KR20050002850A - 반도체형 센서 및 반도체 장치의 도금 방법 - Google Patents

반도체형 센서 및 반도체 장치의 도금 방법 Download PDF

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와타나베요시후미
곤도이치하루
신야마게이지
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Abstract

반도체 웨이퍼 도금 방법은 도금된 막의 균일한 두께를 유지하고, 웨이퍼의 이면 상의 석출을 방지하며, 후속 공정에서의 오염을 방지한다. 반도체 웨이퍼 상의 알루미늄 전극 상에 접속 단자를 직접 형성하는데 있어서, 웨이퍼의 이면이 절연물로 덮여진 상태로 비전해 도금이 수행된다. 절연물은 제품을 구성하는 부품인 글래스 기판인 것이 바람직하다. 반도체형 센서는 부식성 매체에 대항하여 향상된 내식성을 보인다. 반도체형 센서는 반도체 기판에 부식성 매체의 물리량 또는 화학 성분을 검출하는 구조부와 전기량 변환 소자를 포함하고, 검출된 전기 신호를 외부 유닛으로 전송하는 출력 단자인 패드를 더 포함하며, 여기서 패드는 귀금속에 의해 보호된다.

Description

반도체형 센서 및 반도체 장치의 도금 방법{SEMICONDUCTOR SENSOR AND PLATING METHOD FOR SEMICONDUCTOR DEVICE}
종래에는, 측정 매체의 압력 및 유량과 같은 물리량을 검출하거나 또는 측정 매체를 구성하는 화학 성분을 검출하는 반도체형 센서가 물리량 센서 또는 화학 센서로서 사용되었다. 예를 들어, 종래의 반도체형 물리량 센서는 검출된 전기 신호를 외부 유닛으로 전송하는 외부 단자로서 주로 알루미늄으로 구성된 패드를 사용하였다. 그러나, 현대적 기계 및 장비를 고도로 정확하게 제어하기 위한 요구를 만족시키기 위해서, 다양한 대상에서 물리량을 측정하는 것이 필요하였고, 측정 매체에 의한 알루미늄의 부식은 제품의 수명에 악영향을 미쳤다.
이러한 상황하에서, 지금까지 이용되었던 도4에 도시된 겔(gel)과 같은 대응책은 알루미늄의 부식을 방지하기에 충분하지 않았고, 예를 들어 자동차에 요구되는 제품의 수명도 반드시 만족시킬 수는 없었다.
주로 알루미늄으로 구성되는 패드에 관해서, 일본특허 제3198779호는 강한 부식성의 가압 매체의 압력을 검출하는 압력 센서 구조를 개시하고 있는데, 여기서 압력 센서 소자는 와이어 본딩(wire bonding)에 의해 단자 핀에 접속되고, 센서 칩 및 와이어 단자 핀은 오일에 잠입되며(immersed) 내식성을 갖는 금속 격막(metal diaphragm)으로 실링(sealing)된다. 그러나, 이 구조는 금속 격막, 오일 및 실링을 위한 O-링과 같은 부재를 필요로 하고, 그에 따라 조립에 방해가 되며, 소형화가 실현될 수 없다는 문제점이 있다.
수분 및 습도에 관해서는, 일본특허 공개공보 평10-153508호가 Ti/Pd(여기서, Pd는 귀금속임)를 사용함으로써 알루미늄 패드를 보호하는 것을 개시하고 있으나, 부식성 용액에 대해서는 어떠한 구체적인 설명도 없다.
또한, 국제특허 공개공보 제2001-509890호는 충전재의 보호에 따른 부식 방지 방법을 개시하고 있고, 이를 위해 리드-와이어(lead-wire)를 인출하는 방법을 제안하고 있다. 그러나, 본 발명자는 실험을 통하여 대표적인 충전재인 실리콘 겔이 배기 가스 수용액 레벨에서의 산화수로부터 알루미늄 패드 등을 보호하기에 반드시 충분하지는 않다는 것을 확인하였다.
종래의 반도체 장치의 제조에 관해서, 압력 센서의 전극은 알루미늄 배선을 사용하여 형성되고, 알루미늄 배선이 노출된 상태로 와이어(예를 들어, 금)가 본딩된다. 이 경우, 그 사용 환경에 따라 알루미늄과 금의 전지 작용(battery action)에 의해 알루미늄이 종종 부식된다. 알루미늄의 부식을 방지하기 위해서, 알루미늄 배선 상에 금속막을 형성하는 것이 고안되었다. 그 형성 방법은 예를 들어, 도8에도시된 바와 같이 스퍼터링(진공 증착)에 의해 반도체(실리콘) 웨이퍼(실리콘 기판)(1)의 전체 표면에 금속막을 형성하는 공정 및 레지스트 패터닝에 의해 불필요한 금속막을 제거하는 공정을 포함하거나, 또는 웨이퍼의 전체 표면에 시드층(seed layer)을 형성하는 공정, 레지스트를 패터닝하는 공정 및 전기 도금에 의해 전극을 형성하는 공정(여기서, 2는 글래스 기판임)을 포함한다. 그러나, 이들 방법은 부가적으로 레지스트를 도포하는 공정 및 에칭 공정을 필요로 하여, 비용이 상승된다. 이 경우의 전극 구조는 도9에 도시된 바와 같이 된다.
또한, 비전해 니켈/금 도금에서, 금속막은 알루미늄 배선층 상에만 형성될 수 있다. 그러나, 일반적으로, 비전해 니켈/금 도금에 의해 알루미늄 배선 상에 전극을 형성하고, 격막을 형성한 다음, 글래스 기판을 접합하는 공정이 채택되었다. 도6은 종래의 일반적으로 채택되는 공정 흐름을 나타내고, 도5는 전극 구조를 나타낸다. 즉, 도6을 참조하면, 회로가 형성된 후에 알루미늄 배선이 형성되고, 패시베이션 막(passivation film)에 의해 회로 표면이 보호된다. 여기서, 패시베이션은 알루미늄 배선에 개방된다. 개방된 알루미늄 배선 상에는 비전해 니켈 도금에 의해 니켈막이 도금되고, 연속적으로 수행되는 비전해 금 도금에 의해 니켈 상에는 금이 형성된다. 알루미늄 배선 상에 니켈/금 막(3)이 도금된 상태로 격막이 형성되고, 글래스 기판(2) 및 실리콘 웨이퍼(1)는 양극 접합된다. 그 후, 웨이퍼가 칩으로 커팅된다.
그러므로, 종래의 방법에 따르면, 비전해 니켈/금 도금에 의해 형성된 금은 후속 공정에서 오염원이 될 수 있다. 이것을 방지하기 위해서, 격막이 형성되고,전극이 형성된 다음, 글래스 기판이 접합될 수도 있으나, 웨이퍼의 이면(back surface) 상에 실리콘이 노출되어 도금된 층이 불균일한 두께를 갖게 되는 문제점이 야기된다. 금속이 균일하게 석출(析出)(precipitation)되도록 하기 위해서는, 도7에 도시된 바와 같이 보호막(레지스트막 등)이 웨이퍼의 이면 상에 형성되어야 하고, 공정도 복잡하게 된다.
본 발명은 반도체형 센서 및 그것의 제조 동안 반도체 장치를 도금하는 방법에 관한 것이다.
도1은 본 발명에 따른 반도체형 센서에 있어서의 전극 구조의 실시예를 도시한 도면.
도2a 내지 도2f는 본 발명의 반도체형 센서를 제조하기 위한 도금 공정 및 조립 공정의 흐름을 개략적으로 도시한 도면.
도3은 본 발명에 따른 반도체 장치를 도금하는 바람직한 방법의 공정 흐름을 도시한 도면.
도4는 종래의 반도체형 센서에 있어서의 전극 구조를 도시한 도면.
도5 및 도9는 종래의 일반적인 전극 구조를 도시한 도면.
도6 내지 도8은 종래의 일반적으로 채택되는 공정 흐름을 도시한 도면.
본 발명의 목적은 전술된 문제점을 해결하여 부식성 매체에 대항하여 내식성이 향상되는 것을 특징으로 하는 반도체형 센서를 제공하는 것이다. 다시 말하면, 본 발명의 목적은 반도체형 센서의 신호가 전송되는 패드/와이어 주변부에 있어서 내식성을 현저하게 향상시키는 것이다. 본 발명의 요점은, 반도체 기판에, 부식성 매체의 물리량 또는 화학 성분을 검출하는 구조부와 전기량 변환 소자를 포함하고, 검출된 전기 신호를 외부 유닛으로 전송하는 출력 단자인 패드를 더 포함하며, 여기서 패드는 귀금속으로 보호되는 반도체형 센서에 있다. 또한, 본 발명의 요점은, 패드 상에 니켈막을 비전해 도금하는 단계; 니켈-도금막 상에 귀금속 막을 비전해 도금하는 단계; 귀금속 와이어를 본딩하는 단계; 및 패드 및 와이어-본딩부를 절연막으로 피복하는 단계를 포함하는 반도체형 센서의 제조 방법에 있다.
또한, 본 발명의 목적은 반도체형 센서의 제조에 최적인 반도체 장치의 도금 방법을 제공하는 것이다. 즉, 종래의 알루미늄 전극 상에 내식성을 갖는 귀금속인 금이 보호막으로서 형성되고, 그 위에 패드의 내식성을 향상시키기 위해서 부식성매체와 부식성 구조를 형성하는 알루미늄 사이의 접촉 확률을 줄이도록 겔 보호막과 같은 절연막이 형성되는 것을 목적으로 한다. 본 발명은 도금된 막의 균일한 두께를 유지하고, 금속이 반도체의 이면 상에 석출되는 것을 방지하고, 후속 공정에서의 오염을 방지하며, 비용을 낮추는 반도체 장치의 도금 방법을 제공한다. 즉, 본 발명은 반도체 기판의 알루미늄 전극 상에 접속 단자를 직접 형성하는데 있어서 기판의 이면이 절연물로 덮여진 상태로 비전해 도금이 수행되는 반도체 장치의 도금 방법이다.
본 발명에 따른 반도체형 센서는, 웨이퍼와 같은 반도체 기판에, 부식성 매체의 물리량 또는 화학 성분을 검출하는 구조부와 전기량 변환 소자를 포함하고, 검출된 전기 신호를 외부 유닛으로 전송하는 출력 단자인 패드를 더 포함하며, 여기서 패드는 귀금속으로 보호된다. 바람직하게는, 패드를 형성하는 재료는 알루미늄이다. 통상적으로, 반도체 기판의 이면 상에는 글래스 기판이 배치된다. 본 발명에 있어서 패드를 보호하는데 사용되는 귀금속은 Au, Pt 또는 Pd의 단일막 또는 그것의 복합막일 수도 있다. 귀금속은 시안 이온(cyanide ion)을 함유하지 않는 용액을 사용하여 Ni/Au, Cu/Au, Ni/Pt 또는 Ni/Pd(특히, 바람직하게는 Ni/Au)를 순차적으로 비전해 도금함으로써 얻어지는 것이 바람직하다. 비전해 도금은 후술되는 본 발명의 도금 방법에 따라 수행된다. 도금된 막의 두께에 특별한 제한은 없다. 검출된 전기 신호를 외부 유닛으로 전송하기 위해 와이어가 패드에 본딩된다. 와이어 재료로는 금이 최적이다. 본 발명에 있어서, 이와 같이 형성된 패드 및 와이어-본딩부는 절연막으로 피복된다. 절연막, 그것의 재료 및 막 두께는 광범위하게 이용되는 것일 수도 있다. 예를 들어, 겔, 프라이머(primer)+겔 또는 파릴렌(parylene)+겔이 바람직할 수 있다. 겔로서는, 플루오르(fluorine) 겔, 실리콘 겔 또는 플루오르실리콘(fluorosilicon) 겔이 바람직할 수 있다.
본 발명의 반도체형 센서의 전극 구조는, 패드 상에 니켈막을 비전해 도금하는 단계; 니켈-도금막 상에 귀금속 막을 비전해 도금하는 단계; 귀금속 와이어를 본딩하는 단계; 및 패드 및 와이어-본딩부를 절연막으로 피복하는 단계를 포함하는방법에 의해 제조된다.
본 발명에 따른 반도체형 센서는, 실리콘 반도체 기판에, 물리량을 검출하는 구조부와 전기량 변환 소자를 포함하고, 패드를 더 포함하는데, 여기서 취득된 전기 신호는 와이어를 통해 전송된다. 패드 상에는 비전해 도금에 의해 니켈 및 금 막이 형성되고, 그것의 전체 구조는 겔 또는 여타의 절연막으로 피복되어 있다.
본 발명에 있어서, 부식성 매체의 물리량을 검출하는 반도체형 센서로서 압력 센서가 예시될 수 있다. 특히, 그것은 자동차 엔진의 배기 가스 환경에서 배기 가스의 압력을 측정하는 압력 센서인 것이 바람직하다. 또한, 그것은 고도로 부식성이며 고습도인 매체의 압력을 측정하는 압력 센서이다. 이들 압력 센서는 통상적인 방식으로 반도체 기판에 형성된 박형 격막 영역을 갖고 있고, 이 영역에 형성된 확산층에 의한 압저항 효과(piezo-resistance effect)를 나타내며, 압력을 검출하기 위해 왜곡이 저항 변화로 변환되도록 구성된다.
구체적으로 말하면, 도1에 도시된 바와 같은 압력 센서의 실시예에 있어서, 패드는 비전해 도금에 의해 형성되고 금의 석출을 돕기 위해 1.1㎛ 두께의 알루미늄 층상에 수 ㎛의 두께를 유지하는 니켈층을 갖는다. 그런 다음, 그 위에 약 0.2㎛ 두께의 금이 비전해적으로 형성된다. 다음에, 금 와이어가 본딩(WB)된다. 이것은 대부분의 부분이 부식성 용액과 접촉하는 것을 방지한다. 그러나, 니켈막과 SiN 막(칩 보호막) 사이에 간극이 존재하여, 절연막(겔/파릴렌/프라이머+겔)으로 이 부분이 피복된다.
이 제조 방법의 장점은 도금 부분이 완전하게 자기형성 프로세스이므로, 노광/에칭과 같은 반도체 공정이 필요하지 않거나 고가의 설비인 얼라이너(aligner))/클린룸(clean room)/코터 디벨로퍼(coater developer)가 필요하지 않다는 것이다. 반도체 공정 이후의 처리에서 가공이 수행될 수 있다.
전술된 바와 같이, 본 발명은 부식성 매체의 물리량 및 화학 성분을 검출하는 센서에 있어서 신호 전송부의 부식을 방지하고, 종래의 것과 비교하여 볼 때 제품의 수명을 연장시킬 수 있다. 구체적으로 말하면, 약 1.7의 pH를 갖는 90℃의 강산성 수용액에 잠입되는 경우, 알루미늄이 노출된 구조의 장치의 수명보다 장치의 수명이 약 2배만큼 길어진다.
다음에, 본 발명의 반도체 장치의 도금 방법이 설명된다.
본 발명의 방법에서, 반도체 기판(웨이퍼) 상의 알루미늄 전극 상에 접속 단자를 직접 형성하는데 있어서 기판의 이면이 절연물로 덮여진 상태로 비전해 도금이 수행된다. 절연물은 제품을 구성하는 부품인 글래스 기판인 것이 바람직하다. 이 경우, 글래스 기판은 또한 기판 이면을 커버하는 재료의 역할을 한다.
본 발명의 비전해 도금 처리는 비전해 니켈 도금인 것이 바람직하다. 또다른 바람직한 실시예에 있어서, 비전해 니켈 도금에 의해 니켈이 형성된 다음, 비전해 금 도금에 의해 금이 형성된다. 이들 비전해 니켈 도금 및 비전해 금 도금은 통상적인 방식으로 실행될 수 있다. 그러나, 본 발명에 따르면, 이들은 전술된 바와 같이 글래스 기판이 접합된 후에 실행된다.
본 발명의 방법에 있어서, 알루미늄 전극은 일반적으로 순수 Al 배선, Al-Si 배선, Al-Cu 배선 또는 Al-Si-Cu 배선 중 어느 하나로부터 선택된다. 순수 Al 배선은 일반적으로 99.99% 이상의 또는 99.999% 이상의 순도의 고순도 알루미늄 배선이다. 실리콘이 함유되는 경우, 실리콘의 양은 일반적으로 약 1% 정도이다. 비전해 니켈 도금 용액은 예를 들어, 차아인산나트륨(sodium hypophosphite) 또는 보론 화합물(boron compound)에 기초한 도금 용액이다.
비전해 니켈/금 도금에서, 아연산염(zincate) 처리에 의해 아연이 알루미늄 배선에 치환되고, 비전해 니켈 도금에 의해 니켈이 석출된다. 니켈 도금 용액은 환원제(reducing agent)로서 차아인산 이온을 함유하는 것이 바람직하다. 니켈 도금 상에는, 니켈의 산화를 방지하고, 본딩된 와이어에 대한 접합성을 향상시키기 위해 비전해 도금에 의해 금이 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 글래스 기판은 그 글래스 기판 내의 기공에 비전해 도금 용액이 스며들지 않도록 절연물로 덮여질 수도 있다. 글래스 기판은 점착재(粘着材) 또는 왁스를 통해 절연물로 덮여질 수 있다. 점착재를 통해 덮여지는 재료는 수지 또는 글래스인 것이 바람직하다. 절연물로 글래스 기판을 덮는데 있어서, 글래스 내의 기공에 점착재 또는 왁스가 거의 스며들지 않도록 글래스의 외부 둘레에만 점착재 또는 왁스가 도포될 수도 있다. 전술된 바와 같이, 본 발명의 도금 방법은 반도체형 센서의 제조에 최적이다.
다음에, 도면을 참조하여 본 발명의 도금 방법의 바람직한 실시예가 설명된다. 도3은 본 발명의 공정 흐름을 나타낸다. 도3에 있어서, 회로가 형성된 후에 알루미늄 배선이 형성되고, 그런 다음 회로의 표면을 보호하기 위해 패시베이션 막이 형성된다. 그런 다음, 격막이 형성되어, 글래스 기판(2) 및 실리콘 웨이퍼(1)를 함께 양극 접합한다. 비전해 니켈 도금에 의해 알루미늄 배선 상에 니켈막이 도금되고, 그런 다음 비전해 금 도금에 의해 니켈 상에 금이 연속하여 형성된다. 알루미늄 배선 상에 니켈/금 막(3)이 도금된 상태로, 웨이퍼가 칩으로 커팅된다. 최종적으로 취득된 전극 구조는 도5에 도시된 종래 기술에 따른 전극 구조와 동일하게 된다.
전술된 바와 같은 본 발명의 방법에 있어서, 격막이 형성되고, 글래스 기판이 접합된 다음, 전극이 형성되어(전극이 형성되거나, 비전해 니켈/금 도금이 최종 공정에서 수행되어), 후속 공정에서의 금 오염을 방지한다. 바람직하게는, 글래스 기판이 반도체 기판의 이면을 커버하는 커버재의 역할을 하고, 반도체 기판의 이면 상에 금속의 석출을 방지하며 또한 도금이 균일하게 달성되도록 할 수 있다.
본 발명은 부식성 매체에 대항하여 내식성이 향상되는 것을 특징으로 하는 반도체형 센서를 제공한다.

Claims (27)

  1. 반도체 기판에, 부식성 매체의 물리량 또는 화학 성분을 검출하는 구조부와 전기량 변환 소자; 및
    검출된 전기 신호를 외부 유닛으로 전송하는 출력 단자인 패드
    를 포함하고,
    여기서, 상기 패드는 귀금속으로 보호되는
    반도체형 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 패드를 형성하는 재료는 알루미늄인
    반도체형 센서.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 반도체 기판의 이면 상에는 글래스가 배치되어 있는
    반도체형 센서.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 귀금속은 Au, Pt 또는 Pd의 단일막 또는 그것의 복합막인
    반도체형 센서.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 귀금속은 시안 이온을 함유하지 않는 용액을 사용하여 Ni/Au, Cu/Au, Ni/Pt 또는 Ni/Pd의 비전해 도금으로 형성된
    반도체형 센서.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    검출된 전기 신호를 외부 유닛으로 전송하기 위해 상기 패드에 본딩된 와이어 재료로서 금이 사용되는
    반도체형 센서.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 패드 및 상기 와이어-본딩부는 절연막으로 덮여 있는
    반도체형 센서.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 절연막은 겔, 파릴렌+겔, 또는 프라이머+겔을 사용하여 형성된
    반도체형 센서.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 겔은 플루오르 겔, 실리콘 겔 또는 플루오르실리콘 겔인
    반도체형 센서.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    부식성 매체의 물리량을 검출하는 상기 반도체형 센서는 압력 센서인
    반도체형 센서.
  11. 제6항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반도체형 센서는 자동차 엔진의 배기 가스 환경에서 배기 가스의 압력을 측정하는 압력 센서인
    반도체형 센서.
  12. 제6항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반도체형 센서는 부식성이며 고습도인 매체의 압력을 측정하는 압력 센서인
    반도체형 센서.
  13. 제6항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반도체형 센서는 격막 및 압저항 효과를 갖는
    반도체형 센서.
  14. 패드 상에 니켈막을 비전해 도금하는 단계;
    상기 니켈-도금막 상에 귀금속 막을 비전해 도금하는 단계;
    귀금속 와이어를 본딩하는 단계; 및
    상기 패드 및 상기 와이어-본딩부를 절연막으로 피복하는 단계
    를 포함하는 반도체형 센서의 제조 방법.
  15. 반도체 기판 상의 알루미늄 전극 상에 접속 단자를 직접 형성하는데 있어서 상기 기판의 이면이 절연물로 덮여진 상태로 비전해 도금이 수행되는
    반도체 장치의 도금 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 절연물은 제품을 구성하는 부품인 글래스 기판인
    반도체 장치의 도금 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 비전해 도금 처리는 비전해 니켈 도금인
    반도체 장치의 도금 방법.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 비전해 니켈 도금에 의해 니켈이 형성된 다음, 비전해 금 도금에 의해 금이 형성되는
    반도체 장치의 도금 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    글래스 기판이 접합된 후에 상기 비전해 니켈 도금 및 상기 비전해 금 도금이 수행되는
    반도체 장치의 도금 방법.
  20. 제15항에 있어서,
    상기 알루미늄 전극은 순수 Al 배선, Al-Si 배선, Al-Cu 배선 또는 Al-Si-Cu 배선 중 어느 하나에 의해 형성되는
    반도체 장치의 도금 방법.
  21. 제17항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 비전해 니켈 도금 용액은 차아인산나트륨 또는 보론 화합물에 기초한 도금 용액인
    반도체 장치의 도금 방법.
  22. 제19항에 있어서,
    상기 글래스 기판은 상기 글래스 기판 내의 기공에 비전해 도금 용액이 스며들지 않도록 절연물로 덮여지는
    반도체 장치의 도금 방법.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 글래스 기판은 점착재 또는 왁스를 통해 절연물로 덮여지는
    반도체 장치의 도금 방법.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 점착재를 통해 덮여지는 재료는 수지 또는 글래스인
    반도체 장치의 도금 방법.
  25. 제23항에 있어서,
    상기 글래스 기판은 상기 글래스 내의 기공에 점착재 또는 왁스가 거의 스며들지 않도록 상기 글래스의 외부 둘레에만 도포된 점착재 또는 왁스를 통해 절연물로 덮여지는
    반도체 장치의 도금 방법.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 점착재를 통해 덮여지는 재료는 수지 또는 글래스인
    반도체 장치의 도금 방법.
  27. 제15항 내지 제26항 중 어느 한 항에 따른 도금 방법을 이용하여 제조된 반도체형 센서.
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