KR101344553B1 - 구리 필러 범프 상의 금속간 화합물의 접착을 위한 방법 및 구조 - Google Patents

구리 필러 범프 상의 금속간 화합물의 접착을 위한 방법 및 구조 Download PDF

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Abstract

Cu 필러 범프 상의 금속간 화합물(IMC)의 우수한 접착을 위한 방법 및 구조를 제공한다. 상기 방법은 Cu를 침착해서 Cu 필러층을 형성하고, 상기 Cu 필러층의 최상부에 확산방지층을 침착하고, 상기 확산방지층의 최상부에 Cu 캡층을 침착하는 것을 포함하는데, 여기에서, 금속간 화합물(IMC)이 상기 확산방지층, 상기 Cu 캡층 및 상기 Cu 캡층의 최상부에 놓인 솔더층 사이에 형성된다. 상기 IMC는 Cu 필러 구조상에서 우수한 접착성을 가지며, 상기 IMC의 두께는 Cu 캡층의 두께에 의해서 제어가능하고, 상기 확산방지층은 Cu가 상기 Cu 필러층에서 상기 솔더층으로 확산되는 것을 제한한다. 상기 방법은 또한 상기 Cu 캡층을 침착하기 전에 상기 확산방지층의 최상부에 습윤성 개선을 위한 박층을 침착하는 것을 포함할 수 있다.

Description

구리 필러 범프 상의 금속간 화합물의 접착을 위한 방법 및 구조{METHOD AND STRUCTURE FOR ADHESION OF INTERMETALLIC COMPOUND (IMC) ON CU PILLAR BUMP}
본 발명은 일반적으로 플립 칩(flip chip) 부착 방법에 대한 것으로, 더욱 상세하게는 Cu 필러 범프(pillar bump)를 사용하는 것에 대한 것이다.
플립 칩(flip chip) 또는 C4(Controlled Collapse Chip Connection)은, 집적회로칩(integrated circuit chip)이나 MEMS와 같은 반도체 장치를 솔더 범프(solder bump)가 칩 패드(chip pad) 상에 침착되어 있는 외부 회로망(external circuitry)과 상호 연결하는 방법이다. 상기 솔더 범프는 최종 웨이퍼 공정 단계 에서 상기 웨이퍼의 최상부면의 칩 패드에 침착된다. 상기 칩을 외부 회로망(가령 회로 기판 또는 다른 칩 또는 웨이퍼)에 장착하려면 이의 최상부면이 아래로 가도록 뒤집어 이의 패드가 외부 회로 상부의 매칭되는 패드와 나란하게 되도록 하고 다음으로 상기 솔더를 플로우시켜(flow) 상호 연결이 완료되도록 한다.
표준 범프(공 형상)를 사용한 종래의 플립 칩 부착 방법은 1) 다이(die)와 기판 사이의 틈의 불일치, 2) 피치(pitch)의 감소로 인한 다이(die)와 기판 사이의 틈의 감소, 3) 기판 솔더 마스크 개구 변화로 인한 상기 틈의 변화, 4) 범프의 직경 변화로 인한 언더필(underfill)의 불일치 야기와 같은 단점이 있다.
반면에, 필러 범프 플립 칩 부착 방법은 공 형상의 범프 대신에 필러 형상의 범프를 사용하므로 1) 다이(die)와 기판 사이의 틈이 일정하고(리지드 범프(rigid bump)), 2) 범프 높에 변화가 없는 파인 피치 범프(fine pitch bump)를 사용하므로 다이(die)의 크기가 가령 80㎛의 파인 피치로 감소하고, 3) 솔더 마스크(SM)을 사용하기 않으므로 SM과 관련된 결함이 제거되고, 4) 필러 형상의 범프로 인해 언더필이 일정하고, 그리고 5) 플렉서블 패드 위치선정이 가능해 결정적으로 설계 병목현상을 해소하는 장점이 있다.
특히, 구리 필러 솔더 범프(copper pillar solder bumps; CPB)는 다음과 같이, 1) 열적/전기적 성능 개선, 2) 허용전류 증대(higher current carrying capacity), 3) 전자거동(electromigration)에 대한 저항성이 개선됨으로 인한 범프 수명의 연장, 4) 몰딩 공극(molding voids)의 최소화, 즉 Cu-필러-범프 사이의 틈이 일정하게 되는 장점이 있다. 또한 솔더 확산이 제어된 Cu 필러를 사용하고, 무납(lead-free) 티어드롭 설계를 제거하고 파인 피치 마스크리스 기판 및 나동(bare Cu) 패드를 사용함으로써 저비용 기판이 가능하다. 또한, CPB는 민감한 장치(가령, 메모리 칩)에 대해 소프트 오류 보호, 즉 구리 필러 거리(distance)에 의한 '알파 방출(Alpha emission)' 보호를 제공한다. 또한, CPB는 무납(lead-free) 필러 범프가 가능함을 의미한다.
또한, 상기 솔더에 구리가 있으면 금속간 화합물(intermetallic compound;IMC)의 접착에 영향을 미친다. 구리를 함유하는 솔더 합금에서, 상기 계면 금속간 화합물(즉, Sn-Cu-Ni)은 상기 무전해(electroless) 언더 범프 금속(UBM, 즉, Ni-P)에 접착한다. 구리를 사용하지 않으면(즉, Ni-Sn 또는 Ni-Sn-Ag), 상기 금속간 화합물(즉, 바늘형 Ni3Sn4)이 접착성을 잃고, 상기 무전해 UBM 계면(가령, Ni-P)이 박리된다.
그러나, 어닐링 및 전류 응력(stressing) 동안 상기 금속간 화합물 및 상기 구리 필러 범프 중 커켄달(Kirkendall) 공극 성장에 대한 우려가 있다. Sn 솔더 재료를 함께 사용하는 경우, Cu 필러에서 충분히 Cu가 공급되므로 Cu와 Sn이 반응하여 Cu6Sn5 및 Cu3Sn와 같은 두꺼운 금속간 화합물을 형성한다. 금속간 화합물은 불안정하기 때문에 두꺼운 금속간 화합물 층은 상기 Cu 필러 범프의 기계적인 강도를 감소시킨다. 상기 금속간 호합물은 얇게 떨어져 박리된다. 더 두꺼운(가령 20mm) Sn 솔더를 사용하면, 어닐링 공정이 길어지고 과잉의 구리 원(Cu source)이 있어서 Cu3Sn가 더 두꺼워지고, 또한 상기 Cu6Sn5의 크기가 커진다. 연성 솔더가 경성(harder) IMC로 모두 전이되면 상기 구조의 전단 강도가 낮아진다. 또한, 두꺼운 IMC는 접착이 잘 안된다. 또한, 상기 필러 및 Cu3Sn 계면에 커켄달 공극이 발생해서 구리 필러 및 Cu3Sn사이의 계면이 불량해져 접촉(contact)이 잘 안된다.
따라서, 구리 필러 범프 상 금속간 화합물의 우수한 접착을 위한 새로운 방법 및 구조, 그리고 신뢰성 있는 구조적 완전성을 제공한다.
본 발명은, 구리를 함유하는 필러층을 형성하는 단계; 상기 구리 함유 필러층 상에 확산방지층을 침착하는 단계; 및 상기 확산방지층 상에 금속간 화합물(intermetallic compound; IMC)를 형성하는 단계;를 포함하는 필러 구조를 형성하는 방법을 제공한다.
상기 방법 중 상기 금속간 화합물을 형성하는 단계는, 상기 확산방지층 상에 구리 함유 캡층을 침착하는 단계; 상기 구리 함유 캡층 상에 솔더층을 침착하는 단계; 및 상기 구리 함유 캡층 및 상기 솔더층을 열로 처리하여 상기 금속간 화합물을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 방법은, 상기 금속간 화합물의 두께를 결정하기 위해 상기 구리 함유 캡층의 두께를 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 금속간 화합물을 열로 처리하는 단계는, 상기 금속간 화합물이 Cu-Ni-Sn로 구성되어 있으며, 이의 최대 두께가 7㎛인 것이다.
상기 방법은, 상기 금속간 화합물을 형성하기 전에 상기 확산방지층의 최상부에 약 0.01㎛ 내지 0.1㎛의 두께로 Au를 침착하는 단계를 더 포함한다.
상기 확산방지층은 Ni, Ni(P), Ni(V) 또는 이들의 조합을 포함한다.
또한, 본 발명은, 구리 함유 필러층; 상기 구리 함유 필러층 상의 확산방지층; 상기 확산방지층 상의 금속간 화합물(IMC); 및 상기 금속간 화합물 상의 솔더층; 을 포함하는 필러 구조를 제공한다.
상기 구조에 있어서, 상기 확산방지층은 Ni, Ni(P), Ni(V) 또는 이들의 조합을 포함한다.
상기 구조에 있어서, 상기 금속간 화합물은 Cu-Ni-Sn을 포함하며 최대 두께가 7㎛이다.
마지막므로 본 발명은, 인쇄 회로 기판; 및 상기 인쇄 회로 기판과 접합된 플립칩이고 필러구조를 포함하는 반도체 웨이퍼;를 포함하고, 상기 필러구조는 구리 함유 필러층; 상기 구리 함유 필러층 상의 확산방지층; 상기 확산방지층 상의 금속간 화합물(IMC); 및 인쇄회로기판과 접합된 플립칩용 솔더층을 포함하는, 플립칩 접합구조를 제공한다.
본 발명은 Cu 필러 범프상 금속간 화합물의 접착성이 우수하고 구조적 완전성의 신뢰도가 높다.
도 1은 일 실시형태에 따른 Cu 필러 범프 상 IMC의 우수한 접착에 대한 예시적 구조를 도시한 것이다.
도 2a 내지 도 2k는 다른 실시형태에 따른 Cu 필러 범프 상 IMC의 우수한 접착에 대한 예시적 구조를 도시한 것이다.
도 3a 내지 도 3b는 다른 실시형태에 따른 2a 내지 도 2k에서 나타난 Cu 필러 범프 상의 IMC의 우수한 접착에 대한 공정 후 플립 칩 접착 구조 및 PCB 플립 칩 부착을 도시한 것이다.
본 발명의 실시형태의 제작 및 용도에 대해서 하기와 같이 상세하게 설명한다. 그러나 이러한 실시형태는 특정한 문맥의 광범위한 다양성을 내포할 수 있는 많은 발명적 개념을 제공한다는 것을 명심해야 한다. 논의되는 상기 특정한 실시 형태는 단순히 설명하기 위한 것이고 본 발명의 범위를 제한하는 것이 아니다.
Cu 필러 범프 상 금속간 화합물(Intermetallic Compounds; IMC)의 우수한 접착성에 대한 방법 및 구조가 제공된다. 상기 여러 도면 및 도시된 실시 형태에서 동일한 참조 번호는 동일한 구성요소를 가리키는 데 사용되었다.
도 1은 일 실시형태에 따른 Cu 필러 범프 상 IMC의 우수한 접착에 대한 구조예를 도시한 것이다. 상기 구조는 패턴화된 데이지 체인(daisy chain; 짧은 금속선을 연결하는 바이어스 그룹)을 갖는 반도체 웨이퍼(102), 금속선층(103)(가령, Al, Cu 또는 AlCu), 패시배이션층(104)(개구 형성), 시드층(106)(TiW/Cu, Ti/Cu, 또는 Ti/Cu/NiAu, 등), Cu 필러(108), 확산방지층(diffusion barrier layer)(110)(가령, Ni, Ni(P), 또는 Ni(V), 등), Cu 캡층(112) 및 솔더층(114)(가령, Sn-Ag , Sn, 또는 Sn-Ag (Cu): Cu 중량 < 0.3%, 등)을 갖는다.
상기 확산방지층(110)은 상기 Cu 필러(108)에서 상기 솔더층(114)로 Cu가 확산되는 것을 방지한다. 상기 확산방지층(110)이 없다면, 상기 Cu 필러(108)에서 유래된 여분의 Cu 원에 의해서 상기 솔더층(114)의 계면에 매우 두꺼운 IMC가 생성될 수 있다. 이는 강도가 떨어져 접착성이 저하되는 결과를 초래한다. 상기 확산방지 층(110)의 최상부에, 습윤성 개선을 위한 박층(thin layer)(가령 Au)이 침착될 수 있다.
상기 얇은 Cu 캡층(112)은 한정된 Cu 원을 제공하는데, 이것은 상기 솔더층(114)(가령 Sn) 및 상기 확산방지층(110)(가령 Ni)과 반응할 수 있다. 상기 Cu 캡층(112)은 리플로우 솔더링(reflow soldering) 후에 제어가능한 IMC(가령 (Cu, Ni)xSny)를 형성하기 위해 약 0.1㎛ 내지 1.5㎛의 두께를 가질 수 있다. 상기 리플로우 솔더링은 상기 솔더 패이스트(분말 솔더 및 flux의 점성 혼합물)가 그들의 부착 패드에 상기 부품을 고정하기 위해 일시적으로 사용되는 공정으로 상기 조립은 상기 연결을 연납(solder)하기 위해 조심스럽게 가열된다. 상기 조립은 적외선 램프로 가열될 수 있으며, 조심스럽게 제어된 오븐에 이를 통과시키는 방법 또는 핫에어 펜슬로 연납할 수 있다.
상기 리플로우 이후에, 상기 Cu 캡층(112), 상기 확산방지층(110)(가령 Ni) 및 상기 솔더층(114)(가령 Sn) 중에 IMC(116)이 형성된다. 예를 들어, Ni 확산방지층(110) 및 Sn 솔더층(114)가 있는 경우, 상기 Cu-Ni-Sn IMC 두께는 0.1㎛ 내지 1.5㎛의 Cu 캡층을 포함해 7㎛ 미만으로 제어될 수 있다. 상기 Cu-Ni-Sn IMC층은 우수한 계면 접착성을 제공한다. Cu가 없는 경우(가령 Ni-Sn 또는 Ni-Sn-Ag), 상기 IMC 층(가령 바늘형 Ni3Sn4)은 접착성을 잃어 상기 계면이 박리될 수 있다.
상기 Cu 필러(108)는 약 30㎛ 내지 150㎛의 두께(높이)를 가질 수 있다. 상기 확산방지층(110)(가령 Ni, Ni(P), 또는 Ni(V) 등)은 전해도금 또는 무전해도금을 이용하여 도금될 수 있으며, 약 0.5㎛ 내지 4㎛의 두께가 될 수 있다. 만일 습윤성 개선을 위한 박층(가령 Au)가 상기 확산방지층(110)의 최상부에 침착된다면, 두께가 약 0.01㎛ 내지 0.1㎛가 될 수 있다.
상기 솔더층(114)은 Sn, SnAg, Sn-Pb, SnAgCu(Cu 0.3중량% 미만), SnAgZn, SnZn, SnBi-In, Sn-In, Sn-Au, SnPb, SnCu, SnZnIn, 또는 SnAgSb, 등으로 이루어질 수 있다. 상기 솔더의 부피는 열적 어닐링 동안에는 변화하지 않는다. 만일 상기 솔더층(114)이 Sn-Ag이면, 우수한 접착성을 갖는 제어가능한 (Cu,Ni)xSny IMC 층이 상기 계면에 형성된다. Ag3Sn은 전자이동 저항성(electromigration resistance)이 우수하지만, 여전히 Ag의 퍼센테이지를 제어해서 대규모의 Ag3Sn을 방지할 필요가 있다.
도 2a 내지 도 2k는 다른 실시형태에 따른 Cu 필러 범프 상 IMC의 우수한 접착성 관련 공정례를 도시한 것이다. 도 2a는 반도체 웨이퍼(102)(가령 Si) 상에, 패시배이션층(104)이 형성되어 있는 것을 도시한 것이다. 패시배이션은, 어떤 재료(material)를 사용하기 전에, 다른 재료(material)에 대해 그 재료(material)를 부동태화(불활성화)시키는 공정이다. 상기 공정에서 반도체 표면에서 화학적으로 및 전기적으로 활성 파괴 결합(active broken bonds)이 포화되므로 선택된 요소(element)와 반응함으로써 불활성화된다. 가령 수소는 상기 표면에서 파괴 Si 결합을 부동태화한다. Si 표면에서 성장한 옥사이드도 이를 부동태화 한다.
상기 시드층(106)이 가령 TiW/Cu, Ti/Cu, 또는 Ti/Cu/Ni/Au 등으로 침착된다(도 2b). 상기 포토레지스트층(photoresist layer)(202)이 침착되고(도 2c), 전해도금 또는 비전해 도금에 의해 Cu 필러층(108)이 침착될 부분이 부분적으로 제거된다(도 2d 및 도 2e). 확산방지층(110)(가령, Ni, Ni(P), 또는 Ni(V), 등)이 전해 또는 무전해 도금에 의해서 침착되는데(도 2f), 이것이 상기 Cu 필러층(108)의 확산을 방지한다. 선택적으로, 습윤성 개선을 위한 박층(가령 Au)이 상기 확산방지층(110)의 최상부에 도금될 수 있다. 얇은 Cu 캡층(112)이 상기 확산방지막(110) 상에 도금되어(도 2g), Cu 원을 제한하여 상기 Cu 원이 솔더 및 상기 확산방지막(가령 Ni)(110)과 반응하지 않도록 한다. 솔더층(114)(가령, Sn)은 상기 Cu 캡층(112)의 최상부에 침착되고(도 2h), 상기 포토레지스트를 제거한다(도 2i). 상기 시드층(106)이 식각되고(도 2j) 상기 확산방지층(110) 및 상기 솔더층(114)의 우수한 접착성을 제공하는 IMC 층(116)(가령 Ni-Cu-Sn)이 리플로우 공정동안 형성된다(도 2k).
도 3a 내지 도 3b는 Cu 필러 범프 상 IMC의 우수한 접착성에 대한 공정(도 2a 내지 도 2k에 도시) 후 형성된 구조예 및 다른 실시형태에 따른 PCB에 플립칩이 부착된 것을 도시한 것이다. 도 3a는 상기 솔더층(114)의 두께가 8㎛ 미만인 구조를 나타내고 있다. 도 3b는 상기 솔더층(114)의 두께가 8㎛을 초과하는 구조를 나타내고 있다. 도 2k에 도시된 구조는 위 아래가 뒤집혀있고 그 바닥에 인쇄회로판(printed circuit board; PCB)(204)이 부착되어 있는 것이다. 상기 PCB(204)는 최상부에 전도층(206) 및 확산방지층(208)이 있으며, IMC층(210)(가령 Cu-Ni-Sn)이 형성되어 있다. 상기 IMC 층(210)은 또한 상기 PCB 쪽에서 유래된 다른 얇은 Cu 캡층으로부터 형성된다.
상기 솔더층(114)는 Sn, SnAg, Sn-Pb, SnAgCu (Cu 0.3 중량% 미만), SnAgZn, SnZn, SnBi-In, Sn-In, Sn-Au, SnPb, SnCu, SnZnIn, 또는 SnAgSb, 또는 기타 다른 적절한 재료로 이루어진다. 만일 상기 솔더층(114)이 원래 Cu, 가령 SnAgCu (SAC), Sn-Cu, 등을 포함하고 있다면, 상기 얇은 Cu 캡층(112)이 상기 확산방지층(110) 및 상기 솔더층(114)과 반응하여 (Cu,Ni)xSny IMC이 형성되도록 원료 요소(source element)를 제공할 수 있다. 이 (Cu,Ni)xSny IMC는 솔더 접착에 있어서 우수하다. 또한, 상기 솔더 부피는 리플로우 및 다른 열적 어닐링 후에 변하지 않는데, 상기 부피의 변화는 신뢰성 문제를 일으킬 수 있다.
본 발명의 장점이 되는 특징은 Cu 필러 범프상 IMC의 접착성의 우수함 및 신뢰성 있는 구조적 완전성이 포함된다. 따라서, 본 발명이 속하는 분야의 당업자라면 이 발명의 다양한 실시형태가 있음을 알 수 있다.
본 발명 및 이의 장점이 상세하게 기술되어 있지만, 첨부된 청구항에 의해 분명하게 나타낸 바와 같이 본 발명의 범주를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화, 치환 및 변경이 가능함이 분명하다. 더욱이, 본 발명 명세서의 범주는 본 명세서에 기재된 바와 같은, 상기 공정, 기계, 제조의 특정한 실시형태 및 문제, 수단, 방법 및 단계의 구성을 제한하려는 의도를 갖지않는다. 본 기술분야의 당업자는 본 발명에 개시된 내용으로부터 용이하게 인식할 수 있으므로, 현재의 존재하는 또는 후에 개발되는, 본 발명에 따라 실질적으로 동일한 기능을 수행하거나 실질적으로 동일한 결과를 달성할 수 있는, 공정, 기계, 제조, 문제의 구성, 수단, 방법 또는 단계는 이에 본 발명에 따라 이용될 수 있다. 따라서, 상기 첨부된 청구항은 공정, 기계, 제조, 문제의 구성, 수단, 방법 또는 단계와 같은 이들의 범주 내에 포함되도록 의도된 것이다.

Claims (10)

  1. 필러 구조를 형성하는 방법에 있어서,
    구리 함유 필러층을 형성하는 단계;
    상기 구리 함유 필러층 상에 확산방지층을 증착하는 단계;
    상기 확산방지층 상에 0.01㎛ 내지 0.1㎛의 두께를 갖는 Au 박층을 증착하는 단계; 및
    상기 Au 박층 상에 금속간 화합물(intermetallic compound; IMC)을 형성하는 단계
    를 포함하는 필러 구조 형성 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속간 화합물을 형성하는 단계는,
    상기 Au 박층 상에 구리 함유 캡층을 증착하는 단계;
    상기 구리 함유 캡층 상에 솔더층을 증착하는 단계; 및
    상기 금속간 화합물을 형성하기 위해 상기 구리 함유 캡층 및 상기 솔더층을 열처리하는 단계
    를 포함하는 것인, 필러 구조 형성 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 금속간 화합물의 두께를 결정하기 위해 상기 구리 함유 캡층의 두께를 제어하는 단계를 더 포함하는 것인, 필러 구조 형성 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 열처리하는 단계는, Cu-Ni-Sn로 구성되고 최대 두께가 7㎛인 금속간 화합물을 형성하는 것인, 필러 구조 형성 방법.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 확산방지층은 Ni, Ni(P), Ni(V) 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 것인, 필러 구조 형성 방법.
  7. 필러 구조물에 있어서,
    구리 함유 필러층;
    상기 구리 함유 필러층 상의 확산방지층;
    상기 확산방지층 상의 Au 박층으로서, 0.01㎛ 내지 0.1㎛의 두께를 갖는 Au 박층;
    상기 Au 박층 상의 금속간 화합물(IMC); 및
    상기 금속간 화합물 상의 솔더층;
    을 포함하는 필러 구조물.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 확산방지층은 Ni, Ni(P), Ni(V) 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 것인, 필러 구조물.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 금속간 화합물은 최대 두께가 7㎛인 Cu-Ni-Sn을 포함하는 것인, 필러 구조물.
  10. 플립칩 접합 구조물에 있어서,
    인쇄 회로 기판; 및
    필러구조를 포함하고, 상기 인쇄 회로 기판과 플립칩 접합된 반도체 웨이퍼
    를 포함하고,
    상기 필러구조는
    구리 함유 필러층;
    상기 구리 함유 필러층 상의 확산방지층;
    상기 확산방지층 상의 Au 박층으로서, 0.01㎛ 내지 0.1㎛의 두께를 갖는 Au 박층;
    상기 Au 박층 상의 금속간 화합물(IMC); 및
    상기 인쇄회로기판과의 플립칩 접합을 위한 솔더층
    을 포함하는 것인, 플립칩 접합 구조물.
KR1020100063691A 2009-07-02 2010-07-02 구리 필러 범프 상의 금속간 화합물의 접착을 위한 방법 및 구조 KR101344553B1 (ko)

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