KR101288790B1 - 플립 칩 반도체 디바이스들을 위한 솔더 범프 구조 및 이의제조 방법 - Google Patents

플립 칩 반도체 디바이스들을 위한 솔더 범프 구조 및 이의제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 일 특징에서, 반도체 기판 위에 배치된 상호 접속층을 포함하는 반도체 디바이스를 제공한다. 패시베이션 층(passivation layer)이 상호 접속층 상에 배치되고 이에 형성된 솔더 범프 지지 개구(solder bump support opening)를 갖는다. 도전성 물질을 포함하는 지지 필라들(support pillars)이 상기 솔더 범프 지지 개구 내에 배치된다.
Figure R1020060094340
패시베이션 층, 상호 접속층, 도전성 물질, 솔더 범프 지지 개구, 반도체 기판

Description

플립 칩 반도체 디바이스들을 위한 솔더 범프 구조 및 이의 제조 방법{Solder bump structure for flip chip semiconductor devices and method of manufacture therefore}
도 1은 본 발명에 의해 제공되는 솔더 범프 구조의 일 실시예를 포함하는 IC의 부분도.
도 2a-2e는 제조의 여러 단계들에서의 본 발명에 의해 제공되는 솔더 범프 구조의 일 실시예의 부분도.
도 3a-3b는 제조의 다른 방법의 여러 단계들에서의 본 발명에 의해 제공되는 솔더 범프 구조의 다른 실시예의 부분도.
도 4a-4d는 제조의 다른 방법의 여러 단계들에서의 본 발명에 의해 제공되는 솔더 범프 구조의 다른 실시예의 부분도.
도 5a-5c는 제조의 다른 방법의 여러 단계들에서의 본 발명에 의해 제공되는 솔더 범프 구조의 다른 실시예의 부분도.
도 6a-6e는 제조의 다른 방법의 여러 단계들에서의 본 발명에 의해 제공되는 솔더 범프 구조의 다른 실시예의 부분도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100: 반도체 디바이스 105: IC
110: 솔더 범프 구조 115: 상호 접속 구조
120: 유전층 122: 패시베이션 층
발명의 기술 분야
본 발명은 일반적으로 반도체 디바이스에 관한 것으로, 특히 플립 칩 적용을 위한 향상된 솔더 범프 구조를 갖는 반도체 디바이스에 관한 것이다.
발명의 배경
플립 칩 기술은 반도체 디바이스들을 기판들에 부착하기 위해 전자업계에 의해 여러 해 동안 사용되었다. 이 기술에서, 디바이스는 기판 위에 유사 범프들에 리플로우 되는 솔더 범프들로 "범프"된다. 솔더는 디바이스와 기판이 리플로우 오븐에서 서로 접촉하여 있을 때 이들 둘 위에서 녹게 된다.
이 방법이 종래의 기술들에 잘 작용하였지만, 업계는 종래의 플립 칩 범프 제조 방법들이 최근의 디바이스들에는 적합하지 않은 지점에 도달하고 있다. 언더범프 금속화(under-bump metallization; UBM) 및 통상적으로 질화탄탈/니켈-바나듐/구리로 구성되는 구성 막 적층의 신뢰도가 문제가 되어 기계적 및 전기적 불량이 이 영역에서 가장 공통적으로 발견된다. UBM은 통상적으로 50 내지 100 마이크론 두께인 솔더에 비해, 1.5 내지 2 마이크론 미만의 총 두께를 가진 2 혹은 3개의 막들로 구성된다. UBM/칩/기판 본드가 기계적으로 그리고 금속학적으로 견실하지 않는다면, MBM 내에서 크랙 및 박리가 발생할 수 있어 디바이스 신뢰도가 나빠질 수 있다.
또한, 디바이스들 및 제조공정에서 리드(lead) 기반 솔더들을 제거하고 집적회로(IC) 칩들을 작업 기판에 전기적으로 부착하는데 사용되는 솔더 범프들을 형성할 때 무연 물질들을 사용하기 시작할 것이 전자업계에서 강조되었다.
이러한 문제를 해결하기 위해서 업계는 최근에 구리 필라 기술로 돌아섰다. 이러한 기술들에서, 패시베이션 층은 최종의 혹은 맨 위의 구리 상호 접속층 위에 침착된다. 그 밑의 상호 접속층을 노출시키기 위해서 패시베이션 층에 개구가 형성되고 배리어(barrier) 층이 그에 침착되고, 이어서 구리 시드 층을 침착시킨다. 이후 포토레지스트(photoresist)가 침착되고 패터닝되고 에칭되어 포토레지스트에 개구를 형성하여 패시베이션 층 내 형성된 개구 내에 배치된 하지의 배리어 층을 노출시킨다. 이 개구를 부분적으로 충전시키기 위해서 구리가 침착된다. 주석 기반 혹은 은-구리-주석 기반의 물질들로 구성된 그룹으로부터의 무연 솔더를 개구의 나머지에 침착시킨다. 포토레지스트를 제거하여, 패시베이션 층 내 개구 내에 배치되어 이를 채우는 단일 필라 구조가 된다.
이러한 디바이스는 현 기술에 있어서는 수락될 수 있으나, 이 구조는 기술들이 계속적으로 축소함에 따라 충분한 기계적 안정성을 갖지 않을 우려가 있다. 이러한 우려의 이유는 이들 구조들에서, 접속에 사용할 수 있는 솔더의 작은 영역만이 있기 때문이다. 이러한 면에서, 리드 또는 리드-프리 솔더가 사용될지에 따라 접합부가 약화될 수 있다. 또한, 본드 영역이 필라의 맨 위의 영역들만으로 국한되기 때문에, 조립 공정 중에 정렬이 약간 잘못된다면, 전기적 개방과 같은 문제들을 일으킬 수 있다.
따라서, 이 기술에서 필요한 것은 위에 논한 종래의 구조들에 연관된 금속학적 우려와 기계적 안정성 우려 둘 다를 해결하는 솔더 범프 구조이다.
발명의 요약
종래 기술의 위에 논한 결함들을 해결하기 위해서, 본 발명은, 일 실시예에서, 반도체 기판 위에 배치된 상호 접속층을 포함하는 반도체 디바이스를 제공한다. 패시베이션 층이 상기 상호 접속층 상에 배치되고 이에 형성된 솔더 범프 지지 개구를 구비한다. 도전성 물질을 포함하는 지지 필라들이 솔더 범프 지지 개구 내에 배치된다.
이것은 다음의 본 발명의 상세한 설명을 당업자들이 더 잘 이해할 수 있게 본 발명의 일 실시예를 개괄하였다. 본 발명의 청구항들의 요지를 이루는 본 발명의 추가의 실시예들 및 특징들을 이하 기술한다. 당업자들은 개시된 개념 및 구체적 실시예를 본 발명의 동일 목적들을 수행하기 위한 다른 구조들을 설계 혹은 수정하기 위한 기초로서 쉽게 사용할 수 있음을 알 것이다. 당업자들은 이러한 동등 구조들은 본 발명의 정신 및 범위 내에 있음을 알 것이다.
본 발명을 더욱 완벽하게 이해하기 위해, 첨부 도면들을 참조하여 설명될 것 이다.
먼저 도 1을 참조하면, 본 발명에 의해 제공된 반도체 디바이스(100)의 일 실시예가 도시되었다. 본 발명에 의해 제공된 구조들은 반도체 제조업계가 급속히 전환하고 있는 플립 칩 기술들에서 특히 유용하다. 플립 칩 기술은 칩들을 기판에 혹은 칩들을 서로 간에 납땜함에 있어 큰 용이함을 제공한다. 또한, 플립 칩 기술은 보다 비용 효율적이다. 실시예에서, 반도체 디바이스(100)는 IC(105)를 포함할 수 있고, 이의 일부가 도시되었다. IC(105)는 통상적인 설계일 수 있으므로, 이의 제조에 대한 상세한 설명은 필요하지 않다. 또한, IC(105)는 어떤 특정 유형의 디바이스 혹은 설계로 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 광전자 디바이스들 혹은 전기기계 디바이스일 수도 있다.
IC(105)의 일부가 솔더 범프 구조(110)에 전기적으로 접속된다. 솔더 범프 구조(110)는 본 발명에 의해 커버되는 일 실시예일 뿐이다. 이외 비제한적 실시예들을 이하 논한다. 전기적 접속은 도시하지 않았으나, 당업자들은 디바이스들이 전기적으로 어떻게 접속될 것인지를 알 것이다. 솔더 범프 구조(110)는 유전층(120)에 형성된 상호접속(115) 위에 배치된다. 상호접속(115)은 다마신 혹은 2중 다마신 상호접속 구조와 같은 통상의 설계이다. 상호접속 구조(115)가 통상적으로 반도체 디바이스(100)의 맨 위의 레벨에 배치되는 최종 금속화 레벨일 것이지만, 이것은 최종 레벨 밑에 배치될 수도 있다.
패시베이션 층(122)은 유전층(120) 위 및 상호접속(115)의 부분 위에 배치된다. 여기서 사용되는, 층은 단일층일 수도 있고 혹은 층들의 적층을 포함할 수도 있다. 패시베이션 층(122)은 도시된 바와 같이 적층으로 구성될 수 있는 점에서 통상의 설계일 수 있다. 실시예가 유전층(120) 상에 직접 배치된 패시베이션 층(122)을 도시하고 있으나, 다른 실시예들에서, 이들 사이에 개재된 층들이 있을 수 있다.
지지 필라들(124)은 패시베이션 층(122)의 두 부분들 사이에 배치된 개구(125) 내에 배치된다. 개구(125)는 후술하는 바와 같이 패시베이션 층(122)의 일부를 제거함으로써 형성될 수도 있고, 혹은 개구(125)는 패시베이션 층(122)의 2개의 개별적인 부분들을 형성함으로써 형성될 수도 있다. 지지 필라들(124)은 도 1에 도시한 실시예와 같이, 옵션으로서의 배리어 층(barrier layer)(124a)을 포함할 수도 있고, 혹은 배리어 층(124a)이 배제될 수도 있다. 도 1에 도시한 실시예에서, 지지 필라들(124)은 UBM(126)을 위한 구조적 지지를 제공하며, 이는 솔더 범프(128)를 위한 지지를 제공한다. 솔더 범프(128)는 리드 기반일 수도 있고, 혹은 주석, 구리 혹은 은, 혹은 이들의 조합을 포함하는 것들과 같은 무연일 수도 있다. 이 실시예에서, UBM(126)의 일부는 지지 필라들(124) 사이에 배치되고 개구(125)를 채운다. 개구(125) 내에 배치되는 복수의 지지 필라들(124)은 전체 디바이스 크기들이 계속하여 축소됨에 따라 단일 필라 기술들에 배해 향상된 지지를 제공할 수 있다. 또한, 사용될 수 있는 물질들은, 솔더 범프(128)에 대해 요구되는 정도의 접속성 및 구조적 지지를 제공하면서, 실질적으로 무연인 시스템들로 옮겨가는 국제적 업계 관심을 해결한다. 본 발명에 의해 커버되는 다른 실시예들의 예들을 개시한다.
도 2a-2e는 본 발명에 의해 제공된 반도체 디바이스(200)의 일 실시예의 제조의 여러 단계들의 부분도들이다. 이들 도면들은 반도체 디바이스(200)의 상부로 제한되어 있다. 도 2a에서, 상호접속(210)은 유전층(212) 내에 형성된다. 상호접속(210)은 통상의 설계이고 통상의 물질들, 이를테면 구리 혹은 알루미늄을 포함할 수 있다. 또한, 상호접속 구조(210)는 다마신 혹은 2중 다마신일 수 있다. 본 실시예에서, 상호접속(210)은 반도체 디바이스(200)를 다른 디바이스들에 접속하는데 사용되는 최종 금속화층일 수 있다. 유전층(212)은 통상의 물질들로 구성될 수 있는 것으로서, 반도체 디바이스(200)의 최종의 유전층 혹은 맨 위의 층인 것으로 도시되었다. 그러나, 상호접속 구조(210)는 반드시 최종의 유전층에 형성될 필요는 없고, 일부 실시예들에서, 이것은 최종 유전층 밑에 배치될 수 있다.
패시베이션 층(214)은 유전층(212) 상에 배치된다. 통상의 공정들 및 물질들이 패시베이션 층(214)을 제조하는데 사용될 수 있다. 예를 들면, 패시베이션 층(214)은 질화실리콘/이산화실리콘/질화실리콘의 적층된 층들, 혹은 통상의 공정들을 사용하여 침착되는 이들의 조합들로 구성될 수 있다. 개구(216)는 패시베이션 층(214)에 형성된다. 일 실시예에서, 패시베이션 층(214)는 통상적으로 이에 개구(216)를 형성하게 패터닝된다. 개구(216)는 도시된 바와 같이 단일 연속한 개구일 수도 있고, 혹은 다른 실시예들에서, 후술하는 바와 같이 세그먼트될 수도 있다. 또 다른 실시예에서, 패시베이션 층(214)은 개구(216), 혹은 지지 필라들(224)이 배치되는 두 개의 서로 대향한 패시베이션 층들(214) 사이의 간격을 제공하도록 형성된다.
패시베이션 층(214)에 개구(216)의 형성에 이어, 희생층(218)이 도시된 바와 같이 패시베이션 층(214) 상에 그리고 개구(216) 내에 침착된다. 희생층(218)은 스핀 온 공정들 혹은 화학기상증착(CVD) 공정들과 같은 통상의 기술들에 의해 침착되는, 스핀 온 글래스, 산화물들, 질화물들, 이산화실리콘, 혹은 이들의 조합들 등의 통상의 물질들로 구성될 수 있다.
도 2b에서, 희생층(218)은 개구(216) 내에 세그먼트들(218a)을 형성하도록 패터닝된다. 리소그래픽(lithographic) 및 이후의 에칭 공정들과 같은 통상의 공정들이 세그먼트들(218a)을 형성하는데 사용될 수 있다. 패터닝 공정은 하지의 상호접속(210)을 노출시킨다. 또한, 희생층(218)의 일부는 개구(216)의 측부들 상에 잔류하고 후속하여 형성되는 지지 필라들에 대한 오프셋으로서 작용하는 것에 유의한다.
적합한 세정 단계들에 이어서, 옵션으로서의 배리어 층(220)이 희생층(218) 및 세그먼트들(218) 상에 그리고 도시된 바와 같이 개구 내에 침착된다. 배리어 층(220)은 탄탈/질화탄탈/(Ta/TaN), 티탄/질화티탄(Ti/TiN), 혹은 이들의 조합들과 같은 통상의 물질들로 구성될 수 있고, 물리기상증착(PVD) 혹은 CVD 공정들과 같은 통상의 침착 공정들을 사용하여 침착될 수 있다. 배리어 층(220)은 후속되는 침착되는 물질들의 부착을 촉진시키고 또한 서로 다른 물질들간의 확산을 제지한다.
알루미늄과 같은 도전성 물질(222)은 배리어 층(220) 위에, 그리고 세그먼트들(218a) 사이에, 그리고 개구(216) 내에 침착된다. 이 단계를 달성하기 위해서 통상의 침착 공정들이 사용될 수 있다.
도 2c에 도시한 구조에 도달하기 위해서 과잉의 도전성 물질 및 세그먼트들(218a)의 맨 위에 배치된 배리어 층(220)의 부분을 제거하기 위해서 통상의 화학/기계 평탄화(CMP) 공정이 사용될 수 있다. CMP 공정에 이어서, 패시베이션 층(214) 상에 그리고 개구(216) 내에 있는 희생층(218)을 제거하기 위해 통상의 에칭이 수행될 수 있다. 이에 따라 도 2d에 도시한 개구(216) 내에 개개의 지지 필라들(224)의 형성된다. 위에 언급된 바와 같이, 배리어 층(220)을 포함하는 이들 실시예들에서, 배리어 층(220)은 지지 필라들(224)의 부분을 형성하는 것으로 생각될 수 있다. 지지 필라들(224)은 와플 모양의 패턴 혹은 그 외 패턴으로 트렌치 형상들을 구성할 수 있고, 혹은 이들은 본 실시예에서 제시되는 바와 같을 수 있다. 개구(216)의 측부들 상에 배치된 희생층이 있음으로 해서, 개구(216)의 측부들에 인접한 단부 지지 필라들(224)은 측부들로부터 오프셋된다.
도 2e는 티탄, 니켈/바나듐-구리, 혹은 구리/크롬과 같은 금속이 패시베이션 층(214) 상에 그리고 지지 필라들(224) 사이에 블랭킷 침착 후에 도 2b의 반도체 디바이스(200)를 도시한 것이다. 이어서 금속이 패터닝되고, 일 실시예에서, UBM 구조(226)를 형성하기 위해 습식에칭이 행해질 수 있다. 무연 물질로 구성될 수 있는 솔더 범프(228)가, 도시된 바와 같이, UMB 구조(226) 상에 침착될 수 있다. 이들 단계들을 달성하기 위해서 통상의 공정들이 사용될 수 있다.
UBM 구조(226)를 형성하는 금속의 에칭 동안에, 지지 필라들(224)은 금속에 의해 보호되고, 지지 필라들(224)이 배리어 층(220)에 의해 보호되기 때문에 습식에칭에 의해 언더-컷(under cut)되는 것으로부터 보호되며, 이는 종래 기술의 공정들에서는 해당되지 않는 것이다.
지지 필라들(224)은 종래의 솔더 범프 구조들 위에 향상된 구조적 지지를 제공한다. 또한, 지지 필라들(224) 사이에 UBM 구조(226)가 배치되어, 이들 두 특징들의 조합은 종래 기술 시스템들에 의해 제공된 것 위에 부가된 구조적 지지를 원조하며 무연 솔더들이 사용될 수 있는 물질 시스템을 제공한다. 또한, 이러한 구성은 표면적을 증가시키며 솔더 범프(228)의 보다 우수한 구조적 지지 및 보다 나은 기계적 앵커링(anchoring)을 제공한다.
이 실시예에 의해 제공되는 또 다른 이점은 지지 필라들(224)이 알루미늄을 포함하는 이들 실시예들에서, UBM 구조(226)는 알루미늄 지지 필라들을 캡슐화하여 산화를 방지한다는 것이다. 이에 따라, 종래 기술 공정들에서 발생하는 알루미늄의 산화가 회피되거나 실질적으로 감소도리 수 있다. 산화는 산화물이 물질들간 금속학적 본드들을 약하게 할 수 있어 기계적 안정성을 약하게 할 수 있으므로 바람직하지 못하다. 또한, 많은 종래 기술의 공정들은 하나는 구리의 상부에 또 하나는 알루미늄 패드를 보호하기 위해서 두 레벨들의 패시베이션을 필요로 한다. 이러한 실시예로, 필요한 모든 것은 UBM 구조(226)가 패터닝되므로 하나의 웨이퍼 패시베이션이며, 이는 비용 절감, 적은 수의 공정단계들, 따라서 향상된 수율을 가져온다.
도 3a는 본 발명에 의해 제공되는 반도체 디바이스(300)의 또 다른 실시예를 도시한 것이다. 구조들은 도 2a-2f에 도시한 실시예들에 관하여 위에 기술한 것들과 동일할 수 있다. 따라서, 유사 참조부호들은 대응 구조들을 지칭하는데 사용된다. 도 3a는 지지 필라들(324)이 도 2a-2d에서 앞에서 기술한 바와 동일하게 제조가 된 제조 지점에서 도시한 반도체 디바이스(300)를 도시한 것이다. 그러나, 이 실시예에서, 지지 필라들(324)를 형성하는데 사용되는 금속은 Ta/TaN, Ti/TiN 혹은 이들의 조합을 포함하는 배리어 층들(320)을 가진 구리이다. 구리의 침착 후에, 당업자에 알려진 CMP 기술들이 다른 실시예들에 관하여 위에 기술된 바와 같이 과잉 구리를 제거하여 이를 평탄화하기 위해 사용될 수 있다. 이어서 희생층이 제거된다.
최종 패시베이션 층일 수도 있는 제2 패시베이션 층(326)은 통상적으로 패시베이션 층(314)상에 그리고 지지 필라들(324) 상에 그리로 이들 사이에 침착된다. 지지 필라들(324) 상에 배치된 제2 패시베이션 층(326)의 부분을 제거하기 위해 통상의 공정들이 사용될 수 있다. 여기서 예외는 개구(316)의 측부들 및 단부 지지 필라들(324)의 측부들 사이에 배치되는 그 부분이 잔류하도록 제2 패시베이션 층(326)이 패터닝되는 것이다. 이것은 단부 지지 필라들의 측부들을 캡슐화하며 이들을 산화 공정 및 후속되는 에칭 공정으로부터 보호한다.
제 2 패시베이션 층(326)의 패터닝에 이어, 도 3b에 도시한 바와 같이, UBM(328)을 형성하기 위해 금속층이 침착되고 패터닝된다. 앞에 논한 실시예들에서 사용되는 동일 공정들 및 물질들이 여기서도 사용될 수 있다. UBM(328)은 제2 패시베이션 층(326)을 중첩하며 지지 필라들(324) 사이에 배치된다. 이어서 솔더 범프(330)는 다른 실시예들에 관하여 논의되는 바와 같이 UBM(328)에 침착된다.
이전의 실시예에서와 같이, 지지 필라들(324)은 종래의 구조들에 비해 향상된 지지를 제공한다. 그러나, 지지 필라(324)와 연관된 구조의 이점은 UBM(328)과 조합될 때 더욱 향상된다. 더욱이, 이러한 구성은 표면적을 증가시키며 솔더 범프(330)의 보다 우수한 구조적 지지 및 보다 나은 기계적 앵커링을 원조한다.
도 4a-4d는 본 발명에 의해 제공되는 반도체 디바이스(300)의 또 다른 실시에를 도시한 것이다. 구조들은 배리어 층(320)이 생략된 것을 제외하고, 도 3a-3b에 도시한 실시예들에 관하여 위에 기술한 것들과 동일할 수 있다. 이러하므로, 유사 참조부호들은 대응 구조들을 지칭하는데 사용된다. 도 4a는 도 3a에 도시한 구조에 도달하기 위해 사용되었던 것과 동일한 공정들을 사용하여 달성될 수 있다. 즉, 구리 지지 필라들(424)은 개구(416)에 형성된다. 제1 희생층은 패시베이션 층(414) 상에 침착되고 패터닝된다. 이어서 구리와 같은 금속이 패턴 내에 침착되고 희생층이 제거된다. 구리는 개재되는 배리어 층이 없이 상호접속(410) 상이 직접 침착된다. 그러나, 이 실시예는 배리어 층의 사용을 배제하지 않는다. 최종 패시베이션 층일 수 있는 제2 패시베이션 층(426)이 침착되고 제2 패시베이션 층(426)의 일부가 단부 지지 필라들(422)과 개구(416)의 측부들 사이에 잔류하도록 패터닝된다.
도 4b에 도시한 바와 같이, 배리어 층(428)이 제2 패시베이션 층(426) 상에 그리고 지지 필라들(424) 상에 그리고 이들 사이에 침착된다. 배리어 층(428)은 통상의 침착 공정들을 사용하여 침착되고 Ta/TaN, Ti/TiN 혹은 이들의 조합들과 같은 물질들을 포함할 수 있다.
도 4c에서, 배리어 층(428)의 침착 후에, 지지 필라들(424)을 포함하는 것과는 다른 금속층(430)은, 도시된 바와 같이, 반도체 디바이스(400) 상에 블랭킷 침착되고 패터닝된다. 일 실시예에서, 금속은 알루미늄을 포함한다. 알루미늄의 사용은 솔더 범프 구조에 친숙도를 가져오며, 따라서 어떤 제조업자들에 보다 바람직할 수 있다. 그러나, 본 발명은 알루미늄의 사용으로 한정되는 것은 아니다. 금, 은, 혹은 구리와 같은 다른 도전성 금속들도 사용될 수 있다. 알루미늄이 사용되는 실시예들에서, 배리어 층(428)은 알루미늄과 구리간의 확산을 방지한다. 금속층(430)이 구리 혹은 구리가 쉽게 내부에 확산할 수 있는 금속을 포함할 수 있는 다른 실시예들에서, 배리어 층(428)을 생략할 수 있다.
이어서 금속층(430)이 에칭된다. 금속층(430)은 제2 패시베이션 층(426)에 중첩하고 지지 필라들(424)을 완전히 캡슐화한다. 대안적 실시예에서, 금속층(430)은 CMP 공정을 사용하여 제거될 수 있다. 이러한 실시예들에서, 금속층(430)은 도 4c에 도시한 바와 같이 융기되는 것과는 반대로 제2 패시베이션 층(426)과 실질적으로 동일 면이 될 것이다.
도 4d를 참조하면, 금속층(430)의 에칭이 완료된 후에, 적합한 세정 단계들이 행해지고 UBM(432)이 금속층(430) 상에 형성된다. UBM(432)은 금속층(430) 상에 형성된다. UBM(432)은 위에 기술한 바와 같이 제조될 수 있다. UBM(432)는 금속층(430)을 캡슐화하고, 그럼으로써 이를 UBM(432)의 형성동안 언더컷되는 것으로부터 보호하고 이를 산화로부터 보호한다. UBM(432)의 완성 후에, 솔더 범프(434)가 UBM(432)에 침착될 수 있다. 통상의 공정들이 사용될 수 있으며 솔더는 무연 솔더일 수 있다. 도 4e에 도시한 결과적인 구조는 위에 논의한 다른 실시예들에서와 동일한 구조적 및 물질적 이점들을 제공한다.
도 5a-5c는 본 발명에 의해 제공되는 반도체 디바이스(500)의 또 다른 실시예를 도시한 것이다. 다른 것이 언급되지 않는 한, 이전 실시예들에서의 구성성분들과 유사한 구성성분들을 제작하는데 사용되는 공정들 및 물질들은 유사하거나 동일할 수 있다. 이 실시예는 이전 실시예들에서처럼 UBM을 포함하지 않는 구조적으로 견실한 솔더 구조를 형성하는 것에 관한 것이다. 그럼에도 불구하고, 이 특정 실시예는 위에 논의한 다른 실시예들과 연관된 동일한 구조적 및 물질적 이점을 제공한다. 또한, 이 실시예는 칩들을 적층하는 것을 포함하여, 플립 칩 응용들에서 매우 유용하다.
도 5a에서, 상호접속(510)은 유전층(512) 내에 위치하고, 패시베이션 층(514)는 유전층(512) 상에 배치된다. 이 실시예에서, 패시베이션 층(514)은 포토레지스트(photoresist)로 패터닝되고 개구(516) 내에 세그먼트들(514a)를 형성하기 위해 에칭되며, 이는 하지의 상호접속(510)을 노출시킨다. 종래의 리소그래피 공정들이 패시베이션 층(514)을 패터닝하기 위해 이용될 수 있다. 선택적인 배리어 층(518)은 패시베이션 층(514) 상에 침착될 수 있다. 배리어 층(518)은 Ti, TiN, Ta, Ta/N, Ni, Cr, 등으로 구성될 수 있다. 통상의 공정들, 이를테면 PVD 혹은 CVD가 배리어 층(518)을 침착시키는데 사용될 수 있다. 배리어 층(518)의 침착에 이어 금속층(520)이 침착된다.
하나의 유리한 실시예에서, 금속층(520)은 금이지만, 그 외 다른 귀금속들, 이를테면 은 및 백금도 사용될 수 있다. 금이 금속으로서 선택되었을 때, 금 시드 층이 먼저 배리어 층(518) 상에 침착되고, 이어서 도 5a에 도시한 구조에 구조를 얻기 위해서 세그먼트들(514a) 사이에 배치된 개구들을 채우기 위해 금을 전기도금한다. 금속층(520)의 형성 후에, 도 5a의 반도체 디바이스(500)에 CMP 공정을 행하여 금속층(520) 및 배리어 층(518)의 과잉의 부분들을 제거하여 도 5a에 도시한 구조를 얻는다.
포토레지스트층(522)이 금속층(520) 상에 침착되고 도 5b에 도시한 구조를 얻기 위해 패터닝된다. 포토레지스트층(522)을 형성하는데 사용되는 공정들 및 물질들은 통상적이다. 포토레지스트층(522)은 포토레지스트 내 개구들(522a)이, 섹션화된 금속층(520)에 실질적으로 상응하게 혹은 이에 일치하게 패터닝된다. 포토리소그래피(photolithography) 공정들에 편차들이 있다면, 개구들(522a) 밑의 대응하는 섹션화된 금속층(520)에 관한 이들 개구들의 정렬은 수락가능한 량만큼 오프셋될 수도 있다.
금속층(520)의 합금은 통상적으로, 예를 들면, 전기도금에 의해서 블랭킷 침착되었으며 확장부(524)를 형성하게 평탄화되었다. 일 실시예에서, 금속층(520)이 금인 경우, 합금은 예를 들면 금/주석(Au/Sn), 금/게르마늄(Au/Ge), 혹은 금/실리콘(Au/Si)를 포함할 수 있다. 이러한 실시예들에서, Au/Sn은 Sn이 합금의 약 28wt.%를 포함하고 약 280℃의 융점을 갖는 조성을 가질 수 있으며, Au/Ge는 Ge가 합금의 약 12wt.%를 포함하고 약 356℃의 융점을 갖는 조성을 가질 수 있다. 합금이 Au/Si인 실시예에서, Si는 합금의 약 6wt.%를 포함하고 약 370℃의 융점을 갖는 조성을 가질 수 있다. 확장부(524)를 형성하는데 사용되는 합금의 평탄화에 이어, 확장부들(524)이 위에 배치된 지지 필라들(526)을 포함하는 도 5c에 도시한 구조를 얻기 위해서 포토레지스트층(522)이 제거된다.
확장부들(524)은 기판에 본딩하는데 사용할 수 있는 특징들을 제공한다. 도 5c에 도시한 실시예는 표면적이 매우 제한된 휴대 디바이스들 혹은 이동 디바이스들에 사용되는 것들과 같은, 매우 소형의 폼 팩터들을 갖는 디바이스들에 유용하다. 또한, 금 합금은 낮은 온도들에서 녹으며 기판에 쉽게 메이트하고 열적으로 그 리고 전기적으로 매우 좋은 도체이다. 금은 예를 들면 큰 전류들이 지지 필라들(526)을 통과해야 하는 고전압 디바이스들에서, 좋은 전기적 및 열적 전도율을 요구하는 디바이스들에서 또한 매우 유용하다. 패시베이션 층(514)은 전류가 통과하지 않을 수 있는 유전체로서 작용한다. 이 실시예에서, 추가의 패시베이션을 위해 별도의 단계들을 필요로 하지 않는다. 또한, 금은 금에 도금되고 있기 때문에, UBM은 전혀 필요하지 않다.
도 5a-5c에 도시한 실시예에와 어떤 면들에서 유사한 또 다른 실시예가 도 6a-6e에 도시되었다. 도 6a에서, 상호접속(610)이 유전층(612)에 배치되고, 패시베이션 층(614)이 유전층(612) 상에 배치된다. 희생층(615)이 포토레지스트를 사용해 패터닝되고 개구(616) 내에 세그먼트들(614a)을 형성하게 에칭되어 하지의 상호접속(610)을 노출시킨다. 희생층(615)을 패터닝하기 위해 통상의 리소그래피 공정들이 사용될 수 있다. 이어서, 옵션으로서의 배리어 층(618)이 희생층(615) 상에 침착될 수 있다. 배리어 층(618)은 도 5a-c에 관하여 논한 실시예들에서 채용된 것과 동일한 것일 수 있다. 배리어 층(618)의 침착에 이어 금속(620)이 침착된다.
금속층(520)은 금이지만, 그 외 다른 귀금속들, 이를테면 은 및 백금도 사용될 수 있다. 금이 금속으로서 선택되었을 때, 금 시드 층이 먼저 배리어 층(618) 상에 침착되고, 세그먼트들(614a) 사이에 배치된 개구들을 채우기 위해 금을 전기도금한다. 금속층(620)의 형성 후에, 반도체 디바이스(600)에 CMP 공정을 행하여 금속층(620) 및 배리어 층(618)의 과잉의 부분들을 제거하여 도 6a에 도시한 구조를 얻는다.
포토레지스트층(622)이 금속층(620) 상에 침착되고 도 6b에 도시한 구조를 얻기 위해 패터닝된다. 포토레지스트층(622)을 형성하는데 사용되는 공정들 및 물질들은 통상적이다. 포토레지스트층(622)은 포토레지스트 내 개구들(622a)이, 섹션화된 금속층(620)에 실질적으로 상응하게 혹은 이에 일치하게 패터닝된다. 포토리소그래피 공정들에 편차들이 있다면, 개구들(622a) 밑의 대응하는 섹션화된 금속층(620)에 관한 이들 개구들의 정렬은 수락가능한 량만큼 오프셋될 수도 있다.
도 6c에서 금속층(620)의 합금은 통상적으로, 예를 들면, 전기도금에 의해서 블랭킷 침착되었으며, 포토레지스트(622) 내에 확장부(624)를 형성하게 평탄화되었다. 일 실시예에서, 금속층(620)이 금인 경우, 합금은 도 5a-5c에 관하여 위에 논한 물질들과 동일한 유형을 포함할 수 있다. 확장부(624)를 형성하는데 사용되는 합금의 평탄화에 이어, 도 6c에 도시한 구조를 얻기 위해서 포토레지스트층(622)이 제거된다.
도 6에 도시한 바와 같이 확장부들(624)이 위에 배치된 지지 필라들(626)을 형성하는 희생층(615)이 또한 제거된다. 도 6d에 도시한 바와 같이, 확장부들(624)을 가진 지지 필라들(626)은 패시베이션 층(614) 위로 적당히 확장된다. 이러한 구성은 더 기계적 안정성이 요구되거나 결합된 디바이스들간에 더 거리가 요구되는 경우 특히 이점이 있다. 따라서, 도 6d에 도시한 반도체 디바이스는 도 6e에 도시한 바와 같이 두 플립 칩들(630, 635)(각각은 도 6d에 도시한 바와 같은 구조와 동일 유형을 갖는다)을 함께 본딩하는 것이 요구될 때 특히 유용하다. 디바이스들은 리플로우되고 각 칩 상의 확장부들(624)이 녹아 서로 본딩됨으로써 두 디바이스들간의 전기적 접속을 제공한다.
도 6e를 계속 참조하면, 하지의 트랜지스터 구조들(660, 665)에 전기적으로 접속되는 솔더 범프 구조들(650, 655)을 포함하는 IC 플립 칩들(640, 645)의 부분도가 도시되었다. 물론, 솔더 범프 구조들(650, 655)은 디바이스들이 적층될 수 있게 플립 칩들에 양 측부들 상에 형성될 수도 있음을 알 것이다. 또한, 솔더 범프 구조의 앞에 기술한 실시예들 중 어느 것이 도시된 본 실시예를 대신하여 사용될 수 있음을 알 것이다. 결과적인 구조의 어셈블리는 디바이스들(640, 645)간의 갭들을 채우기 위해 "언더 필" 혹은 유사 화합물들을 사용하여 완성된다. 당업자들은 IC 플립 칩(640)은 유사 메이팅 특징들을 가진 가요성의 혹은 또 다른 기판에 부착될 수 있음을 알 것이다.
본 발명이 상세히 기술되었지만, 당업자들은 본 발명의 가장 넓은 형태로 발명의 정신 및 범위 내에서 다양한 변경, 대치, 및 변형을 할 수 있음을 알 것이다.
본 발명에 따라, 종래 기술의 상술된 결함들을 해결하기 위해서, 반도체 기판 위에 배치된 상호 접속층을 포함하는 반도체 디바이스가 제공되고, 상술된 종래 구조들에 연관된 금속학적 우려와 기계적 안정성 우려 둘 모두를 해결하는 솔더 범프 구조가 제공된다.

Claims (22)

  1. 반도체 디바이스에 있어서:
    반도체 기판 위에 배치된 상호 접속층;
    상기 상호 접속층 위에 배치되고, 내부에 솔더 범프 지지 개구(solder bump support opening)가 형성되는 제 1 패시베이션 층(passivation layer);
    상기 제 1 패시베이션 층 위에 배치되고, 상기 개구 내에서 상기 제 1 패시베이션 층의 측벽을 따라 확장하는 제 2 패시베이션 층;
    상기 솔더 범프 지지 개구 내에 및 상기 상호 접속층 상에 배치된 지지 필라들(support pillars)로서, 상기 지지 필라들은 도전성 재료를 포함하고, 상기 제 2 패시베이션 층은 상기 지지 필라들 중 적어도 하나와 상기 제 1 패시베이션 층의 측벽 사이에 배치되는, 상기 지지 필라들; 및
    상기 지지 필라들 위에 및 이들 사이에 배치된 언더 범프 금속화(under bump metallization; UBM) 층으로서, 상기 제 2 패시베이션 층 위에 확장하고 상기 제 2 패시베이션 층과 접촉하는 상기 UBM 층을 포함하는, 반도체 디바이스.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 지지 필라들은 상기 상호 접속층 상에 및 상기 지지 필라들 상에 배치되는 배리어(barrier) 층을 포함하는, 반도체 디바이스.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 지지 필라들은 제 1 그룹의 지지 필라들을 형성하고,
    상기 반도체 디바이스는, 상기 솔더 범프 지지 개구 내에 및 상기 제 1 그룹의 지지 필라들 중의 지지 필라들 사이에 배치되고 상기 제 1 그룹의 지지 필라들과 상이한 도전성 재료를 포함하는 제 2 그룹의 지지 필라들을 더 포함하는, 반도체 디바이스.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 UBM 층은 상기 지지 필라들 중 적어도 하나와 상기 제 1 패시베이션 층 내에 형성된 상기 개구의 측벽 사이에 배치되고 상기 개구의 측벽에 접촉하는, 반도체 디바이스.
  10. 삭제
  11. 반도체 디바이스 제조 방법에 있어서:
    상호 접속부가 위에 배치된 반도체 기판을 제공하는 단계;
    상기 상호 접속부 위에 배치된 패시베이션 층 내에 솔더 범프 지지 개구를 생성하는 단계;
    상기 솔더 범프 지지 개구 내에 및 상기 패시베이션 층 위에 희생층을 침착시키는 단계;
    상기 솔더 범프 지지 개구 내에 이격된 희생 포스트(post)들을 형성하기 위해 리소그래픽(lithographic) 및 이후의 에칭 프로세스를 이용하여 상기 희생층을 패터닝(patterning)하는 단계로서, 상기 희생층은 상기 패시베이션 층 위에 배치되고 상기 솔더 범프 지지 개구 내에서 상기 패시베이션 층의 측벽을 따라 확장하는, 상기 희생층 패터닝 단계;
    상기 이격된 희생 포스트들 사이에 및 상기 솔더 범프 지지 개구 내에 도전성 재료를 침착시키는 단계;
    상기 이격된 희생 포스트들을 제거하여, 상기 솔더 범프 지지 개구 내에 지지 필라들을 형성하기 위해 상기 솔더 범프 지지 개구 내에 상기 도전성 재료를 남기는 단계로서, 상기 희생층의 일부는 상기 지지 필라들 중 적어도 하나와 상기 패시베이션 층의 측벽 사이에 배치되고 상기 패시베이션 층 위에 남아있는, 상기 도전성 재료를 남기는 단계; 및
    상기 솔더 범프 지지 필라들 위에 및 이들 사이에 언더 범프 금속화(UBM) 층을 형성하는 단계로서, 상기 UBM 층은 상기 희생층 위에 확장하고 상기 희생층과 접촉하는, 상기 UBM 층 형성 단계를 포함하는, 반도체 디바이스 제조 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 이격된 희생 포스트들을 제거하는 것은 상기 지지 필라들 중 두 개와 상기 패시베이션 층의 측벽 사이에 상기 희생층의 일부를 남기는 단계를 포함하는, 반도체 디바이스 제조 방법.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 UBM 층은 상기 희생층 위에 배치되는, 반도체 디바이스 제조 방법.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 도전성 재료를 침착시키는 단계 이전에, 상기 이격된 희생 포스트들의 노출된 표면들 상에 배리어 층을 형성하는 단계를 더 포함하는, 반도체 디바이스 제조 방법.
  17. 삭제
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