KR100743648B1 - 웨이퍼 레벨 시스템 인 패키지의 제조방법 - Google Patents

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pattern
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서민석
김성민
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Abstract

본 발명은 웨이퍼 레벨에서 수직 적층하고, 비아패턴으로 적층된 웨이퍼들 간을 회로적으로 상호 연결하여 제조하는 웨이퍼 레벨 시스템 인 패키지(wafer level system in package)의 제조방법을 개시한다. 개시된 본 발명에 따른 웨이퍼 레벨 시스템 인 패키지의 제조방법은, 전면부에 돌출된 제1비아패턴을 갖는 제1웨이퍼를 마련하는 제1단계와, 상기 제1웨이퍼 상에 전면부에 돌출된 제2비아패턴을 갖는 제2웨이퍼를 제1 및 제2비아패턴이 상호 연결되도록 부착시키는 제2단계와, 상기 제2웨이퍼의 후면을 그라인딩하고 식각하여 제2비아패턴의 저면부를 돌출시키는 제3단계와, 상기 제1웨이퍼의 후면을 그라인딩하고 식각하여 제1비아패턴을 돌출시키는 제4단계와, 상기 웨이퍼들이 적층된 웨이퍼 레벨 적층구조물을 칩 레벨로 절단하여 칩 레벨 적층구조물을 형성하는 제5단계와, 상기 칩 레벨 적층구조물을 제1비아패턴과 인쇄회로기판이 접하도록 상기 인쇄회로기판 상에 부착함과 아울러 제1비아패턴과 인쇄회로기판을 전기적으로 연결시키는 제6단계와, 상기 인쇄회로기판 상에 칩 레벨 적층구조물을 밀봉하는 봉지제를 형성하는 제7단계와, 상기 인쇄회로기판의 하면에 솔더볼을 부착하는 제8단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

웨이퍼 레벨 시스템 인 패키지의 제조방법{Method of manufacturing wafer level system in packge}
도 1은 종래 기술에 따른 시스템 인 패키지의 단면도.
도 2a 내지 도 2f는 종래 시스템 인 패키지의 비아패턴 형성방법을 설명하기 위한 공정별 단면도.
도 3a 내지 도 3i는 본 발명의 실시예에 따른 시스템 인 패키지의 제조방법을 설명하기 위한 공정별 단면도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
310 : 제1웨이퍼 V1 : 제1비아패턴
320 : 제2웨이퍼 V2 : 제2비아패턴
330 : 제3웨이퍼 V3 : 제3비아패턴
340 : 제4웨이퍼 V4 : 제4비아패턴
A : 접착제 400 : 웨이퍼 레벨 적층구조물
M : 봉지제 400a, 400b, 400c : 칩 레벨 적층구조물
S : 솔더볼
본 발명은 같은 반도체 패키지에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 반도체 소자를 웨이퍼 상태로 적층하고 비아패턴으로 연결하여 구성하는 시스템 인 패키지의 제조방법에 관한 것이다.
주지된 바와 같이, 반도체 소자는 기존에 군사적 목적이나 컴퓨터를 중심으로 사용되었다. 그런데, 인터넷과 통신기술의 발달로 급속히 정보화 사회로 진행되면서, 그 적용의 폭이 점점 넓어지고 있다. 핸드폰, PDA를 위시한 모바일 제품군에서 시작하여 TV, 오디오 등의 전통적 가전제품, 심지어는 가정용 보일러에 이르기까지 전기가 들어가는 곳이면 반도체소자가 사용되지 않는 곳이 없다. 이러 다양한 제품군에 적용되기 위해 다양한 기능의 반도체소자가 요구되며, 특히, 휴대폰 등의 모바일 제품에서는 소형, 다기능, 고속 제품에 대한 요구가 커지고 있다.
그러나, 반도체소자 자체의 미세회로 제조기술은 회로의 복잡함에 따른 개발기간의 연장, 막대한 설비투자, 공정비용의 비약적 증가로 인해 각각의 제품에 적절히 대응하기가 점점 어려워지고 있다.
이에, 하나의 대안으로 같은 종류 또는 다양한 종류의 반도체 소자를 칩 상태(chip level) 또는 웨이퍼 상태(wafer level)로 수직으로 적층하고, 비아패턴으로 적층된 웨이퍼 또는 칩들 간을 회로적으로 상호 연결하여 하나의 패키지로 만드는 일명 시스템 인 패키지(System In Package : 이하, SIP)가 주목되고 있다.
이러한 SIP는 기존의 단일칩 패키지와는 상이하게 수직으로 칩을 쌓게 되므로, 동종 칩의 적층으로 저장밀도를 높이거나, 정보 저장기능, 논리연산 기능의 칩 을 쌓아 복합 기능의 패키지를 제조함으로써 적용되는 최종제품을 보다 소형화, 경량화 및 다기능화 할 수 있다.
아울러, 상기 SIP는 기존에 개발된 반도체 칩을 조합하여 패키징하는 것이므로, 빠른 개발기간을 가지며, 기존의 설비를 그대로 이용함으로써 최종제품의 부가가치를 향상시키고, 다양한 고객의 요구에 대응이 용이하며, 다양한 제품군을 통해 신규시장을 창출하는 효과를 갖는다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 종래의 SIP 구조 및 그 제조방법에 대해서 설명하도록 한다.
도 1은 종래 기술에 따른 SIP의 단면도로서, 동일한 구조를 갖는 칩들을 적층하여 제조한 SIP의 단면도이다.
도 1을 참조하면, SIP는 소정 위치에 비아패턴들(V1, V2, V3, V4)을 형성시킨 동일한 구조의 칩들(110, 120, 130, 140)을 인쇄회로기판(200) 상에 접착제(A)를 매개로해서 차례로 적층하고, 상기 칩들(110, 120, 130, 140)을 밀봉하도록 인쇄회로기판(200) 상에 봉지제(M)를 형성한 후, 상기 인쇄회로기판(200) 하부에 솔더볼(S)을 부착시킴으로써 제조된다.
한편, 상기 SIP를 제조하기 위해 칩 대 칩(chip to chip)을 수직으로 쌓고 비아패턴으로 상호 연결함에 있어서, 종래에는 다음과 같은 방법으로 비아패턴을 형성하고 있다. 이하에서는 상기 비아패턴의 형성방법을 자세히 설명하도록 한다.
도 2a 내지 도 2f는 종래 SIP의 비아패턴 형성방법을 설명하기 위한 공정별 단면도이다.
도 2a를 참조하면, 제조 완료된 웨이퍼(1) 상에 공지의 포토리소그라피 공정에 따라 비아패턴 형성 영역을 노출시키는 마스크패턴(2)을 형성한다.
도 2b를 참조하면, 상기 마스크패턴을 식각장벽으로 이용해서 노출된 웨이퍼 영역들을 식각하여 깊은 트렌치(T)를 형성한다. 그런 다음, 식각장벽으로 이용된 마스크패턴을 제거한다. 이때, 상기 트렌치(T)는 웨이퍼(1)를 관통하지 않는 깊이로 형성한다.
도 2c를 참조하면, 상기 트렌치(T) 표면을 포함한 웨이퍼(1) 전면 상에 절연막(3)과 씨드막(4)을 차례로 형성한 후, 상기 씨드막(4) 상에 비아패턴 형성 영역을 노출시키는 감광막패턴(5)을 형성하고, 상기 노출된 씨드막(4) 부분 상에 Cu와 같은 금속막을 전기 도금 방식으로 형성여 트렌치(T)를 매립하는 비아패턴(6)을 형성한다.
여기서, 상기 비아패턴(6)을 전기 도금 방식으로 형성하는 것에 대하여 설명하였지만, 경우에 따라서는, 전기 도금 방식이 아닌 다마신(damascene) 공법 등 다른 공법을 사용하여 비아패턴을 형성할 수도 있다.
도 2d를 참조하면, 상기 감광막패턴(5)을 선택적으로 제거한 후, 계속해서, 상기 감광막패턴(5)이 제거됨에 따라 노출된 씨드막(4) 부분을 제거한다.
도 2e를 참조하면, 후속하는 후면 그라인딩(back grinding) 공정의 작업성을 위해, 즉, 후면 그라인딩 공정시 웨이퍼 결과물이 손상되는 것을 방지하기 위해 상기 비아패턴(6)이 형성된 웨이퍼의 결과물 전면 상에 유리 재질의 보호막(7)을 형성한다.
도 2f를 참조하면, 상기 비아패턴(6)이 노출되도록 웨이퍼(1)의 후면을 그라인딩하고, 계속해서, 습식 식각 또는 건식 식각 공정으로 비아패턴(6)을 제외한 웨이퍼(1) 후면 일부 두께 만을 식각하여 비아패턴(6) 하단부의 일부 두께를 돌출시킨다. 그리고 나서, 상기 보호막을 제거한다.
다음으로, 도시하지는 않았지만, 상기 비아패턴(6) 형성이 완료된 웨이퍼를 칩 레벨로 절단한 후, 상기 비아패턴(6)이 구비된 칩들을 인쇄회로기판 상에 차례로 적층하고, 공지된 후속공정을 차례로 진행하여, 도 1에 도시된 바와 같은 SIP를 제조한다.
이와 같이, 비아패턴으로 상호연결되는 SIP는 본딩 와이어(bonding wire) 형성을 위한 여유공간 확보의 문제점이 없기 때문에 패키지의 크기를 줄여 칩의 실장밀도를 높일 수 있다. 또한, 비아패턴이라는 최단거리의 인터커넥션 루트(interconnection route)를 사용하기 때문에 그 전기적 특성이 매우 우수하다.
그러나, 전술한 종래의 SIP 제조 공정은 칩 레벨에서 적층이 이루어지기 때문에, 패키지 하나를 제조하기 위한 개별적인 적층 작업이 수행되어야 하므로, 공정수, 공정시간 및 제조 비용이 증가한다는 문제점이 있다.
전술한 종래 SIP 제조 공정에서 웨이퍼 레벨 적층이 불가능한 이유는, 도 2e에 도시된 바와 같이 비아패턴(6)이 형성된 웨이퍼를 웨이퍼 상태로 적층할 경우, 얇고 넓은 웨이퍼가 쉽게 파괴(broken)되기 때문이다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으 로서, 웨이퍼 레벨에서 적층을 진행하여 공정을 단순화하고 제조 비용을 절감시킬 수 있는 웨이퍼 레벨 시스템 인 패키지의 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 웨이퍼 레벨 시스템 인 패키지의 제조방법은, 전면부에 돌출된 제1비아패턴을 갖는 제1웨이퍼를 마련하는 제1단계; 상기 제1웨이퍼 상에 전면부에 돌출된 제2비아패턴을 갖는 제2웨이퍼를 제1 및 제2비아패턴이 상호 연결되도록 부착시키는 제2단계; 상기 제2웨이퍼의 후면을 그라인딩하고 식각하여 제2비아패턴의 저면부를 돌출시키는 제3단계; 상기 제1웨이퍼의 후면을 그라인딩하고 식각하여 제1비아패턴을 돌출시키는 제4단계; 상기 웨이퍼들이 적층된 웨이퍼 레벨 적층구조물을 칩 레벨로 절단하여 칩 레벨 적층구조물을 형성하는 제5단계; 상기 칩 레벨 적층구조물을 제1비아패턴과 인쇄회로기판이 접하도록 상기 인쇄회로기판 상에 부착함과 아울러 제1비아패턴과 인쇄회로기판을 전기적으로 연결시키는 제6단계; 상기 인쇄회로기판 상에 칩 레벨 적층구조물을 밀봉하는 봉지제를 형성하는 제7단계; 및 상기 인쇄회로기판의 하면에 솔더볼을 부착하는 제8단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 웨이퍼 레벨 시스템 인 패키지의 제조방법은, 상기 제3단계 후, 그리고, 상기 제4단계 전, 상기 제2 및 제3단계와 동일한 방식으로 제2웨이퍼 후면에 적어도 한 장 이상의 웨이퍼를 더 적층하여 비아패턴으로 상호 연결된 웨이퍼 레벨 적층구조물을 형성하는 단계를 더 포함한다.
(실시예)
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하도록 한다.
도 3a 내지 도 3i는 본 발명에 따른 웨이퍼 레벨 SIP 제조방법을 설명하기 위한 공정별 단면도이다.
도 3a를 참조하면, 반도체 제조 공정이 완료된 제1웨이퍼(310)를 마련한 후, 상기 제1웨이퍼(310)의 전면부에 종래의 기술과 동일한 방법으로, 즉, 도 2a 내지 도 2d에 도시된 방법으로 돌출된 제1비아패턴(V1)을 형성한다.(절연막 및 씨드막은 미도시) 이때, 상기 제1웨이퍼(310)의 후면부는 그라인딩이 되지 않은 상태이다.
도 3b를 참조하면, 상기 제1웨이퍼(310) 상에 전면부에 돌출된 제2비아패턴(V2)을 갖는 제2웨이퍼(320)를 페이스 다운(face down) 방식으로 부착하되, 이때 상기 제1비아패턴(V1)과 제2비아패턴(V2)이 상호 연결되도록 한다. 여기서, 상기 제2웨이퍼(320)의 제2비아패턴(V2)은 제1비아패턴(V1)과 동일한 방식으로 형성한다. 한편, 상기 제1웨이퍼(310)와 제2웨이퍼(320) 사이에는 ACF(anisotropy conductive film)와 같은 접착제(A)가 개제된다.
도 3c를 참조하면, 상기 제2웨이퍼(320)의 후면을 제2비아패턴(V2)이 노출될때 까지 그라인딩한 후, 계속해서, 노출된 제2비아패턴(V2)을 제외한 제2웨이퍼(320)의 후면부를 식각하여 제2비아패턴(V2)의 저면부 일부 두께를 돌출시킨다. 이렇게, 상기 제1웨이퍼(310) 상에 제2웨이퍼(320)를 적층시킨 방식과 동일한 방식으로, 상기 제2웨이퍼(320) 후면에 또 다른 웨이퍼들을 적층할 수 있다. 이러한 웨이 퍼들의 반복 적층 과정은 도 3d 내지 도 3f에 도시되어 있다.
도 3d를 참조하면, 상기 제2웨이퍼(320)의 후면에 전면부에 돌출된 제3비아패턴(V3)을 갖는 제3웨이퍼(330)를 제2비아패턴(V2)과 제3비아패턴(V3)이 상호 연결되도록 페이스 다운 방식으로 부착한다.
도 3e를 참조하면, 상기 제3웨이퍼(330)의 후면을 제3비아패턴(V3)이 노출될때 까지 그라인딩한 후, 계속해서, 노출된 제3비아패턴(V3)을 제외한 제3웨이퍼(330)의 후면부를 식각하여 제3비아패턴(V3)의 일부 두께를 돌출시킨다.
도 3f를 참조하면, 상기 제3웨이퍼(330)를 제2웨이퍼(320)의 후면에 형성한 것과 동일한 방식으로, 상기 제3웨이퍼(330) 후면에 제4비아패턴(V4)을 갖는 제4웨이퍼(340)를 형성한다.
도 3g를 참조하면, 상기 제1웨이퍼(310)의 후면을 제1비아패턴(V1)이 노출될때 까지 그라인딩한 후, 계속해서, 노출된 제1비아패턴(V1)을 제외한 제1웨이퍼(310)의 후면부를 식각하여 제1비아패턴(V1)의 일부 두께를 돌출시킨다. 이로써, 비아패턴으로 상호 연결되며 하부에 제1비아패턴(V1)들이 돌출된 웨이퍼 레벨 적층구조물(400)이 형성된다.
도 3h를 참조하면, 상기 하부에 제1비아패턴(V1)들이 돌출된 웨이퍼 레벨 적층구조물(400)을 칩 레벨로 절단하여 칩 레벨 적층 구조물들(400a, 400b, 400c)을 형성한다.
도 3i를 참조하면, 상기 칩 레벨 적층구조물들(400a, 400b, 400c)을 각각 인쇄회로기판(500) 상에 접착제(A)를 매개로해서 부착하여 제1비아패턴(V1)과 인쇄회 로기판(500)을 전기적으로 연결시킨다.
그런 다음, 상기 칩 레벨 적층구조물들(400a, 400b, 400c)을 밀봉하도록 인쇄회로기판(500) 상에 봉지제(M)를 형성한 후, 상기 인쇄회로기판(500) 하면에 솔더볼(S)을 부착하여, SIP를 제조한다.
이와 같이, 본 발명은 비아패턴을 갖되 백 그라인딩(back grinding)을 수행하지 않는 제1 및 제2웨이퍼를 각각의 비아패턴들이 상호 연결되도록 마주보게 적층한 후, 상부에 적층된 제2웨이퍼의 후면을 그라인딩 및 식각하여 그의 비아패턴을 돌출시킨다. 그런 다음, 상기 제2웨이퍼 상에 역시 비아패턴을 갖되 백 그라인딩(back grinding)을 수행하지 않는 제3웨이퍼를 비아패턴들이 상호 연결되도록 적층한 후, 제3웨이퍼의 후면을 그라인딩 및 식각하여 그의 비아패턴을 돌출시킨다. 이러한 제3웨이퍼 적층 공정과 동일한 방식으로 제3웨이퍼 상에 또 다른 웨이퍼들을 계속해서 적층하고, 원하는 만큼의 적층이 이루어지면, 제1웨이퍼의 후면을 그라인딩 및 식각하여 그의 비아패턴을 돌출시킨다. 그런 후, 웨이퍼 레벨로 적층된 적층구조물을 칩 레벨로 절단하고 패키징한다.
이러한 본 발명의 적층 방법에 따르면, 적층시 웨이퍼가 그라인딩 되지 않은 상태이기 때문에 웨이퍼가 파괴될 염려가 없다.
이와 같이, 본 발명의 방법을 따르면, 웨이퍼 레벨의 SIP 제조가 가능해지므로, 공정의 단순화를 기할 수 있고, 제조 비용을 크게 절감할 수 있다.
이상, 여기에서는 본 발명을 특정 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명이 그에 한정되는 것은 아니며, 이하의 특허청구의 범위는 본 발명의 정신과 분야를 이탈하지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변형될 수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 알 수 있다.
이상에서와 같이, 본 발명은 비아패턴을 갖되 백 그라인딩(back grinding)을 수행하지 않는 상태의 웨이퍼들을 순차로 적층하면서 적층되는 웨이퍼들의 백 그라인들을 수행함으로써, 비아패턴으로 상호 연결된 웨이퍼 레벨의 적층구조물을 형성할 수 있다.
그러므로, 본 발명의 방법을 따르면, 웨이퍼 레벨 시스텐 인 패키지의 제조가 가능해지므로, 종래의 칩 레벨 시스템 인 패키지 제조에 비해 공정이 매우 단순화되고, 제조 비용이 크게 절감된다.

Claims (2)

  1. 전면부에 돌출된 제1비아패턴을 갖는 제1웨이퍼를 마련하는 제1단계;
    상기 제1웨이퍼 상에 전면부에 돌출된 제2비아패턴을 갖는 제2웨이퍼를 제1 및 제2비아패턴이 상호 연결되도록 부착시키는 제2단계;
    상기 제2웨이퍼의 후면을 그라인딩하고 식각하여 제2비아패턴의 저면부를 돌출시키는 제3단계;
    상기 제1웨이퍼의 후면을 그라인딩하고 식각하여 제1비아패턴을 돌출시키는 제4단계;
    상기 웨이퍼들이 적층된 웨이퍼 레벨 적층구조물을 칩 레벨로 절단하여 칩 레벨 적층구조물을 형성하는 제5단계;
    상기 칩 레벨 적층구조물을 제1비아패턴과 인쇄회로기판이 접하도록 상기 인쇄회로기판 상에 부착함과 아울러 제1비아패턴과 인쇄회로기판을 전기적으로 연결시키는 제6단계;
    상기 인쇄회로기판 상에 칩 레벨 적층구조물을 밀봉하는 봉지제를 형성하는 제7단계; 및
    상기 인쇄회로기판의 하면에 솔더볼을 부착하는 제8단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 레벨 시스템 인 패키지의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제3단계 후, 그리고, 상기 제4단계 전,
    상기 제2 및 제3단계와 동일한 방식으로 제2웨이퍼 후면에 적어도 한 장 이상의 웨이퍼를 더 적층하여 비아패턴으로 상호 연결된 웨이퍼 레벨 적층구조물을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 레벨 시스템 인 패키지의 제조방법.
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