KR20000019151A - 솔더 범프를 갖는 반도체 칩과 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 플립 칩 본딩에 의한 반도체 칩의 실장에 적합하도록 알루미늄 패드의 상부에 솔더 범프가 형성된 반도체 칩과 그 제조방법에 관한 것으로서, 본 반도체 칩은 알루미늄 패드가 형성된 실리콘 기판, 실리콘 기판의 상부에 형성된 패시베이션층, 알루미늄 패드의 알루미늄층과 니켈층 및 팔라듐층으로 적층형성되어 있는 확산 장벽층, 및 확산 장벽층의 상부에 형성된 솔더 범프를 갖는 것을 특징하고, 반도체 칩 제조방법은 ⒜알루미늄 패드가 형성된 실리콘 기판의 상부에 패시베이션막을 씌우는 단계, ⒝실리콘 기판의 전면에 걸쳐 알루미늄층과 니켈층 및 팔라듐층을 차례로 형성하는 단계, ⒞포토레지스트막을 실리콘 기판의 전면에 형성하고 사진 식각을 진행하여 알루미늄 패드의 상부에 팔라듐층을 노출시키는 단계, ⒟팔라듐층의 상부에 솔더 범프를 형성하는 단계, 및 ⒠포토레지스트막과 알루미늄 패드 상부에 위치한 팔라듐층과 니켈층 및 알루미늄층을 제외한 나머지 영역을 식각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 따르면, 확산장벽층과 솔더 범프와의 금속간 화합물이 발생을 크게 감소시켜 크랙의 발생등을 방지할 수 있고, 팔라듐의 사용으로 솔더 범프와의 접합력이 향상되므로 반도체 칩에 대한 신뢰성이 향상시킬 수 있다.
Description
본 발명은 반도체 칩에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 플립 칩 본딩 기술에 의한 반도체 칩의 실장에 적합하도록 알루미늄 패드의 상부에 범프가 형성된 반도체 칩과 그 제조방법에 관한 것이다.
고기능과 고밀도 실장에 대한 요구가 더욱 가속화됨에 따라 이에 부응하기 위하여 플립 칩(flip chip) 접속 기술을 이용한 패키지와 소위 칩 스케일 패키지(CSP; Chip Scale Package) 또는 칩 사이즈 패키지(Chip Size Package)라 불리우는 형태의 패키지가 등장하게 되었으며, 최근들어 그 응용범위가 더욱 확대되고 있는 실정이다. 더불어 베어 칩(bare chip)을 인쇄회로기판(Printed Circuit Board)에 금속 개재물인 범프를 이용하여 직접 접속하는 형태인 DCA(Direct Chip Attach)나 MCM(Multi Chip Module)과 같은 모듈도 속속 등장하고 있다.
플립 칩 기술을 적용하기 위해서는 우선 베어 칩의 알루미늄 패드 위에 기판과의 접속단자로 연결시킬 수 있는 금속 매개물로서 범프(bump)가 형성되어 있어야 한다. 이러한 범프를 형성하는 방법으로는 증기 증착(evaporation)법, 전기 도금(electroplating)법, 무전해 도금법, 스크린 프린팅(screen printing)법 및 전사법 등이 있고, 각 공정의 장단점에 따라 선택되고 있으며, 가장 일반적인 방법으로 현재 전기 도금법이 많이 사용되고 있다.
알루미늄 패드 위에 범프를 형성하기 위해서는 범프를 형성하기 전에 알루미늄 패드 위에 충분한 접착력 및 산화막 형성을 방지하기 위한 일련의 금속막을 적층하는 것이 필요하여, 이를 BLM(Ball Limiting Metallurgy) 또는 UBM(Under Bump Metal, 이하 "확산 장벽층"이라 한다)이라 한다. UBM을 적층하는 방법으로 전기 도금법 또는 증착법이 많이 이용되고 있다. UBM은 크게 접착층 또는 장벽층, 젖음성이 좋게 하는 젖음층과 산화를 막기 위한 산화막층으로 구성된다.
도 1a 내지 도 1d는 종래 기술에 따른 솔더 범프를 갖는 반도체 칩의 제조 공정도로서, 전기 도금법에 의해 작업이 이루어지고 있다.
도 1a 내지 도 1d를 참조하여 종래의 솔더 범프(35)가 형성된 반도체 칩(40)의 제조 공정을 설명하기로 한다.
알루미늄 패드(31)가 형성되어 있는 실리콘 기판(30)의 전면에 실리콘 산화막(SiO2) 또는 질화 실리콘막(Si3N4)으로 패시베이션층(passivation layer;32)이 형성된다. 패시베이션층(32)에 의해 덮혀진 부분중에서 알루미늄 패드(31)가 위치한 부분이 선택적으로 식각되어 알루미늄 패드(31)가 개방된다. 그리고나서 실리콘 기판(30) 전면에 증착 또는 스퍼터링(sputtering)에 의해 구리로 확산 장벽층(33)이 전체적으로 형성되고, 그 위에 포토레지스트막(34)을 형성하여 사진 작업을 통하여 알루미늄 패드(31)의 상부가 개방되며, 그 위에 솔더 범프(solder bump)가 형성된다. 그리고 포토레지스트막(34)과 확산 장벽층(33)이 식각에 의해 제거된다. 여기서, 확산 장벽층(33)은 알루미늄 패드와의 접합이 잘 이루어지도록 하고, 이종 재질간의 확산을 방지하기 위해 형성된다.
이와 같은 구조를 갖는 종래의 솔더 범프가 형성된 반도체 칩은 확산 장벽층으로서 구리를 사용함에 따라 문제점이 발생할 수 있다. 그것은 솔더 범프와 알루미늄 패드 사이의 확산 장벽층에서 크랙(crack)이 발생될 수 있다는 것이다.
그 원인은 구리 재질의 확산 장벽층과 솔더 범프는 서로 반응하여 Cu3Sn이나 Cu6Sn5와 같은 금속간 화합물을 생성하기 때문이다. 이 금속간 화합물은 치성이 강해 반도체 칩의 신뢰성을 테스트하는 각종 테스트 공정, 예를 들어 주기적 온도 테스트(Temperature Cycling Test)에서 견디지 못하고 확산 장벽층의 일부가 손상되지 못하기 때문이다.
따라서 본 발명의 목적은 솔더 범프와 금속간 화합물을 발생시키지 않고 견고한 접합력을 유지하는 확산 장벽층이 형성된 솔더 범프를 갖는 반도체 칩과 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
도 1a 내지 도 1d는 종래 기술에 따른 솔더 범프(solder bump)를 갖는 반도체 칩의 제조 공정도,
도 2a 내지 도 2d는 본 발명에 따른 솔더 범프를 갖는 반도체 칩의 제조 공정도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10; 실리콘 기판 11; 알루미늄 패드
12; 패시베이션층 13; 알루미늄층
14; 니켈층 15; 팔라듐층
16; UBM층(Under Bump Metal Layer)
17; 솔더 범프 20; 반도체 칩
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 솔더 범프를 갖는 반도체 칩은 알루미늄 패드가 형성된 실리콘 기판, 실리콘 기판의 상부에 형성된 패시베이션층, 알루미늄 패드와 접합되도록 하여 알루미늄층과 니켈층 및 팔라듐층이 차례로 적층되어 형성되어 있는 확산 장벽층, 및 확산 장벽층의 상부에 형성된 솔더 범프를 갖는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 솔더 범프를 갖는 반도체 칩의 제조 방법은 ⒜알루미늄 패드가 형성된 실리콘 기판의 상부에 패시베이션막을 씌우는 단계, ⒝실리콘 기판의 전면에 걸쳐 알루미늄층과 니켈층 및 팔라듐층을 차례로 형성하는 단계, ⒞포토레지스트막을 실리콘 기판의 전면에 형성하고 사진 식각을 진행하여 알루미늄 패드의 상부에 팔라듐층을 노출시키는 단계, ⒟팔라듐층의 상부에 솔더 범프를 형성하는 단계, 및 ⒠포토레지스트막과 알루미늄 패드 상부에 위치한 팔라듐층과 니켈층 및 알루미늄층을 제외한 나머지 영역을 식각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 따른 솔더 범프를 갖는 반도체 칩과 그 제조방법을 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명에 따른 솔더 범프를 갖는 반도체 칩의 제조 공정도이다.
본 발명에 의한 반도체 칩은 다음과 같은 공정에 의해서 제조된다.
도 2a를 참조하면, 먼저 소정의 집적회로가 형성된 실리콘 기판(10)의 주표면에 알루미늄 패드(11)가 형성되어 있는 반도체 칩(20)을 준비한다. 실리콘 기판(10)의 주표면은 알루미늄 패드(11)의 소정 영역이 노출되도록 하여 패시베이션층(12)으로 보호되고 있다. 이 패시베이션층(12)은 종래와 같이 실리콘 산화막(SiO2) 또는 질화 실리콘막(Si3N4)으로 형성한다.
준비된 알루미늄 패드(11)가 형성된 실리콘 기판(10)의 상면 전체, 즉 패시베이션층(12)의 상부와 알루미늄 패드(11)의 노출된 부분에까지 스퍼터링법을 이용하여 알루미늄층(13)을 형성한다. 알루미늄 패드(11)위에 적층되는 알루미늄층(13)은 다음에 적층될 니켈층과의 접합이 잘 이루어지도록 하기 위한 것으로서 완성된 웨이퍼 내의 전기적인 동작상태를 가려내는 EDS(Electric Die Sorting)후 남게 되는 탐침 자국에 의한 패드 손상을 방지하기도 한다.
도 2b와 도 2c를 참조하면, 다음으로 알루미늄층(13) 위에 니켈층(14)을 형성시킨다. 니켈층(14)은 알루미늄 패드(11) 속으로 다른 금속 성분이 확산되는 것을 방지하기 위한 장벽 역할을 한다. 니켈 성분은 이후 공정에서 형성되는 솔더 범프의 솔더 성분과 금속간 화합물을 잘 만들지 않는 성질이 있다.
그리고나서 니켈층 위에 팔라듐층(15)을 형성한다. 니켈층(14) 위에 형성되는 팔라듐층(15)은 장벽 역할을 하는 니켈층(14)의 초기 산화막 생성을 억제한다. 팔라듐은 솔더와의 젖음성이 좋기 때문에 전기 도금법이나 스크린 프린팅법에 의해 솔더 범프를 형성하기가 용이하다.
도 2d를 참조하면, 알루미늄층(13)과 니켈층(14) 및 팔라듐층(15)으로 구성되는 확산 장벽층(16)이 형성된 다음에는 포토레지스트를 이용하여 솔더 범프(17)를 형성하고자 하는 알루미늄 패드(11) 위에 패턴을 만들고 전기 도금법으로 솔더 범프(17)를 형성한 후에 포토레지스트를 제거하고 알루미늄층(13)과 니켈층(14) 및 팔라듐층(15)을 알루미늄 패드(11)의 상부 영역만이 남도록 식각하여 제거한다.
이와 같이 제조되는 반도체 칩(20)은 알루미늄 패드(11)의 소정 부분이 노출되도록 패시베이션층(12)이 형성되어 있고, 알루미늄 패드(11)의 상부에 알루미늄층(13)과 니켈층(14) 및 팔라듐층(15)으로 구성된 확산 장벽층(16)이 형성되어 있으며, 그 확산 장벽층(16)의 상부에 솔더 범프(17)가 형성된 구조를 갖는다.
확산 장벽층(16)을 구성하는 알루미늄층(13)과 니켈층(14) 및 팔라듐층(15)은 스퍼터링법을 이용하여 형성하고 있으나 전기 도금법이나 무전해 도금법에 의해서도 형성할 수 있다. 그리고, 솔더 범프(17)는 전기 도금선을 인출하여 도금하는 전기 도금법이나 도금액 속에 담아 선택적으로 적층하는 무전해 도금법을 이용하여 형성할 수 있다. 솔더 범프(17)를 형성하기 위한 또다른 방법으로 알루미늄 패드상의 확산 장벽층만 남기고 금속 마스크(metal mask)를 덮어 도금하는 스크린 프린팅법에 의해 솔더 범프를 형성시킬 수도 있다.
이상과 같은 본 발명에 의한 반도체 칩과 그 제조방법에 따르면 확산장벽층과 솔더 범프와의 금속간 화합물이 발생을 크게 감소시켜 크랙의 발생등을 방지할 수 있고, 팔라듐의 사용으로 솔더 범프와의 접합력이 향상되므로 반도체 칩에 대한 신뢰성이 향상되는 이점(利點)이 있다.
Claims (4)
- 알루미늄 패드가 형성된 실리콘 기판;상기 실리콘 기판의 상부에 형성된 패시베이션층;상기 알루미늄 패드와 접합되도록 알루미늄층과 니켈층 및 팔라듐층이 적층되어 형성되어 있는 확산 장벽층; 및상기 확산 장벽층의 상부에 형성된 솔더 범프;를 갖는 것을 특징으로 하는 솔더 범프를 갖는 반도체 칩.
- ⒜ 알루미늄 패드가 형성된 실리콘 기판의 상부에 패시베이션막을 씌우는 단계;⒝ 실리콘 기판의 전면에 걸쳐 알루미늄층과 니켈층 및 팔라듐층을 차례로 형성하는 단계;⒞ 포토레지스트막을 실리콘 기판의 전면에 형성하고 사진 식각을 진행하여 알루미늄 패드의 상부에 팔라듐층을 노출시키는 단계;⒟ 팔라듐층의 상부에 솔더 범프를 형성하는 단계; 및⒟ 포토레지스트막과 알루미늄 패드 상부에 위치한 팔라듐층과 니켈층 및 알루미늄층을 제외한 나머지 영역을 식각하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 칩 제조방법.
- 제 2항에 있어서, 상기 ⒟단계는 전기 도금법에 의해 솔더 범프가 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 칩 제조방법.
- 제 2항에 있어서, 상기 ⒝단계는 스퍼터링(sputtering)법에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 칩 제조방법.
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