JP2010525553A - 半導体装置のバンプ構造 - Google Patents

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ピュン ジン パク
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Abstract

本発明は、第１の金属層と、第１の金属層と一体的に形成されるように第１の金属層に電気的に接続され、半導体装置の電極パッドと電気的に接続された第２の金属層を含み、第２の金属層は、第１の金属層の融点または第１の金属層が他の物質の表面と融着反応する場合の共融点（ｅｕｔｅｃｔｉｃ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）より高い融点を有する一つ以上の金属または合金で構成されることを特徴とする半導体装置のバンプ構造を提供する。第２の金属層は、第１の金属層より厚みが厚いことが好ましく、また、第１の金属層と第２の金属層の間に拡散防止層を更に備えることができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、半導体装置のバンプ構造に関するもので、より具体的にはその上端の広がり現象を最小化して物理的に高い支持力を有し、微細ピッチの実現に適合した新規なバンプ構造に関するものである。
半導体チップが高集積化、高性能化及び高速化されるにつれて、半導体パッケージを小型化及び大量生産するための多様な努力が試みられている。例えば、半導体チップのパッド上に形成されたソルダ材質や金属材質のバンプを通じて、直接的に半導体チップのパッドと印刷回路ボードの電極端子を電気的に連結させる半導体パッケージが提案された。
ソルダバンプを利用した半導体パッケージとしては、代表的にフリップチップボールグリッドアレイ（ＦＣＢＧＡ）及びウエハーレベルチップスケールパッケージ（ＷＬＣＳＰ）方式が適用されている。金属材質のバンプを利用した半導体パッケージとしては、代表的にチップオングラス（ｃｈｉｐ−ｏｎ−ｇｌａｓｓ）／ＴＣＰ（テープキャリアパッケージ）方式が適用されている。
プリップチップボールグリッドアレイ方式は、半導体チップのパッドと接触したソルダバンプを回路基板のパッドと電気的に接続した後、ソルダボールを半導体チップが接触した回路基板の背面に付着して印刷回路ボードの電極端子に電気的に連結させ、ソルダバンプを外部環境または機械的問題から保護するためにアンダーフィル（ｕｎｄｅｒｆｉｌｌ）プロセスを実施することにより、半導体パッケージを完成する。ウエハーレベルチップスケールパッケージ（ＷＬＣＳＰ）は、製品を軽く、薄く、短く、及び小さくするために電極パッドを再配置（ｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎまたはｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）させて金属バンプを通じてチップとパッケージサイズを同一に製造する。
このような多様な半導体パッケージ技術において、バンプの構造は、半導体パッケージを軽く、薄く、短く、及び小さくすること、及び微細ピッチを実現するために非常に重要である。しかしながら、バンプ構造に使用される金属が電気的接続のために外部回路ボードと融着するとき、その結果、バンプ構造が大きく変形される、隣接する電極間にブリッジ（ｂｒｉｄｇｅ）が発生する、またはバンプ構造若しくはパッケージ構造が汚染する、または損傷することが発生する。この結果、製造収率を減少させる、及び半導体装置の機能を低下させるという深刻な問題を発生させる。
例えば、図１に示すように、バンプ構造４０は、誘電層３０によって電極パッド２０が露出された回路基板１０上に形成される。バンプ構造４０が外部回路ボードまたは他の半導体装置と電気的に接続されるとき、部分融着によって上部表面（図２のＸ）は大きく変形される。
また、図２に示すように、バンプ構造４０の形状が大きく変形するためその構造的安定性は弱くされている。好ましくない変形をしたバンプ構造４０が周辺のバンプ構造４０と接続される、または既に回路基板に形成されている構造物または配線に浸透するまたは接触するとき、電気的な不良を引き起こす。
バンプ構造上端が融着により水平方向に広がるとき（以下、「水平的広がり」という）、隣接する電極間の電気的連結を発生させる。この上端の水平的広がりは、半導体装置の動作特性を阻害するのみならず、微細ピッチの素子設計の適用及びそのプロセスに限界を設けている。
したがって、本発明の目的は、バンプ構造上端部の水平方向への広がり（水平的広がり）及び垂直方向の変形（垂直的変形）を防止し、物理的な支持力を向上させた新規の半導体装置のバンプ構造を提供することである。
また、本発明の他の目的は、微細ピッチの半導体パッケージング工程において隣接電極間のブリッジを防止し、半導体装置に形成されている部品の汚染または損傷を防止することにより、収率を増加させると共に性能低下を減少させた半導体装置のバンプ構造を提供することである。
本発明の一実施形態によれば、本発明は、半導体装置のバンプ構造であって、印刷回路ボード、電気的部品または機械的部品を含む各種回路基板に電気的に接続された第１の金属層と、第１の金属層と一体的に形成されるように第１の金属層に電気的に接続され半導体装置の電極パッドと電気的に接続された第２の金属層と、を備え、ここにおいて、第２の金属層は、第１の金属層の融点または第１の金属層が他の物質の表面と融着反応する場合の共融点（ｅｕｔｅｃｔｉｃ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）より高い融点を有する一つ以上の金属または合金で構成されることを特徴とする半導体装置のバンプ構造を提供する。
好ましくは、第２の金属層の厚さは、第１の金属層の厚さより厚い。例えば、第２の金属層は、第１の金属層の厚さの１倍以上、好ましくは１．５〜２倍以上の垂直厚さで形成され、これによりバンプ構造の構造的安定性を高め、第１の金属層の融着による広がりを改善する。
このバンプ構造は、第１の金属層と第２の金属層の間に拡散防止層を更に備えてもよい。本発明は、このバンプ構造は、第１の金属層の上部に更にソルダ層を備えてもよい。
本発明の他の実施形態によれば、本発明は、半導体装置のバンプ構造であって、印刷回路ボード、電気的部品または機械的部品を含む各種回路基板に電気的に接続された第１の金属層と、第１の金属層と一体的に形成されるように第１の金属層に電気的に接続され半導体装置の電極パッドと電気的に接続された第２の金属層を備え、ここにおいて、第２の金属層は、第１の金属層より垂直方向の厚みが厚いことを特徴とする半導体装置のバンプ構造を提供する。
本発明によると、２層以上の多層バンプ構造として、各層を構成する導電性物質の物理的または化学的性質を異にして、バンプ構造が外部回路ボードやその他の半導体素子などに電気的に接続されるとき、バンプ構造の最外部層の融着による広がり現象を最小化することができる。また、バンプ構造の機械的または物理的安定性を更に向上できる。従って、微細ピッチの半導体パッケージ実現に適合し、高価のバンプ材料をより低価格の他の材料で代替して製造費用を節減することができる。
図１は、単一の金属で形成されたバンプ構造を示す断面図。 図２は、バンプ構造上端の水平的広がり現象を示す模式的断面図。 図３は、本発明の一つの実施形態に基づくバンプ構造を示す断面図。 図４は、本発明の他の実施形態に基づくバンプ構造を示す断面図。 図５は、外部回路ボードと接触したバンプ構造を示す断面図。 図６は、外部回路ボードと電気的に接続したバンプ構造物を示した断面図。
図３は、本発明の一つの実施形態に基づくバンプ構造を示す断面図である。バンプ構造を構成する第１の金属層１３０及び第２の金属層１４０は、印刷回路ボードやシリコン回路基板などの回路基板１００表面の所定領域において、他の領域は誘電層１２０に覆われながら局所的に露出した電極パッド１１０の上に積層され一体化されている。電極パッドは、回路基板１００内部で再配置された配線（図示しない）の一端に形成することもできる。
第１の金属層１３０は、第２の金属層１４０より垂直方向の厚みが薄く、第１の金属層１３０及び第２の金属層１４０は、それぞれ、導電性が高い一つ以上の金属で形成される。
第１の金属層１３０としては、例えば、導電性が高い金属または合金を使用することができ、本発明の一つの実施形態では、Ａｕを使用するが、必ずしもこれに限定される必要はない。第１の金属層１３０の厚みは、数十Å乃至数百μｍまで適用可能であり、回路基板構造によって弾力的に適用可能である。また、図３に図示されないが、ソルダ層を更に第１の金属層の上部に設けてもよく、ソルダ層は、共晶ソルダ（Ｅｕｔｅｃｔｉｃ ｓｏｌｄｅｒ：Ｓｎ／３７Ｐｂ）、高融点ソルダ（Ｈｉｇｈ Ｌｅａｄ ｓｏｌｄｅｒ：Ｓｎ／９５Ｐｂ）、鉛フリーソルダ（Ｌｅａｄ ｆｒｅｅ ｓｏｌｄｅｒ：Ｓｎ／Ａｇ、Ｓｎ／Ｃｕ、Ｓｎ／Ｚｎ、Ｓｎ／Ｚｎ／Ｂｉ、Ｓｎ／Ｚｎ／Ｂｉ、Ｓｎ／Ａｇ／Ｃｕ、Ｓｎ／Ａｇ／Ｂｉ）から選択されるいずれか一つの物質で構成される。
第２の金属層１４０は、第１の金属層１３０が外部回路ボードまたは半導体装置などと物理的に接触して電気的接続をなすとき、接触表面での融着における共融点より高い融点を有することが好ましい。第１の金属層１３０が半導体回路基板の材料であるシリコンやその他の導電性物質等と電気的に接続する場合、接触表面で融着によって共融反応（ｅｕｔｅｃｔｉｃ ｒｅａｃｔｉｏｎ）が発生する。この場合、第１の金属層の融点より低い温度で融着が発生する。融着によって第１の金属層１３０は、水平方向に広がり、接触界面の面積が増加する。
例えば、第１の金属層にＡｕが使用され、バンプ構造と接合される外部回路ボードの材質がシリコンの場合、接触界面では、Ａｕ−Ｓｉの共融反応が発生する。よって、第２の金属層として、Ａｕ−Ｓｉの共融温度である３６３℃より融点が高いすべての金属を使用することができる。本発明の一つの実施形態では、第２の金属層にＣｕを使用したが、必ずしもこれに限定される必要はなく、チタンまたはチタン合金、クロムまたはクロム合金、銅または銅合金、ニッケルまたはニッケル合金、金または金合金、アルミニウムまたはアルミニウム合金、バナジウムまたはバナジウム合金など多様な金属を使用することができる。
第１の金属層１３０が融着によって水平方向に広がるとき、第２の金属層１４０は、第１の金属層１３０の下部で物理的な支持力を提供すると共に第１の金属層１３０が過度に広がることを防止し、一つのバンプ構造が隣接するバンプ構造に電気的に連結することが防止される。
更に、第２の金属層１４０は第１の金属層１３０の下部で第１の金属層１３０を支持しながら一つの一体化した積層構造を形成するので、第１の金属層１３０だけでバンプ構造を形成する場合より第１の金属層１３０の相対的な厚みの割合を減らすことができ、その結果、第１の金属層及び第２の金属層から構成されるバンプ構造は、第１の金属層に高価な金属を使用する場合にバンプ構造形成に必要となる費用を大きく削減できる。例えば、Ａｕを使用した第１の金属層だけでバンプ構造を形成する場合より、第１の金属層と第２の金属層を積層した多層構造の場合、バンプ構造形成に約３〜４倍以上の材料費削減効果を得ることができる。
図４は、本発明の他の実施形態によるバンプ構造の断面を示したもので、図３の実施形態とは異なり、バンプ構造は３層の積層構造に形成されている。
図４に示すように、第１の金属層１３０と第２の金属層１４０との間に、付加的に拡散防止層１５０が挿入されている。この拡散防止層１５０は、第１の金属層１３０と第２の金属層１４０との間の接合力を向上させて、拡散を防止する役割をする。拡散防止層１５０としては、ニッケル、チタン、クロム、銅、バナジウム、アルミニウム、金、コバルト、マンガン、パラジウムまたはこれらの合金など一般的に使用される拡散防止層及び接合層材料は、すべて使用可能であり、単一層または複合層にも形成することができる。
図５及び図６は、本発明に基づくバンプ構造を通じて半導体装置と他の半導体装置（または外部回路ボード）との間の電気的な接続構造を形成した様子を示している。
まず、図５に示すように、他の半導体装置または外部回路ボード２００をバンプ構造が形成されている回路基板１００に近接して配置し、他の半導体装置または外部回路ボード２００の表面をバンプ構造の最上部である第１の金属層１３０に接触させる。バンプ構造の第１の金属層１３０が、他の半導体装置または外部回路ボード２００の表面に熱処理によって融着されると、第１の金属層１３０が部分的に溶融して物理的接合及び電気的接続を構成する。
第１の金属層１３０の下部の第２の金属層１４０は、第１の金属層１３０と他の半導体装置または外部回路ボード２００の表面の混合物の共融温度よりも溶融点が高いため、融着過程の間にも第２の金属層１４０の物理的な形状は変化せず、第２の金属層１４０はバンプ構造を堅固に維持する。
従って、図６に示すように、バンプ構造の上端を構成する第１の金属層１３０が部分的に水平方向に広がっても、全体的なバンプ構造の形状は、最初の形状と大きく変わらない堅固な状態を維持する。特に、第１の金属層１３０が接合過程で大幅に溶融されても、溶融は第２の金属層１４０上端までに制限される。従って、第１の金属層１３０の溶融による各種問題点が解決され、製品収率向上と工程信頼性を達成することができる。
また、半導体装置と外部回路ボード２００または他の半導体装置との間の電気的接続に必要な空間は、一種のスペーサーとして作用する第２の金属層１４０の高さを調節することで確保できる。第１の金属層１３０の高さを調節することにより水平的な広がりを最小化することができる。そのために、第２の金属層１４０は、第１の金属層１３０より垂直方向の厚みが厚いことが好ましい。より好ましくは、第２の金属層１４０の垂直方向の厚みは、第１の金属層１３０のそれより１．５〜２倍以上厚いことである。
また、各バンプ構造の高さの均一性が優れていることは、バンプ構造と外部回路ボード２００または他の半導体装置との接合不良を防止することができる。特に、第１の金属層１３０の水平的広がりが防止されて、微細ピッチの半導体パッケージ実現が可能である。
本発明は、広範囲な半導体装置及び半導体パッケージに適用することができる。それのみならず、前記半導体装置としては、金属配線が形成されたシリコンウエハー素子、シリコンをはじめとする各種金属で形成された二次元または三次元構造物を有する電子素子などが含まれ得る。
以上で好ましい実施例を通じて本発明を例示的に説明したが、本発明は、このような特定実施例にのみ限定されるのではなくて、本発明で提示した技術的思想、具体的には特許請求の範囲に記載した範疇内で多様な形態で修正、変更、または改善することができる。

Claims (12)

  1. 半導体装置のバンプ構造であって、
    印刷回路ボード、電気的部品または機械的部品を含む各種回路基板に電気的に接続された第１の金属層と、
    前記第１の金属層と一体的に形成されるように前記第１の金属層に電気的に接続され、前記半導体装置の電極パッドと電気的に接続された第２の金属層と、を備え、
    ここにおいて、前記第２の金属層は、前記第１の金属層の融点または前記第１の金属層が他の物質の表面と融着反応する場合の共融点より高い融点を有する一つ以上の金属または合金で構成されることを特徴とする半導体装置のバンプ構造。
  2. 前記第２の金属層は、前記第１の金属層の厚みより厚いことを特徴とする、請求項１に記載の半導体装置のバンプ構造。
  3. 前記第１の金属層と第２の金属層の間に、一つ以上の拡散防止層を更に備えた、請求項１に記載の半導体装置のバンプ構造。
  4. 前記拡散防止層は、ニッケル、チタン、クロム、銅、バナジウム、アルミニウム、金、コバルト、マンガン、パラジウム、及びこれらの合金の中から選択されるいずれか一つ以上の物質を含むことを特徴とする、請求項３に記載の半導体装置のバンプ構造。
  5. 前記第１の金属層の上部にソルダ層を更に備えた、請求項１に記載の半導体装置のバンプ構造。
  6. 前記第１の金属層が、Ａｕで構成される、請求項１に記載の半導体装置のバンプ構造。
  7. 前記第２の金属層が、チタンまたはチタン合金、クロムまたはクロム合金、銅または銅合金、ニッケルまたはニッケル合金、金または金合金、アルミニウムまたはアルミニウム合金、バナジウムまたはバナジウム合金の中から選択されるいずれか一つ以上の物質で構成される、請求項１に記載の半導体装置のバンプ構造。
  8. 前記半導体装置の前記電極パッドは、再配置された配線の一端に形成されている、請求項１に記載の半導体装置のバンプ構造。
  9. 半導体装置のバンプ構造であって、
    印刷回路ボード、電気的部品または機械的部品を含む各種回路基板に電気的に接続された第１の金属層と、
    前記第１の金属層と一体的に形成されるように前記第１の金属層に電気的に接続され、前記半導体装置の電極パッドと電気的に接続された第２の金属層と、を備え、
    ここにおいて、前記第２の金属層は、前記第１の金属層より垂直の厚みが厚いことを特徴とする半導体装置のバンプ構造。
  10. 前記第２の金属層は、前記第１の金属層の融点または前記第１の金属層が他の物質の表面と融着反応する場合の共融点より高い融点を有する一つ以上の金属または合金で構成されることを特徴とする、請求項９に記載の半導体装置のバンプ構造。
  11. 前記第１の金属層と前記第２の金属層の間に一つ以上の拡散防止層を更に備えた、請求項９に記載の半導体装置のバンプ構造。
  12. 前記第１の金属層の上部にソルダ層を更に備えた、請求項９に記載の半導体装置のバンプ構造。
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