KR20120004906A - Ｕｂｍ 에칭 방법 - Google Patents

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Abstract

디바이스 형성 방법은 장벽층과 장벽층 위의 씨드층을 포함하는 범핑 하지 금속(UBM)층을 형성하는 단계와; 상기 UMB층 위에 마스크를 형성하는 단계를 포함한다. 마스크는 UBM층의 제1 부분을 피복하고, UBM층의 제2 부분은 마스크의 개구를 통해 노출된다. UBM층의 제1 부분은 장벽층 부분과 씨드층 부분을 포함한다. 금속 범프는 개구 내에 그리고 UBM층의 제2 부분 상에 형성된다. 그 다음, 마스크가 제거된다. 씨드층 부분을 제거하기 위해 습식 에칭이 수행된다. 장벽층 부분을 제거하기 위해 건식 에칭이 수행된다.

Description

ＵＢＭ 에칭 방법{UBM Etching Methods}
본 출원은 대체로 집적 회로에 관한 것으로, 더 구체적으로는, 금속 범프를 형성하는 방법에 관한 것이다.
반도체 웨이퍼의 형성에서, 트랜지스터와 같은 집적 회로 디바이스는 먼저 반도체 기판의 표면에 형성된다. 그 다음 상호접속 구조물이 집적 회로 디바이스 위에 형성된다. 금속 범프들(metal bumps)이 반도체 칩의 표면 상에 형성되어, 집적 회로 디바이스들이 액세스될 수 있다.
도 1 및 도 2는 금속 범프의 제조시 중간 단계들의 단면도를 도시한다. 도 1을 참조하면, 범핑 하지 금속(UBM; Under-Bump Metallurgy) 층들(104)이 금속 패드(102)에 위에서 접촉하여 형성된다. UBM 층들(104)은 티타늄층(106)과, 티타늄층 위의 구리 씨드층(108)을 포함한다. 금속 범프(110)는 UBM 층들(104) 상에 형성된다. 도 2를 참조하면, UBM 층들(104)의 노출 부분은 습식 에칭에 의해 제거된다. 티타늄층(106)의 측방향 에칭으로 인해 금속 범프(110) 아래에 언더컷(112)이 형성되어 있음을 관찰할 수 있다. 언더컷(112)의 폭 W1은 3㎛ 정도로 클 수 있다. 그 결과, 금속 범프(110)가 금속 패드(102)로부터 벗겨져(delaminate) 나와, 금속 범프 형성 프로세스의 수율을 저하시킬 수 있다.
한 양태에 따르면, 디바이스 형성을 위한 한 방법은, 장벽층과, 장벽층 위의 씨드층을 포함하는 범핑 하지 금속층(UBM층)을 형성하는 단계와; UBM층 위에 마스크를 형성하는 단계를 포함한다. 마스크는 UBM층의 제1 부분을 피복하고, UBM층의 제2 부분은 마스크 내의 개구를 통해 노출된다. UBM층의 제1 부분은 장벽층 부분과 씨드층 부분을 포함한다. 금속 범프는, 개구에, 그리고 UBM층의 제2 부분 상에 형성된다. 그 다음, 마스크가 제거된다. 씨드층 부분을 제거하기 위해 습식 에칭이 수행된다. 장벽층 부분을 제거하기 위해 건식 에칭이 수행된다.
다른 실시예들도 역시 개시된다.
범핑 하지 금속에서 언더컷이 감소한 금속 범퍼를 형성하는 신규한 방법이 제공된다.
실시예들과 그 잇점들의 더 완전한 이해를 위해, 이제 첨부된 도면과 연계하여 이루어지는 이하의 상세한 설명을 참조한다.
도 1 및 도 2는 종래의 프로세스에서 금속 범프의 제조시에 중간 단계들의 단면도이다.
도 3 내지 도 8은 한 실시예에 따른 금속 범프의 제조시에 중간 단계들의 단면도이다.
도 9 내지 도 12는 대안적 실시예에 따른 금속 패드 및 재분배 라인의 제조시 중간 단계들의 단면도이다.
본 발명의 실시예들의 구현과 이용이 이하에서 더 상세히 논의된다. 그러나, 실시예들은 다양한 범위의 특정한 상황에서 구현될 수 있는 적용가능한 발명적 개념들을 제공한다는 것을 이해하여야 한다. 논의된 특정한 실시예들은 단순히 예시적인 것이며, 본 발명의 범위를 제한하지 않는다.
한 실시예에 따라, 범핑 하지 금속에서 언더컷이 감소한 금속 범퍼를 형성하는 신규한 방법이 제공된다. 실시예를 제조하는 중간 단계들이 예시된다. 실시예의 변형들이 논의된다. 다양한 실시예에 걸쳐, 유사한 요소들에는 유사한 참조번호가 할당된다.
도 3을 참조하면, 기판(10)을 포함하는 웨이퍼(2)가 제공된다. 한 실시예에서, 기판(10)은 실리콘 기판과 같은 반도체 기판이지만, 실리콘 게르마늄, 실리콘 카바이드, 갈륨 비소 등과 같은 다른 반도체 재료를 포함할 수도 있다. 트랜지스터와 같은 반도체 디바이스(14)가 기판(10)의 표면에 형성될 수 있다. 내부에 형성되어 반도체 디바이스(14)와 전기적으로 결합된 금속 라인 및 비아(미도시)를 포함하는 상호접속 구조물(12)이 기판(10) 위에 형성된다. 금속 라인 및 비아는 구리 또는 구리 합금으로 형성될 수 있고, 공지된 다마신 공정(damascene process)을 이용하여 형성될 수 있다. 상호접속 구조물(12)은 층간 유전체(ILD) 및 층간 금속 유전체(IMD)를 포함할 수 있다. 대안적 실시예에서, 웨이퍼(2)는 인터포우저 웨이퍼 또는 패키지 기판의 웨이퍼이며, 트랜지스터, 저항, 커패시터, 인덕터 등을 포함한 그 내부에 형성된 집적 회로 디바이스로부터 실질적으로 자유롭다. 이들 실시예에서, 기판(10)은 반도체 재료이거나, 실리콘 산화물과 같은 유전체 재료로 형성될 수 있다.
금속 패드(28)는 상호접속 기판(12) 위에 형성된다. 금속 패드(28)는 상호접속 구조물(12) 위에 형성된다. 금속 패드(28)는 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 니켈(Ni), 텅스텐(W), 이들의 합금, 및/또는 그 다중층을 포함할 수 있다. 금속 패드(28)는 예를 들어 하부 상호접속 구조물(12)을 통해 반도체 디바이스(14)에 전기적으로 결합될 수 있다. 패시베이션 층(30)은 금속 패드(28)의 가장자리 부분을 피복하도록 형성될 수 있다. 실시예에서, 패시베이션 층(30)은 폴리이미드로 형성되거나, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 그 다중층과 같은 기타의 알려진 유전체 재료로 형성될 수 있다.
도 4를 참조하면, 장벽층(40)과 씨드층(42)을 포함하는 범핑 하지 금속(UBM)이 블랭킷 형성(blanket formed)된다. 장벽층(40)은 패시베이션층(30)의 개구 내로 확장되어 금속 패드(28)와 접촉한다. 장벽층(40)은 티타늄층, 티타늄 질화물층, 탄탈륨 층, 또는 탄탈륨 질화물층일 수 있다. 씨드층(42)의 재료는 구리 또는 구리 합금을 포함할 수 있고, 그에 따라, 이후부터는, 씨드층(42)은 구리 씨드층이라고도 불리운다. 그러나, 은, 금, 구리, 알루미늄, 및 이들의 조합과 같은 다른 금속도 역시 포함될 수 있다. 한 실시예에서, 장벽층(40) 및 씨드층(42)는 물리적 증착법이나 기타의 적용가능한 방법을 이용하여 형성된다. 장벽층(40)은 약 500Å 내지 약 2000Å의 두께를 가질 수 있다. 씨드층(42)은 약 1000Å 내지 약 10000Å의 두께를 가질 수 있다. 그러나, 다른 두께가 사용될 수도 있다.
도 5는, 예를 들어 포토레지스트 또는 건식 필름으로 형성될 수 있는 마스크(46)의 형성을 도시한다. 마스크(46)는 패터닝되고, 씨드층(42)의 제1 부분(42A)는 마스크(46)의 개구(45)를 통해 노출되는 반면, 씨드층(42)의 제2 부분(42B)은 마스크(46)에 의해 피복된다. 그 다음, 웨이퍼(2)가 도금액(plating solution)(미도시) 내에 놓이고, 씨드층(42)의 부분(42A) 상에 및 개구(45)에 금속 범프(50)를 형성하기 위해 도금 단계가 수행된다. 도금은 전기 도금(electro-plating), 및 무전해 도금(electroless plating), 및 침지 도금(immersion plating) 등일 수 있다. 한 실시예에서, 금속 범프(50)는 구리 범프이다. 대안적 실시예에서, 금속 범프(50)는 땜납 범프로서, Sn-Ag 합금, Sn-Ag-Cu 합금 등으로 형성될 수 있으며, 납이 없거나 납을 포함할 수 있다.
금속 범프(50)가 구리 범프인 실시예에서, 땜납 캡(solder cap), 니켈층, 주석층, 팔라듐층, 금층, 및 이들의 합금 및/또는 이들의 다중층과 같은 추가층(52)이 금속 범프(50)의 표면 상에 형성될 수 있다. 나아가, 추가층들은, 도 6에 제거 단계가 도시되어 있는 후속된 마스크(46)의 제거 이전 또는 이후에 형성될 수 있다. 금속 범프(50)의 형성 이후에, 마스크(46)가 제거되고, (구리 부분(46B)을 포함한) 마스크(46)에 의해 앞서 피복된 UBM(40/42)의 부분들이 노출된다. 그 결과의 구조가 도 6에 도시되어 있다.
도 7은 습식 에칭과 같은 이방성 에칭을 이용하여 씨드층(42)의 부분(42B)의 제거를 도시한다. 씨드층(42)이 구리 씨드층인 실시예에서, 에칭제(etchant)는 구리 암모늄 클로라이드(Cu(NH3)Cl2), 암모니아(NH3), 및 암모늄 클로라이드(NH4Cl)를 포함할 수 있다. 대안으로서, 에칭제는 묽은 인산(diluted phosphoric acid)(H3PO4) 및 과산화수소(hydrogen peroxide)를 포함할 수 있다. 씨드층(42)의 제거 후에, 장벽층(40)의 부분들이 노출된다.
도 8을 참조하면, 장벽층(40)의 노출된 부분은 이방성 에칭을 이용하여 제거된다. 실시예에서, 이방성 에칭은, (화살표로 상징화된) 플라즈마를 턴온한 건식 에칭이다. 장벽층(40)이 티타늄층인 실시예에서, 에칭 개스는 예를 들어 CF4 및/또는 CHF3와 같은 불소-계열의 개스를 포함할 수 있다. 반응식은 다음과 같이 표현될 수 있다:
Ti + F -> TiFx 수학식 (1)
여기서, x는 1, 2 등과 같은 정수이다. 결과적 개스 TiFx는 반응 챔버로부터 제거된다. 대안적 실시예들에서, 장벽층(40)의 에칭 개스는 Cl2와 같은 염소-계열의 개스, 또는 염소-계열의 개스와 불소-계열의 개스의 조합을 포함할 수 있다. 에칭 개스의 압력은 약 1 mtorr 내지 100 mtorr일 수 있으며, 약 10 mtorr일 수 있다. 장벽층(40)이 약 1000Å의 두께를 가질 때, 건식 에칭 프로세스는 약 2분 정도 소요될 수 있다.
도 9 내지 도 12는 다양한 대안적 실시예들에 따른 단면도를 도시한다. 특별히 달리 명시하지 않는 한, 이들 실시예들에서의 참조번호는 도 3 내지 도 8에서의 실시예들에서의 요소들과 유사한 요소들을 나타낸다. 도 9를 참조하면, 웨이퍼(2)는 (53A, 53B, 및 53C를 포함한) 금속 라인(또는 금속 패드)(53)을 포함하며, 이것은 구리, 알루미늄, 구리-알루미늄, 또는 다른 적용가능한 금속일 수 있다. 패시베이션층(30)은 금속 라인(53)을 피복하도록 형성된다. 그 다음, (54A, 54B, 및 54C를 포함한) 개구(54)가 패시베이션층(30)에 형성되고, 금속 라인(53)이 개구(54)를 통해 노출된다.
도 10을 참조하면, UBM(40/42)은 블랭킷 형성된다. UBM(40/42)의 재료 및 형성 프로세스는 본질적으로 도 3 내지 도 8에 도시된 실시예들에서와 동일하다. 여기서, 장벽층(40)은 티타늄층일 수 있고, 씨드층(42)은 구리층일 수 있다. UBM(40/42)은 개구(54)를 통해 연장되어 금속 라인(53)과 접촉한다. 그 다음, 마스크(46)가 형성되고 패터닝되어 개구를 형성하고, 이 개구를 통해 UBM(40/42)이 노출된다. 그 다음, 금속 패드(56) 및 재분배 라인(58)이 예를 들어 도금을 이용하여 마스크(46)에 형성된다. 실시예에서, 금속 패드(56) 및 재분배 라인(58)은 구리 또는 구리 합금으로 형성된다.
도 11에서, 마스크(46)가 제거되고, 씨드층(42)의 노출된 부분이, 예를 들어, 습식 에칭과 같은 이방성 에칭을 이용하여 제거된다. 그 다음, 도 12에 도시된 바와 같이, 장벽층(40)이 플라즈마 보조 건식 에칭과 같은 이방성 에칭을 이용하여 에칭된다. 또한, 장벽층(40)의 에칭을 위해 염소-계열의 개소 및/또는 불소-계열의 개스가 사용될 수 있다. 그 결과의 구조가 도 12에 도시되어 있다.
도 12는 예를 들어 포토레지스터로 형성된 땜납 마스크일 수 있는 유전체층(62)의 형성을 도시하고 있다. 유전체층(62)은 금속 패드(56)의 일부를 노출시키면서 재분배 라인(58)을 피복한다. 그 결과의 구조에서, 금속 패드(56)는 웨이퍼(2) 내의 각각의 칩을 또 다른 칩 또는 패키지 기판(미도시)에 접합하기 위한 범프로서 사용될 수 있다. 재분배 라인(58)은 금속 라인(53B 및 53C)을 상호접속하기 위해 사용되며, 금속 라인(53B 및 53C) 사이에서 신호를 라우팅하기 위해 사용된다.
실시예들을 이용하여, 있다면, 장벽층(40)(도 8 및 도 12)으로의 언더컷은 1㎛ 또는 그 이하까지 감소될 수 있다. 잘 제어된 프로세스에서, 언더컷은 실험에서 본질적으로 제거된다. 따라서, 금속 범프 형성 프로세스 및 재분배 라인 형성 프로세스의 신뢰성은, 언더컷에 의해 유발된 저감된 박리로 인해 상당히 개선된다.
비록 실시예들과 그들이 잇점이 상세히 기술되었지만, 첨부된 특허청구범위에 의해 정의된 실시예들의 사상과 범위를 벗어나지 않고 다양한 변경, 대체, 및 변형이 이루어질 수 있다는 것을 이해할 것이다. 게다가, 본 출원의 범위는 본 명세서에서 기술된 프로세스, 머신, 제조, 및 물질 조합, 수단, 방법, 및 단계들의 특정 실시예만으로 제한하고자 함은 아니다. 당업자라면, 본 명세서의 공개로부터, 본 실시예와 실질적으로 동일한 기능들을 수행하거나, 실질적으로 동일한 결과를 달성하는 기존의 또는 이후에 개발될 프로세스, 머신, 제조, 물질 조합, 수단, 방법, 또는 단계들이 본 발명에 따라 이용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 첨부된 특허청구범위는 이와 같은 프로세스, 머신, 제조, 물질 조합, 수단, 방법, 또는 단계들을 본 발명의 범위 내에 포함하는 것으로 의도되었다. 또한, 각각의 청구항은 별개의 실시예를 구성하며, 다양한 청구항 및 실시예들의 조합이 본 발명의 범위 내에 있다.
10: 기판
12: 상호접속 구조물
14: 반도체 디바이스
28: 금속 패드
30: 패시베이션층
40: 장벽층
42: 씨드층42
50: 금속 범프
52: 추가층

Claims (10)

  1. 디바이스 형성 방법에 있어서,
    기판을 제공하는 단계;
    기판 위에 놓인 장벽층과 상기 장벽층 위에 놓인 씨드층을 포함하는 범핑 하지 금속(UBM; Under-Bump metallurgy)층을 형성하는 단계;
    상기 UBM층 위에 놓인 마스크를 형성하는 단계로서, 상기 마스크는 상기 UBM층의 제1 부분을 피복하고, 상기 UBM층의 제2 부분은 상기 마스크 내의 개구를 통해 노출되며, 상기 UBM층의 상기 제1 부분은 장벽층 부분과 씨드층 부분을 포함하는 것인, 상기 마스크를 형성하는 단계;
    상기 개구에 및 상기 UBM층의 상기 제2 부분 상에 금속 범프(metal bump)를 형성하는 단계;
    상기 마스크를 제거하는 단계;
    상기 씨드층 부분을 제거하기 위해 습식 에칭(wet etching)을 수행하는 단계; 및
    상기 장벽층 부분을 제거하기 위해 건식 에칭(dry etching)을 수행하는 단계
    를 포함하는, 디바이스 형성 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 건식 에칭은 에칭 개스로서 불소-계열 개스를 이용하여 수행되고, 상기 불소-계열 개스는 본질적으로 CF4, CHF3, 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것인, 디바이스 형성 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 건식 에칭은 에칭 개스로서 염소-계열 개스를 이용하여 수행되고, 상기 염소-계열 개스는 Cl2를 포함하는 것인, 디바이스 형성 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 금속 범프는 상기 구리 범프 상에 형성된 캡층을 포함하고, 상기 캡층은 니켈층 및 땜납층 중 적어도 하나를 포함하는 것인, 디바이스 형성 방법.
  5. 디바이스 형성 방법에 있어서,
    기판을 제공하는 단계;
    상기 기판 위에 금속 패드를 형성하는 단계;
    상기 금속 패드 위에 패시베이션 층을 형성하는 단계;
    상기 패시베이션층 위에 티타늄 장벽층을 형성하고 상기 패시베이션층의 개구 내로 연장시켜 상기 금속 패드와 접촉시키는 단계;
    상기 티타늄 장벽층 위에 구리 씨드층을 형성하는 단계;
    상기 구리 씨드층 위에 마스크를 형성하는 단계로서, 상기 마스크는 상기 구리 씨드층의 제1 부분을 피복하고, 상기 구리 씨드층의 제2 부분은 상기 마스크에 의해 피복되지 않는 것인, 상기 마스크를 형성하는 단계;
    상기 구리 씨드층의 상기 제2 부분 상에 금속 범프를 형성하기 위해 도금 프로세스를 수행하는 단계;
    상기 구리 씨드층의 상기 제1 부분을 노출시키기 위해 상기 마스크를 제거하는 단계;
    상기 티타늄 장벽층의 일부를 노출시키도록 상기 구리 씨드층의 제1 부분을 제거하기 위해 습식 에칭을 수행하는 단계;
    상기 티타늄 장벽층의 상기 일부를 제거하기 위해 플라즈마 보조 건식 에칭을 수행하는 단계
    를 포함하는 디바이스 형성 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 플라즈마 보조 건식 에칭은 에칭 개스로서 불소-계열 개스를 이용하여 수행되고, 상기 불소-계열 개수는 본질적으로 CF4, CHF3, 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것인, 디바이스 형성 방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 플라즈마 보조 건식 에칭은 에칭 개스로서 염소-계열 개스를 이용하여 수행되고, 상기 염소-계열 개스는 Cl2를 포함하는 것인, 디바이스 형성 방법.
  8. 제5항에 있어서, 상기 플라즈마 보조 건식 에칭을 수행하는 단계 이후에, 상기 금속 범프 바로 아래의 상기 티타늄 장벽층의 언더컷은 약 1㎛보다 작은 폭을 갖는 것인, 디바이스 형성 방법.
  9. 디바이스 형성 방법에 있어서,
    기판을 제공하는 단계;
    상기 기판 위에 제1 금속 라인 및 제2 금속 라인을 형성하는 단계;
    상기 제1 및 상기 제2 금속 라인 위에 패시베이션층을 형성하는 단계;
    상기 패시베이션층 위에 티타늄 장벽층을 형성하고 상기 패시베이션층의 개구 내로 연장시켜 상기 제1 및 상기 제2 금속 라인과 접촉시키는 단계;
    상기 티타늄 장벽층 위에 구리 씨드층을 형성하는 단계;
    상기 구리 씨드층 위에 마스크를 형성하는 단계로서, 상기 마스크는 상기 구리 씨드층의 제1 부분을 피복하고, 상기 구리 씨드층의 제2 부분은 상기 마스크에 의해 피복되지 않는 것인, 상기 마스크를 형성하는 단계;
    상기 구리 씨드층의 상기 제2 부분의 위에서 접촉하여 재분배 라인을 형성하는 단계;
    상기 구리 씨드층의 상기 제1 부분을 노출시키기 위해 상기 마스크를 제거하는 단계;
    상기 구리 씨드층의 상기 제1 부분을 제거하고 상기 티타늄 장벽층의 일부를 노출시키기 위해 습식 에칭을 수행하는 단계; 및
    상기 티타늄 장벽층의 상기 일부를 제거하기 위해 플라즈마 보조 건식 에칭을 수행하는 단계
    를 포함하는, 디바이스 형성 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 재분배 라인을 형성하는 단계와 동시에 금속 패드를 형성하는 단계; 및
    상기 재분배 라인을 피복하도록 유전체층을 형성하는 단계로서, 상기 금속 패드의 일부는 상기 유전체층에 의해 피복되지 않는 것인, 상기 유전체층을 형성하는 단계
    를 더 포함하는 디바이스 형성 방법.
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