서, 제어 신호 및 데이터용 전원 내부 배선은 생략된다.
실리콘 산화물, 질화규소 등으로 만들어진 제 2 절연막(6)은 제 1 절연막(3)과 전원 내부 배선(5)의 상면 상에 제공된다. 개구부(7)는 제 2 절연막(6)에서 전원 내부 배선(5) 각각의 복수의(예를 들면 6) 접속 패드부에 상응하는 부분에 형성된다.
전원 내부 배선(5)의 접속 패드부에 전기적으로 접속되는 방식으로, 구리 합금 등으로 만들어진 접속 패드(8)는 제 2 절연막(6)의 개구부(7)와 개구부(7)의 근처 또는 주변에 있는 제 2 절연막(6)의 상면 상에 제공된다. 실리콘 산화물, 질화 규소 등으로 만들어진 제 3 절연막(9)은 제 2 절연막(6)과 접속 패드(8)의 상면 상에 제공된다. 개구부(10)는 제 3 절연막(9)에서 접속 패드(8)의 상면의 중심에 상응하는 부분에 형성된다.
폴리이미드계 수지 등으로 만들어진 보호막(절연막)(11)은 제 3 절연막(9)의 상부면상에 제공된다. 개구부(12)는 보호막(11)에서 제 3 절연막(9)의 개구부(10)에 상응하는 부분에 형성된다. 구리 등으로 만들어진 기초 금속 또는 하부층(13)은 보호막(11)의 상면 상에 제공된다. 구리로 만들어진 상부층인, 배선(14)은 기초 금속층(13)의 전체 상면 상에 제공된다. 이 경우, 배선(14)의 두께는 전원 내부 배선(제 1 배선)(5)의 두께보다 크며, 2 내지 10 ㎛인 것이 바람직하다. 각 기초 금속층(13)과 각 배선(14)은 보호막(11)의 복수의(예를 들면 3) 개구부(12, 10)를 통해 복수의(예를 들면 3 개) 내부 접속 패드(2)에 접속된다. 여기서, 도 1에서, 기초 금속층(13) 부분은 제 3 절연막(9)에 형성된 개구부(10) 내와 보호막(11)에 형성된 개구부(12) 내에만 제공되지만, 이는 도면의 편의를 위한 것일 뿐, 실제로는, 배선(14) 부분 역시 그 안에 제공된다. 또한, 각 기초 금속층(13)과 각 배선(14)은 세개의 개별적인 개구부(10, 12)에 걸쳐 제공되고 있지만, 이 역시 도면상 편의를 위한 것일 뿐, 수 개 내지 수십 개의 개별적인 개구부(10, 12)에 걸쳐서 형성된다. 각 배선(14)의 폭은 이후 설명될 솔더볼에 공급되는 외부 전원으로부터의 전류에 따라서 결정된다.
솔더 레지스트 등으로 만들어진 보호 코팅막(15)은 배선(14)과 보호막(11)의 상면 상에 제공된다. 각 배선(14)에는, 종방향 및 폭 방향에서 실제적으로 중심 부분이 외부 전극 패드부로서 제공되며, 개구부(16)는 보호 코팅막(15)에서 외부 전극 패드부에 상응하는 부분에 형성된다. 솔더볼(17)은 배선(14)의 외부 전극 패드부에 전기적으로 접속하는 방식으로, 개구부(16) 내부와 위에 제공된다. 상술한 바와 같이, 이러한 반도체 장치에는, 수 개 내지 수십 개의 전원 내부 배선(5)이 제공되며, 배선 각각은 복수의 내부 접속 패드(2)와 전기적으로 접속한다. 전원 내부 배선(5) 각각에는 다수의 접속 패드(8)가 제공된다. 하나의 배선(14)은 수 개 내지 수십 개의 접속 패드(8)에 접속된다. 각 솔더볼(17)은 각 배선(14)에 제공된 하나의 외부 전극 패드부에 형성된다.
따라서, 이러한 반도체 장치에서는, 접지 또는 전원용 솔더볼(17)의 수는 전원용 접속 패드(8) 수의 몇 퍼센트 내지 수십 퍼센트에 상응하며, 솔더볼(17)의 전체 수는 접속 패드(8)의 전체수보다 작을 수 있으며, 이는 반도체 장치의 크기를 감소시키고, 접속시 신뢰성을 향상할 수 있게 한다.
여기서, 복수의 배선(또는 제 2 배선)(14)은 전원 내부 배선(또는 제 1 배선)(5)의 종방향으로 연장되도록 배열되며, 이들 배선 및 전원 내부 배선(5, 14)이 동일한 폭을 가질 경우, 레이아웃 상 공간의 낭비가 없어, 반도체 장치의 크기를 감소하도록 한다. 이때, 전극 패드부를 통해 전원 내부 배선(5)과 배선(14)에 공급된 전원 전류의 합은 같으며, 다음의 식 Ni/(To/Ti) ≤ No ≤ Ni ((To/Ti) - 1)을 만족하는 것이 추천된다. 여기서, Ni는 하나의 제 2 배선에 상응하는 개구부(10, 12)의 갯수이며, No는 하나의 제 2 배선에 제공된 외부 전극 패드부의 수(또는 개구부(16)의 수)이고, Ti는 전원 내부 배선(제 1 배선)(5)의 두께이며, 그리고 To는 기초 금속층(13)을 포함하는 배선(또는 제 2 배선)(14)의 두께이다.
(제 2
실시예
)
도 2는 본 발명의 제 2 실시예로서의 반도체 장치의 단면도를 도시한다. 도 1의 반도체 장치와의 차이는 구리로 만들어진 주상(columnar) 전극(18)이 배선(14)의 외부 전극 패드부의 상면 상에 제공되며, 에폭시계 수지 등으로 만들어진 실링막(19)이 배선(14)을 포함하는 보호막(11)의 상면 상에 제공되어, 실링막(19)의 상면이 주상 전극(18)의 상부면과 하나의 표면을 형성하며, 또한 솔더볼(17)은 주상 전극(18)의 상면 상에 제공되는 것이다.
이러한 반도체 장치에서, 제 1 및 제 2 절연막(층간 절연막)(3, 6)으로서 소위 low-k가 사용될 경우, 제 1 및 제 2 절연막(3, 6)의 특정한 유도 용량과 탄성률은 트레이드-오프(trade-off) 관계로 나타난다. 만약 특정 유도 용량이 감소하면, 5.098 x 104kgf/cm2 (5Gpa) 이하의 영 탄성률을 갖는 매우 취약한 재료가 사용된다. 이 경우, 일반적으로, 주상 전극(18)을 포함하는 반도체 장치가 회로기판(미도시)에 장착될 때, 실리콘 기판(1)과 회로기판 사이의 서로 다른 열팽창계수로 인한 응력에 의하여, 제 1 및 제 2 절연막(3, 6)에 크랙(crack)이 발생하기 쉽다.
그러나, 제 2 실시예에서, 솔더볼(17)의 크기를 증가하도록 솔더볼(17)의 전체 갯수를 접속 패드(8)의 전체 갯수보다 작게 할 수 있기 때문에, 실리콘 기판(1)과 회로기판 사이의 서로 다른 열팽창계수에 의한 응력을 감소시킬 수 있다. 따라서, 소위 low-k가 5.098 x 104kg/cm2 이하의 탄성률을 갖고, 그에 따라서 매우 취약한 재료가 제 1 및 제 2 절연막(3, 6)으로 사용되는 경우에도, 제 1 및 제 2 절연막(3, 6)에서 크랙이 쉽게 발생되는 것을 방지할 수 있다.
상술한 실시예에서, 하나의 외부 전극 패드부는 수개 내지 수십 개의 접속 패드(8)에 제공된 배선(14) 각각에서 제공된다. 그러나, 배선(14) 각각에 제공된 외부 전극 패드부의 수는 반드시 하나일 필요는 없으며, 접속 패드의 수보다 작은 범위에서 복수의 외부 전극 패드부가 제공될 수 있다. 하나의 솔더볼(17)은 배선(14) 아래에 형성된다.
도 3은 이후 설명될 반도체 장치가 페이스 다운 장착되는 외부 회로기판(20)의 평면도이다. 전원 배선 패턴(22)은 회로기판(20)의 일면 상에 제공된다. 전원 배선 패턴(22)은 전원 내부 배선(5)에 상응하도록 평행하게 배열된 복수의 공급선(feeder line)을 상호 접속하는 패턴이며, 각 공급선(21)에는 반도체 장치의 배선(14)의 외부 전극 패드부와 상응하는 전원 또는 접속 단자부(23)가 제공된다. 솔더볼(17)은 외부 전극 패드부에 제공되며, 본딩(bonding)에 의해 반도체 장치를 페이스 다운 장착하도록, 솔더볼이 외부 전극 패드부를 회로기판(20)의 전원 또는 접속 단자부(23)에 결합하도록 한다. 도면에 도시되지는 않았지만, 회로기판(20)의 전원 배선 패턴(22)은 접속 단자부를 제외하고 레지스트로 덮이는 것이 바람직하다.
본 발명의 넓은 요지와 영역에서 벗어나지 않는 다양한 실시예와 변형이 만들어질 수 있다. 상술된 실시예는 본 발명을 제시하려는 의도일 뿐, 본 발명의 영역을 국한하는 것이 아니다. 본 발명의 영역이 실시예뿐 아니라 첨부된 도면에 의해 도시된다. 본 발명의 청구항과 동일한 의미 및 그 청구항 내에서 만들어지는 다양한 변형들은 본 발명의 영역에 속하는 것으로 간주한다.
Claims (23)
- 복수의 내부 접속 패드를 구비한 집적 회로를 갖는 반도체 기판;상기 내부 접속 패드에 각각 대응되는 복수의 제 1 개구부를 구비하고 상기 반도체 기판 상에 형성된 제 1 절연막;상기 제 1 절연막 상에 형성되고 상기 제 1 개구부에 의해 상기 내부 접속 패드에 접속된 적어도 하나의 전원 내부 배선;상기 제 1 절연막과 상기 전원 내부 배선 상에 형성되며, 상기 전원 내부 배선의 일부를 노출하는 복수의 제 2 개구부를 갖는 제 2 절연막; 및상기 전원 내부 배선의 두께 보다 두꺼운 두께를 가지며, 상기 전원 내부 배선에 상응하도록 상기 제 2 절연막의 상부 측에 형성되며, 상기 제 2 절연막의 복수의 제 2 개구부를 통해 상기 전원 내부 배선과 전기적으로 접속되는 적어도 하나의 배선을 포함하며,적어도 하나의 상기 배선은 상기 제 2 절연막의 제 2 개구부 갯수 보다 작은 갯수를 갖는 적어도 하나의 외부 전극 패드부를 가지며, 상기 제 2 절연막의 제 2 개구부의 갯수가 상기 제 1 절연막의 제 1 개구부의 갯수 보다 더 큰 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 배선의 외부 전극 패드부 상에 솔더볼이 제공되는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 배선의 외부 전극 패드부 상에 주상(columnar) 전극이 제공되는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
- 제 3 항에 있어서,상기 주상(columnar) 전극 상에 솔더볼이 제공되는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 전원 내부 배선의 상면을 덮는 상기 제 2 절연막의 제 2 개구부에 제공되는 접속 패드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
- 제 5 항에 있어서,상기 제 2 절연막은 내부 및 외부 접속 패드들 사이에 형성된 제 1 층과, 상기 제 1 층 상에 제공된 제 2 층을 구비하며, 제 1 및 제 2 층들은 상기 내부 및 외부 접속 패드에 상응하는 위치에 형성되는 제 1 개구부를 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
- 제 6 항에 있어서,상기 제 2 층은 복수의 층으로 구성되는 층 구조물를 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 배선과 상기 전원 내부 배선은 구리 또는 구리 합금으로 만들어지는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 1 및 제 2 절연막 중 적어도 하나의 영 탄성률이 5.098 x 104kgf/cm2 이하인 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 배선과 상기 전원 내부 배선은 동일한 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 배선은 상기 전원 내부 배선을 따라 배열되는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
- 제 1 항에 있어서,Ni는 상기 배선에 상응하는 제 2 개구부의 갯수이며, No는 상기 배선에 제공된 외부 전극 패드부의 갯수이고, Ti는 상기 전원 내부 배선의 두께이며, 그리고 To는 상기 배선의 두께일 때,Ni/(To/Ti) ≤ No ≤ Ni ((To/Ti) - 1)를 만족시키는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 1 절연막이 low-k으로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 2 절연막이 low-k를 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
- 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,상기 배선 상에 추가로 주상 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
- 복수의 내부 접속 패드를 구비하는 집적 회로를 갖는 반도체 기판; 복수의 상기 내부 접속 패드에 각각 대응되는 복수의 제 1 개구부를 가지며 상기 반도체 기판 상에 형성되는 제 1 절연막; 상기 제 1 절연막 상에 형성되고 제 1 개구부에 의해 상기 내부 접속 패드에 연결된 적어도 하나의 전원 내부 배선; 상기 제 1 절연막과 상기 전원 내부 배선 상에 형성되며, 상기 전원 내부 배선 일부를 노출하는 복수의 제 2 개구부를 갖는 제 2 절연막; 및 상기 전원 내부 배선의 두께 보다 더 두꺼운 두께를 가지며, 상기 전원 내부 배선에 상응하도록 상기 제 2 절연막의 상부 측에 형성되며, 상기 제 2 절연막의 복수의 개구부를 통해 상기 전원 내부 배선과 전기적으로 접속되는 배선을 구비하고, 그리고 상기 배선이 상기 제 2 절연막에 형성된 제 2 개구부의 갯수 보다 작은 갯수를 가진 적어도 하나의 외부 전극 패드를 가지며, 상기 제 2 절연막의 제 2 개구부의 갯수가 제 1 절연막의 제 1 개구부의 갯수 보다 더 큰 반도체 장치;상기 반도체 장치의 외부 전극 패드부에 상응하는 적어도 하나의 전원 단자부를 갖는 전원 패턴을 포함하는 기판; 및상기 외부 전극 패드부를 상기 전원 패턴의 전원 단자부에 결합하는 솔더볼을 포함하는 것을 특징으로 하는 장착 구조물.
- 제 16 항에 있어서,상기 배선은 상기 전원 내부 배선을 따라 배열되는 것을 특징으로 하는 장착 구조물.
- 제 17 항에 있어서,Ni는 상기 배선에 상응하는 제 2 개구부의 갯수이며, No는 상기 배선에 제공된 외부 전극 패드부의 갯수이고, Ti는 상기 전원 내부 배선의 두께이며, 그리고 To는 상기 배선의 두께일 때,Ni/(To/Ti) ≤ No ≤ Ni ((To/Ti) - 1)를 만족시키는 것을 특징으로 하는 장착 구조물.
- 제 16 항 내지 18 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 배선의 외부 전극 패드에 형성된 주상(columnar) 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 장착 구조물.
- 제 19 항에 있어서,상기 제 2 절연막 상에서는, 실링막이 상기 주상 전극 주위에 제공되는 것을 특징으로 하는 장착 구조물.
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