KR102456653B1 - Method for packaging ⅲ-ⅴ compound semiconductor and ⅲ-ⅴ compound semiconductor package using the same - Google Patents

Method for packaging ⅲ-ⅴ compound semiconductor and ⅲ-ⅴ compound semiconductor package using the same Download PDF

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Abstract

The present disclosure relates to a semiconductor package, specifically, to a III-V group compound semiconductor package, and more specifically, to a gallium nitride semiconductor package and a packaging method for manufacturing the same. More specifically, the semiconductor packaging method of the present disclosure includes: a first step of forming a via hole in a substrate; a second step of performing a process of forming a metal thin film pattern on the upper surface of the substrate, forming a seed layer on the inner surface of the via hole, and a process of bonding a first material layer to the lower surface of the substrate, and then filling the via hole with a conductive metal material; a third step of performing heat treatment to increase adhesion between the seed layer and the substrate; a fourth step of forming or bonding a second material layer on the substrate, wherein a semiconductor die is inserted into the second material layer; and a fifth step of forming a stacked package structure electrically connected to the semiconductor die on the second material layer. High integration and high reliability can be achieved at the same time.

Description

Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 패키징 방법, 및 이를 이용하여 제조된 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 패키지{METHOD FOR PACKAGING Ⅲ-Ⅴ COMPOUND SEMICONDUCTOR AND Ⅲ-Ⅴ COMPOUND SEMICONDUCTOR PACKAGE USING THE SAME}III-V compound semiconductor packaging method, and group III-V compound semiconductor package manufactured using the same

본 개시서는 반도체 구조체에 관한 것인바, 구체적으로는 화합물 반도체 패키지를 제조하는 공정, 더 구체적으로는 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 패키지를 제조하는 공정에 관한 것이다. 본 개시서는 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 소자(다이) 또는 MMIC(마이크로파 집적 회로; Monolithic Microwave IC) 소자의 내부에서 발생하는 자기 가열 효과(self-heating effect)를 억제하고 기생 손실을 저감함에 관한 것이다. 이는 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 패키지의 고효율, 고출력, 고신뢰성을 확보하기 위한 것이다.The present disclosure relates to a semiconductor structure, specifically to a process for manufacturing a compound semiconductor package, and more specifically to a process for manufacturing a III-V compound semiconductor package. The present disclosure relates to suppressing a self-heating effect generated inside a III-V compound semiconductor device (die) or MMIC (monolithic microwave IC) device and reducing parasitic losses. This is to secure the high efficiency, high output, and high reliability of the III-V compound semiconductor package.

특정 실시 예들은 열전도도 특성이 우수한 다결정(polycrystalline) 다이아몬드를 웨이퍼 단위로 제조한 것인 다이아몬드 웨이퍼에 비아 홀을 형성하고 그 비아 홀을 구리로 충전하는 공정, 이를 이용한 다이아몬드 전력 반도체 또는 MMIC 소자 패키지의 제조에 적용될 수 있도록 최적화한 공정에 관한 것이다.Specific embodiments are a process of forming a via hole in a diamond wafer, which is manufactured by wafer unit of polycrystalline diamond having excellent thermal conductivity, and filling the via hole with copper, a diamond power semiconductor or MMIC device package using the same. It relates to a process optimized for application in manufacturing.

본 발명의 기술분야에서 다음의 용어들이 널리 이용되며, 이들의 정의는 본 명세서를 해석하는 데 유용할 것이다. '와이드 밴드 갭 반도체(wide band-gap semiconductor) 기술'은 와이드 밴드 갭 반도체에 기반한 전자 소자 및 광전자 소자를 제조하는 기술을 지칭하는 데 이용될 수 있다.The following terms are widely used in the technical field of the present invention, and their definitions will be useful in interpreting this specification. A 'wide band-gap semiconductor technology' may be used to refer to a technology for manufacturing an electronic device and an optoelectronic device based on a wide band-gap semiconductor.

'단결정(단정질) 또는 다결정(다정질) 재료, 웨이퍼, 또는 층'은 하나 또는 여러 결정으로 형성된, 즉, 대체로 평행이동 대칭성(translational symmetry)을 가지는 재료, 웨이퍼, 또는 층을 지칭하는 데 이용될 수 있다. '층'이라는 용어 그 기저면(underlying surface)의 적어도 일부 위에 연속적이거나 불연속적인 방식으로 배치된 재료를 지칭한다. 또한, "층"이라는 용어는 그 배치된 재료가 반드시 일정한 두께를 가졌음을 의미하지는 않는다. 그 배치된 재료는 일정한 두께 또는 변화하는 두께 중 어떤 것이라도 가질 수 있다.'Single-crystalline (monocrystalline) or polycrystalline (polycrystalline) material, wafer, or layer' is used to refer to a material, wafer, or layer formed of one or several crystals, i.e., generally having translational symmetry. can be The term 'layer' refers to a material disposed in a continuous or discontinuous manner over at least a portion of its underlying surface. Also, the term "layer" does not necessarily mean that the material on which it is disposed has a constant thickness. The disposed material may have either a constant thickness or a varying thickness.

게다가 본 명세서에서 언급된 어느 하나의 "층"은, 문맥상 달리 명시하지 않았다면, 단일 층 또는 복수의 층들을 지칭할 수 있다. 이 용어는 결정의 성장에 관하여 흔하게 쓰이며, 대부분의 반도체들에 있어서 필수적이다. 실제 반도체들은 어느 정도 결함(defect)을 가지고 있으나 평행이동 대칭성을 가정하면 이들 재료의 전자적 속성 및 광학적 속성을 설명할 수 있을 만큼 충분히 그 결함 밀도가 낮다.Moreover, any “layer” referred to herein may refer to a single layer or a plurality of layers, unless the context dictates otherwise. This term is commonly used in reference to crystal growth and is essential for most semiconductors. Real semiconductors have some defects, but their defect density is low enough to explain the electronic and optical properties of these materials, assuming translational symmetry.

다결정 재료는 하나를 초과하는 개수의 결정으로 구성되거나 다양한 방향성을 가지는 결정들로 구성된 재료를 지칭하는 데 이용될 수 있으며, 비결정(비정질) 자료는 실제 또는 겉보기의 결정 형태가 없는 재료를 지칭하는 데 이용될 수 있다.Polycrystalline material may be used to refer to a material that is composed of more than one number of crystals or is composed of crystals having various orientations, and amorphous (amorphous) material is used to refer to a material that has no actual or apparent crystalline form. can be used

합성 다이아몬드는 본 발명의 기술분야에 공지된 방법들 중 어느 하나에 의하여 생산된 인공 다이아몬드를 지칭하는 데 이용될 수 있는바, 그 방법들은 고온 고압 기법 및 화학 기상 증착(chemical vapor deposition; CVD)을 포함하지만 이에 한정되지 않는다. '다이아몬드 웨이퍼' 또는 '다이아몬드 기판'은 서로 대체 가능하게 이용된 용어들인바, 예컨대, 그러한 다이아몬드 웨이퍼는 소정의 직경(예컨대, 4인치 또는 100mm 이상)을 가지는 상업용의 다결정 다이아몬드 웨이퍼를 포함할 수 있음을 통상의 기술자는 이해할 수 있을 것이다.Synthetic diamond may be used to refer to artificial diamond produced by any of the methods known in the art, which methods include high temperature and high pressure techniques and chemical vapor deposition (CVD). including but not limited to. 'Diamond wafer' or 'diamond substrate' are terms used interchangeably, e.g., such a diamond wafer may include a commercial polycrystalline diamond wafer having a given diameter (e.g., 4 inches or more than 100 mm) will be understood by those skilled in the art.

접합 또는 본딩은 2개의 표면들, 일반적으로 반도체 표면들을 근접시켜 서로 단단히 부착되게 하는 기술을 지칭하는 데 이용될 수 있다. 본딩은 화학적 본딩 또는 접착제를 이용함으로써 달성될 수 있다. 이 공정은 반도체 기술분야에서 널리 이용된다.Bonding or bonding may be used to refer to a technique that brings two surfaces, typically semiconductor surfaces, into close proximity to each other and tightly adhered. Bonding can be accomplished by using chemical bonding or adhesives. This process is widely used in the field of semiconductor technology.

방송 시스템, 기타 통신 시스템에서뿐만 아니라 이동 통신 시장의 급격한 팽창과 사용자 요구의 증가에 따라 이동 통신 시스템에 있어서도 보다 빠르고 많은 데이터 전송이 필요하게 되었으며, 특히, 통신 분야에서 보다 많은 데이터를 짧은 시간 내에 전송하기 위해 수백 MHz에 이르는 광대역 특성을 가진 고출력 증폭 소자가 요구된다. 전력 소자 분야, 특히, 전력 시스템, 인공위성, 친환경 에너지 제품, 자동차 센서 등과 같은 분야에서뿐만 아니라 방위 산업에서의 이용에 있어서도 반도체 소자의 높은 출력 전력 및 고온에서의 안정적 동작, 즉, 고전압, 고효율 및 고신뢰성이 필요하다.In addition to broadcasting systems and other communication systems, the rapid expansion of the mobile communication market and the increase in user demand have resulted in a need for faster and more data transmission in the mobile communication system. For this purpose, a high-power amplification device with a broadband characteristic of several hundred MHz is required. High output power of semiconductor devices and stable operation at high temperatures, i.e., high voltage, high efficiency and high reliability in the field of power devices, especially in fields such as power systems, satellites, eco-friendly energy products, automotive sensors, etc., as well as in the defense industry. I need this.

이러한 요구 사항에 대하여, 질화 갈륨(GaN) 소자와 같은 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 소자는 높은 항복 전압과 넓은 에너지 밴드 폭(energy band gap; 질화 갈륨의 경우 3.4 eV)을 가져 고전력의 출력에 유리하고, 높은 캐리어 농도와 높은 전자 이동도를 가져 높은 전계 포화 속도를 보이는 한편, 캐리어 산란이 적어 고속 스위칭(즉, 고주파수 동작)에 유리한 장점, 비교적 높은 온도에서도 안정적으로 동작할 수 있는 장점을 가지고 있어 각광받고 있다.In response to these requirements, III-V compound semiconductor devices such as gallium nitride (GaN) devices have a high breakdown voltage and a wide energy band gap (3.4 eV in the case of gallium nitride), which is advantageous for the output of high power. , has a high carrier concentration and high electron mobility, showing a high electric field saturation rate, while having low carrier scattering, which is advantageous for high-speed switching (that is, high-frequency operation), and has the advantage of stably operating even at a relatively high temperature. are receiving

그런데, 질화 갈륨(GaN) 소자는 종래의 규소(Si) 기반의 LDMOS보다 10배, GaAs 소자보다 8배 이상으로 최대 출력 전력이 높으나 기판 및 패키징 구조에 현존하는 열 방출 상의 한계 때문에 질화 갈륨의 잠재적 성능의 20%에 해당하는 7 W 내지 8 W/mm가량의 전력 밀도만이 구현되고 있는 실정이다. 질화 갈륨 재료를 이용한 전력 반도체 소자의 경우에, 예컨대 AlGaN/GaN 이종 접합 구조에 의하여 물질 내부에 빠른 전자 이동도를 보이는 2차원 전자 기체(2DEG; 2-dimensional electron gas) 층이 형성되어 전자가 빠르게 소스 측으로부터 드레인 측으로 이동하지만 드레인 측의 게이트 모서리(에지; edge) 부분에 집중된 전계로 인하여 전자의 충돌에 의하여 높은 열이 발생하기 때문이다.However, the gallium nitride (GaN) device has a maximum output power that is 10 times higher than that of a conventional silicon (Si)-based LDMOS device and 8 times higher than that of a GaAs device. Only a power density of about 7 W to 8 W/mm corresponding to 20% of the performance is being implemented. In the case of a power semiconductor device using a gallium nitride material, for example, a 2-dimensional electron gas (2DEG) layer showing rapid electron mobility is formed inside the material by an AlGaN/GaN heterojunction structure, so that electrons are rapidly transferred This is because, although moving from the source side to the drain side, high heat is generated due to the collision of electrons due to the electric field concentrated at the gate edge (edge) portion of the drain side.

종래에 이 발열 문제를 해결하기 위한 방편으로서 게이트 영역과 소스 영역에 필드 플레이트(field plate) 구조를 도입함으로써 전자가 모서리에서 포화되는 현상을 어느 정도 완화하였으나 여전히 한계가 있다.Conventionally, as a way to solve this heat generation problem, a phenomenon in which electrons are saturated at the corners is alleviated to some extent by introducing a field plate structure in the gate region and the source region, but there is still a limit.

또한, 발열 문제를 해결하기 위한 다른 방편으로서, 방열체(heat spreader)로 기능하기 위한 높은 열전도도 및 높은 절연성을 가지는 버퍼(buffer) 및 기판이 필요한데, 질화 갈륨의 에피 성장 시에 현재로서는 격자 구조의 특성 상 사파이어, 규소, 탄화규소 재료가 이용되고 있다.In addition, as another method to solve the heat problem, a buffer and a substrate having high thermal conductivity and high insulation are required to function as a heat spreader. Due to the characteristics of sapphire, silicon, and silicon carbide materials are used.

다양한 재료를 방열체로 이용하는 것을 고려할 때, 사파이어의 열전도도는 20 ~ 25 W/m·K, Si(규소)의 열전도도는 약 149 W/m·K, 질화 갈륨의 열전도도는 약 160 W/m·K에 불과하고, 종래의 고주파 소자 패키지에 이용되었던 방열체로 CPC(Cu/Mo70Cu/Cu)가 약 300 W/m·K의 열전도도를 가지고, CMC(Cu/Mo/Cu)가 약 250 W/m·K의 열전도도를 가지며, CuW(W85Cu15)가 약 220 W/m·K의 열전도도를 가졌을 뿐이므로, SiC(탄화규소) 기판을 이용하는 방안(예컨대, 미국 등록특허 제9,111,750호)도 있었으나, 탄화규소의 웨이퍼 성장에 최대 4인치 정도의 한계가 있고, 열전도도도 390 내지 450 W/m·K가량에 불과하여 그 방열 성능에 여전히 한계가 있다.Considering the use of various materials as a heat sink, the thermal conductivity of sapphire is 20 ~ 25 W/m K, the thermal conductivity of Si (silicon) is about 149 W/m K, and the thermal conductivity of gallium nitride is about 160 W/ m·K, and CPC (Cu/Mo 70 Cu/Cu) has a thermal conductivity of about 300 W/m·K, and CMC (Cu/Mo/Cu) Since it has a thermal conductivity of about 250 W/m·K, and CuW (W 85 Cu 15 ) only has a thermal conductivity of about 220 W/m·K, a method using a SiC (silicon carbide) substrate (eg, US registered Patent No. 9,111,750), but there is a limit of up to 4 inches in the growth of silicon carbide wafers, and the thermal conductivity is only about 390 to 450 W/m·K, so there is still a limit in its heat dissipation performance.

따라서 최근 1200 내지 2000 W/m·K의 열전도도를 가지는 다이아몬드 웨이퍼를 이용하여 방열 특성을 개선하고자 하는 지속적인 노력이 있었으나 경도가 가장 높은 재료인 다이아몬드의 물성 상, 그 높은 강성과 탄소 간의 강한 결합력으로 인하여 그 표면의 연마 가공이나 다른 금속과의 이종 접합 시에 접합력이 낮은 문제가 있어 그 해결이 필요하다.Therefore, recent efforts have been made to improve the heat dissipation characteristics by using a diamond wafer having a thermal conductivity of 1200 to 2000 W/m·K. For this reason, there is a problem of low bonding strength during polishing of the surface or heterojunction with other metals, and it is necessary to solve the problem.

본 개시서는 열전도도가 가장 우수한 다이아몬드를 이용하여 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체의 열 방출 특성을 개선하되, 소스와 접지 사이의 거리를 감소시켜 기생 성분을 저감하고 열 방출을 촉진하면서도 다이아몬드-금속 간의 이종 접합 시에 발생하는 종래 기술 상의 문제점을 극복할 수 있고, 보다 낮은 공정 온도에서 3차원 적층 패키지를 구성할 수 있어 고집적화와 고신뢰성을 동시에 달성할 수 있는 화합물 반도체 소자 패키지의 제조 방법을 제시하는 것을 목적으로 한다.The present disclosure improves the heat dissipation characteristics of group III-V compound semiconductors by using diamond with the highest thermal conductivity, but reduces parasitic components by reducing the distance between the source and ground, and promotes heat dissipation while promoting dissipation of diamond-metal heterogeneity To present a method for manufacturing a compound semiconductor device package that can overcome the problems in the prior art that occur during bonding and can configure a three-dimensional stacked package at a lower process temperature to achieve high integration and high reliability at the same time The purpose.

상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하고, 후술하는 본 발명의 특징적인 효과를 실현하기 위한 본 발명의 특징적인 구성은 하기와 같다.The characteristic configuration of the present invention for achieving the object of the present invention as described above and for realizing the characteristic effects of the present invention to be described later is as follows.

본 개시서의 일 양상에 따르면 반도체 패키징 방법이 제공되는바, 그 방법은 기판에 비아 홀(via hole)을 형성하는 제1 단계; 상기 기판의 상면에 금속 박막 패턴을 형성하는 공정, 및 상기 비아 홀의 내부 표면에 시드 층(seed layer)을 형성하고, 상기 기판의 하면에 제1 재료층을 접합한 후, 도전 금속 재료로 상기 비아 홀을 충전하는 공정을 수행하는 제2 단계; 상기 시드 층과 상기 기판 사이의 접착력을 높이도록 열처리를 수행하는 제3 단계; 상기 기판 위에 제2 재료층을 형성 또는 접합하되, 상기 제2 재료층에 반도체 다이(die)가 삽입되는 제4 단계; 및 상기 제2 재료층 위에 상기 반도체 다이와 전기적으로 연결되는 적층형 패키지 구조체를 형성하는 제5 단계를 포함한다.According to an aspect of the present disclosure there is provided a semiconductor packaging method, the method comprising: a first step of forming a via hole in a substrate; Forming a metal thin film pattern on the upper surface of the substrate, forming a seed layer on the inner surface of the via hole, bonding a first material layer to the lower surface of the substrate, and then forming the via with a conductive metal material a second step of performing a hole filling process; a third step of performing heat treatment to increase adhesion between the seed layer and the substrate; a fourth step of forming or bonding a second material layer on the substrate, wherein a semiconductor die is inserted into the second material layer; and a fifth step of forming a stacked package structure electrically connected to the semiconductor die on the second material layer.

바람직하게, 제1 단계는, 극초단파 레이저를 이용하여 상기 기판에 상기 비아 홀을 형성하는 단계; 상기 기판의 표면을 세정하는 단계; 및 세정된 상기 표면을 강산 용액에 담가 상기 표면에 들러붙은 잔여물을 제거하는 단계를 포함한다. 여기에서 세정은 초음파에 의한 세척일 수 있다.Preferably, the first step comprises: forming the via hole in the substrate using a microwave laser; cleaning the surface of the substrate; and immersing the cleaned surface in a strong acid solution to remove the residue adhering to the surface. Here, the cleaning may be ultrasonic cleaning.

더 바람직하게, 세정된 표면은 강산 용액에 200 ℃에서 1 시간 동안 담궈짐으로써, 그 표면에 들러붙은 흑연 상을 포함한 잔여물이 제거될 수 있다.More preferably, the cleaned surface is immersed in a strong acid solution at 200° C. for 1 hour, so that the residue including the graphite phase adhering to the surface can be removed.

유리하게, 제1 단계는 상기 비아 홀의 외곽으로부터 중심을 향하는 방향 또는 상기 비아 홀의 중심으로부터 외곽을 향하는 방향인 제1 방사 방향, 및 시계 방향 또는 반시계 방향인 제1 회전 방향의 나선 형상으로 극초단파 레이저를 상기 기판의 수직 방향으로 조사하는 제1 레이저 가공 단계; 및 상기 제1 방사 방향의 반대 방향인 제2 방사 방향, 및 상기 제1 회전 방향의 반대 방향인 제2 회전 방향의 나선 형상으로 상기 극초단파 레이저를 상기 기판의 수직 방향으로 조사하는 제2 레이저 가공 단계를 포함한다.Advantageously, the first step is a microwave laser in a spiral shape in a first radial direction that is a direction from the periphery of the via hole toward the center or a direction from the center of the via hole outward, and a first rotational direction that is clockwise or counterclockwise. A first laser processing step of irradiating the substrate in the vertical direction; And a second laser processing step of irradiating the microwave laser in a vertical direction of the substrate in a spiral shape of a second radial direction opposite to the first radiation direction, and a second rotation direction opposite to the first rotation direction. includes

일 실시 예에서, 상기 기판은 다이아몬드 기판이고, 도전 금속 재료는 구리(Cu)이다. 이 실시 예에서, 상기 시드 층은 제1 접합 물질로서 타이타늄(Ti), 텅스텐(W) 또는 크롬(Cr)을 포함할 수 있다.In an embodiment, the substrate is a diamond substrate, and the conductive metal material is copper (Cu). In this embodiment, the seed layer may include titanium (Ti), tungsten (W), or chromium (Cr) as the first bonding material.

그 실시 예에서는 상기 제3 단계의 열처리에 의하여 상기 제1 접합 물질의 타이타늄, 텅스텐 또는 크롬이 상기 다이아몬드 기판의 탄소와 반응하여 금속 탄화물이 생성될 수 있다.In the embodiment, titanium, tungsten, or chromium of the first bonding material may react with carbon of the diamond substrate to form metal carbide by the heat treatment of the third step.

바람직하게, 제2 단계는, 상기 기판의 상기 기판의 상면에 드라이 필름 또는 감광제로써 패턴을 형성(patterning)하는 단계; 상기 제1 접합 물질로서 상기 타이타늄, 텅스텐 또는 크롬을 상기 다이아몬드 기판의 상면 및 비아 홀의 내부 표면에 증착하는 단계; 상기 제1 접합 물질 위에 제2 접합 물질로서 금(Au), 은(Ag) 또는 구리(Cu)를 증착하는 단계; 및 상기 드라이 필름 또는 상기 감광제를 제거하여 상기 드라이 필름 또는 상기 감광제 위에 증착된 상기 제1 접합 물질 및 상기 제2 접합 물질을 제거함으로써 상기 제1 접합 물질 및 상기 제2 접합 물질을 포함한 금속 박막 패턴을 형성하는 리프트-오프(lift-off) 단계를 포함한다.Preferably, the second step comprises: forming a pattern with a dry film or a photosensitizer on the upper surface of the substrate of the substrate; depositing the titanium, tungsten or chromium as the first bonding material on an upper surface of the diamond substrate and an inner surface of a via hole; depositing gold (Au), silver (Ag), or copper (Cu) as a second bonding material on the first bonding material; and removing the dry film or the photosensitizer to remove the first bonding material and the second bonding material deposited on the dry film or the photosensitizer, thereby forming a metal thin film pattern including the first bonding material and the second bonding material. forming a lift-off step.

여기에서 증착은 마그네트론 스퍼터 장비에 의하여 이루어질 수 있고, 제1 접합 물질은 300 내지 500 옹스트롬의 두께로 증착될 수 있으며, 제2 접합 물질은 500 내지 1000 옹스트롬의 두께로 증착될 수 있다.Here, the deposition may be performed by a magnetron sputtering device, the first bonding material may be deposited to a thickness of 300 to 500 angstroms, and the second bonding material may be deposited to a thickness of 500 to 1000 angstroms.

더 바람직하게, 제2 단계는, 상기 리프트-오프 단계 후, 상기 기판의 하면에 제1 재료층을 접합하는 단계; 및 상기 도전 금속 재료인 구리로 상기 비아 홀을 충전하는 구리 충전 단계를 더 포함한다. 여기에서 제1 재료층은 제1 규소층일 수 있고, 상기 기판의 하면에 접합될 면에 상기 제1 접합 물질 및 상기 제2 접합 물질이 순차적으로 증착된 것일 수 있다.More preferably, the second step may include, after the lift-off step, bonding the first material layer to the lower surface of the substrate; and a copper filling step of filling the via hole with copper, which is the conductive metal material. Here, the first material layer may be a first silicon layer, and the first bonding material and the second bonding material may be sequentially deposited on a surface to be bonded to the lower surface of the substrate.

더욱 더 바람직하게, 제2 단계는, 구리 충전 단계 후, 상기 기판의 상면에 과충전된 구리를 제거하는 연마 단계를 더 포함한다.Even more preferably, the second step further includes, after the copper filling step, a polishing step of removing the overfilled copper on the upper surface of the substrate.

일 실시 예에서는 제1 접합 물질과 제2 접합 물질 사이에 확산 방지층이 개재할 수 있다.In an embodiment, a diffusion barrier layer may be interposed between the first bonding material and the second bonding material.

유리하게, 상기 제4 단계는, 상기 기판 위에 상기 제2 재료층인 제2 규소(Si)층을 접합하는 단계; 상기 제2 규소층에 포함된 규소 재료의 일부를 제거하여 상기 제2 규소층의 일부를 관통하는 홈을 형성하는 단계; 및 상기 반도체 다이를 상기 홈에 안착시켜 상기 기판의 상기 금속 박막 패턴 위에 직접 접합하는 단계를 포함한다. 여기에서 직접 접합은 열 또는 압착에 의할 수 있다.Advantageously, the fourth step may include bonding a second silicon (Si) layer, which is the second material layer, on the substrate; removing a portion of the silicon material included in the second silicon layer to form a groove penetrating a portion of the second silicon layer; and seating the semiconductor die in the groove and directly bonding the semiconductor die onto the metal thin film pattern of the substrate. Here, the direct bonding may be by heat or compression.

더 유리하게 상기 반도체 다이는 Ⅲ-Ⅴ족 화합물의 반도체 다이이며, 상기 Ⅲ-Ⅴ족 화합물은 질화 갈륨(GaN)일 수 있다.More advantageously, the semiconductor die is a semiconductor die of a III-V compound, and the III-V compound may be gallium nitride (GaN).

바람직하게, 상기 제4 단계는, 상기 반도체 다이를 상기 기판의 상기 금속 박막 패턴 위에 직접 접합하는 단계; 및 세라믹 잉크를 이용한 잉크젯 인쇄로써 상기 기판 위에 상기 반도체 다이의 높이의 일부를 포위하는 상기 제2 재료층인 세라믹 층을 형성하는 단계를 포함한다.Preferably, the fourth step comprises: directly bonding the semiconductor die onto the metal thin film pattern of the substrate; and forming a ceramic layer, which is the second material layer, surrounding a portion of the height of the semiconductor die on the substrate by inkjet printing using ceramic ink.

유리하게, 상기 제5 단계는, 세라믹 잉크 및 금속 잉크를 이용한 잉크젯 인쇄를 이용하여 이루어진다.Advantageously, the fifth step is achieved using inkjet printing using ceramic inks and metal inks.

바람직하게, 상기 방법은, 상기 제5 단계 후, 상기 기판을 다이싱(dicing)하여 단위 칩을 분리해내고, 상기 단위 칩을 패키징하여 개별 반도체 패키지를 제조하는 제6 단계를 더 포함한다.Preferably, the method further includes, after the fifth step, a sixth step of dicing the substrate to separate a unit chip, and packaging the unit chip to manufacture an individual semiconductor package.

본 개시서의 다른 양상에 따르면 반도체 칩이 제공되는바, 그 반도체 칩은, 비아 홀(via hole)이 형성된 기판; 상기 비아 홀의 내부 표면에 형성된 시드 층; 상기 시드 층 위로 상기 비아 홀에 충전된 도전 금속 재료; 상기 기판의 상면에 형성되고, 상기 도전 금속 재료와 도통하는 부분을 포함하는 금속 박막 패턴; 상기 금속 박막 패턴 위에 형성되고 반도체 다이가 삽입된 제2 재료층; 및 상기 제2 재료층 위에 상기 반도체 다이와 전기적으로 연결되도록 형성된 적층형 패키지 구조체를 포함한다.According to another aspect of the present disclosure, there is provided a semiconductor chip, the semiconductor chip comprising: a substrate having a via hole formed therein; a seed layer formed on an inner surface of the via hole; a conductive metal material filled in the via hole over the seed layer; a metal thin film pattern formed on the upper surface of the substrate and including a portion conducting the conductive metal material; a second material layer formed on the metal thin film pattern and having a semiconductor die inserted therein; and a stacked package structure formed on the second material layer to be electrically connected to the semiconductor die.

바람직하게, 상기 반도체 칩은, 상기 시드 층과 상기 기판 사이에 탄화 금속을 포함한다.Preferably, the semiconductor chip includes a metal carbide between the seed layer and the substrate.

유리하게는, 상기 금속 박막 패턴과 상기 반도체 다이 사이에 다른 도전성 재료가 개재하지 않는다.Advantageously, no other conductive material is interposed between the metal thin film pattern and the semiconductor die.

본 개시서의 화합물 반도체 패키징 방법에 의하면, 다이아몬드 웨이퍼 및 규소 웨이퍼를 이용한 샌드위치 구조를 기반으로 하여 화합물 전력 반도체(트랜지스터) 다이, 수동 소자 및 전극을 포함한 배선을 하나에 패키지에 일체화함으로써 종래의 전력 트랜지스터에 비해 패키지의 크기가 감소되는 효과가 있다.According to the compound semiconductor packaging method of the present disclosure, on the basis of a sandwich structure using a diamond wafer and a silicon wafer, a wiring including a compound power semiconductor (transistor) die, a passive element, and an electrode are integrated into one package, thereby forming a conventional power transistor There is an effect of reducing the size of the package compared to the

또한, 본 개시서의 반도체 패키징 방법에 의하면, 방열 특성이 우수한 다이아몬드 재료로 구성된 웨이퍼를 이용하고, 이에 구리가 충전된 비아 홀을 가공함으로써 기생 성분을 줄여 RF 특성을 개선하면서도 열을 효과적으로 방출하여 트랜지스터의 내구성을 높일 수 있는 장점이 있다.In addition, according to the semiconductor packaging method of the present disclosure, a wafer made of a diamond material having excellent heat dissipation characteristics is used and copper-filled via holes are processed to reduce parasitic components to improve RF characteristics while effectively dissipating heat to a transistor. It has the advantage of increasing the durability of

그리고 본 개시서의 반도체 패키징 방법에 의하면, 전력 소자와 같은 반도체 소자 다이를 공융 접합(eutectic bonding) 없이 열 또는 압착 방식으로 접합할 수 있어 트랜지스터의 신뢰성이 개선되는 효과가 있다.In addition, according to the semiconductor packaging method of the present disclosure, since a semiconductor device die such as a power device can be bonded by heat or compression without eutectic bonding, the reliability of the transistor is improved.

특히, 본 개시서에 따르면 종래의 기술과 달리 입출력 정합 회로, 전극 배선, 수동 소자를 모두 세라믹 잉크 및 금속(예컨대, 은) 잉크의 잉크젯 인쇄를 이용하여 다양한 유전체 및 금속 부분으로 형성할 수 있어 적층형 구조로 패키징을 제작하는 데 적합하고, 잉크의 소결 공정이 저온에서 이루어져 트랜지스터의 신뢰성이 보장되면서도 별도의 임피던스 정합 및 바이어스 회로를 구현할 때 기판 및 수동 소자가 추가로 들지 않으므로, 본 개시서에 따라 제조된 화합물 반도체 패키지를 이용한 전체 제품의 소형화 및 그 개발 비용의 절감에 유익한 효과가 있다.In particular, according to the present disclosure, unlike the prior art, the input/output matching circuit, electrode wiring, and passive elements can all be formed of various dielectric and metal parts using inkjet printing of ceramic ink and metal (eg, silver) ink. The structure is suitable for manufacturing packaging, and the reliability of the transistor is ensured because the sintering process of ink is performed at a low temperature, while additional substrates and passive elements are not required when implementing a separate impedance matching and bias circuit. There is a beneficial effect in downsizing the overall product using the compound semiconductor package and reducing the development cost thereof.

본 발명의 이해를 위하여 본 개시서에 나타난 반도체 패키지 구조를 보이기 위하여 실시 예들이 첨부된 도면을 참조로 하여 설명될 것인바, 이는 비한정적인 예시일 뿐이며, 본 개시서가 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람(이하 "통상의 기술자"라 함)에게 있어서는 또 다른 발명에 이르는 추가의 노력 없이 이 도면들에 기초하여 다른 도면들이 얻어질 수 있음을 물론이다.
도 1은 본 개시서에 따른 반도체 패키징 방법의 주요 단계들을 나타낸 흐름도이다.
도 2는 본 개시서에 따른 반도체 패키징 방법의 일 실시 예에서 기판에 비아 홀을 형성하는 방식을 개념적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 개시서에 따른 반도체 패키징 방법에서 제1 재료층 및/또는 제2 재료층과 기판 사이의 정렬에 이용할 수 있는 정렬용 비아(alignment via)를 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 개시서에 따른 반도체 패키징 방법의 제1 단계에서 상기 기판의 표면을 레이저 가공한 후 그 표면을 세정한 상태에서 촬영한 SEM 사진이다.
도 5는 본 개시서에 따른 반도체 패키징 방법의 제2 단계에 속하는 각 공정을 개념적으로 예시한 상기 기판의 평면도이다.
도 6은 본 개시서에 따른 반도체 패키징 방법의 일 실시 예에서 도전성 재료가 비아 홀에 충전되는 공정을 개념적으로 예시한 상기 기판의 측단면도이다.
도 7은 본 개시서에 따른 반도체 패키징 방법의 일 실시 예에서 기판에 형성된 비아 홀 내부에 보텀업 방식으로 구리가 충전된 것을 찍은 예시적인 사진이다.
도 8a 및 도 8b는 본 개시서에 따른 반도체 패키징 방법 중 제4 단계의 상이한 2개의 실시 예들을 각각 예시적으로 나타낸 개념도이다.
도 9a는 본 개시서에 따른 반도체 패키징 방법의 제5 단계에서 적층형 수직 배선을 이용하여 형성된 질화 갈륨 전력 반도체의 패키징 구조를 예시적으로 나타낸 측단면도이다.
도 9b는 본 개시서에 따른 반도체 패키징 방법의 제5 단계에서 다이아몬드 기판에 형성된 비아 홀을 이용하는 적층형 패키징 구조를 예시적으로 나타낸 측단면도이다.
도 10은 본 개시서의 반도체 패키징 방법의 일 실시 예에서 다수의 잉크젯 노즐을 이용하여 기판에 포함된 다수의 단위 칩들에 대해 병렬적으로 잉크젯 인쇄가 수행되는 방식을 개념적으로 나타낸 도면이다.
도 11은 본 개시서의 반도체 패키징 방법에서 기판을 다이싱(dicing)하여 단위 칩을 분리해내는 제6 단계를 개념적으로 나타낸 도면이다.
Embodiments will be described with reference to the accompanying drawings to show the semiconductor package structure shown in the present disclosure for understanding the present disclosure, which are only non-limiting examples, and common knowledge in the technical field to which the present disclosure belongs It goes without saying that other drawings may be obtained based on these drawings for a person having (hereinafter referred to as "a person skilled in the art") without additional efforts to reach another invention.
1 is a flowchart illustrating main steps of a semiconductor packaging method according to the present disclosure.
2 is a diagram conceptually illustrating a method of forming a via hole in a substrate in an embodiment of a semiconductor packaging method according to the present disclosure.
3 is a diagram exemplarily illustrating an alignment via that can be used for alignment between a first material layer and/or a second material layer and a substrate in a semiconductor packaging method according to the present disclosure.
4 is an SEM photograph taken in a state in which the surface of the substrate is laser-processed in the first step of the semiconductor packaging method according to the present disclosure and the surface is cleaned.
5 is a plan view of the substrate conceptually illustrating each process belonging to the second step of the semiconductor packaging method according to the present disclosure.
6 is a cross-sectional side view of the substrate conceptually illustrating a process in which a conductive material is filled in a via hole in an embodiment of a semiconductor packaging method according to the present disclosure.
7 is an exemplary photograph taken in a bottom-up manner in which copper is filled in a via hole formed in a substrate in an embodiment of the semiconductor packaging method according to the present disclosure.
8A and 8B are conceptual views exemplarily illustrating two different embodiments of the fourth step of the semiconductor packaging method according to the present disclosure.
9A is a side cross-sectional view illustrating a packaging structure of a gallium nitride power semiconductor formed using stacked vertical wiring in a fifth step of the semiconductor packaging method according to the present disclosure.
9B is a side cross-sectional view illustrating a stacked packaging structure using a via hole formed in a diamond substrate in a fifth step of the semiconductor packaging method according to the present disclosure.
10 is a diagram conceptually illustrating a method in which inkjet printing is performed in parallel on a plurality of unit chips included in a substrate using a plurality of inkjet nozzles in an embodiment of the semiconductor packaging method of the present disclosure.
11 is a diagram conceptually illustrating a sixth step of separating a unit chip by dicing a substrate in the semiconductor packaging method of the present disclosure.

본 개시서에서 인용된 모든 선행문헌들은 마치 본 개시서에 다 제시된 것처럼 그 전체가 참조로써 통합된다. 달리 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.All prior publications cited in this disclosure are incorporated by reference in their entirety as if they were all set forth in this disclosure. Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art. Terms such as those defined in a commonly used dictionary should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related art, and should not be interpreted in an ideal or excessively formal meaning unless explicitly defined in the present specification. does not

본 개시서에 따른 공정들 및 반도체 패키지의 구성 원리에 관하여 후술하는 상세한 설명은, 본 개시서에서 나타나는 발명의 목적들, 기술적 해법들 및 장점들을 분명하게 하기 위하여 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시 예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고, 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 개시서에 따른 기판 및 반도체 패키지의 구조는 도면에 나타난 바와 같은 길이 비율을 가지지 않으며, 도면 각 부분의 치수는 본 발명의 범위를 한정하지도 않고 설명의 목적으로 보이기 위하여 나타낸 것에 불과하다는 점이 이해될 것이다. 예를 들어, 도면에 나타난 요소들 몇몇의 치수는 다양한 실시 예들의 이해를 돕기 위한 것이다. 덧붙이자면, 설명 및 도면은 기재된 순서대로만 되어 있음을 의미하지 않는다. 통상의 기술자는 특정 순서로 설명 또는 도시된 작용들 및/또는 단계들이 그러한 순서에 대한 특별한 한정이 필요하지 않을 수 있다는 점을 이해할 수 있을 것이다.The detailed description set forth below with respect to the construction principle of the processes and the semiconductor package according to the present disclosure is a specific implementation in which the present invention may be practiced in order to clarify the objectives, technical solutions and advantages of the present disclosure appearing in the present disclosure. Reference is made to the accompanying drawings, which show examples by way of example. In the description with reference to the accompanying drawings, the same components are assigned the same reference numerals regardless of the reference numerals, and the overlapping description thereof will be omitted. It will be understood that the structure of the substrate and the semiconductor package according to the present disclosure does not have a length ratio as shown in the drawings, and the dimensions of each part in the drawings are only shown for illustrative purposes without limiting the scope of the present invention. will be. For example, dimensions of some of the elements shown in the drawings are provided to aid understanding of various embodiments. In addition, the description and drawings are not meant to be in the order in which they are described. Skilled artisans will appreciate that acts and/or steps described or depicted in a particular order may not require special limitations on that order.

따라서 실시 예들에 대한 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 예시를 위한 목적으로 개시된 것으로서, 다양한 형태로 변경되어 실시될 수 있다.Therefore, specific structural or functional descriptions of the embodiments are disclosed for the purpose of illustration only, and may be changed and implemented in various forms.

그리고 제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이런 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 해석되어야 한다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.And although terms such as first or second may be used to describe various elements, these terms should be interpreted only for the purpose of distinguishing one element from other elements. For example, a first component may be termed a second component, and similarly, a second component may also be termed a first component.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 또한, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 '상에' 또는 '위에' 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소 '바로 위에' 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.When a component is referred to as being “connected” to another component, it may be directly connected or connected to the other component, but it should be understood that another component may exist in between. Also, when it is mentioned that a certain element is 'on' or 'above' another element, it will be understood that the other element may be 'immediately on', but another element may be present in the middle.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함하고 그 역도 마찬가지이다.The singular expression includes the plural expression and vice versa, unless the context clearly dictates otherwise.

본 개시서에 있어서, "~ 상에 배치"되었다는 표현 혹인 "~ 위에 배치"되었다는 표현, 및 "~ 사이에 배치"되었다는 표현은, 달리 명시하지 않았다면, 서로 직접 접촉하도록 배치되었거나 그 사이에 개재하는 다른 구성요소들을 통하여 간접적으로 그렇게 배치되었음을 의미한다. 더욱이 "~ 상에", "~ 위에"는 구성요소들 간의 서로 상대적인 위치를 나타낸 것에 불과한데, 이는 관찰자의 보는 시점에 따라 다르게 보일 수 있기 때문이다. 또한, "~ 상에(위에) 형성"되었다는 것은 넓은 의미를 가지는바, 어느 구성요소가 다른 구성요소 위에 형성되었다는 것은 항상 그 다른 구성요소에 대한 그 어느 구성요소의 직접적인 물리적 접촉을 의미하지는 않는다.In the present disclosure, the expression "disposed on" or the expression "disposed on" and "disposed between" means, unless otherwise specified, the expressions disposed to be in direct contact with each other or interposed therebetween. It means that it is so arranged indirectly through other components. Moreover, "on" and "on" merely indicate the relative positions between the components, since they may look different depending on the viewpoint of the observer. In addition, "formed on (on)" has a broad meaning, and the fact that a component is formed on another component does not always mean direct physical contact of any component with the other component.

더욱이 본 발명은 본 명세서에 표시된 실시 예들의 모든 가능한 조합들을 망라한다. 본 발명의 다양한 실시 예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시 예에 관련하여 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시 예로 구현될 수 있다. 즉, 본 발명의 실시 예들은 본 발명의 이상적인 실시 예들의 특정 도면들을 참조하여 설명되나, 도시된 바와 같은 특정 형상에 한정되는 것으로 간주되어서는 아니 되고, 다양한 변형물들이 포함될 수 있다. 도면들에 도시된 형상들은 개념적으로 나타낸 것이고, 구조, 영역의 정확한 형상을 한정하여 본 발명의 범위를 한정하기 위한 것도 아니다. 예를 들어, 도면들에 장방형, 정방형 등으로 도시된 영역은 흔히 테이퍼지거나 굴곡지거나 둥글게 될 수 있다.Moreover, the invention encompasses all possible combinations of the embodiments indicated herein. It should be understood that various embodiments of the present invention are different but need not be mutually exclusive. For example, certain shapes, structures, and characteristics described herein may be implemented in other embodiments without departing from the spirit and scope of the invention in relation to one embodiment. That is, the embodiments of the present invention are described with reference to specific drawings of ideal embodiments of the present invention, but should not be construed as being limited to a specific shape as shown, and various modifications may be included. The shapes shown in the drawings are conceptually presented, and are not intended to limit the scope of the present invention by limiting the precise shape of the structure or area. For example, areas shown in the drawings as rectangles, squares, etc. can often be tapered, curved, or rounded.

각각의 개시된 실시 예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다.It should be understood that the location or arrangement of individual components within each disclosed embodiment may be changed without departing from the spirit and scope of the present invention. Accordingly, the detailed description set forth below is not intended to be taken in a limiting sense, and the scope of the present invention, if properly described, is limited only by the appended claims, along with all scope equivalents to those claimed.

또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 반도체 기술분야의 통상의 기술자에게 잘 알려진 재료, 공정 등에 관한 것이며 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그에 대한 지나치게 상세한 설명은 생략한다.In addition, in describing the present invention, if it is determined that the detailed description of the related known configuration or function relates to materials, processes, etc. well known to those skilled in the art of the semiconductor technology, and may obscure the gist of the present invention, it is excessively Detailed description will be omitted.

도 1은 본 개시서에 따른 반도체 패키징 방법의 주요 단계들을 나타낸 흐름도이다.1 is a flowchart illustrating main steps of a semiconductor packaging method according to the present disclosure.

도 1을 참조하면, 본 개시서의 반도체 패키징 방법은, 기판에 비아 홀(via hole)을 형성하는 제1 단계(S100)를 포함한다.Referring to FIG. 1 , the semiconductor packaging method of the present disclosure includes a first step ( S100 ) of forming a via hole in a substrate.

여기에서 상기 기판은 다이아몬드 기판일 수 있다. 또한, 그 다이아몬드 기판은 화학 기상 증착(CVD)에 의하여 형성된 다결정질 다이아몬드 기판일 수 있다. 예를 들어, 상기 기판의 두께는 1000 μm 미만일 수 있으나 이에 한정되지 않는다.Here, the substrate may be a diamond substrate. Further, the diamond substrate may be a polycrystalline diamond substrate formed by chemical vapor deposition (CVD). For example, the thickness of the substrate may be less than 1000 μm, but is not limited thereto.

상기 기판의 가공을 위하여 제1 단계(S100)에서, 레이저가 이용될 수 있는바, 일 실시 예에서 제1 단계(S100)는 극초단파 펄스 레이저, 예를 들어 나노초 레이저 또는 피코초 레이저를 이용하여 상기 기판에 상기 비아 홀을 형성하는 단계(S120)를 포함한다. 비아 홀의 직경은 250 μm 내지 350 μm일 수 있다.In the first step (S100) for processing the substrate, a laser may be used. In an embodiment, the first step (S100) is performed using a microwave pulse laser, for example, a nanosecond laser or a picosecond laser. and forming the via hole in the substrate (S120). The diameter of the via hole may be 250 μm to 350 μm.

상기 기판이 다이아몬드 기판일 경우 다이아몬드의 탄소 간 결합력으로 인하여 일반적으로 웨이퍼를 절단하는 데 이용되는 웨이어 다이싱 장비에 의하여는 가공이 극히 어렵기 때문이다.This is because, when the substrate is a diamond substrate, it is extremely difficult to process by a wafer dicing equipment generally used to cut a wafer due to the bonding force between carbons of diamond.

그런데, 극초단파 레이저 광원을 이용하여 기판에 레이저를 조사하는 때, 그 레이저의 강한 에너지에 의해 기판 내부의 에너지 밀도가 급격히 높아지고 표면 온도가 증가하면서 그 열영향부(HAZ; heat affect zone)에서 재료가 용융, 기화 및 고체화됨으로써 기판의 표면 및 비아 홀의 내부가 오염되는바, 특히 다이아몬드 기판의 경우, 열에 의하여 다이아몬드의 탄소 결합이 변형되어 흑연(graphite) 상이 발생한다.However, when irradiating a laser onto a substrate using a microwave laser light source, the energy density inside the substrate rapidly increases due to the strong energy of the laser and the surface temperature increases, causing the material to move in the heat affect zone (HAZ). By melting, vaporizing, and solidifying, the surface of the substrate and the inside of the via hole are contaminated. In particular, in the case of a diamond substrate, carbon bonds of diamond are deformed by heat to generate a graphite phase.

도 2는 이와 같은 문제를 해결하기 위한 비아 홀 형성 방식을 개념적으로 나타낸 도면이다.2 is a diagram conceptually illustrating a via hole formation method for solving such a problem.

도 2를 참조하면, 비아 홀을 형성하는 단계(S120)는, 비아 홀(120)의 외곽으로부터 중심을 향하는 제1 방사 방향 및 시계 방향인 제1 회전 방향을 가지는 나선 형상의 궤적으로 극초단파 레이저를 기판(100)의 평면에 수직인 방향으로 조사하는 제1 가공 단계(S122)와, 상기 제1 방사 방향의 반대 방향인 제2 방사 방향, 및 상기 제1 회전 방향과 반대 방향(이 예시에서는 반시계 방향)인 제2 회전 방향을 가지는 나선 형상의 궤적으로 극초단파 레이저를 기판(100)의 평면에 수직인 방향으로 조사하는 제2 가공 단계(S124)로 이루어질 수 있다.Referring to FIG. 2 , in the step of forming the via hole ( S120 ), the microwave laser is used in a spiral trajectory having a first radial direction and a clockwise first rotation direction from the outside of the via hole 120 toward the center. A first processing step (S122) of irradiating in a direction perpendicular to the plane of the substrate 100, a second radial direction opposite to the first radial direction, and a direction opposite to the first rotational direction (in this example, half A second processing step (S124) of irradiating the microwave laser in a direction perpendicular to the plane of the substrate 100 in a spiral-shaped locus having a second rotational direction (clockwise) may be performed.

일반적으로 상기 나선 형상 궤적의 레이저 조사는 레이저 광원이 고정된 상태에서 기판이 올려진 스테이지(미도시)를 제어함으로써 이루어질 수 있다.In general, the laser irradiation of the spiral trajectory may be performed by controlling a stage (not shown) on which the substrate is mounted while the laser light source is fixed.

상기 제1 방사 방향이 비아 홀의 중심으로부터 외곽을 향하는 방향인 경우, 제1 회전 방향이 반시계 방향인 경우 등 대안적인 조합도 가능한 것은 물론이다.Of course, alternative combinations are possible, such as when the first radial direction is a direction from the center of the via hole to the outside, and when the first rotation direction is a counterclockwise direction.

본 개시서에서와 같이 극초단파 펄스 레이저를 이용하여 비아 홀을 형성하면, 다이아몬드 기판의 낮은 비열을 유지할 수 있는 장점이 있다.If the via hole is formed using a microwave pulse laser as in the present disclosure, there is an advantage in that the low specific heat of the diamond substrate can be maintained.

도 3은 본 개시서에 따른 반도체 패키징 방법에서 제1 재료층 및/또는 제2 재료층과 기판 사이의 정렬에 이용할 수 있는 정렬용 비아(alignment via)를 예시적으로 나타낸 도면이다.3 is a diagram exemplarily illustrating an alignment via that can be used for alignment between a first material layer and/or a second material layer and a substrate in a semiconductor packaging method according to the present disclosure.

도 3을 참조하면, 단계(S120)에서는 상기 기판 상하의 통전을 위한 비아 홀(120)뿐만 아니라 후술하는 제1 재료층 및/또는 제2 재료층과의 정렬에 이용될 수 있는 정렬용 비아(190)도 함께 형성될 수 있다.Referring to FIG. 3 , in step S120 , the alignment via 190 that can be used for alignment with a first material layer and/or a second material layer to be described later as well as a via hole 120 for energizing the upper and lower sides of the substrate. ) can also be formed together.

또한, 레이저에 의한 부정적 영향을 최소화하기 위하여 비아 홀의 형성(S120) 다음으로, 이 실시 예에서 제1 단계(S100)는, 상기 기판의 표면을 세정하는 단계(S140; 미도시), 및 세정된 상기 표면을 강산 용액에 담가 상기 표면에 들러붙은 잔여물을 제거하는 단계(S160; 미도시)를 포함한다.In addition, in order to minimize the negative effect of the laser, the first step ( S100 ) in this embodiment, after the formation of the via hole ( S120 ), is the step of cleaning the surface of the substrate ( S140 ; not shown), and the cleaned and removing the residue adhering to the surface by immersing the surface in a strong acid solution (S160; not shown).

세정(S140)은 예를 들어 초음파에 의한 세척일 수 있고, 세정된 표면은 단계(S160)에서 강산 용액에 소정의 온도에서 소정의 시간 동안, 예를 들어 200 ℃에서 1 시간 동안 담궈져 그 표면에 들러붙은 흑연 상을 포함한 잔여물이 제거될 수 있다. 여기에서의 잔여물에는 전술한 바와 같이 레이저 가공에 의하여 생긴 흑연 상이 포함될 수 있다.The cleaning (S140) may be, for example, cleaning by ultrasonic waves, and the cleaned surface is immersed in a strong acid solution at a predetermined temperature for a predetermined time at a predetermined temperature, for example, for 1 hour at 200°C in the step (S160). Residues including the graphite phase adhering to the surface can be removed. The residue here may include a graphite phase produced by laser processing as described above.

도 4는 본 개시서에 따른 반도체 패키징 방법의 제1 단계에서 상기 기판의 표면을 레이저 가공한 후 그 표면을 세정한 상태에서 촬영한 SEM 사진이다.4 is an SEM photograph taken in a state in which the surface of the substrate is laser-processed in the first step of the semiconductor packaging method according to the present disclosure and the surface is cleaned.

다시, 도 1을 참조하면, 제1 단계(S100) 다음으로, 본 개시서의 반도체 패키징 방법은 상기 기판의 상면에 금속 박막 패턴을 형성하는 공정, 및 상기 비아 홀의 내부 표면에 시드 층(seed layer)을 형성하고, 상기 기판의 하면에 제1 재료층을 접합한 후, 도전 금속 재료로 상기 비아 홀을 충전하는 공정을 수행하는 제2 단계(S200)를 더 포함한다.Referring again to FIG. 1 , after the first step ( S100 ), the semiconductor packaging method of the present disclosure includes a process of forming a metal thin film pattern on the upper surface of the substrate, and a seed layer on the inner surface of the via hole. ) and, after bonding the first material layer to the lower surface of the substrate, a second step (S200) of performing a process of filling the via hole with a conductive metal material.

여기에서 도전 금속 재료는 구리(Cu)일 수 있다. 또한, 상기 시드 층은 제1 접합 물질로서 타이타늄(Ti), 텅스텐(W) 또는 크롬(Cr)을 포함할 수 있다.Here, the conductive metal material may be copper (Cu). In addition, the seed layer may include titanium (Ti), tungsten (W), or chromium (Cr) as the first bonding material.

도 5는 본 개시서에 따른 반도체 패키징 방법의 제2 단계에 속하는 각 공정을 개념적으로 예시한 상기 기판의 평면도이다.5 is a plan view of the substrate conceptually illustrating each process belonging to the second step of the semiconductor packaging method according to the present disclosure.

도 5를 참조하면, 일 실시 예에서 제2 단계(S200)는 제1 단계(S100)에서 비아 홀이 관통 형성된 상기 기판(100)의 상면에 드라이 필름 또는 감광제(130)로써 패턴을 형성(patterning)하는 단계(S210)를 포함한다.Referring to FIG. 5 , in an embodiment, in the second step (S200), a pattern is formed using a dry film or a photosensitizer 130 on the upper surface of the substrate 100 through which the via hole is formed in the first step (S100) (patterning). ) including a step (S210).

이 실시 예에서의 제2 단계(S200)는, 단계(S210) 다음으로 상기 제1 접합 물질로서 상기 타이타늄, 텅스텐 또는 크롬을 상기 다이아몬드 기판의 상면 및 비아 홀의 내부 표면에 증착하는 단계(S220)를 더 포함한다.The second step (S200) in this embodiment is the step (S220) of depositing the titanium, tungsten or chromium as the first bonding material on the upper surface of the diamond substrate and the inner surface of the via hole after the step (S210). include more

단계(S220)에서의 증착은 마그네트론 스터퍼 장비에 의하여 이루어질 수 있다. 그리고 제1 접합 물질은 300 내지 500 옹스트롬의 두께로 증착될 수 있다.Deposition in step (S220) may be made by a magnetron stuffer equipment. In addition, the first bonding material may be deposited to a thickness of 300 to 500 angstroms.

구리는 일반적으로 다이아몬드 기판과의 접합이 용이하지 않다. 구체적으로, 다이아몬드를 구성하고 있는 탄소 원자 간의 강한 결합력 때문에 다이아몬드는 금속 물질에 대해 낮은 접착성을 보이는 한편, 다이아몬드의 열팽창 계수는 1.18×10-6 m/(mK)이고 구리의 열팽창 계수는 18×10-6 m/(mK)이어서 서로 약 18배의 차이가 나므로 온도의 변화에 따라 비아 홀 내부의 구리 금속이 쉽게 탈착되는 현상이 발생한다. 이를 방지하기 위하여 본 개시서에서는 시드 층의 제1 접합 물질을 이용하여 다이아몬드 재료와 금속 재료 간의 접착력 향상을 도모하는바, 후술하는 제3 단계(S300)에서의 열처리에 의하여 다이아몬드 기판과 구리는 서로 단단히 결합된다.Copper is generally not easy to bond to a diamond substrate. Specifically, due to the strong bonding force between carbon atoms constituting diamond, diamond shows low adhesion to metal materials, while the thermal expansion coefficient of diamond is 1.18×10 -6 m/(mK) and that of copper is 18× Since it is 10 -6 m/(mK), there is a difference of about 18 times from each other, so the copper metal inside the via hole is easily desorbed according to the change in temperature. In order to prevent this, in the present disclosure, the adhesion between the diamond material and the metal material is improved by using the first bonding material of the seed layer. tightly coupled

계속해서 이 실시 예의 제2 단계(S200)는 상기 제1 접합 물질 위에 제2 접합 물질로서 금(Au), 은(Ag) 또는 구리(Cu)를 증착하는 단계(S240)를 더 포함한다. 상기 제1 접합 물질은 다이아몬드와의 접합력이 좋으나 열전도성, 전기전도성 및 금속 간 접합성이 낮아, 이를 보완하기 위하여 상기 제2 접합 물질이 더 이용될 수 있다.Subsequently, the second step ( S200 ) of this embodiment further includes a step ( S240 ) of depositing gold (Au), silver (Ag), or copper (Cu) as a second bonding material on the first bonding material. The first bonding material has good bonding strength with diamond, but has low thermal conductivity, electrical conductivity, and metal-to-metal bonding properties, so that the second bonding material may be further used to compensate for this.

예를 들어, 제2 접합 물질은 500 내지 1000 옹스트롬의 두께로 증착될 수 있다.For example, the second bonding material may be deposited to a thickness of 500 to 1000 angstroms.

임의선택적으로, 제1 접합 물질과 제2 접합 물질 사이에 확산 방지층으로 기능할 수 있도록 백금(Pt) 또는 니켈(Ni)을 삽입하는 단계(S230)가 단계(S220)와 단계(S240) 사이에 더 수행될 수 있다.Optionally, the step S230 of inserting platinum (Pt) or nickel (Ni) to function as a diffusion barrier layer between the first bonding material and the second bonding material is performed between the steps S220 and S240. more can be done.

이 실시 예의 제2 단계(S200)는 제2 접합 물질이 증착(S240)된 후, 상기 드라이 필름 또는 상기 감광제(130)를 제거하여 상기 드라이 필름 또는 상기 감광제 위에 증착된 상기 제1 접합 물질 및 상기 제2 접합 물질을 제거함으로써 상기 제1 접합 물질 및 상기 제2 접합 물질을 포함한 금속 박막 패턴(140)을 형성하는 리프트-오프(lift-off) 단계(S250)를 더 포함한다.In the second step (S200) of this embodiment, after the second bonding material is deposited (S240), the dry film or the photosensitive agent 130 is removed to obtain the first bonding material deposited on the dry film or the photosensitive agent and the The method further includes a lift-off step (S250) of forming the metal thin film pattern 140 including the first bonding material and the second bonding material by removing the second bonding material.

도 6은 본 개시서에 따른 반도체 패키징 방법의 일 실시 예에서 도전성 재료가 비아 홀에 충전되는 공정을 개념적으로 예시한 상기 기판의 측단면도이다.6 is a cross-sectional side view of the substrate conceptually illustrating a process in which a conductive material is filled in a via hole in an embodiment of a semiconductor packaging method according to the present disclosure.

도 6을 참조하면, 리프트-오프 단계(S250)에 뒤이어, 관통된 상기 비아 홀에 도전성 재료, 예컨대 구리 금속을 충전하기 위하여, 더미(dummy)로 기능하는 제1 재료층(200), 예컨대 제1 규소층을 기판에 직접 접합(S260)하고 전해도금을 통하여 비아 홀의 하부(122a)로부터 상기 도전성 재료, 예컨대 구리를 충전(S270)해 올릴 수 있다. 앞서 언급된 바와 같이 기생 인덕턴스를 최소화하기 위하여 전기 전도도가 우수한 금속을 이용하여 비아 홀을 충전할 필요가 있는데, 구리(Cu)는 5.96×107S/m의 높은 전기 전도도 특성을 가지면서도 단가가 낮은 장점이 있다.Referring to FIG. 6 , following the lift-off step ( S250 ), the first material layer 200 , for example, the first material layer 200 , which functions as a dummy, to fill the through-holes with a conductive material, for example, copper metal, 1 The silicon layer may be directly bonded to the substrate (S260), and the conductive material, for example, copper, may be charged (S270) from the lower portion 122a of the via hole through electroplating (S270). As mentioned above, in order to minimize parasitic inductance, it is necessary to fill the via hole using a metal having excellent electrical conductivity. It has a low advantage.

이때, 제1 재료층과 기판 사이의 접합을 위한 정렬에 전술한 정렬용 비아(190)가 이용될 수 있다.In this case, the aforementioned alignment via 190 may be used for alignment for bonding between the first material layer and the substrate.

여기에서 제1 재료 층은 후술하는 바와 같이 기판을 제1 재료 층과 제2 재료 층 사이에 끼인 샌드위치 구조로 구성하기 위한 접합에 용이하도록, 단계(S220) 및 단계(S240)에서와 같이 제1 재료층의 상면, 즉, 기판의 하면에 접합될 면(240)에도 제1 접합 물질 및 제2 접합 물질이 순차적으로 증착될 수 있다. 예를 들어, 제1 재료층의 상면에 증착되는 금속 박막들의 조합은 타이타늄 및 금(Ti/Au)의 조합, 및 크롬 및 금(Cr/Au)의 조합을 포함할 수 있다.Here, the first material layer is a first material layer as in steps S220 and S240, so as to facilitate bonding to constitute a sandwich structure sandwiched between the first material layer and the second material layer, as will be described later. The first bonding material and the second bonding material may be sequentially deposited on the upper surface of the material layer, that is, the surface 240 to be bonded to the lower surface of the substrate. For example, the combination of metal thin films deposited on the upper surface of the first material layer may include a combination of titanium and gold (Ti/Au), and a combination of chromium and gold (Cr/Au).

또한, 상기 전해도금은 기판을 도금액에 담궈 펄스 전압을 인가함으로써 비아 내부에 구리 금속을 충전하는 방식으로 이루어질 수 있다.In addition, the electrolytic plating may be performed by immersing the substrate in a plating solution and applying a pulse voltage to fill the inside of the via with copper metal.

종래에 기판을 관통하는 비아 홀을 구리로 도금할 때, 기판을 도금액에 넣어 평탄한 DC 전압을 인가하면 구리 금속이 그 기판 상하면의 비아 홀 입구에서 먼저 빠르게 환원되어 비아 홀의 내부가 구리로 완전히 충전되기 전에 비아 홀 입구가 막힐 수 있었는바, 이를 제거하기 위한 공정이 추가적으로 필요했을 뿐만 아니라 비아 홀 내부에 불균일한 공극(void)이 발생해서 균일성이 낮아지는 단점이 있었다.Conventionally, when a via hole passing through a substrate is plated with copper, when a flat DC voltage is applied by putting the substrate in a plating solution, the copper metal is first rapidly reduced at the via hole entrance on the upper and lower surfaces of the substrate so that the inside of the via hole is completely filled with copper. Previously, the inlet of the via hole could be blocked, and a process for removing it was additionally required, and there was a disadvantage in that uniformity was lowered due to the occurrence of non-uniform voids inside the via hole.

본 개시서에서는 이와 같이 전해도금 중에 비아 홀 입구가 막히는 현상을 양 전압과 음 전압 사이에서 교번하는 펄스 전압의 인가로써 해결한다. 즉, 펄스 전압에 의하여 비아 홀 입구에서의 구리 금속의 축적과 식각 반응이 교대로 반복되는바, 비아 홀 입구가 막히는 현상이 해결될 수 있다.In the present disclosure, the clogging of the via hole entrance during electroplating as described above is solved by applying a pulse voltage alternating between a positive voltage and a negative voltage. That is, since the accumulation of copper metal and the etching reaction are alternately repeated at the entrance of the via hole by the pulse voltage, the clogging of the entrance of the via hole can be solved.

뿐만 아니라, 전해도금에 의하여 구리 금속이 제1 재료층에 가까운 위치에서부터 위로 채워지는 것을 촉진하기 위하여 도금액에 평탄제(leveler)가 더 첨가될 수 있다. 구리 금속이 도금액으로부터 환원되어 제1 재료층에 가까운 위치인 아래로부터 위로 채워지는 것을 보텀업(bottom-up) 방식이라고 지칭할 수 있다.In addition, a leveler may be further added to the plating solution in order to facilitate filling of the copper metal upward from a position close to the first material layer by electroplating. A process in which copper metal is reduced from the plating solution and filled from bottom to top, which is a position close to the first material layer, may be referred to as a bottom-up method.

도 7은 본 개시서에 따른 반도체 패키징 방법의 일 실시 예에서 기판에 형성된 비아 홀 내부에 보텀업 방식으로 구리가 충전된 것을 찍은 예시적인 사진인바, 여기에 비아 홀 내부에 공극 없이 구리 금속이 완전히 충전된 것이 도시되어 있다.7 is an exemplary photograph taken in which copper is filled in a bottom-up method inside a via hole formed in a substrate in an embodiment of the semiconductor packaging method according to the present disclosure, wherein the copper metal is completely filled without a void inside the via hole. The filling is shown.

전술한 구리 충전 단계(S270) 후, 제2 단계(S200)는 비아 홀의 입구에서 구리 금속이 지닌 평탄도를 높이기 위하여, 상기 기판의 상면에 과충전된 구리(122b), 예컨대, 기판의 두께를 넘어 돌출된 구리를 제거하는 연마 단계(S280)를 더 포함할 수 있다.After the above-described copper filling step ( S270 ), the second step ( S200 ) is performed in order to increase the flatness of the copper metal at the entrance of the via hole, for example, the copper 122b overfilled on the upper surface of the substrate, for example, beyond the thickness of the substrate. A polishing step (S280) of removing the protruding copper may be further included.

그 연마는 폴리싱(polishing) 장비를 이용하여 수행될 수 있는바, 예를 들어, 기판(100)의 상면에 대한 폴리싱은 폴리싱 장비, 예컨대, 폴리우레탄으로 제조된 폴리싱 패드(polishing pad)에 기판(100)의 상면을 밀착시킨 후에, 수백 nm 크기의 연마재(abrasive)가 함유된 슬러리(slurry)를 이용하여 기계적 반응 및 화학적 반응이 일어나도록 폴리싱 패드를 고속 회전시킴으로써 표면 거칠기를 줄이는 방식으로 수행될 수 있다.The polishing may be performed using polishing equipment. For example, polishing the upper surface of the substrate 100 is performed on the substrate (polishing pad) with polishing equipment, for example, a polishing pad made of polyurethane. 100), by using a slurry containing an abrasive having a size of several hundred nm, by rotating the polishing pad at high speed so that a mechanical reaction and a chemical reaction occur, it can be performed in a way to reduce the surface roughness. have.

종래에 RF 파 또는 밀리미터 파 소자에 있어서는 RF 특성을 개선하기 위하여 일반적으로 기판 후면에 대한 후연마(backgrinding) 공정 및 소스 비아(source via) 형성 공정을 통하여 소스와 접지 간의 거리를 최소화하는 방법을 활용해 왔는바, 본 개시서에서와 같이 도전성 재료, 특히, 본 개시서의 실시 예에서와 같이 구리(Cu)를 충전한 비아 홀이 형성되면, 반도체 다이와 접지 간의 거리가 더 줄어들어 기생 성분이 저감되면서 열전도성도 개선되는 효과가 있다.Conventionally, in order to improve RF characteristics in RF wave or millimeter wave devices, a method of minimizing the distance between the source and ground is generally used through a backgrinding process and a source via forming process for the back side of the substrate. As in the present disclosure, when a via hole filled with a conductive material, particularly, copper (Cu) is formed as in the embodiment of the present disclosure, the distance between the semiconductor die and the ground is further reduced to reduce parasitic components. Thermal conductivity is also improved.

특히, 반도체 다이의 내부에서 열이 발생하는 지점과 접지 간의 거리를 줄이기 위하여 비아 홀(120)은 반도체 다이의 소스 영역에 가까운 채널 영역 아래에 놓이도록 형성될 수 있다.In particular, in order to reduce the distance between a point where heat is generated inside the semiconductor die and the ground, the via hole 120 may be formed to be placed under a channel region close to the source region of the semiconductor die.

계속해서, 도 1을 참조하면, 제2 단계(S200) 다음으로, 본 개시서의 반도체 패키징 방법은 상기 시드 층과 상기 기판 사이의 접착력을 높이도록 열처리를 수행하는 제3 단계(S300)를 더 포함한다.Continuingly, referring to FIG. 1 , after the second step ( S200 ), the semiconductor packaging method of the present disclosure further includes a third step ( S300 ) of performing heat treatment to increase adhesion between the seed layer and the substrate. include

제3 단계(S300)는 기판의 다이아몬드 재료와 금속 재료 간의 접착력 및 열전도성을 높이기 위한 어닐링(annealing)을 포함하는 열처리 단계로서, 아르곤(Ar), 질소(N2), 수소(H2) 중 적어도 하나를 포함하는 분위기에서 400 ℃ 내지 700 ℃의 온도에서 30분 이상의 시간 동안 진행될 수 있다.The third step (S300) is a heat treatment step including annealing to increase adhesion and thermal conductivity between the diamond material and the metal material of the substrate, argon (Ar), nitrogen (N 2 ), hydrogen (H 2 ) It may be carried out for at least 30 minutes at a temperature of 400 ℃ to 700 ℃ in an atmosphere containing at least one.

더 구체적으로, 제3 단계(S300)에서 수소 기체 분위기에서 1 시간 동안 400 ℃ 내지 600 ℃에서 열처리를 수행함으로써 타이타늄, 텅스텐, 크롬 금속이 각각 탄소와 반응하여 탄화 타이타늄, 탄화 텅스텐, 탄화 크롬이 형성될 수 있다.More specifically, in the third step (S300), by performing heat treatment at 400 ° C. to 600 ° C. for 1 hour in a hydrogen gas atmosphere, titanium, tungsten, and chromium metals are respectively reacted with carbon to form titanium carbide, tungsten carbide, and chromium carbide. can be

텅스텐을 제외한 나머지인 타이타늄 및 크롬의 경우에는 탄소와 결합하였을 때 접착력뿐만 아니라 열전도도도 개선되는 것으로 나타났는데, 예를 들어, 타이타늄이 가진 15 W/m·K의 낮은 열전도도 특성은 고온 열처리에 의하여 탄화 타이타늄의 110 W/m·K으로 개선되는바, 7배 이상의 열전도도 개선 효과를 보였다.In the case of titanium and chromium, excluding tungsten, when combined with carbon, not only adhesive strength but also thermal conductivity was improved. For example, titanium's low thermal conductivity of 15 W/m K As a result, it was improved to 110 W/m·K of titanium carbide, showing an effect of improving thermal conductivity more than 7 times.

도 1을 참조하면, 제3 단계(S300) 다음으로, 본 개시서의 반도체 패키징 방법은 상기 기판 위에 제2 재료층을 형성 또는 접합하되, 상기 제2 재료층에 반도체 다이(die)가 삽입되는 제4 단계(S400)를 더 포함한다. 제4 단계에 의하여 제1 재료층과 제2 재료층 사이에 기판이 끼인 이른바 '샌드위치 구조'가 형성된다.Referring to FIG. 1 , after the third step ( S300 ), in the semiconductor packaging method of the present disclosure, a second material layer is formed or bonded on the substrate, and a semiconductor die is inserted into the second material layer. A fourth step (S400) is further included. A so-called 'sandwich structure' is formed in which the substrate is sandwiched between the first material layer and the second material layer by the fourth step.

제4 단계에서는 제3 단계를 거친 기판(100)의 상면에 제2 재료 층인 제2 규소층 또는 세라믹 층을 형성하는데, 이때 반도체 다이, 예컨대 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 다이, 더 구체적으로 질화 갈륨(GaN) 반도체 다이가 그 제2 재료층에 매립 또는 삽입된다.In the fourth step, a second silicon layer or a ceramic layer, which is a second material layer, is formed on the upper surface of the substrate 100 that has undergone the third step, wherein a semiconductor die, such as a III-V compound semiconductor die, more specifically gallium nitride ( A GaN) semiconductor die is embedded or embedded in its second material layer.

도 8a 및 도 8b는 본 개시서에 따른 반도체 패키징 방법 중 제4 단계의 상이한 2개의 실시 예들을 각각 예시적으로 나타낸 개념도이다. 도 8a에는 제2 규소층을 이용하여 샌드위치 구조가 형성되는 공정이 예시되며, 도 8b에는 저온 소결 세라믹 잉크를 이용하여 샌드위치 구조가 형성되는 공정이 예시된다.8A and 8B are conceptual views exemplarily illustrating two different embodiments of the fourth step of the semiconductor packaging method according to the present disclosure. FIG. 8A illustrates a process in which a sandwich structure is formed using the second silicon layer, and FIG. 8B illustrates a process in which a sandwich structure is formed using a low-temperature sintered ceramic ink.

먼저 도 8a를 참조하면, 본 개시서의 반도체 패키징 방법의 일 실시 예의 제4 단계(S400)에서는, 상기 기판 위에 상기 제2 재료층인 제2 규소(Si)층(300a)을 접합함으로써 샌드위치 구조를 형성(S410a)한다.Referring first to FIG. 8A , in the fourth step ( S400 ) of an embodiment of the semiconductor packaging method of the present disclosure, a sandwich structure is formed by bonding a second silicon (Si) layer 300a, which is the second material layer, on the substrate. to form (S410a).

제2 규소층(300a)은 기판(100)의 상면에 접합(S410a)되기 전에 먼저 그 접합될 면에 상기 제1 접합 물질 및 상기 제2 접합 물질이 순차적으로 증착되어 금속 박막층(340a)이 형성될 수 있다. 제2 규소층에 형성된 금속 박막층(340a)의 조합은, 예컨대, 타이타늄 및 금(Ti/Au), 또는 크롬 및 금(Cr/Au)일 수 있다.Before the second silicon layer 300a is bonded to the upper surface of the substrate 100 ( S410a ), the first bonding material and the second bonding material are sequentially deposited on the surface to be bonded to form the metal thin film layer 340a . can be The combination of the metal thin film layer 340a formed on the second silicon layer may be, for example, titanium and gold (Ti/Au), or chromium and gold (Cr/Au).

제2 규소층(300a)을 기판 위에 직접 접합 방식으로 부착하는 경우, 제2 규소층(300a)은 후술하는 반도체 다이(400)의 두께를 고려하여 80 내지 100 μm의 얇은 두께를 가질 수 있다.When the second silicon layer 300a is attached to the substrate in a direct bonding method, the second silicon layer 300a may have a thin thickness of 80 to 100 μm in consideration of the thickness of the semiconductor die 400 to be described later.

이 실시 예에서는, 샌드위치 구조의 형성(S410a) 후, 제2 규소층(300a)에 포함된 규소 재료의 일부를 제거하여 상기 제2 규소층의 일부를 관통하는 홈(350a)을 형성(S420a)한다. 예를 들어 규소 재료의 제거에 건식 식각이 이용될 수 있고, 식각 시 기판의 상부에 형성된 금속 박막 패턴(140)은 그 하부를 보호하는 금속 마스크(metal mask)로서 기능할 수 있다.In this embodiment, after the sandwich structure is formed (S410a), a portion of the silicon material included in the second silicon layer 300a is removed to form a groove 350a penetrating a portion of the second silicon layer (S420a) do. For example, dry etching may be used to remove the silicon material, and during etching, the metal thin film pattern 140 formed on the upper portion of the substrate may function as a metal mask protecting the lower portion.

홈(350a)이 형성(S420a)되면, 반도체 다이(400)를 홈(350a)에 안착시켜 기판(100)의 상기 금속 박막 패턴(140) 위에 직접 접합(S430a)한다.When the groove 350a is formed ( S420a ), the semiconductor die 400 is seated in the groove 350a and directly bonded to the metal thin film pattern 140 of the substrate 100 ( S430a ).

여기에서 직접 접합은 열 또는 압착에 의하여 이루어질 수 있는바, 종래의 공융 접합 또는 솔더링에 의하지 않으므로 TBR(thermal barrier resistance)과 같은 열적 저항 성분을 감소시킬 수 있다.Here, direct bonding may be achieved by heat or compression, and since conventional eutectic bonding or soldering is not used, a thermal resistance component such as thermal barrier resistance (TBR) may be reduced.

한편 도 8b를 참조하면, 본 개시서의 반도체 패키징 방법의 다른 실시 예의 제4 단계(S400)에서는, 먼저, 반도체 다이(400)를 기판(100)의 금속 박막 패턴(140) 위에 직접 접합(S430b)한다. 직접 접합은 전술한 도 8a의 실시 예에서와 같이 열 또는 압착에 의하여 이루어질 수 있다.Meanwhile, referring to FIG. 8B , in the fourth step ( S400 ) of another embodiment of the semiconductor packaging method of the present disclosure, first, the semiconductor die 400 is directly bonded on the metal thin film pattern 140 of the substrate 100 ( S430b ). )do. Direct bonding may be performed by heat or compression as in the embodiment of FIG. 8A described above.

그(S430b) 후, 저온 소결 세라믹 잉크를 이용한 잉크젯 인쇄로써 기판 위에 반도체 다이의 높이의 일부를 포위하는 절연성 제2 재료층인 세라믹 층(300b)을 형성(S440b; S442b 내지 S444b)한다. 이 실시 예에서는 고가의 유기 박막 증착 장비를 이용하지 않고도 직접 접합 또는 저온 소결(low temperature sintering) 잉크젯 인쇄 기술(예컨대, 대한민국 공개특허공보 제10-2010-0127011호에 개시됨)을 이용하여 반도체 패키징에 필요한 기판을 가공, 제조할 수 있다. 단계(S440b)에서 저온 소결 세라믹 잉크를 잉크젯으로 분사(S442b)한 후 300 ℃ 이하의 저온에서 소결(S444b)하는 방식으로 세라믹 층을 형성할 수 있어, 반도체 패키징 공정 중에서 발생하는 열에 의하여 반도체 소자가 손상을 입는 문제를 개선할 수 있다.After that (S430b), a ceramic layer 300b which is an insulating second material layer surrounding a part of the height of the semiconductor die is formed on the substrate by inkjet printing using a low-temperature sintered ceramic ink (S440b; S442b to S444b). In this embodiment, semiconductor packaging using direct bonding or low temperature sintering inkjet printing technology (for example, disclosed in Korean Patent Application Laid-Open No. 10-2010-0127011) without using expensive organic thin film deposition equipment It can process and manufacture the necessary substrates. In step S440b, the ceramic layer can be formed by spraying the low-temperature sintered ceramic ink with inkjet (S442b) and then sintering at a low temperature of 300 ° C. or less (S444b). The problem of damage can be improved.

저온 소결 세라믹 잉크는 세라믹(Al2O3) 분말을 분산 용액과 함께 잉크 형태로 만든 것이다.Low-temperature sintered ceramic ink is made of ceramic (Al 2 O 3 ) powder with a dispersion solution in the form of ink.

예시적인 세라믹 잉크의 액적의 부피는 150 내지 180 피코리터, 잉크의 액적 간의 간격(pitch)은 50 내지 100 마이크로미터이며, 통상적인 잉크젯 인쇄 방식인 DOD(Drop-On-Demand) 인쇄 방식이 적용될 수 있다. DOD 인쇄가 압전 소자를 포함한 액추에이터에 의하여 구현되는 것은 잘 알려져 있다. 바림직하게는, 본 개시서에서 이용되는 잉크젯 인쇄는 180 피코리터보다 작은 부피를 가진 잉크 액적을 50 마이크로미터보다 작은 간격으로 제트 분사함으로써 수행될 수 있다.The volume of an exemplary ceramic ink droplet is 150 to 180 picoliter, and the pitch between the ink droplets is 50 to 100 micrometers, and a drop-on-demand (DOD) printing method, which is a conventional inkjet printing method, may be applied. have. It is well known that DOD printing is implemented by an actuator including a piezoelectric element. Preferably, the inkjet printing used in the present disclosure can be performed by jet jetting ink droplets having a volume smaller than 180 picoliters at intervals smaller than 50 micrometers.

세라믹 잉크는 세라믹(Al2O3) 입자뿐만 아니라 AlN, BN, BaTiO3 등 다른 성분을 함유하게 함으로써 그 세라믹 잉크에 의하여 제작되는 세라믹 유전체의 특성을 조절할 수 있다.The ceramic ink contains not only ceramic (Al 2 O 3 ) particles but also other components such as AlN, BN, and BaTiO 3 , so that characteristics of the ceramic dielectric produced by the ceramic ink can be controlled.

세라믹 잉크를 이용하면 잉크에 함유된 바인더(binder)인 휘발성 용매 물질이 50 ℃ 내지 100 ℃에서 기화하여 1차적으로 세라믹 잉크가 경화하여 세라믹 막의 형상이 고정된 후, 섭씨 250도의 더 낮은 저온에서 완전 소결이 이루어지므로 신뢰성이 제고되는 장점이 있다. 특히, 종래에는 보통 300 ℃ 정도의 온도에서 반도체 패키징 공정이 진행되었던 것이 비하여, 세라믹 잉크 및 후술하는 금속 잉크를 이용하는 경우 용매 물질의 기화에 의한 1차 경화가 섭씨 50도 내지 섭씨 100도에서 이루어지고, 2차적으로 완전 소결이 섭씨 250도에서 이루어지므로 열에 의한 문제를 해소할 수 있는 이점이 있다.When ceramic ink is used, the volatile solvent material, which is a binder contained in the ink, is vaporized at 50 ° C. to 100 ° C., the ceramic ink is cured first, the shape of the ceramic film is fixed, and then completely at a lower temperature of 250 ° C. Since sintering is performed, there is an advantage in that reliability is improved. In particular, compared to the conventional semiconductor packaging process usually performed at a temperature of about 300 ° C, when using a ceramic ink and a metal ink to be described later, the primary curing by vaporization of the solvent material is made at 50 ° C. to 100 ° C. , secondary complete sintering is performed at 250 degrees Celsius, so there is an advantage that can solve the problem due to heat.

이 저온 소결을 가능하게 하기 위하여 아래 수학식 1로 보인 세라믹 미립자의 충전율은 68% 이상, 세라믹 미립자의 크기는 20 나노미터 내지 1 마이크로미터인 것이 바람직하다.In order to enable this low-temperature sintering, it is preferable that the filling rate of the ceramic particles shown in Equation 1 below is 68% or more, and the size of the ceramic particles is 20 nanometers to 1 micrometer.

Figure 112021045714851-pat00001
Figure 112021045714851-pat00001

특히, 세라믹 잉크에 의하여 형성되는 막의 밀도를 높이기 위하여 세라믹 미립자들은 균일한 크기가 아닌 서로 다른 크기를 가지는 것이 유리하다.In particular, in order to increase the density of the film formed by the ceramic ink, it is advantageous for the ceramic particles to have different sizes rather than uniform sizes.

예를 들어, 50 nm 내지 1 μm의 입자 크기를 가진 세라믹 분말을 상기 잉크젯 인쇄에 이용하면 단위 면적당 세라믹 입자들의 밀도를 높일 수 있어 충전율이 높은 세라믹 층이 구현 가능하다.For example, when ceramic powder having a particle size of 50 nm to 1 μm is used for the inkjet printing, the density of ceramic particles per unit area can be increased, so that a ceramic layer having a high filling rate can be realized.

또한, 세라믹 분말에 함유된 AlN, Al2O3, Si3N4, BaTiO3의 배합 비율을 달리하여 절연성이 상이한 물질로써 세라믹 층을 층별로 구현 가능하고, RF 또는 밀리미터 파 대역에 따른 반도체 소자의 특성에 따라 절연막으로 기능하는 세라믹 층을 달리 구성할 수 있는 장점이 있다.In addition, by varying the mixing ratio of AlN, Al 2 O 3 , Si 3 N 4 , and BaTiO 3 contained in the ceramic powder, the ceramic layer can be implemented as a material with different insulation properties for each layer, and semiconductor devices according to RF or millimeter wave bands There is an advantage that a ceramic layer that functions as an insulating film can be configured differently depending on the characteristics of the .

제4 단계(S400)까지 제조된 기판으로서, CVD 다이아몬드 기판이 이용되는 경우에 CVD 다이아몬드는 방열판으로 이용되는 타 소재, 예를 들어, 구리(Cu), CPC에 비해 4배 이상 높은 열전도도를 가지고 있어, 고출력 및 고전압에서 동작하는 질화 갈륨 전력 반도체 다이에서 발생하는 열을 외부로 빠르게 방출하여 해당 소자의 효율 및 신뢰성을 확보하는 데 도움이 된다. 또한 금속 박막 패턴과 반도체 다이 사이에 다른 도전성 재료가 개재하지 않고 전기적으로 직접 연결되어, 구리로 충전된 비아 홀도 반도체 다이의 소스 비아(도 9a 및 도 9b에 참조부호 'S'로 도시됨)와 전기적으로 연결됨으로써 소스 비아와 접지 간의 거리가 최소화되어 기생 성분의 발생이 억제되는바, RF 또는 밀리미터 주파수 영역에서 동작하는 전력 반도체 소자의 효율을 크게 개선할 수 있다.As a substrate manufactured up to the fourth step (S400), when a CVD diamond substrate is used, the CVD diamond has a thermal conductivity four times higher than that of other materials used as a heat sink, for example, copper (Cu) and CPC. This helps to secure the efficiency and reliability of the device by quickly dissipating the heat generated by the gallium nitride power semiconductor die operating at high output and high voltage to the outside. In addition, the metal thin film pattern and the semiconductor die are electrically directly connected without intervening other conductive materials, so that the copper-filled via hole is also the source via of the semiconductor die (shown by reference numeral 'S' in FIGS. 9A and 9B ). Since the distance between the source via and the ground is minimized by being electrically connected to the bar, the generation of a parasitic component is suppressed, the efficiency of the power semiconductor device operating in the RF or millimeter frequency region can be greatly improved.

계속해서 도 1을 참조하면, 제4 단계(S400) 다음으로, 본 개시서의 반도체 패키징 방법은 상기 제2 재료층 위에 상기 반도체 다이와 전기적으로 연결되는 적층형 패키지 구조체를 형성하는 제5 단계(S500)를 더 포함한다.Continuing to refer to FIG. 1 , after the fourth step ( S400 ), the semiconductor packaging method of the present disclosure includes a fifth step ( S500 ) of forming a stacked package structure electrically connected to the semiconductor die on the second material layer ( S500 ). further includes

제5 단계(S500)는 세라믹 잉크 및 금속 잉크를 이용한 잉크젯 인쇄에 의하여 수행될 수 있다. 잉크젯 인쇄는 전술한 세라믹 잉크뿐만 아니라 나노 규모의 금속 미립자를 포함하는 금속 잉크, 예컨대, 은 나노 잉크에도 적용될 수 있으며, 이와 같이 금속 미립자를 함유한 잉크를 이용하여 원하는 위치에 원하는 형상으로 몰딩 구조를 형성할 수도 있다.The fifth step ( S500 ) may be performed by inkjet printing using ceramic ink and metal ink. Inkjet printing can be applied not only to the aforementioned ceramic ink, but also to metal ink containing nano-scale metal particles, for example, silver nano ink. can also be formed.

여기에서 금속 잉크에 함유된 금속 미립자는 은(Ag) 또는 구리(Cu)의 성분을 포함할 수 있다. 일 예시로서, 은 나노 입자를 포함하는 은 잉크의 충전율 및 점도 등의 특성은 그 은 잉크에 포함된 은 나노 입자와 용매인 글리세롤, 분산 특성에 영향을 주는 폴리비닐피롤리돈의 함량비에 따라 조절될 수 있다.Here, the metal particles contained in the metal ink may include a component of silver (Ag) or copper (Cu). As an example, characteristics such as filling rate and viscosity of silver ink containing silver nanoparticles depend on the content ratio of silver nanoparticles contained in the silver ink, glycerol as a solvent, and polyvinylpyrrolidone affecting dispersion characteristics. can be adjusted.

일반적으로 이용되는 반도체 공정 장비가 최대 4 인치 정도인 웨이퍼 크기에 맞춰 제작되는 한계를 고려해볼 때, 제5 단계(S500)에서는 웨이퍼 기판에 형성된 샌드위치 구조의 상부에서 상기 적층형 패키지 구조의 형성이 잉크젯 프린팅에 의하여 이루어질 수 있는바, 이러한 잉크젯 프린팅은 그 공정의 간소화 및 비용의 절감을 위한 것이다.Considering the limitation in that commonly used semiconductor processing equipment is manufactured for a wafer size of up to 4 inches, in the fifth step (S500), the formation of the stacked package structure on the sandwich structure formed on the wafer substrate is performed by inkjet printing. This can be done by the bar, such inkjet printing is for the simplification of the process and reduction of cost.

종래의 RF 전력 반도체 소자의 패키징에는 입력 및 출력 정합 회로의 구현이 필수적이었기 때문에, 반도체 다이 외에 정합 소자(저항, 인덕터, 커패시터), 정합을 위한 절연 PCB, SLC(single layer capacitor; 단일층 커패시터), 접합 와이어와 같은 요소들로부터 기생 성분이 발생했을 뿐만 아니라, 고출력의 전력 반도체 다이 자체에서 발생하는 열을 방출하기 위하여 전력 반도체 다이 아래에 열전도도가 높은 구리 금속을 솔더링하거나 은 페이스트(Ag paste)를 이용하여 접합하였는데, 그와 같이 두꺼운(20 마이크로미터 이상의) 접착 물질로 인하여 전력 반도체 다이와 구리 사이의 계면에 상당한 열적 저항 성분이 존재하였다.Since the implementation of input and output matching circuits was essential in the packaging of conventional RF power semiconductor devices, matching devices (resistors, inductors, capacitors), insulated PCBs for matching, and single layer capacitors (SLCs) in addition to the semiconductor die In order to dissipate the heat generated by the high-output power semiconductor die itself, as well as parasitic components generated from elements such as bonding wires, solder a copper metal with high thermal conductivity under the power semiconductor die or use Ag paste was bonded using , and due to such a thick (more than 20 micrometers) adhesive material, there was a significant thermal resistance component at the interface between the power semiconductor die and copper.

이러한 종래의 패키징에 의하면, 기생 성분과 열적 저항 성분으로 인하여 신호의 손실이 발생하여 전력 반도체 소자의 성능이 저하되며, 내부에서 발생하는 열을 효과적으로 방출하지 못하게 됨으로써 반도체 소자에 손상이 가는 등 동작 신뢰성이 낮아지는 문제가 있었다.According to such a conventional packaging, a signal loss occurs due to a parasitic component and a thermal resistance component, which deteriorates the performance of the power semiconductor device, and the heat generated inside cannot be effectively dissipated, thereby causing damage to the semiconductor device, etc. Operational reliability There was a problem with this lowering.

도 9a는 본 개시서에 따른 반도체 패키징 방법의 제5 단계에서 적층형 수직 배선을 이용하여 형성된 질화 갈륨 전력 반도체의 예시적인 제1 패키징 구조(500a)를 나타낸 측단면도이다.9A is a side cross-sectional view illustrating an exemplary first packaging structure 500a of a gallium nitride power semiconductor formed using stacked vertical wiring in a fifth step of a semiconductor packaging method according to the present disclosure.

도 9a를 참조하면, 제5 단계(S500)는 본 개시서에 따른 샌드위치 구조의 기판 단위에서 저온 소결 세라믹 및/또는 금속 잉크를 이용하는 단층 성형(S520; 미도시) 및 단층 성형된 저온 소결 세라믹 및/또는 금속 잉크의 저온 소결(S540; 미도시)의 반복을 포함한다.Referring to FIG. 9A , the fifth step (S500) is a single-layer molding (S520; not shown) using a low-temperature sintered ceramic and/or a metal ink in a substrate unit of a sandwich structure according to the present disclosure and a low-temperature sintered ceramic formed in a single layer; / or repeating the low-temperature sintering of the metal ink (S540; not shown).

도 9a에 도시된 바와 같이, 제5 단계(S500)에서 게이트 단자(G) 및 드레인 단자(D) 각각과 연결되는 배선은 은 나노 잉크 등의 금속 잉크를 적용하여 형성할 수 있으며, 금속 잉크와 함께 높은 Q 값과 낮은 유전율을 가지는 세라믹 재료(510)를 이용할 수 있는바, 입력 및 출력 임피던스 매칭을 위한 수동 소자, 예컨대, 저항, 커패시터(522a) 및 인덕터(524a)는 세라믹 및 금속 잉크로 제작하고, 와이어 접합 대신에 수직 전극 배선(520a)을 형성하여 내부에서 발생하는 기생 성분으로 인한 신호 손실을 저감할 수 있으며, 범프(526a)를 통하여 플립칩 구조로 패키징이 가능하여 반도체 패키지의 치수를 줄일 수 있다.As shown in FIG. 9A , the wiring connected to each of the gate terminal G and the drain terminal D in the fifth step S500 may be formed by applying a metal ink such as silver nano ink, and the metal ink and A ceramic material 510 having a high Q value and a low dielectric constant may be used together, and passive components for input and output impedance matching, such as resistors, capacitors 522a and inductors 524a, are made of ceramic and metal inks. In addition, by forming the vertical electrode wiring 520a instead of wire bonding, signal loss due to parasitic components generated inside can be reduced, and packaging in a flip-chip structure is possible through the bump 526a, thereby reducing the size of the semiconductor package. can be reduced

화합물 전력 반도체 패키지의 경우에 내부 임피던스의 정합을 위한 SLC(single layer capacitor) 또는 금속 패턴을 가지는 유전체가 일반적으로 반도체 패키지의 내부에 함께 실장되며, 반도체 패키지 내부의 금속 배선들은 주로 외부 입출력 신호의 전달과 바이어스 전압을 공급하기 위한 용도로 이용되는 것이다. 본 발명의 본질을 흐리지 않기 위하여 세라믹 잉크 및 금속 잉크에 의하여 형성되는 소자들 및 배선들에 관한 더 상세한 설명은 생략하기로 한다.In the case of a compound power semiconductor package, a single layer capacitor (SLC) or a dielectric having a metal pattern for internal impedance matching is generally mounted together in the semiconductor package, and the metal wires inside the semiconductor package are mainly used to transmit external input/output signals. It is used to supply an over-bias voltage. In order not to obscure the essence of the present invention, a more detailed description of the elements and wirings formed by the ceramic ink and the metal ink will be omitted.

한편, 도 9b에 예시된 제2 패키징 구조(500b)를 참조하면, 본 개시서에 따라 형성된 비아 홀(120)을 이용하여 입출력 신호, 바이어스 전압, 접지의 배선 길이를 최적화할 수 있어 임피던스 매칭의 구현 및 기생 성분의 저감이 용이하며, 제1 재료층(200), 특히 기판(100) 하부의 제1 규소층을 폴리싱한 후 패터닝 공정을 적용함으로써 전극 패드를 제작한 후 이를 다이싱한 단위 칩(600)을 PCB에 직접 부착하면, 종래의 패키징 방식에서 이용되었던 접합 물질을 이용하지 않을 수 있어 단위 칩(600)과 PCB 사이의 이종 정합 계면의 TBR을 저감하여 열 방출을 더 촉진할 수 있다.Meanwhile, referring to the second packaging structure 500b illustrated in FIG. 9B , it is possible to optimize the wiring lengths of the input/output signal, the bias voltage, and the ground by using the via hole 120 formed according to the present disclosure. It is easy to implement and reduce parasitic components, and after polishing the first material layer 200 , particularly the first silicon layer under the substrate 100 , and then applying a patterning process, an electrode pad is manufactured and then the unit chip is diced. When the 600 is directly attached to the PCB, the bonding material used in the conventional packaging method can not be used, so the TBR of the heterogeneous matching interface between the unit chip 600 and the PCB can be reduced, thereby further promoting heat dissipation. .

도 10은 본 개시서의 반도체 패키징 방법의 일 실시 예에서 다수의 잉크젯 노즐(700)을 이용하여 기판에 포함된 다수의 단위 칩들(600)에 대해 병렬적으로 잉크젯 인쇄가 수행되는 방식을 개념적으로 나타낸 도면이다.10 conceptually illustrates a method in which inkjet printing is performed in parallel on a plurality of unit chips 600 included in a substrate using a plurality of inkjet nozzles 700 in an embodiment of the semiconductor packaging method of the present disclosure. the drawing shown.

잉크젯 인쇄 기술은 낮은 장비 단가와 단순한 공정의 장점을 지니고 있으나 속도가 느려 생산성이 떨어진다는 한계가 있다. 이와 같은 한계를 극복하기 위하여 제4 단계(S400) 및 제5 단계(S500)에서의 잉크젯 인쇄는 다수의 잉크젯 노즐(700)을 이용하여 기판에 포함된 다수의 단위 칩들에 대해 병렬적으로 수행될 수 있는바, 도 10에 예시된 바와 같다.Inkjet printing technology has the advantages of low equipment cost and simple process, but has a limitation in that productivity is lowered due to its slow speed. In order to overcome this limitation, the inkjet printing in the fourth step ( S400 ) and the fifth step ( S500 ) may be performed in parallel on a plurality of unit chips included in the substrate using a plurality of inkjet nozzles 700 . possible, as exemplified in FIG. 10 .

도 11은 본 개시서의 반도체 패키징 방법에서 기판을 다이싱(dicing)하여 단위 칩을 분리해내는 제6 단계(S600)를 개념적으로 나타낸 도면이다.11 is a diagram conceptually illustrating a sixth step ( S600 ) of separating a unit chip by dicing a substrate in the semiconductor packaging method of the present disclosure.

도 1 및 도 11을 참조하면, 제5 단계(S500) 다음으로, 본 개시서의 반도체 패키징 방법은 상기 기판을 다이싱(dicing)하여 단위 칩을 분리해내고, 상기 단위 칩을 패키징하여 개별 반도체 패키지를 제조하는 제6 단계(S600)를 더 포함할 수 있다.1 and 11 , after the fifth step ( S500 ), in the semiconductor packaging method of the present disclosure, a unit chip is separated by dicing the substrate, and an individual semiconductor is packaged by packaging the unit chip. A sixth step (S600) of manufacturing the package may be further included.

예를 들어, 제5 단계(S500)를 거쳐 완성된 기판(100)은 그 하면, 즉, 제1 재료층을 후면(back-side) 식각 또는 폴리싱 공정으로 제거한 후 다이싱할 수 있는바, 이때 다이싱은 다이아몬드 재료에 관한 것이므로 기계적 절단이 곤란한바, 극초단파 레이저를 이용하여 수행되는 것이 바람직하다.For example, the substrate 100 completed through the fifth step (S500) can be diced after removing the lower surface, that is, the first material layer by a back-side etching or polishing process, at this time Since dicing relates to a diamond material, mechanical cutting is difficult, and it is preferably performed using a microwave laser.

극초단파 레이저는 532 nm 파장 및 180 ns의 펄스 폭을 가지고, 낮은 에너지에서 6 kHz의 빠른 반복률(repetition rate)로 조사될 수 있다. 다만, 통상의 기술자는 상기 극초단파 레이저의 파장, 펄스 폭 및 반복률이 이 구체적인 수치에 한정되지 않음을 이해할 수 있을 것이다.The microwave laser has a wavelength of 532 nm and a pulse width of 180 ns, and can be irradiated with a fast repetition rate of 6 kHz at low energy. However, those skilled in the art will understand that the wavelength, pulse width, and repetition rate of the microwave laser are not limited to these specific values.

극초단파 레이저 빔의 크기, 펄스 주기, 인가 에너지 등을 최적화하면 그 레이저의 선폭을 70 μm 내지 100 μm로 제한함으로써 다이싱의 가공 단차 및 오차를 최소화할 수 있다.By optimizing the size, pulse period, and applied energy of the microwave laser beam, the line width of the laser is limited to 70 μm to 100 μm, thereby minimizing the processing step and error of dicing.

분리된 단위 칩은, 예를 들어, 인쇄회로 기판에 직접 접합되거나 소정의 하우징 내부에 탑재될 수 있고, 에폭시를 이용한 뚜껑(lid; 리드)로써 밀폐될 수 있다.The separated unit chip, for example, may be directly bonded to a printed circuit board or mounted in a predetermined housing, and may be sealed with a lid (lid) using epoxy.

지금까지 설명된 본 개시서에서 따른 반도체 패키징 방법 및 이에 따른 반도체 패키지는 열전도도 특성이 우수한 다이아몬드 재료를 그 기판으로 이용하여 종래에 일반적으로 이용되고 있던 구리 또는 알루미늄 재료를 대체하여 향상된 방열 효과를 얻을 수 있는 장점이 있을 뿐만 아니라, 다이아몬드 재료를 이용한 반도체 패키지를 제작하기 위하여 최적화된 공정 장비의 파라미터를 제안함으로써 다이아몬드 기반 반도체, 특히 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 패키지의 내구성, 신뢰성, 출력 및 효율을 개선하는 효과가 있다. 특히 다이아몬드 기판에 대한 비아 홀의 가공, 이에 대한 구리 충전, 다이아몬드-금속 간 이종 물질 접합에 있어서 종래 기술의 한계를 극복함으로써 높은 성능이 필요한 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 패키지 칩의 효율 및 동작 안정성을 현저히 개선할 수 있는 장점이 있다.The semiconductor packaging method and the semiconductor package according to the present disclosure described so far use a diamond material having excellent thermal conductivity as a substrate to replace the conventionally used copper or aluminum material to obtain an improved heat dissipation effect. In addition to the advantages that can be achieved, it is possible to improve the durability, reliability, output and efficiency of diamond-based semiconductors, especially III-V compound semiconductor packages, by proposing the parameters of process equipment optimized for manufacturing semiconductor packages using diamond materials. It works. In particular, the efficiency and operational stability of III-V compound semiconductor package chips requiring high performance are significantly improved by overcoming the limitations of the prior art in processing via holes for diamond substrates, copper filling, and diamond-metal dissimilar material bonding. There are advantages to doing.

이상에서 몇몇 선별된 실시 예들에 한하여 본 발명이 설명되었으나 통상의 기술자는 본 개시서가 기초로 한 개념을 용이하게 이해할 수 있으며, 본 발명의 몇몇 목적들을 수행하기 위한 변형된 구조물들의 설계 기초로서 그 개념을 용이하게 활용할 수 있을 것이다Although the present invention has been described only in some selected embodiments above, those skilled in the art can easily understand the concept based on the present disclosure, and the concept as a design basis for modified structures for carrying out some purposes of the present invention will be able to easily use

전술한 예시들은 단지 본 개시서의 다양한 양상들의 여러 가능한 실시 예들을 예시한 것인바, 이 명세서 및 첨부된 도면들을 읽고 이해한 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 다른 사람들에 의해 균등한 변형물들 및/또는 수정물들이 생길 것이다. 덧붙여, 본 개시서의 특정한 특징이 몇몇 실시 예들 중 단 하나에 대해서만 설명되거나 그리고/또는 예시되었을 수 있어도, 그러한 특징은 어느 주어진 용례 또는 특정 용례에 있어 바람직하고 유리할 수 있는 다른 실시 예들의 하나 이상의 다른 특징들과 조합될 수 있다. 또한, "포함하는", "포함하다", "구비하는", "가진다", "갖춘"이라는 단어, 또는 그것들을 변형한 단어들이 상세한 설명 및/또는 청구범위에 이용되는 한, 그러한 용어들은 "포함하는(comprising)"이라는 용어와 유사한 방식으로 포괄적(inclusive)인 것으로 의도된 것이다.The foregoing examples merely illustrate several possible embodiments of various aspects of the present disclosure, with equivalent modifications made by others skilled in the art upon reading and understanding this specification and the accompanying drawings. Waters and/or corrections will occur. In addition, although particular features of this disclosure may have been described and/or illustrated for only one of several embodiments, such features may be present in one or more other embodiments of any given application or other embodiments that may be desirable and advantageous for that particular application. It can be combined with features. Also, to the extent that the words "comprising", "comprises", "comprising", "having", "having", or variations thereof, are used in the specification and/or claims, such terms shall mean " It is intended to be inclusive in a manner analogous to the term "comprising".

100: 기판
120: 비아 홀
130: 드라이 필름 또는 감광제
140: 금속 박막 패턴
190: 정렬용 비아
200: 제1 재료층
240: 제1 재료층에 형성된 금속 박막
300: 제2 재료층
300a: 제2 규소층
340a: 제2 규소층에 형성된 금속 박막
350a: 홈
400: 반도체 다이
300b: 세라믹 층
500a: 제1 패키징 구조
510: 세라믹 재료
520a: 수직 전극 배선
522a, 522b: 커패시터
524a, 524b: 인덕터
526a: 범프
500b: 제2 패키징 구조
600: 단위 칩
700: 다수의 잉크젯 노즐
G: 게이트 단자
S: 소스 단자
D: 드레인 단자
100: substrate
120: via hole
130: dry film or photosensitizer
140: metal thin film pattern
190: vias for alignment
200: first material layer
240: a metal thin film formed on the first material layer
300: second material layer
300a: second silicon layer
340a: a metal thin film formed on the second silicon layer
350a: home
400: semiconductor die
300b: ceramic layer
500a: first packaging structure
510: ceramic material
520a: vertical electrode wiring
522a, 522b: capacitors
524a, 524b: inductors
526a: bump
500b: second packaging structure
600: unit chip
700: multiple inkjet nozzles
G: gate terminal
S: source terminal
D: drain terminal

Claims (19)

기판에 비아 홀(via hole)을 형성하는 제1 단계(S100);
상기 기판의 상면에 금속 박막 패턴을 형성하는 공정, 및 상기 비아 홀의 내부 표면에 시드 층(seed layer)을 형성하고, 상기 기판의 하면에 제1 재료층을 접합한 후, 도전 금속 재료로 상기 비아 홀을 충전하는 공정을 수행하는 제2 단계(S200);
상기 시드 층과 상기 기판 사이의 접착력을 높이도록 열처리를 수행하는 제3 단계(S300);
상기 기판 위에 제2 재료층을 형성 또는 접합하되, 상기 제2 재료층에 반도체 다이(die)가 삽입되는 제4 단계(S400); 및
상기 제2 재료층 위에 상기 반도체 다이와 전기적으로 연결되는 적층형 패키지 구조체를 형성하는 제5 단계(S500)
를 포함하는, 반도체 패키징 방법.
A first step of forming a via hole (via hole) in the substrate (S100);
Forming a metal thin film pattern on the upper surface of the substrate, forming a seed layer on the inner surface of the via hole, bonding a first material layer to the lower surface of the substrate, and then forming the via with a conductive metal material a second step of performing a hole filling process (S200);
a third step (S300) of performing heat treatment to increase adhesion between the seed layer and the substrate;
a fourth step (S400) of forming or bonding a second material layer on the substrate, wherein a semiconductor die is inserted into the second material layer; and
A fifth step of forming a stacked package structure electrically connected to the semiconductor die on the second material layer (S500)
A semiconductor packaging method comprising:
제1항에 있어서,
제1 단계는,
극초단파 레이저를 이용하여 상기 기판에 상기 비아 홀을 형성하는 단계(S120);
상기 기판의 표면을 세정하는 단계(S140); 및
세정된 상기 표면을 강산 용액에 담가 상기 표면에 들러붙은 잔여물을 제거하는 단계(S160)
를 포함하는, 반도체 패키징 방법.
According to claim 1,
The first step is
forming the via hole in the substrate using a microwave laser (S120);
cleaning the surface of the substrate (S140); and
Removing the residue adhering to the surface by immersing the cleaned surface in a strong acid solution (S160)
A semiconductor packaging method comprising:
제1항에 있어서,
상기 기판은 다이아몬드 기판이고, 상기 도전 금속 재료는 구리(Cu)인, 반도체 패키징 방법.
According to claim 1,
The substrate is a diamond substrate, and the conductive metal material is copper (Cu).
제3항에 있어서,
상기 시드 층은 제1 접합 물질로서 타이타늄(Ti), 텅스텐(W) 또는 크롬(Cr)을 포함하는, 반도체 패키징 방법.
4. The method of claim 3,
wherein the seed layer comprises titanium (Ti), tungsten (W) or chromium (Cr) as a first bonding material.
제4항에 있어서,
상기 제3 단계(S300)의 열처리에 의하여 상기 제1 접합 물질의 타이타늄, 텅스텐 또는 크롬이 상기 다이아몬드 기판의 탄소와 반응하는, 반도체 패키징 방법.
5. The method of claim 4,
Titanium, tungsten or chromium of the first bonding material reacts with carbon of the diamond substrate by the heat treatment of the third step (S300).
제4항에 있어서,
상기 제2 단계는,
상기 기판의 상면에 드라이 필름 또는 감광제로써 패턴을 형성(patterning)하는 단계(S210);
상기 제1 접합 물질로서 상기 타이타늄, 텅스텐 또는 크롬을 상기 다이아몬드 기판의 상면 및 비아 홀의 내부 표면에 증착하는 단계(S220);
상기 제1 접합 물질 위에 제2 접합 물질로서 금(Au), 은(Ag) 또는 구리(Cu)를 증착하는 단계(S240); 및
상기 드라이 필름 또는 상기 감광제를 제거하여 상기 드라이 필름 또는 상기 감광제 위에 증착된 상기 제1 접합 물질 및 상기 제2 접합 물질을 제거함으로써 상기 제1 접합 물질 및 상기 제2 접합 물질을 포함한 금속 박막 패턴을 형성하는 리프트-오프(lift-off) 단계(S250)
를 포함하는, 반도체 패키징 방법.
5. The method of claim 4,
The second step is
forming a pattern (patterning) with a dry film or a photosensitive agent on the upper surface of the substrate (S210);
depositing the titanium, tungsten, or chromium as the first bonding material on the upper surface of the diamond substrate and the inner surface of the via hole (S220);
depositing gold (Au), silver (Ag), or copper (Cu) as a second bonding material on the first bonding material ( S240 ); and
A metal thin film pattern including the first bonding material and the second bonding material is formed by removing the dry film or the photosensitizer to remove the first bonding material and the second bonding material deposited on the dry film or the photosensitizer a lift-off step (S250)
A semiconductor packaging method comprising:
제6항에 있어서,
상기 제2 단계는,
상기 리프트-오프 단계(S250) 후,
상기 기판의 하면에 제1 재료층을 접합하는 단계(S260); 및
상기 도전 금속 재료인 구리로 상기 비아 홀을 충전하는 구리 충전 단계(S270)
를 더 포함하는, 반도체 패키징 방법.
7. The method of claim 6,
The second step is
After the lift-off step (S250),
bonding a first material layer to the lower surface of the substrate (S260); and
A copper filling step of filling the via hole with copper, which is the conductive metal material (S270)
Further comprising a, semiconductor packaging method.
제7항에 있어서,
상기 제2 단계는,
구리 충전 단계(S270) 후,
상기 기판의 상면에 과충전된 구리를 제거하는 연마 단계(S280)를 더 포함하는, 반도체 패키징 방법.
8. The method of claim 7,
The second step is
After the copper charging step (S270),
The method further comprising a polishing step (S280) of removing overfilled copper on the upper surface of the substrate.
제6항에 있어서,
단계(S220) 및 단계(S240) 사이에,
상기 제1 접합 물질 위에 확산 방지층을 형성하는 단계(S230)를 더 포함하는, 반도체 패키징 방법.
7. The method of claim 6,
Between step S220 and step S240,
The method further comprising the step of forming a diffusion barrier layer on the first bonding material (S230), the semiconductor packaging method.
제7항에 있어서,
상기 제1 재료층은 상기 기판의 하면에 접합될 면에 상기 제1 접합 물질 및 상기 제2 접합 물질이 순차적으로 증착된 것인, 반도체 패키징 방법.
8. The method of claim 7,
In the first material layer, the first bonding material and the second bonding material are sequentially deposited on a surface to be bonded to the lower surface of the substrate.
제6항에 있어서,
상기 제4 단계는,
상기 기판 위에 상기 제2 재료층인 제2 규소(Si)층을 접합하는 단계(S410a);
상기 제2 규소층에 포함된 규소 재료의 일부를 제거하여 상기 제2 규소층의 일부를 관통하는 홈을 형성하는 단계(S420a); 및
상기 반도체 다이를 상기 홈에 안착시켜 상기 기판의 상기 금속 박막 패턴 위에 직접 접합하는 단계(S430a)
를 포함하는, 반도체 패키징 방법.
7. The method of claim 6,
The fourth step is
bonding a second silicon (Si) layer, which is the second material layer, on the substrate (S410a);
forming a groove penetrating a portion of the second silicon layer by removing a portion of the silicon material included in the second silicon layer (S420a); and
Seating the semiconductor die in the groove and directly bonding the metal thin film pattern on the substrate (S430a)
A semiconductor packaging method comprising:
제6항에 있어서,
상기 제4 단계는,
상기 반도체 다이를 상기 기판의 상기 금속 박막 패턴 위에 직접 접합하는 단계(S430b); 및
세라믹 잉크를 이용한 잉크젯 인쇄로써 상기 기판 위에 상기 반도체 다이의 높이의 일부를 포위하는 상기 제2 재료층인 세라믹 층을 형성하는 단계(S440b)
를 포함하는, 반도체 패키징 방법.
7. The method of claim 6,
The fourth step is
directly bonding the semiconductor die onto the metal thin film pattern of the substrate (S430b); and
Forming a ceramic layer, which is the second material layer, surrounding a part of the height of the semiconductor die on the substrate by inkjet printing using ceramic ink (S440b)
A semiconductor packaging method comprising:
제1항에 있어서,
상기 제5 단계는,
세라믹 잉크 및 금속 잉크를 이용한 잉크젯 인쇄를 이용하여 이루어지는, 반도체 패키징 방법.
According to claim 1,
The fifth step is
A semiconductor packaging method comprising inkjet printing using ceramic ink and metal ink.
제13항에 있어서,
상기 잉크젯 인쇄는 다수의 잉크젯 노즐을 이용하여 상기 기판에 포함된 다수의 단위 칩에 대해 병렬적으로 수행되는, 반도체 패키징 방법.
14. The method of claim 13,
The inkjet printing is performed in parallel on a plurality of unit chips included in the substrate using a plurality of inkjet nozzles.
제1항에 있어서,
상기 제5 단계 후,
상기 기판을 다이싱(dicing)하여 단위 칩을 분리해내고, 상기 단위 칩을 패키징하여 개별 반도체 패키지를 제조하는 제6 단계(S600)
를 더 포함하는, 반도체 패키징 방법.
According to claim 1,
After the fifth step,
A sixth step (S600) of dicing the substrate to separate unit chips, and packaging the unit chips to manufacture individual semiconductor packages (S600)
Further comprising a, semiconductor packaging method.
제1항에 있어서,
상기 반도체 다이는 Ⅲ-Ⅴ족 화합물의 반도체 다이인, 반도체 패키징 방법.
According to claim 1,
wherein the semiconductor die is a semiconductor die of a III-V compound.
제16항에 있어서,
상기 Ⅲ-Ⅴ족 화합물은 질화 갈륨(GaN)인, 반도체 패키징 방법.
17. The method of claim 16,
The III-V compound is gallium nitride (GaN), a semiconductor packaging method.
제1항에 있어서,
상기 제1 재료층은 제1 규소(Si)층인, 반도체 패키징 방법.
According to claim 1,
wherein the first material layer is a first silicon (Si) layer.
비아 홀(via hole)이 형성된 기판;
상기 비아 홀의 내부 표면에 형성된 시드 층;
상기 시드 층 위로 상기 비아 홀에 충전된 도전 금속 재료;
상기 기판의 상면에 형성되고, 상기 도전 금속 재료와 도통하는 부분을 포함하는 금속 박막 패턴;
상기 금속 박막 패턴 위에 형성되고 반도체 다이가 삽입된 제2 재료층; 및
상기 제2 재료층 위에 상기 반도체 다이와 전기적으로 연결되도록 형성된 적층형 패키지 구조체
를 포함하는 반도체 칩으로서,
상기 시드 층과 상기 기판 사이에 탄화 금속을 포함하고, 상기 금속 박막 패턴과 상기 반도체 다이 사이에 다른 도전성 재료가 개재하지 않은, 반도체 칩.
a substrate having via holes formed thereon;
a seed layer formed on an inner surface of the via hole;
a conductive metal material filled in the via hole over the seed layer;
a metal thin film pattern formed on the upper surface of the substrate and including a portion conducting the conductive metal material;
a second material layer formed on the metal thin film pattern and having a semiconductor die inserted therein; and
A stacked package structure formed on the second material layer to be electrically connected to the semiconductor die
A semiconductor chip comprising:
A semiconductor chip comprising a metal carbide between the seed layer and the substrate, and no other conductive material is interposed between the metal thin film pattern and the semiconductor die.
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