JP2003514380A - はんだ付けが可能なパッドおよびワイヤボンディングが可能なパッドを有する金属再配置層 - Google Patents

はんだ付けが可能なパッドおよびワイヤボンディングが可能なパッドを有する金属再配置層

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JP2003514380A
JP2003514380A JP2001537102A JP2001537102A JP2003514380A JP 2003514380 A JP2003514380 A JP 2003514380A JP 2001537102 A JP2001537102 A JP 2001537102A JP 2001537102 A JP2001537102 A JP 2001537102A JP 2003514380 A JP2003514380 A JP 2003514380A
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forming
metal layer
wire bond
opening
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ラム,ケン・エム
コバッツ,ジュリアス・エイ
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Atmel Corp
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Abstract

(57)【要約】 再配置金属被覆の配列は、今あるボンドパッド(102)に加え、ソルダバンプ(122)とワイヤボンドパッド(132)とを組合せ、特にフリップチップへの適用において半導体素子の接続性を高める。製造方法は、再配置形成のステップの間に追加のボンドパッドを形成するステップを含む。再配置層内で用いられる金属(204,206,208)はソルダバンプに対してははんだ付け可能な表面をもたらし、ワイヤボンディングに対してはボンディング可能な表面をもたらす。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【技術の分野】
この発明は一般に半導体素子に関し、特に金属再配置層に関する。
【0002】
【背景技術】
現在のICへの適用では通常、多くのI/Oのピンアウトが求められる。しか
し、多くのピンアウトは従来のワイヤボンディングされたパッケージまたはTA
BのICパッケージに対して問題を引起す。ワイヤボンディングおよびTABパ
ッケージングでは、ダイボンドパッドが半導体ダイの周辺に形成されなければな
らない。I/O数を増やし、増大する機能性に適応する一方で、ダイのサイズは
ほとんど変わっていない。なぜなら、処理技術の向上により、素子の形態が縮小
し続けているからである。したがって、ワイヤボンディングの技術には、最小ボ
ンドピッチの限界がある。
【0003】 ソルダバンプアレイの開発は、ダイそのものの表面領域を用いてボンディング
位置のフィールドを設けることにより、半導体ダイスのピンアウト能力を著しく
向上させた。このピンアウトの配列の重要な要素は、金属再配置層を用いること
である。これは完成した半導体ダイの上に形成される配線層である。配線層から
、通常ダイの周辺に形成される、下にあるダイボンドパッドに電気的接続がなさ
れる。配線層はダイの表面領域の周辺からボンドパッドを再配置するはたらきを
するために、ダイからのより多くのI/Oのピンアウトを可能にする。
【0004】 ピンアウトの必要性は高まり続けているので、ソルダバンプ法とワイヤボンデ
ィング技術を組合せてより多くのピンアウトの能力を提供する必要がある。しか
し、各アプローチで用いられる材料は互いに排他的である。ソルダバンプに適す
る材料は機械的な接着特性に乏しいため、ワイヤボンディングには適さない。た
とえば、銅は極めてはんだ付けしやすい材料であるが、ワイヤボンディングに対
しては優れた候補ではない。なぜなら、銅は乏しいボンディング特性を呈する酸
化物層を容易に形成するからである。適切なボンディングが行なわれるであろう
環境が準備できても、それを行なうコストは極めて高いため、そのプロセスはこ
れまで開発されなかった。
【0005】 同様に、優れたワイヤボンディング能力を呈する材料も、はんだ付けをされる
と一般にうまくはたらかない。たとえば、アルミニウムはボンディングに良い材
料である。しかし、アルミニウムの上に形成される酸化物層は、強力なはんだ付
け接合を得るのに除去されなくてはならない。酸化物層を除去するためのエッチ
ャントは極めて攻撃的であり、酸化物層に加え、下にあるアルミニウムの部分も
エッチング除去する傾向がある。このオーバーエッチングは、バルクアルミニウ
ムが用いられる場合は容認できるかもしれないが、薄膜アルミニウム構造では問
題である。なぜなら、始まりのアルミニウムがほとんどないからである。
【0006】 したがって、ソルダバンプおよびワイヤボンディングのどちらにも適応可能な
再配置金属被覆に対する必要性がある。それは、今ある再配置金属被膜の方法と
充分に一体化するプロセスを有しながらも、ソルダバンプおよびワイヤボンディ
ング構造をもたらすことが望ましい。
【0007】
【発明の概要】
この発明の再配置金属被覆配列は、半導体ダイの上に存在するボンドパッドを
再配置するはたらきが可能な新しいワイヤボンドパッドの存在に加え、従来のソ
ルダバンプも含む。このことにより、特にフリップチップへの適用において、素
子に対する接続性のオプションが改善される。
【0008】 この発明に従った再配置金属被覆の製造は、パッシベーション層を形成するス
テップと、下にあるボンドパッドに必要なだけ開口を形成するステップとを含む
。その後、3層の金属層がパッシベーション層の上にブランケット形成され、エ
ッチングされて必要な再配置線を形成する。同時に、追加のワイヤボンドパッド
もパターニングされる。第2のパッシベーション層が形成され、エッチングされ
て下にある金属被覆の上でソルダバンプが形成されるであろう位置、および追加
されたワイヤボンドパッドに対応する位置で領域を露出させる。次に、ソルダバ
ンプが形成される。一実施例では、後のエッチングのステップが追加されたワイ
ヤボンドパッドの位置で3層の金属層の下にある金属層を露出させるよう行なわ
れる。
【0009】
【この発明を実施するための最良の態様】
図1を参照すると、この発明は、その再配置層においてソルダバンプとワイヤ
ボンディングパッドとを組合せる、再配置金属被覆を含む配列に向けられる。半
導体素子100は下にある基板を含み、102がその上に破線で示されるように
形成される。金属被覆層は、下にあるワイヤボンドパッド102と電気的に接触
している第1の端を有する、複数の線142から148を持つ。これらの線に沿
ってソルダバンプ122および追加のワイヤボンドパッド132から138が形
成される。ソルダバンプおよび追加のパッドは、線によって半導体素子の表面上
に効果的に「再配置」されるため、より多くのピンアウトの数をもたらす。再配
置層中にソルダバンプをソルダバンプのアレイとして配置することにより、より
高いI/Oピン充填密度が達成される。追加のワイヤボンドパッド132から1
38により、基板とICパッケージとの間の、本来のボンドパッド102の位置
以外の場所でワイヤボンディングを行なうことができる。これは、以下に論じら
れるであろうスタックドチップ構成において、特に有利である。
【0010】 図2Aから図2Iはこの発明の処理のステップを示す。これらの図は図1の観
察線2−2から見られ、再配置金属被覆がいかに形成されるかを示す。図2Aは
本質的に完成された半導体ウエハ104で始まる。ウエハが必要な構成要素とし
ての基板層およびその関連する金属層および絶縁層を含み、その意図される機能
性に対して回路を充分に規定し、ICパッケージにおいて接続に必要とされるワ
イヤボンドI/Oパッド102を含むことは理解される。
【0011】 図2Bでは、誘電体材料から成るパッシベーション層202がウエハ104の
上表面上に形成される。数多くの絶縁材料のうち、任意のものを使用できる。た
とえば、光限定の(photo-definable)ベンゾシクロブタン(BCB)が層20
2に対して用いられた。
【0012】 公知のフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術が用いられ、図2Cにあ
るように、下にあるワイヤボンドパッド102に達するまでビア212を落とす
。次に、図2Dにあるように、3層の金属構造240が、エッチングされたパッ
シベーション層202上にブランケット形成される。通常、これはスパッタリン
グ方法によって達成され、各層は一度に1つずつスパッタリングされる。まず、
アルミニウム層204がスパッタリングされる。その後、ニッケルのターゲット
を用いてアルミニウム層の上にニッケル層206をスパッタで形成する。最後に
、銅のターゲットを与えてニッケル層の上に銅の層208を形成する。アルミニ
ウム層が密着層としてはたらく一方で、ニッケルは銅の層とアルミニウム層との
間でバリア層としてはたらく。
【0013】 その後、3層の金属層240はフォトリソグラフィによって処理され、エッチ
ングされて再配置層を含む線を規定する。さらに、この発明に従って、追加のワ
イヤボンドパッド132から138が3層の金属層内に規定される。線142お
よび追加のパッド132は図2Dにおいて点線によって示される。図3Aの斜視
図は、より明らかにこの発明のこの局面を示す。図3Aの表示は、パッシベーシ
ョン層202の上の線142の形成を示し、その第1の端はビア212を介し、
下にあるパッド102と電気的に接触する。線142のもう1つの端はパッシベ
ーション層の上に同じく形成された新しいワイヤボンドパッド132内で終わる
【0014】 その後、図2Eにあるように、第2のパッシベーション層222がエッチング
された3層の金属層240の上に形成され、湿気および汚染物質に対する保護シ
ールを設け、スクラッチ保護層としてはたらく。その後、第2のパッシベーショ
ン層222は、パッシベーション層から3層の金属層に達するまでソルダバンプ
の位置214を開けるようエッチング除去される。さらに、パッドの開口216
がパッシベーション層から3層の金属層に達するまで作られる。パッドの開口は
3層の金属層内に形成されるワイヤボンドパッド132と一致する。図2Fで示
されるように、このステップで作られる開口214および216は3層の金属層
の最上層、すなわち銅の層208の表面を露出させたままにする。図3Bの斜視
図は処理のこの段階にあるウエハをより明らかに示す。ここで、線142および
追加されたワイヤボンドパッド132は点線で示され、それらが絶縁層222の
下にあることを示す。開口214および216が示され、下にある銅の層208
を露出させる。
【0015】 次に図2Gを参照すると、ソルダバンプの位置214ははんだおよびあらゆる
適切なバリア金属で満たされ、公知のC4(制御された破壊チップ構成)技術ま
たは他のボール−グリッドアレイの処理技術を用いる、信頼性のあるソルダバン
プ122を形成する。銅がソルダバンプの形成に非常によく適しているため、ソ
ルダバンプ122が下にある再配置金属被覆に対して強い機械的結合を有するで
あろうことを思い出されたい。
【0016】 さらに、その高い酸化速度により、銅がワイヤボンディングへの適用に対して
非理想的である一方で、アルミニウムはボンディング可能な金属であることを思
い出されたい。したがって、この発明に従い、ソルダバンプを設けられたウエハ
は、後のエッチングのステップを受け、開口216から露出された銅の層および
ニッケル層を除去する。これは、アルミニウムおよびニッケルを除去するための
数多くの公知のウエット化学エッチング技術のうちの任意のものによって達成で
きる。エッチングのステップの結果は図2Hで示され、ワイヤボンドパッド13
2は今やアルミニウムの単一の層からのみ成る。ワイヤ(たとえば図2Iのワイ
ヤ230)が後のワイヤボンディングの工程においてボンディングされるのは、
このアルミニウム層の表面に対してである。
【0017】 上述の好ましい実施例は銅/ニッケル/アルミニウムの3層の金属層を用いる
ことを論じている。パラジウムおよび白金を含む、アルミニウム以外の金属をボ
ンディング可能な層として用いることもできる。さらに、金属の最上層が金であ
ると、この発明のソルダバンプおよびワイヤパッドの配置が得られる。したがっ
て、この発明の他の実施例では金が用いられる。そのとき、図2Dに関し、最下
底の電気伝導性金属密着層204はパッシベーション層202上にスパッタリン
グされ得る。通常の密着金属は、アルミニウムおよびチタン−タングステン(T
iW)を含む。上述のとおり、金属層はエッチングされ、再配置層および追加さ
れたワイヤボンドパッド132から138を含む所望の線142から148を形
成する。
【0018】 次に、ニッケル層206が形成され、金の層208が続く。図2Eおよび図2
Fで示されるように、その後、第2のパッシベーション層222が形成され、エ
ッチングされて開口214および216を形成する。最後に、図2Gにあるよう
に、ソルダバンプ122が形成される。図2Hに示される、後の金属エッチング
のステップは必要ではない。なぜなら、金はワイヤボンディングの目的に対し適
切なボンディング特性を呈するからである。したがって、上にある金の層は保持
される。しかし、金がうまくはんだ付けされないことが注目される。なぜなら、
金ははんだ付け工程の間、はんだ接合部に浸出するからである。しかし、3層の
金属層が金/ニッケル/接着(ALまたはTiW)であるこの発明のこの実施例
において、はんだ付け工程の間、金がはんだ接合部に浸出するので、はんだ接合
部はニッケル層と出会う。ニッケルははんだ付けが可能な金属なので、ソルダバ
ンプはそのソルダバンプパッド領域に信頼性を持って固定されるであろう。した
がって、金/ニッケル層を用いることにより、ボンディングが可能でかつはんだ
付けが可能な層を与えることができる。
【0019】 図1に戻ると、追加されたワイヤボンドパッドのさまざまな使用法が可能であ
る。追加されたワイヤボンドパッドを、それが対応する、下にあるワイヤボンド
パッド上に単に置くこともできる。したがって、ボンドパッド134はボンドパ
ッド102Aの上に置かれる。この構成は、下にあるパッド102Aが再び置か
れる必要のないときに用いられる。フリップチップの構成における他の使用法も
ある。より上にあるチップから、より下にあるチップ上のボンドパッドに接続を
行い、外側のピンに信号が出せる。したがって、ソルダバンプ126は線146
によって、下底のチップ上のパッド136に接続をもたらす、より上にあるチッ
プ上で、一致する伝導性ビアに結合されるだろう。しかし、回路密度の高い、極
めて複雑な適用においても他の使用法があるかもしれない。下にあるボンドパッ
ド102Bをパッド136等の新しい位置に経路指定するのが望ましい状況を想
像することができる。しかし、このような直接の経路指定は回路密度のため、存
在し得ない。しかし、この発明は、パッド102Bが線144およびソルダバン
プ124を介し、フリップチップ設計においてより上にあるチップに経路指定さ
れる配置を提供する。より上にあるチップは、線146を介してそのときもパッ
ド136の上にあり続けるソルダバンプ126に信号を送る。この例により、再
配置層の多数の適用が考えられ、当業者の想像によってのみ限定されることがわ
かる。この発明は、再配置金属被覆における可能な特定のパターンで存在するの
でなく、むしろソルダバンプおよびワイヤボンドパッドを組合せることが可能で
、半導体素子内および2つのフリップチップの接続されたダイ間の接続性におい
てさらなる柔軟性をもたらす事実、および、第1に、再配置金属被覆が形成され
てソルダバンプおよびワイヤボンドパッドの両方が可能になる方法において存在
する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 下にあるワイヤボンドパッドと金属再配置層とを示す、典型的な
IC素子の上面図である。
【図2】 AからIはこの発明に従った、再配置層を生成するための処理の
ステップを示す図である。
【図3A】 この発明のこれらの局面をより良く理解するための、処理の間
の中間結果の斜視図である。
【図3B】 この発明のこれらの局面をより良く理解するための、処理の間
の中間結果の斜視図である。
【図3C】 この発明のこれらの局面をより良く理解するための、処理の間
の中間結果の斜視図である。
【手続補正書】特許協力条約第34条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成13年10月26日(2001.10.26)
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01L 21/822 H01L 21/88 T 27/04 (72)発明者 コバッツ,ジュリアス・エイ アメリカ合衆国、80829 コロラド州、マ ニトゥー・スプリングス、パイロット・ノ ブ・アベニュ、368 Fターム(参考) 5F033 HH07 HH08 HH11 HH13 HH18 HH23 HH31 JJ01 JJ07 JJ08 JJ11 JJ13 JJ18 JJ23 KK07 MM08 MM13 NN06 NN07 PP15 QQ08 QQ09 QQ19 RR21 RR27 VV07 XX00 5F038 BE07 EZ20 5F044 EE02 EE06 EE20 EE21 RR08 5F064 DD42

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 集積回路であって、 第1の表面と前記第1の表面に形成される第1の複数のワイヤボンドパッドと
    を有する半導体ダイと、 前記第1の表面上に形成される再配置層とを含み、前記再配置層は複数の伝導
    性再配置線を有し、そのうちの少なくともいくつかは前記第1のワイヤボンドパ
    ッドと電気的に接触する第1の端を有し、前記集積回路は、 前記再配置線の少なくともいくつかとパターニングされた第2の複数のワイヤ
    ボンドパッドと、 前記再配置層の上に形成される絶縁層とを含み、前記絶縁層は前記再配置線に
    沿って第1の場所まで通じる第1の開口と、前記第2のワイヤボンドパッドまで
    通じる第2の開口とを有し、前記集積回路はさらに、 前記第1の開口から前記第1の場所まで前記再配置線に沿って形成される複数
    のソルダバンプと、 前記第2の開口から前記第2のワイヤボンドパッドまでボンディングされる複
    数のボンドワイヤとを含む、集積回路。
  2. 【請求項2】 前記再配置線は前記第1の表面上に形成される下底金属層と
    、前記下底金属層の上に形成される中間金属層と、前記中間金属層の上に形成さ
    れる上の金属層とを含み、前記ソルダバンプは前記上の金属層に直接結合され、
    前記再配置線は前記第2のワイヤボンドパッドのところで前記下底金属層に達す
    るまでエッチバックされ、前記ボンドワイヤは前記下底金属層に直接結合される
    、請求項1に記載の集積回路。
  3. 【請求項3】 前記下底金属層は、アルミニウム、パラジウム、および白金
    からなる群より選ばれた1つである、請求項1に記載の集積回路。
  4. 【請求項4】 前記再配置線は最下底のアルミニウム層と、前記アルミニウ
    ム層の上に形成されるニッケル層と、前記ニッケル層の上に形成される銅の層と
    を含み、前記ソルダバンプは前記銅の層と直接結合され、前記第2のワイヤボン
    ドパッドの前記アルミニウム層は露出され、それにより、前記ボンドワイヤは前
    記アルミニウム層に直接結合される、請求項1に記載の集積回路。
  5. 【請求項5】 前記再配置線は多層金属膜を含み、第1の最上層は金であり
    、第2の層はニッケルである、請求項1に記載の集積回路。
  6. 【請求項6】 前記再配置線は、アルミニウム、チタニウムおよびチタン−
    タングステンを含む群から選択される、第3の最下底接着金属層をさらに含む、
    請求項5に記載の集積回路。
  7. 【請求項7】 第1の表面上に形成される、第1の複数のワイヤボンドパッ
    ドを有する半導体ダイスにおいて、ソルダバンプパッドおよび第2の複数のワイ
    ヤボンディングが可能なパッドを作るための方法であって、 前記第1の表面上に絶縁層を形成するステップと、 前記絶縁層から前記第1のワイヤボンドパッドに達するビアを形成するステッ
    プと、 前記絶縁層の上に金属層のブランケット被膜を形成し、それによりビアから前
    記第1のワイヤボンドパッドまで電気的経路を設けるステップと、 前記金属層をパターニングし、再配置線および前記第2のワイヤボンドパッド
    を形成するステップとを含み、前記再配置線の少なくともいくつかは、前記ビア
    により、前記第1のワイヤボンドパッドまで電気的経路を有し、前記方法は、 前記金属層の上に誘電体材料から成るブランケット被膜を形成するステップと
    、 前記オーバーコートから前記金属層に達する第1および第2の開口を形成する
    ステップとを含み、前記第1の開口は前記再配置線と一致し、前記第2の開口は
    前記第2のワイヤボンドパッドと一致し、前記方法はさらに、 前記第1の開口から、前記再配置線上にソルダバンプを形成するステップを含
    む、方法。
  8. 【請求項8】 前記金属層を形成する前記ステップは、複数の異なる金属層
    を形成するステップであり、ソルダバンプを形成する前記ステップの後で、前記
    第2の開口から露出される前記金属層の部分の少なくとも前記最上層をエッチン
    グするステップである、請求項7に記載の方法。
  9. 【請求項9】 前記金属層は3層の金属層であり、前記金属層を形成する前
    記ステップは、前記絶縁層の上にアルミニウム層を形成するステップと、前記ア
    ルミニウム層の上にニッケル層を形成するステップと、前記ニッケル層の上に銅
    の層を形成するステップとを含み、前記ステップは、前記第2の開口から露出さ
    れる前記3層の金属層の部分から、前記銅の層と前記ニッケル層とを除去するス
    テップをさらに含む、請求項7に記載の方法。
  10. 【請求項10】 前記金属層は3層の金属層であり、前記金属層を形成する
    前記ステップは、前記絶縁層の上にパラジウムまたは白金の層のいずれかを形成
    するステップと、前記アルミニウム層の上にニッケル層を形成するステップと、
    前記ニッケル層の上に銅の層を形成するステップとを含み、前記ステップは、前
    記第2の開口から露出される前記3層の金属層の部分から前記銅の層と前記ニッ
    ケル層とを除去するステップをさらに含む、請求項7に記載の方法。
  11. 【請求項11】 前記金属層を形成する前記ステップは、前記絶縁層の上に
    接着金属層を形成するステップと、前記接着金属層の上にニッケル層を形成する
    ステップと、前記ニッケル層の上に金の層を形成するステップとを含む、請求項
    7に記載の方法。
  12. 【請求項12】 前記接着層はアルミニウム、チタニウム、およびチタン−
    タングステンを含む群から選択される、請求項11に記載の方法。
  13. 【請求項13】 半導体素子を実装する方法であって、複数の回路を有し、
    上表面と、前記第1の表面上に形成される第1の複数のワイヤボンドパッドとを
    さらに有する半導体ダイを製造するステップと、 前記上表面の上に絶縁層を形成するステップと、 前記絶縁層から前記第1のワイヤボンドパッドに達するビアを開けるステップ
    と、 前記絶縁層の上に金属層をブランケット形成するステップと、 前記金属層をパターニングして再配置線を形成するステップとを含み、第1の
    複数の前記再配置線は、それをもって形成された第2のワイヤボンドパッドを有
    し、第2の複数の前記再配置線は、前記第1のワイヤボンドパッドと電気的に接
    触し、前記方法は、 前記金属層の上に誘電体材料から成るオーバーコートを形成して、前記オーバ
    ーコートから前記金属層に達する第1および第2の開口を形成するステップを含
    み、前記第1の開口は前記再配置線と一致し、前記第2の開口は前記第2のワイ
    ヤボンドパッドと一致し、前記方法はさらに、 前記第1の開口からソルダバンプを形成するステップと、 前記第2の開口から露出される前記金属層にワイヤをボンディングするステッ
    プとを含み、 それにより前記ワイヤはICパッケージのリードフレームに接続される、方法
  14. 【請求項14】 金属層をブランケット形成する前記ステップは、前記絶縁
    層の上にまず接着金属層をスパッタリングするステップと、前記接着金属層の上
    にニッケル層をスパッタリングするステップと、前記ニッケル層の上に金の層を
    スパッタリングするステップとを含み、ソルダバンプを形成する前記ステップは
    、はんだ接合部を前記金の層の上に加えるステップであり、それにより、前記金
    は前記はんだ接合部に浸出し、前記はんだ接合部は前記下にあるニッケルと接触
    し、ワイヤをボンディングする前記ステップは前記金の層に直接ボンディングす
    るステップである、請求項13に記載の方法。
  15. 【請求項15】 前記接着金属はアルミニウム、チタンおよびチタンタング
    ステン合金からなる群より選ばれた1つである、請求項14に記載の方法。
  16. 【請求項16】 金属層をブランケット形成する前記ステップはまず、前記
    絶縁層の上にアルミニウム、パラジウムまたは白金の下底金属層をスパッタリン
    グするステップと、前記下底金属層の上にニッケル層をスパッタリングするステ
    ップと、前記ニッケル層の上に銅の層をスパッタリングするステップと、さらに
    、ワイヤをボンディングする前記ステップの前に、前記第2の開口から露出され
    る前記金属層から前記銅およびニッケルの層とを除去するステップとを含み、そ
    れにより、前記ワイヤは前記第2の開口から露出される前記下底金属層の前記部
    分にボンディングされる、請求項13に記載の方法。
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