KR101067106B1 - Wafer level package and method for manufacturing thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 칩 패드를 재배열하여 형성한 금속 패드와 볼 범프 사이의 접합 신뢰성을 향상 시킬 수 있는 웨이퍼 레벨 패키지(wafer level package; WLP) 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a wafer level package (WLP) capable of improving the bonding reliability between a metal pad formed by rearranging chip pads and a ball bump, and a method of manufacturing the same.
본 발명의 웨이퍼 레벨 패키지는, 복수개의 집적 회로와 그 상면에 복수개의 칩 패드를 구비한 반도체 기판과, 상기 칩 패드를 노출시키는 제1 패시베이션층과, 상기 제1 패시베이션층을 관통하여 상기 칩 패드에 접속되는 비아와, 상기 비아를 포함하는 제1 패시베이션층 상에 상기 비아에 접속되게 형성된 금속 배선층과, 상기 제1 패시베이션층의 일측에 상기 금속 배선층과 전기적으로 연결된 언더범프메탈과, 상기 금속 배선층 상에 상기 언더범프메탈을 노출시키도록 제공되는 제2 패시베이션층과, 상기 언더범프메탈 상에 형성된 돌출되게 형성된 버퍼 패턴, 및 상기 버퍼 패턴이 돌출된 언더범프메탈 상에 상기 언더범프메탈과 전기적으로 연결되게 제공된 볼 범프를 포함할 수 있다.A wafer level package of the present invention includes a semiconductor substrate having a plurality of integrated circuits and a plurality of chip pads on an upper surface thereof, a first passivation layer exposing the chip pads, and a plurality of chip pads passing through the first passivation layer. A via connected to the via, a metal wiring layer formed on the first passivation layer including the via to be connected to the via, an under bump metal electrically connected to the metal wiring layer on one side of the first passivation layer, and the metal wiring layer A second passivation layer provided to expose the under bump metal on the substrate, a protruding buffer pattern formed on the under bump metal, and the under bump metal on which the buffer pattern protrudes from the under bump metal It may include a ball bump provided to be connected.
웨이퍼 레벨 패키지, 언더범프메탈, 버퍼 패턴, 볼 범프 Wafer Level Package, Under Bump Metal, Buffer Pattern, Ball Bump
Description
본 발명은 웨이퍼 레벨 패키지 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 칩 패드를 재배열하여 형성한 금속 패드와 볼 범프 사이의 접합 신뢰성을 향상시킬 수 있는 웨이퍼 레벨 패키지(wafer level package; WLP) 및 그 제조 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a wafer level package and a method of manufacturing the same, and more particularly, a wafer level package (WLP) capable of improving the bonding reliability between metal pads formed by rearranging chip pads and ball bumps. And a method for producing the same.
전자 제품이 점차 소형화, 경량화, 고속화, 그리고 고용량화 됨에 따라, 반도체 패키지에서도 전자 제품의 개발 방향에 대응할 수 있는 새로운 구조를 갖는 반도체 패키지의 개발이 요청되고 있다. 현재까지 소개된 반도체 패키지 중에서 경박 단소화 및 고속화에 가장 적합한 반도체 패키지가 웨이퍼 레벨 패키지(WLP)로 알려져 있다.As electronic products are gradually reduced in size, weight, speed, and high capacity, there is a demand for development of semiconductor packages having a new structure that can cope with the development direction of electronic products in semiconductor packages. Among the semiconductor packages introduced to date, a semiconductor package that is most suitable for light weight reduction and high speed is known as a wafer level package (WLP).
웨이퍼 레벨 패키지(wafer level package)는 반도체 칩을 웨이퍼로부터 분리하지 않은 상태에서 진행되는 패키지를 말한다.A wafer level package refers to a package that proceeds without separating a semiconductor chip from a wafer.
도 1은 일반적인 웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지를 나타난 단면도이다. 1 is a cross-sectional view illustrating a typical wafer level chip scale package.
도 1을 참조하면, 웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지는 칩 패드(110: chip pad) 및 칩 패드(110)들을 보호하기 위한 패시베이션층(120: passivation layer)을 포함하는 실리콘 기판(100: silicon substrate)이 제공된다.Referring to FIG. 1, a wafer level chip scale package includes a
그리고, 실리콘 기판(100)의 상부면은 칩 패드(110)가 노출되도록 절연층(130: dielectric layer; 이하 제1 절연층이라 한다)이 소정의 두께로 형성되며, 절연층(130) 상부에는 칩 패드(110)와 연결되며 칩 패드(110)의 재배열을 위한 금속 배선층(140)과 볼 패드부(150)가 형성된다. In addition, an insulating layer 130 (hereinafter referred to as a first insulating layer) is formed on the upper surface of the
또한, 금속 배선층(140)과 볼 패드부(150) 상에는 제1 절연층(130)과 금속 배선층(140)을 덮고 있으며, 볼 패드부(150)의 일부를 노출되게 하는 제2 절연층(160)이 형성된다.In addition, the second
아울러, 제2 절연층(160)에 의해 노출된 볼 패드부(150)에는 원형 솔더볼(170)이 형성되어 있다. In addition, a
그런데 웨이퍼 레벨에서 제조된 일반적인 웨이퍼 레벨 패키지는 솔더 볼을 실장 할 때 볼 패드부와 솔더 볼 사이의 계면에서 크랙이 발생하여 저항이 증가하게 되고, 저항이 심할 경우 오픈 현상이 발생하여 소자의 신뢰성이 떨어지는 문제가 있었다. However, in general wafer-level packages manufactured at the wafer level, when solder balls are mounted, cracks occur at the interface between the ball pad portion and the solder balls to increase resistance, and when the resistance is severe, open phenomenon occurs to increase the reliability of the device. There was a problem falling.
이러한 솔더 볼의 접합 불량을 개선하기 위한 기술이, SONY CORP에 의해 출 원되어 등록된 일본등록특허 제3975569호에 "두개의 볼 범프"라는 제목으로 개시된 바 있다.A technique for improving the soldering defect of such solder balls has been disclosed under the title "two ball bumps" in Japanese Patent No. 3975569 filed and registered by SONY CORP.
상술한 "두개의 볼 범프"는 반도체 디바이스의 전극패드 상에 형성된 고융점 납땜으로 이루어지는 제1의 납땜 볼 범프와, 전극 패드에 대해 적어도 수직 방향으로 제1의 납땜 볼 범프에 겹치는 제2의 납땜 볼 범프로 구성되어, 반도체 디바이스와 프린트 배선 기판 사이의 열 스트레스가 완화함과 동시에 접합 부분의 강도가 높이는 것이다. The above-mentioned "two ball bumps" refer to a first solder ball bump made of high melting point solder formed on an electrode pad of a semiconductor device, and a second solder overlapping the first solder ball bump at least in a direction perpendicular to the electrode pad. It is comprised by the ball bump, and the thermal stress between a semiconductor device and a printed wiring board is alleviated, and the strength of a junction part is raised.
그런데, 이 기술은 솔더 볼을 다층으로 형성함에 따라 칩 사이즈가 증가 및 공정 단계의 증가를 야기하는 단점을 가지고 있다. However, this technique has a disadvantage of causing an increase in chip size and an increase in processing steps as solder balls are formed in multiple layers.
또한, 솔더 볼의 면적을 증가시키면 기판과 절연층 및 볼 패드에 형성되는 기생 정전용량(parasitic capacitance)이 증가하여 신호 전달 속도가 저하된다.In addition, as the area of the solder ball is increased, parasitic capacitances formed in the substrate, the insulating layer, and the ball pad are increased, thereby lowering the signal transmission speed.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 볼 패드로 이용되는 언더범프메탈 상에 스트레스 완화용 버퍼 패턴을 형성하여 볼 범프와 언더범프메탈 사이의 접합 신뢰성을 향상시키며, 언더범프메탈 및 금속 배선층을 통해 전기적으로 칩 패드와 볼 범프 사이에 발생하는 기생 커패시턴스를 최소화하여 향상된 전기적 특성을 향상시키는 웨이퍼 레벨 패키지 및 그 제조 방법을 제공 함에 있다. The present invention is to solve the above problems, an object of the present invention is to form a stress relief buffer pattern on the under bump metal used as a ball pad to improve the bonding reliability between the ball bump and the under bump metal, under bump The present invention provides a wafer-level package and a method of manufacturing the same, which minimize the parasitic capacitance generated between the chip pad and the ball bump through the metal and metal wiring layers to improve the electrical characteristics.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 웨이퍼 레벨 패키지는, 복수개의 집적 회로와 그 상면에 복수개의 칩 패드를 구비한 반도체 기판과, 상기 칩 패드를 노출시키는 제1 패시베이션층과, 상기 제1 패시베이션층을 관통하여 상기 칩 패드에 접속되는 비아와, 상기 비아를 포함하는 제1 패시베이션층 상에 상기 비아에 접속되게 형성된 금속 배선층과, 상기 제1 패시베이션층의 일측에 상기 금속 배선층과 전기적으로 연결된 언더범프메탈과, 상기 금속 배선층 상에 상기 언더범프메탈을 노출시키도록 제공되는 제2 패시베이션층과, 상기 언더범프메탈 상에 형성된 돌출되게 형성된 버퍼 패턴, 및 상기 버퍼 패턴이 돌출된 언더범프메탈 상에 상기 언더범프메탈과 전기적으로 연결되게 제공된 볼 범프를 포함할 수 있다.A wafer level package of the present invention for achieving the above object is a semiconductor substrate having a plurality of integrated circuits and a plurality of chip pads on its upper surface, a first passivation layer exposing the chip pads, and the first passivation layer A via connected to the chip pad through the via, a metal wiring layer formed to be connected to the via on the first passivation layer including the via, and an under bump electrically connected to the metal wiring layer on one side of the first passivation layer. The second passivation layer provided to expose the under bump metal on the metal wiring layer, the protruding buffer pattern formed on the under bump metal, and the under bump metal on which the buffer pattern protrudes. It may include a ball bump provided in electrical connection with the under bump metal.
본 발명의 일 양상에 따르면, 버퍼 패턴은 상기 언더범프메탈 상부의 둘레에 형성된 환형 형상으로 이루어질 수 있다. According to an aspect of the present invention, the buffer pattern may be formed in an annular shape formed around the upper portion of the under bump metal.
또한, 버퍼 패턴은 상기 언더범프메탈 상부의 중심부에 형성된 원형 형상을 더 포함하거나, 언더범프메탈 상부의 중심부로부터 외경 방향으로 형성된 방사 형상을 더 포함하거나, 환형 형상 내측에 형성된 보조 환형 형상을 더 포함할 수 있다. The buffer pattern may further include a circular shape formed at the center of the upper part of the under bump metal, a radial shape formed in the outer diameter direction from the center of the upper part of the under bump metal, or further include an auxiliary annular shape formed inside the annular shape. can do.
아울러, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 웨이퍼 레벨 패키지 제조방법 은, 복수개의 반도체 칩 및 칩 패드가 형성된 반도체 기판을 준비하는 단계와, 상기 칩 패드를 포함하는 반도체 기판 상에 제1 패시베이션층을 형성하는 단계와, 상기 제1 패시베이션층을 패터닝하여 상기 칩 패드를 노출시키는 비아를 형성하는 단계와, 상기 비아를 포함하는 제1 패시베이션층 상에 금속 배선층 및 언더범프메탈을 형성하는 단계와, 상기 언더범프메탈 영역을 오픈하는 제2 패시베이션층과 상기 언더범프메탈 상에 제공되는 버퍼 패턴을 형성하는 단계; 및 상기 버퍼 패턴을 포함하는 언더범프메탈 상에 볼 범프를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.In addition, the wafer level package manufacturing method of the present invention for achieving the above object comprises the steps of preparing a semiconductor substrate having a plurality of semiconductor chips and chip pads, and a first passivation layer on a semiconductor substrate comprising the chip pad Forming a via, patterning the first passivation layer to form a via exposing the chip pad, forming a metal wiring layer and an under bump metal on the first passivation layer including the via; Forming a second passivation layer that opens an under bump metal region and a buffer pattern provided on the under bump metal; And forming a ball bump on the under bump metal including the buffer pattern.
이때, 제2 패시베이션층 및 버퍼 패턴 형성 단계는 상기 언더범프메탈 영역 오픈시 버퍼 패턴을 동시에 형성할 수 있다. In this case, the second passivation layer and the buffer pattern forming step may simultaneously form a buffer pattern when the under bump metal region is opened.
또한, 상기 볼 범프는 도금(plating), 스텐실 프린팅(stencil printing), 볼 배치(ball placement 또는 메탈 젯 (metal jet) 방식 중 어느 하나의 방식으로 형성할 수 있다.In addition, the ball bumps may be formed by any one of plating, stencil printing, ball placement, or metal jet.
본 발명에 따르면, 볼 범프와 볼 패드로 이용되는 언더범프메탈 사이의 접촉 저항 감소를 통해 접합 신뢰성을 향상시킬 수 있으며, 볼 범프와 칩 패드 사이의 기생 정전용량 증가를 방지하여 전기적 신뢰성을 향상시킬 수 있다. According to the present invention, it is possible to improve the bonding reliability by reducing the contact resistance between the ball bump and the under bump metal used as the ball pad, and to improve the electrical reliability by preventing the increase of parasitic capacitance between the ball bump and the chip pad. Can be.
본 발명에 따른 웨이퍼 레벨 패키지의 구성 및 웨이퍼 레벨 패키지의 제조방 법에 관한 사항은 본 발명의 바람직한 실시예가 도시된 도면을 참조한 아래의 상세한 설명에 의해서 명확하게 이해될 것이다.Details of the configuration of the wafer level package and the method of manufacturing the wafer level package according to the present invention will be clearly understood by the following detailed description with reference to the drawings in which preferred embodiments of the present invention are shown.
실시예Example
도 2 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 웨이퍼 레벨 패키지 제조 방법을 순차적으로 보여주는 공정도이다.2 to 7 are process diagrams sequentially showing a method of manufacturing a wafer level package according to an embodiment of the present invention.
우선, 도 2에 도시한 바와 같이,본 발명에 따른 웨이퍼 레벨 패키지의 제조방법은 칩 패드(12)를 가지는 반도체 기판(10)이 제공된다. First, as shown in FIG. 2, in the method of manufacturing a wafer level package according to the present invention, a
이때, 반도체 기판(10)에는 일반적인 기판 제조공정을 통해 형성된 소정의 집적회로들(도시되지 않음)이 포함된다. In this case, the
그리고, 칩 패드(12)는 반도체 기판(10)에 형성된 집적회로와 전기적으로 연결되는 것으로서, 예를 들어, 알루미늄층으로 형성될 수 있다. In addition, the
도 3을 참조하면, 칩 패드(12)를 갖는 반도체 기판(10)에 제1 패시베이션층(14)을 형성한다. Referring to FIG. 3, the
제1 패시베이션 층(14)은 반도체 기판(10) 내부의 집적회로들과 칩 패드(12)를 외부 환경으로부터 보호하기 위한 것으로서, 예를 들어 실리콘 산화막(SiO2) 또는 실리콘 질화막(SiN)일 수 있다. The
도 4를 참조하면, 제1 패시베이션층(14)에 소정의 패터닝 공정을 진행하여 칩 패드(12)를 노출시키는 비아(16)를 형성한다. 이때, 패터닝 공정은 사진 공정 및 식각 공정을 통해 수행될 수 있다.Referring to FIG. 4, a predetermined patterning process is performed on the
도 5를 참조하면, (a)는 단면도, (b)는 요부 평면도로서, 칩 패드(12)의 재배열을 위한 금속 배선층(18)을 형성하되, 노출된 비아(16) 영역에서 언더범프메탈(Under bump metal)(20) 영역까지 금속 배선층(18)을 형성한다.Referring to FIG. 5, (a) is a cross-sectional view and (b) is a plan view of a main portion, forming a
이때, 금속 배선층(18)은 칩 패드(12) 영역 및 언더범프메탈(Under bump metal)(20) 영역을 동시에 형성하거나, 각각의 사진 식각 공정을 통해 별도로 형성할 수 있다. In this case, the
그리고, 금속 배선층(18)은 스퍼터링(sputtering), 화학 기상 증착법(CD) 또는 도금 등의 공정을 통해 증착할 수 있으며, 구리(Cu)나 알루미늄(Al)의 단일층일 수도 있고, 또는 수개의 금속들이 적층된 다층 구조일 수 있다.In addition, the
한편, 도면에는 도시되지 않았으나 금속 배선층(18)을 형성하기 전에 금속 배선층(18)의 접착층, 확산 장벽층, 도금 기저층 역할을 하는 금속 기저층(미도시함)을 더 형성할 수 있다.Although not shown in the drawing, before forming the
이때의 금속 기저층(미도시함)은 티타늄/구리(Ti/Cu), 티타늄텅스텐/구리(TiW/Cu), 알루미늄/니켈/구리(Al/Ni/Cu), 알루미늄/니켈바나듐/구리(Al/NiV/Cu) 중 선택된 어느 하나를 이용할 수 있다. At this time, the metal base layer (not shown) includes titanium / copper (Ti / Cu), titanium tungsten / copper (TiW / Cu), aluminum / nickel / copper (Al / Ni / Cu), aluminum / nickel vanadium / copper (Al / NiV / Cu) may be used.
도 6을 참조하면, (a)는 단면도이고, (b)는 요부 평면도로서, 금속 배선층(18)을 보호하고 언더범프메탈(Under bump metal)(20)을 오픈하기 위한 제2 패시베이션층(22) 및 언더범프메탈(Under bump metal)(20) 상에 제공되는 버퍼 패턴(24)을 형성한다. Referring to FIG. 6, (a) is a cross-sectional view, (b) is a plan view of a main portion, and a
이때, 버퍼 패턴(24) 형성은 언더범프메탈(20) 오픈 공정과는 별도로 진행하거나, 언더범프메탈(20) 오픈 공정시 동시에 형성할 수 있다. In this case, the
도 7을 참조하면, (a)는 단면도이고, (b)는 요부 평면도로서, 버퍼 패턴(24)이 형성된 언더범프메탈(Under bump metal)(20)에 볼 범프(26)를 형성한다. Referring to FIG. 7, (a) is a cross-sectional view, (b) is a plan view of a main portion, and the
이때, 볼 범프(26)는 언더범프메탈(20) 상에 볼 범프(26)를 제공하고 리플로우시킴으로써 볼 범프(26)를 언더범프메탈(20) 상에 접합시키는 볼 배치(ball placement) 방식으로 형성하거나, 도금(plating), 스텐실 프린팅(stencil printing) 또는 메탈젯(metaljet) 방법 등으로 형성할 수 있다. At this time, the
이에 따라, 볼 범프(26)는 언더범프메탈(20)의 금속물질과 금속 배선층(18)을 통해 칩 패드(12)와 전기적으로 연결된다. Accordingly, the
이와 같이 본 발명은 특징적인 양상에 따라 언더범프메탈(Under bump metal)(20) 상에 볼 범프(26)를 형성하기 이전에, 이 영역에 스트레스 완화용 버퍼 패턴(24)을 형성함으로써, 볼 범프(26)와 언더범프메탈(Under bump metal)(20) 사이의 계면 크랙을 감소시켜 저항을 줄인다.As described above, the present invention forms a stress
이로써, 볼 범프(26)과 언더범프메탈(20)의 저항에 의한 오픈 현상을 방지하 여 접합 신뢰성을 향상시킬 뿐만 아니라, 종래에는 접촉 면적을 증가시키기 위하여 솔더 볼의 사이즈를 증가하였으나, 사이즈의 증가가 없으므로 기생 정전용량 증가에 따른 신호 전달 속도 저하의 문제점을 개선할 수 있다. As a result, not only the joint reliability is improved by preventing the open phenomenon caused by the resistance of the
도 8 내지 도 11은 도 6 및 도 7에 도시된 버퍼 패턴의 다양한 형상을 도시한 평면도들이다.8 to 11 are plan views illustrating various shapes of the buffer patterns illustrated in FIGS. 6 and 7.
버퍼 패턴(24)은 도 8에 도시된 바와 같이 언더범프메탈(Under bump metal) 영역(A)의 둘레에 형성된 싱글 환형 형상으로 이루어지거나, 도 9에 도시된 바와 같이 언더범프메탈(Under bump metal) 영역(A)의 둘레에 환형 형상을 이루고 중심부에 원형 형태로 형성될 수 있다. The
또는 버퍼 패턴(24)은, 도 10에 도시된 바와 같이 언더범프메탈(Under bump metal) 영역(A)의 둘레에 환형 형상을 이루고 중심으로부터 외경 방향으로 방사형으로 형성되거나, 도 11에 도시된 바와 같이 둘레 및 그 내측에 각각 환형 형상을 가지는 더블 환형 구조로 형성될 수 있으며, 본 발명의 버퍼 패턴의 형상은 여기에 한정되지 않고 다양한 실시예를 통해 변형될 수 있다. Alternatively, the
이상에서 설명한 본 발명의 바람직한 실시예들은 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이나, 이러한 치환, 변경 등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.Preferred embodiments of the present invention described above are disclosed for the purpose of illustration, and various substitutions, modifications, and changes within the scope without departing from the spirit of the present invention for those skilled in the art to which the present invention pertains. It will be possible, but such substitutions, changes and the like should be regarded as belonging to the following claims.
도 1은 일반적인 웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지를 나타난 단면도.1 is a cross-sectional view of a typical wafer level chip scale package.
도 2 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 웨이퍼 레벨 패키지 제조 방법을 순차적으로 보여주는 공정도.2 to 7 are process diagrams showing in sequence the wafer level package manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
도 8 내지 도 11은 도 6 및 도 7에 도시된 버퍼 패턴의 다양한 형상을 도시한 평면도들.8 to 11 are plan views illustrating various shapes of the buffer pattern illustrated in FIGS. 6 and 7.
<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>Description of the Related Art [0002]
10 : 반도체 기판 12 : 칩 패드10
14 : 제1 패시베이션층 16 : 비아14: first passivation layer 16: via
18 : 금속 배선층 20 : 언더범프메탈18: metal wiring layer 20: under bump metal
22 : 제2 패시베이션층 24 : 버퍼 패턴22: second passivation layer 24: buffer pattern
26 : 볼 범프26: ball bump
Claims (8)
Priority Applications (1)
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