KR101208758B1 - 구리 필라 범프를 형성하는 메카니즘 - Google Patents

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웬시웅 루
치웨이 린
칭웬 첸
위웬 유
치아퉁 창
밍체 호
충시 리우
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Abstract

위에 설명된 금속 범프 구조체를 형성하는 메카니즘은 전도성 층에 연결된 금속 범프와, 기판 상의 전도성 층 사이의 계면 열화 문제를 해결한다. 전도성 층(105)은 금속 패드, 포스트 패시베이션 상호접속(post passivation interconnect; PPI) 층, 또는 상단 금속 층일 수 있다. 전도성 층(또는 전도성 베이스 층) 상의 전도성 보호 층의 인시츄 성막을 수행함으로써, 금속 범프의 UBM(under bump metallurgy) 층이 전도성 층에 보다 양호하게 접착하고 계면 열화의 발생을 감소시킨다. 일부 실시예에서, UBM 층 내의 구리 확산 장벽 서브 층이 제거될 수 있다. 일부 다른 실시예에서, 금속 범프가 비도금 프로세스에 의해 성막되고 금속 범프가 구리로 형성되지 않으면, UBM 층은 필요하지 않다.

Description

구리 필라 범프를 형성하는 메카니즘{MECHANISMS FOR FORMING COPPER PILLAR BUMPS}
본 발명은 2009년 11월 5일자로 출원된 발명의 명칭이 "Copper Pillar Bump with Barrier Layer for Reducing The Thickness of Intermetallic Compound"인 미국 특허 가출원 번호 제61/258,393호 및 2010년 2월 9일자로 출원된 발명의 명칭이 "Semiconductor Device And Semiconductor Assembly With Lead-Free Solder"인 미국 특허 출원 번호 제12/702,636호에 관한 것이다. 상기 특허 출원 둘다 본 명세서에서는 참조로서 포함한다.
본 발명은 집적 회로 디바이스의 제조에 관한 것으로, 보다 자세하게는, 집적 회로 디바이스에서의 범프 구조체의 제조에 관한 것이다.
최신의 집적 회로는 트랜지스터 및 커패시터와 같은 사실상 수백만개의 능동 디바이스로 형성된다. 이들 디바이스는 초기에 서로 분리되어 있지만, 이후에 공동으로 상호접속되어 기능 회로를 형성한다. 통상의 상호접속 구조체는 금속 라인(배선들)과 같은 측면 방향의 상호접속부 및 비아 및 컨택트와 같은 수직 방향의 상호접속부를 포함한다. 상호접속부는 최신의 집적 회로의 밀도 및 성능의 한계를 점점더 정하고 있다. 상호접속 구조체의 상단에는 본드 패드가 형성되어 있고 각각의 칩의 표면 상에서 노출된다. 전기 접속부는 패키지 기판 또는 다른 다이에 칩을 연결하도록 본드 패드를 통하여 이루어진다. 본드 패드는 와이어 본딩 또는 플립 칩 본딩에 이용될 수 있다.
플립 칩 패키징은 범프를 이용하여 칩의 I/O 패드와 패키지의 기판 또는 리드 프레임 사이의 전기적 접촉을 확립한다. 구조상, 범프는 실제적으로 범프 자체 및 범프와 I/O 패드 사이에 위치된 소위 UBM(under bump metallurgy) 층을 포함한다. 최근에, 구리 필라 범프 기술이 출현하였다. 솔더 범프를 이용하는 것 대신에, 전자 컴포넌트는 범프 브리징의 최소의 가능성을 갖는 더욱 정교한 피치를 실현하는 구리 필라 범프에 의해 기판에 상호접속되는데 이 구리 필라 범프는 회로에 대한 커패시턴스 부하를 감소시키고 전자 컴포넌트가 더 높은 주파수에서 수행하도록 허용한다. 이는 다음에 오는 설명의 문맥 내에 있다.
본 발명은 전도성 층에 연결된 금속 범프와, 기판 상의 전도성 층 사이의 계면 열화 문제를 해결하기 위한 것이다.
기판 상의 범프 구조체는, 기판 상의 복합 전도성 층 - 상기 복합 전도성 층은 전도성 베이스 층 상의 전도성 보호 층을 포함하며, 상기 전도성 보호 층 및 상기 전도성 베이스 층은 상기 전도성 베이스 층의 산화를 방지하는 시스템 내에 성막되며, 상기 복합 전도성 층은 상기 전도성 베이스 층에 대한 물질보다 공기 또는 물의 존재에 산화되기 더 어려운 물질로 형성됨 - 과, 상기 복합 전도성 층 상의 유전체 층과, 상기 유전체 층 상의 폴리머 층과, 금속 범프 - 상기 금속 범프는 포토레지스트 층의 제2 개구부를 채우고, 상기 제2 개구부는 상기 복합 전도성 층의 전도성 보호 층과 접촉하기 위해 상기 폴리머 층 내에 생성된 제1 개구부 상에 형성되며, 상기 금속 범프는 상기 전도성 보호 층과의 강한 본딩을 형성함 - 를 포함한다.
상기 구성에 의해 본 발명은 금속 범프의 UBM(under bump metallurgy) 층이 전도성 층에 보다 양호하게 접착하여 계면 열화의 발생을 감소시킬 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면과 함께 다음의 상세한 설명에 의해 쉽게 이해될 것이며, 유사한 도면 부호는 동일한 구조적 엘리먼트를 나타낸다.
도 1a 내지 도 1d는 일부 실시예에 따른 Cu 필라 범프 프로세스의 횡단면도를 나타낸다.
도 2a는 일부 실시예에 따라 전도성 층을 통해 성막된 보호층을 나타낸다.
도 2b는 일부 실시예에 따라 하위 UBM 층이 없는 도 1d 및 도 2a의 동일한 영역의 횡단면도를 나타낸다.
도 2c는 일부 실시예에 따라 도 2b에 도시된 바와 같이 하위 UBM 층 없이 전도성 층 상에 Cu 필라 범프를 형성하는 프로세스 흐름을 나타낸다.
도 2d는 일부 실시예에 따라 기판이 리플로우된 후의 도 2b의 구조체를 나타낸다.
도 3a는 일부 실시예에 따른 기판 상의 솔더 범프 구조체의 횡단면도를 나타낸다.
도 3b는 일부 실시예에 따른 도 3a의 솔더 범프 구조체를 형성하는 프로세스 흐름을 나타낸다.
도 4a는 일부 실시예에 따른 기판 상의 솔더 범프 구조체의 횡단면도를 나타낸다.
도 4b는 일부 실시예에 따라, 포토레지스트가 제거되고 기판이 리플로우된 후 도 4a의 솔더 범프 구조체의 횡단면도를 나타낸다.
도 4c는 일부 실시예에 따라, 도 4a 및 도 4b의 솔더 범프 구조체를 형성하는 프로세스 흐름을 나타낸다.
다음 설명은 본 발명의 여러 특징을 구현하는 많은 여러 실시예들 또는 예들을 제공하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 간략히 하도록 컴포넌트 및 배치의 특정예들이 아래 설명된다. 물론, 이는 단지 일례에 불과하며 제한을 의도하려 한 것은 아니다. 추가로, 본 발명은 여러 예들에서 도면 부호 및/또는 문자를 반복할 수 있다. 이 반복은 간략화 및 명료화를 위한 것이며, 개시된 여러 실시예들 및/또는 구성 사이의 관계 자체를 설명하지 않는다.
도 1a 내지 도 1d는 일부 실시예에 따른 범프 프로세스를 진행하는 구조체의 횡단면도를 나타낸다. 이용된 물질에 기초하는 범프 자체는 솔더 범프, 금 범프, 구리 필라 범프 및 금속이 혼합된 범프로서 분류된다. 도 1a는 일부 실시예들에 따른 범프 형성 영역(100)을 나타낸다. 범프 형성 영역(100)은 반도체 기판(101) 상에 형성된다. 반도체 기판(101)은 이들에 한정되는 것은 아니지만, 벌크 실리콘, 반도체 웨이퍼, 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 기판 또는 실리콘 게르마늄 기판을 포함한 실리콘 물질을 포함하는 어떠한 구성도 의미하는 것으로 정의된다. III족, IV족 및 V족 원소를 포함하는 다른 반도체 물질도 또한 이용될 수 있다. 기판(101)은 쉘로우 트렌치 절연(STI; shallow trench isolation) 피쳐부 또는 국부 실리콘 산화(LOCOS) 피쳐부와 같은 복수의 절연 피쳐부(도시생략)를 더 포함할 수 있다. 절연 피쳐부는 여러 마이크로전자 소자(도시 생략)를 한정 및 절연시킬 수 있다. 기판(101)에 형성될 수 있는 여러 마이크로전자 소자의 예들은 트랜지스터(예를 들어, 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET), 상보형 금속 산화물 반도체(CMOS) 트랜지스터, 바이폴라 접합 트랜지스터(BJT), 고전압 트랜지스터, 고주파 트랜지스터, p-채널 및/또는 n-채널 전계 효과 트랜지스터(PFET/NFET) 등); 레지스터; 다이오드; 커패시터; 인덕터; 퓨즈; 및 기타 적절한 소자를 포함한다. 성막, 에칭, 주입, 포토리소그래피, 어닐링, 및 기타 적절한 프로세스를 포함한 여러 프로세스를 수행하여, 여러 마이크로전자 소자를 형성한다. 마이크로전자 소자들은 논리 디바이스, 메모리 디바이스(예를 들어, SRAM), RF 디바이스, 입력/출력(I/O) 디바이스, 시스템 온 칩(SoC) 디바이스, 이들의 조합, 및 기타 적절한 유형의 디바이스와 같은 집적 회로 디바이스를 형성하도록 상호접속된다.
기판(101)은 또한 집적 회로 위에 놓이는 금속화 구조체 및 층간 절연층을 포함할 수 있다. 금속화 구조체 내의 층간 절연층은 저유전상수 물질(low-k dielectric material), USG(un-doped silicate glass), 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물, 또는 다른 일반적으로 이용되는 물질을 포함한다. 저유전상수의 물질의 유전 상수(k 값)은 약 3.9보다 작을 수 있거나 또는 약 2.8보다 작을 수 있다. 금속화 구조체 내의 금속 라인은 구리 또는 구리 합금으로 형성될 수 있다. 당해 기술 분야의 숙련된 자는 금속화 층들의 형성 세밀화를 실현할 것이다.
도 1a는 기판(101) 상에 형성된 전도성 층(105)을 보여준다. 전도성 층(105)은 일부 실시예에 따라 금속 패드, 포스트 패시베이션 상호접속(post passivation interconnect; PPI) 층, 또는 상단 금속 층일 수 있다. 금속 패드는 하부에 있는 디바이스와의 상호접속을 위해 입력/출력(I/O) 전기 접촉을 제공한다. 일부 실시예에서, 금속 패드는 또한 금속 상호접속부의 재분배(또는 리라우팅(re-route))를 제공한다. 포스트 패시베이션 상호접속(PPI) 프로세스에서, 콘택트 패드와 다른 컨덕터들이 패시베이션 층(도시 생략)의 상단에 제조되고, 기판(101) 내의 집적 회로의 콘택트 영역에 연결된다. PPI는 패키지에 대한 접촉을 용이하게 하도록 집적 회로에 대한 상호접속부를 리라우팅하는데 이용될 수 있다.
전도성 층(105)에 이용되는 물질은 이들에 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어, 구리, 알루미늄, 구리 합금, 또는 기타 이동성 전도 물질을 포함할 수 있다. 전도성 층(105)이 구리로 이루어진다면, 구리 확산 장벽층(도시 생략)이 전도성 층(105)을 둘러싸서, Cu가 기판(101)의 디바이스 영역으로 확산하는 것을 방지한다. 구리 확산 장벽에 이용될 수 있는 예시적인 물질은 티타늄, 티타늄 질화물, 탄탈 탄탈 질화물, 및 이들의 조합을 포함할 수 있다.
전도성 층(105)은 전기화학적 도금, 무전해 도금, 스퍼터링, 화학적 기상 증착(CVD) 등에 의해 형성될 수 있다. 구리로 이루어진 전도성 층(105)을 형성하기 위해 도금 프로세스를 이용하면, 구리 시드 층(도시 생략)을 이용하여 구리 도금 속도와 품질을 증가시킬 수 있다. 일부 실시예에서, 구리 시드 층은 스퍼터링 또는 CVD 프로세스에 의해 성막된다. 전도성 층(105)은 바로 아래에 있는 금속 상호접속부와 범프 피쳐부를 연결시킨다. 전도성 층(105)은 급전 라인 및 재분배 라인(RDL; re-distribution line)으로서 기능할 수 있다. 추가로, 전도성 층(105)은 또한 인덕터, 커패시터, 또는 임의의 수동 소자로서 기능할 수 있다. 금속 층(105)은 약 30㎛보다 작은 예를 들어, 약 2㎛ 내지 약 25㎛ 사이의 두께를 가질 수 있다.
다음, 절연체 층 또는 패시베이션 층으로서 또한 지칭되는 유전체 층(109)이 기판(101) 및 전도성 층(105) 상에 형성된다. 유전체 층(109)은 실리콘 질화물, 실리콘 탄화물, 실리콘 산질화물 또는 다른 적용가능한 물질과 같은 유전체 물질로 형성될 수 있다. 형성 방법은 플라즈마 강화 화학적 기상 증착(PECVD) 또는 다른 일반적으로 이용되는 CVD 방법들을 포함한다. 일부 실시예에서, 유전체 층(109)은 선택적이다. 예를 들어, 유전체 층(105)이 PPI 층이면, 패시베이션 층이 이미 PPI 층 아래에 성막되어 있기 때문에 유전체 층(109)은 요구되지 않는다. 유전체 층(109)이 패터닝된 후, 폴리머 층(110)이 성막된다. 폴리머 층(110)의 성막에 후속하여, 다른 리소그래픽 프로세스 및 다른 에칭 프로세스를 수행하여 폴리머 층(110)을 패터닝한다. 그 결과, 후속하는 범프 프로세스를 가능하게 하기 위해, 폴리머 층(110)과 유전체 층(109)을 관통하여 전도성 층(105)의 일부분을 노출시키도록 개구부(120)를 형성한다. 층(109 및 110)의 측벽이 도 1a에서는 기울어진 것으로 도시되어 있지만, 일부 실시예에서는 층들(109 및/또는 110)의 측벽은 실질적으로 수직으로 될 수 있다.
이름으로 연상되는 바와 같이, 폴리머 층(110)은 에폭시, 폴리이미드, 벤조시클로부텐(BCB; benzocyclobutene), 폴리벤족사졸(PBO; polybenzoxazole) 등과 같은 폴리머로 형성되지만, 다른 비교적 연성이고 종종 유기성인 유전체 물질이 또한 이용될 수 있다. 일부 실시예에서, 폴리머 층(110)은 폴리이미드 층이다. 일부 다른 실시예에서, 폴리머 층(110)은 폴리벤족사졸(PBO)이다. 폴리머층(110)은 연성이며, 따라서 각각의 기판 상의 내부 응력을 감소시키는 기능을 갖고 있다. 따라서, 폴리머 층(110)은 수십 마이크론의 두께로 쉽게 형성된다.
도 1b를 참조하여 보면, UBM(under-bump-metallurgy) 층(111)은 도 1a의 결과적인 구조체 상에 형성된다. 일부 실시예에서, UBM 층은 확산 장벽층과 시드 층을 포함한다. UBM 층(111)은 폴리머 층(110), 및 전도성 층(105)의 노출된 부분 상에 형성되며, 개구부(120)의 측벽과 하단부를 라이닝한다. 확산 장벽층은 또한 일부 실시예에서, 접착층(또는 글루 층(glue layer))으로서 기능할 수 있다. 확산 장벽층은 개구부(120)의 하단부와 측벽을 덮도록 형성된다. 확산 장벽층은 탄탈 질화물로 형성될 수 있지만, 이는 또한 티타늄 질화물, 탄탈, 티타늄 등과 같은 다른 물질로 형성될 수 있다. 일부 실시예에서, 확산 장벽층의 두께는 약 500 Å 내지 약 5000 Å 사이의 범위에 있을 수 있다. 일부 실시예에서, 형성 방법은 물리적 기상 증착(PVD)(또는 스퍼터링)을 포함한다. 시드 층은 확산 장벽층 상에 형성된 구리 시드 층일 수 있다. 구리 시드 층은 은, 크롬, 니켈, 주석, 금 및 이들의 조합을 포함하는 구리 합금 중 하나 또는 구리로 형성될 수 있다. 일부 실시예에서, 구리 시드 층의 두께는 약 2000 Å 내지 약 8000 Å 사이의 범위에 있을 수 있다. 일부 실시예에서, UBM 층(111)은 Ti로 형성된 확산 장벽층과 Cu로 형성된 시드 층을 포함한다. 일부 실시예에서, Ti 층과 같은 확산 장벽 층 및 Cu 층과 같은 시드 층 양쪽 모두는 물리적 기상 증착(PVD)(또는 스퍼터링) 방법에 의해 성막된다.
다음, 마스크 층(112)이 UBM 층(111) 상에 제공되며, 개구부(123)로 패터닝되어, Cu 필라 범프 형성을 위하여 UBM 층(111)의 일부분을 노출시킨다. 일부 실시예에서, 개구부(123)는 개구부(120) 상에 있다. 일부 다른 실시예에서, 개구부(123)의 직경은 개구부(120)의 직경 보다 크거나 같다. 일부 실시예에서, 개구부(123)의 크기는 약 5 ㎛ 내지 약 100 ㎛의 사이에 있다. 마스크 층(112)은 드라이필름 또는 포토레지스트 필름일 수 있다. 개구부(123)는 그 후 솔더 가용성을 갖는 전도성 물질로 부분적으로 또는 전체적으로 충전된다. 일 실시예에서, 금속 층(125)은 하부에 있는 UBM 층(111)과 접촉하기 위해 개구부(123) 내에 형성된다. 금속(125)은 두께 "D"를 갖고 폴리머 층(110)의 표면 상에서 돌출한다. 일부 실시예에서, 두께 "D"는 약 5 ㎛ 내지 약 100 ㎛의 사이에 있다. 높은 전도율을 갖는 다른 유형의 금속을 또한 이용하여, Cu 대신에 개구부(123)를 충전시킬 수 있다.
일부 실시예에서, 금속 층(125)은 구리로 형성된다. 명세서 전반에 걸쳐 이용된 바와 같이, 용어 "구리(Cu) 층"은 순수 구리 원소, 불가피한 불순물을 포함하는 구리, 및 탄탈, 인듐, 주석, 아연, 망간, 크롬, 티타늄, 게르마늄, 스트론튬, 백금, 마그네슘, 알루미늄 또는 지르코늄과 같은 소량의 원소를 함유하는 구리 합금을 포함하는 층을 실질적으로 포함하는 것으로 의도된다. 형성 방법은 스퍼터링, 프린팅, 전기도금, 무전해 도금, 및 일반적으로 이용되는 화학적 기상 증착(CVD) 방법을 포함할 수 있다. 예를 들어, Cu 금속 층(125)을 형성하기 위해 전기 화학적 도금(ECP)을 수행한다. 일부 실시예에서, Cu 금속 층(125)의 두께는 30㎛보다 크다. 일부 다른 실시예에서, Cu 금속 층(125)의 두께는 40㎛보다 크다. 일부 실시예에서, Cu 금속 층(125)의 두께(도 1b에 나타낸 두께 H)는 약 40 내지 50 ㎛이다. 일부 실시예에서, Cu 금속 층(125)의 두께는 약 40 내지 70 ㎛이다. 일부 다른 실시예에서, Cu 금속 층(125)의 두께는 약 2 내지 150㎛이다.
일부 실시예에서, 금속 층(125)은 솔더로 형성된다. 솔더 금속 층(125)은 Sn, SnAg, Sn-Pb, SnAgCu(0.3% 미만의 Cu중량%), SnAgZn, SnZn, SnBi-In, Sn-In, Sn-Au, SnPb, SnCu, SnZnIn, 또는 SnAgSb 등으로 형성될 수 있다. 형성 방법은 스퍼터링, 프린팅, 전기도금, 무전해 도금 및 일반적으로 이용되는 화학적 기상 증착(CVD) 방법을 포함할 수 있다. 예를 들어, 솔더 금속 층(125)을 형성하기 위해 전기 화학적 도금을 형성하기 위해 전기 화학적 도금(ECP)을 수행한다. 일부 실시예에서, 솔더 금속 층(125)의 두께는 30 ㎛보다 크다. 일부 다른 실시예에서, 솔더 금속 층(125)의 두께는 40 ㎛보다 크다. 일부 실시예에서, 솔더 금속 층(125)의 두께(도 1b에 나타낸 두께 H)는 약 40 내지 50 ㎛이다. 일부 다른 실시예에서, 솔더 금속 층(125)의 두께는 약 40 내지 70 ㎛이다. 일부 다른 실시예에서, 솔더 금속 층(125)의 두께는 약 2 내지 150㎛이다.
이 후, 캡층(126)이 일부 실시예에 따라 Cu 구리 층(125)의 상단 표면에 형성된다. 캡 층(126)은 Cu 필라(125) 내의 구리가 솔더 합금과 같은 본딩 물질 - 기판(101)을 외부 피쳐부들에 본딩시키는데 이용됨 - 내에 확산하는 것을 방지시키는 장벽 층으로서 기능할 수 있다. 구리 확산 방지는 신뢰도와 패키지의 본딩 강도를 증가시킨다. 캡 층(126)은 니켈, 주석, 주석-납(SnPb), 금(Au), 은, 백금(Pd), 인듐(In), 니켈-팔라듐 -금(NiPdAu), 니켈-금(NiAu), 기타 유사한 물질 또는 합금을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 캡 층(126)은 약 1 내지 5㎛의 두께를 갖는 니켈 층이다. 일부 실시예에서, 캡 층(126)은 도금으로 형성된다.
이 후, 솔더 층(127)이 일부 실시예에 따라 캡 층(126) 상에 형성된다. 솔더 층(127)은 무연(lead-free)일 수 있거나 또는 납을 포함할 수 있다. 솔더 층(127) 및 캡 층(126)은 일부 실시예에서, 공융 합금(eutectic alloy)일 수 있다. 솔더 층(127), 캡 층(126) 및 Cu 필라(125)는 전도성 층(105) 상에 형성된 범프 구조체(135)로서 지칭된다. 솔더 층(127)은 도금으로 형성될 수 있다. 일부 실시예에서, 솔더 층(127)은 캡 층(126) 상의 솔더 볼로서 형성된다. 일부 다른 실시예에서, 솔더 층(127)은 캡 층(126) 상의 도금된 솔더 층이다. 무연 솔더 시스템에서, 솔더 층(127)은 SnAg이며, Ag 함유량은 일부 실시예에 따라 1.6 중량%(wt%)보다 작게 제어된다. 도 1b는 솔더 층(127)과 캡 층(126)이 포토레지스트(112)에 의해 형성된 개구부 내에 도금된 것을 보여준다.
금속 층(125)이 솔더로 형성되면, 캡 층(126)과 무연 솔더 층(127)은 필요하지 않을 수 있다. 추가로, 금속 층(125)이 솔더로 형성되면, UBM 층(111)과 금속 층(125) 사이에 추가층이 존재할 수 있다. 일부 실시예에서, 도 1c에 나타낸 바와 같이, 솔더 금속 층(125')의 성막 전에 UBM 층 상에 구리 층(131)과 확산 장벽 층(Ni 층; 132)을 성막한다. 솔더 금속 층(125')은 납을 포함하는 솔더 또는 무연인 솔더로 형성될 수 있다. 저항율을 감소시키기 위해 구리 층(131)을 추가하며, 구리 층(131) 내의 구리가 솔더 금속 층(125')으로 확산하는 것을 방지하기 위해 확산 장벽 층(Ni 층; 132)을 추가한다. 추가로, 구리 확산 장벽은 접착제 층으로서 기능할 수 있고 또한 솔더와 공융 합금을 형성할 수 있다. 일부 실시예에서, 확산 장벽 층(132)은 니켈, 주석, 주석-납(SnPb), 금(Au), 은, 백금(Pd), 인듐(In), 니켈-팔라듐-금(NiPdAu), 니켈-금(NiAu), 기타 유사한 물질 또는 합금으로 형성될 수 있다.
일부 실시예에서, 구리 층(131)의 두께는 약 1 ㎛ 내지 약 10 ㎛의 사이에 있다. 니켈 층(132)의 두께는 약 0.5 ㎛ 내지 약 5 ㎛의 사이에 있다. 구리 층(131)과 니켈 층(132)은 스퍼터링, 화학적 기상 증착 및 도금과 같은 여러 방법들에 의해 성막될 수 있다. 도 1c의 구리 층(131)과 니켈 층(132)은 도금 프로세스에 의해 성막된다. 솔더 금속(125')은 두께 "D'"를 갖고 폴리머 층(110)의 표면 상에서 돌출한다. 일부 실시예에서, 두께 "D'"는 약 5 ㎛ 내지 약 100 ㎛의 사이에 있다. 도 1b에 도시된 바와 같이, 금속 필라 범프(135')의 높이는 H'이다. 일부 실시예에서, 높이 "H'"는 약 5 ㎛ 내지 약 100 ㎛의 사이에 있다.
다음, 도 1d에 도시된 바와 같이, 마스크 층(112)을 제거하여(도 1b의 구조체를 다시 참조함), 금속 층(125; 및 캡 층(126)과 무연 솔더 층(127)) 외부의 UBM 층(111)의 일부분을 노출시킨다. 일부 실시예에 따라, 마스크 층(112)이 드라이 필름인 경우에, 마스크 층(112)은 알칼리성 용액을 이용하여 제거될 수 있다. 일부 실시예에 따라, 마스크 층(112)이 포토레지스트로 형성되면, 마스크 층(112)은 아세톤, n-메틸 피롤리돈(NMP), 디메틸 술폭사이드(DMSO), 아미노에톡시 에탄올 등을 이용하여 제거될 수 있다. 그 후, UBM 층(111)의 노출된 부분을 에칭하여 금속 층(125) 외부의, 하부에 있는 폴리머 층(110)을 노출시키고 그에 따라 금속 층(125) 아래에 있는 UBM 층(111)이 남겨진다. 금속 층(125)이 구리로 형성되면, 나머지 금속 층(125)은 또한 Cu 필라 범프 층으로서 지칭될 수 있다. UBM 층(111)을 제거하는 프로세스는 드라이 에칭 또는 웨트 에칭일 수 있다. 일부 실시예에서, 암모니아계 산을 이용한 등방성 웨트 에칭(종종 에칭의 짧은 지속 기간으로 인해 플래시 에칭(etching)이라 지칭됨)이 채용된다. UBM 층의 에칭 후, 필라 범프(135)를 형성한다. 필라 범프는 금속 필라 범프 층(125), UBM 층(111), 캡 층(필요에 따라) 및 무연 솔더 층(127; 필요에 따라)을 포함한다. 상술한 바와 같이, 금속 층(125)이 솔더로 형성되면, 캡 층(126)과 무연 솔더 층(127)은 필요하지 않을 수 있다. 도 1b에 도시된 바와 같이, 금속 필라 범프(135)의 높이는 "H"이다. 일부 실시예에서, 높이 "H"는 약 5 ㎛ 내지 약 100 ㎛의 사이에 있다.
등방성 웨트 에칭을 이용하여 UBM 층(111)의 노출된 부분을 제거하면, 등방성 웨트 에칭 동안에 Cu 필라 범프(125) 아래의 UBM 충(111)의 일부분은 에칭 제거된다(즉, 언더컷된다). 상술한 바와 같이, UBM 층(111)은 일부 실시예들에 따라 도 1d에 도시된 바와 같이, 확산 장벽 Ti 층(층(111L)) 및 시드 층 Cu(층(111U))로 형성될 수 있다. 노출된 UBM 층(111)을 에칭하기 위하여, 노출된 Cu 층 (111U) 및 노출된 Ti 층(111L)을 제거하는데 하나 이상의 웨트 에칭 화학 약품을 필요로 할 수 있다. 상술한 바와 같이, 일부 실시예에 따라, 암모니아계 산을 이용한 등방성 웨트 에칭(종종 에칭의 짧은 지속 기간으로 인해 플래시 에칭(etching)이라 지칭됨)이 채용될 수 있다.
Cu 층(111U) 및 노출된 Ti 층(111L)의 완벽한 제거를 보장하기 위하여, 오버에칭이 요구될 수 있다. 웨트 에칭 화학 약품(들)에 의한 오버에칭은 일부 실시예에 따라 도 1d의 영역 A에 도시된 바와 같이 언더컷을 야기할 수 있다. 확산 장벽 층의 기능을 제공하는 것에 더하여, Ti 층(111L)은 또한 접착 강화 층(또는 접착 층)으로서 역할한다. Ti 층(111L)이 언더컷되는 동안, 접착 층 기능을 제공해야 하는 부담은 금속 필라 범프(135) 아래에 있는 나머지 Ti 층(111L)가 맡게 된다. 그 결과, Ti 층(111L)과 전도성 층(105) 사이의 응력이 증가된다. 증가된 응력은 UBM 층(111)과 전도성 층(105) 사이의 열화를 초래할 수 있다. 예를 들어, 전도성 층(105)이 알루미늄으로 형성되면, 심한 Ti 층(111L) 언더컷으로 인해 Ti/Al-패드 계면 열화가 발생할 수 있어, 계면에 과다한 응력을 야기할 수 있다.
전도성 층/접착-장벽-층 계면 열화 문제를 해결하는 한 방법은 금속 패드 또는 PPI일 수 있는 전도성 층(105)과, Ti 층(111L)과 같은 접착 층일 수 있는 하부 UBM 층(111L) 사이의 접착 품질을 증가시키는 것이다. 도 1a 내지 도 1c를 포함한 금속 필라 범프를 형성하는 예시적인 프로세스 흐름으로 나타낸 바와 같이, 전도성 층(105)을 형성한 후, 유전체 층(109)과 폴리머 층(110)을 형성하여 에칭할 때까지 Ti 접착 층(111L, 또는 장벽층)을 성막하지 않는다. 전도성 층(105)의 표면은 표면이 공기와 물에 노출될 때 산화된다. 예를 들어, 전도성 층(105)이 알루미늄으로 형성되면, 표면 알루미늄은 공기나 물에 노출된 후 산화되어 알루미늄 산화물(또는 알루미나)로 된다. Al 전도성 층(105)이 성막되어 (PVD 챔버와 같은) 진공 성막 챔버로부터 제거된 후 에, 표면 알루미늄이 알루미늄 산화물을 형성하기 시작한다. 알루미늄 산화물은 유전체 층(109)과 폴리머 층(110)의 에칭 동안에 적어도 부분적으로 제거될 수 있다. 그러나, 순수(fresh) 알루미늄 표면은 다시 알루미늄 산화물로 산화할 수 있다. 폴리머 층(110)의 에칭과 Ti 장벽/접착 층(111L)의 성막 사이에 지연(또는 큐 시간(queue time))이 존재하면, Al 전도성 층(105)의 표면은 알루미늄 산화물에 의해 덮혀진다. Ti와 알루미늄 산화물(Al2O3) 사이의 접착은 Ti와 알루미늄(Al) 사이의 접착보다 더 양호하지 못하여, 언더컷으로 인한 Ti 접착/확산 장벽 층의 손실에 의해 일어나는 과다한 응력을 이겨내지 못할 수 있다.
금속 패드 또는 PPI와 같은 전도성 층(105)과, Ti 층(111L)과 같은 UBM 층(111) 사이의 접착 품질을 개선하기 위하여, 전도성 층(105)의 성막 후 바로 동일한 시스템 내에서 인시츄 방식으로 전도성 층(105)과 하부 UBM 층(111) 양쪽 모두에게 잘 접착하는 전도성 보호 층을 성막할 수 있다. 도 2a는 일부 실시예에 따라 전도성 층(105)을 성막하는데 이용된 동일한 진공 시스템(또는 인시츄 시스템)을 이용하여 전도성 층(105) 상에 성막된 보호층(108)을 보여준다. 보호 층(108)은 전도성 물질로 형성된다. 일부 실시예에서, 보호 층(108)은 전도성 층(105)보다 더 느린 속도로 산화하거나 또는 보호 층의 산화물 UBM 층(또는 하위 UBM 층(111L))과 잘 접착하게 된다. 전도성 라인(105)이 구리, 알루미늄, 구리 합금, 알루미늄 합금, 또는 다른 가동성 전도성 물질(mobile conductive material)로 형성되면, 보호 층은 Ta, TaN, Ti, TiN, 또는 이들의 조합으로 형성될 수 있다. 예를 들어, Ta, TaN, Ti, 또는 TiN은 Al보다 더 낮은 속도로 산화하며, 이들의 산화물은 Ta, TaN, Ti, 또는 TiN, 또는 이들의 조합과 같은 물질로 또한 형성된 하부 UBM 층(111L)과 잘 접착한다. 기타 적절한 물질도 또한 이용될 수 있다. 전도성 층(105)이 구리를 포함하면, 보호 층(108)은 또한 구리 확산 장벽층으로서 기능한다.
전도성 층(105) 상의 보호 층(108)의 인시츄 성막(동일한 챔버이든 또는 진공 상태하에서 전달 챔버에 연결된 별도의 챔버이든 간에)은 전도성 층(105)이 산소에 노출되지 못하게 막아 산화되는 것을 막는다. 전도성 층(105)을 대신하여, 전도성 보호 층(108)이 후속하는 처리 동안에 공기와 물에 노출된다. 일부 실시예에서, 전도성 보호 층(108)은 전도성 층(105)보다 비교적 더 낮은 속도에서 산화한다. 예를 들어, Ti는 공기 또는 물에 노출될 때 Al보다 더 낮은 속도로 산화한다. 일부 다른 실시예에서, 티탄 산화물, 티탄 산질화물, 탄탈 산화물, 탄탈 산질화물 등과 같은 산화된 보호 층(108)은 전도성 층(105)보다 하부 UBM 층(111L)에 더 양호하게 접착한다. 보호 층(108)과 하부 UBM 층(111L) 간의 강한 결합성은 도 2a의 영역 A에서 하부 UBM 층(111L)의 언더컷으로 인한 추가적인 응력 하에서 발생될 수 있었던 계면 열화를 방지한다. 일부 실시예에서, 전도성 보호 층(108)의 두께는 1000 Å(옹스트롱) 내지 2000 Å 사이에 있다.
도 2a에 도시된 구조체를 형성하는 프로세스 흐름은 도 1a 내지 도 1d에 대한 프로세스 동작에서 설명된 바와 같이 도 1d의 구조체를 형성하기 위한 프로세스 흐름과 유사하다. 전도성 층(105)의 성막 후 즉시 전도성 보호층(108)의 추가적인 인시츄 성막이 추가된다는 점이 다르다.
상술한 바와 같이, 하부 UBM 층(111L)은 티탄, 티탄 질화물, 탄탈, 탄탈 질화물, 또는 위에서 언급된 물질의 조합으로 형성될 수 있다. 보호층(108)은 하부 UBM 층(111L)과 동일한 물질을 이용하기 때문에, 하부 UBM 층(111L)은 프로세스 흐름을 간략화하기 위하여 가능하다면 건너뛸 수 있다. 하부 UBM 층(111L)의 성막을 건너뛰기 위하여, 상부 UBM 층(Cu 시드층)이 폴리머 층(1110)에 양호하게 접착하는 것이 필요하다. 추가로, 금속 필라 범프(135 또는 135') 및/또는 구리 시드층(111U)으로부터의 구리 확산의 문제가 해결되어야 할 필요가 있다.
도 2b는 일부 실시예에 따라 하위 UBM 층(111L) 없는 도 1d 및 도 2a의 동일한 영역의 횡단면도를 나타낸다. 도 2b의 예에서, 금속 층(125)은 구리로 형성된다. 도 2b의 Cu 필라 범프(135^)는 Cu 금속 층(또는 Cu 필라 범프 층; 125) 및 상부 UBM 층(111U)(또는 구리 시드 층(111U))을 포함한다. 위에서 설명된 바와 같이, 구리 시드 층(111U)은 보호층(108)과 양호하게 접착하며, 구리 시드 층(111U)은 은, 크롬, 니켈, 주석, 금 및 이들의 조합을 포함하는 구리, 구리합금으로 형성될 수 있다. 보호층(108)에 양호하게 접촉하는 것에 더하여, Cu 필라 범프(135^)의 계면 응력을 감소시키도록 시드 층(111U)이 또한 폴리머 층(110)에 양호하게 접착하는 것이 필요하다. 연구들은 리아졸, 또는 이미다졸 관능기들을 포함하는 폴리이미드와의 Cu 폴리이미드 복합체를 형성할 수 있고 이러한 폴리이미드와 양호한 접착성을 갖고 있음을 보여준다. Cu와 양호한 접착성을 갖는 폴리이미드의 일례는 폴리(4,4'-옥시디프탈릭 안하이드라이드-1,3아미노페녹시벤젠-8-아자아데나인)(ODPA-APB-8-아자아데나인)이 있다. 본 연구는 또한 폴리이미드와 같은 폴리머의 플라즈마 처리가 플라즈마 처리된 폴리이미드의 표면과 Cu의 반응을 증가시켜 표면 폴리머의 가교결합(crosslinking)을 일으킬 수 있음을 보여준다. 따라서, 구리와 플라즈마 처리된 폴리이미드 사이의 접착성은 문제가 되지 않는다. 가교결합된 폴리이미드 폴리머들은 또한 구리 확산에 대한 장벽을 생성한다. 일부 실시예에서, 폴리이미드 표면을 처리하는데 이용되는 플라즈마는 산소, 질소 또는 이들 가스의 조합을 포함한다. 따라서, 폴리머 층(110)과 Cu 시드 층 사이의 접착성을 증가시키기 위한, 폴리머 층(110)에 대한 물질의 적절한 선택에서, 그리고, Cu 외부 확산을 방지하기 위한 폴리머 층(110)의 플라즈마 처리에서, 접착층(111L)이 없는 UBM 층(111)으로서의 단일의 Cu 시드 층이 가능해진다.
도 2c는 일부 실시예에 따라 도 2b에 도시된 바와 같이 하위 UBM 층 없이 전도성 층 상에 Cu 필라 범프를 형성하는 프로세스 흐름(250)을 보여준다. 일부 실시예에서, 전도성 층은 전력 라인 또는 재분배 라인(re-distribution line; RDL)으로서 기능한다. 일부 다른 실시예에서, 전도성 층은 금속 패드이다. 일부 다른 실시예에서, 전도성 층은 PPI이다. 동작 251에서, 전도성 베이스 층이 기판 상에 성막된다. 동작 251 전에, 기판 상의 디바이스와 상호접속부를 생성하기 위하여, 기판은 도 1a에 설명된 동작과 유사한 다른 프로세스 동작을 수행받았다. 일부 실시예에서, 전도성 베이스 층의 두께는 약 1000 Å 내지 약 10,000 Å 사이에 있다. 전도성 베이스 층의 성막 후, 전도성 보호 층이 동작 253에서 성막된다. 일부 실시예에서, 전도성 보호 층은 약 500 Å 내지 약 2,000 Å 사이의 두께를 갖는다. 상술한 바와 같이, 전도성 보호 층은 전도성 베이스 층을 성막하는데 이용되는 동일한 시스템의 다른 챔버 또는 동일 챔버에서 성막된다. 전도성 보호 층을 성막하는데 다른 챔버를 이용하면, 주변 환경(즉, 공기 또는 산소)에의 노출을 제한(또는 방지)하기 위해 진공을 깨뜨리지 않고 기판이 전도성 베이스 층 성막 챔버에서부터 전도성 보호 층 성막 챔버로 전달되도록 허용하게끔 챔버는 전도성 베이스 층을 성막하는데 이용된 챔버에 연결되어야 한다. 전도성 베이스 층과 전도성 보호 층은 복합 전도성 층을 형성한다.
일부 실시예에서, 복합 전도성 층을 패터닝한 다음, 유전체 물질을 이용하여 복합 전도성 층의 패터닝된 구조체들 사이의 공간을 채운다. 일부 다른 실시예에서, 복합 전도성 층은 기판 상의 개구부를 채우고, 하나 이상의 화학 기계적 평탄화(CMP) 프로세스에 의해서와 같이 개구부 외부의 복합 전도성 층을 제거한다. 복합 전도성 층의 형성 후, 유전체 층이 동작 254에서 성막된다. 일부 실시예에서, 유전체 층은 약 500 Å 내지 약 10,000 Å 사이의 두께를 갖는다. 상술한 바와 같이, 유전체 층은 절연체 층 또는 패시베이션 층으로 또한 지칭될 수 있다. 동작 254에 후속하여, 유전체 층을 패터닝하고 에칭하여, 동작 255에서 유전체 층 내에 개구부를 생성(즉, 한정 또는 형성)하여, 아래에 있는 복합 유전체 층을 노출시킨다.
이후, 일부 실시예에 따라 동작 256에서 폴리머 층을 성막한다. 폴리머 층은 비교적 연성이고, 종종 유기의 유전체 물질이며, 에폭시, 폴리이미드, 벤조시클로부텐(BCB), 폴리벤족사졸(PBO) 등과 같은 물질로 형성될 수 있다. 상술한 바와 같이, 폴리머 층은 Cu와 양호하게 접착해야 한다. 일부 실시예에서, 폴리머 물질은 폴리(4,4'-옥시디프탈릭 안하이드라이드-1,3-아미노페녹시벤젠-8-아자아데나인; ODPA-APB-8-아자아데나인)으로 형성된다. 일부 실시예에서, 폴리머 층은 약 500 Å 내지 약 10,000 Å 사이의 두께를 갖는다.
일부 실시예에서, 폴리머 층의 성막에 후속하여, 동작 257에서 Cu 필라 범프를 형성하기 위하여 복합 전도성 층을 노출시키는 개구부(들)를 생성(즉, 한정 또는 형성)하도록 기판을 패터닝하고 에칭한다. 개구부 아래의 폴리머 층과 유전체 층 양쪽 모두가 보호층을 노출시키도록 에칭되어 관통된다. 동작 257 후에, 동작 258에서 기판 표면 상에 플라즈마 표면 처리를 수행하여, 폴리머 표면을 처리함으로써, 플라즈마 처리된 폴리머 표면과 성막될 Cu의 반응성을 증가시킨다. 상술한 바와 같이, 산소, 질소 또는 이들 양쪽 가스의 조합을 포함한 플라즈마가 이용될 수 있다.
폴리머 층의 플라즈마 표면 처리 후, 실시예들에 따라 동작 259에서 구리 시드 층(UBM 층(111U))을 성막한다. 일부 실시예에서, 구리 시드 층은 약 100 Å 내지 약 10,000 Å 사이의 두께를 갖는다. 구리 시드 층은 보호 층과 직접 접촉하게 되어 구리 필라 범프의 성장을 촉진시키는데 구리 필라 범프는 이후 동작에서 성막되어진다. 구리 시드 층은 PVD(물리적 기상 증착), CVD(화학적 기상 증착), ALD(원자 층 성막), 또는 무전해 도금 증착에 의해 성막될 수 있다. 구리 시드 층의 성막 후, 일부 실시예에 따라 동작 260에서 구리 성막을 위한 개구부를 생성(즉, 한정 또는 형성)하도록 기판을 패터닝한다. 포토레지스트는 드라이 상태일 수도 웨트 상태일 수도 있다. 일부 실시예에서, 동작 260에서 패터닝된 개구부는 도 2b에 도시된 바와 같이 동작 257에서 생성된 개구부들보다 더 크고, 동작 257에서 생성된 개구부들 위에 있게 된다.
동작 261에서, Cu와 같은 금속 층을 동작 260 및 257에서 생성된 개구부 내에 성막시킨다. 일부 실시예에서, 구리 필름은 전기화학적 도금(ECP) 또는 무전해 도금에 의해 성막된다. 다른 성막 방법들도 또한 적용가능하다. 구리 층의 성막에 후속하여, 일부 실시예에 따라 동작 262에서 위에서 설명된 Ni 또는 기타 물질과 같은 캡 층이 성막된다. 일부 실시예에서, 캡 층은 전기화학적 도금(ECP) 또는 무전해 도금에 의해 성막된다. 솔더 층은 일부 실시예에 따라 동작 263에서 캡 층 상에 성막된다. 상술한 바와 같이, 솔더 층은 무연일 수도 있고, 또는 납을 포함할 수도 있다.
이후, (동작 260에서 형성된) 포토레지스트가 동작 264에서 제거된다. 다음 동작 265에서, 노출된 구리 시드 층(구리 필라에 의해 덮혀지지 않음)이 에칭(또는 제거)된다. 동작 265의 끝에서, Cu 필라 범프가 형성되고, Cu 필라 범프는 복합 전도성 층과 접촉하게 된다. 일부 실시예에서, 동작 265 후에, 리플로우 동작 266을 수행하여, 도 2d에 도시된 바와 같이 코너(들)들이 라운딩 처리된 무연 솔더층의 형상부를 형성한다.
도 1c에 나타낸 바와 같이, 금속 층(125')을 위한 물질로서 솔더가 이용될 수 있다. 솔더 금속 층(125') 아래에는, 구리 층(131)과 구리 확산 장벽 Ni 층(132)이 있다. 구리 층(131)은 UBM 층(111) 상에 직접 배치된다. 위의 논의에 기초하여, 복합 전도성 층(층(105)+층(108))을 형성하기 위해, 전도성 보호 층(108)을 또한 전도성 베이스 층 상에 성막할 수 있다. 상술한 바와 같이, 보호 층(108)은 전도성 층으로 형성되고 Ta, TaN, Ti, TiN, 또는 이들의 조합과 같은 물질로 형성될 수 있다. 일부 실시예에 따라, 추가로, 보호 층(108)의 추가로 인하여, UBM 층(111)은 구리 층(또는 상부 UBM 층(111U))이도록 간략화될 수 있다. 도 3a는 일부 실시예에 따른 솔더 범프(135^)의 횡단면도를 보여준다. 위에 설명된 것과, 또한 솔더 범프(135^)가 리플로우 프로세스를 수행받는다는 것을 제외하면, 솔더 범프(135^)는 도 1c의 솔더 범프(135")와 유사하다.
도 3b는 일부 실시예에 따른 도 3a의 솔더 범프 구조체를 제작하는 프로세스 흐름(350)을 나타낸다. 동작 351-360은 도 2c의 대응하는 동작 251-260와 유사하다. 금속 성막을 위한 개구부가 생성된 후, 구리 층(층(131))이 동작 361에서 개구부 내에 성막된다. 일부 실시예에서, 구리 층은 ECP 프로세스 또는 무전해 도금 프로세스일 수 있는 도금 프로세스에 의해 성막된다. 도 1c에 대하여 위에서 설명된 바와 같이, 구리 층은 솔더 범프에 대한 저항성을 감소시킨다. 다음 동작 362에서 구리 확산 장벽 층이 성막된다. 일부 실시예에서, 구리 확산 장벽 층은 ECP 프로세스 또는 무전해 도금 프로세스일 수 있는 도금 프로세스에 의해 성막된다. 이후 동작, 363에서 금속 층이 구리 확산 장벽 층 상에 성막된다. 일부 실시예에서, 금속 층용 물질은 솔더이다. 일부 실시예에서, 금속 층은 ECP 프로세스 또는 무전해 도금 프로세스일 수 있는 도금 프로세스에 의해 성막된다. 이후 금속 층이 성막된 후, 동작 360에서 형성된 포토레지스트 층이 제거된다. 포토레지스트 층의 제거에 후속하여, 노출된 구리 시드 층이 동작 265와 유사하게, 동작 365에서 제거된다. 그 후, 기판은 동작 366에서 솔더 층과 같은 금속 층의 형상부를 변경하도록 리플로우된다. 도 3a에서의 솔더 범프가 리플로우된다.
도 1c 및 도 3a에 나타낸 예시적인 실시예에서, 구리 층(131)은 솔더 층(125') 아래에 있다. 일부 실시예에서, 구리 층(132)과 구리 확산 장벽 층(132)은 필요하지 않다. 이러한 실시예에서, UBM 층(111 또는 111U)도 또한 필요하지 않다. 그러나, 전도성 층(또는 전도성 베이스 층; 105) 상에 전도성 보호 층(108)을 가짐으로써, 전도성 층(105)의 산화를 방지하고 솔더 층(125')과의 접착성을 개선하는 이점을 여전히 갖게 된다. 도 4a는 일부 실시예에 따른 솔더 범프(135")의 횡단면도를 보여준다. 솔더 범프(135")는 도 1c의 솔더 범프(135") 및 도 3a의 솔더 범프(135)와 유사하지만, UBM 층(111), 구리 층(131) 및 구리 확산 장벽 층(132)이 없다. 기판(101) 상에 솔더 페이스트를 도포함으로써, 솔더 층(125*)을 기판(101)의 표면 상에 도포하여 개구부(123*)를 채운다. 솔더 페이스트는 개구부(123")를 채운다. 소량의 솔더 페이스트가 포토레지스트(112)의 표면 상에 남겨질 수 있지만, 이 양은 그 양의 존재가 포토레지스트(112)의 후속하는 제거 프로세스에 영향을 미치지 않을 정도로 비교적 작다. 도 4b는 일부 실시예에 따라 포토레지스트 층(112)이 제거된 후, 그리고 또한 기판(101)이 리플로우 프로세스를 받은 후의 솔더 범프(135")를 보여준다.
도 4c는 일부 실시예에 따라 도 4b에 도시된 솔더 범프를 제작하는 프로세스 흐름(450)을 나타낸다. 동작 451-457은 도 3b의 대응하는 동작 351-357 및 도 2c의 동작 251-257과 유사하다. 이후, 동작 460에서, 동작 457에서 형성된 개구부 상에 개구부를 형성한다. 동작 460에 후속하여, 솔더 금속 층을 동작 457 및 460에서 생성된 개구부 내에 성막시킨다. 일부 실시예에서, 포토레지스트의 표면 상에 남겨진 매우 소량의 솔더 페이스트를 페이스트로서 이용하여 기판 표면 상에 솔더 금속 층을 제공한다. 솔더 금속 층은 기판 상에 도금되지 않기 때문에, 폴리머 층이 플라즈마 처리될 필요가 없다. 추가로, 폴리머 층에 이용되기에 적합한 물질의 선택이 커진다. 기판 패키징 내의 폴리머 층에 이용되는 통상적인 물질이 이용될 수 있다. 그 후, 동작 464에서 포토레지스트 층을 제거하고 동작 465에서 기판(또는 솔더 범프)을 리플로우한다.
위에 설명된 금속 범프 구조체를 형성하는 메카니즘은 전도성 층에 연결된 금속 범프와, 기판 상의 전도성 층 사이의 계면 열화 문제를 해결한다. 전도성 층(105)은 금속 패드, 포스트 패시베이션 상호접속(post passivation interconnect; PPI) 층, 또는 상단 금속 층일 수 있다. 전도성 층(또는 전도성 베이스 층) 상의 전도성 보호 층의 인시츄 성막을 수행함으로써, 금속 범프의 UBM(under bump metallurgy) 층이 전도성 층에 보다 양호하게 접착하고 계면 열화의 발생을 감소시킨다. 일부 실시예에서, UBM 전도성 보호 층이 또한 구리 확산 장벽 층이기 때문에, 층 내의 구리 확산 장벽 서브층(sub-layer)이 제거될 수 있다. 이들 실시예에서, 구리와 잘 접촉하는 폴리이미드와 같은 폴리머가 이용된다. 추가로, 표면 플라즈마 처리는 폴리머의 표면 상에 구리 확산 장벽 층을 생성하는 것을 필요로 할 수 있다. 일부 다른 실시예에서, 금속 범프가 비도금 프로세스에 의해 성막되고 금속 범프가 구리로 형성되지 않으면, UBM 층은 필요하지 않다.
일부 실시예에서, 기판 상에 범프 구조체가 제공된다. 범프 구조체는 기판 상의 복합 전도성 층을 포함하고, 복합 전도성 층은 전도성 베이스 층 상의 전도성 보호 층을 포함한다. 전도성 보호 층 및 전도성 베이스 층을 전도성 베이스 층의 산화를 방지하는 시스템 내에서 성막한다. 복합 전도성 층은 전도성 베이스 층에 대한 물질보다 공기 또는 물의 존재에 거의 산화되기 더 어려운 물질로 형성된다. 범프 구조체는 또한 복합 전도성 층 상의 유전체 층 및 유전체 층 상의 폴리머 층을 포함한다. 범프 구조체는 금속 범프를 더 포함하며, 금속 범프는 포토레지스트 층의 제2 개구부를 채운다. 제2 개구부는 복합 전도성 층의 전도성 보호 층과 접촉하기 위해 폴리머 층 내에 생성된 제1 개구부 상에 형성되며, 금속 범프는 전도성 보호 층과의 강한 본딩을 형성한다.
다른 실시예에서, 기판 상에 범프 구조체가 제공된다. 범프 구조체는 기판 상의 복합 전도성 층을 포함하고, 복합 전도성 층은 전도성 베이스 층 상의 전도성 보호 층을 포함한다. 전도성 보호 층 및 전도성 베이스 층을 전도성 베이스 층의 산화를 방지하는 시스템 내에 성막하며, 복합 전도성 층은 전도성 베이스 층에 대한 물질보다 공기 또는 물의 존재에 거의 산화되기 더 어려운 물질로 형성된다. 범프 구조체는 또한 복합 전도성 층 상의 유전체 층 및 유전체 층 상의 폴리머 층을 포함한다. 범프 구조체는 구리 범프를 더 포함하며, 구리 범프는 포토레지스트 층의 제2 개구부를 채우며, 제2 개구부는 복합 전도성 층의 전도성 보호 층과 접촉하기 위해 폴리머 층 내에 생성된 제1 개구부 상에 형성된다. 구리 범프는 폴리머 층과 포토레지스트 층 사이의 계면 및 제1 개구부의 표면을 라이닝하는 UBM(under bump metallurgy) 층을 포함하며, UBM 층은 전도성 보호 층과의 강한 본딩을 형성한다.
또 다른 실시예에서, 기판 상에 범프 구조체를 제작하는 방법이 제공된다. 본 방법은 기판 상에 복합 전도성 층을 형성하는 것을 포함하며, 복합 전도성 층은 전도성 베이스 층과 전도성 보호 층을 포함한다. 전도성 보호 층은 기판을 공기 또는 물에 노출시킴이 없이 전도성 베이스 층 바로 뒤에 성막된다. 본 방법은 또한 복합 전도성 층 상에 유전체 층을 성막하고, 유전체 층 상에 폴리머 층을 성막하는 것을 포함한다. 본 방법은, 유전체 층과 폴리머 층을 관통하여 에칭함으로써 구리 필라 범프에 대한 제1 개구부를 형성하는 것과, UBM(under bump metallurgy) 층을 성막하는 것을 더 포함한다. UBM 층은 구리 시드 층을 포함한다. 추가로 본 방법은 기판 상에 포토레지스트 패턴을 형성하는 것을 포함하며, 포토레지스트는 제1 개구부 상의 제2 개구부를 한정하게 한다. 추가로 본 방법은 금속 필라 범프 층을 성막하는 것을 포함하며, UBM 층과 금속 필라 범프 층 양쪽 모두는 범프 구조체의 부분이다.
당해 기술 분야의 숙련된 자에게 명백한 여러 변형, 변경 및 수정이 개시된 방법 및 시스템의 배치, 동작 및 세부 내용에서 이루어질 수 있다. 상술한 발명이 이해의 명료화를 위한 목적으로 보다 자세히 설명되었지만, 특정 변경 및 수정이 첨부된 범위 내에서 실행될 수 있음이 명백하다. 따라서, 본 실시예들은 예시적인 것으로서 제한을 위한 것으로 간주되지 않으며, 본 발명은 여기 주어진 세부 내용으로 한정되지 않으며, 첨부된 청구범위의 범위 및 등가물 내에서 수정될 수 있다.
100: 범프 형성 영역
101: 반도체 기판
105: 전도성 층
108: 전도성 보호 층
109: 유전체 층
110 : 폴리머 층
111 : UBM 층

Claims (10)

  1. 기판 상의 범프 구조체에 있어서,
    기판 상의 복합 전도성 층 - 상기 복합 전도성 층은 전도성 베이스 층 상의 전도성 보호 층을 포함하며, 상기 전도성 보호 층 및 상기 전도성 베이스 층은 상기 전도성 베이스 층의 산화를 방지하는 시스템 내에서 성막되며, 상기 복합 전도성 층은 상기 전도성 베이스 층에 대한 물질보다 공기 또는 물의 존재에 산화되기 더 어려운 물질로 형성됨 - 과,
    상기 복합 전도성 층 상의 유전체 층 - 이 유전체 층 내에 제1 개구부가 형성됨 - 과,
    상기 유전체 층 상의 폴리머 층 - 이 폴리머 층은 상기 제1 개구부를 통해 상기 복합 전도성 층의 전도성 보호 층과 접촉하고, 상기 폴리머 층 내에 제2 개구부가 형성되며 이 제2 개구부는 상기 제1 개구부 내에 위치하는 것임 - 과,
    금속 범프 - 상기 금속 범프는 상기 폴리머 층의 상기 제2 개구부와 상기 폴리머 층 위에 있는 포토레지스트 층의 제3 개구부를 채우고, 상기 제3 개구부는 상기 복합 전도성 층의 전도성 보호 층과 접촉하기 위해 상기 제2 개구부 상에 형성되며, 상기 금속 범프는 상기 전도성 보호 층과의 강한 본딩을 형성함 -
    를 포함하는 범프 구조체.
  2. 제1항에 있어서, UBM(under bump metallurgy) 층이 상기 폴리머 층과 상기 포토레지스트 층 사이의 계면 및 상기 제2 개구부의 표면을 라이닝하고,
    상기 UBM 층은 상기 금속 범프의 부분인 것인 범프 구조체.
  3. 제1항에 있어서, 상기 복합 전도성 층은 금속 패드, 포스트 패시베이션 상호접속(post passivation interconnect; PPI) 층, 또는 상단 금속 층인 것인 범프 구조체.
  4. 기판 상의 범프 구조체에 있어서,
    기판 상의 복합 전도성 층 - 상기 복합 전도성 층은 전도성 베이스 층 상의 전도성 보호 층을 포함하며, 상기 전도성 보호 층 및 상기 전도성 베이스 층은 상기 전도성 베이스 층의 산화를 방지하는 시스템 내에서 성막되며, 상기 복합 전도성 층은 상기 전도성 베이스 층에 대한 물질보다 공기 또는 물의 존재에 산화되기 더 어려운 물질로 형성됨 - 과,
    상기 복합 전도성 층 상의 유전체 층 - 이 유전체 층 내에 제1 개구부가 형성됨 - 과,
    상기 유전체 층 상의 폴리머 층 - 이 폴리머 층은 상기 제1 개구부를 통해 상기 복합 전도성 층의 전도성 보호 층과 접촉하고, 상기 폴리머 층 내에 제2 개구부가 형성되며 이 제2 개구부는 상기 제1 개구부 내에 위치하는 것임 - 과,
    구리 범프 - 구리 범프는 상기 폴리머 층의 상기 제2 개구부와 상기 폴리머 층 위에 있는 포토레지스트 층의 제3 개구부를 채우며, 상기 제3 개구부는 상기 복합 전도성 층의 전도성 보호 층과 접촉하기 위해 상기 제2 개구부 상에 형성되며, 상기 구리 범프는 상기 폴리머 층과 상기 포토레지스트 층 사이의 계면 및 상기 제2 개구부의 표면을 라이닝하는 UBM(under bump metallurgy) 층을 포함하며, 상기 UBM 층은 상기 전도성 보호 층과의 강한 본딩을 형성함 -
    를 포함하는 범프 구조체.
  5. 제4항에 있어서, 상기 UBM 층은 구리 시드 층을 포함하는 것인 범프 구조체.
  6. 기판 상의 범프 구조체를 제작하는 방법에 있어서,
    기판 상에 복합 전도성 층을 형성하는 단계 - 상기 복합 전도성 층은 전도성 베이스 층과 전도성 보호 층을 포함하고, 상기 전도성 보호 층은 상기 기판을 공기 또는 물에 노출시킴이 없이 상기 전도성 베이스 층 바로 뒤에 성막됨 -;
    상기 복합 전도성 층 상에 유전체 층을 성막하는 단계;
    상기 유전체 층을 관통하여 에칭함으로써 제1 개구부를 형성하는 단계;
    상기 유전체 층 및 상기 제1 개구부의 하단 표면 상에 폴리머 층을 성막하는 단계;
    상기 폴리머 층을 관통하여 에칭함으로써 구리 필라 범프를 위한 제2 개구부를 형성하는 단계 - 상기 제2 개구부는 상기 제1 개구부 내에 위치하는 것임 -;
    UBM(under bump metallurgy) 층을 성막하는 단계 - 상기 UBM 층은 구리 시드 층을 포함함 -;
    상기 기판 상에 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계 - 포토레지스트는 상기 제2 개구부 상에 제3 개구부를 형성하게 함 -; 및
    금속 필라 범프 층을 성막하는 단계 - 상기 UBM 층과 상기 금속 필라 범프 층 양쪽 모두는 범프 구조체의 부분임 -
    을 포함하는 범프 구조체의 제작 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제3 개구부가 상기 폴리머 층의 노출된 표면을 처리하도록 형성된 후 플라즈마 표면 처리를 수행하는 단계를 더 포함하며,
    상기 플라즈마 표면 처리는 상기 폴리머 층의 노출된 표면과 상기 구리 시드 층의 반응성을 증가시켜 폴리머들의 가교 결합을 일으키며, 상기 가교결합된 폴리머들은 구리 확산에 대한 장벽을 생성하는 것인 범프 구조체의 제작 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 플라즈마 표면 처리는 산소 가스, 질소 가스 또는 산소 가스와 질소 가스 양쪽 모두를 포함하는 플라즈마를 이용하는 것인 범프 구조체의 제작 방법.
  9. 제6항에 있어서, 상기 전도성 보호 층은 공기 또는 물에 노출될 때 상기 전도성 베이스 층 보다 더 낮은 산화 속도를 갖는 것인 범프 구조체의 제작 방법.
  10. 제6항에 있어서, 상기 전도성 보호 층은 상기 전도성 베이스 층과 금속 범프 구조체 사이의 열화를 감소시키는 것인 범프 구조체의 제작 방법.
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