KR20090106913A - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 반도체 장치 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더 구체적으로 범프를 갖는 반도체 장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly, to a semiconductor device having a bump and a manufacturing method thereof.
반도체 소자의 고성능화 및 고속화에 대한 요구가 증가함에 따라, 반도체 칩의 입/출력 핀(input/ouput pin) 수가 많아지는 추세이다. 이러한 이유로 반도체 장치 패키지 제조 공정에 사용되는 기존의 와이어 본딩(wire bonding) 방식은 한계에 이르렀다. 따라서, 최근에는 와이어 본딩 방식을 대체할 수 있는 플립 칩(Flip Chip : F/C) 방식이 주목받고 있다. 플립 칩 방식은 본딩 와이어 대신에 범프(bump)를 사용하여 본딩하는 기술이다. As the demand for high performance and high speed of semiconductor devices increases, the number of input / output pins of semiconductor chips increases. For this reason, the existing wire bonding method used in the semiconductor device package manufacturing process has reached its limit. Therefore, in recent years, a flip chip (F / C) method that can replace the wire bonding method has attracted attention. The flip chip method is a technique of bonding using a bump instead of a bonding wire.
범프는 반도체 칩과 배선 기판을 전기적/물리적으로 연결한다. 즉, 범프는 전기적 신호의 이동 경로로서의 역할과 물리적 접합부로서의 역할을 한다. 접합 강도를 향상시키기 위하여 반도체 칩과 배선 기판 사이의 공간에는 일반적으로 언더필 물질(underfill material)이 채워진다. 언더필 물질은 반도체 장치 패키지의 전기적/물리적 신뢰성을 향상시킬 뿐만 아니라, 온도 변화에 따른 반도체 칩과 배선 기판의 열 팽창 계수의 차에 의해 발생하는 열 응력(thermal stress)에 대한 보강재로 작용한다. 플립 칩 방식의 장점을 극대화하기 위해, 범프의 재질 및 구조에 대한 연구가 되고 있다.The bumps electrically and physically connect the semiconductor chip and the wiring board. In other words, the bumps serve as movement paths and electrical junctions of electrical signals. In order to improve the bonding strength, the space between the semiconductor chip and the wiring board is generally filled with an underfill material. The underfill material not only improves the electrical / physical reliability of the semiconductor device package, but also acts as a reinforcement material for thermal stress caused by the difference in thermal expansion coefficient of the semiconductor chip and the wiring board according to temperature change. In order to maximize the advantages of the flip chip method, a study on the material and structure of the bumps.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 재질 및 구조가 향상된 범프를 제공하여 물리적/전기적 신뢰성을 향상시킬 수 있는 반도체 장치 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.An object of the present invention is to provide a semiconductor device and a method of manufacturing the same, which can improve physical and electrical reliability by providing bumps with improved materials and structures.
상술한 기술적 과제들을 해결하기 위한 반도체 장치를 제공한다. 이 장치는 전극 패드를 갖는 반도체 기판과; 상기 전극 패드와 접촉되어 상기 반도체 기판과 전기적으로 연결되는, 캡핑막으로 피복된 범프를 포함하되, 상기 범프는 상기 범프에 가해지는 응력을 분산시키는 리세스 영역을 포함한다.Provided is a semiconductor device for solving the above technical problems. The apparatus includes a semiconductor substrate having electrode pads; And a bump covered with a capping layer in contact with the electrode pad and electrically connected to the semiconductor substrate, wherein the bump includes a recessed region for dispersing stress applied to the bump.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 리세스 영역은 상기 전극 패드와 상기 캡핑막의 단부 사이에 상기 범프의 내부로 향하는 오목한 면을 가질 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the recess region may have a concave surface facing the inside of the bump between the electrode pad and the end of the capping layer.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 전극 패드와 상기 범프 사이의 언더 범프 메탈막이; 더 포함될 수 있다. 상기 언더 범프 메탈막은 상기 리세스 영역의 오목한 면의 일부인 단부면(end part surface)을 가질 수 있다. 상기 언더 범프 메탈막은 상기 범프와 동종의 시드 금속막 및 상기 시드 금속막과 상기 전극 패드 사이의 점착막을 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, an under bump metal layer between the electrode pad and the bump; It may be further included. The under bump metal layer may have an end part surface that is part of a concave surface of the recess region. The under bump metal layer may include a seed metal layer that is the same type as the bump and an adhesive layer between the seed metal layer and the electrode pad.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 반도체 기판을 실장하여 상기 범프와 접촉하는 접합 패드를 갖는 배선 기판과; 및 상기 반도체 기판과 상기 배선 기판 사이에 제공되어 상기 리세스 영역을 채우는 언더필 물질막이 더 포함될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, a wiring board having a bonding pad mounted to the bump by mounting the semiconductor substrate; And an underfill material layer provided between the semiconductor substrate and the wiring substrate to fill the recess region.
상술한 기술적 과제들을 해결하기 위한 반도체 장치의 제조 방법을 제공한다. 이 방법은 전극 패드를 갖는 반도체 기판을 제공하고; 상기 반도체 기판 상에 상기 전극 패드를 노출하는 개구부를 갖는 마스크막을 형성하고; 상기 개구부를 채우는 범프를 형성하고; 상기 마스크막을 선택적으로 제거하여 상기 범프 일부를 노출시키는 마스크 패턴을 형성하고; 상기 노출된 범프 상에 전해 도금 공정을 수행하여 캡핑막을 형성하고; 상기 마스크 패턴을 제거하여 상기 전극 패드와 상기 캡핑막의 단부 사이의 범프를 노출하고; 그리고 상기 노출된 범프의 일부를 제거하여 리세스 영역을 형성하는 것을; 포함할 수 있다.Provided are a method of manufacturing a semiconductor device for solving the above technical problems. The method provides a semiconductor substrate having an electrode pad; Forming a mask film having an opening that exposes the electrode pad on the semiconductor substrate; Forming a bump filling the opening; Selectively removing the mask layer to form a mask pattern exposing a part of the bumps; Performing a plating process on the exposed bumps to form a capping film; Removing the mask pattern to expose a bump between the electrode pad and an end of the capping layer; And removing a portion of the exposed bumps to form a recessed region; It may include.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 범프를 형성하기 전에, 상기 전극 패드 상에 언더 범프 메탈막을 형성하는 것이 더 포함될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, before the bump is formed, it may further include forming an under bump metal layer on the electrode pad.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 리세스 영역을 형성하는 것은: 상기 전극 패드와 상기 캡핑막의 단부 사이의 언더 범프 메탈막의 단부 일부를 제거하는 것을 더 포함할 수 있다.In example embodiments, the forming of the recess region may further include removing a portion of an end bump metal layer between the electrode pad and an end portion of the capping layer.
본 발명의 실시예에 따르면, 접합 패드를 갖는 배선 기판을 제공하고; 상기 배선 기판 상에 상기 접합 패드에 정렬되도록 상기 범퍼를 배치하고; 그리고 상기 범프를 상기 접합 패드와 결합시킨 후, 언더필 물질막을 상기 배선 기판과 상기 반도체 기판 사이에 제공하여 상기 리세스 영역을 채우는 것을 더 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, there is provided a wiring board having a bonding pad; Disposing the bumper on the wiring board such that the bumper is aligned with the bonding pad; The method may further include filling the recess region by providing an underfill material layer between the wiring substrate and the semiconductor substrate after coupling the bump with the bonding pad.
본 발명의 실시예에 따르면, 전기 도금 공정을 이용할 수 있어 캡핑막의 시드막이 필요하지 않을 수 있다. 이에 따라, 반도체 장치의 제조에 있어 생산 원가가 절감될 수 있고, 반도체 장치의 제조 공정이 단순화될 수 있다. 게다가, 전기 도금 공정은 무전해 도금 공정에 비해 캡핑막의 두께를 자유로이 조절할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, an electroplating process may be used, so that the seed film of the capping film may not be necessary. Accordingly, the production cost can be reduced in manufacturing the semiconductor device, and the manufacturing process of the semiconductor device can be simplified. In addition, the electroplating process can freely adjust the thickness of the capping film as compared with the electroless plating process.
본 발명의 실시예에 따르면, 범프에 가해지는 응력 가령, 온도 변화에 따른 반도체 칩과 배선 기판의 열 팽창 계수의 차에 의해 발생하는 열 응력(thermal stress)을 리세스 영역이 없는 것에 비해 분산시킬 수 있다. 이에 따라, 범프의 크랙(crack) 및 절단을 최소화할 수 있어 반도체 장치의 물리적/전기적 신뢰성이 향상될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, thermal stress generated by a stress applied to a bump, for example, a difference between thermal expansion coefficients of a semiconductor chip and a wiring board according to temperature change, may be dispersed as compared with no recess region. Can be. Accordingly, cracks and cutting of bumps can be minimized, thereby improving physical / electrical reliability of the semiconductor device.
첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided to ensure that the disclosed subject matter is thorough and complete, and that the spirit of the present invention to those skilled in the art will fully convey. Portions denoted by like reference numerals denote like elements throughout the specification.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 장치를 보여주는 단면도이다.1 is a cross-sectional view illustrating a semiconductor device in accordance with an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 반도체 장치는 배선 기판(200), 전극 패드(120)를 노출하는 제 1 절연막(140)을 갖는 반도체 기판(100), 노출된 전극 패 드(120) 상의 범프(154), 및 배선 기판(200)과 반도체 기판(100) 사이를 채우는 언더필 물질막(260)을 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 반도체 장치는 가령, 플립 칩 패키지일 수 있다.Referring to FIG. 1, a semiconductor device according to an exemplary embodiment may include a
배선 기판(200)은 가령, 인쇄 회로 기판을 포함할 수 있다. 배선 기판(200)은 접합 패드(220) 및 접합 패드(220)를 노출하는 제 2 절연막(240)을 가질 수 있다. 접합 패드(220)는 전도성이 우수한 금속일 수 있다. 접합 패드(220)는 배선 기판(200) 상에 인쇄되거나 전사될 수 있다.The
반도체 기판(100)은 가령, 실리콘 기판일 수 있다. 전극 패드(120)는 반도체 기판(100)에 형성된 회로 패턴과 같은 도전물들(미도시)과 전기적으로 연결될 수 있다. 전극 패드(120)는 가령, 알루미늄(Al)과 같은 금속 물질을 포함할 수 있다. 제 1 절연막(140)은 두개의 막들을 포함할 수 있다. 제 1 절연막(140)은 가령, 전극 패드(120) 둘레를 덮는 감광성 폴리 이미드막(photo sensitive polyimide, 140a) 및 폴리 이미드막을 덮는 실리콘 질화막(140b)일 수 있다. 제 1 절연막(140)은 한개의 막인 실리콘 질화막일 수 있다.The
범프(154)는 전극 패드(120)와 접합 패드(220) 사이에 배치된다. 범프(154)는 전극 패드(120)과 접합 패드(220)를 전기적으로 연결되는 전기적 매개체이다. 범프(154)는 구리, 니켈 및 주석 중에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 캡핑막(156)이 범프(154)를 피복하고 있다. 캡핑막(156)은 가령, 금 또는 은과 같은 도전성이 좋은 물질을 포함할 수 있다. 캡핑막(156)은 전해 도금 공정을 수행하여 형성될 수 있다. 범프(154)는 전극 패드(120)와 캡핑막(156)의 단부(156e) 사이에 리세스 영역(114)을 포함할 수 있다. 리세스 영역(114)는 범프(154)의 내부로 오목한 면을 가질 수 있다.The
언더 범프 메탈(Under Bump Metal : UBM, 152)막이 전극 패드(120)와 범프(154) 사이에 더 개재될 수 있다. 언더 범프 메탈막(152)은 시드 금속막(152a) 및 시드 금속막(152a)과 전극 패드(120) 사이에 점착막(152b)을 포함할 수 있다. 시드 금속막(152a)은 범프(154)와 동종의 금속막일 수 있다. 점착막(152b)은 범프(154)와 전극 패드(120)의 점착(wetting)을 좋게 할 수 있다. 점착막(152b)은 구리의 확산을 방지하는 역할을 할 수 있다. 점착막(152b)은 가령, 티타늄(Ti), 티타늄 텅스텐(TiW) 및 질화 티타늄(TiN) 중에서 선택된 하나를 포함할 수 있다. 리세스 영역(114)은 언더 범프 메탈막(152)의 단부(end part)로 확장될 수 있다. 언더 범프 메탈막(152)의 단부면은 전극 패드(120)와 캡핑막(156)의 단부(156e) 사이에 범프(154)의 내부로 향하는 오목한 면의 일부일 수 있다.An under bump metal (UBM)
언더필 물질막(260)은 배선 기판(200)과 반도체 기판(100) 사이에 제공되어 범프(154)의 리세스 영역(114)을 채운다.An
본 발명의 실시예에 따르면, 언더필 물질막(260)이 채워진 리세스 영역(114)은 범프(154)에 가해지는 응력 가령, 온도 변화에 따른 반도체 칩과 배선 기판의 열 팽창 계수의 차에 의해 발생하는 열 응력(thermal stress)을 리세스 영역(114)이 없는 것에 비해 분산시킬 수 있다. 이에 따라, 범프의 크랙(crack) 및 절단을 최소화할 수 있어 반도체 장치의 물리적/전기적 신뢰성이 향상될 수 있다.According to the exemplary embodiment of the present invention, the
도 2a 내지 도 2h는 실시예에 따른 반도체 장치를 제조 방법을 보여주는 단 면도들이다.2A through 2H are schematic views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device in accordance with an embodiment.
도 2a를 참조하면, 전극 패드(120)를 노출하는 절연막(140)을 갖는 반도체 기판(100)을 제공할 수 있다. 전극 패드(120)는 반도체 기판(100)에 형성된 회로 패턴과 같은 도전물들(미도시)과 전기적으로 연결될 수 있다. 전극 패드(120)는 가령, 알루미늄(Al)과 같은 금속 물질을 포함할 수 있다. 절연막(140)은 가령, 전극 패드(120) 둘레를 덮는 감광성 폴리 이미드막(photo sensitive polyimide, 140a) 및 상기 폴리 이미드막(140a)을 콘포말하게 덮는 실리콘 질화막(140b)일 수 있다. 절연막(140)은 패시베이션막인 실리콘 질화막만으로 형성될 수 있다.Referring to FIG. 2A, a
도 2b를 참조하면, 전극 패드(120)와 접촉하는 점착막(152b) 및 상기 점착막(152b) 상에 시드 금속막(152a)을 형성할 수 있다. 점착막(152b) 및 시드 금속막(152a)은 전극 패드(120)와 인접한 절연막(140) 상으로 일부 연장되게 형성될 수 있다. 즉, 시드 금속막(152a) 및 점착막(152b)은 절연막(140) 상에 단부를 가질 수 있다.Referring to FIG. 2B, a
점착막(152b)은 전극 패드(120)의 점착성(wetting property)을 좋게 할 수 있다. 점착막(152b)은 가령, 티타늄(Ti), 티타늄 텅스텐(TiW) 및 질화 티타늄(TiN) 중에서 선택된 하나를 포함할 수 있다. 시드 금속막(152a)은 가령, 후속으로 형성될 범프(154)의 시드막일 수 있다. 시드 금속막(152a)은 가령, 구리, 니켈 및 주석 합금 중에서 선택된 하나를 포함할 수 있다. 시드 금속막(152a)이 구리를 포함하는 경우, 점착막(152b)은 구리의 확산을 방지하는 역할을 할 수 있다. 점착막(152b) 및 시드 금속막(152a)은 언더 범프 메탈막(Under Bump Metal layer: UBM layer, 152)을 구성할 수 있다.The
도 2c를 참조하면, 시드 금속막(152a)을 노출하는 개구부(109)를 갖는 마스크막(108)을 형성한다. 마스크막(108)은 가령, 포토 레지스트막일 수 있다. Referring to FIG. 2C, a
시드 금속막(152a)으로부터 범프 금속막을 성장시켜 개구부(109)를 채우는 범프(154)를 형성한다. 범프(154)는 구리, 니켈 및 주석 중에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 범프(154)은 가령, 전기 도금 공정 또는 무전해 도금 공정을 수행하여 형성될 수 있다.A bump metal film is grown from the
도 2d를 참조하면, 마스크막(108)을 선택적으로 리세스하여 범프(154)의 일부를 노출시키는 마스크 패턴(108a)을 형성한다. 리세스 공정은 가령, 건식 식각 공정일 수 있다. 상기 리세스 공정은 시드 금속막(152a) 및 점착막(152b)이 노출되지 않을 때까지 수행될 수 있다. 이에 따라, 마스크 패턴(108a)은 시드 금속막(152a) 및 점착막(152b)의 단부를 덮을 수 있다.Referring to FIG. 2D, the
도 2e를 참조하면, 전기 도금 공정을 수행하여 노출된 범프(154)를 캡핑막(156)으로 피복할 수 있다. 캡핑막(156)은 범프(154)의 상부면 및 측면 일부를 피복할 수 있다. 캡핑막(156)의 단부(end part, 156e)는 마스크 패턴(108a)의 상부면과 접할 수 있다. 캡핑막(156)은 범프(154)의 전도성을 향상시킬 수 있다. 캡핑막(156)은 시드 금속막(152a) 및 범프(154)에 대하여 식각 선택성을 가질 수 있다. 캡핑막(156)은 가령, 금 또는 은과 같은 도전성이 좋은 물질을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 2E, an exposed
한편, 무전해 도금 공정을 수행하여 캡핑막을 형성하는 경우, 캡핑막의 시드막이 필요할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 전기 도금 공정을 이용할 수 있 어 캡핑막의 시드막이 필요하지 않을 수 있다. 이에 따라, 반도체 장치의 제조에 있어 생산 원가가 절감될 수 있다. 캡핑막의 시드막을 형성하지 않으므로, 반도체 장치의 제조 공정도 단순화될 수 있다. 게다가, 전기 도금 공정은 무전해 도금 공정에 비해 캡핑막의 두께를 자유로이 조절할 수 있다.Meanwhile, when the capping film is formed by performing an electroless plating process, a seed film of the capping film may be required. According to an embodiment of the present invention, an electroplating process may be used, so that a seed film of a capping film may not be required. Accordingly, the production cost can be reduced in the manufacture of the semiconductor device. Since the seed film of the capping film is not formed, the manufacturing process of the semiconductor device can also be simplified. In addition, the electroplating process can freely adjust the thickness of the capping film as compared with the electroless plating process.
도 2f를 참조하면, 마스크 패턴(도 2e의 108a)을 제거하여 캡핑막(156)의 단부(156e) 아래 범프(154)의 측면, 시드 금속막(152a)과 점착막(152)의 단부, 및 절연막(140)을 노출할 수 있다. 마스크 패턴(108a)은 가령, 애싱 공정을 수행하여 제거될 수 있다. Referring to FIG. 2F, the mask pattern (108a of FIG. 2E) is removed to form the side surface of the
노출된 범프(154) 및 시드 금속막(152a)을 제거하여, 캡핑막(156)의 단부(156e)와 전극 패드(120)사이에 리세스 영역(114)을 형성할 수 있다. 상기 제거 공정은 가령, 습식 식각 공정일 수 있다. 예를 들면, 캡핑막(156)은 금을 포함하고 시드 금속막(152a) 및 범프(154)가 구리를 포함하는 경우, 식각 용액은 시드 금속막(152a) 및 범프(154)를 선택적으로 식각하는 암모니아수 또는 과산화수소수를 포함할 수 있다. 또한, 노출된 점착막(152b)을 제거하여 리세스 영역(114)을 확장할 수 있다. 예를 들면, 점착막(152b)이 티탄늄을 포함하는 경우, 식각 용액은 점착막(152b)을 선택적으로 식각하는 불화 수소(HF)를 포함할 수 있다. The exposed
도 2g를 참조하면, 접합 패드(220)를 구비한 배선 기판(200)을 제공한다. 접합 패드(220)는 배선 기판(200) 상에 인쇄되거나 전사될 수 있다. 접합 패드(220)는 전도성이 우수한 금속일 수 있다. 배선 기판(200)은 접합 패드(220)를 노출하는 배선 절연막(240)을 포함할 수 있다. 범프(154)는 배선 기판(200) 상에 접합 패 드(220)에 정렬되여 배치될 수 있다. Referring to FIG. 2G, a
도 2h를 참조하면, 범프(154)를 접합 패드(220) 상에 압착하여 결합시킨 후, 배선 기판(200)과 반도체 기판(100) 사이에 언더필 물질막(260)을 제공하여 범프(154)의 리세스 영역(114)을 언더필 물질막(260)으로 채운다. 이에 따라, 반도체 장치, 가령 플립 칩 패키지가 완성된다.Referring to FIG. 2H, after the
본 발명의 실시예에 따르면, 언더필 물질막(260)이 채워진 리세스 영역(114)은 범프(154)에 가해지는 응력 가령, 온도 변화에 따른 반도체 칩과 배선 기판의 열 팽창 계수의 차에 의해 발생하는 열 응력(thermal stress)을 리세스 영역(114)이 없는 것에 비해 분산시킬 수 있다. 이에 따라, 범프의 크랙(crack) 및 절단을 최소화할 수 있어 반도체 장치의 물리적/전기적 신뢰성이 향상될 수 있다.According to the exemplary embodiment of the present invention, the
상기한 실시예들의 설명은 본 발명의 더욱 철저한 이해를 제공하기 위하여 도면을 참조로 예를 든 것에 불과하므로, 본 발명을 한정하는 의미로 해석되어서는 안될 것이다. 그리고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기본적 원리를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화와 변경이 가능함은 물론이다.The description of the above embodiments is merely given by way of example with reference to the drawings in order to provide a more thorough understanding of the present invention and should not be construed as limiting the invention. In addition, various changes and modifications are possible to those skilled in the art without departing from the basic principles of the present invention.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 장치를 보여주는 단면도이다.1 is a cross-sectional view illustrating a semiconductor device in accordance with an embodiment of the present invention.
도 2a 내지 도 2h는 실시예에 따른 반도체 장치를 제조 방법을 보여주는 단면도들이다.2A to 2H are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device in accordance with an embodiment.
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