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KR20200035197A - 반도체 장치 및 그 제조 방법 - Google Patents

반도체 장치 및 그 제조 방법 Download PDF

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KR20200035197A
KR20200035197A KR1020190030239A KR20190030239A KR20200035197A KR 20200035197 A KR20200035197 A KR 20200035197A KR 1020190030239 A KR1020190030239 A KR 1020190030239A KR 20190030239 A KR20190030239 A KR 20190030239A KR 20200035197 A KR20200035197 A KR 20200035197A
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insulating layer
electrode
semiconductor device
forming
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다카유키 다지마
가즈오 시모카와
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가부시끼가이샤 도시바
키옥시아 가부시키가이샤
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    • H01L2224/13101Material 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 less than 400°C
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    • H01L2224/131Material 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
    • H01L2224/13138Material 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 or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/13139Silver [Ag] as principal constituent
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    • H01L2224/13138Material 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 or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/13147Copper [Cu] as principal constituent
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    • H01L2224/16225Disposition the bump connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
    • H01L2224/16238Disposition the bump connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation the bump connector connecting to a bonding area protruding from the surface of the item
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    • H01L2224/81001Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a bump connector involving a temporary auxiliary member not forming part of the bonding apparatus
    • H01L2224/81005Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a bump connector involving a temporary auxiliary member not forming part of the bonding apparatus being a temporary or sacrificial substrate
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    • H01L2224/81Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a bump connector
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    • H01L2224/81438Material 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 or equal to 950°C and less than 1550°C
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    • H01L2225/04All the devices being of a type provided for in the same main group of the same subclass of class H10, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers
    • H01L2225/065All the devices being of a type provided for in the same main group of the same subclass of class H10
    • H01L2225/06503Stacked arrangements of devices
    • H01L2225/06582Housing for the assembly, e.g. chip scale package [CSP]
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    • H01L23/28Encapsulations, e.g. encapsulating layers, coatings, e.g. for protection
    • H01L23/31Encapsulations, e.g. encapsulating layers, coatings, e.g. for protection characterised by the arrangement or shape
    • H01L23/3107Encapsulations, e.g. encapsulating layers, coatings, e.g. for protection characterised by the arrangement or shape the device being completely enclosed
    • H01L23/3121Encapsulations, e.g. encapsulating layers, coatings, e.g. for protection characterised by the arrangement or shape the device being completely enclosed a substrate forming part of the encapsulation
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    • H01L23/00Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/28Encapsulations, e.g. encapsulating layers, coatings, e.g. for protection
    • H01L23/31Encapsulations, e.g. encapsulating layers, coatings, e.g. for protection characterised by the arrangement or shape
    • H01L23/3107Encapsulations, e.g. encapsulating layers, coatings, e.g. for protection characterised by the arrangement or shape the device being completely enclosed
    • H01L23/3121Encapsulations, e.g. encapsulating layers, coatings, e.g. for protection characterised by the arrangement or shape the device being completely enclosed a substrate forming part of the encapsulation
    • H01L23/3128Encapsulations, e.g. encapsulating layers, coatings, e.g. for protection characterised by the arrangement or shape the device being completely enclosed a substrate forming part of the encapsulation the substrate having spherical bumps for external connection
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    • H01L23/00Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/48Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor
    • H01L23/488Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor consisting of soldered or bonded constructions
    • H01L23/498Leads, i.e. metallisations or lead-frames on insulating substrates, e.g. chip carriers
    • H01L23/49811Additional leads joined to the metallisation on the insulating substrate, e.g. pins, bumps, wires, flat leads
    • H01L23/49816Spherical bumps on the substrate for external connection, e.g. ball grid arrays [BGA]
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    • H01L24/00Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/01Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/10Bump connectors ; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/12Structure, shape, material or disposition of the bump connectors prior to the connecting process
    • H01L24/13Structure, shape, material or disposition of the bump connectors prior to the connecting process of an individual bump connector
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    • H01L24/10Bump connectors ; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/15Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process
    • H01L24/17Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process of a plurality of bump connectors
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    • H01L25/18Assemblies consisting of a plurality of semiconductor or other solid state devices the devices being of the types provided for in two or more different main groups of the same subclass of H10B, H10D, H10F, H10H, H10K or H10N
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Abstract

반도체 장치는, 절연층과, 상기 절연층 내에 마련된 도전 부재와, 상기 절연층의 제1 면 상에 배치되어 상기 도전 부재에 접속된 칩과, 상기 도전 부재에, 저항률이 상기 도전 부재의 저항률보다도 높은 배리어층을 통하여 접속되고, 적어도 일부가 상기 절연층의 제2 면으로부터 돌출된 전극을 구비한다.

Description

반도체 장치 및 그 제조 방법{SEMICONDUCTOR DEVICE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
실시 형태는 반도체 장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
종래부터, 프린트 기판 상에 메모리 칩을 복수 매 적층하고 수지에 의하여 몰드한 반도체 장치가 제조되고 있다. 프린트 기판의 하면에는 범프가 접합되고, 이 범프를 통하여 반도체 장치가 전자 기기 등에 실장된다. 한편, 근년, 반도체 장치의 높이 저감화가 요구되고 있기 때문에 프린트 기판 대신 재배선층을 사용하는 기술이 제안되어 있다. 재배선층의 상면에는 메모리 칩이 탑재되고 재배선층의 하면에는 범프가 접합된다.
실시 형태에 따른 반도체 장치는, 절연층과, 상기 절연층 내에 마련된 도전 부재와, 상기 절연층의 제1 면 상에 배치되어 상기 도전 부재에 접속된 칩과, 상기 도전 부재에, 저항률이 상기 도전 부재의 저항률보다도 높은 배리어층을 통하여 접속되고, 적어도 일부가 상기 절연층의 제2 면으로부터 돌출된 전극을 구비한다.
실시 형태에 따른 반도체 장치의 제조 방법은, 지지 기판 상에 박리층, 제1 배리어층, 도전층 및 제2 배리어층을 형성하는 공정과, 상기 제2 배리어층 상에, 제1 개구부가 형성된 제1 절연층을 형성하는 공정과, 상기 제1 절연층을 마스크로 하여 에칭을 실시함으로써, 상기 제2 배리어층에, 상기 제1 개구부에 연통된 제2 개구부를 형성하는 공정과, 상기 제2 개구부 내 및 상기 제1 개구부의 하부 내에 전극을 형성하는 공정과, 상기 제1 개구부의 상부의 내면 상에 제3 배리어층을 형성하는 공정과, 상기 제1 개구부의 상부 내에 제1 비아를 형성함과 함께, 상기 제1 절연층 상에, 저항률이 상기 제3 배리어층의 저항률보다도 낮은 배선을 형성하는 공정과, 상기 배선 상에, 제3 개구부가 형성된 제2 절연층을 형성하는 공정과, 상기 제3 개구부 내에, 상기 배선에 접속되는 제2 비아를 형성하는 공정과, 상기 제2 비아에 칩을 접속하는 공정과, 상기 박리층을 제거함으로써 상기 지지 기판을 제거하는 공정과, 상기 제1 배리어층, 상기 도전층 및 상기 제2 배리어층을 제거하는 공정을 구비한다.
도 1은 실시 형태에 따른 반도체 장치를 도시하는 단면도이다.
도 2는 도 1의 영역 A를 도시하는 일부 확대 단면도이다.
도 3은 도 1의 영역 B를 도시하는 일부 확대 단면도이다.
도 4는 범프가 접합된 실시 형태에 따른 반도체 장치를 도시하는 단면도이다.
도 5는 도 4의 영역 C를 도시하는 일부 확대 단면도이다.
도 6의 (a) 내지 (d)는 실시 형태에 따른 반도체 장치의 제조 방법을 도시하는 단면도이다.
도 7의 (a) 내지 (d)는 실시 형태에 따른 반도체 장치의 제조 방법을 도시하는 단면도이다.
도 8의 (a) 내지 (d)는 실시 형태에 따른 반도체 장치의 제조 방법을 도시하는 단면도이다.
도 9는 실시 형태에 따른 반도체 장치의 제조 방법을 도시하는 단면도이다.
도 10은 실시 형태에 따른 반도체 장치의 제조 방법을 도시하는 단면도이다.
도 11은 실시 형태에 따른 반도체 장치의 제조 방법을 도시하는 단면도이다.
도 12의 (a)는 실시 형태에 따른 반도체 장치의 제조 방법을 도시하는 단면도이고, (b)는 (a)의 영역 D를 도시하는 일부 확대 단면도이다.
도 13의 (a)는 실시 형태에 따른 반도체 장치의 제조 방법을 도시하는 단면도이고, (b)는 (a)의 영역 E를 도시하는 일부 확대 단면도이다.
도 14는 비교예에 따른 반도체 장치를 도시하는 단면도이다.
이하, 실시 형태에 대하여 설명한다.
도 1은, 본 실시 형태에 따른 반도체 장치를 도시하는 단면도이다.
도 2는, 도 1의 영역 A를 도시하는 일부 확대 단면도이다.
도 3은, 도 1의 영역 B를 도시하는 일부 확대 단면도이다.
도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태에 따른 반도체 장치(1)에 있어서는 재배선층(10)이 마련되어 있다. 재배선층(10)에 있어서는 모재로서, 예를 들어 유기 재료를 포함하는 절연층(11)이 마련되어 있고, 대략 절연층(11) 내에 하부 도전 부재(12) 및 상부 도전 부재(13)가 마련되어 있다. 하부 도전 부재(12) 및 상부 도전 부재(13)는, 예를 들어 구리(Cu) 등의 금속 재료에 의하여 형성되어 있다. 하부 도전 부재(12)는 재배선층(10)의 하단에 배치되어 있고 상부 도전 부재(13)는 재배선층(10)의 상단에 배치되어 있다.
하부 도전 부재(12)의 하부는 비아(14)이고 상부는 배선(15)이다. 비아(14) 및 배선(15)은 일체적으로 형성되어 있다. 비아(14)는 상하 방향으로 연장되고 배선(15)은 수평 방향으로 연장되어 있다. 비아(14) 및 배선(15)은 절연층(11) 내에 배치되어 있다.
상부 도전 부재(13)의 하부는 비아(16)이고 상부는 패드(17)이다. 비아(16) 및 패드(17)는 일체적으로 형성되어 있다. 비아(16)는 상하 방향으로 연장되고 패드(17)는 수평면을 따라 확장되어 있다. 비아(16)는 절연층(11) 내에 배치되어 있다. 패드(17)는 절연층(11)의 상면(11f) 상에 배치되어 있다. 상방에서 보아 일반적으로 비아(16)의 위치는 비아(14)의 위치와는 상이하지만, 중첩되어 있는 부분이 있어도 된다.
재배선층(10)에는 또한, 각각 복수의 전극(18) 및 전극(19)이 마련되어 있다. 전극(18 및 19)은, 예를 들어 니켈(Ni)을 포함하고, 예를 들어 순 니켈을 포함한다. 전극(18)은 비아(14)의 하면 상에 마련되어 있다. 전극(19)은 패드(17)의 상면 상에 배치되어 있다. 상하 방향에서 보아 전극(18 및 19)의 형상은 원형이어도 되고, 사각형이어도 되고, 사각형 이외의 다각형이어도 된다.
또한 반도체 장치(1)에 있어서는, 절연층(11)의 상면(11f) 상에 복수의 반도체 칩(30)이 마련되어 있으며, 상하 방향을 따라 적층되어 있다. 반도체 칩(30)은, 예를 들어 3차원 NAND형 메모리 칩이다.
재배선층(10)의 전극(19)과 최하단의 반도체 칩(30)은 마이크로범프(31)에 의하여 접합되어 있다. 전극(19)과 마이크로범프(31) 사이에는, 땜납 성분 및 니켈을 포함하는 금속 간 화합물층(44)이 형성되어 있다. 또한 인접하는 반도체 칩(30)끼리는 마이크로범프(32)에 의하여 접합되어 있다. 또한 본 명세서에 있어서 「접합되어 있다」는 것은, 기계적으로 연결되어 있음과 함께 전기적으로 접속되어 있는 상태를 말한다. 각 반도체 칩(30) 내에는 관통 비아(도시하지 않음)가 마련되어 있으며, 하방의 마이크로범프(31 또는 32)를 통하여 재배선층(10)으로부터 입력된 신호를 반도체 칩(30)의 메모리 셀, 및 보다 상단의 반도체 칩(30)에 전달한다.
재배선층(10) 상에는 수지 부재(36)가 마련되어 있다. 수지 부재(36)는 수지 재료를 포함하며, 적층된 반도체 칩(30), 마이크로범프(31 및 32)를 덮고 있다.
재배선층(10)의 하면에는 제어용 칩(41)이 탑재되어 있다. 제어용 칩(41)은 마이크로범프(42)를 통하여 재배선층(10)의 전극(18)에 접합되어 있다. 즉, 복수의 전극(18) 중 일부는 마이크로범프(42)를 통하여 제어용 칩(41)에 접합되어 있다. 마이크로범프(42)는, 예를 들어 땜납을 포함한다. 전극(18)과 마이크로범프(42) 사이에는, 땜납 성분 및 니켈을 포함하는 금속 간 화합물층(44)이 형성되어 있다. 또한 재배선층(10)과 제어용 칩(41) 사이에는, 마이크로범프(42)를 덮는 수지 부재가 마련되어 있어도 된다.
도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 비아(14)의 하면 상 및 측면 상, 그리고 배선(15)의 하면 상에는 티타늄(Ti)층(21)이 연속적으로 마련되어 있다. 따라서 비아(14)와 절연층(11) 사이에는 티타늄층(21)이 개재되어 있다. 또한 배선(15)의 하면과 절연층(11) 사이에도 티타늄층(21)이 개재되어 있다. 하부 도전 부재(12)와 티타늄층(21) 사이에는 구리층(22)이 마련되어 있다. 비아(14)는 구리층(22) 및 티타늄층(21)을 통하여 전극(18)에 접속되어 있다.
비아(16)의 하면 상 및 측면 상, 그리고 패드(17)의 하면 상에는 티타늄층(23)이 마련되어 있다. 상부 도전 부재(13)와 티타늄층(23) 사이에는 구리층(24)이 마련되어 있다. 비아(16)는 구리층(24) 및 티타늄층(23)을 통하여 배선(15)에 접속되어 있다. 이것에 의하여 비아(16)는 배선(15)을 통하여 비아(14)에 접속되어 있다.
도 3에 도시한 바와 같이, 전극(18)의 상부(18b)는 절연층(11) 내에 배치되어 있고, 하부(18a)는 절연층(11)의 하면(11r)으로부터 돌출되어 있다. 하면(11r)으로부터의 하부(18a)의 돌출량은, 예를 들어 100㎚(나노미터) 정도이다. 마이크로범프(42)가 접합되어 있지 않은 전극(18)의 하부(18a)의 노출면 상에는 금층(25)이 마련되어 있다. 금층(25)의 두께는, 예를 들어 50㎚ 정도이다.
반도체 장치(1)에 있어서는, 각 반도체 칩(30)이 관통 비아(도시하지 않음), 마이크로범프(32 및 31), 전극(19), 패드(17), 비아(16), 구리층(24), 티타늄층(23), 배선(15), 비아(14), 구리층(22), 티타늄층(21) 및 전극(18)을 통하여 외부에 접속된다. 그리고 제어용 칩(41)은, 예를 들어 복수의 반도체 칩(30)과 외부 사이의 신호의 수수를 제어하는 인터페이스로서 기능함과 함께, 이들 반도체 칩(30)의 동작을 제어하는 컨트롤러로서 기능한다.
다음으로, 반도체 장치(1)에 범프를 접합한 경우에 대하여 설명한다.
도 4는, 범프가 접합된 본 실시 형태에 따른 반도체 장치를 도시하는 단면도이다.
도 5는, 도 4의 영역 C를 도시하는 일부 확대 단면도이다.
도 4 및 도 5에 도시한 바와 같이, 마이크로범프(42)가 접합되어 있지 않은 전극(18)에 범프(46)를 접합한다. 범프(46)는 땜납을 포함한다. 땜납은, 예를 들어 주석(Sn), 은(Ag) 및 구리를 포함한다. 범프(46) 및 마이크로범프(42)의 융점은 마이크로범프(31 및 32)의 융점보다도 낮다. 이 때문에, 마이크로범프(42) 및 범프(46)의 접합 시에 마이크로범프(31 및 32)가 재용융되는 것을 피할 수 있다.
범프(46)의 직경은 마이크로범프(31, 32 및 42)의 직경보다도 크며, 예를 들어 300㎛(마이크로미터)이다. 범프(46)는 전극(18)의 하부(18a)의 하면 및 측면에 접촉하여 하면 및 측면의 적어도 일부, 예를 들어 대략 전체를 덮는다. 또한 범프(46)를 전극(18)에 접합할 때의 열에 의하여 금층(25)은 범프(46) 내로 확산되어 소실된다. 그리고 전극(18)과 범프(46) 사이에는, 땜납 재료와 니켈을 주성분으로 하는 금속 간 화합물층(45)이 형성된다. 금속 간 화합물층(44 및 45)은, 예를 들어 니켈, 주석 및 구리를 포함하고, 예를 들어 Ni3Sn4, Cu6Sn5, 또는 Cu3Sn 등을 포함한다. 금속 간 화합물층(44 및 45)의 두께는 접합의 시간과 온도에 의존하는데, 대략 1㎛ 정도이다. 금속 간 화합물층(44 및 45)은, SEM(Scanning Electron Microscope: 주사형 전자 현미경)에 의한 단면 관찰, 또는 단면 관찰과 EDX(energy dispersive X-ray spectroscopy: 에너지 분산형 X선 분광법)에 의한 조성 분석에 의하여 검출할 수 있다.
다음으로, 본 실시 형태에 따른 반도체 장치의 제조 방법에 대하여 설명한다.
도 6의 (a) 내지 (d), 도 7의 (a) 내지 (d), 도 8의 (a) 내지 (d), 도 9, 도 10, 도 11, 도 12의 (a) 및 (b), 도 13의 (a) 및 (b)는, 본 실시 형태에 따른 반도체 장치의 제조 방법을 도시하는 단면도이다.
도 12의 (b)는, 도 12의 (a)의 영역 D를 도시하는 일부 확대 단면도이다.
도 13의 (b)는, 도 13의 (a)의 영역 E를 도시하는 일부 확대 단면도이다.
우선, 도 6의 (a)에 도시한 바와 같이, 지지 기판(100)을 준비한다. 지지 기판(100)은, 예를 들어 실리콘 웨이퍼 또는 유리 기판이다. 다음으로, 지지 기판(100)의 상면 상에 박리층(101)을 형성한다. 박리층(101)은, 예를 들어 특정 약액에 용해 가능한 유기 재료, 또는 광 조사에 의하여 분해 반응을 발생시키는 유기 재료, 또는 일정 이상의 응력 인가로 박리를 발생시키는 유기 재료 혹은 무기 재료이다.
다음으로, 박리층(101) 상에 티타늄층(102)(제1 배리어층)을 연속적으로 형성하고, 그 위에 구리층(103)(도전층)을 연속적으로 형성하고, 그 위에 티타늄층(104)(제2 배리어층)을 연속적으로 형성한다. 티타늄층(102)은 박리층(101)과의 밀착성이 높다. 티타늄층(102), 구리층(103) 및 티타늄층(104)에 의하여 시드층(105)이 구성된다.
다음으로, 도 6의 (b)에 도시한 바와 같이, 시드층(105) 상에, 예를 들어 유기 재료를 포함하는 절연층(11a)(제1 절연층)을 형성한다. 다음으로, 예를 들어 리소그래피법 또는 레이저 조사에 의하여 절연층(11a)에 비아 홀(11b)(제1 개구부)을 형성한다. 비아 홀(11b)의 저면에는 시드층(105)이 노출된다.
다음으로, 도 6의 (c)에 도시한 바와 같이, 예를 들어 에칭을 실시함으로써, 티타늄층(104)에 있어서의 절연층(11a)으로 덮여 있지 않은 부분을 제거한다. 이 결과, 티타늄층(104)에 개구부(104a)(제2 개구부)가 형성되어 구리층(103)이 노출된다. 티타늄층(104)에 있어서의 절연층(11a)으로 덮여 있는 부분은 잔류한다.
다음으로, 도 6의 (d)에 도시한 바와 같이, 시드층(105)을 통하여 전해 도금을 실시함으로써 니켈을 퇴적시킨다. 이것에 의하여 티타늄층(104)의 개구부(104a) 내 및 비아 홀(11b)의 하부 내에 전극(18)이 형성된다. 구리층(103)은 도전성이 높기 때문에 도금 두께의 균일성을 높일 수 있다. 전극(18) 중, 개구부(104a) 내에 배치된 부분이 하부(18a)로 되고, 비아 홀(11b)의 하부 내에 배치된 부분이 상부(18b)로 된다.
다음으로, 도 7의 (a)에 도시한 바와 같이, 예를 들어 스퍼터법에 의하여 전체면에 티타늄을 퇴적시켜 티타늄층(21)(제3 배리어층)을 형성한다. 다음으로, 예를 들어 스퍼터법에 의하여 전체면에 구리를 퇴적시켜 구리층(22)을 형성한다. 티타늄층(21) 및 구리층(22)은 절연층(11a)의 상면 상, 비아 홀(11b)의 상부의 측면 상, 그리고 전극(18)의 상면 상에 연속적으로 형성된다.
다음으로, 도 7의 (b)에 도시한 바와 같이, 구리층(22) 상에 레지스트 패턴(106)을 형성한다. 레지스트 패턴(106)에는 리소그래피법에 의하여 개구부(106a)를 형성한다. 개구부(106a)의 저면에는 비아 홀(11b)이 위치하도록 한다. 이것에 의하여 개구부(106a)는 비아 홀(11b)에 연통된다.
다음으로, 도 7의 (c)에 도시한 바와 같이, 구리층(22)을 통하여 구리를 전해 도금함으로써 개구부(106a) 내에 하부 도전 부재(12)를 형성한다. 하부 도전 부재(12)는 구리층(22)과 일체화된다. 하부 도전 부재(12) 중, 비아 홀(11b)의 상부 내에 매립된 부분이 비아(14)로 되고, 절연층(11a) 상에 퇴적된 부분이 배선(15)으로 된다. 비아(14)는 구리층(22) 및 티타늄층(21)을 통하여 전극(18)에 접속된다.
다음으로, 도 7의 (d)에 도시한 바와 같이, 레지스트 패턴(106)을 제거한다. 이것에 의하여, 구리층(22)에 있어서의 레지스트 패턴(106)으로 덮여 있던 부분이 노출된다.
다음으로, 도 8의 (a)에 도시한 바와 같이, 예를 들어 에칭을 실시함으로써, 구리층(22) 및 티타늄층(21)에 있어서의 하부 도전 부재(12)로 덮여 있지 않은 부분을 제거한다. 이 결과, 절연층(11a)이 다시 노출된다. 한편, 구리층(22) 및 티타늄층(21)에 있어서의 하부 도전 부재(12)로 덮여 있는 부분은 잔류한다.
다음으로, 도 8의 (b)에 도시한 바와 같이, 절연층(11a) 및 하부 도전 부재(12) 상에, 예를 들어 유기 재료를 포함하는 절연층(11c)(제2 절연층)을 형성한다. 절연층(11a) 및 절연층(11c)에 의하여 절연층(11)이 형성된다. 다음으로, 예를 들어 리소그래피법 또는 레이저 조사에 의하여 절연층(11c)에 비아 홀(11d)(제3 개구부)을 형성한다. 비아 홀(11d)의 저면에는 하부 도전 부재(12)의 배선(15)이 노출된다. 이후, 절연층(11a) 및 절연층(11c)을 구별하지 않고 절연층(11)으로서 나타낸다.
다음으로, 도 8의 (c)에 도시한 바와 같이, 예를 들어 스퍼터법에 의하여 전체면에 티타늄을 퇴적시켜 티타늄층(23)을 형성한다. 다음으로, 예를 들어 스퍼터법에 의하여 전체면에 구리를 퇴적시켜 구리층(24)을 형성한다. 티타늄층(23) 및 구리층(24)은 절연층(11)의 상면 상, 및 비아 홀(11d)의 내면 상에 연속적으로 형성된다.
다음으로, 구리층(24) 상에 레지스트 패턴(108)을 형성한다. 레지스트 패턴(108)에는 리소그래피법에 의하여 개구부(108a)를 형성한다. 개구부(108a)의 저면에는 비아 홀(11d)이 위치하도록 한다. 이것에 의하여 개구부(108a)는 비아 홀(11d)에 연통된다.
다음으로, 도 8의 (d)에 도시한 바와 같이, 구리층(24)을 통하여 구리의 전해 도금을 실시함으로써 개구부(108a) 내에 상부 도전 부재(13)를 형성한다. 상부 도전 부재(13)는 구리층(24)과 일체화된다. 상부 도전 부재(13) 중, 비아 홀(11d)내에 매립된 부분이 비아(16)로 되고, 절연층(11) 상에 퇴적된 부분이 패드(17)로 된다. 비아(16)는 구리층(24) 및 티타늄층(23)을 통하여 배선(15)에 접속된다. 다음으로, 상부 도전 부재(13)를 통하여 니켈을 전해 도금함으로써 상부 도전 부재(13)의 패드(17) 상에, 니켈을 포함하는 전극(19)을 형성한다. 다음으로, 전극(19) 상에 귀금속, 예를 들어 금의 치환 도금을 행한다. 이것에 의하여 전극(19)으로부터 니켈의 일부가 용출됨과 함께 금이 석출된다. 이 결과, 전극(19)의 상면 상에 금층(109)이 형성된다.
다음으로, 레지스트 패턴(108)(도 8의 (c) 참조)을 제거한다. 이것에 의하여, 구리층(24)에 있어서의 레지스트 패턴(108)으로 덮여 있던 부분이 노출된다. 또한 패드(17), 전극(19) 및 금층(109)이 구리층(24)으로부터 돌출된다.
다음으로, 예를 들어 에칭을 실시함으로써, 구리층(24) 및 티타늄층(23)에 있어서의 상부 도전 부재(13)로 덮여 있지 않은 부분을 제거한다. 이 결과, 절연층(11)이 다시 노출된다. 구리층(24) 및 티타늄층(23)에 있어서의 상부 도전 부재(13)로 덮여 있는 부분은 잔류한다.
다음으로, 도 9에 도시한 바와 같이, 전극(19)의 상면에 마이크로범프(31)를 통하여 반도체 칩(30)을 접합한다. 이때, 금층(109)은 마이크로범프(31) 내로 확산되어 소실됨과 함께, 새로이 구리, 주석 및 니켈을 주성분으로 하는 금속 간 화합물층(44)(도 2 참조)이 형성된다. 다음으로, 이 반도체 칩(30) 상에 복수의 반도체 칩(30)을 마이크로범프(32)를 통하여 적층한다. 이것에 의하여 절연층(11) 상에 복수의 반도체 칩(30)이 적층된다. 복수의 반도체 칩(30)은 마이크로범프(32 및 31), 전극(19)을 통하여 패드(17)에 접속된다. 또한 미리 마이크로범프(32)를 통하여 서로 접합시킨 복수의 반도체 칩(30)을 포함하는 적층체를 마이크로범프(31)를 통하여 전극(19)에 접합해도 된다.
다음으로, 도 10에 도시한 바와 같이, 절연층(11) 상에, 복수의 반도체 칩(30)을 포함하는 적층체를 덮도록 수지 재료를 성형 밀봉하고, 예를 들어 200℃ 이하의 온도에서 열경화시킴으로써 수지 부재(36)를 형성한다.
다음으로, 도 11에 도시한 바와 같이, 예를 들어 약액을 사용하여 용해시킴으로써, 또는 광 조사로 분해함으로써 박리층(101)(도 10 참조)을 제거한다. 또는 박리층(101)의 밀착력을 상회하는 힘으로 지지 기판(100)(도 10 참조)을 박리층(101)으로부터 떼어낸다. 이것에 의하여 지지 기판(100)이 제거되어 시드층(105)이 노출된다.
다음으로, 도 12의 (a) 및 (b)에 도시한 바와 같이, 시드층(105)(도 11(a) 및 (b) 참조), 즉, 티타늄층(102), 구리층(103) 및 티타늄층(104)을 제거한다. 이것에 의하여 절연층(11) 및 전극(18)의 하부(18a)가 노출된다. 이때, 티타늄층(104)의 두께만큼 전극(18)의 하부(18a)가 절연층(11)의 하면(11r)으로부터 돌출된다.
다음으로, 도 13의 (a) 및 (b)에 도시한 바와 같이, 귀금속, 예를 들어 금의 치환 도금을 행한다. 이것에 의하여 전극(18)의 하부(18a)로부터 니켈의 일부가 용출됨과 함께 금이 석출된다. 이 결과, 전극(18)의 하부(18a)의 측면 상 및 하면 상에 금층(25)이 형성된다. 이상의 공정에 의하여 재배선층(10)이 형성된다.
다음으로, 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 일부의 전극(18)에 마이크로범프(42)를 통하여 제어용 칩(41)을 접합한다. 이 접합 시의 가열에 의하여 금층(25)은 마이크로범프(42) 내로 확산되어 소실된다. 또한 전극(18)의 하부(18a)와 마이크로범프(42) 사이에는, 구리, 주석 및 니켈을 주성분으로 하는 금속 간 화합물층(44)이 형성된다. 또한 재배선층(10)과 제어용 칩(41) 사이에, 마이크로범프(42)를 덮도록 수지 부재를 형성해도 된다.
다음으로, 다이싱을 행하여 재배선층(10) 및 수지 부재(36)를 절단한다. 이것에 의하여 복수의 반도체 장치(1)가 제조된다. 반도체 장치(1)의 구성은 도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같다.
다음으로, 본 실시 형태의 효과에 대하여 설명한다.
본 실시 형태에 있어서는, 도 6의 (a) 내지 도 10에 도시하는 공정에 있어서, 지지 기판(100) 상에, 재배선층(10), 반도체 칩(30), 수지 부재(36) 등을 포함하는 구조체를 형성한 후, 도 11에 도시하는 공정에 있어서, 지지 기판(100)을 제거하고 있다. 이것에 의하여 재배선층(10)을 통하여 반도체 칩(30)을 범프(46)에 접속할 수 있다. 이 결과, 프린트 기판을 사용하는 경우와 비교하여 반도체 장치(1)의 높이 저감화를 도모할 수 있다.
또한 본 실시 형태에 있어서는, 도 6의 (a)에 도시하는 공정에 있어서 티타늄층(104)을 형성하고, 도 6의 (c)에 도시하는 공정에 있어서 티타늄층(104)에 개구부(104a)를 형성하고, 도 6의 (d)에 도시하는 공정에 있어서 개구부(104a) 내에 전극(18)의 하부(18a)를 형성하고, 도 12에 도시하는 공정에 있어서 티타늄층(104)을 제거하고 있다. 이것에 의하여, 도 1 및 도 3에 도시한 바와 같이, 완성 후의 반도체 장치(1)에 있어서는, 티타늄층(104)의 두께만큼 전극(18)의 하부(18a)가 절연층(11)의 하면(11r)으로부터 돌출된다.
이 결과, 도 4 및 도 5에 도시한 바와 같이, 범프(46)를 전극(18)에 접합하였을 때에 범프(46)가 전극(18)의 측면을 덮도록 접합된다. 이 때문에 범프(46)에 대하여 전극(18)의 앵커로서 작용하여 범프(46)와 전극(18)의 접합력이 강해진다. 특히 전단력, 즉, 수평 방향의 힘에 대한 내성이 향상된다. 또한 범프(46)의 노출면 전체가 볼록면으로 되고, 범프(46)에 잘록부 등의 오목부가 형성되지 않는다. 이 때문에, 범프(46)에 오목부를 기점으로 한 크랙이 발생하는 것을 피할 수 있다. 이 결과, 범프(46)의 신뢰성이 향상된다.
또한, 본 실시 형태에 있어서는, 도 6의 (b) 내지 도 11에 도시하는 공정에 있어서, 구리층(103)과 절연층(11) 사이에 티타늄층(104)이 개재되어 있다. 절연층(11)은 유기 재료를 포함하고 티타늄은 유기 재료에 대하여 밀착성이 높기 때문에, 구리층(103)과 절연층(11)은 밀착성이 높다. 이 때문에 반도체 장치(1)는 제조 안정성이 높다. 한편, 유기 재료와 구리는 밀착성이 낮기 때문에, 가령 절연층(11)과 구리층(103)이 직접 접촉하고 있으면 계면에서 박리될 가능성이 있다.
게다가 또한, 본 실시 형태에 있어서는, 절연층(11)과 하부 도전 부재(12) 사이에 티타늄층(21)을 마련함과 함께, 절연층(11)과 상부 도전 부재(13) 사이에 티타늄층(23)을 마련하고 있다. 이것에 의하여 하부 도전 부재(12) 및 상부 도전 부재(13)가 절연층(11)으로부터 박리되는 것을 억제할 수 있다.
또한 하부 도전 부재(12) 및 상부 도전 부재(13)의 재료는 구리에 한정되지는 않지만, 범프(46)와 반도체 칩(30) 사이에 저항을 억제하기 위하여, 도전성이 높은 재료인 것이 바람직하다. 또한 본 실시 형태에 있어서는, 배리어층으로서 티타늄층(21 및 23)을 마련하는 예를 나타내었지만 이에 한정되지는 않으며, 다른 재료를 포함하는 층을 마련해도 된다. 단, 배리어층의 재료는 유기 재료와의 밀착성이 높은 것이 바람직하다. 일반적으로 표현하면, 하부 도전 부재(12) 및 상부 도전 부재(13)의 재료는 배리어층의 재료보다도 저항률이 낮고, 배리어층의 재료는 하부 도전 부재(12) 및 상부 도전 부재(13)의 재료보다도 유기 재료에 대한 밀착성이 높은 것이 바람직하다. 경험적으로는 융점이 높은 금속일수록 유기 재료와의 밀착성이 높은 경향이 있기 때문에, 예를 들어 배리어층의 재료는 구리보다도 융점이 높은 금속 재료로 할 수 있다.
또한 필요에 따라, 제어용 칩(41)을 접합한 후, 다이싱하기 전에, 제어용 칩(41)과 접합되지 않은 전극(18)에, 범프(46)로 되는 땜납 볼을 공급하고, 가열하여 접합해도 된다. 이 접합 시의 가열에 의하여 금층(25)은 범프(46) 내로 확산되어 소실된다. 또한 전극(18)의 하부(18a)와 범프(46) 사이에는, 구리, 주석 및 니켈을 주성분으로 하는 금속 간 화합물층(45)이 형성된다. 이것에 의하여, 범프(46)를 구비한 반도체 장치(1)를 제조할 수 있다.
다음으로, 비교예에 대하여 설명한다.
도 14는, 비교예에 따른 반도체 장치를 도시하는 단면도이다.
도 14는, 도 1의 영역 B에 상당하는 부분을 도시한다.
도 14에 도시한 바와 같이, 본 비교예에 따른 반도체 장치(111)에 있어서는, 전극(118)의 하면이 절연층(11)의 하면(11r)으로부터 오목한 위치에 있다. 이 때문에, 전극(118)에 범프(146)를 접합하면, 범프(146)에 있어서의 하면(11r)의 연장면 상에 잘록부(146a)가 형성되는 경우가 있다. 이 결과, 범프(146)에, 예를 들어 수평 방향의 전단력이 인가되면, 잘록부(146a)를 기점으로 하여 크랙이 생성되어 범프(146)가 파단되어 버리는 경우가 있다. 이 때문에 반도체 장치(111)는 범프(146)의 신뢰성이 낮다.
이상 설명한 실시 형태에 의하여, 범프의 접합 강도를 향상 가능한 반도체 장치 및 그 제조 방법을 실현할 수 있다.
이상, 본 발명의 몇몇 실시 형태를 설명하였지만, 이들 실시 형태는 예로서 제시한 것이며 발명의 범위를 한정하는 것은 의도하고 있지 않다. 이들 신규의 실시 형태는 그 외의 다양한 형태로 실시되는 것이 가능하며, 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다양한 생략, 치환, 변경을 행할 수 있다. 이들 실시 형태나 그 변형은 발명의 범위나 요지에 포함됨과 함께, 특허 청구의 범위에 기재된 발명 및 그 등가물의 범위에 포함된다.

Claims (15)

  1. 절연층과,
    상기 절연층 내에 마련된 도전 부재와,
    상기 절연층의 제1 면 상에 배치되어 상기 도전 부재에 접속된 칩과,
    상기 도전 부재에, 저항률이 상기 도전 부재의 저항률보다도 높은 배리어층을 통하여 접속되고, 적어도 일부가 상기 절연층의 제2 면으로부터 돌출된 전극
    을 구비한, 반도체 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전극에 접합된 범프를 더 구비한, 반도체 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 범프는 상기 전극의 측면을 덮고 있는, 반도체 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전극은 니켈을 포함하는, 반도체 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 배리어층은 상기 절연층과 상기 도전 부재 사이에 마련된, 반도체 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도전 부재는,
    상기 칩에 접속된 제1 비아와,
    상기 전극에 접속된 제2 비아와,
    상기 제1 비아와 상기 제2 비아 사이에 접속된 배선
    을 갖고,
    상기 배리어층은 적어도 상기 제2 비아의 하면 상 및 측면 상, 그리고 상기 배선의 하면 상에 배치되고, 상기 제2 비아는 상기 배리어층을 통하여 상기 전극에 접속된, 반도체 장치.
  7. 지지 기판 상에 박리층, 제1 배리어층, 도전층 및 제2 배리어층을 형성하는 공정과,
    상기 제2 배리어층 상에, 제1 개구부가 형성된 제1 절연층을 형성하는 공정과,
    상기 제1 절연층을 마스크로 하여 에칭을 실시함으로써 상기 제2 배리어층에, 상기 제1 개구부에 연통된 제2 개구부를 형성하는 공정과,
    상기 제2 개구부 내 및 상기 제1 개구부의 하부 내에 전극을 형성하는 공정과,
    상기 제1 개구부의 상부의 내면 상에 제3 배리어층을 형성하는 공정과,
    상기 제1 개구부의 상부 내에 제1 비아를 형성함과 함께, 상기 제1 절연층 상에, 저항률이 상기 제3 배리어층의 저항률보다도 낮은 배선을 형성하는 공정과,
    상기 배선 상에, 제3 개구부가 형성된 제2 절연층을 형성하는 공정과,
    상기 제3 개구부 내에, 상기 배선에 접속되는 제2 비아를 형성하는 공정과,
    상기 제2 비아에 칩을 접속하는 공정과,
    상기 박리층을 제거함으로써 상기 지지 기판을 제거하는 공정과,
    상기 제1 배리어층, 상기 도전층 및 상기 제2 배리어층을 제거하는 공정
    을 구비한, 반도체 장치의 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 전극에 범프를 접합하는 공정을 더 구비한, 반도체 장치의 제조 방법.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 전극을 형성하는 공정은, 상기 도전층을 통하여 전해 도금을 실시하는 공정을 가진, 반도체 장치의 제조 방법.
  10. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 제1 비아 및 상기 배선을 형성하는 공정은, 상기 도전층을 통하여 전해 도금을 실시하는 공정을 가진, 반도체 장치의 제조 방법.
  11. 지지 기판 상에, 제1 개구부가 형성된 도전층, 및 상기 제1 개구부에 연통된 제2 개구부가 형성된 절연층을 형성하는 공정과,
    상기 제1 개구부 내 및 상기 제2 개구부의 하부 내에 전극을 형성하는 공정과,
    상기 제2 개구부의 상부 내 및 상기 절연층 상에 도전 부재를 형성하는 공정과,
    상기 도전 부재에 칩을 접속하는 공정과,
    상기 지지 기판 및 상기 도전층을 제거하는 공정
    을 구비한, 반도체 장치의 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 전극에 범프를 접합하는 공정을 더 구비한, 반도체 장치의 제조 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 도전층 및 상기 절연층을 형성하는 공정은,
    상기 지지 기판 상에 연속적으로 상기 도전층을 형성하는 공정과,
    상기 도전층 상에, 상기 제2 개구부가 형성된 절연층을 형성하는 공정과,
    상기 절연층을 마스크로 하여 상기 도전층을 에칭함으로써 상기 제1 개구부를 형성하는 공정
    을 가진, 반도체 장치의 제조 방법.
  14. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전극을 형성하는 공정은, 상기 도전층을 통하여 전해 도금을 실시하는 공정을 가진, 반도체 장치의 제조 방법.
  15. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도전 부재를 형성하는 공정은, 상기 도전층 및 상기 전극을 통하여 전해 도금을 실시하는 공정을 가진, 반도체 장치의 제조 방법.
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