KR20060054689A - Semiconductor device having rear input / output terminal and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 기판 후면에 입출력 단자를 갖는 반도체 장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 개시된 본 발명은, 트랜지스터가 구비된 반도체 기판 위의 제1 층간절연막을 관통하여 반도체 기판 내부까지 이르는 전도성 플러그를 형성한다. 다음으로 전도성 플러그 상부면과 연결되는 금속배선 및 금속배선을 절연하는 제2 층간절연막을 형성하고, 반도체 기판의 후면을 씨닝하여 전도성 플러그의 하부면을 반도체 기판 후면에 대해 돌출시킨 다음, 돌출된 전도성 플러그의 하부면을 덮어 싸도록 반도체 기판 후면에 후면절연막을 형성하고, 후면절연막에 음각구조를 형성하여 전도성 플러그의 하부면을 노출시킨다. 이어서 노출된 전도성 플러그의 하부면과 연결되는 입출력 단자를 기판 후면에 형성한다. 따라서 본 발명은 칩 스태킹 및 마운팅 등을 위한 반도체 장치의 접속 시 반도체 장치를 플립 시키지 않아도 되고 트랜지스터에서 발생하는 열을 신속히 전도 시킬 수 있도록 한다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device having an input / output terminal on a back surface of a substrate and a method of manufacturing the same. The disclosed invention forms a conductive plug that penetrates into a semiconductor substrate through a first interlayer insulating film on a semiconductor substrate provided with a transistor. Next, a second interlayer insulating film is formed to insulate the metal wiring and the metal wiring connected to the upper surface of the conductive plug, thinning the rear surface of the semiconductor substrate to protrude the lower surface of the conductive plug against the rear surface of the semiconductor substrate, and then protruding conductive A rear insulating film is formed on the back surface of the semiconductor substrate to cover the lower surface of the plug, and a negative structure is formed on the rear insulating film to expose the lower surface of the conductive plug. Subsequently, an input / output terminal connected to the lower surface of the exposed conductive plug is formed on the back of the substrate. Therefore, the present invention does not have to flip the semiconductor device when the semiconductor device is connected for chip stacking and mounting, and can quickly conduct heat generated from the transistor.
반도체, 기판, 후면, 입출력 단자, 스터드, 범프, 패드 Semiconductor, Board, Back, I / O Terminals, Studs, Bumps, Pads
Description
도 1a 내지 도 1n은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 기판 후면에 입출력 단자를 갖는 반도체 장치 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들,1A to 1N are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device having an input / output terminal on a rear surface of a substrate according to a first embodiment of the present invention;
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 기판 후면에 입출력 단자를 갖는 반도체 장치 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들,2A to 2C are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device having an input / output terminal on a rear surface of a substrate according to a second embodiment of the present invention;
도 3a 내지 도 3b는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 기판 후면에 입출력 단자를 갖는 반도체 장치 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들,3A to 3B are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device having an input / output terminal on a rear surface of a substrate according to a third embodiment of the present invention;
도 4a 내지 도 4d는 본 발명에 따른 후면 입출력 단자 형성 전에 후면 금속배선을 제작하는 방법을 설명하기 위한 단면도들,4A to 4D are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a rear metal wiring before forming a rear input / output terminal according to the present invention;
도 5a 내지 도 5c는 본 발명에 따른 후면 입출력 단자 형성 전에 후면 금속배선을 제작하는 다른 방법을 설명하기 위한 단면도들.5A to 5C are cross-sectional views illustrating another method of manufacturing a back metal wiring before forming a back input / output terminal according to the present invention.
<도면의 주요 부호에 대한 간략한 설명><Brief description of the major symbols in the drawings>
100 : 반도체 기판 200 : 트랜지스터100
300 : 제1 층간절연막 310 : 홀300: first interlayer insulating film 310: hole
320' : 내부절연막 330' : 라이너320 ': Internal insulation film 330': Liner
340' : 금속몸체 360 : 전도성 플러그340 ': Metal body 360: Conductive plug
400 : 금속배선410 : 제2 층간절연막400: metal wiring 410: second interlayer insulating film
500 : 후면절연막 510 : 음각구조500: back insulation 510: engraved structure
520' : 장벽층530' : 전도성 스터드520 ': barrier layer 530': conductive stud
540' : UBM층560 : 범프540 ': UBM layer 560: bump
570' : 장벽층580' : 패드570 ': barrier layer 580': pad
본 발명은 반도체 장치 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기판 후면에 입출력 단자를 갖는 반도체 장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a semiconductor device having an input / output terminal on a back surface of a substrate and a method for manufacturing the same.
일반적으로, 반도체 장치의 입출력(Input Output; I/O) 단자는 반도체 장치의 금속배선 공정이 완료된 상부면에 본딩 패드(bonding pad)나 범프(bump)의 형태로 형성된다. 최근 반도체 장치의 금속배선이 점점 다층화 되고 금속배선을 절연시키는 층간절연막(inter-layer dielectric)이 저유전상수(low dielectric constant) 물질로 대체되고 있다. 그러나, 저유전상수 물질은 기존의 층간절연막으로 이용되던 실리콘 산화물(SiO2) 계열의 절연막에 비해 낮은 기계적 강도와 낮은 열전도도를 나타낸다. 이로 인해 반도체 장치의 상부면에 형성된 패드를 통한 프로브 테스트(probe test) 및 와이어 본딩(wire bonding) 시 패드를 지지하고 있는 층간절연막이 파괴될 수 있으며, 또 반도체 장치를 플립(flip) 시켜 본딩 하는 경우에는 반도체 장치의 트랜지스터에서 발생하는 열을 적절히 전도시키지 못하는 문제점을 야기한다.In general, an input / output (I / O) terminal of a semiconductor device is formed in the form of a bonding pad or a bump on an upper surface of a metal wiring process of the semiconductor device. In recent years, the metallization of semiconductor devices has been increasingly multilayered, and inter-layer dielectrics that insulate metallization have been replaced by low dielectric constant materials. However, the low dielectric constant material exhibits low mechanical strength and low thermal conductivity compared to the silicon oxide (SiO 2 ) -based insulating film, which is used as an existing interlayer insulating film. As a result, an interlayer insulating layer supporting the pad may be destroyed during probe test and wire bonding through the pad formed on the upper surface of the semiconductor device, and the semiconductor device may be flipped and bonded. In this case, there arises a problem of not properly conducting heat generated in the transistor of the semiconductor device.
또한, 최근 입출력 단자 수의 증가 및 패기지(package) 크기의 감소 필요성에 따라 범프를 이용한 입출력과 플립칩(flip chip) 본딩이 확대되고 있지만, CMOS 이미지 센서와 같이 반도체 장치의 상부면을 통해 빛을 받아야 하는 경우와 같이, 반도체 장치의 상부면이 바깥으로 드러나 있어야 하는 경우에는 반도체 장치를 플립(flip)하여 본딩 하는 것이 불가능하다. 그러므로 이와 같은 반도체 장치에서 상부면에 범프를 형성하는 방법은 본딩 시의 문제점 때문에 적용되기가 곤란하였다.In addition, although the input / output and flip chip bonding using bumps have been expanded in recent years due to the increase in the number of input / output terminals and the reduction in package size, light through the upper surface of a semiconductor device such as a CMOS image sensor is increased. In the case where the upper surface of the semiconductor device is to be exposed to the outside, for example, it is impossible to flip and bond the semiconductor device. Therefore, the method of forming bumps on the upper surface of such a semiconductor device has been difficult to apply because of problems in bonding.
또한, 멀티칩(multi chip) 제조를 위한 칩 스태킹(stacking)에서, 입출력 단자가 반도체 장치의 상부면에만 형성되면 칩과 칩을 직접 연결하는 것이 어려우므로 칩들을 스태킹 후 본딩 와이어를 스태킹된 칩 에지(edge) 상의 패드에 본딩 하여 칩 간을 연결하거나 PCB와 같은 기판을 사이에 두고 칩들을 스태킹 하여왔다. 이와 같이, 칩 스태킹에서 와이어링(wiring)이나 인쇄된 회로(printed circuit)를 통해 칩들이 연결되면 인덕턴스(inductance)가 증가하여 고주파 손실이 커지며, 와이어들 간에 크로스 토크가 증가될 뿐만 아니라 전자파간섭(Electro Magnetic Interference) 특성 또한 나빠질 수 있다. In addition, in chip stacking for multi chip manufacturing, if an input / output terminal is formed only on the upper surface of the semiconductor device, it is difficult to directly connect the chip and the chip, and thus stack the chips and stack the bonding wires after stacking the chips. Bonding to pads on the edges has been used to connect chips or stack chips across a substrate such as a PCB. As such, in chip stacking, when chips are connected through wiring or a printed circuit, inductance is increased to increase high frequency loss, crosstalk between wires is increased, and electromagnetic interference ( Electro Magnetic Interference) characteristics may also deteriorate.
본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 입출력 단자 지지층의 기계적 강도를 증대시키고 범프를 통한 입출력 시 열전도도를 향상시키며 본딩 시에는 반도체 장치의 플립이 필요 없고, 또한 멀티칩 제조를 위한 칩 스태킹 시 칩 간의 직접 연결이 가능하도록 기판 후면에 입출력 단자를 갖는 반도체 장치를 제공하는데 있다.An object of the present invention is to solve the problems of the prior art as described above, to increase the mechanical strength of the input and output terminal support layer, improve the thermal conductivity during input and output through the bump, and no bonding of the semiconductor device during bonding, and also multi The present invention provides a semiconductor device having an input / output terminal on a rear surface of a substrate to enable direct connection between chips during chip stacking for chip manufacturing.
본 발명의 다른 목적은 상기 후면 입출력 단자를 갖는 반도체 장치 제조 방법을 제공하는데 있다. Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor device having the rear input / output terminals.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 장치는, 트랜지스터가 구비된 반도체 기판과, 상기 반도체 기판 위에 형성되되 상기 반도체 기판 내부 소정의 깊이까지 형성된 홀의 입구부를 갖는 제1 층간절연막과, 상기 홀 내부벽에 형성된 내부절연막과, 상기 홀 내에 형성된 라이너와 금속몸체로 이루어진 전도성 플러그와, 상기 제1 층간절연막 위에 형성되어 상기 전도성 플러그의 상부면과 연결되는 금속배선을 둘러싸는 제2 층간절연막과, 상기 반도체 기판의 씨닝된 후면에 형성되되 상기 씨닝된 후면에 대해 돌출된 상기 전도성 플러그의 하부면을 노출시키는 음각구조를 갖는 후면절연막과, 상기 음각구조 내부에 형성되어 상기 전도성 플러그의 하부면과 연결되는 장벽층 및, 상기 장벽층 표면에 형성되어 상기 음각구조 내부를 채우는 전도성 스터드를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device including a semiconductor substrate including a transistor, a first interlayer insulating layer formed on the semiconductor substrate and having an inlet portion of a hole formed to a predetermined depth inside the semiconductor substrate; A second interlayer insulating film formed on the inner wall of the hole, a conductive plug formed of a liner and a metal body formed in the hole, and a second interlayer insulating film formed on the first interlayer insulating film and surrounding a metal wiring connected to an upper surface of the conductive plug; And a back insulating layer formed on the thinned back surface of the semiconductor substrate, the back insulating layer having an intaglio structure exposing a bottom surface of the conductive plug protruding with respect to the thinned back surface, and formed in the intaglio structure to the bottom surface of the conductive plug. A barrier layer connected to the barrier layer and formed on a surface of the barrier layer to form a barrier layer; Filling characterized in that it comprises a conductive stud.
또한, 상기 다른 목적을 달성하기 위해, 상기 일 실시예에 따른 본 발명의 반도체 장치 제조 방법은, 트랜지스터가 구비된 반도체 기판 위에 제1 층간절연막을 형성하는 단계와, 상기 제1 층간절연막 상부로부터 상기 제1 층간절연막을 관통하여 상기 반도체 기판 내부 소정의 깊이까지 홀을 형성하는 단계와, 상기 홀 내부벽과 상기 제1 층간절연막 상부면에 내부절연막을 형성하는 단계와, 상기 내부절연막 전면에 라이너층을 형성하는 단계와, 상기 라이너층 전면에 전도성 금속층을 형성하여 상기 홀을 매립하는 단계와, 상기 전도성 금속층과 라이너층을 적어도 상기 내부절연막이 노출될 때까지 제거하여 상기 홀 내부를 채우는 전도성 플러그를 형성하는 단계와, 상기 결과물 위에 상기 전도성 플러그의 상부면과 연결되는 금속배선과 상기 금속배선을 둘러싸는 제2 층간절연막을 형성하는 단계와, 상기 반도체 기판의 후면을 씨닝하여 상기 전도성 플러그의 하부면을 상기 씨닝된 반도체 기판의 후면에 대해 돌출시키는 단계와, 상기 돌출된 전도성 플러그의 하부면을 덮어 싸도록 상기 씨닝된 후면에 후면절연막을 형성하는 단계와, 상기 후면절연막에 음각구조를 형성하여 상기 전도성 플러그의 하부면을 노출시키는 단계와, 상기 음각구조 내부 및 상기 후면절연막 하부면에 장벽층을 형성하는 단계와, 상기 장벽층 표면에 전도성 스터드층을 형성하여 상기 음각구조를 매립하는 단계 및, 상기 전도성 스터드층과 장벽층을 상기 후면절연막이 노출될 때까지 제거하여 상기 음각구조 내부를 채우는 전도성 스터드를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, in order to achieve the above object, the semiconductor device manufacturing method of the present invention according to the embodiment of the present invention, forming a first interlayer insulating film on a semiconductor substrate provided with a transistor, and from above the first interlayer insulating film Forming a hole through a first interlayer insulating film to a predetermined depth in the semiconductor substrate, forming an internal insulating film on the inner wall of the hole and an upper surface of the first interlayer insulating film, and forming a liner layer on the entire surface of the internal insulating film. Forming a conductive metal layer on the entire surface of the liner layer, filling the hole, and removing the conductive metal layer and the liner layer until at least the internal insulating layer is exposed to form a conductive plug filling the inside of the hole. And a metal wire connected to the upper surface of the conductive plug and the metal wire on the resultant product. Forming a second interlayer insulating film surrounding the substrate; thinning a rear surface of the semiconductor substrate to protrude a lower surface of the conductive plug with respect to a rear surface of the thinned semiconductor substrate; and a lower surface of the protruding conductive plug. Forming a back insulation film on the thinned back surface to cover the surface; forming a recess structure on the back insulation film to expose a bottom surface of the conductive plug; and a barrier on the inside of the intaglio structure and the bottom surface of the back insulation film. Forming a layer, forming a conductive stud layer on the surface of the barrier layer to fill the intaglio structure, and removing the conductive stud layer and the barrier layer until the backside insulating layer is exposed to remove the inside of the intaglio structure. Forming a conductive stud to fill.
상기 장벽층은 Ta, TaN, TaSiN 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있으며 PVD(Physical Vapor Deposition)나 CVD(Chemical vapor Deposition) 방법을 통해 형성한다. 상기 전도성 스터드층은 Cu로 이루어지는 것이 바람직하며 PVD나 도금 방법을 통해 형성한다. 상기 전도성 스터드층과 장벽층의 제거는 화학기계적 연마 방법을 이용하는 것이 바람직하다. The barrier layer may be formed of Ta, TaN, TaSiN, or a combination thereof, and may be formed by physical vapor deposition (PVD) or chemical vapor deposition (CVD). The conductive stud layer is preferably made of Cu and is formed through PVD or plating. The conductive stud layer and the barrier layer may be removed using a chemical mechanical polishing method.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 장치는, 트랜지스터가 구비된 반도체 기판과, 상기 반도체 기판 위에 형성되되 상기 반도체 기판 내부 소정의 깊이까지 형성된 홀의 입구부를 갖는 제1 층간절연막과, 상기 홀 내부벽에 형성된 내부절연막과, 상기 홀 내에 형성된 라이너와 금속몸체로 이루어진 전도성 플러그와, 상기 제1 층간절연막 위에 형성되어 상기 전도성 플러그의 상부면과 연결되는 금속배선을 둘러싸는 제2 층간절연막과, 상기 반도체 기판의 씨닝된 후면에 형성되되 상기 씨닝된 후면에 대해 돌출된 상기 전도성 플러그의 하부면을 노출시키는 음각구조를 갖는 후면절연막과, 상기 음각구조 내부 및 상기 음각구조와 인접한 상기 후면절연막 하부면에 형성되어 상기 노출된 전도성 플러그의 하부면과 연결되는 UBM(Under Bump Metal)층 및, 상기 UBM층 표면에 형성된 범프를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, a semiconductor device according to another embodiment of the present invention for achieving the above object, the first interlayer having a semiconductor substrate with a transistor and the inlet of the hole formed on the semiconductor substrate to a predetermined depth inside the semiconductor substrate A second insulating film, an inner insulating film formed on the inner wall of the hole, a conductive plug formed of a liner and a metal body formed in the hole, and a second wiring formed on the first interlayer insulating film and connected to an upper surface of the conductive plug. A back insulating film formed on the thin back surface of the semiconductor substrate and having an intaglio structure exposing a bottom surface of the conductive plug protruding from the thin back surface, the inside of the intaglio structure and adjacent to the intaglio structure; It is formed on the bottom surface of the back insulating film and connected to the bottom surface of the exposed conductive plug UBM (Under Bump Metal) layer and further characterized in that it comprises a bump formed on the UBM layer.
또한, 상기 다른 목적을 달성하기 위해, 상기 다른 실시예에 따른 본 발명의 반도체 장치 제조 방법은, 트랜지스터가 구비된 반도체 기판 위에 제1 층간절연막을 형성하는 단계와, 상기 제1 층간절연막 상부로부터 상기 제1 층간절연막을 관통하여 상기 반도체 기판 내부 소정의 깊이까지 홀을 형성하는 단계와, 상기 홀 내부벽과 상기 제1 층간절연막 상부면에 내부절연막을 형성하는 단계와, 상기 내부절연막 전면에 라이너층을 형성하는 단계와, 상기 라이너층 전면에 전도성 금속층을 형성하여 상기 홀을 매립하는 단계와, 상기 전도성 금속층과 라이너층을 적어도 상기 내부절연막이 노출될 때까지 제거하여 상기 홀 내부를 채우는 전도성 플러그를 형성하는 단계와, 상기 결과물 위에 상기 전도성 플러그의 상부면과 연결되는 금속배선과 상기 금속배선을 둘러싸는 제2 층간절연막을 형성하는 단계와, 상기 반도체 기판의 후면을 씨닝하여 상기 전도성 플러그의 하부면을 상기 씨닝된 반도체 기판의 후면에 대해 돌출시키는 단계와, 상기 돌출된 전도성 플러그의 하부면을 덮어 싸도록 상기 씨닝된 후면에 후면절연막을 형성하는 단계와, 상기 후면절연막에 음각구조를 형성하여 상기 전도성 플러그의 하부면을 노출시키는 단계와, 상기 음각구조 내부 및 상기 후면절연막 하부면에 UBM층을 형성하는 단계와, 상기 UBM층 중 상기 음각구조 내부 및 상기 음각구조와 인접한 상기 후면절연막 하부면에 형성된 부분은 노출시키고 나머지는 부도체층으로 마스킹 하는 단계와, 상기 노출된 UBM층 표면에 전도성 범프 물질을 형성하는 단계 및, 상기 부도체층 및 상기 부도체층에 의해 마스킹된 UBM층을 제거하여 범프를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device of the present invention, the method including forming a first interlayer insulating film on a semiconductor substrate provided with a transistor; Forming a hole through a first interlayer insulating film to a predetermined depth in the semiconductor substrate, forming an internal insulating film on the inner wall of the hole and an upper surface of the first interlayer insulating film, and forming a liner layer on the entire surface of the internal insulating film. Forming a conductive metal layer on the entire surface of the liner layer, filling the hole, and removing the conductive metal layer and the liner layer until at least the internal insulating layer is exposed to form a conductive plug filling the inside of the hole. And a metal wire and the metal wire connected to an upper surface of the conductive plug on the resultant. Forming a second interlayer insulating film surrounding a line, thinning a rear surface of the semiconductor substrate to protrude a lower surface of the conductive plug with respect to a rear surface of the thinned semiconductor substrate, and a lower portion of the protruding conductive plug Forming a back insulation film on the thinned back surface to cover a surface; exposing a bottom surface of the conductive plug by forming an intaglio structure on the back insulation film; Forming a UBM layer, exposing a portion of the UBM layer formed inside the intaglio structure and a lower surface of the back insulating layer adjacent to the intaglio structure, and masking the remainder with an insulator layer; Forming a conductive bump material and removing the insulator layer and the UBM layer masked by the insulator layer Characterized by forming a loop.
상기 UBM층은 Ti, Ta, Cr, Ni, Cu, Pd, Au 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있으며 PVD나 도금 방법을 통해서 형성된다. 상기 범프는 도금 방법으로 형성되는데, 솔더링이 필요하지 않은 경우 상기 범프는 Au나 Cu로 이루어질 수 있다. 리플로우를 통한 모양 재형성이 요구되는 솔더범프의 경우에는 Pb, Sn, Sb, Cu, Ni, Ag, Bi, In, Zn 중에 선택된 금속들의 합금이 이용될 수 있다.The UBM layer may be made of Ti, Ta, Cr, Ni, Cu, Pd, Au, or a combination thereof, and may be formed by PVD or plating. The bumps are formed by a plating method. When the soldering is not required, the bumps may be made of Au or Cu. In the case of solder bumps requiring reshaping through reflow, an alloy of metals selected from Pb, Sn, Sb, Cu, Ni, Ag, Bi, In, and Zn may be used.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 반도체 장치는, 트랜지스터가 구비된 반도체 기판과, 상기 반도체 기판 위에 형성되되 상기 반도체 기판 내부 소정의 깊이까지 형성된 홀의 입구부를 갖는 제1 층간절연막과, 상기 홀 내부벽에 형성된 내부절연막과, 상기 홀 내에 형성된 라이너와 금속몸체로 이루어진 전도성 플러그와, 상기 제1 층간절연막 위에 형성되어 상기 전도성 플러그의 상부면과 연결되는 금속배선을 둘러싸는 제2 층간절연막과, 상기 반도체 기판의 씨닝된 후면에 형성되되 상기 씨닝된 후면에 대해 돌출된 상기 전도성 플러그의 하부면을 노출시키는 음각구조를 갖는 후면절연막과, 상기 음각구조 내부 및 상기 음각구조와 인접한 상기 후면절연막 하부면에 형성되어 상기 노출된 전도성 플러그의 하부면과 연결되는 장벽층 및, 상기 장벽층 표면에 형성된 패드를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, a semiconductor device according to another embodiment of the present invention for achieving the above object, the first substrate having a semiconductor substrate with a transistor and the inlet of the hole formed on the semiconductor substrate to a predetermined depth inside the semiconductor substrate An interlayer insulating film, an inner insulating film formed on the inner wall of the hole, a conductive plug formed of a liner and a metal body formed in the hole, and a metal wiring formed on the first interlayer insulating film and connected to an upper surface of the conductive plug. A back insulating film formed on a thin back surface of the semiconductor substrate and having an intaglio structure exposing a bottom surface of the conductive plug protruding with respect to the thin back surface; Is formed on the bottom surface of the back insulating film and the lower surface of the exposed conductive plug It characterized in that it comprises a pad formed on the barrier layer and the barrier layer surface to be determined.
또한, 상기 다른 목적을 달성하기 위해, 상기 또 다른 실시예에 따른 본 발명의 반도체 장치 제조 방법은, 트랜지스터가 구비된 반도체 기판 위에 제1 층간절연막을 형성하는 단계와, 상기 제1 층간절연막 상부로부터 상기 제1 층간절연막을 관통하여 상기 반도체 기판 내부 소정의 깊이까지 홀을 형성하는 단계와, 상기 홀 내부벽과 상기 제1 층간절연막 상부면에 내부절연막을 형성하는 단계와, 상기 내부절연막 전면에 라이너층을 형성하는 단계와, 상기 라이너층 전면에 전도성 금속층을 형성하여 상기 홀을 매립하는 단계와, 상기 전도성 금속층과 라이너층을 적어도 상기 내부절연막이 노출될 때까지 제거하여 상기 홀 내부를 채우는 전도성 플러그를 형성하는 단계와, 상기 결과물 위에 상기 전도성 플러그의 상부면과 연결되는 금속배선과 상기 금속배선을 둘러싸는 제2 층간절연막을 형성하는 단계와, 상기 반도체 기판의 후면을 씨닝하여 상기 전도성 플러그의 하부면을 상기 씨닝된 반도체 기판의 후면에 대해 돌출시키는 단계와, 상기 돌출된 전도성 플러그의 하부면을 덮어 싸도록 상기 씨닝된 후면에 후면절연막을 형성하는 단계와, 상기 후면절연막에 음각구조를 형성하여 상기 전도성 플러그의 하부면을 노출시키는 단계와, 상기 음각구조 내부 및 상기 후면절연막 하부면에 장벽층을 형성하는 단계와, 상기 음각구조 내부 및 상기 음각구조와 인접한 상기 후면절연막 하부면 영역을 제외한 나머지 영역에 있는 상기 패드층과 장벽층을 사진 및 식각 공정으로 제거하여 패드를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, in order to achieve the above object, the semiconductor device manufacturing method of the present invention according to another embodiment, the step of forming a first interlayer insulating film on a semiconductor substrate provided with a transistor, and from above the first interlayer insulating film Forming a hole through the first interlayer insulating film to a predetermined depth in the semiconductor substrate, forming an internal insulating film on the inner wall of the hole and an upper surface of the first interlayer insulating film, and a liner layer on the entire surface of the internal insulating film Forming a conductive metal layer on the entire surface of the liner layer, filling the hole, and removing the conductive metal layer and the liner layer until at least the internal insulating layer is exposed to fill the hole. Forming a metal wire connected to an upper surface of the conductive plug on the resultant and the gold; Forming a second interlayer insulating film surrounding the wiring, thinning a rear surface of the semiconductor substrate to protrude a lower surface of the conductive plug with respect to a rear surface of the thinned semiconductor substrate, and a lower portion of the protruding conductive plug Forming a back insulation film on the thinned back surface to cover a surface; exposing a bottom surface of the conductive plug by forming an intaglio structure on the back insulation film; Forming a barrier layer, and forming a pad by removing the pad layer and the barrier layer in the remaining areas except for the lower surface area of the back insulation layer adjacent to the intaglio structure and the intaglio structure by a photo and etching process. It is characterized by including.
상기 패드 형성을 위한 장벽층은 Ti, TiN, Ta, TaN 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있으며 PVD 방법을 통해서 형성된다. 상기 패드층은 Al 또는 Al 합금으로 이루어지거나 Ni, Ti, Cr, Cu, Au의 조합으로 구성된 다층 형태로 이루어지며 PVD나 도금 방법을 통해서 형성된다.The barrier layer for forming the pad may be formed of Ti, TiN, Ta, TaN, or a combination thereof, and is formed by PVD. The pad layer may be made of Al or an Al alloy, or may be formed in a multilayer form composed of a combination of Ni, Ti, Cr, Cu, and Au, and may be formed by PVD or plating.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들에 대해 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것이며, 도면상에서 동일한 부호로 표시된 요소는 동일한 요소를 의미한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art. Accordingly, the shape and the like of the elements in the drawings are exaggerated to emphasize a more clear description, and the elements denoted by the same reference numerals in the drawings means the same elements.
도 1a 내지 도 1n은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 기판 후면에 입출력 단자를 갖는 반도체 장치 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다. 이들 도면들을 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예의 제조 방법은 다음과 같이 진행된다. 1A to 1N are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device having an input / output terminal on a rear surface of a substrate according to a first embodiment of the present invention. Referring to these drawings, the manufacturing method of the first embodiment of the present invention proceeds as follows.
도 1a에 도시된 바와 같이 트랜지스터가 구비된 반도체 기판(100) 위에 제1 층간절연막(300)을 형성한다. 반도체 기판으로는 일반적으로 Si 기판이 이용되지만 SOI(Silicon On Insulator) 기판 혹은 SiGe 에피층에 의해 격자가 변형된 Si층을 포함하는 기판을 사용할 수도 있다. 도시된 트랜지스터는 CMOS 트랜지스터의 일예로서, 상기 반도체 기판(100) 상에 필드산화막(210), 웰(220, 230), 게이트 전극(260)과 스페이서(270), 소오스 영역(240s, 250s) 및 드레인 영역(240d, 250d) 등을 형성함으로써 제작된다. 트랜지스터는 비단 CMOS 뿐만 아니라 Bipolar 혹은 BiCMOS 등 다양한 트랜지스터가 사용될 수 있다. 본 실시예에 사용된 반도체 기판 및 트랜지스터는 당업자에 의해 다양한 변경이 가능하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하고자 한다. 트랜지스터 형성이 완료된 후 게이트 전극(260) 및 소오스와 드레인 영역(240s, 250s, 240d, 250d)의 절연을 위해 상기 반도체 기판(100) 위에 제1 층간절연막(300)을 형성한다. 상기 제1 층간절연막(300)은 일반적으로 실리콘산화물(SiO2)을 근간으로 하는 물질을 CVD 방법으로 형성하며 실리콘질화막(Si3N4)이나 실리콘탄화막(SiC)을 에치스톱(etch stop)층이나 확산방지막으로 추가할 수 있다. 특히, SiO2층 형성 시 보론(B)이나 인(P)과 같은 원소를 도핑하여 갭필(gap fill) 및 게더링(gettering) 특성을 향상시킬 수 있다. 상기 제1 층간절연막(300)은 화학기계적 연마(chemical mechanical polishing)를 통해 표면을 평탄화 하여 후속 사진 및 식각 공정 등에서 결함 발생을 줄이도록 한다.As shown in FIG. 1A, a first
도 1b를 참조하면, 상기 제1 층간절연막(300) 상부로부터 제1 층간절연막(300)을 관통하여 상기 반도체 기판(100) 내부까지 홀(310)을 형성한다. 상기 홀(310)의 직경은 약 0.2μm 내지 5μm 정도로 하는 것이 바람직하며, 반도체 기판(100) 내부까지의 깊이 d는 홀의 직경에 따라 약 8μm 내지 200μm 정도로 하는 것이 바람직하다. 그리하여 상기 제1 층간절연막(300)은 상기 홀(310)의 입구부(312)를 갖게 된다. 이때, 상기 홀(310)이 통과하게 되는 트랜지스터의 영역은 도면과 같이 필드산화막(210) 영역이 될 수도 있고 액티브(active) 영역이 될 수도 있는데, 액티브 영역을 통과할 경우에는 게이트 전극(260)으로부터 멀리 떨어진 더미(dummy) 액티브 영역을 통과하게 하여 트랜지스터의 작동이 방해받지 않도록 한다. 상기 홀(310)의 형성과 함께 후면(backside) 공정에 이용될 얼라인 마크(align mark)를 위한 트렌치(도시하지 않음)도 형성할 수 있는데, 상기 얼라인 마크는 후면 구조물 패터닝 시, 상기 홀(310)에 의해 정의되는 구조물과 후면 구조물 간의 정확한 얼라인을 위해 이용된다. Referring to FIG. 1B, a
이후, 도면의 단순화를 위하여 트랜지스터를 구성하는 필드산화막(210), 웰(220, 230), 게이트 전극(260)과 스페이서(270), 소오스 및 드레인 영역(240s, 250s, 240d, 250d)을 통합하여 트랜지스터(200)로 도시하기로 한다. Thereafter, the
도 1c를 참조하면, 상기 홀(310) 내부벽 및 상기 제1 층간절연막(300) 상부면에 내부절연막(320)을 형성하여 상기 반도체 기판(100)에서 상기 홀(310) 내부벽으로 노출된 영역을 절연시킨다. 상기 내부절연막(320)은 실리콘산화막(SiO2), 실리콘질화막(Si3N4), 실리콘탄화막(SiC) 또는 이들의 조합으로(예를 들면 Si3N4/SiO2) 이루어질 수 있다. 상기 내부절연막(320)은 CVD나 ALD(Atomic Layer Deposition) 방법으로 증착하여 형성한다.Referring to FIG. 1C, an internal
도 1d를 참조하면, 상기 내부절연막(320) 전면에 라이너층(330)을 형성한 다음, 상기 라이너층(330) 전면에 전도성 금속층(340)을 형성하여 상기 홀(310)을 매립한다. 상기 라이너층(330)은 내부절연막(320) 표면에 상기 전도성 금속층(340)이 잘 접착할 수 있도록 하는 접착층(glue layer) 역할과 상기 전도성 금속층(340)을 이루는 원자가 상기 홀(310) 외부로 확산되는 것을 방지하는 장벽(barrier) 역할을 한다. 상기 라이너층(330)은 Ti, TiN, TiSiN, Ta, TaN, TaSiN 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다. 상기 라이너층(330)의 형성에는 PVD, CVD 또는 ALD 방법을 이용할 수 있다. 상기 전도성 금속층(340)은 상기 홀(310)의 내부를 실질적으로 채우게 되는데 ALD나 CVD 방법으로 형성되는 텅스텐(W), 또는 PVD나 도금(plating) 방법으로 형성되는 구리(Cu)로 이루어질 수 있다. 아울러, 도시하지는 않았지만 후면 공정용 얼라인 마크제작에 필요한 트렌치도 상기 라이너층(330)과 전도성 금속층(340)에 의해 매립된다.Referring to FIG. 1D, a
도 1e 및 도 1f를 참조하면, 먼저 도 1e에 도시된 바와 같이 상기 전도성 금속층(340)과 라이너층(330)을 상기 내부절연막(320)이 노출될 때까지 제거하여 상기 홀(310) 내부를 채우는 전도성 플러그(360)를 형성한다. 또는 도 1f와 같이 상기 전도성 금속층(340)과 라이너층(330)을 상기 제1 층간절연막(300)이 노출될 때까지 충분히 제거하여 상기 전도성 금속층(340) 또는 라이너층(330)의 잔여물(residue)이 남아있을 가능성을 더욱 낮추도록 한다. 상기 전도성 금속층(340)과 라이너층(330)의 제거는 화학기계적 연마 방법을 이용하는 것이 바람직하며, 전도성 금속층이 W로 이루어졌을 때는 에치백(etch back) 또는 에치백과 화학기계적 연마 방법을 병행하여 이용할 수 있다. 상기 방법으로 형성된 전도성 플러그(360)는 외각이 내부절연막(320, 320')과 접촉하는 라이너(330')와 상기 라이너(330')로 둘러싸인 금속몸체(340')로 구성되게 된다. 이후의 도면들에서는 도면의 단순화를 위해 상기 제1 층간절연막(300)이 노출된 경우를 도시하기로 한다. 아울러, 도시하지는 않았지만 후면 공정에 이용될 얼라인 마크 제작에 필요한 트렌치 내에도 라이너와 금속몸체가 형성된다.Referring to FIGS. 1E and 1F, as shown in FIG. 1E, the
도 1g를 참조하면, 상기 제1 층간절연막(300) 위에 상기 전도성 플러그(360)의 상부면과 연결되는 금속배선(400)과, 상기 금속배선(400)을 둘러싸며 절연시키는 제2 층간절연막(410)을 형성한다. 이에 앞서, 도시하지는 않았지만 트랜지스터의 정션 혹은 게이트 전극과 콘택(contact)을 위해 제1 층간절연막(300) 내에 W 또는 Cu 플러그나, 도핑된 폴리실리콘(poly silicon) 패드 전극을 형성한다. 상기 금속배선은(400)은 Al 또는 Cu로 구성된 라인 형태이거나 W 또는 Cu로 구성된 비아(via) 형태를 띤다. Al로 구성된 라인은 식각 공정을 통해 형성되며, Cu로 구성된 라인이나 W 및 Cu로 구성된 비아일 경우에는 대머신(damascene) 공정을 통해 형성 된다. 상기 제2 층간절연막(410)은 실리콘산화물 또는 Applied Materials사의 Black Diamond와 같은 저유전상수 물질로 이루어지며, 금속 원자의 확산을 방지하기 위한 목적 등으로 실리콘질화막 또는 실리콘탄화막이 더해질 수 있다. 상기 제2 층간절연막(410) 및 그 이상의 층에는 금속배선을 비롯해 DRAM의 경우는 커패시터 및 폴리 플러그 등과 같은 구조가 포함될 수 있으며 RF 칩의 경우는 레지스터 및 인덕터 등의 구조가 포함될 수 있다. 상기 제2 층간절연막(410) 이상의 층에서의 구조는 반도체 장치의 용도에 따라 당업자에 의해 다양한 변경이 가능하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하고자 한다. Referring to FIG. 1G, a
도 1h 및 도1i를 참조하면, 먼저 도 1h에 도시된 바와 같이 상기 반도체 기판(100)의 후면을 씨닝(thinning) 하되, 상기 전도성 플러그(360)의 하부면(362)이 상기 씨닝된 반도체 기판(100)의 후면(102)에 대해 돌출되도록 한다. 도면에서는 상기 전도성 플러그(360)의 금속몸체(340')가 노출되어 돌출된 경우를 예시하고 있지만 씨닝 공정을 제어하여 하부면의 라이너(330')가 제거되지 않도록 할 수 있다. 씨닝은 백그라인딩(back grinding), 화학기계적 연마 또는 식각에 의해 이루어진다. 상기 반도체 기판(100) 후면의 바람직한 씨닝 절차는, 먼저 백그라인딩에 의한 대량 제거(bulk removal)에 이어 화학기계적 연마 또는 식각에 의한 미세 제거(fine removal)를 이루도록 한다. 상기 반도체 기판(100)을 아주 얇게(예컨대 20μm 이하) 씨닝하고자 할 때는, 지지물(예컨대 다른 웨이퍼)에 상기 반도체 기판(100)을 부착시킨 후 씨닝 할 수 있다. 화학기계적 연마에 의한 미세 제거 시, 상기 전도성 플러그(360)는 연마 정지점(polishing end point)으로 이용되어 연마 공정을 제어하는데 이용될 수 있다. 이때, 연마 정지점에서 과연마(over polishing)를 하거나 연마 후 추가 식각을 통해 도시된 바와 같이 상기 반도체 기판(100)의 후면(102)이 상기 전도성 플러그(360)의 하부면(362)보다 리세스(recess)가 더되게 하여, 즉 상기 전도성 플러그(360)의 하부면(362)이 돌출되도록 하여, 후속 공정에서 상기 반도체 기판(100)을 절연시킬 수 있도록 한다. 한편, 화학기계적 연마 혹은 식각을 통한 씨닝에서 상기 반도체 기판(100) 대 내부절연막(320')의 연마 혹은 식각 선택비(selectivity)가 큰 경우 도 1i와 같이 상기 전도성 플러그(360)의 하부면이 내부절연막(320')으로 덮이게 된다. 이때, 씨닝을 충분히 하여 상기 전도성 플러그(360)의 드러나지 않은 하부면이 상기 씨닝된 반도체 기판(100) 후면(102)에 대해 돌출되도록 한다. 또한, 도시하지는 않았지만 후면 공정용 얼라인 마크도 상기 씨닝 공정에 의해 노출되도록 하여 후속 패터닝 공정에서 이용되도록 한다.Referring to FIGS. 1H and 1I, first, as shown in FIG. 1H, the back surface of the
도 1j 및 1k를 참조하면, 먼저 도 1j에 도시된 바와 같이 상기 도 1h에서의 씨닝된 반도체 기판 후면에 후면절연막(500)을 형성하여 상기 돌출된 전도성 플러그(360)의 하부면(362)을 덮어 쌓은 후, 상기 후면절연막(500)에 사진 및 식각 공정을 통해 음각구조(510)를 형성하여 상기 전도성 플러그(360)의 하부면(362)을 노출 시킨다. 한편 도 1k를 참조하면, 상기 도 1i의 후면 에 후면절연막(500)을 형성한 다음, 상기 후면절연막(500)에 음각구조(510) 형성을 위한 식각 공정 시 상기 전도성 플러그(360) 하부면을 덮고 있는 내부절연막(320')을 동시에 식각 제거하여 상기 전도성 플러그(360)의 하부면을 노출시키도록 한다. 상기 음각구조(510)는 원형 내지는 다각형 디스크 모양인 것이 바람직하다. 이때, 도시하지는 않았지만 상기 전도성 플러그(360) 형성과 함께 제작된 얼라인 마크의 도움으로 상기 음각구조(510) 형성을 위한 패터닝 시, 상기 플러그(360)와 음각구조(510) 사이의 얼라인을 이룰 수 있다. 상기 후면절연막(500)은 CVD 방법으로 증착되는 실리콘산화막, 실리콘질화막, 실리콘탄화막 또는 이들의 조합으로 이루어지거나, 액상 도포에 이은 큐어링으로 형성 되는 BCB(BezoCycloButene)와 같은 폴리머로 이루어질 수 있다. Referring to FIGS. 1J and 1K, first, as shown in FIG. 1J, a rear insulating
도 1l을 참조하면, 상기 도 1j에서의 음각구조(510) 내부 및 상기 후면절연막(500) 하부면(502)에 장벽층(520)을 형성하여 상기 노출된 전도성 플러그(360)의 하부면(362)과 상기 장벽층(520)을 연결한 다음, 상기 장벽층(520) 표면에 전도성 스터드(stud)층(530)을 형성하여 상기 음각구조(510)를 매립한다. 상기 장벽층(520)은 Ta, TaN, TaSiN 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있으며 PVD나 CVD 방법을 통해 형성한다. 상기 전도성 스터드층(530)은 Cu로 이루어지는 것이 바람직하며 PVD나 도금 방법을 통해 형성한다.Referring to FIG. 1L, a
도 1m을 참조하면, 상기 전도성 스터드층(530)과 장벽층(520)을 상기 후면절연막(500)이 노출될 때까지 제거하여 상기 음각구조(510) 내부를 채우는 전도성 스터드(530')를 형성한다. 상기 전도성 스터드층(530)과 장벽층(520)의 제거는 화학기계적 연마 방법을 이용하는 것이 바람직하다. 상기 전도성 스터드(530')를 후면절연막(500)보다 돌출 시키려 할 경우, 화학기계적 연마에서 상기 장벽층(520)을 제거할 때 상기 전도성 스터드층(530)의 연마 속도가 상기 장벽층(520) 및 후면절연막(500)의 연마 속도보다 낮은 슬러리(slurry)를 이용한다. 예를 들면, 실리콘산화막(SiO2)으로 이루어진 후면절연막(500), Ta로 이루어진 장벽층(520) 그리고 Cu로 이루어진 전도성 스터드층(530)의 경우, 음각구조(510) 바깥의 Cu를 제거한 후 Rodel 사의 CuS-1201 슬러리로 Ta와 일정 두께의 SiO2를 제거할 때 Cu:Ta:SiO2의 연마 속도비가 대략 1:4:6 정도이므로 Cu로 이루어진 전도성 스터드(530')는 도 1n과 같이 돌출하게 된다. 상기 전도성 스터드(530')를 돌출시키는 또 다른 방법은, 화학기계적 연마를 마친 후, 후면절연막(500)의 식각 속도가 전도성 스터드(530')의 식각 속도보다 더 큰 환경 하에서 식각하게 되면 상기 전도성 스터드(530')가 돌출하게 된다. 예를 들면, 위에서 예로 든 물질(SiO2, Ta 그리고 Cu)로 이루어진 구조에서 화학기계적 연마로 전도성 스터드(530')를 형성한 후에 상기 반도체 기판(100)을 희석된 HF나 BOE(Buffered Oxide Etchant)에 넣어 식각하게 되면 후면절연막 SiO2의 식각 속도가 상대적으로 빠르기 때문에 상기 전도성 스터드(530')의 돌출을 이룰 수 있게 된다.Referring to FIG. 1M, the
그 결과, 제 1 실시예에서는 도 1m에서 알 수 있듯이, 트랜지스터(200)가 구비된 반도체 기판(100) 위에 상기 반도체 기판(100) 내부 소정의 깊이까지 형성된 홀(310)의 입구부(312)를 갖는 제1 층간절연막(300)이 형성되고, 상기 홀(310) 내부벽 에 내부절연막(320')이 형성되며, 상기 홀(310) 내에 라이너(330')와 금속몸체(340')로 이루어진 전도성 플러그(360)가 형성되고, 상기 제1 층간절연막(300) 위에 상기 전도성 플러그(360)의 상부면과 연결되는 금속배선(400)과 상기 금속배선(400)을 둘러싸는 제2 층간절연막(410)이 형성되고, 상기 반도체 기판(100)의 씨닝된 후면에 상기 전도성 플러그(360)의 하부면을 노출시키는 음각구조(510)를 갖는 후면절연막(500)이 형성되고, 상기 음각구조(510) 내부에 상기 노출된 전도성 플러그(360)의 하부면과 연결되는 장벽층(520')이 형성되며, 상기 장벽층(520') 표면에는 상기 음각구조(510) 내부를 채우는 전도성 스터드(530')가 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 장치가 완성되게 된다.As a result, in the first embodiment, as shown in FIG. 1M, the
상술한 실시예의 도면에서는 도면의 단순화를 목적으로 전도성 스터드(530') 하나당 하나의 전도성 플러그(360)가 형성되어 장벽층(520')에 연결되었지만 전기 저항을 줄이거나 열전도를 빨리 할 목적 등으로 전도성 스터드 하나당 복수개의 전도성 플러그를 형성하여 장벽층에 연결할 수 있다.In the drawings of the above-described embodiment, one
상술한 제조 방법을 통하여 기판의 후면에 전도성 스터드를 형성할 수 있으며, 이러한 전도성 스터드는 칩 스태킹과 같은 반도체 장치 사이의 수직 연결 시 다른 반도체 장치의 상부면에 형성된 전도성 스터드와 열적 확산(thermal diffusion) 방법으로 본딩(bonding)될 수 있고, 상기와 같이 전도성 스터드가 후면에 형성된 반도체 장치는 플립(flip) 시킬 필요가 없는 장점이 있다. 또한, 기존의 방법으로 반도체 장치의 상부면에 전도성 스터드를 형성하고 또 상술한 방법으로 상기 반도체 장치의 후면에 전도성 스터드를 형성하게 되면 상기 반도체 장치는 상부면과 후면에 각각 입출력 단자를 갖게 되며, 이는 3개 이상의 칩을 스태킹 함에 있어서 와이어나 PCB 도움없이 칩들 간의 직접 연결을 구현 할 수 있게 한다. Through the above-described manufacturing method, a conductive stud may be formed on the rear surface of the substrate, and the conductive stud may thermally diffuse with a conductive stud formed on the upper surface of another semiconductor device during vertical connection between semiconductor devices such as chip stacking. It can be bonded (bonding) in the method, there is an advantage that the semiconductor device formed on the back of the conductive stud as described above does not need to flip. In addition, when the conductive stud is formed on the upper surface of the semiconductor device by the conventional method and the conductive stud is formed on the rear surface of the semiconductor device by the above-described method, the semiconductor device has an input / output terminal on the upper surface and the rear surface, respectively. This allows for direct stacking between chips without the need for wires or PCBs in stacking three or more chips.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 기판 후면에 입출력 단자를 갖는 반도체 장치 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다. 본 실시예는 제 1 실시예의 도 1k까지의 공정은 동일하며, 제 1 실시예와 동일한 부분에 대하여는 동일한 부호를 부여하고, 중복 설명은 배제하도록 한다.2A to 2C are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device having an input / output terminal on a rear surface of a substrate according to a second embodiment of the present invention. In the present embodiment, the process up to FIG. 1K of the first embodiment is the same, the same reference numerals are given to the same parts as the first embodiment, and redundant description is omitted.
도 2a를 참조하면, 제 1 실시예의 도 1a 내지 1k에 도시한 바와 동일한 방법으로 트랜지스터(200)가 구비된 반도체 기판(100)과 제1 층간절연막(300) 상에 전도성 플러그(360)를 형성한 후 상기 전도성 플러그(360)의 상부면은 상기 제1 층간절연막(300) 위의 금속배선(400)과 연결되고, 하부면은 상기 반도체 기판(100) 후면의 후면절연막(500)에 음각구조(510)를 형성하여 노출시킨다.Referring to FIG. 2A, the
이어서, 상기 도 1j의 음각구조(510) 내부 및 상기 후면절연막(500) 하부면에 UBM(Under Bump Metal)층(540)을 형성하여 상기 노출된 전도성 플러그(360)의 하부면(362)과 상기 UBM층(540)을 연결한다. 이어서, 패터닝 공정을 통해 상기 UBM층(540) 중 상기 음각구조(510) 내부 및 상기 음각구조(510)와 인접한 상기 후면절연막(500) 하부면에 형성된 부분은 노출시키고 나머지는 부도체층(550)으로 마스킹 한다. 상기 UBM층(540)은 Ti, Ta, Cr, Ni, Cu, Pd, Au 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있으며 PVD나 도금 방법을 통해서 형성된다. 마스킹을 위한 상기 부도체층(550)으로는 실리콘산화막과 같은 무기 절연물질이나 포토레지스트를 이용할 수 있다. 무기 절연 물질은 포토레지스트에 비하여 열안정성이 뛰어나나 무기 절연 물질 제거에 따른 추가 공정이 필요하다. 후속 공정이, 도금과 같이 높은 온도 상승을 필요로 하지 않는 경우 마스킹을 위한 부도체층으로서 포토레지스트를 이용하는 것이 바람직하다.Subsequently, an under bump metal (UBM)
도 2b를 참조하면, 상기 구조물에서 노출된 UBM층(540) 표면에 범프 물질을 도금 방법으로 형성한 후 상기 부도체층(550)과 부도체층에 의해 마스킹된 UBM층(540)을 제거하면 상기 후면절연막(500)에 대하여 돌출된 범프(560)가 형성된다. 도금 후 범프의 모양 형성이 필요하지 않을 경우, 범프 물질로는 Au나 Cu가 바람직하고, 리플로우(reflow)를 통해 모양형성(shaping)이 요구되는 솔더(solder) 범프의 경우에는 Pb, Sn, Sb, Cu, Ni, Ag, Bi, In, Zn 중에 선택된 금속들의 합금(예컨대 Pb-Sn 혹은 Sn-Ag-Cu)이 이용될 수 있다. 솔더 범프의 경우는, 상기 범프(560)를 리플로우시켜 도 2c에 도시된 바와 같이 구형 또는 반구형에 가까운 범프(560')로 모양을 바꿀 수 있다.Referring to FIG. 2B, after the bump material is formed on the exposed surface of the
그 결과, 제 2 실시예에서는 도 2b에서 알 수 있듯이, 트랜지스터(200)가 구비된 반도체 기판(100) 위에 상기 반도체 기판(100) 내부 소정의 깊이까지 형성된 홀(310)의 입구부(312)를 갖는 제1 층간절연막(300)이 형성되고, 상기 홀(310) 내부벽 에 내부절연막(320')이 형성되며, 상기 홀(310) 내에 라이너(330')와 금속몸체(340')로 이루어진 전도성 플러그(360)가 형성되고, 상기 제1 층간절연막(300) 위에 상기 전도성 플러그(360)의 상부면과 연결되는 금속배선(400)과 상기 금속배선(400)을 둘러싸는 제2 층간절연막(410)이 형성되고, 상기 반도체 기판(100)의 씨닝된 후면에 상기 전도성 플러그(360)의 하부면을 노출시키는 음각구조(510)를 갖는 후면절연막(500)이 형성되고, 상기 음각구조(510) 내부 및 상기 음각구조(510)와 인접한 상기 후면절연막(500) 하부면에 상기 노출된 전도성 플러그(360)의 하부면과 연결되는 UBM층(540')이 형성되며, 상기 UBM층(540') 표면에 범프(560)가 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 장치가 완성되게 된다.As a result, in the second embodiment, as shown in FIG. 2B, the
상술한 실시예의 도면에서는 도면의 단순화를 목적으로 범프(560) 하나당 하나의 전도성 플러그(360)가 형성되어 UBM층(540')에 연결되었지만 전기 저항을 줄이거나 열전도를 빨리 할 목적 등으로 범프 하나당 복수개의 전도성 플러그를 형성하여 UBM층에 연결할 수 있다.In the drawings of the above-described embodiment, one
상술한 제조 방법을 통하여 기판의 후면에 범프를 형성할 수 있으며, 이러한 범프는 반도체 장치를 플립하지 않고 PCB나 글래스(glass)에 마운팅(mounting) 하는 것을 가능하게 한다. 또한, 상기 범프는 칩 스태킹에도 이용될 수 있는데, 스택을 이룰 다른 반도체 장치 상부면에 상기 범프에 대응하는 금속 패드를 형성한 후 범프와 금속패드를 솔더링 등을 통해 본딩하면 두 반도체 장치가 플립됨이 없이 직접연결 될 수 있는 장점이 있다. Bumps can be formed on the back surface of the substrate through the above-described manufacturing method, and these bumps can be mounted on a PCB or glass without flipping the semiconductor device. In addition, the bumps may be used for chip stacking. When the metal pads corresponding to the bumps are formed on the upper surface of another semiconductor device to form a stack, the two semiconductor devices are flipped when the bumps and the metal pads are bonded by soldering or the like. There is an advantage that can be connected directly without this.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 기판 후면에 입출력 단자를 갖는 반도체 장치 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다. 본 실시예는 제 1 실시예의 도 1k까지의 공정은 동일하며, 제 1 실시예와 동일한 부분에 대하여는 동일한 부호를 부여하고, 중복 설명은 배제하도록 한다.3A and 3B are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device having an input / output terminal on a rear surface of a substrate according to a third embodiment of the present invention. In the present embodiment, the process up to FIG. 1K of the first embodiment is the same, the same reference numerals are given to the same parts as the first embodiment, and redundant description is omitted.
도 3a를 참조하면, 제 1 실시예의 도 1a 내지 1k에 도시한 바와 동일한 방법으로 트랜지스터(200)가 구비된 반도체 기판(100)과 제1 층간절연막(300) 상에 전도성 플러그(360)를 형성한 후 상기 플러그(360)의 상부면은 상기 제1 층간절연막(300) 위의 금속배선(400)과 연결되고 하부면은 상기 반도체 기판(100) 후면의 후면절연막(500)에 음각구조(510)를 형성하여 노출시킨다.Referring to FIG. 3A, the
이어서, 상기 도 1j의 음각구조(510) 내부 및 상기 후면절연막(500) 하부면에 장벽층(570)을 형성하여 상기 노출된 전도성 플러그(360)의 하부면(362)과 상기 장벽층(570)을 연결한 다음 상기 장벽층(570) 표면에 패드층(580)을 형성한다. 이어서, 사진 공정을 통해 상기 음각구조(510) 내부 및 상기 음각구조(510)와 인접한 상기 후면절연막(500) 하부면 영역을 포토레지스트(590)로 마스킹 한다. 상기 장벽층(570)은 Ti, TiN, Ta, TaN 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있으며 PVD 방법을 통해서 형성된다. 상기 패드층(580)은 Al 또는 Al 합금으로 이루어지거나 Ni, Ti, Cr, Cu, Au의 조합으로 구성된 다층 형태로 이루어지며 PVD나 도금 방법을 통해서 형성된다.Subsequently, a
도 3b를 참조하면, 상기 포토레지스트(590)에 의해 마스킹된 영역 밖의 패드층(580)과 장벽층(570)을 식각 제거한 후 상기 포토레지스트(590)를 제거하면 상기 전도성 플러그(360)와 전기적으로 연결된 패드(580')가 음각구조(510) 내부 및 상기 음각구조(510)와 인접한 상기 후면절연막(500) 하부면 위에 형성된다. Referring to FIG. 3B, when the
그 결과, 제 3 실시예에서는 도 3b에서 알 수 있듯이, 트랜지스터(200)가 구비된 반도체 기판(100) 위에 상기 반도체 기판(100) 내부 소정의 깊이까지 형성된 홀(310)의 입구부(312)를 갖는 제1 층간절연막(300)이 형성되고, 상기 홀(310) 내부벽 에 내부절연막(320')이 형성되며, 상기 홀(310) 내에 라이너(330')와 금속몸체(340')로 이루어진 전도성 플러그(360)가 형성되고, 상기 제1 층간절연막(300) 위에 상기 전도성 플러그(360)의 상부면과 연결되는 금속배선(400)과 상기 금속배선(400)을 둘러싸는 제2 층간절연막(410)이 형성되고, 상기 반도체 기판(100)의 씨닝된 후면에 상기 전도성 플러그(360)의 하부면을 노출시키는 음각구조(510)를 갖는 후면절연막(500)이 형성되고, 상기 음각구조(510) 내부 및 상기 음각구조(510)와 인접한 상기 후면절연막(500) 하부면에 상기 노출된 전도성 플러그(360)의 하부면과 연결되는 장벽층(570')이 형성되며, 상기 장벽층(570') 표면에 패드(580')가 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 장치가 완성되게 된다.As a result, in the third embodiment, as shown in FIG. 3B, the
상술한 실시예의 도면에서는 도면의 단순화를 목적으로 패드(580') 하나당 하나의 전도성 플러그(360)가 형성되어 장벽층(570')에 연결되었지만 전기 저항을 줄이거나 열전도를 빨리 할 목적 등으로 패드 하나당 다수개의 전도성 플러그를 형성하여 장벽층에 연결할 수 있다.In the drawings of the above-described embodiment, one
상술한 제조 방법을 통하여 기판의 후면에 패드를 형성할 수 있다. Al이나 Al 합금으로 이루어진 패드는 기존의 본딩 패드와 같이 반도체 장치를 프로브 테스트하고 또 와이어 본딩에 이용될 수 있다. 저유전상수 물질과 같이 기계적 강도가 약한 물질이 금속간 절연층으로 사용된 반도체 장치의 경우, 상기와 같이 후면에 형성된 패드는 기판이 지지층이 되므로 프로브 테스트 혹은 와이어 본딩 시 쉽게 파괴되지 않는 장점이 있다. 또한, 프로브 테스트 이후 패드 표면에 UBM층을 형성한 다음 도금을 통해 범프를 형성하는 공정을 더 추가할 수 있다. 다층 형태의 패드는, 최상부층을 산화막이 형성되지 않거나 쉽게 제거되는 Au, Ni 또는 Cu로 형성하여 칩 스태킹 시 다른 반도체 장치에 형성된 범프와 본딩되어 두 반도체 장치를 직접 연결하는데 이용될 수 있다.Through the above-described manufacturing method it is possible to form a pad on the back of the substrate. The pad made of Al or Al alloy can be used for probe testing and wire bonding of a semiconductor device like a conventional bonding pad. In the case of a semiconductor device in which a material having a weak mechanical strength, such as a low dielectric constant material, is used as an intermetallic insulating layer, the pad formed on the back side has an advantage that the substrate is a support layer and thus is not easily destroyed during probe testing or wire bonding. In addition, after the probe test, a process of forming a UBM layer on the pad surface and then forming a bump through plating may be further added. The multi-layer pad may be used to directly connect the two semiconductor devices by forming an uppermost layer of Au, Ni, or Cu, in which an oxide layer is not formed or easily removed, and bonding the bumps formed on other semiconductor devices during chip stacking.
상술한 실시예들에서는 전도성 플러그와 후면 입출력 단자들이 직접 연결되는 경우만 예시되었지만, 전도성 플러그들 간의 연결이나 후면 입출력 단자의 위치 이동 등을 위해서 전도성 플러그와 후면 입출력 단자 사이에 후면 금속배선을 추가할 수 있다.In the above-described embodiments, only the case where the conductive plug and the rear input / output terminals are directly connected is illustrated, but the rear metal wiring may be added between the conductive plug and the rear input / output terminal for the connection between the conductive plugs or the position shift of the rear input / output terminals. Can be.
도 4a 내지 도 4d는 상술한 실시예들에서 대머신 공정을 이용하여 후면 금속배선을 추가하는 방법을 설명하기 단면도들이다.4A through 4D are cross-sectional views illustrating a method of adding a rear metal wiring using a damascene process in the above-described embodiments.
도 4a를 참조하면, 이는 도 1h 이후의 공정을 나타내는 것으로 도 1j와 유사하게 씨닝된 반도체 기판(100) 후면에 후면절연막(500)을 형성한 다음 후면 금속배선 영역을 정의하는 트렌치(600)를 형성하여 전도성 플러그(360)의 하부면(362)을 노출시킨다. 여기서 상기 트렌치(600)는 상기 전도성 플러그(360)의 하부면(362)을 노출시키는 동시에 주위로 확장되어 도시하지는 않았지만 다른 전도성 플러그의 하부면을 노출시킬 수 있다.Referring to FIG. 4A, which illustrates a process after FIG. 1H, a rear insulating
도 4b 및 도 4c를 참조하면, 먼저 도 4b에 도시된 바와 같이 상기 트렌치(600) 내부 및 후면절연막(500) 하부면에 배선장벽층(610)과 금속배선층(620)을 순차적으로 형성하여 상기 트렌치(600)를 매립한다. 이어서, 화학기계적 연마 방법으로 상기 금속배선층(620)과 배선장벽층(610)을 상기 후면절연막(500)이 노출될 때까지 제거하면 도 4c와 같이 트렌치(600) 내부에 상기 전도성 플러그(360)의 하부면과 연결된 배선장벽층(610')과 금속배선층(620')으로 구성된 후면 금속배선(630)이 완성된다. 도시 하지는 않았지만, 다른 전도성 플러그들의 하부면을 상기 후면 금속배선(630)에 의해 연결할 수 있다. 상기 배선장벽층(610)은 Ti, TiN, Ta, TaN, TaSiN 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다. 상기 금속배선층(620)은 W 또는 Cu로 이루어지는 것이 바람직하다.Referring to FIGS. 4B and 4C, first, as shown in FIG. 4B, the
도 4d를 참조하면, 상기 결과물 후면 전체에 후면 금속배선간 절연막(640)을 형성한 다음 사진 및 식각 공정을 통해 후면 입출력 단자 형성을 위한 음각구조(650)를 형성하여 상기 후면 금속배선(630)을 노출시킨다. 상기 후면 금속배선간 절연막(640)은 실리콘산화막, 실리콘질화막, 실리콘탄화막 또는 이들의 조합으로 이루어지거나, BCB(BezoCycloButene)와 같은 폴리머로 이루어질 수 있다. 이후의 공정은, 후면 입출력 단자의 종류에 따라 상술한 제 1 실시예의 도 1l, 제 2 실시예의 도 2a 또는 제 3 실시예의 도 3a에 해당하는 공정과 후속 공정들과 동일하게 진행된다. 이때, 상기 노출된 후면 금속배선(630)은 상술한 제 1, 2 및 3 실시예에서의 노출된 전도성 플러그(360)에 해당하며, 후면 금속배선간 절연막(640)은 후면절연막(500)에 해당한다.Referring to FIG. 4D, an insulating
상술한 후면 금속배선 형성 방법은 다머신 공정을 이용하여 이루어 졌는데, 식각 방법에 의해서도 후면 금속배선의 형성이 가능하다. 도 5a 내지 도 5c는 상술한 실시예들에서 식각 공정을 이용하여 후면 금속배선을 추가하는 방법을 설명하기 단면도들이다.The above-described method of forming the back metal wiring is made using a damascene process, and the back metal wiring can be formed by the etching method. 5A through 5C are cross-sectional views illustrating a method of adding a back metal wiring using an etching process in the above-described embodiments.
도 5a를 참조하면, 이는 도 1h 이후의 공정을 나타내는 것으로 도 1j와 동일하게 씨닝된 반도체 기판(100) 후면에 후면절연막(500)을 형성한 다음 상기 후면절연막(500)에 제 1 음각구조(512)를 형성하여 상기 전도성 플러그(360)의 하부면(362)을 노출시킨다.Referring to FIG. 5A, this illustrates a process after FIG. 1H. A
도 5b를 참조하면, 상기 노출된 전도성 플러그(360)의 하부면 및 후면절연막(500) 하부면에 배선장벽층(660)과 금속배선층(670)을 순차적으로 형성하고, 배선이 형성될 영역을 포토레지스트(680)로 마스킹 한다. 상기 배선장벽층(660)은 Ti, TiN TiSiN 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다. 상기 금속배선층(670)은 Al 또는 Al 합금으로 이루어지는 것이 바람직하다.Referring to FIG. 5B, the
도 5c를 참조하면, 상기 포토레지스트(680)를 마스크 삼아 상기 금속배선층(670)과 배선장벽층(660)을 식각한 후 포토레지스트(680)를 제거하면, 상기 전도성 플러그(360)의 하부면과 연결된 배선장벽층(660')과 금속배선층(670')으로 구성된 후면 금속배선(690)이 완성된다. 도시 하지는 않았지만, 다른 전도성 플러그들의 하부면을 상기 후면 금속배선(690)에 의해 연결할 수 있다. 이어서 상기 후면 금속배선을 둘러싸도록 상기 결과물 후면 전체에 후면 금속배선간 절연막(700)을 형성한 다음 사진 및 식각 공정을 통해 후면 입출력 단자 형성을 위한 제 2 음각구조(710)를 형성하여 상기 후면 금속배선(690)을 노출시킨다. 상기 후면 금속배선간 절연막(700)은 실리콘산화막, 실리콘질화막, 실리콘탄화막 또는 이들의 조합으로 이루어지거나, BCB와 같은 폴리머로 이루어질 수 있다. 이후의 공정은, 후면 입출력 단자의 종류에 따라 상술한 제 1 실시예의 도 1l, 제 2 실시예의 도 2a 또는 제 3 실시예의 도 3a에 해당하는 공정과 후속 공정들과 동일하게 진행된다. 이때, 상기 노출된 후면 금속배선(690)은 상술한 제 1, 2 및 3 실시예에서의 노출된 전도성 플러그(360)에 해당하며, 후면 금속배선간 절연막(700)은 후면절연막(500)에 해당한다.Referring to FIG. 5C, when the
이상 상술한 바와 같이, 본 발명은 기판 후면에 전도성 스터드 또는 범프를 형성함으로써 칩 스태킹 및 마운팅 등을 위한 반도체 장치의 접속 시 반도체 장치를 플립 시키지 않아도 되고 트랜지스터에서 발생하는 열을 신속히 전도 시킬 수 있도록 한다. 또한, 본 발명은 기판 후면에 패드를 형성함으로써 프로브 테스트 및 와이어 본딩 시 일어날 수 있는 기계적 결함을 최소화 할 수 있고 이로부터 다양한 금속간 절연물질을 반도체 장치 제조에 이용할 수 있도록 한다.As described above, the present invention forms conductive studs or bumps on the rear surface of the substrate so that the semiconductor devices can be quickly flipped without the flip of the semiconductor devices when the semiconductor devices are connected for chip stacking and mounting. . In addition, the present invention can minimize the mechanical defects that may occur during the probe test and wire bonding by forming a pad on the back surface of the substrate, thereby making it possible to use a variety of intermetallic insulating material for the manufacture of semiconductor devices.
한편, 본 발명은 상술한 실시 예에 국한되는 것이 아니라 후술되는 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상과 범주 내에서 당업자에 의해 여러 가지 변형이 가능하다.On the other hand, the present invention is not limited to the above-described embodiment, various modifications are possible by those skilled in the art within the spirit and scope of the present invention described in the claims to be described later.
Claims (43)
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