KR20140017446A - 열 압착 본딩용 본딩 패드, 본딩 패드 제조 방법, 및 소자 - Google Patents

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크리스토프 셸링
다비드 보로브스키
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로베르트 보쉬 게엠베하
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    • H01L2224/29163—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than 1550°C
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    • H01L2224/29163—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than 1550°C
    • H01L2224/29181—Tantalum [Ta] as principal constituent
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    • H01L2224/2956—Disposition
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Abstract

본 발명은 하나의 캐리어 재료(106)를 추가 캐리어 재료와 열 압착 본딩(504)하기 위한 본딩 패드(100)에 관한 것이며, 상기 본딩 패드(100)는 베이스 층(102)과 커버 층(104)을 포함한다. 금속 소재의 베이스 층(102)은 변형될 수 있으면서 캐리어 재료(106)와 결합되며, 금속은 니켈을 기반으로 한다. 커버 층(104)은 금속성이면서 베이스 층(102)과 직접 결합된다. 커버 층(104)은 적어도 캐리어 재료(106)로부터 떨어진 베이스 층(102)의 면 상에 배치된다. 커버 층(104)은 베이스 층(102)에 비해 더 얇은 층 두께를 가지며, 특히 커버 층(104)은 베이스 층(102)보다 더 높은 내산화성을 갖는다.

Description

열 압착 본딩용 본딩 패드, 본딩 패드 제조 방법, 및 소자{BONDING PAD FOR THERMOCOMPRESSION BONDING, METHOD FOR MANUFACTURING A BONDING PAD, AND COMPONENT}
본 발명은 열 압착 본딩용 본딩 패드, 소자, 및 본딩 패드 제조 방법에 관한 것이다.
열 압착 본딩의 경우, 2개의 금속 표면이 영구적으로 서로 결합될 수 있다. 이를 위해 표면들은 고압 및 상승된 온도 조건에서, 금속들의 접촉 경계면에 표면들의 결합을 야기하는 결정 입자들의 재구조화가 이루어질 때까지, 적층 압착된다.
예컨대 US 2010 283 138 A1은, 니켈이 MEMS 소자용 본딩 금속으로서 사용되는 방법을 설명하고 있다. 이 경우 본딩은 니켈 층들을 통해 직접적으로 이루어진다. 이 경우 결합 지점에서 니켈 기반 재료가 추가의 니켈 기반 재료 또는 알루미늄 기반 재료와 결합된다.
열 압착 본딩 방법을 이용한 웨이퍼 본딩의 경우 다수의 금속이 사용될 수 있다. 다수의 간행물(예: "Investigations of thermocompression bonding with thin metal layers, Proceedings of Transducers 11)에 상기 금속들이 설명된다. 이 경우 널리 알려진 금속은 Al, Cu 및 Au이다. Al과 Cu의 경우, 본딩 경계면에서 접착에 부정적인 영향을 미칠 수 있는 사항으로 본딩 전에 표면에서 산화물 형성의 위험이 존재한다. 이 경우 본딩 금속으로서 Au는 장점을 갖지만, 상대적으로 고가로 두꺼운 층으로 제조된다.
US7737560은 초음파를 이용하여 와이어 본딩 결합부를 형성하기 위한 방법을 설명하고 있으며, 이 방법은 Ni 함유 층과, 예컨대 Pd와 Au로 이루어져 상기 Ni 함유 층 상에 위치하는 패시베이션 층을 포함하는 층상 본딩 패드 금속 시스템을 사용한다.
본 발명의 과제는, 열 압착 본딩을 위한 본딩 패드, 소자, 및 본딩 패드 제조 방법을 제공하는 것이다.
종래 기술을 배경으로, 본 발명에 의해, 독립 청구항들에 따르는 열 압착 본딩을 위한 본딩 패드, 소자, 및 본딩 패드 제조 방법이 제공된다. 바람직한 실시예들은 각각의 종속 청구항들과 하기의 설명에 제시된다.
니켈 기반 본딩 재료는 연성을 가지며, 이는 예컨대 제조 공차 및 접촉면의 비평면성을 보상하기 위해 바람직하다. 그러나 니켈 기반 재료는 쉽게 산화될 수 있으며, 이는 산화 개재물(oxide inclusion)과 그에 따라 결합 지점에서 누설 또는 접촉 문제를 야기할 수 있다.
본 발명은, 니켈 기반 재료가, 원하는 연성을 제공하기 위해, 본딩 패드의 체적 대부분을 차지할 수 있다는 사실을 기초로 한다. 니켈 기반 재료는 패시베이션하는 얇은 금속 커버 층에 의해 산화로부터 보호될 수 있다.
바람직하게는, 커버 층은 니켈 기반 재료에 비해 매우 얇은 층 두께와 그에 따른 결정질 크기를 갖는다. 작은 결정질 크기로 인해, 단위 면적당 많은 수의 결정질이 열 압착 본딩 동안 압착된 표면 내에서 성장할 수 있는 성장 시드(growth seed)로서 제공된다.
금속 커버 층의 두께는 니켈 기반 베이스 층의 두께에 대한 고정 비율을 가질 수 있으며, 예컨대 십 분의 일 내지 오 분의 일일 수 있다.
본 발명은 하나의 캐리어 재료를 추가의 캐리어 재료와 열 압착 본딩하기 위한 본딩 패드를 제공하며, 상기 본딩 패드는
니켈을 기반으로 하는 금속 소재로 변형될 수 있으면서 캐리어 재료와 결합되는 두꺼운 베이스 층, 및
베이스 층과 직접적으로 결합되고 적어도 캐리어 재료로부터 떨어진 베이스 층의 면에 배치되는 하나 이상의 금속 커버 층을 포함하고, 상기 커버 층은 상기 베이스 층에 비해 더 얇은 층 두께를 가지며, 특히 커버 층은 베이스 층보다 더욱 높은 내산화성을 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 소자로서,
제 1 표면 상에 본 발명에 따른 하나 이상의 전기 전도성 본딩 패드를 포함하는 제 1 캐리어 재료, 및
상기 제 1 캐리어 재료에 대해 이격되어 배치되고 상기 제 1 표면을 향해 있는 제 2 캐리어 재료의 제 2 표면 상에 본딩 패드에 대향하여 배치되면서 본딩 패드 상에 놓이는 접촉점을 포함하는 제 2 캐리어 재료를 포함하고, 상기 본딩 패드의 윤곽은 공차 범위 내에서 접촉점의 형상에 상응하고 상기 접촉점은 본딩 패드와 결합되며, 특히 상기 접촉점은 열 압착 본딩에 의해 본딩 패드와 결합된 것을 특징으로 하는 소자를 제공한다.
또한, 본 발명은 캐리어 재료에 본딩 패드를 제조하기 위한 방법을 제공하며, 상기 방법은
캐리어 재료 상에 금속 소재이면서 니켈을 기반으로 하는 변형 가능한 베이스 층을 증착하는 단계, 및
캐리어 재료로부터 떨어진 베이스 층의 면에 직접 금속 커버 층을 증착하는 단계를 포함하고, 상기 커버 층은 베이스 층보다 더 얇은 층 두께, 예컨대 베이스 층의 층 두께의 십 분의 일 내지 오 분의 일의 층 두께를 가지며, 특히 커버 층은 베이스 층보다 더 높은 내산화성을 갖는 것을 특징으로 한다.
본딩 패드는, 커버 층 재료의 액상선 온도보다 더 낮은 온도 조건에서 추가 본딩 패드와 재료 결합 방식으로 결합될 수 있도록 형성되는 콘택팅 장치를 의미할 수 있다. 본딩 패드와 추가 본딩 패드는 결합을 위해 온도가 작용하는 동안 고압 조건에서 서로 압착된다. 이 경우, 확산 용접시 공정들과 유사하게 본딩 패드들의 비가역 결합이 발생한다. 또한, 본딩 패드들의 경계면에 걸쳐 결정질이 성장하면서, 기계적 하중을 지탱할 수 있는 전기 전도성 결합부를 제공한다. 캐리어 재료는 기판, 예컨대 웨이퍼 또는 칩일 수 있다. 캐리어 재료는 본딩 패드 대신에 접촉 패드를 포함할 수 있다. 접촉 패드는 예컨대 알루미늄, 구리, 티타늄, 탄탈, AlSi, AlSiCu, AlCu, TiN, TiW, TaN로 이루어질 수 있다. 니켈 기반 금속은 예컨대 적어도 부분적으로 니켈을 함유하거나 원소 니켈인 금속일 수 있다. 니켈 기반 금속은 NiP, NiMoP, NiPd, NiB, NiCo일 수도 있다. 커버 층은 금속 패시베이션(패시베이션 층)일 수 있다. 커버 층은 이상적으로 베이스 층보다 더 낮은 산화 경향을 나타낼 수 있다. 더 낮은 산화 경향은, 커버 층의 재료가 산소 함유 매체에 대해 노출 시 베이스 층의 재료보다 더 느리게 산화되는 특성을 의미할 수 있다. 커버 층은 특히 베이스 층보다 더 작은 결정질 크기를 갖는 결정질을 포함할 수 있다. 예컨대 커버 층의 두께는 나노미터 범위 이내일 수 있다. 소자는 예컨대 센서일 수 있다. 접촉점은 접촉 패드일 수 있다. 본딩 패드는 접촉점과 유사하게 형성될 수 있다. 예컨대 본딩 패드는 접촉점보다 더 크거나 더 작을 수 있다. 공차 범위는 예컨대 1㎛와 500㎛ 사이의 크기를 가질 수 있다. 증착은 예컨대 액상 또는 기상에서 고상 상태로 응집 상태의 변화일 수 있다. 예컨대 증착 동안 금속은 캐리어 재료 및/또는 베이스 층의 금속에 축적될 수 있다.
증착의 단계들 중에서 하나 이상의 단계는 전기 화학적 증착 공정에 의해 이루어질 수 있다. 전기 화학적 증착 공정은 예컨대 전기 도금 공정 동안 애노드 또는 캐소드에 금속 이온들의 축적을 의미할 수 있다. 금속 이온들과 전자 교환을 통해 금속 이온들은 금속 결정질들로 결정화될 수 있다. 전기 화학적 증착 공정을 통해, 두꺼운 층 두께뿐 아니라 매우 얇은 층 두께도 달성될 수 있다. 전기 화학적 증착 공정을 통해 본딩 패드의 표면에 걸쳐 균일한 층 두께가 달성될 수 있다. 그에 따라 특히 우수한 본딩 특성을 나타내는 매우 매끄러운 표면이 달성될 수 있다.
본원의 방법은, 증착의 단계들을 위한 마스크를 얻기 위해, 캐리어 재료 상에 마스킹 층을 도포하고 구조화하는 단계를 포함할 수 있다. 마스킹 층은 전기 비전도성 층일 수 있다. 마스킹 층은, 본딩 패드가 배치되어야 하는 위치에 개구부를 포함할 수 있다. 마스크를 통해 본딩 패드는 매우 정확하게 배치될 수 있다.
본원의 방법은 커버 층을 세척하는 단계를 포함할 수 있다. 세척은, 커버 층의 본딩 특성을 더 향상시키기 위해, 커버 층의 추가적인 평활화일 수 있다. 예컨대 세척은 플라스마 처리 및/또는 가스 처리에 의해, 및/또는 습식 화학적으로 실시될 수 있다.
커버 층은 적어도 부분적으로 팔라듐, 금, 백금, 구리 재료들 중 하나 이상의 재료로 구성되는 하나 이상의 층으로 구성될 수 있다. 팔라듐, 금 및 백금은 귀금속이다. 구리는 준귀금속이다. 상기 금속들은 높은 내부식성을 갖는다. 정상 대기 조건에서 상기 금속들은 산화되지 않거나 거의 산화되지 않는다. 그럼으로써 본딩 패드는 그 사이에 예컨대 보호 분위기 없이 보관될 수 있다.
베이스 층의 층 두께는 커버 층의 층 두께에 대한 사전 설정된 비율을 가질 수 있다. 사전 설정된 비율은 예컨대 베이스 층의 층 두께에 대한 커버 층의 층 두께의 예컨대 오 분의 일, 더욱 바람직하게는 십 분의 일과 같은 비율일 수 있다. 사전 설정된 비율에 의해 높은 신뢰도가 달성될 수 있다.
커버 층의 부분 면은 평면일 수 있고, 및/또는 캐리어 재료의 표면에 대해 평행하게 배치될 수 있다. 평면인 부분 면을 통해 사전 설정된 균일한 접촉면이 달성될 수 있다. 부분 면의 평행한 배치에 의해 본딩 시 접촉 압력은 부분 면에 대해 법선으로 작용할 수 있고, 본딩 결합은 특히 양호하게 이루어진다.
제 2 캐리어 재료 상의 접촉점은 본 발명에 따른 추가 본딩 패드로서 형성될 수 있다. 2개의 동일한 유형의 본딩 패드는 특히 확실한 결합을 제공할 수 있다.
두 본딩 패드의 윤곽은 제 1 캐리어 재료와 제 2 캐리어 재료 사이의 내부 공간의 둘레를 따라 환형으로 연장될 수 있다. 대안으로서 또는 추가로, 접촉점의 형상은 내부 공간의 둘레를 따라 환형으로 연장될 수 있다. 본딩 패드와 접촉점은 본딩 프레임을 형성할 수 있고, 내부 공간은 공동부일 수 있다. 내부 공간은 주변에 대해 밀폐될 수 있다.
소자는 하나 이상의 추가 본딩 패드와 하나 이상의 추가 접촉점을 포함할 수 있다. 추가 본딩 패드 및 추가 접촉점은 추가 본딩 결합부를 형성할 수 있다. 따라서 예컨대 제 1 캐리어 재료와 제 2 캐리어 재료 사이에 전기 연결부가 형성될 수 있다.
본딩 패드 및 추가 본딩 패드는 동일한 높이를 가질 수 있다. 면들은 하나의 평면에 배치될 수 있다. 본딩 패드 및 추가 본딩 패드는 동일한 제조 단계들 동안 제조될 수 있다.
적어도 제 1 캐리어 재료는 MEMS 센서 소자를 포함할 수 있다. MEMS 센서 소자는 마이크로 전기 기계식 센서 소자일 수 있다. 예컨대 MEMS 센서 소자는, 오염으로부터 보호되거나 특정 내부 압력을 내포할 수 있도록 하기 위해, 내부 공간의 내부에 배치될 수 있다.
본딩 패드들의 표면들은 바람직하게는 캐리어 재료들 중 하나 이상의 캐리어 재료 상에서 전기 및 밀폐 결합을 위해 나머지 표면에 비해 상승되며, 각각 예컨대 상기 표면들이 동일한 층 하부 구조를 갖거나 또는 웨이퍼 본딩 금속 증착부의 제공 전, 또는 그 후에 표면이 평탄화됨으로써 동일한 레벨 상에 놓인다.
더 바람직하게는, 두 캐리어 재료 중에서 하나의 캐리어 재료 상에서 상응하는 본딩 패드들이 더 작게 치수 설계되며, 그럼으로써 토포그래피의 경우 본딩 가장자리들에서 큰 접촉면이 달성된다.
본 발명에 의해, 열 압착 본딩을 위한 본딩 패드, 소자, 및 본딩 패드 제조 방법이 제공된다.
본 발명은 다음에서 첨부된 도면을 참고로 예시로서 더욱 상세하게 설명된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따르는 본딩 패드를 도시한 블록 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 캐리어 재료 상에 본딩 패드를 제조하기 위한 방법의 흐름도이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따르는 소자를 도시한 단면도이다.
도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따르는 소자를 도시한 다른 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따르는 칩을 도시한 평면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 2개의 기판을 결합하기 위한 방법의 흐름도이다.
본 발명의 바람직한 실시예들에 대한 하기의 설명에서, 여러 도면에 도시되어 있으면서 유사하게 작용하는 소자들은 동일하거나 유사한 도면 부호로 표시되며, 이 소자들의 반복 설명은 생략된다.
도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따르는 본딩 패드(100)가 블록 회로도로 도시되어 있다. 본딩 패드(100)는 베이스 층(102)과 커버 층(104)을 포함한다. 베이스 층(102)은 캐리어 재료(106) 상에 배치된다. 베이스 층(102)은 캐리어 재료(106)와 직접 결합된다. 베이스 층(102)은 금속성이고 니켈 기반이다. 즉, 베이스 층은 적어도 부분적으로 니켈을 함유하는 금속을 포함한다. 베이스 금속인 니켈로 인해 베이스 층(102)은 연성이며, 다시 말해 변형될 수 있다. 베이스 층(102)은 커버 층(104)과 캐리어 재료(106) 사이에 배치된다. 캐리어 재료(106)는 이 실시예에서, 예컨대 산화 규소와 같은 절연 층으로 이루어진 코팅층을 포함하는 규소로 이루어진 웨이퍼이다. 베이스 층(102)은 전기 화학적 증착 방법에 의해 캐리어 재료(106) 상에 제공되었다. 커버 층(104)은 베이스 층(102)과 직접 결합된다. 커버 층(104)은 금속성이다. 커버 층(104)은 베이스 층(102)보다 수 배만큼 더 얇다. 커버 층(104)의 얇은 층 두께에 의해 커버 층(104) 내 결정질들은 베이스 층(102) 내에서보다 더 작다. 커버 층(104)은 베이스 층(102)보다 더 높은 내산화성을 가진 금속으로 구성된다. 커버 층(104)은 전기 화학적 증착 방법에 의해 베이스 층(104) 상에 도포되었다. 커버 층(104)은 평면이고 매끄럽다. 본딩 패드(100)는, 열 압착 본딩 방법에 의해 또 다른 본딩 패드와 결합되도록 형성된다. 커버 층(104) 내 결정질의 작은 크기에 의해 다른 본딩 패드에 대한 본딩 결합이 특히 확실하게 형성될 수 있다.
달리 말하면, 도 1에는 열 압착 본딩을 위한 금속 증착부(100)가 도시되어 있다. 여기에 제시된 층 시스템은 확실하면서도 경제적인 본딩 결합을 형성할 수 있다. 본딩은 내식성이며, 기밀한 본딩 결합부와, 적은 저항 변동을 갖는 낮은 전기 접촉 저항을 제공한다. 금속 증착부(104)는 강한 본딩 공정을 가능하게 한다.
도 2에는, 본 발명의 일 실시예에 따라 캐리어 재료 상에 본딩 패드를 제조하기 위한 방법(200)이 흐름도로 도시되어 있다. 이 방법(200)은 증착의 2개의 연속되는 단계(202, 204)를 포함한다. 본딩 패드는, 도 1에서 설명한 것과 같은 본딩 패드에 상응한다. 증착의 제 1 단계(202)에서 베이스 층은 캐리어 재료 상에 증착된다. 증착의 제 2 단계(204)에서 베이스 층 상에 커버 층이 증착된다. 증착의 제 1 단계(202)에서 금속 소재이며 니켈을 기반으로 하는 변형 가능한 베이스 층이 캐리어 재료 상에 예컨대 전기 화학적으로 증착된다. 증착의 제 2 단계(204)에서 금속 커버 층은 캐리어 재료로부터 떨어진 베이스 층의 면에 직접, 예컨대 전기 화학적으로 증착된다. 전기 화학적 증착 시, 전류는 2개의 극 사이에서 전해질을 통해 전도된다. 이 경우, 캐소드에서는 전해질로부터 금속 이온들이 침전되며, 그럼으로써 증착의 단계들(202, 204)에서 금속 침전물이 층으로서 형성된다. 캐리어 재료 또는 본딩 패드는 본 적용예에서 캐소드이다. 캐리어 재료가 예컨대 마스크에 의해 전기 절연되는 위치들에서는 침전이 생기지 않는다. 커버 층은 베이스 층보다 더 얇은 층 두께를 갖는다. 커버 층은 베이스 층보다 더 높은 내산화성을 갖는다.
여기서 설명되는 방법(200)에 의해, 얇은 커버 층으로 인해 작은 결정질 크기가 주어진다. 작은 결정질 크기들은 신속한 재배치와 그에 따른 견고한 본딩 결합을 가능하게 한다.
단계 202 및 204에서와 같은 갈바닉 증착을 통해 매끄러운 표면이 주어진다.
증착은 무전류 상태에서도 웨이퍼 가장자리에 대한 결합 없이 이루어질 수 있다.
여기에 제시된 방법(200)에 의해, 2개의 기판 사이에 규정된 간격을 제공하는 내식성 본딩 결합부가 형성될 수 있다.
도 3a와 도 3b에는, 본 발명의 일 실시예에 따르는 소자(300)가 도시되어 있다. 도 3a에는 예컨대 본딩 전에 본 발명에 따르는 본딩 금속 증착부의 일 실시예의 횡단면이 상세도로 도시되어 있다. 도 3b에는 예컨대 본딩 후에 본 발명에 따르는 본딩 금속 증착부의 일 실시예의 횡단면이 상세도로 도시되어 있다.
소자(300)는 상부 부재(302)와 하부 부재(304)를 포함한다. 상부 부재(302)는 도면에서 하부 부재(304)의 상부에 배치된다. 상부 부재(302)는 하부 부재(304)에 대해 반사 대칭으로 구성된다. 두 부재(302, 304)는 각각 기판(306) 층과, 층 하부 구조부(308) 층과, 칩 배선부(310) 층과, 본딩 금속 증착부(312) 층을 포함한다. 이 경우 본딩 금속 증착부(312)는 그 구성에 있어서 도 1에 도시된 것과 같은 본 발명의 일 실시예에 따르는 본딩 패드에 상응한다. 기판(306), 층 하부 구조부(308) 및 칩 배선부(310)는 도 1에서, 상부에 본딩 패드가 구성되는 캐리어 재료로서 통합된다. 하기에, 하부 부재(304)가 설명된다. 상부 부재(302)는 유사하게 구성된다. 기판(306)은 예컨대 규소로 이루어진 캐리어 층이다. 기판(306)은 하부 부재(304)의 예시에서 최하단 층이다. 층 하부 구조부(308)는 기판(306) 상에 직접 배치된다. 층 하부 구조부(308)는 산화 규소로 이루어진다. 층 하부 구조부(308)는 상부에 추가 구조들을 배치할 수 있도록 하기 위해 변경된 특성을 갖는다. 칩 배선부(310)는 층 하부 구조부(308) 상에 직접 배치된다. 칩 배선부(310)는 전기 전도성이며 스트립 도체들 및/또는 접촉 패드들의 형태로 형성된다. 이 실시예에서 배선부(310)는, 내부에 본딩 밀봉 프레임(314)이 배치되는 영역과, 내부에 본딩 접점들(316)이 형성되는 영역을 형성한다. 스트립 도체들과 접촉 패드들은 전기 절연을 위한 중간 공간부들을 포함한다. 칩 배선부(310)는 적어도 부분적으로 유전 재료(318)로 이루어진 층에 의해 덮인다. 유전 층(318)은 제조 공정 동안 본딩 금속 증착부(312)를 제공하기 위한 마스크로서 이용될 수 있다. 유전 층(318)은 칩 배선부(310)의 영역에 개구부들을 포함한다. 도 2에서 설명되는 것과 같은 증착의 단계에서, 개구부들은 베이스 층(102)으로 채워졌다. 여기서 베이스 층은 두껍고, 쉽게 휘어지며 니켈을 함유한 기초 금속 증착부이다. 베이스 층(102)은 유전 층(318)보다 더 두껍게 도포되었다. 이 경우, 베이스 층(102)은 개구부들이 채워진 후에 측면으로도 유전 층(318)에 걸쳐 성장된다. 그에 따라 베이스 층(102)은 버섯 형태를 갖게 된다. 베이스 층(102)은, 개구부들 내에서 칩 배선부(310)의 표면에 대해 실질적으로 평행하게 배치되는, 평면이고 매끄러운 표면을 포함한다. 이 경우 본딩 밀봉 프레임(314)의 영역 내 표면은, 본딩 접점들(316)의 영역 내 표면들과 동일한 평면에 배치된다. 표면들의 가장자리는 라운딩되고 베이스 층(102)의 플랭크로 이어진다. 표면 및 플랭크 상에는 증착의 추가 단계에서 커버 층(104)이 도포되었다. 여기서 커버 층(104)은 예컨대 귀금속으로 이루어진, 얇은 금속 패시베이션이다. 커버 층(104)은 균일하게 얇다. 상부 부재(302)의 유전 층(318) 내 개구부들은 하부 부재(304)의 개구부들보다 약간 더 작다. 그럼으로써 상부 부재(302)의 본딩 금속 증착부(312)의 평면 표면도 약간 더 작다.
도 3a에는, 본딩 전의 소자(300)가 도시되어 있다. 본딩 프레임(314) 및 본딩 접점들(316)의 본딩 금속 증착부(312)는 서로 향해 정렬되고 서로 이격된다. 커버 층(104)은 도시된 상태에서 예컨대 더 향상된 본딩 결합을 가능하게 하기 위해 세척될 수 있다.
도 3b에는 본딩 후 소자(300)가 도시되어 있다. 본딩 프레임(314) 및 본딩 접점들(316)의 본딩 금속 증착부(312)는 본딩 동안 본딩 압력으로 적층 압착되는 한편, 부품은 본딩 온도로 가열되었다. 이 경우, 본딩 패드의 표면들은, 두 표면에서 경계면에서의 결정질 성장과 상부 부재(302)와 하부 부재(304)의 영구적인 결합을 야기하는, 확산 공정이 이용될 정도로 긴밀하게 접촉된 상태에서 압착되었다. 커버 층(104)의 높은 표면 품질에 의해, 본딩 결합부는 개재물을 갖지 않으므로 유체 밀봉성을 갖는다.
달리 말하면, 도 3b에는 금속 웨이퍼 본딩 결합부에 의해 서로 결합되는 2개 이상의 기판(302, 304)(예: 웨이퍼, 칩)으로 구성되는 소자(300)가 상세도로 도시되어 있다. 금속 웨이퍼 본딩 결합부(312)는 다수의 층(102, 104)으로 구성되고, (예컨대 Al, AlSi, AlSiCu, AlCu, Cu, Ti, TiN, TiW, Ta, TaN으로 이루어진) 접촉 패드(312) 상에 니켈 기반 베이스 금속 증착부(102)(예: Ni, NiP, NiMoP, NiPd, NiB, NiCo)가 배치되고 그 위에 금속 커버 층(104)이 배치된다.
금속 패시베이션 층(104)은 Pd, Au, Pt, Cu 재료들 중에서 하나 이상의 재료로 이루어진 하나 이상의 층으로 구성될 수 있다.
금속 웨이퍼 본딩 결합부(312)는 2개 이상의 기판(302, 304) 사이에 하나 이상의 전기 연결부(316)뿐만 아니라, 환형으로 밀폐된 실링 결합부("본딩 프레임")(314)를 형성할 수 있다.
캐리어 재료들(302, 304) 중에서 하나 이상의 캐리어 재료 상에는 MEMS 소자가 통합될 수 있다.
웨이퍼 본딩 금속 증착부(312)의 표면들은, 캐리어 재료들(302, 304) 상에 전기 및 밀폐 결합을 위해, 예컨대 표면들이 동일한 층 하부 구조를 포함하거나 또는 웨이퍼 본딩 금속 증착부(312)의 도포 전, 또는 그 후의 표면이 평탄화됨으로써, 각각 나머지 표면에 비해 상승될 수 있고 캐리어 재료 상에 동일한 레벨로 놓일 수 있다.
금속 웨이퍼 본딩 결합부(312)는 하나 이상의 방향으로 1㎛ 내지 500㎛ 의 측면 구조 폭을 가질 수 있다.
금속 웨이퍼 본딩 결합부(312)를 통해 2개 이상의 캐리어 재료(302, 304) 사이에 0.5㎛ 내지 20㎛의 규정된 간격이 설정될 수 있다.
도 4에는 본 발명의 일 실시예에 따르는 칩(400)이 평면도로 도시되어 있다. 본딩 금속 증착부를 포함하는 전형적인 소자 어셈블리의 평면도가 도시된다. 칩(400)은 본딩 프레임(314)과, 다수의 본딩 접점(316)과, 기능 영역(402)을 포함한다. 본딩 프레임(314), 본딩 접점들(316) 및 기능 영역(402)은 하나의 캐리어 재료(106) 상에 배치된다. 본딩 프레임(314)과 본딩 접점들(316) 중 하나의 본딩 접점을 절단선(404)을 따라 절단하여 도시한 횡단면도가 도 3에 도시되어 있다. 칩 배선부(310)는 기능 영역(402)과 본딩 접점들(316) 각각을 연결한다. 본딩 프레임(314)은 기능 영역(402)과 연결되지 않는다. 기능 영역(402) 내에는 예컨대 반도체 구조들과 MEMS 구조들이 통합된다. 기능 영역(402)은 직사각형으로 도시되어 있다. 각각 7개의 본딩 접점(316)은 기능 영역(402)의 서로 대향하는 좁은 면들 상에 서로 동일한 간격으로 기능 영역(402)에 대해 이격되어 배치된다. 본딩 프레임(314)은 라운딩된 직사각형의 형태로 기능 영역(402)과 본딩 접점들(316)을 둘러싼다. 본딩 프레임(314)은 기능 영역(402) 및 본딩 접점들(316)에 대해 간격을 갖는다.
도 5에는 2개의 기판을 결합하기 위한 방법(500)이 흐름도로 도시되어 있다. 다음 공정 단계들은 서로 결합되는 2개 이상의 캐리어 재료 상에서 실시된다.
예컨대 폴리이미드, 질화 규소로 이루어진 비전도성 마스킹 층을 도포(502)하고 구조화하는 단계.
예컨대 전기 화학적 증착 방법을 이용하여, 기초 금속 증착부 상에 니켈 함유 층(예: Ni, NiP, NiMoP, NiPd, NiB, NiCo)을 증착하는 단계(202).
예컨대 전기 화학적 증착 방법을 이용하여, 하나 이상의 추가의 얇은 금속 패시베이션 및 본딩 층(예: Pd, Au, Pt, Cu)을 증착하는 단계(204).
2개 이상의 캐리어 재료를 열 압착 본딩하는 단계(504).
본딩 접착의 강화를 위한 포스트 본딩 어닐링 단계(506).
선택적으로, 본딩 전에 마스킹 층을 제거하는 단계도 가능하다. 마찬가지로 본딩 전에 플라즈마 처리(예: Ar 재스퍼터링) 및/또는 성형 가스 처리 및/또는 습식 화학적 세척을 이용하여 본딩 금속 표면의 세척 및/또는 컨디셔닝(conditioning)도 가능하다.
설명한 웨이퍼 본딩 결합부, 또는 상기 기판 결합 방법(500)은 적외선 센서 어레이, 가속도 센서, 요 레이트 센서, 압력 센서 등을 제조하기 위해 사용될 수 있다.
단계(504)에서 열 압착 본딩을 위해, 본딩 표면이 가능한 매끄러우며, 각각의 캐리어 재료 상에 모든 본딩 표면이 일 평면에 위치하는 것이 바람직하다. 그 다음, 본딩 공정에서, 처음에 큰 영역의 본딩 표면들이 접촉한다. 매끄러운 표면의 제조를 위해, 단계들(202 및 204)에서 설명되는 것처럼, 전기 화학적 증착 방법이 특히 우수하게 적합하다. 그 외에, 상기 전기 화학적 증착 방법에 의해, 선택적으로 결정된 영역들을 코팅하고 매우 얇은(수 ㎚) 층뿐 아니라, 수 ㎛ 두께의 매우 두꺼운 층도 실현할 수 있다.
열 압착 본딩(504) 동안, 접촉면들에서는 본딩 면의 양측에서 (상호-) 확산 공정을 통해 입자들의 (재-)결정화 및 입자 성장이 이루어지며, 이는 본딩 경계면들의 상호 간 접착을 야기한다. 층들이 얇은 경우 입자들은 분명히 더 작아지고, 표면들은 덜 거칠어지며, 그로 인해 본딩 시 재배치는 층이 두꺼운 경우보다 더 신속하면서도 더 완전하게 이루어질 수 있다.
또한, 본딩 금속 증착부는 약간 플렉시블하고 탄성적으로 기계적 응력(stress)을 흡수할 수 있는 것이 바람직하다. 이로 인해, 특히 굽힘성을 갖는 웨이퍼들이 서로 결합되는 경우에 웨이퍼에 걸쳐 향상된 본딩 균일성이 달성되며, 층 하부 구조부 내 손상이 방지된다. 니켈 함유 층들은 상기 특성을 특징으로 한다.
그 외에도, 공정 호환성의 이유에서, 낮은 온도에서 처리될 수 있으면서도, 후속하여 높은 온도를 견디는 본딩 결합부가 바람직하다. 그러므로 대개 낮은 결합 에너지 및 용융 온도를 수반하는 낮은 확산 에너지를 갖는 본딩 금속들이 특히 유리하다.
또한, 본딩 금속 증착부가 진공 포함을 위한 밀봉 부재로서 사용된다면, 내식성에 유의해야 한다. 상기 본딩 금속 증착부는 본딩 전에 본딩 표면들의 산화 방지에도 도움이 된다. 그러므로 예컨대 Pd, Au, Pt와 같은 귀금속을 포함하는 금속 증착부가 특히 바람직하다. 상기 귀금속 층들의 접착 향상 및 그 상호 확산의 방지를 위해, 중간 층들, 예컨대 Pd, Ti, Ta, TiW, TaN이 삽입될 수 있다.
여기에 제시된 해결책에 의해 앞서 설명한 모든 특성을 통합하는, 웨이퍼 본딩을 위한 금속 시스템이 제안된다. 상기 금속 시스템은 상대적으로 더 두꺼운 니켈 함유 층과 이 층 위에 위치하여 패시베이션하고 상대적으로 더 얇은 하나 이상의 커버 층(예: Pd, Au, Pt, ...)으로 구성된다.
여기에 제시된 해결책은, 2개의 캐리어 재료 사이에 기밀 밀봉 및/또는 전기 접촉이 제공되어야 하는 모든 적용예에 사용될 수 있다. 이는 예컨대 적외선 센서 어레이, 가속도 센서, 요 레이트 센서, 압력 센서 등을 제조할 때 일 수 있다.
설명되고 도면들에 도시된 실시예들은 예시로서만 선택된다. 상이한 실시예들은 완전히, 또는 개별 특징들과 관련하여 서로 조합될 수 있다. 또한, 일 실시예는 추가 실시예의 특징들에 의해 보충될 수 있다.
또한, 본 발명에 따르는 처리 단계들은 반복될 수 있을 뿐 아니라, 설명한 순서와는 다른 순서로 실시될 수도 있다.
일 실시예가 제 1 특징과 제 2 특징 사이에 "및/또는" 접속어를 포함한다면, 이는, 상기 실시예가 일 실시예에 따라 제 1 특징뿐 아니라 제 2 특징을 포함하고 추가 실시예에 따라서는 제 1 특징만을, 또는 제 2 특징만을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
100 본딩 패드
102 베이스 층
104 (금속) 커버 층
106 캐리어 재료
200 본딩 패드 제조 방법
202 베이스 층 증착 단계
204 커버 층 증착 단계
300 소자
302 제 1 캐리어 재료
304 제 2 캐리어 재료
318 마스킹 층
504 열 압착 본딩

Claims (14)

  1. 하나의 캐리어 재료(106)를 추가 캐리어 재료와 열 압착 본딩(504)하기 위한 본딩 패드(100)로서, 상기 본딩 패드(100)는
    니켈을 기반으로 하는 금속 소재이면서 변형될 수 있으며 상기 캐리어 재료(106)와 결합되는 베이스 층(102)과,
    상기 베이스 층(102)과 직접 결합되고 적어도 상기 캐리어 재료(106)로부터 떨어진 상기 베이스 층(102)의 면에 배치되는 금속 커버 층(104)을 포함하며, 상기 커버 층(104)은 상기 베이스 층(102)에 비해 더 얇은 층 두께를 갖고, 특히 상기 커버 층(104)은 상기 베이스 층(102)보다 더 높은 내산화성을 갖는, 본딩 패드.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 커버 층(104)은 적어도 부분적으로 팔라듐, 금, 백금, 구리 재료들 중 하나 이상의 재료로 구성되는 하나 이상의 층으로 구성되는, 본딩 패드.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 베이스 층(102)의 층 두께는 상기 커버 층(104)의 층 두께에 대해 사전 설정된 비율을 갖는, 본딩 패드.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 커버 층(104)의 부분 면은 평면이고, 및/또는 상기 캐리어 재료(106)의 표면에 대해 평행하게 배치되는, 본딩 패드.
  5. 소자(300)로서,
    제 1 표면 상에 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 따르는 하나 이상의 본딩 패드(100)를 포함하는 제 1 캐리어 재료(302)와,
    상기 제 1 캐리어 재료(302)에 대해 이격되어 배치되고 상기 제 1 캐리어 재료의 상기 제 1 표면을 향해 있는 제 2 캐리어 재료(304)의 제 2 표면 상에 상기 본딩 패드(100)에 대향하여 배치되면서 상기 본딩 패드(100) 상에 놓인 접촉점을 포함하는 제 2 캐리어 재료(304)를 포함하고,
    상기 접촉점은 상기 본딩 패드(100)와 결합되고, 특히 상기 본딩 패드(100)의 윤곽은 공차 범위 내에서 상기 접촉점의 형상에 상응하는, 소자.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 접촉점은 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 따르는 추가 본딩 패드(100)로서 형성되는, 소자.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서, 상기 본딩 패드(100)의 윤곽은 상기 제 1 캐리어 재료(302)와 상기 제 2 캐리어 재료(304) 사이의 내부 공간의 둘레를 따라 환형으로 연장되고, 및/또는 상기 접촉점의 형상은 상기 내부 공간의 둘레를 따라 환형으로 연장되는, 소자.
  8. 제 5 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 추가 본딩 패드(100)와 하나 이상의 추가 접촉점을 포함하는 소자.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 본딩 패드(100) 및 상기 추가 본딩 패드(100)는 캐리어 재료의 표면 위에서 동일한 높이를 갖는, 소자.
  10. 제 5 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 상기 제 1 캐리어 재료(302)는 MEMS 센서 소자(402)를 포함하는, 소자.
  11. 캐리어 재료(106) 상에 본딩 패드(100)를 제조하기 위한 본딩 패드 제조 방법(200)으로서, 상기 본딩 패드 제조 방법(200)은 적어도
    상기 캐리어 재료(106) 상에 금속 소재이면서 니켈을 기반으로 하는 변형 가능한 베이스 층(102)을 증착하는 단계(202)와,
    상기 캐리어 재료(106)로부터 떨어진 상기 베이스 층(102)의 측면에 직접 금속 커버 층(104)을 증착하는 단계(204)를 포함하고, 상기 커버 층(104)은 상기 베이스 층(102)보다 더 얇은 층 두께를 가지며, 특히 상기 커버 층(104)은 상기 베이스 층(102)보다 더 높은 내산화성을 갖는, 본딩 패드 제조 방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 증착의 단계들(202, 204) 중 하나 이상의 단계는 전기 화학적 증착 공정에 의해 이루어지는, 본딩 패드 제조 방법.
  13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서, 상기 증착의 단계들(202, 204)을 위한 마스크를 얻기 위해, 상기 캐리어 재료(106) 상에 마스킹 층(318)을 도포(502)하고 구조화하는 단계를 포함하는 본딩 패드 제조 방법.
  14. 제 11 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 커버 층(104)을 세척하는 단계를 포함하는 본딩 패드 제조 방법.
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