KR20040012877A - 반도체 장치 및 그 제조 방법 - Google Patents

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KR20040012877A
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KR
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layer
semiconductor device
wiring
electrode
semiconductor chip
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KR10-2003-7015674A
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야스모리 나리즈까
미쯔꼬 이또
요시히데 야마구찌
히로유끼 덴메이
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가부시키가이샤 히타치세이사쿠쇼
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Abstract

본 발명은 높은 접속 신뢰성을 갖는 고밀도의 낮은 제조 비용의 반도체 장치 및 그 제조 방법을 제공한다. 본 발명은 반도체 칩과, 반도체 칩 상에 형성된 전극과, 전극에 접속된 배선과, 상기 반도체 칩 상에 형성된 절연막과, 상기 배선과 전기적으로 접속되는 외부 접속단자를 포함하는 반도체 장치에 있어서, 상기 절연막은 반도체 장치와 반도체 장치가 실장되는 것과의 사이에서 발생하는 응력을 완화시키는 것을 특징으로 하는 반도체 장치에 관한 것이다.

Description

반도체 장치 및 그 제조 방법{SEMICONDUCTOR DEVICE AND ITS PRODUCTION METHOD}
본 발명은 LSI를 기판에 탑재한 전자 기기 전반에 이용되는 배선 기판(또는 회로 기판) 및 그 제조 방법, 반도체 장치 및 그 제조 방법, 및 전자 기기 그리고 특히 높은 신뢰성과 낮은 제조 원가의 양립을 만족시키기 위해 필요한 전자 기기에 적합한 반도체 장치 패키지 구조에 관한 것이다.
종래의 배선 기판의 기술로는 JP-A-62-263661호가 있다.
종래 기술에 따른 다층 금속 구조는 층들이 서로 기판 상에서 접속이 되며, 기판 상에 도포되며 Ti, Ba, Cr 및 Ta의 군으로부터 선택된 원소로 구성된 접착층과, 접착층 상에 도포되며 Cu, Fe, Al, Ag, Ni 및 Au의 군으로부터 선택된 원소로 구성된 응력 완화층, Ti 또는 Zr로 구성된 배리어층, 및 가용성의 표면층으로 구성된다.
배선 기판을 외부 회로에 접속하기 위해서 솔더를 배선 기판과 직접적인 접속을 하면, 솔더링 중에 혹은 솔더링 후의 시간 경과의 변화에 의해 솔더의 성분 원소와 배선층의 성분 원소들이 서로 확산하여 배선 재료의 구성 요소의 손실이 발생하는 현상(소위 "솔더 손상")이 발생할 것이다. 이러한 현상에 따라 솔더 및 배선층으로부터 얻어진 구성재로부터 합금층이 생성되기 때문에, 접합 부분이 부서지기 쉽게 되고, 높은 전류 저항이 되는 폐해의 문제점이 발생할 것이다. "솔더 손상"이 더 진행되면, 배선 재료의 하부까지 솔더가 도달하여 배선재와 하부층 사이의 접착성을 저하시키기 때문에, 접착 부분이 하부층으로부터 박리하게 되어 불량 제품을 발생시킨다.
따라서, 솔더링에 의한 접착 부분에서의 상기한 불량의 발생을 방지하기 위하여, 다음의 두가지 대책이 통상적으로 채택되고 있다.
하나의 방법은 배선재를 두껍게 함으로써 제조 공정 중 및 기기의 동작 중에 솔더가 배선재의 하부까지 도달하는 것을 방지하는 것이다.
다른 방법은 배선 상에 솔더 부식에 대하여 높은 내성을 갖는 보호 피복을 제공하여, 보호 피복 내에서 솔더에 의한 확산을 멈추게 함으로써 배선을 솔더로부터 보호하는 것이다.
전자의 배선재를 두껍게 하는 방법은 접착부에서 생성된 합금층의 형성에 의한 강도 저하의 문제점을 해결하지 않으며, 배선재의 두께의 증가때문에 절연층 형성 공정 및 다른 형성 공정을 포함하는 다른 공정들에서 몇가지 기술적인 문제점을 일으키게 한다.
후자의 방법에 따라, 솔더에 대해서 높은 내성을 갖는 보호 피복층, 즉 UBM(Under Bump Material) 또는 BLM(Ball Limiting Metallurgy)이라고 불리는 솔더 확산 베리어층을 형성하면, 배선재, 예를 들어 Ni, Ni-Cr, Ni-Cu, Pt 등에 일반적으로 사용되지 않는 금속층이 추가로 형성되고 가공되어야만 하여, 공정 단계들이 증가하고 고도의 기술이 필요하게 된다.
한편, 전자 기기의 고성능화 및 다기능화에 대한 요구때문에, 이들에 이용되는 배선 기판에서 수납되는 배선의 총 길이가 급격히 증가하여 배선이 더욱더 미세하게되고 진보된 다층화가 필요하게 된다. 또한, 배선 기판에서 신호의 전송 품질의 관점에서 배선의 형상 및 배선의 위치 정확성 등에 대한 요구가 더욱 엄격해지고, 상술된 바와 같이 외부와의 접속 부분에서의 기능을 확보하기 위하여 배선의 사양을 변경하는 것이 어렵게 된다. 따라서, 진보된 전자 기기에 있어서, 배선의 사양은 전기적 특성에 기초하여 결정되어 전극을 솔더 손상에 대하여 높은 내구성을 갖는 재료로 접속하는 것을 다른 층에 제공하는 구조가 주류가 되고 있다. 그러나, 이러한 구조는 공정 단계가 증가하고 고도한 기술이 요구되어 제조 비용이 현저히 증가한다고 하는 문제점을 갖는다.
또한, 금후의 배선 기판 상의 미세 배선화에 대하여, 솔더링을 각각 작은 표면적을 갖는 솔더-접속 전극을 갖는 배선 기판에 적용하는, 소위 "마이크로-솔더링"이 필요하게 된다. 특히, UBM의 금속 조성과 두께 및 이것의 형성에 대하여, 미래에는 한층 더 고도한 기술이 필요하게 될 것이다.
본 발명의 목적은 절연층을 이용하여 반도체 장치와 반도체 장치가 실장되는 것(기판 등)과의 사이에서 발생하는 응력을 완화시킨 반도체 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 절연층을 이용하여 반도체 장치와 반도체 장치가 실장되는 것(기판 등)과의 사이에서 발생하는 응력을 완화시키는 반도체 장치의 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기한 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면 반도체 장치가 제공되며, 이 반도체 장치는:
반도체 칩과,
상기 반도체 칩 상에 형성된 전극과,
상기 전극에 접속된 배선과,
상기 반도체 칩 상에 형성된 절연막과,
상기 배선과 전기적으로 접속되는 외부 접속단자
를 포함하며,
상기 절연막은, 상기 반도체 장치와 상기 반도체 장치가 실장되는 것과의 사이에서 발생하는 응력을 완화시킨다.
또한, 본 발명에 따르면, 반도체 장치가 제공되며, 이 반도체 장치는:
반도체 칩과,
상기 반도체 칩 상에 형성된 전극과,
상기 전극에 접속된 배선과,
상기 배선과 상기 반도체 칩의 사이에 설치된 절연막과,
상기 배선과 전기적으로 접속되는 외부 접속단자
를 포함하며,
상기 절연막은, 상기 외부 접속단자에 가해지는 응력을 완화시킨다.
또한, 본 발명에 따르면, 반도체 장치가 제공되며, 이 반도체 장치는:
반도체 칩과,
상기 반도체 칩 상에 형성된 전극과,
상기 전극에 접속된 배선과,
상기 배선과 상기 반도체 칩의 사이에 설치된 절연막과,
상기 배선과 전기적으로 접속되는 외부 접속단자
를 포함하며,
상기 절연막은, 상기 반도체 장치와 상기 반도체 장치가 실장되는 기판과의 사이에서 발생하는 응력을 완화시킨다.
다음 사항은 본 발명의 바람직한 실시예이다:
- 절연층은 전극이 형성된 위치에 개구부를 구비할 수 있다.
- 배선의 일부는 절연층의 경사부에도 형성될 수 있다.
- 절연층은 인쇄, 또는 포토리소그래픽 기술에 의하여 형성될 수 있다.
- 절연층은 유기 재료로 형성될 수 있고, 폴리이미드를 포함할 수 있다..
- 절연층 및 배선 위에 다른 절연막을 더 구비할 수 있다.
- 외부 접속단자는 납을 포함하지 않는 솔더(solder)일 수 있으며, 특히 Sn-Ag계 솔더일 수 있고, 구리를 더 포함할 수도 있다.
- 외부 접속단자의 조성은 3.0 중량%의 Ag와 나머지는 Sn으로 이루어질 수 있다.
- 배선은 적어도 3개의 층을 구비하고, 제1층은 크롬층 또는 티타늄층이고, 상기 배선의 제2층은 상기 제1층 위에 형성된 구리층이며, 상기 배선의 제3층은 상기 제2층 위에 게재된 크롬층일 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 반도체 장치의 제조 방법이 제공되며, 이 반도체 장치의 제조 방법은:
반도체 칩 상에 전극을 형성하는 공정과,
상기 반도체 칩 상에 절연막을 형성하는 공정과,
상기 전극에 접속되는 배선을 형성하는 공정과,
상기 전극 상에 외부 접속단자를 형성하는 공정
을 포함하고,
상기 반도체 장치와 상기 반도체 장치가 실장되는 것과의 사이에서 발생하는 응력을 완화시키는 기능을 갖는 상기 절연층을 인쇄에 의하여 형성한다.
또한, 본 발명에 따르면 반도체 장치의 제조 방법이 제공되며, 이 반도체 장치의 제조 방법은:
절연막을 형성하는 단계-전극을 구비한 배선 기판을 상기 절연막으로 피복하고 상기 전극을 노출시키기 위하여 상기 절연막에 홀을 형성하는 것을 포함함-;
Cr 또는 Ti층을 상기 전극에 접속하여 상기 절연막과 밀착시키고, Cu 층을 상기 Cr 또는 Ti층 상에 밀착하여 적층시켜 배선을 형성하는 단계;
보호막을 형성하는 단계-이전 단계에서 형성된 배선을 상기 보호막으로 피복하고 솔더링용의 상기 보호막에 다른 홀을 형성하는 단계를 포함함-; 및
외부 접속용의 솔더를 상기 보호막의 홀에 제공하고, 배선의 Cu층으로 확산시켜 합금을 생성하여 상기 Cr 또는 Ti층에 도달하게 함으로써 상기 솔더를 Cr 또는 Ti층에 접속하는 단계
를 포함한다.
또한, 본 발명에 따르면 반도체 장치가 제공되며, 이 반도체 장치는:
반도체 칩 상에 전극을 형성하는 공정과,
상기 반도체 칩 상에 절연막을 형성하는 공정과,
상기 전극에 접속된 배선을 형성하는 공정과,
상기 전극 상에 외부 접속단자를 형성하는 공정
을 포함하며,
상기 반도체 장치와 상기 반도체 장치가 실장되는 것과의 사이에서 발생하는 응력을 완화시키는 기능을 갖는 상기 절연층을 형성하고, 상기 절연층에 포토리소에칭법에 의하여 개구부를 형성한다.
또한, 본 발명에 따르면 반도체 장치가 제공되며, 이 반도체 장치는:
반도체 칩 상에 전극을 형성하는 공정과,
상기 반도체 칩 상에 절연막을 형성하는 공정과,
상기 전극에 접속된 배선을 형성하는 공정과,
납 프리 솔더(Pb-free solder)를 약 230℃ 내지 약 250℃로 리플로우하여, 상기 전극 상에 외부 접속단자를 형성하는 공정
을 포함한다.
반도체 장치의 배선에 있어서, 바람직하게는 Cr층이 Cu층과 보호막 사이에 제공될 수 있다.
반도체 장치에 있어서, 절연층은 유기 수지층을 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, UBM을 형성할 필요가 없기 때문에, 제조업자들은 UBM을 형성하는 추가의 공정 및 기술적 어려움을 피할 수 있다. 또한, 접속 부분에 상관없이 오직 전기적으로 필요한 두께에 의해서만 배선이 결정될 수 있기 때문에, 배선의 전기적 특성을 개선하는 것이 가능하다. 또 다른 이점은 전체 제조 방법의 단계가 짧아짐으로써 비용 절감이 실현된다는 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배선 기판 및 반도체 장치의 단면도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배선 기판 및 반도체 장치의 제조 공정의 전반부를 도시하는 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배선 기판 및 반도체 장치의 제조 공정의 후반부를 도시하는 도면.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 다른 배선 기판 및 다른 반도체 장치의 단면도.
도 5는 도 4에 도시된 실시예에서 리플로우 접착 공정 후의 SEM 관찰에 따른 단면을 나타내는 도면.
도 6은 도 4에 도시된 실시예에 있어서의 결합의 초기 접속 강도의 리플로우 솔더링 시간에 대한 의존성을 도시하는 도면.
도 7은 도 4에 도시된 실시예에 있어서 고온에서 방치되는 접속 결합 강도의 신뢰성을 도시한 도면.
도 8은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 배선 기판 및 반도체 장치의 단면도.
도 9는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 배선 기판 및 반도체 장치의 단면도.
도 10은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 배선 기판 및 반도체 장치의 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>
11 기판
12 전극
13 배선
15 절연막
16 보호막
17 솔더
19 개구
〈발명을 실시하기 위한 최량의 형태〉
이하에서는, 첨부된 도면을 참조로 하여, 본 발명에 따른 배선 기판, 반도체 장치, 반도체 장치 패키지 구조 및 전자 기기들의 실시예에 대한 설명이 제공된다.
하부층과 배선 사이의 밀착한 접착(bonding)을 확보하기 위하여 배선층의 하부 영역에 제공되는, 하부층과 배선 사이의 접착 금속층이 이용되어왔던 한편, 본 발명자들은 접착 금속과 솔더 재료와의 특정 조합에 의해 접착 금속층에, 접착 특성 뿐만 아니라 솔더 확산에 대한 내성 기능을 제공하는 것이 가능하다는 것을 발견하였다.
그런데, 최근에는 환경 보호의 관점에서 납성분 제거된 Sn-Ag계 솔더가 주류로 되고 있다. Sn-Pb계 솔더를 포함하는 주석 함유 솔더의 경우에, 기본적으로 Sn과 전극 금속간의 합금 반응에 의해 접속을 획득할 수 있기 때문에, "솔더 부식(solder attack)"에 대한 내성은 합금 반응에 의해 좌우된다.
본 발명자들은 Cr 및 Ti이 Sn 과 금속 간의 합금 반응에 대하여 매우 높은 내성을 갖는다는 것을 발견하였기 때문에, 전극을 Cr 또는 Ti로서 형성하는 것을 고려하였다. 그러나, 본 발명자들은 이들 두 금속이 화학적으로 매우 활성이기 때문에 대기 중에서 Cr 또는 Ti의 금속 상에 순간적으로 산화막이 형성되므로, 금속이 녹은 솔더에 의해 가용성이 아니기 때문에 금속에 대한 솔더링이 불가능하다는 것, 및 통상의 방법으로서는 산화막을 완전하게 제거할 수 없다는 것을 확인하였다.
따라서, 본 발명자들은 솔더에 의해 가용성의 금속으로 Cr 또는 Ti 의 금속 표면을 피복하는 것을 시도하여, 산화 방지, 제조 비용 등의 관점에서 Cu가 피복 재료로서 가장 적합하다는 것을 발견하였다.
본 발명자들은 또한, 솔더링 중에 솔더가 Cu의 피복층을 관통하여 Cr 또는Ti층에 도달하지 않으면, 솔더링 접속에 대한 신뢰성이 불안정하다는 것도 발견하였다. 이것은 추측에 의하면, 장기간의 사용 중에 솔더가 피복층으로 확산하여 Cr 또는 Ti층 주위의 영역에 도달한다고 해도, 오랜 시간동안 피복층을 통과하여 오는 산소의 침투에 의해 피복층과 Cr 또는 Ti층 사이의 인터페이스에 매우 얇은 산화막이 형성될 수 있기 때문에, 솔더가 Cr 또는 Ti층에 도달할 수 없기 때문이다. 그러므로, Cu 층의 두께는 제조 방법 중에 산소가 침투하는 것을 차단하기 위하여 0.1㎛ 이상으로, 그리고 솔더링 중에 솔더가 Cu층을 통하여 Cr 또는 Ti층으로 확산하여야만 하기 때문에 10㎛ 미만으로 되어야할 필요가 있다.
본 발명은 상기 검토 결과를 고려함에 따라, Cr 또는 Ti 층을 접착층 및 솔더 확산 방지층용의 배리어층으로써 이용하며, Cu가 실용적으로 가장 저저항의 물질이기 때문에, Cu의 피복층이 산화 방지용으로 이용된다. 본 발명에서, 배선 물질은 Cr/Cu/Cr 또는 Ti/Cu/Cr의 다층으로 구성되며, 이들 다층의 일부분을 제거하여 Cu 층을 부분적으로 노출시켜 노출된 부분을 솔더링용의 전극으로서 이용하도록 한다. 이에 대하여, 유의할 점은 솔더링 공정 중에 Sn-함유 솔더는 Cu층을 통하여 확산되어 접착층으로서 Cr 또는 Ti 하부층에 확실하게 도달하는 것이 필요하다는 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 배선 기판 및 반도체 장치는 LSI(반도체 칩), MCM 등을 위한 기판(11), 기판(11) 상에 형성된 Al, Au, Ag 등으로 구성된 전극(범프)(12), 전극(12)에 접속된 배선(13), 배선(13) 및 기판(11)사이에제공되는 폴리이미드, SiO2, SiN 등의 절연막(15)(응력 완화층의 역할도 함), 배선(13)의 표면을 보호하기 위하여 솔더(17)를 접속(접합)하기 위하여 홀을 구비한 보호막(16), 및 그 보호막(16)에 형성된 홀에 제공되는, 패키지 기판의 외측 회로 등에 있는 전극과 패키지 접속하기 위한 솔더(17)를 포함한다.
절연층(15)은 기판(11)과 외부 회로인 패키지 기판 사이의 열팽창의 차 등에 기인하여 솔더(17)에 생성되는 응력을 완화시킨다.
본 발명에 따른 배선(13)은 실용적으로 가장 저저항의 물질인 약 0.1 내지 10㎛ 두께의 Cu 층(13a)을 외부 회로와의 접속부에, 약 0.05 내지 1.0㎛ 두께의 Cr 또는 Ti 박막층(13b)을 하부층(15) 측에, 그리고 약 0.01 내지 0.3㎛ 두께의 Cr 박막층(13c)을 보호막(16) 측에 적층함으로써 형성된다. 박막층(13b 및 13c)은 절연층(15), 보호막(16) 및 Cu층(13)과의 우수한 접착 특성을 갖는 금속이다. 또한, 보호막(16) 측의 박막층(13c)으로 Ti이 이용되는 경우에는, 부분적 제거는 어렵다.
특히, 본 발명에 따른 박막층(13b)은 하부층(절연막)(15)과의 우수한 접착 특성을 가지며, Sn-함유 솔더와의 합금 형성에 대하여 매우 높은 내성을 갖는 Cr 또는 Ti로 구성된다. 그러나, Cr 및 Ti는 화학적으로 매우 활성이기 때문에, 대기중에서 순간적으로 산화막이 형성되어, 녹은 솔더에 의해 가용하지 않아 접속하는 것이 불가능하게되기 때문에, 통상의 방법으로는 산화막을 쉽게 제거할 수 없다는 것을 확인하였다. 따라서, Cr 또는 Ti의 표면을 솔더와 가용성이 좋은 금속으로 피복하는 것을 시도하여, 산화막 방지, 비용 등의 관점에서 Cu가 피복층(13a)으로써 가장 적합하다는 것을 발견하였다.
솔더(17)를 제공하는 단계까지의 반도체 장치 및 배선 기판을 제조하는 방법은 도 2를 참조로 하여 설명될 것이다.
우선, 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, 기판(11)이 LSI인 경우에는, 건식 에칭에 의해 무기 패시베이션막(15)에 개구(18)가 형성되어, Al 등으로 구성된 전극 상에서 적어도 외부와의 접속을 행하도록 전극(또는 패드)(12)를 부분적으로 노출한다.
또한, 기판(11)이 MCM(멀티칩 모듈)용의 배선 기판인 경우에, 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, 절연층(15)의 재료 타입에 적합한 제조 방법에 의하여, 적어도 전극(패드)(12)을 부분적으로 노출시키기 위한 개구(18)가 형성된다. 절연층(15)이 폴리이미드 등과 같은 유기 물질로 구성되는 경우에는, 포토-에칭법으로 개구(18)가 형성된다. 또한, 프린팅 방법에 의하여 절연층을 형성함으로써 개구(18)를 형성하는 것도 가능하다. 무기 절연층인 경우에, 포토-에칭 방법을 적용할 수도 있다. 에칭 방법은 습식 에칭 또는 건식 에칭일 수 있다. 등방성 에칭의 경우에, 개구(18)는 외부측으로의 발산 형태를 가질 수 있다. 비등방성 에칭 또한 적용 가능하다.
다음에, Al 등의 전극(12)의 표면 상에 얇은 Cr 또는 Ti막(13b)을 형성할 때에, 막을 형성하기 바로 직전에 스패터링(spattering) 에칭 처리를 행하여, Al 등의 전극의 표면으로부터 산화막을 제거함으로써 Al 등의 금속을 노출한 후에, 대기 중에 노출하지 않고 즉시 막을 형성한다. 산화막이 완전히 제거되지 않으면, 잔여산화부는 수 내지 수백 옴(Ω)의 높은 전기 저항을 가질 것이다.
전극(12)의 표면의 산화막을 제거한 후에 기판(11)을 대기에 노출하지 않고, 도 2의 (b) 내지 도 2의 (e)에 도시된 바와 같이 배선 패턴(13)이 즉시 형성된다. 배선 패턴(13)을 형성하기 위한 두가지 방법이 있을 수 있다. 첫번째 방법은 도 2의 (b) 내지 도 2의 (d)에 도시된 바와 같이 Cr 또는 Ti 박막층(20b), Cu 층(20a) 및 Cr 박막층(20c)의 3개의 층을 처음부터 스패터링 방법에 의해 연속적으로 형성한 후에, 도 2의 (e)에 도시된 것처럼, 레지스트 마스크(21)를 이용하는 포토-에칭에 의해 상부층으로부터 시작하여 하나씩 불필요한 부분을 점차적으로 제거하는 것이다. 두번째 방법은 Cr 또는 Ti 박막층 및 Cu 박막층(약 0.1 내지 0.5㎛의 얇은 두께로 형성됨)을 연속적으로 형성하여, 그 다음에 세미-애디티브(semi-additive) 방법에 의해 패턴 Cu 판(13a)을 형성하고, 순차적으로 박막 중의 불필요한 부분을 제거하는 것이다. 후자의 방법에서는, 배선을 산화 등으로부터 보호하고 보호막과의 접착 강도를 향상시키기 위하여, 배선 상에 최종적으로 얇은 Ni 피복을 도금하는 경우도 있다.
배선 패턴(13)이 완료된 후에, 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이 배선 패턴의 보호와 전기적 절연을 위하여, 폴리이미드 등의 유기 절연막 혹은 SiO2등과 같은 무기 절연막(22)으로 배선 패턴을 덮고, 순차적으로 도 3의 (b)에 도시된 것처럼 레지스트 마스크(21)를 이용하는 포토-에칭 공정에 의해 솔더링 접속의 위치에 개구(19)(또는 솔더링 접속용의 홀)를 형성하여 배선(13)의 표면을 노출한다. 순차적으로 Cr-에칭 용액에 배선 기판을 담그면, 보호막(절연막)(16)이 마스크로서 작용하여 Cr막(13c)의 상부층이 보호막(16)의 오직 개구부(19)에서만 제거되어, 도 3의 (c)에 도시된 바와 같이 Cu층(13a)을 노출시킨다.
다음은 본 발명의 주요 특징인 솔더(17)와 Cu층 배선 간의 접속에 대한 설명이다. Sn을 함유하는 솔더링 재료 또한 일반적이며, Sn-Pb 계의 솔더링 재료가 가장 널리 이용된다. 그러나, 환경 보호의 관점에서, 여기에서는 납이 없는 Sn-Ag계 솔더가 이용된다.
Sn-함유 솔더의 경우에는, 접속은 기본적으로 합금에 의하여 달성되기 때문에, 솔더 부식에 대한 내성은 Cu와 Sn과의 합금 반응에 따라 좌우된다. 본 발명자들은 Cr과 Ti이 Sn과 합금화하는데 대하여 높은 내성을 갖는다는 것을 발견하였기 때문에, Cr 또는 Ti로 구성된 전극을 한때 고려하였다. 그러나, 이들 금속들은 화학적으로 매우 활성이기 때문에, 녹은 솔더에 의해 가용하지 않는 산화막이 대기 중에서 순간적으로 형성되어 솔더링 접속이 불가능하다는 것, 및 통상의 방법으로는 산화막을 완전히 제거할 수 없다는 것이 확인되었다.
따라서, Cr 또는 Ti의 금속을 솔더에 의해서 가용성의 다른 금속으로 피복하는 것을 시도하여, 산화 방지 및 비용등의 관점에서, 피복층으로서 Cu가 가장 적합한 재료라는 것을 발견하였다.
따라서, 도 3의 (d)에 도시된 바와 같이, 납이 없는 Sn-Ag계 솔더를 보호막(16)에 형성된 개구(18)(솔더링 접속용의 홀)에 제공함으로써, 도 3의 (e)에 도시된 바와 같이 솔더의 리플로우 조건하에서 솔더링이 수행된다.
납이 없는 Sn-Ag계 솔더는 약 230℃의 용융점을 가지므로, 기판(11) 상의 온도 변화를 고려하여 리플로우 솔더링는 약 250℃의 온도에서 수행된다.
리플로우 공정 시간은 약 3㎛ 두께의 Cu 층(13a)에 대해서는 약 30초로, 약 5㎛ 두께의 Cu 층(13a)에 대해서는 약 1분으로, 그리고 약 10㎛ 두께의 Cu층(13a)에 대해서는 약 1.5 내지 2분으로 설정된다. 이 때문에, Sn-함유 솔더의 경우에 Sn과 Cu 사이의 합금화(17a)(Sn-Cu 금속간 화합물)에 의해 솔더링 접속이 기본적으로 달성될 수 있어, 솔더가 Cr 또는 Ti의 하부층(13b)에 도달하여 그 하부층과 접속가능한 것이다. 그러므로, 솔더링 접속의 접착 신뢰성을 확보하는 것이 가능하다.
실제로, 도 1의 확대도에 도시된 바와 같이, 솔더의 주성분인 Sn이 Cu와 반응하여 합금을 형성함으로써, Cu층을 통하여 확산되어 Cr 또는 Ti층(13b)과 접속하여 솔더링 접속을 획득한다. 그러한 합금 반응은 그후에 더 진행되지 않는다.
도 4를 참조로 하여, 본 발명에 따른 반도체 장치의 일 실시예인 배선과 솔더 사이의 접합 구조를 이하에 설명한다. 접합 구조는 Si 웨이퍼 기판(11), 폴리이미드 절연층(15), Cr 박막층(13b)(약 0.1㎛의 두께), Cu층(13a) 및 Cr 박막층(13c)(약 0.05㎛의 두께)인 3개층의 배선(13), 폴리이미드 보호막(16) 및 납이 없는 Sn-3Ag계 솔더를 포함한다. 솔더 볼은 약 270㎛의 직경을 갖는다. UBM(Under Bump Metal)은 약 250㎛의 직경을 갖는다.
도 5는 리플로우 접착 후에 장치에 대한 SEM 관찰에 따른 단면을 보여준다. 리플로우 온도가 약 250℃이고 리플로우 공정 시간이 약 1분인 경우에, 솔더는 Cu층을 통하여 확산하여 UBM(Under Bump Metal) 단부의 단면 구조에 도시된 것과 같이 Cr(또는 Ti)층(13b)에 도달한다. 그러나, Cu 층이 여전히 부분적으로 남아있기 때문에, EDX(에너지 분산형 X-ray 분광법: Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) 분석에 따르면, 솔더의 주성분인 Sn의 대부분은 Cr의 피크를 나타내는 위치 근방에서 볼 수 있는 반면, Cu층(13a)의 약간의 Cu만이 남아 있음을 알 수 있다. 리플로우 시간이 약 20분이고 리플로우 온도가 약 250℃인 경우에는, UBM 단부의 단면 구조에 도시된 바와 같이, 솔더는 합금화하여 확산되어 Cr(또는 Ti)층(13b)에 충분히 도달하여 Cr(또는 Ti)층(13b)과 접속한다. 솔더는 더이상 확산되지 않아서 솔더 부식에 대한 내성을 획득할 수 있게 된다. 그 결과, EDX 분석에 따라, 솔더의 주성분으로서의 Sn은 Cr의 피크를 나타내는 위치 주위에서 급격히 감소되고, 완전히 확산하여 Cr(또는 Ti)층(13b)에 도달하지만, 더 이상 확산되지 않으므로 접속에 대한 내성 및 신뢰성을 획득하는 것이 가능하다. 근방에서 검출된 Cu는 Sn과의 금속간 화합물이라는 점을 유의한다.
도 6은 접합의 결합의 초기 접속 강도의 리플로우 솔더링 시간에 대한 의존성을 나타낸다. 도 6으로부터 알수 있는 바와 같이, 리플로우 시간이 약 1 내지 2분인 경우에는, 약 320(g/bump)의 중심값으로부터 전단 강도의 편차가 커진다. 그러므로, 솔더가 합금화하여 충분히 확산되지 않고 Cr(또는 Ti)층(13b)에 도달하지 않는 것을 알 수 있다. 또한, 리플로우 시간이 점점 커지면, 약 290(g/bump)의 중심값으로부터 전단 강도의 편차는 감소하여 솔더가 합금화하고 충분히 확산되어 Cr(또는 Ti)층(13b)에 도달함으로써, 솔더와 Cr(또는 Ti)층(13b) 사이의 완전한 접속을 획득할 수 있음을 보여준다.
도 7은 고온에서 방치된 접합의 접속 강도의 신뢰성을 나타낸다. 도 7로부터 알 수 있는 바와 같이, 125℃, 150℃ 혹은 200℃의 높은 온도에서 방치되는 각각의 경우에 있어서, 비록 약 320(g/bump)의 초기 전단 강도가 약 240 내지 250(g/bump)로 감소하여도, 값들은 비교적 안정적으로 접속 강도에 대한 신뢰성을 잃지 않고 유지할 수 있다는 것을 알 수 있다.
특히, Sn-Ag계 솔더(17)가 리플로우 솔더링 공정에서 Cu 피복층(13a)을 관통하여 확산하여 Cr(또는 Ti) 층(13b)에 도달하지 않으면, 접속에 대한 신뢰성이 불안정하다는 것을 발견하였다. 이것은, 장기간의 사용 중에 솔더가 Cu 피복층(13a)을 통하여 확산되어 Cr(또는 Ti) 층(13b)에 도달한다고 해도, 실제로는 오랜 시간 동안 Cu 피복층(13a)을 통하여 침투한 산소에 의해 형성된, Cr(또는 Ti) 층(13b)과 Cu 피복층(13a) 사이의 인터페이스에서의 극히 얇은 산화층에 의해 방해되어, 솔더(17)가 Cr(또는 Ti) 층(13b)에 도달할 수 없기 때문일 것이다. 이 때문에, 리플로우 공정 중에 산소를 차단하기 위하여 Cu 피복층(13a)은 약 0.1㎛ 이상, 또한 솔더링 중에 솔더가 Cu 층을 통하여 확산할 수 있도록 약 10㎛ 이하의 두께를 가져야만 한다.
상기 사항들을 고려하여 본 발명이 제안되었으며, 본 발명에서는 배선의 Cr 또는 Ti층(13b)이 양호한 접착을 확보하고 솔더 확산을 방지하기 위한 목적으로 이용되며, 산화를 방지하기 위하여 Cu가 피복층(13a)으로서 이용된다.
본 발명의 구조는 Cr/Cu/Cr 또는 Ti/Cu/Cr으로 구성된 적층 배선이기 때문에, 적층된 배선의 일부를 노출시킴으로써, 노출된 부분은 솔더링을 위한 전극으로서 이용될 수 있다. 그러나, 유의해야 할 점은, 상술한 바와 같이 솔더링 공정 중에, Sn-함유 솔더는 Cu층(13a)을 통하여 확산되어 Cr 또는 Ti층(13b)에 실패없이 도달하여야 한다는 것이다.
또한, Au 또는 Ni/Au 층과 같은 산화 방지층, 혹은 프리플럭스를 노출된 Cu층(13b) 상에 형성하는 것에 의해, 솔더의 습윤성은 개선될 수 있다.
상술한 설명에서, 솔더(17)는 전극(12)에 접속된 배선(13)에 직접적으로 접속되지만, 다른 배선층은 전극(12)과 배선(13)을 접속하도록 제공될 수 있다. 이 경우에, 배선(13)은 전극 형태처럼 형성될 것이다. 그러나, 다른 배선층의 추가는 공정 단계의 증가를 발생시킨다는 것을 의미한다.
도 8을 참조로 하여 다른 실시예를 설명한다.
도 8에 도시된 바와 같이, 기판 상에 접속에 적합한 위치에 전극(12)을 이미 형성한 경우에는, 배선(13)의 형성이 필요하지 않기 때문에, 외부력 및 환경으로부터 기판을 보호하도록 보호막(16)에 개구(18)를 전극(12) 바로 위쪽에 형성하고 개구(18) 및 개구의 엣지를 이용함으로써, 접속 전극을 형성하기 위해 본 발명에 따른 적층 금속층인 두께 0.1㎛의 Cr 또는 Ti층(13b)을 형성한다. 그 다음에, 0.5 내지 3㎛ 두께의 Cu층(13a)을 Cr 또는 Ti층(13b) 상에 형성하고, 최상부에 0.05 내지 0.1㎛ 두께의 Cr층(13c)을 형성한다. 그 후에, 상기 형성된 금속층들 상에 포토 리소그래피 기술로 레지스트를 형성하고, 그 다음에 층들의 불필요한 부분을 에칭하여 점차적으로 제거하며, 이때 Cr층(13c 및 13b)에 대해서는 염산 또는 페리시안화칼륨(Potassium Ferricyanide)계의 용액을 이용하여 에칭하고, Cu층(13a)에 대해서는 질산 또는 염화제이철(ferric chloride)계의 용액을 이용한다. 에칭 용액으로서 페리시안화칼륨계의 용액을 이용하는 경우에는, 사이드 에칭이 발생하지 않기 때문에 한번의 레지스트 패턴 형성 작업으로 전극을 형성하는 것이 가능하다. 실제의 솔더링에서는, 에칭 용액에 의해 최상층의 Cr(13a)층을 제거하고 전극을 건조시킨 직후에 플럭스(20)를 피복함으로써, Au와 같은 고가의 산화 방지막을 사용하지 않고도 솔더의 습윤성의 부족으로 인한 결함의 발생을 피할 수 있다.
상기 공정에 의해 형성된 접속 패드에 대하여 솔더링을 수행하면, 상술된 실시예와는 다르게, 도 9에 도시된 접속 패드의 측면 주위로 녹은 솔더가 흐른다. 따라서, 녹은 솔더에 대한 내성에서 뒤떨어지는 금속이 이용되면, 전극의 측면이 침식되거나 또는 솔더로 부식되어 접속 패드의 면적 감소 및 접속 강도의 감소를 일으킬 수도 있다. 그러나, 본 발명에 따른 재료들에 의해 형성된 접속 패드의 경우에는, 녹은 솔더에 대한 내성이 그렇게 우수하지는 않은 Cu층(13a)이 거의 손실된다고 하더라도, 솔더(17)가 Cr 또는 Ti층(13b)과 접속하고 Cr 또는 Ti층(13b)이 기판과 접속하기 때문에, 접속 강도의 감소는 거의 발생하지 않는다. 이것은 Cr이 녹은 솔더에 대한 내성이 매우 우수하기 때문이다.
고밀도 패키지에 대한 효과적인 수단으로서 3차원 패키지가 제안되어져 왔으며, 이러한 시작품을 생산하는 예시 또한 보고되어져 왔다. 이러한 패키지의 경우에, LSI 칩을 그 후면측 표면을 연마함으로써 매우 얇게 형성한 후에, 전극 접속을 위하여 Si에 개구를 형성하며, 이 홀을 통하여 다른 칩과 접속을 행한다. 따라서,접속 수단으로서 여러 방법이 시도되어 왔음에도, 가장 실용적인 방법은 솔더를 이용하는 것이다. 이 방법에서는, Si(21)을 더욱 얇아지도록 연마한 후에, 도 9에 도시된 것처럼 개구를 형성하고, 그 후에 소자/배선층(22) 측에 제공되는 접속 전극(12)과의 접속을 위하여, 종래와는 다르게 솔더(17)를 전극의 후면측에 접속한다. 그러나, LSI의 제조 방법에 있어서 전극(12)의 막 두께를 증대시키는 것은 어렵기 때문에, 제조 비용 면에서 이 경우 또한 실용적이지 않다.
그러므로, 솔더링 접속을 위하여 본 발명에 따른 재료로 형성된 전극이 이용되는 경우에는, 상기 배선의 실시예에서 도시된 바와 같이 그 사이에 두 개의 Cr 또는 Ti층(13b) 및 Cu(13a)로 구성되어 있는 샌드위치 구조의 적층 배선(13)에 의하여, 후면측에서 솔더링을 행하는 경우에도, 솔더(17)측에서 보면, 솔더링 접속의 구조는 상기 실시예의 구조와 동일하다. 따라서, 본 발명에 따른 전극 및 구조에 의하여 도 10에 도시된 Si(21)측 혹은 소자/배선층(22)의 어느 쪽에서도 솔더링이 가능하다.
본 발명에 따른 배선 기판 혹은 반도체 장치의 솔더를 기판의 전극 등에 접속함으로써, 전자 기기 또는 반도체 장치를 형성할 수 있다. 미래에는 전자 기기 또는 반도체 장치 패키지 구조의 고성능 및 다기능에 대한 필요성에 따라 고도로 미세한 배선 및 진보된 적층화가 강하게 요구된다고 해도, 외측과의 접속 기능을 유지하는 것이 가능하다.
본 발명에 따른 한가지 이점은 높은 접속 신뢰성을 지니며, 전기적 특성을고려한 고밀도를 갖는 배선 기판 및 반도체 장치를 제조할 수 있는 것이다.
본 발명의 다른 이점은 높은 접속 신뢰성을 지니며, 전기적 특성을 고려한 고밀도를 갖는 배선 기판 및 반도체 장치를 감소된 공정 단계 및 낮은 비용으로 제조할 수 있는 것이다.
본 발명의 또 다른 이점은 높은 접속 신뢰성을 지니며, 전기적 특성을 고려한 고밀도를 갖는 배선 기판 및/또는 반도체 장치가 제공된 전자 기기 및 반도체 장치 패키지 구조를 낮은 비용으로 제조할 수 있다는 것이다.

Claims (20)

  1. 반도체 칩과,
    상기 반도체 칩 상에 형성된 전극과,
    상기 전극에 접속된 배선과,
    상기 반도체 칩 상에 형성된 절연막과,
    상기 배선과 전기적으로 접속되는 외부 접속단자
    를 포함하는 반도체 장치에 있어서,
    상기 절연막은, 상기 반도체 장치와 상기 반도체 장치가 실장되는 것과의 사이에서 발생하는 응력을 완화시키는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  2. 반도체 칩과,
    상기 반도체 칩 상에 형성된 전극과,
    상기 전극에 접속된 배선과,
    상기 배선과 상기 반도체 칩의 사이에 설치된 절연막과,
    상기 배선과 전기적으로 접속되는 외부 접속단자
    를 포함하는 반도체 장치에 있어서,
    상기 절연막은, 상기 외부 접속단자에 가해지는 응력을 완화시키는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  3. 반도체 칩과,
    상기 반도체 칩 상에 형성된 전극과,
    상기 전극에 접속된 배선과,
    상기 배선과 상기 반도체 칩의 사이에 설치된 절연막과,
    상기 배선과 전기적으로 접속되는 외부 접속단자
    를 포함하는 반도체 장치에 있어서,
    상기 절연막은, 상기 반도체 장치와 상기 반도체 장치가 실장되는 기판과의 사이에서 발생하는 응력을 완화시키는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 절연층은, 상기 전극이 형성된 위치에 개구부를 구비하고, 상기 배선의 일부는 상기 절연층의 경사부에도 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 절연층은 인쇄에 의해 형성된 것임을 특징으로 하는 반도체 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 절연층은 포토리소그래픽 기술에 의해 형성된 것임을 특징으로 하는 반도체 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 절연층은, 유기 재료로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 절연층은, 폴리이미드를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 절연층 및 배선 위에 다른 절연막을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 외부 접속단자는 솔더(solder)이며, 납을 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 외부 접속단자는 Sn-Ag계 솔더인 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 외부 접속단자의 조성은, 3.0 중량%의 Ag와 나머지는 Sn으로 이루어진것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 외부 접속단자는 구리를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 배선은 적어도 3개의 층을 구비하고, 제1층은 크롬층 또는 티타늄층이고, 상기 제1 크롬층 위에 형성된 제2층은 구리층이며, 상기 제2층 위에 게재된 제3층이 크롬층인 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 배선은 적어도 3개의 층을 구비하고, 제1층은 크롬층 또는 티타늄층이고, 상기 배선의 제2층은 상기 제1층 위에 형성된 구리층이며, 상기 배선의 제3층은 상기 제2층 위에 게재된 크롬층인 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  16. 반도체 칩 상에 전극을 형성하는 공정과,
    상기 반도체 칩 상에 절연막을 형성하는 공정과,
    상기 전극에 접속되는 배선을 형성하는 공정과,
    상기 전극 상에 외부 접속단자를 형성하는 공정
    을 포함하는 반도체 장치의 제조 방법에 있어서,
    상기 반도체 장치와 상기 반도체 장치가 실장되는 것과의 사이에서 발생하는 응력을 완화시키는 기능을 갖는 상기 절연층을 인쇄에 의하여 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조 방법.
  17. 반도체 칩 상에 전극을 형성하는 공정과,
    상기 반도체 칩 상에 절연막을 형성하는 공정과,
    상기 전극에 접속된 배선을 형성하는 공정과,
    상기 전극 상에 외부 접속단자를 형성하는 공정
    을 포함하는 반도체 장치의 제조 방법에 있어서,
    상기 반도체 장치와 상기 반도체 장치가 실장되는 것과의 사이에서 발생하는 응력을 완화시키는 기능을 갖는 상기 절연층을 형성하고, 상기 절연층에 포토리소 에칭법에 의하여 개구부를 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조 방법.
  18. 제17항에있어서,
    상기 포토리소 에칭법으로서 등방성 에칭법을 이용하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조 방법.
  19. 반도체 칩 상에 전극을 형성하는 공정과,
    상기 반도체 칩 상에 절연막을 형성하는 공정과,
    상기 전극에 접속된 배선을 형성하는 공정과,
    납 프리 솔더(Pb-free solder)를 약 230℃ 내지 약 250℃로 리플로우하여, 상기 전극 상에 외부 접속단자를 형성하는 공정
    을 포함하는 반도체 장치의 제조 방법.
  20. 제16항에 있어서,
    납 프리 솔더를 약 230℃ 내지 약 250℃로 리플로우하여, 상기 전극 상에 외부 접속단자를 형성하는 공정을 더 포함하는 반도체 장치의 제조 방법.
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