KR101323145B1 - 정전기 보호용 반도체 소자의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 정전기 보호용 반도체 소자의 제조방법은, 전자기기의 입력단에 위치하여 과도전압으로부터 전자기기를 보호하는 정전기 보호용 반도체 소자의 제조방법에 있어서, 실리콘 웨이퍼 또는 글래스 기판으로 이루어지는 베이스 기판 상에 하부 기판을 형성하는 제1 단계; 상기 하부 기판 상면에 일정한 갭을 가지는 한 쌍의 금속 전극을 형성하는 제2 단계; 한 쌍의 상기 금속 전극 상면에 사진 공정을 통하여 전극 패드 영역을 지정하고 상부 기판을 형성하는 제3 단계; 및 소자를 패키지하여 완성하는 제4단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

정전기 보호용 반도체 소자의 제조방법{Manufacturing Method of Semiconductor Device For ESD Protection}

본 발명은 전자 기기의 입출력단에 위치하여 외부에서 유입되는 순간적인 고전압 ESD(Electrostatic Discharge)나 고전류 서지(Surge)로부터 기기를 보호해 주는 정전기 보호용 반도체 소자의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 각종 전자기기나 전기장치는 사용 방법이나 환경에 따라 필연적으로 ESD 신호나 서지 전류에 노출될 수밖에 없고, 따라서 이와 같은 ESD 신호나 서지 전류로부터 장치나 시스템을 보호하기 위하여 ESD 보호소자를 장착하게 된다.

종래에 반도체를 이용한 ESD 보호소자로써 많이 활용되는 것은 제너(Zener) 다이오드인데, 고전압의 ESD나 고전류의 서지로부터 장치나 시스템을 보호하기 위해서는 제너 다이오드의 면적을 충분히 키워야 했고 이에 따라 제너 다이오드의 정전용량 또한 높은 값을 가질 수밖에 없었다.

따라서, 고속으로 동작하는 인터페이스 소자에 이러한 제너 다이오드를 적용하는 경우에 높은 정전용량으로 인하여 보호하고자 하는 인터페이스 소자가 정상적으로 동작할 때 응답 시간을 제한하여 신호 지연이 발생하고 이로 인해 오동작을 유발하게 되는 문제점이 있었다.

이에 낮은 정전용량을 가지면서도 높은 ESD와 서지를 견딜 수 있는 소자가 개발되었는데, 대표적으로 MOV(Metal Oxide Varistor)와 같은 세라믹 계열의 TVS(Transient Voltage Suppressor) 소자나 Polymer TVS 소자 등이 많이 사용되어 왔다. 그러나 세라믹 계열의 TVS 소자나 Polymer TVS 소자는 낮은 정전용량을 가지는 반면에 ESD나 서지 신호를 인가한 후 장치나 시스템에 인가되는 잔류 전압인 클램핑 전압이 매우 높고 또한 높은 누설전류를 유발시켜 이로 인하여 ESD 보호 소자가 장치나 시스템을 열화시키는 원인이 되는 문제점이 있었다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 반도체 미세공정 기술을 이용하여 전극간 갭 간격을 매우 좁게 구현함으로써 기존의 세라믹 계열의 TVS 소자나 Polymer TVS 소자와 비교하여 고속 인터페이스 소자를 ESD 신호로부터 효과적으로 보호할 수 있는 수준의 매우 낮은 정전용량과 낮은 누설전류 및 잔류전압 특성을 갖는 정전기 보호용 반도체 소자의 제조방법을 제공함에 있다.

상술한 기술적 과제를 해결하기 위한 정전기 보호용 반도체 소자의 제조방법은, 전자기기의 입력단에 위치하여 과도전압으로부터 전자기기를 보호하는 정전기 보호용 반도체 소자의 제조방법에 있어서, 실리콘 웨이퍼 또는 글래스 기판으로 이루어지는 베이스 기판 상에 하부 기판을 형성하는 제1 단계; 상기 하부 기판 상면에 일정한 갭을 가지는 한 쌍의 금속 전극을 형성하는 제2 단계; 한 쌍의 상기 금속 전극 상면에 사진 공정을 통하여 전극 패드 영역을 지정하고 상부 기판을 형성하는 제3 단계; 및 소자를 패키지하여 완성하는 제4단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 하부 기판은 유전체 필름을 박판 적층하여 형성하거나, 산화막 또는 질화막을 25㎛ 이상의 두께로 증착하여 형성하도록 한다.

그리고, 한 쌍의 상기 금속 전극은 상기 하부 기판 상면에 시드 메탈을 증착한 후 사진 공정과 전기 도금 방식을 통해 형성하는데, 한 쌍의 상기 금속 전극 사이에 미세한 갭을 형성하기 위하여 네거티브 포토 레지스트 방식을 이용한 사진 공정을 통하여 형성하는 것이 바람직하다.

또한, 이와 같이 한 쌍의 상기 금속 전극에 의하여 형성된 갭의 상부에는 감광 물질을 이용하여 상부 기판을 형성하여 갭 내부에 공기가 충진되도록 한다.

한편, 상기 제4단계는 실리콘 웨이퍼 또는 글래스 기판을 제거한 후 세선용접을 통해 플라스틱 패키지하는 방법으로 진행하거나, 실리콘 웨이퍼 또는 글래스 기판을 제거하지 않고 상기 전극 패드 영역 상에 금속 범핑 패드를 형성하여 칩 스케일 패키지하는 방법으로도 진행할 수 있다.

본 발명은 반도체를 이용하여 정전기 보호용 소자를 제조함에 있어서 반도체 미세공정을 적용하여 하부 기판의 상면에 형성되는 한 쌍의 금속 전극 간의 갭 간격을 매우 좁게 형성함으로써 기존의 세라믹이나 Polymer 소자가 갖은 높은 잔류 전압 특성을 획기적으로 낮추고, 실리콘 기반의 소자와 비교하여 정전용량을 크게 낮출 수 있는 장점이 있을 뿐만 아니라, 하부 기판을 고가의 세라믹 계열 기판을 대체하여 저가의 유기체 필름 등을 사용하고 에어 갭을 형성하는 기판도 감광 물질을 적용하여 형성함으로써 공정을 단순화하여 제조 단가를 획기적으로 줄일 수 있는 다른 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 정전기 보호용 반도체 소자 제조방법의 공정도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 정전기 보호용 반도체 소자의 구조도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 정전기 보호용 반도체 소자의 구조도이다.

이하, 첨부된 도면을 통하여 본 발명의 일실시예를 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 정전기 보호용 반도체 소자 제조방법의 공정도이다.

도 1을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 정전기 보호용 반도체 소자의 제조방법을 설명하도록 한다.

먼저 도 1(a)와 같이 실리콘 웨이퍼 또는 글래스 기판으로 이루어지는 베이스 기판(100)의 상부에 하부 기판(200)을 형성하도록 한다.

이때, 상기 하부 기판(200)은 고가의 세라믹 계열 기판으로 형성할 수도 있지만, 폴리이미드(Polyimide)나 폴리에스테르(Polyester)와 같은 유전체 필름(Dielectric Film)을 박판으로 적층하여 형성하는 것이 제조단가를 줄일 수 있어 보다 바람직할 것이다.

또한, 상기 유전체 필름을 대신하여 산화막이나 질화막을 두껍게 증착하여 사용할 수도 있는데, 이 경우 상기 산화막이나 질화막의 두께는 최소 25㎛ 이상으로 형성하는 것이 좋다.

이와 같이 형성된 상기 하부 기판(200)의 상면에 시드 메탈(210)을 얇은 두께로 증착시키게 된다(도 1(b)).

이후 전기 도금 방식을 통하여 금속 전극(240)을 형성하도록 하는데, 한 쌍의 금속 전극(240)이 미세한 갭 간격을 가지도록 하여야 하기 때문에 사진 공정을 통하여 진행하도록 한다.

즉, 먼저 포토 레지스트(220)와 포토 마스크(230)를 이용하여 네거티브 방식으로 전기 도금할 영역을 지정한다(도 1(c)). 그 다음에 전극을 형성할 영역에 전기 도금을 실행하여 두꺼운 한 쌍의 금속 전극(240)을 형성시키고(도 1(d)), 상기 포토 레지스트(220)와 그 하단의 시드 메탈(210)을 제거하도록 한다(도 1(e)).

한 쌍의 상기 금속 전극(240) 사이에서 형성된 갭의 상부를 밀폐하기 위하여 감광 물질(300)을 상기 금속 전극(240)의 상부에 도포하도록 한다(도 1(f)). 그리고, 사진 공정을 통하여 전극 패드 영역(250)이 형성될 부분의 상기 감광 물질(300)을 포토 마스크(230)를 통해 제거하게 되고, 갭 상부에 남아 있는 상기 감광 물질(300)은 상부 기판(300)의 역할을 하게 된다(도 1(g)).

이후 베이스 기판(100)으로 사용된 실리콘 웨이퍼 또는 글래스 기판을 분리한 후 절삭 연마 공정을 행하고 세선용접(Wire Bonding)을 통해 플라스틱 패키지하여 소자를 완성하게 된다(도 1(h)).

이와 같은 공정을 통하여 제조된 정전기 보호용 반도체 소자의 기본 구조는 도 2에 도시되어 있다. 도 2에 나타난 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 정전기 보호용 반도체 소자는 상기 하부 기판(200)의 상면에 한 쌍의 상기 금속 전극(240)이 형성되어 있으며, 인접한 한 쌍의 상기 금속 전극(240) 상면에 상기 상부 기판(300)이 형성되어 있는 간단한 구조이다.

ESD 신호가 발생하여 소자로 인가되는 경우에 한 쌍의 상기 금속 전극(240) 사이에 형성된 미세한 갭 내에 충진된 공기가 이온화하면서 ESD 신호를 접지단으로 바이패스 시킴으로써 시스템을 보호하게 된다. 이때, 최대한 보호할 수 있는 ESD 신호의 레벨과 잔류 전압 특성 등은 상기 금속 전극(240) 사이의 갭 간격에 의존하게 되는데 반도체 미세공정 기술을 통하여 최적의 간격을 구현할 수 있다.

한편, 도 3에는 정전기 보호용 반도체 소자의 다른 실시예가 도시되어 있다.

도 3에 도시된 정전기 보호용 반도체 소자는 앞서 살펴본 바와 같이 세선용접(Wire Bonding)에 의한 플라스틱 패키지를 형성하는 대신에, 실리콘 웨이퍼나 글래스 기판으로 이루어지는 베이스 기판(100)을 제거하지 않고 전극 패드 영역(250) 상에 범핑 공정을 이용하여 금속 범핑 패드(260)를 형성함으로써 칩 스케일 패키지(Chip Scale Package)를 구현한 것이다

이상에서는 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

100 - 베이스 기판 200 - 하부 기판
210 - 시드 메탈 220 - 포토 레지스트
230 - 포토 마스크 240 - 금속 전극
250 - 전극 패드 영역 260 - 금속 범핑 패드
300 - 상부 기판(감광 물질)

Claims (8)

1. 전자기기의 입력단에 위치하여 과도전압으로부터 전자기기를 보호하는 정전기 보호용 반도체 소자의 제조방법에 있어서,
   실리콘 웨이퍼 또는 글래스 기판으로 이루어지는 베이스 기판 상에 하부 기판을 형성하는 제1 단계;
   상기 하부 기판 상면에 일정한 갭을 가지는 한 쌍의 금속 전극을 형성하는 제2 단계;
   한 쌍의 상기 금속 전극 상면에 사진 공정을 통하여 전극 패드 영역을 지정하고 상부 기판을 형성하는 제3 단계; 및
   상기 실리콘 웨이퍼 또는 글래스 기판을 제거한 후 세선용접을 통해 플라스틱 패키지하는 제4단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 정전기 보호용 반도체 소자의 제조방법.
2. 전자기기의 입력단에 위치하여 과도전압으로부터 전자기기를 보호하는 정전기 보호용 반도체 소자의 제조방법에 있어서,
   실리콘 웨이퍼 또는 글래스 기판으로 이루어지는 베이스 기판 상에 하부 기판을 형성하는 제1 단계;
   상기 하부 기판 상면에 일정한 갭을 가지는 한 쌍의 금속 전극을 형성하는 제2 단계;
   한 쌍의 상기 금속 전극 상면에 사진 공정을 통하여 전극 패드 영역을 지정하고 상부 기판을 형성하는 제3 단계; 및
   상기 실리콘 웨이퍼 또는 글래스 기판을 제거하지 않고 상기 전극 패드 영역 상에 금속 범핑 패드를 형성하여 칩 스케일 패키지하는 제4단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 정전기 보호용 반도체 소자의 제조방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 하부 기판은 유전체 필름을 박판 적층하여 형성되는 것을 특징으로 하는 정전기 보호용 반도체 소자의 제조방법.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 하부 기판은 산화막 또는 질화막을 25㎛ 이상의 두께로 증착하여 형성되는 것을 특징으로 하는 정전기 보호용 반도체 소자의 제조방법.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   한 쌍의 상기 금속 전극은 상기 하부 기판 상면에 시드 메탈을 증착한 후 사진 공정과 전기 도금 방식을 통해 형성되는 것을 특징으로 하는 정전기 보호용 반도체 소자의 제조방법.
6. 제5항에 있어서,
   한 쌍의 상기 금속 전극은 네거티브 포토 레지스트 방식을 이용한 사진 공정을 통하여 미세한 갭을 형성하는 것을 특징으로 하는 정전기 보호용 반도체 소자의 제조방법.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   한 쌍의 상기 금속 전극에 의하여 형성된 갭의 상부에 감광 물질을 이용하여 상부 기판을 형성하여 갭 내부에 공기가 충진되는 것을 특징으로 하는 정전기 보호용 반도체 소자의 제조방법.
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