KR20060111305A - The fabrication of wafer level chip scale package with solder bumps located on the back side of wafer through vertical interconnection - Google Patents

The fabrication of wafer level chip scale package with solder bumps located on the back side of wafer through vertical interconnection Download PDF

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KR20060111305A
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Abstract

A method for fabricating a wafer-level chip scale package with an external connection terminal formed on the back surface of a wafer through a penetration electrode is provided to minimize generation of thermal stress and variation of a direct circuit device by forming a penetration electrode before a direct circuit is formed and by forming a bump as an external connection terminal on the back surface of the wafer. After a penetration electrode(30) is formed in a bare wafer and a direct circuit(35) is formed on the upper surface of a wafer through a wafer fabricating process, the penetration electrode is connected to the direct circuit. After an external connection terminal connected to the penetration electrode is formed on the back surface of the wafer, a passivation layer is formed to protect the direct device. The wafer is sawed along a wafer sawing region to fabricate a wafer-level chip scale package. The external connection terminal is a solder bump(55) or a solder ball.

Description

관통전극을 통해 웨이퍼 하면에 외부접속단자를 형성시킨 웨이퍼 레벨 칩스케일 패키지 제조방법{The fabrication of wafer level chip scale package with solder bumps located on the back side of wafer through vertical interconnection} The fabrication of wafer level chip scale package with solder bumps located on the back side of wafer through vertical interconnection}

도 1(a) 내지 도 1(b)는 종래기술에 따른 웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지를 보여주는 단면도이다.1 (a) to 1 (b) are cross-sectional views showing a wafer level chip scale package according to the prior art.

도 2는 기존의 반도체 검사가 이뤄지는 방법을 보여주는 단면도이다.2 is a cross-sectional view showing a conventional semiconductor inspection method.

도 3은 본 발명에 의한 완성된 웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지 단면도이다.3 is a cross-sectional view of a completed wafer level chip scale package according to the present invention.

도 4(a) 내지 4(d)는 본 발명에 따른 웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지 제조공정을 순차적으로 보인 도면이다.4 (a) to 4 (d) are views sequentially showing a wafer level chip scale package manufacturing process according to the present invention.

도 5는 외부접속 단자인 솔더 범프 혹은 솔더 볼이 관통전극상에서 집적 형성된 것을 보여주는 단면도이다.5 is a cross-sectional view illustrating that solder bumps or solder balls, which are external connection terminals, are formed on the through electrode.

도 6은 외부접속 단자인 솔더범프 혹은 솔더 볼이 재배열 과정을 통해 형성된 것을 보여주는 단면이다.6 is a cross-sectional view showing that the solder bumps or solder balls, which are external connection terminals, are formed through a rearrangement process.

도 7은 웨이퍼 하부의 외부 접속 단자를 통해 반도체 검사를 실시하는 것을 보여주는 도면이다.FIG. 7 is a diagram illustrating semiconductor inspection through an external connection terminal under the wafer.

도 8(a) 내지 도 8(b)는 응용예로 본 발명에 따른 이미지 센서 패키지 단면 도이다.8 (a) to 8 (b) are cross-sectional views of an image sensor package according to the present invention as an application example.

도 9는 응용예로 본 발명에 따른 칩스택 패키지 단면도이다.9 is a cross-sectional view of the chip stack package according to the present invention as an application example.

도 10은 다층의 재료층을 가공하기 위한 레이저 작업조건을 보여주는 도면이다.10 is a view showing a laser working condition for processing a multi-layer material layer.

* 도면 주요 부분에 대한 설명 *Description of the main parts of the drawing

20 : 실리콘 웨이퍼20 silicon wafer

25 : 비아 홀, 26: 관통 홀, 30 : 관통전극25: via hole, 26: through hole, 30: through electrode

35 : 직접회로, 37 : 다이패드, 38 : 재배열35: integrated circuit, 37: die pad, 38: rearrangement

41 : 불활성층 43 : 보호막, 54 : 금속배선 41: inert layer 43: protective film, 54: metal wiring

55 : 솔더범프, 56 : UBM, 61 : 절연층55 solder bump, 56 UBM, 61 insulation layer

71 : 프로브, 72, 프로브 카드71: probe, 72, probe card

80 : 웨이퍼 레벨 패키지(WL PKG), 85 : 기판80: wafer level package (WL PKG), 85: substrate

웨이퍼 레벨 칩스케일 패키지(이하 WL CSP; Wafer Level Chip Size Package)는 CSP가 가지는 장점을 갖고 있으면서 웨이퍼 상태에서 패키지 구조를 완성한 후 개별화 함으로써 패키지를 완성하는 기술로 기존의 설비나 제조 공정들을 그대로 이용할 수 있음으로 제조 비용이 싸고 CSP보다 신뢰성이 우수하여 많은 주목을 받 고 있다. Wafer Level Chip Scale Package (WL CSP; Wafer Level Chip Size Package) has the advantages of CSP, and it is a technology that completes the package structure after individualizing the package structure in wafer state. It is attracting much attention because it is cheaper to manufacture and more reliable than CSP.

종래의 WL CSP의 핵심기술은 회로를 재분배하는 기술과 외부접속 단자를 형성하는 기술로 크게 나눌 수 있다. 대표적인 WL CSP 형태는 표 1과 같이 크게 6가지 형태로 구분된다. The core technology of the conventional WL CSP can be broadly divided into a technology for redistributing circuits and a technology for forming external connection terminals. Representative WL CSP types are divided into six types as shown in Table 1.

MethodMethod AdvantageAdvantage DisadvantageDisadvantage Non-redistributionNon-redistribution Simplest applicationSimplest application Limited application;die must be designed for bumpLimited application; die must be designed for bump RedistributionRedistribution Fab-like processes Higher bump count capability Adequate reliabilityFab-like processes Higher bump count capability Adequate reliability May require underfill High bump count requires expensive PCB technologyMay require underfill High bump count requires expensive PCB technology Redistribution w/encapsulationRedistribution w / encapsulation Encapsulation can be enhance reliability, extend die sizeEncapsulation can be enhance reliability, extend die size Precise manufacturing and /or robust cleaning required at inner metal-bump interfacePrecise manufacturing and / or robust cleaning required at inner metal-bump interface Complian leadComplian lead High reliability Compatible with high speed test and burn-inHigh reliability Compatible with high speed test and burn-in Existing solutions require licensingExisting solutions require licensing Lead carrierLead carrier Interposer-like structure may enhance reliabilityInterposer-like structure may enhance reliability Complex;tends to deviate from "WLP-ness" Difficult to maintain low costComplex; tends to deviate from "WLP-ness" Difficult to maintain low cost Warp-around leadWarp-around lead Appeal for niche applicationsAppeal for niche applications Complex Limited to periphal I/O Can grow dieComplex Limited to periphal I / O Can grow die

출처 : www.patentmap.or.krSource: www.patentmap.or.kr

도 1에서 (a)는 재배열이 없는 WL CSP 구조로서 대개 리드 수가 50개 이하인 소형소자에 적용되고 (b)는 가장 많이 사용하는 WL CSP 로서 주로 와이어 본딩형으로 제조된 주변형(peripheral)I/O 소자를 격자형(area array)으로 재배열(38)하여 솔더범프(55)를 형성하는 방식으로 리드 수가 많은 소자에 적용된다. 상기 패키지 방식에서는 반도체 직접회로 형성을 끝낸 후 웨이퍼 상면(19)에서 구리/폴리이미드 재배열(38) 구조를 사용하였고 100um 구리 범프에 프리트된 솔더 범프(55)를 포함하는 것을 주요 특징으로 한다. In FIG. 1, (a) is a WL CSP structure without rearrangement, which is usually applied to a small device having 50 or less leads, and (b) is a WL CSP which is most used, and is mainly manufactured by wire bonding. It is applied to a device having a large number of leads by rearranging / O devices in an area array 38 to form solder bumps 55. The package method uses a copper / polyimide rearrangement (38) structure on the upper surface of the wafer 19 after finishing the semiconductor integrated circuit formation, and includes a solder bump 55 frited into 100 um copper bumps.

종래의 WL CSP는 앞서 설명한 것처럼 반도체 직접회로 위에 재배열(38)을 위한 다수의 금속 배선, 비아 홀(25), 절연막(60) 형성공정 그리고 솔더 범프(55) 형성을 위한 공정을 포함하고 있다. 고집적도 메모리 반도체의 경우, 선폭은 50~100nm 시대에 진입하였고 직접된 회로 층은 수십 층에 이르며, 총 두께는 불과 수 um에 지나지 않는다. 이러한 정밀한 직접회로(35) 상에 WL CSP를 위한 재배열 및 외부 접속단자인 솔더 범프(55) 형성공정들을 진행하게 되면 많은 문제점들이 발생하게 된다. The conventional WL CSP includes a process for forming a plurality of metal wires for the rearrangement 38, a via hole 25, an insulating film 60, and a solder bump 55, as described above. . In the case of high-density memory semiconductors, line widths have entered the 50-100nm era, with direct circuit layers of dozens of layers and total thickness of only a few um. Many problems occur when the solder bumps 55, which are rearrangements and external connection terminals for the WL CSP, are formed on the precise integrated circuit 35.

기존의 WL CSP에서 발생하는 문제점으로는 온도 변화에 따른 패키지와 기판(85) 간의 서로 다른 열팽창 계수 차로 인한 열응력 발생, 솔더 볼 리플로우 공정시 발생한 응력과 변형이 고직접회로에 응력과 손상을 초래시켜 신뢰성 저하를 가져다 주며, 또한 고온, 부식성 케미컬 환경하에서 진행되는 다수의 금속 배선층과 절연층 그리고 폴리머 형성 공정은 이미 형성된 직접회로에 직,간접적으로 손상과 물리적, 열적 변형을 불러 올 수 있다. 또한 전기적 신뢰성 측면에 볼 때 솔더 범프를 포함한 주변영역과 직접회로 사이에는 노이즈, cross-talk, 기생 캐파시터 등 전기적 특성을 떨어 트릴 수 있게 된다. Problems that occur in the existing WL CSP include thermal stress due to the difference in thermal expansion coefficient between the package and the substrate 85 due to temperature change, and stress and deformation caused by the solder ball reflow process cause stress and damage to the high-integrated circuit. This results in lowered reliability, and many metallization layers, insulating layers and polymer forming processes under high temperature, corrosive chemical environments can cause damage, physical and thermal deformation, directly or indirectly, on already formed integrated circuits. In terms of electrical reliability, electrical characteristics such as noise, cross-talk, and parasitic capacitors can be degraded between peripheral circuits including solder bumps and integrated circuits.

기존 WL CSP에서는 솔더 볼 주변에 폴리머 칼라(polymer collar)를 형성하여 솔더 볼 변형 줄이고자 하거나(K&S Ultra CSP), 2중 범프 구조 를 갖고 있으며 특수한 응력완화 층을 폴리머로 형성하여 응력을 완하시키려고 하였다(모토롤라의 WLCSP). 이 외에도 Tessera WAVE(Wide Area Vertical Expansion) 그리고 FormFactor의 MOST 등이 응력을 줄이고자 독특한 구조를 채택하였다. 상기 시도는 절연막(60), 응력완화 층을 직접회로 위에서 만들어 주기 때문에 열응력 및 변형으로부터 직접회로(35)의 손상을 막는데는 근본적으로 한계가 있을 수 밖에 없다. In the existing WL CSP, a polymer collar was formed around the solder ball to reduce solder ball deformation (K & S Ultra CSP), or a double bump structure, and a special stress relaxation layer made of polymer was used to relieve stress. (WLCSP from Motorola). In addition, Tessera Wide Area Vertical Expansion (WAVE) and FormFactor's MOST have adopted a unique structure to reduce stress. Since the attempt is made to the insulating film 60, the stress relaxation layer on the integrated circuit, there is a fundamental limit to preventing damage to the integrated circuit 35 from thermal stress and deformation.

반도체 칩내에는 각각의 직접회로(35) 불량 발생시 레이저 리페어 공정을 통해 스페어(혹은 리던던시;redundancy) 칩으로 대체하고자 퓨즈 구조(fuse structure)를 갖고 있다. 기존의 WL CSP를 위한 재배열(38) 및 솔더 범프(55) 공정은 상기 퓨즈 구조를 산화, 오염 시킬 수 있다. The semiconductor chip has a fuse structure in order to replace it with a spare (or redundancy) chip through a laser repair process when each integrated circuit 35 failure occurs. The rearrangement 38 and solder bumps 55 process for the conventional WL CSP may oxidize and contaminate the fuse structure.

도 2는 기존의 반도체 검사가 이뤄지는 방법을 나타낸 것으로서, 다이패드(37)를 프로브(71)가 접촉하면서 검사가 이루어지기 때문에 다이패드(37)의 손상과 접촉시 발생한 파티클로 인해 오염 문제가 발생한다. 게다가 WL CSP를 위한 재배열(38) 및 솔더 범프(55) 공정으로 신뢰성 확보를 위해 추가 검사 공정을 실시 하지 않으면 안된다. FIG. 2 illustrates a conventional method of inspecting semiconductors. Since the inspection is performed while the probe 71 is in contact with the die pad 37, contamination may occur due to particles generated when the die pad 37 is in contact with the damage. do. In addition, the rearrangement 38 and solder bumps 55 process for the WL CSP requires additional inspection to ensure reliability.

직접회로가 형성된 후에 그 위에 재배열 및 외부 접속 단자인 범프를 형성하는 기존의 WL CSP의 제조공정은 여러 가지의 문제점을 안고 있으며 이를 해결하고자 직접회로 형성 전에 관통 전극을 형성하였고 외부 접속 단자인 범프 형성공정을 웨이퍼 하면에 형성시킴으로써 직접회로소자의 열 응력 및 변형 발생을 최소화 시켰고 상기 외부 접속단자를 통해 반도체 검사가 가능하게 하였다. 이를 통해 공정 단축과 비용을 절감할 수 있으며 생산성을 향상 시킬 수 있는 제조방법을 제공하는데 있다.Existing WL CSP manufacturing process for rearrangement and forming bumps as external connection terminals after the formation of the integrated circuit has various problems. To solve this problem, through electrodes were formed before the formation of the integrated circuit and bumps as external connection terminals were formed. The formation process is formed on the lower surface of the wafer to minimize thermal stress and deformation of the integrated circuit device, and to enable semiconductor inspection through the external connection terminals. This shortens the process, reduces the cost, and provides a manufacturing method that can improve productivity.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 웨이퍼 레벨 칩스케일 패키지 제조방법은, (a) 베어 웨이퍼 단계에서 얼라인 마스크를 이용하여 마스크를 형성한 후 다이 패드의 위치와 일치하는 관통 홀 혹은 비아 홀을 형성하는 단계와, (b) 상기 구멍에 전기 전도성 금속을 채워 관통전극을 형성하는 단계, (c) 관통 전극을 갖는 웨이퍼 상에서 정상적인 웨이퍼 제조공정에 따라 반도체 직접 회로를 형성하는 단계, (d) 웨이퍼 상단면에 형성된 직접회로를 보호하기 위해 불활성 층을 형성하고 직접회로가 관통전극과 연결되는 단계와, (e) 상기 웨이퍼 하면을 일정 두께 만큼 제거하여 관통전극을 노출시키는 단계, (f) 관통전극에서 직접 범프를 형성하여 외부 접속단자로 사용하거나, 웨이퍼 하부의 관통전극에서부터 금속 배선층을 통해 재분배를 한 후 범프를 형성하는 단계, (g) 웨이퍼 하부에 형성된 외부 접속단자를 이용하여 반도체 칩에 대한 테스트를 진행하는 단계, (h) 웨이퍼 상단면에 칩을 보호하기 위한 절연체 보호층으로 encapsulation 과정, (i) 칩 패키지로 절단한 후 기판에 실장하는 것을 포함하는 것을 특징으로 특징으로 한다. The wafer level chip scale package manufacturing method according to the present invention for achieving the above object is (a) forming a mask using an alignment mask in the bare wafer step and then through holes or via holes matching the position of the die pad. (B) forming a through electrode by filling an electrically conductive metal in the hole, (c) forming a semiconductor integrated circuit according to a normal wafer manufacturing process on a wafer having the through electrode, (d) a wafer Forming an inert layer to protect the integrated circuit formed on the top surface and connecting the integrated circuit to the through electrode; (e) removing the bottom surface of the wafer by a predetermined thickness to expose the through electrode; and (f) the through electrode. Bump is formed directly at and used as external connection terminal, or redistribution through metal wiring layer from through electrode under wafer Forming, (g) Testing a semiconductor chip using an external connection terminal formed on the bottom of the wafer, (h) Encapsulation process with an insulator protective layer to protect the chip on the top surface of the wafer, (i) Chip After cutting into a package, characterized in that it comprises mounting on the substrate.

도 3은 본 발명에 따른 완성된 웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지 단면도이다. 3 is a cross-sectional view of a completed wafer level chip scale package in accordance with the present invention.

이하 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하고자 한다. 도 4(a)는 베어 웨이퍼 상태에서 비아 홀(25) 혹은 관통 홀(26) 가공을 마친 단면도이다. 비아 홀(25) 혹은 관통 홀(26)은 레이져 드릴 혹은 deep RIE(Reactive Ion Etching)을 이용하여 형성된다. 레이져일 경우에는 다이패드(37) 중앙 위치에서 다이패드(37) 크기보다 작은 홀을 가공한다. deep RIE의 경우에는 원의 패턴을 갖고 있는 마스크를 이용하여 홀을 식각한다. 홀 가공 깊이는 관통을 하거나 일정한 깊 이만큼 가공한 비아 홀(25) 형태로 가공한다. 레이져 드릴의 경우, 기술 발전에 힘입어 25 ~ 40um 이하의 홀을 1.5mm 두께를 갖는 실리콘 웨이퍼(20)에 형성할 수 있다. 레이져 가공기술의 장점은 마스크 및 포토공정이 필요 없고 고종횡비의 마이크로 홀을 고속으로 생산할 수 있으며 기존의 웨이퍼 제조 공정에 아무런 제약을 가하지 않는 다는 것이다. 또한 실리콘뿐만 아니라 금속층, 산화막, 질화막 그리고 보호용 폴리머 등 다양한 재료에 응용 가능하다는 것이다. Deep RIE의 경우, 고종횡비의 홀을 정밀하게 가공할 수 있는 장점이 있으나 마스크와 포토공정 비용이 추가로 들며 홀의 배치를 위해 칩 디자인을 변경해야 한다. 비아 홀(25)이 동일하지 않을 경우 가공 균일성을 유지하기 어려운 단점이 있다.Hereinafter, exemplary embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings. 4A is a cross-sectional view of the via hole 25 or the through hole 26 being processed in a bare wafer state. The via hole 25 or the through hole 26 is formed using a laser drill or deep reactive ion etching (RIE). In the case of a laser, holes smaller than the size of the die pad 37 are machined at the center of the die pad 37. In the case of deep RIE, the hole is etched using a mask having a circular pattern. Hole drilling depth is machined in the form of a through hole (25) through or drilled to a certain depth. In the case of a laser drill, holes of 25 to 40 μm or less may be formed in the silicon wafer 20 having a thickness of 1.5 mm due to technology development. The advantage of laser processing is that it does not need mask and photo process, it can produce high aspect ratio micro hole at high speed and does not place any limitation on the existing wafer manufacturing process. In addition to silicon, it can be applied to various materials such as metal layers, oxide films, nitride films and protective polymers. Deep RIE has the advantage of precision machining of high aspect ratio holes, but it adds mask and photo processing costs and requires a change in chip design for hole placement. If the via holes 25 are not the same, there is a disadvantage that it is difficult to maintain processing uniformity.

도 4(b)는 관통전극(30)을 형성하는 공정을 보여주는 단면도이다. 비아 홀(25)의 경우, 후 공정에서 웨이퍼 하면(21)을 일정 두께 만큼 제거하여 관통 전극(30)으로 만들 수 있다. 관통전극(30)을 형성하기에 앞서 장벽 금속(barrier metal)층(28)과 시드(seed) 금속층(29)을 형성시키고 난 후 페이스트를 이용하거나 전기도금에 의해 관통전극(30)을 형성하는 것을 보여주는 도면이다. 관통재료로는 고온 전극으로 사용가능한 텅스텐, 몰리브덴, 몰리브텐 알루미늄 합금 등을 사용한다. 장벽 금속층(28)에 사용되는 재료는 질화 텅스텐(WNx), 탄탈륨나이트라이드(TaN), 티타늄/질화 티타늄(TiN) 합금 재질로 형성할 수 있다. 4B is a cross-sectional view illustrating a process of forming the through electrode 30. In the case of the via hole 25, the bottom surface 21 of the wafer may be removed by a predetermined thickness in a later process to form the through electrode 30. Prior to forming the through electrode 30, the barrier metal layer 28 and the seed metal layer 29 are formed, and then the through electrode 30 is formed by using a paste or electroplating. Figure showing that. As the through material, tungsten, molybdenum, molybdenum aluminum alloy or the like which can be used as a high temperature electrode is used. The material used for the barrier metal layer 28 may be formed of tungsten nitride (WNx), tantalum nitride (TaN), or titanium / titanium nitride (TiN) alloy material.

도 4(c)는 완성된 반도체 직접회로(35)를 관통전극(30)과 연결을 위해 다이패드가 형성된 것을 보여주는 단면도이다. 불활성층(41)은 실리콘(20)과 메탈전극을 보호하기 위한 역할을 하며 주로 산화막, 질화막으로 이뤄져 있다. FIG. 4C is a cross-sectional view illustrating that a die pad is formed to connect the completed semiconductor integrated circuit 35 to the through electrode 30. The inactive layer 41 serves to protect the silicon 20 and the metal electrode, and mainly consists of an oxide film and a nitride film.

도 4(d)는 완성된 직접회로를 보호하기 위하여 제거하기가 용이한 포토레지스트를 이용하여 보호막(43)을 형성시킨 후 웨이퍼의 하면(21)을 일정 두께 만큼 제거하여 관통전극(30)을 드러내 주는 것을 보여주는 도면이다. 웨이퍼 하면(21)을 제거하는 방법은 래핑(44;lapping)을 이용하고 있다. 포토레지스트는 래핑시 오염과 물리적 손상 방지를 버퍼링 할 수 있는 기능과 함께 쉽게 제거가 되어 후공정시 편리한 잇점을 제공해 준다. FIG. 4 (d) shows the through electrode 30 by removing the lower surface 21 of the wafer by a predetermined thickness after forming the protective film 43 using a photoresist which is easy to remove to protect the completed integrated circuit. The figure shows what is revealed. The method of removing the wafer lower surface 21 uses lapping 44. The photoresist is easily removed with the ability to buffer contamination and physical damage protection during wrapping, providing a convenient advantage in post processing.

도 5는 관통전극(30)과 외부접속 단자인 솔더 범프(55) 혹은 솔더 볼(56)이 직접 형성된 것을 보여주는 단면도이다. 웨이퍼 하면(21)에 먼저 절연층(61)을 형성한 후 솔더 범프(55)가 형성될 곳을 개방한 후 UBM(56)을 형성하고 솔더 범프(55)를 형성한다. 절연층(61)으로는 응력흡수가 잘되는 유기물인 폴리이미드(polyimide) 또는 벤조 사이클로 부텐(benzo cyclo butene; BCB)으로 형성하는 것이 바람직하다.5 is a cross-sectional view showing that the through electrode 30 and the solder bumps 55 or the solder balls 56 which are external connection terminals are directly formed. The insulating layer 61 is first formed on the lower surface of the wafer 21, and then the place where the solder bumps 55 are to be formed is opened. Then, the UBM 56 is formed and the solder bumps 55 are formed. The insulating layer 61 is preferably formed of polyimide or benzo cyclobutene (BCB), which is an organic material having good stress absorption.

도 6은 관통전극(30)이 재배열(38) 과정을 통해 외부접속 단자인 솔더 범프(55)를 형성한 것을 보여주는 단면이다. 웨이퍼 하면(21)에 먼저 제 1 절연층(61), 제 2 절연층(62)은 응력흡수가 잘되는 유기물인 폴리이미드 또는 벤조 사이클로 부텐(BCB)으로 형성하는 것이 바람직하다. 한편 금속배선층(54)을 형성하기 전에 금속 기저층(56)을 금속 배선층(54)이 형성될 영역 하부에 형성한다. 금속 기저층(56)은 시드 층, 확산 장벽층, 밀착력을 높이는 접착층의 역할을 한다. 금속 기저층(56)으로는 티타늄/구리(Ti/Cu), 티타늄/티타늄-구리/구리(Ti/Ti-Cu/Cu), 크롬/구리(Cr/Cu), 크롬/크롬-구리/구리(Cr/Cr--Cu/Cu), 티타늄텅스텐/구리(TiW/Cu), 알루미늄/니켈/구리(Al/Ni/Cu), 알루미늄/니켈바나듐/구리(Al/NiV/Cu) 중에 하나를 이용한다. FIG. 6 is a cross-sectional view of the through electrode 30 forming solder bumps 55 as external connection terminals through the rearrangement 38. First, the first insulating layer 61 and the second insulating layer 62 on the lower surface of the wafer 21 are preferably formed of polyimide or benzo cyclobutene (BCB), which is an organic material having good stress absorption. Meanwhile, before forming the metallization layer 54, the metal base layer 56 is formed under the region where the metallization layer 54 is to be formed. The metal base layer 56 serves as a seed layer, a diffusion barrier layer, and an adhesive layer to increase adhesion. The metal base layer 56 includes titanium / copper (Ti / Cu), titanium / titanium-copper / copper (Ti / Ti-Cu / Cu), chromium / copper (Cr / Cu), chrome / chromium-copper / copper ( Use one of Cr / Cr--Cu / Cu), titanium tungsten / copper (TiW / Cu), aluminum / nickel / copper (Al / Ni / Cu), aluminum / nickel vanadium / copper (Al / NiV / Cu) .

도 7은 웨이퍼 하부(21)의 외부 접속 단자인 솔더 범프(55)를 통해 반도체 검사를 실시하는 것을 보여주는 도면이다. 프로브 카드(72)는 웨이퍼(20) 상태에서 칩의 불량 유,무를 검사하는 반도체 검사장비의 핵심 기능을 하는 것으로 프로브(71)가 다이패드(37)를 접촉하면서 전기적 검사를 진행한다. 프로브(71)는 니들, 마이크로 핀, MEMS형 칸틸레버, 마이크로 스프링 등 여러가지 형태가 있다. 반도체 검사 시 기존의 방법은 다이패드(37)를 프로브(71)가 접촉하면서 검사가 이루어지기 때문에 다이패드(37)의 손상과 접촉시 발생한 파티클로 인해 오염 문제가 발생한다. 게다가 WL CSP를 위한 재배열(38) 및 솔더 범프(55) 공정으로 신뢰성 확보를 위해 추가 검사 공정을 실시 하여야만 한다. 그러나 상기 본 발명의 WL CSP 제조방식에 따른 검사 방식은 도입하게 되면 다이패드(37)를 접촉하여 검사하는 방식이 아니기 때문에, 검사-레이저 리페어-검사 공정 후 추가의 검사가 필요없게 되어 Known Good Die 공정을 확보할 수 있게 된다. 또한 검사 비용과 시간을 줄일 수 있어 반도체 경쟁력을 높일 수 있게 된다. FIG. 7 shows a semiconductor inspection performed through the solder bumps 55, which are external connection terminals of the lower wafer 21. As shown in FIG. The probe card 72 serves as a core function of a semiconductor inspection device that inspects whether chips are defective or not in the state of the wafer 20, and the probe 71 performs electrical inspection while contacting the die pad 37. The probe 71 has various forms such as a needle, a micro pin, a MEMS type cantilever, and a micro spring. In the conventional method of inspecting the semiconductor, since the inspection is performed while the probe 71 contacts the die pad 37, a contamination problem occurs due to particles generated when the die pad 37 contacts with the damage. In addition, the rearrangement 38 and solder bumps 55 process for the WL CSP requires additional inspection to ensure reliability. However, since the inspection method according to the WL CSP manufacturing method of the present invention is not a method of contacting and inspecting the die pad 37, no additional inspection is required after the inspection-laser repair-inspection process. The process can be secured. In addition, inspection costs and time can be reduced, increasing semiconductor competitiveness.

도 8은 실시예인 이미지 센서 패키지 단면도이다.8 is a cross-sectional view of an image sensor package according to an embodiment.

도 8(a)는 본 발명의 실시예로 개별 패키지 공정 전인 복수의 칩들이 있는 웨이퍼 레벨 상태에서 이미지 센서의 패키지 공정을 보여주는 것이다. 이미지 센서 칩 제조 공정이 끝난 웨이퍼 레벨(90) 상태에서 이미지 센서 칩(92)을 외부 환경으로 부터 오염 방지를 위해 접합재료(97)를 이용해서 투명 기판(95)과 웨이퍼(91)를 접합한다. 상기 투명기판(95)과 웨이퍼(91)간 접합부는 칩 절단부(98)에서 이뤄지게 한다. 기존의 방식에서는 웨이퍼 레벨(90) 상태에서 외부접속단자(94)의 형성으로 인한 제약으로 인해 웨이퍼 레벨 패키지 공정이 불가하다. 본 발명에 의하면 개별 패키지된 상태가 아니라 웨이퍼 레벨 상태에서 웨이퍼 하면(93)의 외부출력단자(94)를 이용하여 검사 공정이 가능하게 된다. 기존의 방식은 검사공정 중 오염이 발생할 수 있는 구조이며, 최종 카메라모듈(100) 단계에 이르러서야 발생된 오염을 검출하는 문제점이 있다. 본 발명에 따르면 검사공정 중 오염을 방지할 수 있어 후 공정에서 이미지 센서의 오염발생을 근원적으로 방지할 수 있어 공정 단축 및 생산성 효율을 크게 증가 시킬 수 있는 획기적인 방식을 제공할 수 있다.FIG. 8 (a) shows the packaging process of the image sensor in a wafer level state with a plurality of chips prior to the individual packaging process as an embodiment of the present invention. In the state of the wafer level 90 where the image sensor chip manufacturing process is completed, the transparent substrate 95 and the wafer 91 are bonded using the bonding material 97 to prevent contamination of the image sensor chip 92 from the external environment. . The junction between the transparent substrate 95 and the wafer 91 is made at the chip cutout 98. In the conventional method, the wafer level package process is not possible due to the limitation due to the formation of the external connection terminal 94 in the wafer level 90 state. According to the present invention, the inspection process is possible using the external output terminal 94 on the lower surface of the wafer 93 in the wafer level state, rather than individually packaged state. The existing method has a structure in which contamination may occur during the inspection process, and there is a problem of detecting contamination generated only when the final camera module 100 is reached. According to the present invention, it is possible to prevent contamination during the inspection process, thereby fundamentally preventing contamination of the image sensor in a later process, thereby providing a breakthrough method that can greatly shorten the process and increase productivity efficiency.

도 8(b)는 상기 패키지 공정이 끝난 후 개별 패키지(101)화 한 후 이미지센서 모듈화(100) 하는 공정을 보여주는 것이다. 본 발명의 방식에 따른 상기 패키지 방식은 기존의 경우보다 칩 사이즈에 가까운 칩스케일 패키지(CSP)가 가능하다. 8 (b) shows a process of modularizing the image sensor 100 after individual package 101 after the package process is completed. The package method according to the present invention may be a chip scale package (CSP) closer to the chip size than the conventional case.

도 9는 실용예로 칩 스택 패키지(81) 단면도이다.9 is a cross-sectional view of the chip stack package 81 in practical use.

기존의 칩 스택 패키지 제조공정의 경우, 직접회로(35)가 완성된 후 다이 패드(37) 혹은 다이패드(37)와 연결된 임의의 위치에서 웨이퍼 상면(19)과 하면(21)을 관통한 전극(30)을 형성하고 복수의 반도체 칩들은 관통전극(30) 간 접합에 의해 수직으로 실장하는 것을 특징으로 한다. 이 때 관통 홀(26)의 가공은 레이져 드릴 혹은 Deep RIE를 이용하는데, 이는 이미 형성된 다층의 절연층(60), 금속배선층, 보호용 폴리머층 등으로 이뤄진 복 수의 여러가지의 재료 층을 연속 가공하여야만 한다. 상기 공정에서는 레이져 빔과 재료가 반응시 어블레이션(ablation)을 통한 재료의 제거가 이루어지는데 다이패드(37) 산화 및 변형, 직접회로(35)의 오염과 손상 등으로 인해 생산성을 저하시키는 단점을 안고 있다. 예를 들면 도 10에서 보듯이 웨이퍼 상면(19)에 3개의 층(산화막, 제 1,2 절연막)이 형성된 상태에서 비아 홀(25)을 가공할 경우,도 10에서 나타난 것처럼 4개의 연속된 레이져 펄스 가공 조건이 필요하게 된다. 레이져 펄스 수를 제어한 최적화된 어블레이션 조건을 각 층마다 적용하여야 하기 때문에 생산성 효율과 가공 균일성 저하를 초래한다.  In the conventional chip stack package manufacturing process, after the integrated circuit 35 is completed, the electrode penetrates the wafer upper surface 19 and the lower surface 21 at the die pad 37 or at an arbitrary position connected with the die pad 37. 30 and the plurality of semiconductor chips are vertically mounted by bonding between the through electrodes 30. At this time, the processing of the through hole 26 uses a laser drill or a deep RIE, which requires continuous processing of a plurality of different material layers consisting of a multilayer insulating layer 60, a metal wiring layer, a protective polymer layer, and the like, which are already formed. do. In the above process, the laser beam and the material react to remove the material through ablation, which reduces productivity due to oxidation and deformation of the die pad 37 and contamination and damage of the integrated circuit 35. Holding it. For example, when the via holes 25 are processed in the state where three layers (oxide film, first and second insulating films) are formed on the upper surface 19 of the wafer, as shown in FIG. 10, four continuous lasers are shown as shown in FIG. 10. Pulse processing conditions are required. Optimized ablation conditions that control the number of laser pulses must be applied to each layer, resulting in reduced productivity and process uniformity.

본 발명의 실용예에 따른 칩 스택 패키지(81)의 특징은 재배열을 하지 않고서 복수의 칩들내에서 솔더범프(55)-관통전극(30)-다이패드(37) 순으로 반복해서 수직하게 접합된 스택 칩 패키지(81) 구조를 구현할 수 있다는 것이다. 재배열 공정을 제거함으로 인해 본 발명에 의한 칩 스택 패키지(81)는 생산비용 절감 효과와 신뢰성이 양호한 칩들을 많이 생산하는 것이 가능하게 되어 칩 스택 패키지(81)의 수율을 향상시킬 수 있다. A feature of the chip stack package 81 according to the practical example of the present invention is that the solder bumps 55, the through electrodes 30, and the die pads 37 are vertically bonded in a plurality of chips without rearrangement. Stack chip package 81 structure can be implemented. By eliminating the rearrangement process, the chip stack package 81 according to the present invention can produce a large number of chips having good production cost reduction effect and reliability, and thus can improve the yield of the chip stack package 81.

본 발명은 관통전극을 통해 웨이퍼 상부에 위치한 반도체 직접회로가 웨이퍼 하부에 위치한 외부 접속단자인 범프로 연결되는 구조로서 웨이퍼 하면 전체면적을 본딩패드 영역내에서 활용 가능하게 되어 패드 피치를 확대할 수 있고 실장시 발생하는 열응력과 변형을 최소화 할 수 있어 불량율을 크게 줄일 수 있다. 또한 반도체 후공정인 back end공정을 제거할 수 있는 장점이 있다. 그리고 반도체 검사는 웨이퍼 하부의 범프를 이용하여 이루어지게 되므로 검사-레이저 리페어-검사 공정 후 추가의 검사 공정이 필요없는 Known Good Die 공정을 확립할 수 있다. 또한 프 로브 카드 검사 비용 절감과 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있으며, 모든 프로브 카드(저온/실온/고온/번인(burn-in))를 공유할 수 있는 장점이 있다.The present invention is a structure in which a semiconductor integrated circuit located on the wafer is connected to a bump, which is an external connection terminal located on the bottom of the wafer, through the through electrode, and the entire surface of the wafer can be utilized within the bonding pad area, thereby increasing the pad pitch. Thermal stress and deformation occurring during mounting can be minimized, which can greatly reduce the defective rate. In addition, there is an advantage that can remove the back end process, which is a semiconductor post-process. Since the semiconductor inspection is performed using the bumps under the wafer, the Known Good Die process can be established after the inspection-laser repair-inspection process without the need for an additional inspection process. In addition, probe card inspection cost can be greatly reduced and reliability can be greatly improved, and all probe cards (cold / room / high / burn-in) can be shared.

Claims (14)

베어 웨이퍼 상태에서 관통 전극을 형성하고 웨이퍼 제조공정을 통해 직접회로를 웨이퍼 상면에서 형성한 후 관통전극과 직접회로를 연결하고 상기 관통전극과 연결된 외부접속 단자를 웨이퍼 하면에서 형성시킨 후 직접소자를 보호하기 위한 보호층을 형성한 후 웨이퍼 절단영역을 따라 웨이퍼를 절단하여 웨이퍼 레벨 칩 스케일의 패키지를 제조하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지 제조 방법.The through electrode is formed in a bare wafer state, and an integrated circuit is formed on the upper surface of the wafer through a wafer fabrication process. The through electrode is connected to the integrated circuit, and an external connection terminal connected to the through electrode is formed on the lower surface of the wafer. And forming a wafer level chip scale package by cutting the wafer along the wafer cutting region after forming a protective layer. 제 1항에 있어서, 상기 직접회로와 관통전극을 웨이퍼 상면에서 연결시 재배열 하지 않고 다이패드와 직접 연결된 것을 특징으로 하는 웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지. The wafer level chip scale package of claim 1, wherein the integrated circuit and the penetrating electrode are directly connected to the die pad without rearrangement when the upper circuit is connected to the upper surface of the wafer. 제 1항에 있어서, 관통전극을 통해 웨이퍼 상면의 직접회로와 웨이퍼 하면의 외부 접속단자가 재배열 없이 직접 연결된 것을 특징으로 하는 웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지.The wafer level chip scale package of claim 1, wherein an integrated circuit on the upper surface of the wafer and an external connection terminal on the lower surface of the wafer are directly connected through the through electrode without rearrangement. 제 1항에 있어서 관통전극을 통해 웨이퍼 상면의 직접회로와 웨이퍼 하면의 외부 접속단자를 재배열을 통해 연결된 것을 특징으로 하는 웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지.The wafer level chip scale package of claim 1, wherein the through-electrode connects the integrated circuit on the upper surface of the wafer and the external connection terminals on the lower surface of the wafer through rearrangement. 제 1항에 있어서 상기 각각의 반도체 칩들은 웨이퍼 하면을 일정 두께 만큼 제거한 후 하면에 외부 접속단자 형성된 것을 특징으로 하는 웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지.The wafer level chip scale package of claim 1, wherein each of the semiconductor chips has an external connection terminal formed on the lower surface after removing the wafer lower surface by a predetermined thickness. 제 1항에 있어서 관통전극을 형성하는 단계는 베어 웨이퍼나 에피덱시 혹은 산화 공정 단계에서 형성하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지.The wafer level chip scale package of claim 1, wherein the forming of the through electrode comprises forming a bare wafer, an epidex or an oxidation process. 제 1항에 있어서 외부 접속 단자는 솔더 범프이거나 솔더 볼을 특징하는 웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지. The wafer level chip scale package of claim 1, wherein the external connection terminals are solder bumps or solder balls. 제 1항에 있어서 반도체 검사시 웨이퍼 상부의 다이패드 상에서 검사를 실시하는 것이 아니라 웨이퍼 하부에 형성된 외부 접속단자를 통해 웨이퍼 레벨에서 검사하는 방법을 제공하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 레벨 칩 스케일 제조방법. The method of claim 1, further comprising providing a method of inspecting at a wafer level through an external connection terminal formed at a lower portion of the wafer, rather than performing inspection on a die pad at the top of the wafer during semiconductor inspection. 제 1항에 있어서, 직접회로 형성 공정 전 관통전극을 미리 형성시키는 웨이퍼 레벨 패키지 공정을 멀티 칩 혹은 스택 칩, 이미지 센서 칩 패키지에 응용 할 수 있는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 레벨 칩 스케일 제조방법. The method of claim 1, wherein a wafer level package process for forming a through electrode before the integrated circuit forming process is applicable to a multi chip, a stack chip, and an image sensor chip package. (a) 베어 웨이퍼 레벨 상태에서 얼라인 마스크를 이용하여 마스크를 형성한 후 다이 패드의 위치와 일치하는 관통 홀 혹은 비아 홀을 형성하는 단계와,  (a) forming a mask using an alignment mask at a bare wafer level, and then forming a through hole or via hole matching the position of the die pad; (b) 상기 구멍에 전기 전도성 금속을 채워 관통전극을 형성하는 단계, (b) filling the hole with an electrically conductive metal to form a through electrode; (c) 정상적인 웨이퍼 제조공정에 따라 관통 전극을 갖는 웨이퍼 상에서 반도체 직접 회로를 형성하는 단계, (c) forming a semiconductor integrated circuit on the wafer with through electrodes according to a normal wafer fabrication process, (d) 웨이퍼 상단면에 형성된 직접회로를 보호하기 위해 불활성 층을 형성하고 직접회로가 관통전극과 연결되는 단계, (d) forming an inert layer to protect the integrated circuit formed on the top surface of the wafer and connecting the integrated circuit to the through electrode; (e) 상기 웨이퍼 하면을 소정 두께 만큼 제거하여 관통전극을 노출시키는 단계, (e) removing the lower surface of the wafer by a predetermined thickness to expose the through electrode; (f) 관통전극에서 직접 범프를 형성하여 외부 접속단자로 사용하거나, 웨이퍼 하부의 관통전극에서부터 금속 배선층을 통해 재분배를 한 후 범프를 형성하는 단계, (f) forming a bump directly from the through electrode to use the external connection terminal, or redistributing through the metal wiring layer from the through electrode under the wafer to form a bump, (g) 웨이퍼 하부에 형성된 외부 접속단자를 이용하여 반도체 칩에 대한 테스트를 진행하는 단계, (g) conducting a test on the semiconductor chip using an external connection terminal formed under the wafer; (h) 웨이퍼 상단면에 칩을 보호하기 위한 절연체 폴리머로 encapsulation 하는 단계, (h) encapsulation with an insulator polymer to protect the chip on the top surface of the wafer, (i) 칩 패키지로 절단한 후 기판에 실장하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지 제조 방법.(i) A method of manufacturing a wafer level chip scale package comprising cutting a chip package and mounting the chip on a substrate. 제 8항, 상기 (a) 단계는 레이져 드릴 혹은 Deep RIE로 진행되는 것을 특징 으로 하는 웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지 제조 방법.       The method of claim 8, wherein step (a) is performed by a laser drill or Deep RIE. 제 8항, 상기 (a) 단계의 홀은 관통 홀이거나 비아 홀 2가지 형태로 가공되는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지 제조 방법.9. The method of claim 8, wherein the hole of step (a) is a through hole or is processed into two types of via holes. 제 8항, 상기 (b) 단계는 구멍의 내벽에 장벽 금속층(barrier metal layer)과 시드(seed) 금속층을 형성시키고 난 후 전기 도금에 의해 관통전극을 형성하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지 제조 방법.The wafer level chip scale package of claim 8, wherein the step (b) comprises forming a barrier metal layer and a seed metal layer on the inner wall of the hole, and then forming a through electrode by electroplating. Manufacturing method. 제 8항, (g) 단계에서 관통전극과 외부접속단자를 직접 연결시, 범프를 형성하는 방법은 1,2차 폴리머(BCB,PI) 패시베이션 처리 후 UBM과 스크린 인쇄방법, 전기도금 또는 솔더 볼을 이용하여 범프를 형성하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지 제조 방법.The method of forming a bump when directly connecting the through electrode and the external connection terminal in step 8, step (g) includes UBM, screen printing method, electroplating or solder ball after the first and second polymer (BCB, PI) passivation treatment. Wafer level chip scale package manufacturing method characterized in that for forming bumps. 제 8항, (g) 단계에서 재배열을 통해 관통전극과 외부접속 단자를 연결시, 범프를 형성하는 방법은 관통전극이 노출된 제 1 절연막을 형성하고 금속 배선을 제 1절연막 위에 형성시킨 후 그 위에 제 2절연막을 형성한 후 외부접속단자가 형성될 곳을 노출 시킨 후 UBM, 그리고 솔더범프를 형성하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지 제조 방법.The method of forming a bump when the through electrode and the external connection terminal are connected through rearrangement in steps 8 and (g) includes forming a first insulating film having exposed through electrodes and forming a metal wiring on the first insulating film. A method of manufacturing a wafer level chip scale package, comprising: forming a second insulating film thereon, exposing a place where an external connection terminal is to be formed, and then forming UBM and solder bumps.
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