KR20110078186A - Method for fabricating system in package - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 세 개 이상의 반도체 소자를 수직, 수평으로 집적하여 시스템 인 패키지(system in package)를 제조하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor device. In particular, the present invention relates to a method and system for manufacturing a system in package by integrating three or more semiconductor devices vertically and horizontally.
최근 반도체 기술에 있어 복잡한 회로 구성을 재현하기 위하여 반도체 공정의 미세 회로 제조기술 뿐만 아니라, 여러 반도체 칩들의 적층을 통한 반도체 소자 제조 방법이 활발히 개발 중이다. 다시 말해, 잘 알려진 바와 같이 하나의 칩에 대한 고집적화의 요구가 날로 커져감에 따라, 여러 종류의 반도체 소자를 칩 또는 웨이퍼 상태로 적층하고 관통전극 관통전극(Through via hole 또는 Through wafer via)으로 연결하는 시스템 인 패키지 기술에 대한 연구가 활발하다. 그럼에도 불구하고 아직 실제 상품화는 활발하지 않은 것이 현실인데, 이는 고집적화를 달성하기 위한 시스템 인 패키지의 제조 단가가 높기 때문이다. Recently, in order to reproduce a complex circuit configuration in semiconductor technology, not only a fine circuit manufacturing technology of a semiconductor process but also a semiconductor device manufacturing method through stacking of various semiconductor chips are being actively developed. In other words, as the demand for high integration of a single chip increases as is well known, various types of semiconductor devices are stacked in a chip or wafer state and connected to through via holes or through wafer vias. There is a lot of research into the package technology. Nevertheless, the actual commercialization is not active yet, because the manufacturing cost of the package, a system for achieving high integration, is high.
종래 기술에서 시스템 인 패키지를 제조하기 위한 단가가 높은 이유는 기존 의 시스템 인 패키지에 필수적으로 요구되는 관통전극과 관계가 있다. 관통전극이란 통상 수십 내지 수백 μm 에 달하는 비아 홀(via hole)로써 반도체 소자를 관통하는 비아 홀을 의미한다. 종래 기술에서는 이러한 관통전극을 통하여 반도체 소자간의 연결을 도모하였다.The reason for the high cost of manufacturing the system in package in the related art is related to the through-electrodes required for the existing system in the package. The through electrode generally means a via hole penetrating tens to hundreds of micrometers, and means a via hole penetrating a semiconductor device. In the prior art, the connection between semiconductor devices is achieved through such a through electrode.
그러나, 이러한 관통전극을 구현하는데 소요되는 시간과 비용을 일반 반도체 공정의 수 내지 수십 배에 달하고 있어 공정단가가 높아지는 것이 현실이다. 또한 아직 기술의 안정화가 부족하여 관통전극을 형성할 때 결함이 종종 발생하며, 관통전극 형성 후 소자간의 결합에 사용되는 범프(bump)의 결함 등으로 인해 제품의 수율이 현저히 떨어지고 있는 것이 현실이다. 이와 같이 패키지의 생성시에 발생하는 결함은 하나의 결함으로 인하여 패키지의 생성에 관계되는 복수의 소자를 소비하기 때문에 제품의 공정단가가 더욱 올라가게 된다.However, since the time and cost of implementing such a through electrode are several to several tens of times of a general semiconductor process, the process cost increases. In addition, defects often occur when the through electrode is formed due to lack of stabilization of the technology, and the yield of the product is significantly reduced due to the defect of the bump used for the coupling between the elements after the through electrode is formed. As described above, since the defects generated during the generation of the package consume a plurality of elements related to the generation of the package due to one defect, the process cost of the product is further increased.
도 1은 전술한 바와 같은 종래 기술에 의해 형성된 시스템 인 패키지의 예시를 도시하고 있다. 세 개 이상의 반도체 소자(300, 400, 500)가 수직으로 집적되어 있으며, 각 소자간에는 소정의 접합제(320)가 존재한다. 각 소자간의 연결을 위하여 관통전극(350)을 형성하며 범프(310)가 배치된다.Figure 1 shows an example of a system in a package formed by the prior art as described above. Three or
위와 같은 종래 기술의 문제를 해결하기 위하여, 본 발명은 세 개 이상의 소자를 집적하는 시스템 인 패키지 공정에서 관통전극을 사용하지 않고 집적함으로서 제품의 단가를 낮춤과 동시에 수율을 향상시키는 데에 목적이 있다.In order to solve the above problems of the prior art, an object of the present invention is to reduce the cost of the product and to improve the yield by integrating without using a through electrode in a package process that is a system integrating three or more devices. .
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 측면은, 세 개 이상의 반도체 소자를 집적하여 시스템 인 패키지(system in package)를 제조하는 방법에 있어서, 제 1, 제 2 및 제 3 반도체 소자를 제공하는 단계와, 상기 제 1 반도체 소자를 플립 칩(flip-chip) 형태로 상기 제 2 및 제3 반도체 소자와 마주한 후 Cu-to-Cu 본딩 (Cu-to-Cu bonding)하는 단계를 포함하되, 상기 플립 칩 형태인 제 1 반도체 소자에 의해 상기 제 2 및 제 3 반도체 소자가 직접적인 전기적 연결이 가능한 것을 특징으로 한다.In order to solve the above problems, an aspect of the present invention, in the method of manufacturing a system in a package (system in package) by integrating three or more semiconductor devices, providing a first, second and third semiconductor device And Cu-to-Cu bonding after the first semiconductor device faces the second and third semiconductor devices in a flip-chip form, wherein the flip-chip includes: The second and third semiconductor devices may be directly electrically connected to each other by a first semiconductor device having a chip shape.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 Cu-to-Cu 본딩 단계는, 상기 제 1, 제 2 및 제 3 반도체 소자에 비아홀을 형성하는 단계와, 상기 제 1, 제 2 및 제 3 반도체 소자의 비아홀에 절연막, 장벽금속막 및 시드막을 형성하는 단계와, 상기 절연막, 장벽금속막 및 시드막이 형성된 제 1, 제 2 및 제 3 반도체 소자 위에 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계와, 상기 제 1, 제 2 및 제 3 반도체 소자의 비아홀에 구리 도금막을 형성하는 단계와, 상기 제 1 반도체 소자의 구리 도금막과 상기 제 2 및 제 3 반도체 소자의 구리 도금막을 서로 마주한 후 접합하는 단계를 더 포함한다.According to a preferred embodiment of the present invention, the Cu-to-Cu bonding step, the step of forming a via hole in the first, second and third semiconductor device, and the first, second and third semiconductor device Forming an insulating film, a barrier metal film and a seed film in the via hole, forming a photoresist pattern on the first, second and third semiconductor devices on which the insulating film, the barrier metal film and the seed film are formed; Forming a copper plating film in the via holes of the second and third semiconductor devices;
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 제 1 반도체 소자의 구리 도금막은 상기 제 2 및 제 3 반도체 소자 각각의 구리 도금막과 본딩되어 상기 제 2 및 제 3 반도체 소자를 전기적으로 연결한다.According to a preferred embodiment of the present invention, the copper plating film of the first semiconductor device is bonded to the copper plating film of each of the second and third semiconductor devices to electrically connect the second and third semiconductor devices.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 제 1, 제 2 및 제 3 반도체 소자의 구리 도금막은 기판으로부터 10~10000Å 높이만큼 외부로 돌출된다.According to a preferred embodiment of the present invention, the copper plated films of the first, second and third semiconductor devices protrude out of the substrate by a height of 10 to 10000 mm.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 접합하는 단계는 플라즈마를 이용하여 활성화된 상기 제 1, 제 2 및 제 3 반도체 소자의 구리 도금막을 200~800도에서 접합한다.According to a preferred embodiment of the present invention, in the bonding step, the copper plated films of the first, second and third semiconductor devices activated using plasma are bonded at 200 to 800 degrees.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 제 2 및 제 3 반도체 소자를 PCB 기판에 와이어 연결하는 단계를 더 포함한다.According to a preferred embodiment of the present invention, the method may further include connecting the second and third semiconductor devices to the PCB substrate.
본 발명에 의하면, 세 개 이상의 반도체 소자를 관통전극 없이 집적하여 시스템 인 패키지를 제조함으로써 공정 단가를 낮추고 수율은 높일 수 있다.According to the present invention, by fabricating a system-in-package by integrating three or more semiconductor devices without a through electrode, a process cost can be lowered and a yield can be increased.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 동작 원리를 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.Hereinafter, the operating principle of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description of the present invention, if it is determined that a detailed description of a known function or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description thereof will be omitted. In addition, terms to be described below are terms defined in consideration of functions in the present invention, which may vary according to a user's or operator's intention or custom. Therefore, the definition should be based on the contents throughout this specification.
한편, 어떤 층이나 다른 층 또는 반도체 기판의 '상' 또는'위'에 있다라고 기재되는 경우에, 명시적으로 기재하는 경우를 제외하고는, 상기 어떤 층은 다른 층 또는 반도체 기판에 직접 접촉하여 존재할 수 있고, 또는 그 사이에 제3의 층이 개재되어 질 수도 있다. 또한 도면에서 각 측의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다.On the other hand, when described as being on or above a layer or other layer or semiconductor substrate, the layer may be in direct contact with another layer or semiconductor substrate, except where expressly stated. It may be present, or a third layer may be interposed therebetween. In addition, in the drawings, the thickness or size of each side is exaggerated, omitted, or schematically illustrated for convenience and clarity of description. Also, the size of each component does not fully reflect its actual size.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 형성된 시스템 인 패키지를 도시한 것이다.2 illustrates a system in package formed in accordance with one embodiment of the present invention.
도 2에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 시스템 인 패키지는 세 개 이상의 반도체 소자를 집적하여 형성된다. 구체적으로, 트랜지스터(341) 등을 포함하는 제 1 반도체 소자(301), 제 2 반도체 소자(401), 제 3 반도체 소자(501)가 전기적으로 연결되어 있다. 제 1 반도체 소자(301)는 제 2 반도체 소자 및 제 3 반도체 소자를 전기적으로 연결하는 기준이 되도록 플립 칩(flip-chip) 형태로 집적된다. 즉, 제 1 반도체 소자(301)는 각각 제 2, 제 3 반도체 소자(401, 501)과 직접적으로 연결되며 제 2 반도체 소자(401)와 제 3 반도체 소자(501)는 제 1 반도체 소자를 통하여 전기적으로 연결될 수 있다.As shown in FIG. 2, the system in package according to the present invention is formed by integrating three or more semiconductor devices. Specifically, the
제 1 반도체 소자(301)와 제 2, 제 3 반도체 소자(401, 501)는 구리 배선부(331, 431, 531)이 Cu-to-Cu 본딩(Copper to Copper Bonding)을 통하여 결합될 수 있다. 도 3a 내지 도 3e와 관련하여 보다 상세히 서술하겠지만, Cu-to-Cu 본딩이란 플라즈마를 이용하여 활성화된 구리 배선끼리 고온의 분위기, 예컨대, 200~800도의 분위기 속에서 접합되는 기술을 의미한다.In the
한편, 위와 같이 형성된 시스템 인 패키지의 제 2, 및 제 3 반도체 소자는 필요에 따라 PCB 기판과 와이어 연결되어 사용될 수도 있다.Meanwhile, the second and third semiconductor devices of the system-in-package formed as described above may be used in connection with a PCB substrate as necessary.
이상과 같이 세 개 이상의 소자를 수직, 수평으로 집적하게 되면 관통전극을 형성할 필요가 사라지게 되어 공정 단가를 줄이고 수율을 향상시킬 수 있다.Integrating three or more elements vertically and horizontally as described above eliminates the need to form through electrodes, thereby reducing process costs and improving yield.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템 인 패키지를 제조하기 위한 반도체 소자 간의 접합 방법을 도시한 것이다.3A to 3E illustrate a bonding method between semiconductor devices for manufacturing a system in package according to an embodiment of the present invention.
도 3a는 제 1 반도체 기판(100)을 도시하는 것으로, 반도체 기판(100) 상에 예컨대, 싱글 다마신(single damascene) 또는 듀얼 다마신(dual damascene) 공정 등과 같은 실리콘 식각 공정을 통하여 비아홀(110)을 형성한다. 다음으로 비아홀(110)이 형성된 기판(100)상에 절연막(120), 장벽금속막(130) 및 시드막(140)을 증착한다. FIG. 3A illustrates the
예컨대, 절연막(120)는 화학기상증착(CVD) 방법을 사용하여 SiO2, SiN 또는 SiON을 10~5000Å의 두께로 형성할 수 있다. 또한 절연막(120)은 열산화 방식을 사용할 수도 있다.For example, the
장벽금속막(130)은 비아홀(110)의 매립물질인 구리의 확산을 방지하기 위해 형성하는 것으로, 예컨대, 화학적 기상증착(PVD), 물리적 기상증착(CVD) 또는 원자층 증착(ALD) 방법을 이용하여 Ta, TaN, TiSiN 또는 TaSiN을 10~5000Å의 두께로 형성할 수 있다.The
시드막(140)은 장벽금속막(130) 상에 후속 공정인 금속물질의 증착이 용이하게 이루어지도록 상기 장벽금속막(130)의 단차를 따라 형성된다. 시드막(140)은 예컨대, 화학적 기상증착(PVD), 물리적 기상증착(CVD) 또는 원자층 증착(ALD) 방법을 이용하여 Cu, Au 또는 Pt을 10~5000Å의 두께로 형성한다.The
그 다음, 도 3b에 도시된 바와 같이, 시드막(140) 상에 포토레지스트막을 도포한 후 시드막(140) 상에 형성된 포토레지스트막을 비아홀(110)이 노출되도록 노광 및 현상하여 포토레지스트 패턴(150)을 형성한다. 이러한 포토레지스트 패턴(150)은 후속 공정에서 구리 배선을 시드막(140)보다 소정 두께 이상으로 형성하기 위한 것이며, 따라서 그 형태는 비아홀(110)과 동일하게 형성되며 크기는 비아홀(110)의 크기보다 소정 크기, 예컨대, 1 내지 500㎛ 정도 크게 형성될 수 있다.Next, as shown in FIG. 3B, after the photoresist film is coated on the
이후, 도 3c에 도시된 바와 같이, 포토레지스트 패턴(150)이 형성된 제1 반도체 기판(100) 상으로 비아 갭필(gap-fill)을 위하여 전기도금법으로 구리 도금막(160)을 형성한다. 비아 갭필 시 전기도금공정 중의 하나인 역펄스 도금(pulse reverse plating) 방법을 이용하여 도금막(160)을 형성하고 상기 도금막(160)을 평탄화할 수 있다. 이때, 도금막(160)의 평탄화를 위해 최종 도금막(160)의 표면이 포토레지스트 패턴(150) 보다 높지 않도록 형성한다. Thereafter, as illustrated in FIG. 3C, a copper plating layer 160 is formed by an electroplating method for via gap-fill on the
이와 같이 도금막(160)이 기판 상에서 일정 두께만큼 돌출되어야 하는데, 이는, 이하에서 후술할 바와 같이 반도체 소자간의 접합 시에 열 압착(Thermo compression) 방식을 사용하기 위하여는 주변의 압력이 구리 도금막(160)으로 전달되어야 하기 때문이다. 바람직하게는 상기 도금막(160)이 예컨대, 기판(100)층을 기준으로 볼 때 10~10000Å 정도 돌출되도록 한다.As described above, the plated film 160 should be protruded by a predetermined thickness on the substrate. In order to use the thermo compression method when the semiconductor devices are bonded as described below, the pressure around the copper plated film is increased. Because it must be passed to 160. Preferably, the plating film 160 is protruded, for example, about 10 to 10000 mm when viewed based on the
그 다음, 도 3d에 도시된 바와 같이, 포토레지스트 패턴(150)을 제거하고 도금막(160)을 식각마스크로 사용하여 시드막(140), 장벽금속막(130), 절연막(120)을 식각한다. 따라서, 비아홀에는 절연막(120a), 장벽금속막(130a), 시드막(140a) 및 도금막(160a)이 적층되어 있는 상태가 된다.3D, the
다음으로 제 2 반도체 소자(200)를 전술한 바와 같은 공정에 따라 제조하여 준비한다. 즉, 기판(200) 상에 비아홀을 형성한 후, 절연막(220a), 장벽금속막(230a), 시드막(240a)를 증착하고 포토레지스트패턴을 형성한 후 구리 도금막(260a)을 형성한 뒤, 포토레지스트패턴을 제거한다.Next, the
그 다음, 도 3e에 도시된 바와 같이, 제조된 제 1 반도체 기판(100)의 도금막(160a)의 표면과 제2 반도체 기판(200)의 도금막(260a)의 표면이 서로 마주하도록 접촉시킨 후, 제1 및 제2 반도체 기판(100,200)에 소정의 열과 압력을 가하여 본딩시킨다. 따라서, 활성화된 구리 배선부(160a, 260a) 끼리 직접 접할시킬 수 있다.3E, the surface of the plated
이상과 같이 본 발명의 이해를 위하여 그 실시예를 기술하였으나, 당업자라면 알 수 있듯이, 본 발명은 본 명세서에서 기술된 특정 실시예에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 범주를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형, 변경 및 대체될 수 있다. 따라서, 본 발명의 진정한 사상 및 범주에 속하는 모든 변형 및 변경을 특허청구범위에 의하여 모두 포괄하고자 한다.Although the embodiments have been described for the understanding of the present invention as described above, it will be understood by those skilled in the art, the present invention is not limited to the specific embodiments described herein, but variously without departing from the scope of the present invention. May be modified, changed and replaced. Therefore, it is intended that the present invention cover all modifications and variations that fall within the true spirit and scope of the present invention.
도 1은 종래기술에 따라 관통전극에 의해 형성된 시스템 인 패키지를 도시한 것이다.1 illustrates a system in a package formed by a through electrode according to the prior art.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 형성된 시스템 인 패키지를 도시한 것이다.2 illustrates a system in package formed in accordance with one embodiment of the present invention.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템 인 패키지를 제조하기 위한 반도체 소자 간의 접합 방법을 도시한 것이다.3A to 3E illustrate a bonding method between semiconductor devices for manufacturing a system in package according to an embodiment of the present invention.
Claims (6)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020090134928A KR20110078186A (en) | 2009-12-30 | 2009-12-30 | Method for fabricating system in package |
Applications Claiming Priority (1)
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KR1020090134928A KR20110078186A (en) | 2009-12-30 | 2009-12-30 | Method for fabricating system in package |
Publications (1)
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KR20110078186A true KR20110078186A (en) | 2011-07-07 |
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ID=44917678
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KR1020090134928A KR20110078186A (en) | 2009-12-30 | 2009-12-30 | Method for fabricating system in package |
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KR (1) | KR20110078186A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20230006122A (en) | 2021-07-02 | 2023-01-10 | 한양대학교 에리카산학협력단 | Cu-to-Cu DIRECT BONDING METHOD USING METAL ELECTROPLATING FILM, WAFER LEVEL PACKAGING METHOD USING THE SAME AND SEMICONDUCTOR DEVICE MANUFACTURED USING THE SAME |
-
2009
- 2009-12-30 KR KR1020090134928A patent/KR20110078186A/en not_active Application Discontinuation
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KR20230006122A (en) | 2021-07-02 | 2023-01-10 | 한양대학교 에리카산학협력단 | Cu-to-Cu DIRECT BONDING METHOD USING METAL ELECTROPLATING FILM, WAFER LEVEL PACKAGING METHOD USING THE SAME AND SEMICONDUCTOR DEVICE MANUFACTURED USING THE SAME |
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Legal Events
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WITN | Withdrawal due to no request for examination |