홈   >   Special Report 이 기사의 입력시간 : 2011-10-06 (목) 11:24:33
높은 신뢰성의 솔더 컨택 가능
UBM 패드에 솔더 컨택 및 솔더 접합을 생성하는 방법
2011-10  자료출처 : 특허청
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배경 기술      

플립칩 연결은 전기 장치, 예를 들어 반도체 칩을 전기적, 기계적으로 연결하는 통상적인 방법이다. 이를 위해, 소위 플립칩 범프(플립칩 솔더 범프)가 이용된다. 이들 플립칩 범프는 전자 장치(IC 칩) 또는 기판 상에 증착된다. 칩이란, 예를 들어, 실리콘(Si), 실리콘게르마늄(SiGe), 갈륨비소(GaAs) 또는 인듐인(InP) 또는 다른 물질들로 이루어진 전자 부품을 의미한다. 여기서, 플립칩 범프는 칩을 해당 기판 캐리어에 기계적으로 응착(adhesion)시키고 또한 그 칩 및/또는 전자 부품과 상기 기판 상의 터미널 패드 간의 전기적인 컨택을 생성하는 역할을 한다. 현재의 환경 보호 규정 때문에, 장차에는 무연 화합물(lead-free compound)을 이용하여 플립칩 범프 및/또는 솔더 범프를 형성해야하는 요구가 있다. 따라서 무연 물질은 예를 들어, 기판, 칩 또는 플립칩 기술 분야를 위한 다른 어떤 전자 장치에 점점 더 많이 이용되고 있다. 플립칩 접속 시스템에 무연 솔더링을 적용하는 것은 UBM(under bump metallization), 솔더 물질, 금속화층(metallization) 뿐만 아니라 이들 구성요소들 간의 상호 작용에 관한 포괄적인 기술이 요구된다. 이에 적합한 통상적인 UBM이 신뢰성과 관련하여, 금속간 화합물(IMC; intermetallic compound)의 형성 및 성장을 조사하기 위해 다양한 무연 솔더링 시스템에서 구현되고 테스트된다. 상기 물질들의 야금적 반응 및 그와 관련된 IMC의 형성으로 인해, Cu에 기반을 둔 표준 UBM은, 매우 작은 솔더 접합을 갖는 장치를 위한, 높은 온도에서의 무연 응용 예로는 적합하지 않다. 본 발명의 목적은 UBM층과 솔더의 계면에 제한 및/또는 제어된 IMC의 형성을 포함하는 UBM 구성을 제공하는 것이다.



그림 1은 기존의 범프(11)의 구성을 보여준다. 기존의 범프 구조(11)는 응착 및 확산 장벽층(21) 및 솔더 습윤층(solder wetting layer; 23) 및 솔더(25)로 이루어진 UBM 층 또는 범프 하 금속화(under bump metallization) 층을 포함한다. 기판(13) 및/또는 웨이퍼 어셈블리에 있는 칩들의 구성을 그림 1에서 나타내고 있다. 표면은 패시베이션 층(19)에 의해 보호되고 상대적으로 많은 수의 터미널 패드(17)를 지지하며, 여기서 패시베이션 층은 개구되어 있으며, 이는 외부와의 전기적 연결을 의미한다. 응착 및 확산 장벽층(21)은 터미널 패드(17) 상 및 패시베이션 층(19) 상에 증착된다. 따라서 응착 및 확산 장벽층(21)은 전기적인 전도 방식으로 터미널 패드(17)에 연결된다. 솔더 습윤층(23)은 응착 및 확산 장벽층(21) 상에 증착되며, 솔더(25)는 습윤층(23) 상에 증착된다.
응착 및 확산 장벽층(21), 습윤층(23) 및 솔더(25)가 예를 들어, 웨이퍼 어셈블리 내의 터미널 컨택 및/또는 IC의 알루미늄 I/O 패드 상에 증착된다. 솔더(25)는 이를테면 적합한 방법을 이용하여 전착(電着)되는 반면, UBM층(20)은 예를 들어 스퍼터링 및/또는 전착을 이용하여 증착된다. UBM 층(20)의 일부는 습윤층(23)을 보강하도록 후속 갈바닉(galvanic) 공정에서 전극으로서 역할 할 수 있다. 상기 보강은 단층 금속배선으로서 구현된다. UBM 층(20)은 응착층과 확산 장벽, 그리고 솔더(25)를 위한 습윤 영역으로서 적용된다. 동시에, UBM 층(20)은 물리 또는 화학적 및/또는 전기-화학적 공정을 이용하여 웨이퍼 상에 솔더(25) 또는 솔더 범프를 증착하는데 있어서의 기술적인 기능을 수행한다. UBM층(20) 및/또는 UBM 구성을 구현하는 다수의 가능한 방식이 있다. 현재는 제조사에 따라 아주 다른 UBM 구성들이 존재한다.

범프 물질에 따라서, 다른 범프 하의 금속화층 시스템 및 UBM층(20)이 이용된다. 이용된 물질은 예를 들어, 크롬, 구리 및 금(Cr/Cu/Au)로 이루어진 층 시스템, 크롬, 크롬/구리 화합물 및 구리(Cr/CrCu/Cu)로 이루어진 층 시스템, 구리를 갖는 타이타늄, 텅스텐 및 구리로 된 화합물(TiWCu-Cu)로 이루어진 층 시스템, 가능한 한 바나듐을 갖는 니켈 및 구리(Ni/Cu 및/또는 NiV/Cu)로 이루어진 층 시스템, 타이타늄 및 가능하면 인을 갖는 니켈(Ti/Ni and/or Ti/NiP)로 이루어진 층 시스템, 니켈과 바나듐의 화합물을 갖는 타이타늄 및 텅스텐의 화합물(TiWNiV)로 이루어진 층 시스템, 알루미늄, 니켈(Ni, NiP) 및 금(Al/Ni/Au 및/또는 Al/NiP/Au)으로 이루어진 층 시스템, 구리와 니켈의 합금을 갖는 타이타늄 및 타이타늄과 니켈로 된 화합물(Ti/TiNi/Cu-Ni)로 이루어진 층 시스템, 타이타늄, 니켈 및 팔라듐(Ti/Ni/Pd)으로 이루어진 층 시스템, 또는 가능하면 인을 갖는 니켈, 팔라듐 및 구리(Ni/Pd/Au 및/또는 NiP/Pd/Au)로 이루어진 층 시스템이다. 솔더는 주석/구리 솔더(Sn-Cu), 주석/은(Sn-Ag), 주석/금(Sn-Au), 주석/아연(Sn-Zn), 주석/납(Sn-Pb), 주석/비스무트(bismuth)(Sn-Bi) 또는 주석/인듐(Sn-In) 혼합물로서 구현될 수 있다.

응착 및 확산 장벽층(21)은 예를 들어, 크롬(Cr), 크롬/구리 혼합(Cr-Cu 혼합물 및/또는 Cr-Cu 화합물), 타이타늄(Ti), 타이타늄과 텅스텐의 화합물(TiW), 타이타늄, 텅스텐 및 질소의 화합물(TiWN) 또는 알루미늄(Al)으로부터 구현된다. 예를 들어 리플로우(reflow) 공정에서 발생하는 습윤층(23)과 솔더(25)의 야금 반응에서, 열의 직접 및 간접 영향으로 인해 소위 금속간 화합물(IMC)이 형성된다. 이들 금속간 화합물은 솔더 접합의 전체 야금적 구성의 신뢰성에 영향을 준다. 어떤 환경 하에서는, 컨택이 취성적(부서지기 쉽게)이 될 수 있고, 그럼으로써 솔더 접합이 탈층(delaminate)될 수 있고, 전기적 접속이 상실될 수 있다. 금속간 화합물의 성장량은 금속층 시스템의 선택 및/또는 UBM층(23)과 솔더(25)의 구성에 높은 의존성을 갖는다. (예를 들어 PbSn에 비해) 주석 비율의 증가로 인한 계면 에너지 변화의 결과로서, 주석(Sn) 화합물, 주석과 은(SnAg)으로 된 화합물, 주석, 은 및 구리(SnAgxCuy)로 된 화합물 또는 주석과 구리(SnCu)로 된 화합물과 같은, 무연 솔더 접합을 사용하는 것은, 하위 금속층과의 반응을 야기할 수 있고, 그에 따라 이는 격해진다. 예를 들어, 대략 5㎛ 두께의 예를 들어, 구리 물질로 구현된 습윤층(23)이, 그 공정에서 모두 소비될 수 있다.

작은 범프 사이즈의 경우에는, UBM 솔더 반응으로 인한 금속간 화합물(IMC)의 성장 억제가 전기적인 연결의 신뢰성을 높이는데 결정적이다. 예를 들어, UBM 및 무연 솔더 간의 액상 및 고상 반응 동안 발생하는 IMC 형성 과정을 늦추는, 가능한 여러 가지 방법이 있다. 다른 물질들보다 IMC의 형성이 더 느린 UBM 물질은, 구리에 비해 니켈에 대해 그러하다. 이 경우에, UBM의 소모 과정이 느려지지만 멈추지는 않는다.

단층 UBM(예를 들어, 니켈, 구리)의 신뢰성은 UBM의 층 두께를 증가시킴으로써 향상될 수 있다. 범프의 구현 예에 대해서, 솔더 합금을 사용하는 것 또한 가능하며, 이는 UBM 소모를 늦춘다. 예를 들어 60㎛ 내지 80㎛의 높이를 가지며 적합한 솔더 합금을 가지는 솔더 컨택의 경우, Al/Ni(V)/Cu UBM이 무연 솔더를 위한 유망한 UBM으로 밝혀졌다. 그러나 박막의 Al/Ni(V)Cu UBM은, 추후 Cu 비율이 충분히 높지 못하다면, 무연 솔더와 함께 이용되지 못한다.

발명의 상세한 설명        

본 발명의 목적은, 솔더 접합으로 하여금 높은 신뢰성을 갖도록 하는, 솔더 컨택을 위한 UBM 패드, 솔더 컨택 및 솔더 접합을 생성하는 방법을 제공하는 것이다. 본 발명은 솔더 컨택을 위한 UBM 패드를 제공하며, UBM 패드는 제 1 물질을 포함하는 제 1 물질층과, 제 2 물질을 포함하고 자신이 마지막 층이거나 마지막 층과 상기 제 1 물질층과의 사이에 배치된 제 2 물질층을 포함하고, 상기 제 1 물질 및 상기 제 2 물질은 솔더 물질과 관련하여 상기 제 2 물질의 존재가, 전체 연결의 신뢰성에 해로운, 조립된 전자 장치의 연결 및 작동의 전체 온도 범위에서의 상기 제 1 물질과 상기 솔더 물질의 야금적 반응을 방지하는 특성을 가진다. 또한, 본 발명은 상기 마지막층 상에 배치된 솔더 물질을 가지는 UBM 패드를 이용하는 솔더 컨택을 제공한다. 또한, 본 발명은 제 1 물질을 포함하는 제 1 물질층과, 제 2 물질을 포함하고 자신이 마지막층이거나 마지막층과 상기 제 1 물질층과의 사이에 배치된 제 2 물질층을 포함하고, 상기 제 1 물질 및 상기 제 2 물질은 솔더 물질과 관련하여 상기 제 2 물질의 존재가, 전체 연결의 신뢰성에 해로운, 조립된 전자 장치의 연결 및 작동의 전체 온도 범위에서의 상기 제 1 물질과 상기 솔더 물질의 야금적 반응을 방지하는 특성을 가지며, 상기 솔더 물질은 상기 마지막층 상에 배치되는 UBM 패드를 이용하여 솔더 접합을 생성하는 방법을 제공하며, 이 방법은 제 1 솔더 파트너 상에 상기 솔더 컨택을 생성하는 단계와, 제 2 솔더 파트너를 상기 솔더 컨택 상에 위치시키는 단계와, 상기 제 2 물질과 상기 솔더 물질로 이루어진 금속간 화합물을 생성하고 상기 제 1 및 제 2 솔더 파트너를 접합하기 위하여, 리플로우 솔더링, 써모드(thermode) 본딩, 확산 솔더링(고상 반응) 또는 다른 어떤 접합 방법을 수행하는 단계를 포함한다.

또한, 본 발명은 제 1 물질을 포함하는 제 1 물질층과, 제 2 물질을 포함하고 자신이 마지막층이거나 마지막층과 상기 제 1 물질층과의 사이에 배치된 제 2 물질층을 포함하고, 상기 제 1 물질 및 상기 제 2 물질은 솔더 물질과 관련하여 상기 제 2 물질의 존재가, 전체 연결의 신뢰성에 해로운, 조립된 전자 장치의 연결 및 작동의 전체 온도 범위에서의 상기 제 1 물질과 상기 솔더 물질의 야금적 반응을 방지하는 특성을 가지며, 솔더 파트너는 솔더 물질을 포함하는 UBM 패드를 이용하여 솔더 접합을 생성하는 방법을 제공하며, 이 방법은 상술한 특성을 포함하는 상기 UBM 패드를 생성하는 단계와, 상기 솔더 파트너의 상기 솔더 물질을 상기 UBM 패드 상에 위치시키는 단계와, 상기 제 2 물질 및 상기 UBM 패드와 상기 솔더 파트너를 접합하는 상기 솔더 물질(25)로 이루어진 금속간 화합물을 생성하기 위하여, 리플로우 솔더링, 써모드 본딩, 확산 솔더링(고상 반응) 또는 다른 어떤 접합 방법을 수행하는 단계를 포함한다.

본 발명은 솔더 물질 및 이중 습윤성 구조를 갖는 UBM(under bump metallization) 층으로 이루어진 솔더 컨택을 생성하는 방법을 제공하며, 이중 습윤(wetting) 구조는 제 1 물질의 제 1 층과 제 2 물질의 제 2 층을 포함하는 것이다. 제 2 습윤성 물질층이 솔더 물질과 제 1 습윤성 물질층 사이에 배치되며, 솔더 물질, 제 1 물질 및 제 2 물질은, 야금적 반응에서, 제 2 물질과 솔더 물질이 제 1 물질과 솔더 물질보다 금속간 화합물을 형성하는데 있어서 더 빠른 속도를 나타내도록 이루어진다. 또한, 제 2 물질과 솔더 물질로 이루어진 금속간 화합물에서의 솔더 물질 비율은 제 1 물질과 솔더 물질로 이루어진 금속간 화합물에서의 솔더 물질 비율보다 낮다. 더욱이, 제 2 하부 금속화층은, 야금적 반응에서, 솔더 물질과 제 2 물질로 이루어진 금속간 화합물의 층이 솔더 물질과 제 1 습윤성 물질 사이에 형성되는 것을 보장하는 두께를 가져서, 제 1 물질과 솔더 물질로 이루어진 금속간 화합물의 형성이 발생하지 않는다. 금속간 화합물의 층은, 예를 들어, 거의 연속적이어서, 제 1 물질과 솔더 물질로 이루어진 금속간 화합물의 형성이 발생하지 않는다.

더욱이, 본 발명은 상술한 특성을 갖는 솔더 컨택을 이용하여 솔더 접합을 제 1 솔더 파트너 상에 생성하는 방법을 구현 가능하게 한다. 이 방법은 상기 제 1 솔더 파트너의 솔더 컨택 상에 제 2 솔더 파트너를 위치시키는 단계와, 제 1과 제 2 솔더 파트너의 신뢰성 있는 솔더 접합을 생성하는 단계를 포함하며, 여기서 제 2 습윤성 물질과 제 1 솔더 파트너의 솔더 물질로 이루어진 금속간 화합물이 형성되어, 제 1 솔더 파트너의 제 1 습윤성 물질의 소모를 방지하고, 리플로우 동안 적합한 솔더를 생성한다.

본 발명은 소정 특성을 갖고 솔더 물질과 제 1 습윤성 물질층 사이에 배치된 제 2 습윤성 물질이, 제 1 습윤성 물질층과 솔더 물질로 이루어진 금속간 화합물의 형성을 방지하거나 상당히 제한한다는 연구결과에 기반을 두고 있다.

본 발명은, 예를 들어, 스퍼터링, 기화(vaporizing) 및 전착(electrodeposition)과 같은 물리-화학 공정에 의해 구현될 수 있는 솔더 컨택을, 무연 솔더에 대하여 다른 야금적 특성을 나타내는 금속의 다중층 시스템으로서 제공한다. 적합한 구성을 이용하고 이들 다중-금속층 시스템 중에서의 개별층 두께를 적합하게 선택함으로써, 하위의 금속 시스템과 관련하여, 예를 들어, Sn, SnCu, SnAg, SnAg(x)Cu(y)과 같은 무연 솔더를 위한 안정한 계면을 얻는 것이 가능하다. 적합한 층 두께와 금속화 시스템을 선택함으로써, 형성되는 금속간 화합물의 성장이 제한, 억제, 및/또는 초기에 정지될 수 있어서, 습윤성 금속화층 바람직하게는 웨이퍼 및/또는 칩과 대면하는, 즉 솔더와 멀리 있는 쪽의 금속화층 중의 적어도 하나가, 상기 요소들의 작동 동안에, 금속간 화합물로 완전히 변환되지 않는다. 다시 말해서 습윤성 금속화층 중의 적어도 하나의 완전 변환이, 재-용융(re-melting) 공정(예를 들어, 리플로우 솔더링)에서의 액상 반응 동안과 추후의 작동에서의 고상 반응 동안 모두에서 방지된다.

층 두께의 결정은, 필요한 솔더 부피 및 야금적 반응이 수행되는 온도에서, 솔더 내의 각 금속의 용해도에 의존적이다. 용해도에 관한 각 데이터는 문헌으로부터 얻는다. 간략하게 하기 위해서, UBM과 관련하여 하기에서는, 제 1 습윤성 물질층의 제 1 물질은 M1으로 칭할 것이며, 제 2 습윤성 물질층의 제 2 물질은 M2로 칭할 것이다. 또한, 솔더 및 M1의 요소들의 금속간 화합물(금속간 상)은 IMC M1으로 칭할 것이며, 솔더와 M2의 요소들의 금속간 화합물은 IMC M2로 칭할 것이다.

원칙적으로, 금속화층 및/또는 물질 M1과 M2는 솔더의 요소들과 금속간 화합물을 형성할 수 있다. 본 발명에 따르면, 물질 M1과 M2는, 야금적 반응에서, 제 2 물질과 솔더 물질이 제 1 물질과 솔더 물질보다 금속간 화합물의 형성 및/또는 성장에 있어서 더 빠른 속도를 갖도록 선택된다. 제 2 물질은 솔더에 직접적으로 노출 및/또는 대면하는 금속화 층의 물질을 의미한다. 따라서 IMC M2의 형성 및/또는 성장 속도는 액상 반응 동안(및/또는 고상 반응 동안) IMC M1의 형성 및/또는 성장 속도보다 더 빨라서, M2가 리플로우 솔더링 동안 희생(sacrificial)층으로 역할하고, IMC M2로 변환되며, 솔더와 하위 금속화층 M1 사이에 위치된다. 따라서 솔더와의 변환 반응에서 보이는 야금적 반응이 발생하는 온도에서, 금속간 화합물로 상대적으로 더 빠르게 성장 및/또는 형성을 하는 M2의 특성을, 형성되는 금속간 화합물이 거의 비투과적이 되도록 하는데 이용함으로써, 솔더로부터 먼 쪽에 있는 제 1 습윤성 물질층(M1)의 금속화층이 솔더와 직접 접촉하지 않게 된다.

본 발명에 따르면, 솔더로부터 유래하는 요소들의 비율이, M2와 솔더 간의 액상 반응으로부터 얻어진 금속간 화합물에서보다, M1과 솔더 간의 액상 반응으로부터 얻어진 금속간 화합물에서 더 높다. 따라서 IMC M2와 M1 계면에서 금속간 화합물 IMC M1의 생성이 방지될 수 있다. 오히려, 물질 M2만이, 금속간 화합물 IMC M2에서 어느 포화상태까지, 물질 M1에 의해서 부분적으로 대체될 수 있다. 그러나 얻어진 3 상(3-상 시스템)은 여전히 거의 폐쇄된 분리층에 기여한다.

습윤성 물질층과 솔더의 계면에 형성되는 금속간 화합물의 형태(morphology)는 그 형성과 조성과 관련된 요소들에 의존적이다. 습윤성 물질과 솔더의 계면에서의 금속간 화합물의 형성은, 액상 반응 동안, 솔더 내에 제공된 금속화층의 용해에 필적한다. 이러한 사실로 인해, 리플로우 솔더링의 온도에서의 솔더 내 금속 M2의 용해도 외에 고려되는 것은 금속간 화합물의 형태이며; 본 발명에 따르면, 솔더와 M2를 포함하는 금속간 화합물은 솔더와 M1 사이에 있는 거의 비투과적인 층을 의미하며, 이들 두 구성요소들 간에 모든 반응이 방지된다.

본 발명에 따르면, 제 2 습윤성 물질층은, 야금적 반응에서, 솔더 물질과 제 2 물질로 이루어진 금속간 화합물의 연속적인 층이, 솔더 물질과 제 1 물질층 사이에 형성되는 것을 보장하는 두께를 포함한다. 금속간 화합물의 층은 대부분 연속적이게 형성될 수 있고, 그럼으로써 M2와 솔더로 이루어진 오직 하나의 금속간 화합물만이 형성된다. 리플로우 솔더링 동안에 하나 이상의 금속간 화합물로 변환되는 제 2 습윤성 물질층은, 특히 리플로우 솔더링이 발생하는 온도, 즉 솔더의 리플로잉(reflowing)의 온도에서, 솔더 질량에 대한 그 질량의 비율이, 솔더 시스템에서의 그 금속 용해도와 대략적으로 대응되거나, 그보다 크도록 설계된다. 이상적인 경우에서는, 층 두께의 적합한 선택으로써, M2와 솔더로 이루어진 오직 하나의 금속간 화합물만이 형성되는 것을 보장할 수 있다. 다시 말해서, 시스템의 안정화, 즉 리플로우 솔더링 이후의 솔더 컨택의 안정화를 위하여, 금속간 화합물의 폐쇄된 층이 리플로우 솔더링에 의해 얻어지며, 그의 형성에서 M2 및 솔더의 요소들이 기본적으로 관련되며, 즉 금속간 화합물에서의 M1 비율이, M2와 솔더의 요소들로 이루어진 금속간 화합물에서의 M1의 최대 용해도보다 작거나 그와 같다. 따라서 이 층은 솔더와 M1의 기하학적인 분리를 일으킬 수 있어서, 이상적인 경우에는, 솔더가 액상으로 존재하는 온도에서, 솔더의 요소들이 M1으로 직접 변환되는 것을 방지하거나, 솔더와 M1의 직접 접촉을 회피시켜서 솔더가 M1으로 공급되는 것을 방지한다. 그에 따라, 리플로우 동안에, 주로 M1과 솔더의 요소들에 의해 이루어진 금속간 화합물의 형성이 방지된다. 또한, 부품들의 작동 동안에, 솔더와 M2로 이루어진 금속간 화합물이 확산 장벽으로서 역할 함으로써, 이상적인 경우에, 금속간 화합물과 비-변환(non-converted) 금속화 층의 계면에서의 새로운 금속간 화합물의 형성 및 성장이 방지될 수 있다.

상술한 유형의 금속간 화합물로 된 폐쇄된 층의 생성을 가능하게 하기 위해, 관련된 금속화층의 층 두께 및 기본적으로 희생층의 층 두께가 솔더 부피 및 솔더 조성에 맞게 조정된다. 목표 두께는, 범프에 존재하는 비율들에 근거하여, 솔더 질량에 대한 금속화층 M2의 질량 비율이, 범프에서의 리플로우 솔더링 동안 도달하는 최대 온도에서의 솔더 내 M2의 최대 용해도에 대응되도록 하는 두께로 정의될 수 있다.

실시 예에서, 제 1 습윤성 물질층으로 나타낸 제 1 물질은 니켈이며, 제 2 습윤성 물질층으로 나타낸 제 2 물질은 구리이다. 주석 또는 SnAg의 합금 및 CuSn 시스템이 솔더로서 적용될 수 있다. 본 발명이 바람직하게 이용될 수 있는, 상술한 무연 솔더 시스템의 대안으로서, 무연 솔더 시스템, 예로서 PbSn을 위해 개발된 UBM 시스템을 적용하는 것 또한 가능하다.

본 발명의 다중층 UBM 시스템은 물리, 전기화학 및/또는 화학 공정을 조합하여 구현될 수 있다. 본 발명의 실시 예들에서, 다중-UBM층이 스퍼터링 및 전착에 의해 생성된다. 본 발명의 다중-층 UBM 시스템은 2개의 습윤성 물질층에 제한되지 않는다. 충분한 안정성을 제공하는, 관련된 2개 이상의 습윤성 물질층이 있을 수 있다. 제 1 습윤성 물질층은, 솔더 물질로부터 가장 멀리 있는 습윤성 물질층이며, 그들 사이에 배치된 층들이 제 2 습윤성 물질층와 관련하여 상술한 특성을 갖는다. 또한, 이들 층 모두(솔더 물질로부터 더 멀리 있는 각각의 인접한 층에 관하여 제 2 및 제 1 습윤성 물질층과 관련하여)는 상술했던 특징을 포함한다. 따라서 상술한 바와 같이, UBM 시스템의 구성과 특히 제 2 습윤성 물질층의 두께의 선택이 솔더 질량에 맞게 조정되고, 그럼으로써 범프 사이즈와 솔더 조성에 맞게 조정된다. 여기에서 중요한 것은 바람직한 실시 예에서는 구리인, 제 2 습윤성 물질층의 물질 질량에 대한 솔더 질량의 비율이다. 솔더 컨택과 기판 상에 배치된 터미널 패드 사이에 있는 응착층에는, Ni:V, Ti, Cr, CrCu 및 그 외의 다른 물질과 같은, 박막(thin-layer) 시스템이 적용될 수 있다. 본 발명에 대하여 중요한 것은 솔더에 노출된 다중-층 시스템이며, 이는 본 발명의 실시 예에서 Ni과 Cu의 이중층이다.

본 발명의 UBM 시스템은 전자 부품 및 작고 얇은 컨택 시스템을 이용하는 반도체 칩의 조립, 즉 바람직하게는 솔더링에 적용될 수 있다. 본 발명의 원리는 기본적으로 플립칩 본딩의 외부까지의 모든 솔더 접합에 적용될 수 있는 것이지만, 바람직하게는 반도체 및 마이크로시스템 기술 분야에 적용되는 것이다. 본 발명의 UBM 구성은 많은 향상과 이점을 제공한다. 얻어지는 이점들 중에서 하나의 예는, 일반적으로 소위 웨이퍼 프로세싱인 반도체 장치의 플립칩 조립에서의 무연 솔더 접합을 위한 UBM에서, 안정한 계면, 즉 안정한 컨택 패드의 공정-호환성 구현이다. 이 컨택 시스템의 신뢰성은, 솔더와 UBM의 계면에서 화합물의 형성을 축소시키고 안정화시킴으로써 증가된다. 또한, 다양한 무연 솔더 시스템, 예를 들어 SnAg, SnCu, 등과 같은, 다른 솔더 합금을 위한 조정은 다중-층 UBM 시스템의 층 두께를 변경함으로써 이루어질 수 있다. 적합한 층-두께 비율을 이용함으로써, 솔더 조성 자체, 예를 들어, SnxCuy에 영향을 줄 수 있다. 구성에 따라 솔더 조성을 조정하면, SnxCuy와 같은 솔더 합금 조성을 구현하고 검사하기 위한 고도의 공정을 회피 및/또는 그것들을 완전히 대체한다. 이는 플립칩 컨택 시스템의 신뢰성을 증가시킴과 동시에 비용 절감에 공헌하게 된다. 또한, 본 발명은 줄어든 공정 시간(더 얇은 층 두께)으로 인해 웨이퍼 범핑에서 비용 절감이 이루어짐과 동시에 안정화된 컨택 패드를 이용하여 신뢰성을 증가시킨다.

본 발명은 바람직하게 다수의 작은 솔더 컨택이 적용되는(예, 마이크로센서 시스템, 마이크로전자공학에서 3D 통합) 응용의 경우에 대해 특히 중요하다. 본 발명의 바람직한 실시 예들이 첨부된 도면을 참조하여 하기에서 보다 상세하게 설명된다.



실시 예              
그림 2는 기판(13) 상에 있는, 본 발명의 실시 예에 따른 범프 구조(51)를 보여준다. 하기의 바람직한 실시 예의 상세한 설명에서, 동일한 요소 또는 동일한 동작을 가지는 요소는 동일한 참조부호가 부여된다. 특히, 그림 1의 것들과 동일하거나 동일한 동작을 가지는 요소는 동일한 참조부호가 부여된다. 그림 2의 실시 예에 대한 하기의 설명은 그림 1의 구성에 대비된 차이점에 대한 설명에 국한된다.

본 발명의 실시 예에 따른 범프 구조(51)는, 특히 제 1 물질층(53)과 제 2 물질층(55)으로 이루어진 습윤성 이중층이 물질층(23) 대신 제공된다는 점에서 종래의 범프 구조와 다르다. 또한, 그림 2에서 선택적인 전착(electrodeposition) 개시층(57)이 응착 및 확산 장벽층(21)과 제 1 습윤성 물질층(53) 사이에 배치된다. 본 발명의 범프 구조는 반도체 웨이퍼(그림 2) 상과 다른 어떤 캐리어 기판(실리콘, 회로 보드, 글라스, 포일(foil), 세라믹, 등등) 상에 모두 위치될 수 있다.

여기에 도시되고, 응착 및 확산 장벽층(21), 전착 개시층(57), 제 1 습윤성 물질층(53) 및 제 2 습윤성 물질층(55)으로 이루어진 UBM(금속 및/또는 금속층들로 이루어진 다층 시스템)(50)은, 예를 들어, 스퍼터링 또는 갈바닉 공정들과 같은, 솔더(25)에 대하여 다양한 야금적 특성을 나타내는 다양한 금속층에 대한 물리-화학적 공정들에 의해 생성될 수 있다. 솔더(25)는 바람직하게 무연으로 구성될 수 있다. 전착 개시층(57)은 선택적으로서 제 1 습윤성 물질층(53)이 갈바닉 공정에 의해 생성될 경우에 제공된다.

상기 금속화 시스템에서의 층들의 두께 및 물질을 적합하게 선택 및/또는 제 1 습윤성 물질층(53)과 제 2 습윤성 물질층(55)을 위한 물질을 적합하게 선택함으로써, 야금적 반응에서 제 1 습윤성 물질층(53)의 물질과 솔더 물질로 이루어진 금속간 화합물을 형성하는 성장이 방지될 수 있다. 제 2 습윤성 물질층(55)의 물질은 제 1 습윤성 물질층(53)의 물질보다 액상 반응에서 더 빠른 금속간 화합물의 형성을 보인다. 이미 상술한 바와 같이, 제 1 습윤성 물질층(53)에서 솔더로의 변환이 제 2 습윤성 물질층(55)과 솔더 물질로 이루어진 금속간 화합물을 이용하여 방지된다. 응용 예에서는, 이러한 금속간 화합물은 거의 비투과적인 층을 형성한다.

따라서 그림 2에 도시된 UBM 구성 및/또는 그림 2에 도시된 범프 구조(51)는, 본 발명의 실시 예에 따라, 특히 무연 솔더링을 이용할 경우에 상 성장(phase growth)과 관련하여 안정하고, 반도체 및 전자 부품의 웨이퍼 범핑을 위하여 신속하고 경제적인 방식으로 적용될 수 있는 솔더 컨택으로 구성될 수 있다.

그림 2에 도시된 범프 구조(51)는 여기에 도시된 솔더 파트너를 다른 솔더 파트너에 연결하는데 이용될 수 있다. 이를 위해, 여기에서는 도시되지 않은 제 2 솔더 파트너가 솔더 컨택 및/또는 범프 구조(51)에 위치될 수 있으며, 리플로우 솔더링이 이어서 수행되어, 제 2 물질과 솔더 물질로 이루어진 금속간 화합물이 형성되고, 그럼으로써 여기에 도시된 솔더 파트너가 다른 솔더 파트너에 연결된다. 상기 방법은 가능하다면 리플로우 솔더링을 수행하는 단계가 소정 온도에서 소정 시간 동안 수행되도록 이루어져서, 제 2 물질 및 제 2 습윤성 물질층(55)과 솔더 물질(25)로 이루어진 금속간 화합물의 연속적 및/또는 대부분 연속적인 층이 형성되며, 그럼으로써 제 1 습윤성 물질층(53) 내의 제 1 물질과 솔더 물질(25)로 이루어진 금속간 화합물이 형성되지 않게 된다.



그림 3은 본 발명의 실시 예에 따른, 야금적 반응을 수행한 이후의 솔더 컨택(61)에 대한 도면으로서, 이 솔더 컨택은 제 1 습윤성 물질층, 제 2 습윤성 물질층 및 솔더 물질로 이루어진 층 배열에 대한 리플로우 솔더링을 이용하여 형성되었던 것이다. 제 2 물질층은, 야금적 반응 이후에 제 1 물질층(63)이 응착 및 확산 장벽층과 전착 개시층(62)을 갖는 기판 상에 배치되고, 상기 제 2 물질층의 일부(65)가 상기 제 1 물질층(63) 상에 남겨지도록 하는 두께를 가진다. 이 일부층(65)은 그 위에 배치된 제 2 습윤성 물질층(55)의 물질과 솔더와의 야금적 반응을 이용하여 형성되었던 금속간 화합물(67)을 가진다.

그림 3에 도시된 솔더 컨택에서, 상기 야금적 반응 이전에 상기 야금적 반응에서 완전히 소모되지 않을 정도의 두꺼운 층 두께를 가져서, 상기 일부층(65)이 남게 된다. 따라서 금속간 화합물(67)은 단지 제 2 물질층과 솔더 물질로 구성된 화합물로 이루어진다. 만일 제 2 물질층이 구리로 이루어지고, 솔더 물질이 주석으로 이루어진다면, Cu6Sn5 화합물이 얻어질 것이다. 제 1 습윤성 물질층과 솔더 물질로 이루어진 금속간 화합물(니켈과 주석의 경우에는 Ni3Sn4이다)이 형성될 수 없고, 그럼으로써 신뢰성 있는 솔더 컨택이 얻어진다.



그림 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른, 상승된 온도에서 야금적 반응을 수행한 이후의 솔더 컨택(71)을 나타내는 도면으로서, 솔더 컨택(71)은 제 1 습윤성 물질층, 제 2 습윤성 물질층 및 솔더 물질로 이루어진 층 배열의 리플로우 솔더링을 이용하여 형성되었다. 제 2 물질층은, 액상 반응에서 제 2 물질층이 완전히 소모되고 금속간 화합물(73)(IMC M2)이 솔더층(25)과 제 1 물질층(63) 사이에 배치될 정도의 두께를 가졌다.

본 발명에 따르면, 금속간 화합물(73)에서의 솔더 비율이 제 1 물질층(63)(M1)과 솔더 물질로 이루어진 금속간 화합물(IMC M1)에서 보다 작기 때문에, 이 금속간 화합물(IMC M1)은 IMC M2와 M1 사이의 계면에서 생성되지 않는다. 이용된 물질에 따라서, IMC M2와 M1의 계면에서, 금속간 화합물(IMC M2)에서의 M2 및 M1이, 어느 포화(saturation) 값까지 약간의 변경이 있게 된다. 만일 M1이 니켈이고, M2가 구리이며, 솔더 물질이 주석이라면, 금속간 화합물은 (Cu, Ni)6Sn5 층으로 형성될 것이다.

그림 4에 도시된 실시 예는 그림 3에 도시된 예보다 더 얇은 제 2 습윤성 물질(2)을 이용할 수 있게 하며, 이것은 여전히 신뢰성 있는 솔더 컨택을 보장할 수 있는 것이다. 그림 4 또한 리플로우 솔더링을 이용하여 기판(62)에 연결된 제 2 솔더 파트너(79)를 나타낸다. 솔더 파트너들은 모두, 예를 들어, 전자 장치, 집적회로, 기판일 수 있다.

그림 5는 리플로우 솔더링의 수행 이후의 비교 예(81)를 나타내며, 여기서는 제 2 습윤성 물질층이 너무 두꺼운 두께를 보여주었다. 그림 5에 도시된 바와 같이, 금속간 화합물(83)의 연속적인 층이 제 2 물질층과 솔더 물질(25) 사이에 형성되지 않았지만, 상기 층(83)이 습윤성 물질층(63)(M1)에 도달하는 솔더 니들(85)에 의해 관통된다. 따라서 솔더는 제 1 물질층(63)에까지 도달하여, 거기에 금속간 화합물(IMC M1)이 형성되며, 이는 솔더 컨택의 신뢰성이 더 이상 보장되지 않는 결과를 낳게 된다.



그림 6은 본 발명의 실시 예에 따른 UBM 패드 및/또는 터미널 컨택(91)을 나타낸다. 그림 2에 도시된 범프 구조와는 달리, 솔더 물질(25)이 UBM 패드(91)에 존재하지 않고, 제 1 습윤성 물질층은 도면부호 93이며, 제 2 습윤성 물질 층은 도면부호 95이다. UBM 패드(91)를 통해 도시되지 않은 솔더 파트너에 대한 전기적 및/또는 기계적 연결이 수립된다. 도시되지 않은 솔더 물질이 솔더 파트너 상에 있는 솔더 컨택 상에 위치된다.

본 발명이 구현 예를 이용하여 시험되었고, 여기서 그림 2에 도시되었던 시스템이 이용되었다. 스퍼터링에 의해 증착되어 TiWsp으로 칭하는 TiW층이 응착 및 확산 장벽층(57)으로 이용되었다. 전착 개시층(21)으로서, 구리층(Cusp)이 스퍼터링에 의해 증착되었다. 계속하여, 니켈층(Niep)이 제 1 습윤층(53)으로서 증착되었고, 구리층(Niep)이 제 2 습윤성 물질층(55)으로서 전착 개시층(21) 상에 증착되었다.

Sn, SnAg 합금 및 공정(eutectic) SnCu 합금이 솔더 물질로서 이용되었다. 23㎛의 높이를 갖는 작은 Sn 범프가 평가에서 주목을 끌었다. 니켈층(Niep)이 1.5㎛의 두께로 이루어졌다. 제 1 예에서, 150nm 두께의 구리층(Cusp)이 이용된 반면, 제 2 예에서는 500nm의 구리층(Cusp)이 이용되었다. 500nm의 구리층(Cusp) 두께는 리플로우 솔더링 동안 이 범프 높이 (23 ㎛ Sn)를 가지는 주석에서의 구리 용해도 상한을 나타낸다. 솔더링이 250℃의 온도에서 행해졌다. 각 용해도는 U.R. Kattner 등(Z. Metallkd., Vol 92, No. 7, July 2001, pages 740 to 746)의 상태도로부터 판독될 수 있다. 만일 150nm 두께를 갖는 구리층이 주석에서 완전히 용해되었다면, 이는 공정 조성(eutectic composition)에 해당할 것이다.

이와 같이 제조된 솔더 범프에 대해 에이징(aging)이 수행되었고, 그에 앞서 250℃(액상 반응)에서 120초 동안 리플로우되었다. 후속하는 열 에이징(thermal aging)(고상 반응)이 150℃에서 1000 시간에 이를 때까지 수행되었다.

하부-금속화층으로서 TiWspCusp-Niep-Cuep, 그리고 솔더로서 Sn을 적용하는 상술한 금속화 구성에 근거하여, 금속간 화합물 (CuNi)6Sn5를 형성함으로써 Ni과 솔더 사이에 안정적인 계면이 얻어진다. (CuNi)6Sn5는 경계층(최적화 된 Cu층 두께)에 구리가 충분한 양으로 존재하고 솔더가 액상 반응에 있을 경우에, 구리를 변환시킴으로써 형성된다. 후속하는 열에이징 동안, 컨택에 대한 역효과를 나타낼 수 있는, 계면에서의 변화는 발견되지 않았다.

그와 달리, 너무 얇은 Cu층을 가지는 비교예는, 늦춰졌을 경우에, 보다 장기간에 걸쳐서, 니켈로 이루어진 제 1 물질층 M1의 완전한 소비를 나타냈다. 행해진 연구는 2005년 5월 31일에서 6월 3일까지 미국 레이크 부에나 비스타(Lake Buena Vista), Fl에서 개최된 55차 ECTC 2005(55th Electronic Components & Technology Conference)에서, C. Jurenka Wolf, Engelmann, Reichl등에 의해 회보(Proc.) 89~93p에 ‘액체 및 고체 상태 에이징 동안 무연 마이크로 범프의 Ni/Cu 이중층 UBM의 안정성에 대한 Cu 두께의 효과(Effect of the Cu Thickness on the Stability of a Ni/Cu Bilayer UBM of Lead Free Microbumps during Liquid and Solid State Aging)’라는 제목으로 발표되었다. 상기 논문은 Cu인 제 2 물질층의 층 두께에 대한 적합한 선택으로, (CuNi)6Sn5으로 이루어진 거의 연속적인 분리층이 솔더와 니켈 사이에 발생되고, 상기 층의 조성은 후속하는 열에이징 동안 변하지 않았다는 것을 개시한다. 이 조성은 리플로우 공정의 지속 기간, 선택된 온도, 및 층 두께의 선택에 의존적이다.

제 1 습윤성 물질층(53) 및 제 2 습윤성 물질층(55)은, 예를 들어, 스퍼터링 공정, 기상(vapor) 공정 또는 다른 갈바닉 공정, 또는 전기 화학 공정을 이용하여 증착될 수 있다(그림 2 참조). 그러나 본 발명은 상기 제 1 습윤성 물질층(53) 및 제 2 습윤성 물질층(55)에 대해 그러한 방법들에 제한되지 않으며, 바람직한 다른 모든 방법들을 적용하는 것이 가능하다. 솔더는 예를 들어, 갈바닉 공정, 기상-증착 공정, 솔더 페이스트(solder paste) 압력, 또는 솔더 프리폼(예로서 솔더 볼)의 배치를 이용하여 증착될 수 있다. 상술한 실시 예들에서, 2개 물질층(53 및 55, 그림 2 참조)은, 솔더 물질과 응착층 사이에 범프 구조(51)로서 배치된다. 그러나 상기 제 1 물질층과 관련된 그 특성이 제 2 물질층의 특성에 필적할 수 있는 다수의 물질층이 제 1 물질층과 솔더 사이에 배치될 수 있다.

상술한 실시 예들에서, 리플로우 솔더 온도, 물질 및 솔더 물질 질량에 맞게 조정된 특정 층의 두께가 이용되었다. 그러나 상황에 따라서, 상술한 유형의 분리층이 습윤층들 중의 하나와 솔더 사이에 형성한다면, 다른 층 두께가 적용될 수 있다. 상술한 실시 예들에서, 본 발명에 따른 범프 구조(51)는 바람직하게는 플립칩 본딩을 구현하도록 채용된다. 그러나 상기 범프 구조(51)에 상응하는 금속화층을 바람직한 모든 방식으로 이용하는 것 또한 그의 응용 예이다.

제 1 및 제 2 습윤성 물질층에 대해 니켈과 구리를 이용하는 대신, 상호간에 정의된 상기 특성을 나타내는, 모든 적합한 금속 또는 금속층 시스템 또는 금속 합금이 이용될 수 있다. 응착 및 확산 장벽층 및 전착 개시층은 각각 다른 층 두께를 포함할 수 있다. 마이크로전자공학의 응용 분야에서는, 이들은 전형적으로 수 나노미터의 범위 내이다. 제 1 습윤성 물질층의 두께는 필수적인 사항이 아니며, 이 응용 분야에서는 수 마이크로미터의 범위 내(전형적으로 1~100㎛)이다. 제 2 습윤성 물질층은 수 나노미터에 서 수 마이크로미터에 이르는 범위 내의 층 두께를 나타낼 수 있다. 가능한 한 얇은 층 두께를 가지는 층의 구성을 구현할 수 있기 위해서(공정 시간 감소), 제 2 물질층의 두께는 바람직하게는 제 1 물질층보다 작다. 개별적인 경우에서는, 특히 제 2 물질층(2)의 층 두께는 솔더 부피에, 그럼으로써 범프 사이즈에 적합하도록 조정되어야 한다.

산업상 이용 가능성         
본 발명의 UBM 구성은 많은 향상과 이점을 제공한다. 얻어지는 이점들 중에서 하나의 예는, 일반적으로 소위 웨이퍼 프로세싱인 반도체 장치의 플립칩 조립에서의 무연 솔더 접합을 위한 UBM에서, 안정한 계면, 즉 안정한 컨택 패드의 공정-호환성 구현이다. 이 컨택 시스템의 신뢰성은, 솔더와 UBM의 계면에서 화합물의 형성을 축소시키고 안정화시킴으로써 증가된다. 또한, 다양한 무연 솔더 시스템, 예를 들어 SnAg, SnCu, 등과 같은, 다른 솔더 합금을 위한 조정은 다중-층 UBM 시스템의 층 두께를 변경함으로써 이루어질 수 있다. 적합한 층-두께 비율을 이용함으로써, 솔더 조성 자체, 예를 들어, SnxCuy에 영향을 줄 수 있다. 구성에 따라 솔더 조성을 조정하면, SnxCuy와 같은 솔더 합금 조성을 구현하고 검사하기 위한 고도의 공정을 회피 및/또는 그것들을 완전히 대체한다. 이는 플립칩 컨택 시스템의 신뢰성을 증가시킴과 동시에 비용 절감에 공헌하게 된다. 또한, 본 발명은 줄어든 공정 시간(더 얇은 층 두께)으로 인해 웨이퍼 범핑에서 비용 절감이 이루어짐과 동시에 안정화된 컨택 패드를 이용하여 신뢰성을 증가시킨다. 

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