(57)【要約】  頂部金属層を備えるダイであり、該頂部金属層が少なくとも第１金属ライン及び第２金属ラインを有するところのダイ；前記頂部金属層を覆う保護層；前記保護層上のＣ４バンプ；並びに前記保護層の第１皮膜開口及び第２皮膜開口であり、前記第１金属ラインを前記Ｃ４バンプに接続する第１皮膜開口、及び前記第２金属ラインを前記Ｃ４バンプに接続する第２皮膜開口；を有する装置。
2007514318.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
頂部金属層を備えるダイであり、該頂部金属層が少なくとも第１金属ライン及び第２金属ラインを有するところのダイ；
前記頂部金属層を覆う保護層；
該保護層上のＣ４バンプ；並びに
前記保護層の第１皮膜開口及び第２皮膜開口であり、前記第１金属ラインを前記Ｃ４バンプに接続する第１皮膜開口、及び前記第２金属ラインを前記Ｃ４バンプに接続する第２皮膜開口；
を有する装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置であって、前記第１金属ライン及び前記第２金属ラインが銅を有するところの装置。
【請求項３】
請求項１に記載の装置であって、前記Ｃ４バンプがはんだを有するところの装置。
【請求項４】
請求項１に記載の装置であって、前記Ｃ４バンプが導電体を有するところの装置。
【請求項５】
請求項１に記載の装置であって、前記Ｃ４バンプの直径が120μm未満であるところの装置。
【請求項６】
請求項１に記載の装置であって、前記第１金属ライン及び前記第２金属ラインが互いに実質的に平行であるところの装置。
【請求項７】
請求項１に記載の装置であって、前記第１金属ライン及び前記第２金属ラインの幅が10μm未満であるところの装置。
【請求項８】
請求項６に記載の装置であって、前記第１金属ライン及び前記第２金属ラインが50μm未満の間隔で離されているところの装置。
【請求項９】
頂部金属層を備えるダイであり、該頂部金属層が少なくとも第１金属ライン及び第２金属ラインを有するところのダイ；
前記頂部金属層を覆う保護層であり、複数の皮膜開口を有する保護層；及び
前記保護層上に位置する複数のＣ４バンプであり、該複数のＣ４バンプの各々が、少なくとも２つの皮膜開口を覆い、かつ少なくとも前記第1金属ライン及び前記第２金属ラインに接続しているところの複数のＣ４バンプ；
を有する装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の装置であって、前記頂部金属層の直下に第２金属層をさらに有する装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の装置であって、前記第２金属層が複数の金属ラインを有し、該複数の金属ラインが前記第１金属ライン及び前記第２金属ラインに実質的に垂直に伸びているところの装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の装置であって、前記第１金属ライン、前記第２金属ライン及び前記複数の金属ラインが銅を有するところの装置。
【請求項１３】
請求項９に記載の装置であって、前記複数のＣ４バンプの各々が導電体を有するところの装置。
【請求項１４】
請求項９に記載の装置であって、前記複数のＣ４バンプの各々がはんだを有するところの装置。
【請求項１５】
請求項１３に記載の装置であって、前記複数のＣ４バンプの各々が、直径で120μm未満であり、かつ他のＣ４バンプから75μm未満の位置にあるところの装置。
【請求項１６】
請求項９に記載の装置であって、前記第１金属ライン及び前記第２金属ラインが互いに実質的に平行であるところの装置。
【請求項１７】
請求項９に記載の装置であって、前記第１金属ライン及び前記第２金属ラインの幅が10μm未満であるところの装置。
【請求項１８】
請求項９に記載の装置であって、前記第１金属ライン及び前記第２金属ラインが50μm未満の間隔で離されているところの装置。
【請求項１９】
高電力領域、低電力領域、及び頂部金属層を備えるダイ；
前記高電力領域の前記頂部金属層の第１金属ライン及び第２金属ライン；
前記低電力領域の前記頂部金属層の第３金属ライン；
前記頂部金属層を覆う保護層であり、複数の皮膜開口を有する保護層；
前記高電力領域の前記保護層上のＣ４バンプであり、少なくとも２つの皮膜開口を覆い、かつ少なくとも前記第1金属ライン及び前記第２金属ラインに接続しているＣ４バンプ；並びに
前記低電力領域の前記保護層上のＣ４バンプであり、１つの皮膜開口を覆い、かつ前記第３金属ラインに接続しているＣ４バンプ；
を有する装置。
【請求項２０】
請求項１９に記載の装置であって、前記金属ラインが銅を有するところの装置。
【請求項２１】
請求項１９に記載の装置であって、前記Ｃ４バンプがはんだを有するところの装置。
【請求項２２】
請求項１９に記載の装置であって、前記Ｃ４バンプが導電体を有するところの装置。
【請求項２３】
請求項１９に記載の装置であって、前記Ｃ４バンプの直径が120μm未満であるところの装置。
【請求項２４】
請求項１９に記載の装置であって、前記第１金属ライン及び前記第２金属ラインの各々が前記第３金属ラインより幅が狭いところの装置。
【請求項２５】
半導体デバイスの頂部表面に保護層を形成する工程であり、該半導体デバイスの頂部表面が複数の金属ラインを有するところの工程；
前記複数の金属ラインの各々を部分的に露出するために前記保護層に複数の皮膜開口を形成する工程；及び
前記保護層上にＣ４バンプを設置する工程であり、該Ｃ４バンプが、前記複数の皮膜開口の少なくとも２つを覆うように配置され、かつ前記複数の金属ラインの少なくとも２つに接続されるように設置する工程；
を有する方法。
【請求項２６】
請求項２５に記載の方法であって、前記複数の金属ラインが互いに実質的に平行であるところの方法。
【請求項２７】
請求項２６に記載の方法であって、前記複数の金属ラインが銅を有するところの方法。
【請求項２８】
請求項２５に記載の方法であって、前記複数の金属ラインの各々の幅が10μm未満であるところの方法。
【請求項２９】
請求項２５に記載の方法であって、前記複数の金属ラインの各々が互いに50μm未満の位置にあるところの方法。
【請求項３０】
請求項２５に記載の方法であって、前記Ｃ４バンプが導電体を有するところの方法。
【請求項３１】
請求項２５に記載の方法であって、前記Ｃ４バンプがはんだを有するところの方法。
【請求項３２】
請求項２５に記載の方法であって、前記Ｃ４バンプの直径が120μm未満であるところの方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、半導体実装分野に関し、より具体的には、Ｃ４バンプと半導体ダイとの間の相互接続に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体ダイはＣ４バンプの２次元配列によってフリップチップパッケージに接続されている。電力はこれらのＣ４バンプによってダイまで、パッケージに従って送られる。電力はさらに、ダイの頂部金属層の金属相互接続ラインを通ってこれらのＣ４バンプからダイの異なる部分まで分配される。
【０００３】
図１は、Ｃ４バンプ102とダイ100の頂部金属層との間の接続を例示している。現在、この接続は、図1に例示されるように、単一の皮膜開口を通って為されている。Ｃ４バンプ102は単一の皮膜開口106を通って頂部金属層の金属ライン104に接続されている。典型的に、Ｃ４バンプ102の直径は110μmである。頂部金属層のライン幅は20μmであり、皮膜開口106の面積は約256μm2（16μm×16μm）である。
【０００４】
電力は多数の金属層を経由してダイの至る所に送られる。上から２つの金属層が図1に例示されている。頂部金属層の金属ライン104は、トップ１金属層の金属ライン112を含む低層金属層の金属ラインに電力を分配する。従って、電力はＣ４バンプ102から単一の皮膜開口106を介してダイの頂部金属ライン104まで進み、それから、トップ１金属層のライン112及び他の低層の金属ラインまで送られる。
【０００５】
電流密度、及び電力供給網が信頼性高く電流を配送できる能力は、金属スタック、並びに金属スタック内の金属及びビアのＥＭ（エレクトロマイグレーション）性能の関数である。現在、ＥＭ問題は幾つかの手法で解決されている。例えば、単一皮膜開口接続では、電流集中がＥＭ限界を超えるときには、電流集中を緩和するために更なる金属層が金属スタックに追加される。しかし、これは製造コストを増大させる場合がある。電流集中を緩和させるために用いられ得るその他の代替手段は、より厚い金属層を用いること、又は金属ラインのピッチを広げることである。この代替手段は信号ルーティング能力を低下させるという望ましくない結果に至る場合がある。さらなる選択肢は、より大きなＥＭ限界を得るために金属層に不純物を添加することである。金属層の不純物添加は金属ラインの抵抗を増大させる場合があり、望ましいものではない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、改善された電力ルーティング方法、及び改善された電力ルーティングを有する装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
以下の詳細な説明では、発明のより完全な理解のため、正確な処理工程等の多くの具体的詳細事項が説明される。しかしながら、本発明がこのような具体的詳細事項なくしても実施可能であることは当業者に明らかなところである。その他に、周知の部品又は方法については、不必要に本発明を不明瞭としないために詳細には説明しないこととする。
【０００８】
単一のＣ４バンプを複数の皮膜開口を介してダイの頂部金属層の複数の金属ラインに接続する方法について、この接続の形成方法とともに述べる。１つのＣ４バンプを複数の皮膜開口を用いて接続することにより、ダイとパッケージとの間の電気抵抗が低減され得る。低層金属層での電流集中及びＩＲ（電圧）ドロップもまた、複数の皮膜開口の使用によって低減される。さらなる金属層を必要とせずに、電流集中及びＩＲドロップが低減され得る。
【０００９】
図２は、Ｃ４バンプ202を備えるダイ200を上方から見た図を例示しており、Ｃ４バンプが本発明の一実施形態に従ってダイに取り付けられている。本発明の一実施形態では、Ｃ４バンプははんだから成る。本発明の他の実施形態においては、Ｃ４バンプは例えば銅などの他の導電体から成る。Ｃ４バンプの直径は約110μmとし得る。Ｃ４バンプ202は、保護層の皮膜開口206を介して頂部層の複数の金属ライン204に接続される。Ｃ４バンプ下の２つの皮膜開口の各々の寸法は、大きさ的に互いにほぼ等しくてもよいが、異なる大きさでもよい。一実施形態では、Ｃ４バンプ下の２つの皮膜開口の各々はおよそ6μmの幅で30μmの長さとされ得る。皮膜開口は金属ライン204の幅より狭くてもよい。双方の皮膜開口の全面積は約360μm2である。Ｃ４バンプが接続される金属ライン204の各々に対し、１つの皮膜開口206が設けられる。頂部金属層の金属ライン204は互いに実質的に平行に伸びている。本発明の一実施形態では、頂部層の金属ラインは、幅が約10μmであり、約50μmだけ離されている。金属層204は銅又はその他の導電体から成る。
【００１０】
Ｃ４バンプを複数の金属ラインに接続する複数の皮膜開口の使用により、単一の皮膜開口及び単一の金属ラインの使用と比較して、Ｃ４バンプと金属ラインとの間の全接続面積が増大され得る。この全接続面積の増大により、パッケージとダイとの間の電気抵抗は効果的に低減される。
【００１１】
図３は、本発明に係る他の実施形態を例示している。Ｃ４バンプ202を単一の金属ライン204に接続するために、２つ以上の皮膜開口206が用いられてもよい。これもまた、Ｃ４バンプと金属ラインとの間の全接続面積を増大させることにより、パッケージとダイとの間の抵抗を効果的に低減し得る。
【００１２】
皮膜開口206の各々は同じ大きさでもよく、あるいは異なる大きさでもよい。図３では皮膜開口206は互いに対して縦向きに示されているが、例えば、並列構成の皮膜開口の配置のように、皮膜開口206は互いに対して横向きであってもよい。
【００１３】
図４は、図２のダイの断面図を例示している。ダイ200は基板201及び頂部金属層の金属ライン204を有する。ダイ200はまた、例えばトップ１金属ライン212等の、複数の更なる低層の金属ラインを有する。金属スタック内の金属ラインはビア213によって互いに接続されている。ビア213は頂部層の金属ライン204をトップ１金属ライン212に接続している。集積回路250、例えばトランジスタ又はキャパシタ等、が基板201内に形成されてもよい。集積回路はビア213によって金属スタックの金属層に接続されてもよい。
【００１４】
ダイ200の頂部表面に形成された保護層210は、ダイの表面を外部汚染及びダストから保護している。Ｃ４バンプ202が複数の頂部層金属ライン204に接続されるように、開口206が保護層に形成されている。本発明に係る一実施形態では、Ｃ４バンプは２つの開口を覆うように位置しており、２つの金属ラインを接続している。他の実施形態においては、Ｃ４バンプは３つ以上の皮膜開口を介して３つの以上の金属ラインに接続される。少なくとも１つの皮膜開口が設けられＣ４バンプを各金属ラインに接続する。他の実施形態においては、複数の皮膜開口が設けられ、Ｃ４バンプを各金属ラインに接続する。一実施形態では、ボール限定メタラージ（ball  limiting  metallurgy；ＢＬＭ）215がＣ４バンプのすぐ下に設けられてもよい。ＢＬＭ層は、これらに限定はされないが、チタン、バナジウム、アルミニウム又は窒化物を含む材料で構成され得る。
【００１５】
図５は、一実施形態に従った、高電力領域及び低電力領域を有するダイ500の上面図を例示している。ダイの高電力領域では、複数の皮膜開口510が用いられ、電源及びグラウンド接続のために、ダイの頂部金属層にある複数の金属ライン508A又は508Bに各Ｃ４バンプ503が接続されている。ダイの高電力領域は、Ｃ４バンプ及びその下地の金属層の近傍の局所領域内でより低い電流密度が望ましい領域として定められてもよい。ダイの高電力領域の電流密度は、典型的に、ダイの低電力領域の電流密度の３倍から４倍の大きさである。本発明の実施形態は、ダイの頂部金属層とともに頂部金属層直下の金属層における電流密度及び電流集中を低減する。例えば、８層の金属層を有するダイでは、電流集中が第７金属層でのＥＭ限界を超えるとき、複数の皮膜開口を用いてＣ４バンプを頂部（第８）金属層の複数の金属ラインに接続することが好ましい。複数の皮膜開口が用いられ、単一のＣ４バンプが頂部金属層の複数の金属ラインに接続されたところでは、電流集中は最大で90％低減され得る。ダイの高電力領域はまた、ＩＲドロップが低減されることが望ましい領域として定められてもよい。本発明の実施形態は、複数の皮膜開口が用いられＣ４バンプが頂部金属層の複数の金属ラインに接続されたダイ領域でのＩＲドロップの低減を可能にする。シミュレーション結果はＩＲドロップ量の60％の改善を示している。この改善は、皮膜開口の拡大に起因する頂部２層の金属層の低抵抗化によってもたらされる。
【００１６】
一実施形態では、ダイの高電力領域に位置するＣ４バンプ503は各々、頂部金属層の２つの幅狭金属ライン508A又は508Bに２つの皮膜開口510によって接続される。本発明の具体的な実施形態においては、単一のＣ４バンプを２つの幅狭金属ラインに接続する各皮膜開口510は、約6μm×30μmの大きさ、すなわち全体で約360μm2の面積である。従って、ダイの高電力領域において、Ｃ４バンプとダイとの間の全接続面積を低電力領域での接続面積と比較して増大させるために、本発明の実施形態が用いられてもよい。
【００１７】
ダイの高電力領域520の電源（Ｖｃｃ）及びグラウンド（Ｖｓｓ）は、交互になった幅狭頂部金属ライン508Aの対、及び幅狭頂部金属ライン508Bの対に沿ってダイに分配される。幅狭金属ライン508Aは電源レール（Ｖｃｃ）であり、幅狭金属ライン508Bはグラウンドレール（Ｖｓｓ）である。高電力領域において、幅狭金属ライン508A及び508Bは互いに実質的に平行に伸び、約10ミクロンの幅にされ得る。幅狭金属ライン508Aの間隔、及び幅狭金属ライン508Bの間隔は20μmと70μmとの間、より具体的には約50μmにされ得る。金属ライン508は、金属ライン512を含む低層の金属層に電力を分配する。金属ライン512は、頂部金属層の直下にあるトップ１金属層にあり、かつ頂部層の金属ライン508に対して実質的に垂直に伸びている。ダイの高電力領域において、電力は、電流経路を完成させるように、頂部層のＶｃｃ及びＶｓｓのＣ４バンプの間のトップ１金属ライン512に沿って、DHに等しい距離だけ進まなければならない。一実施形態では、この距離は約114μmである。このように、高電力領域では、複数の皮膜開口が各Ｃ４バンプ下に用いられており、電力がトップ１金属ラインに沿って進む距離は、単一皮膜開口を用いて達成される距離より30％短縮される。複数の皮膜開口を用いてＣ４バンプを複数の金属ラインに接続することにより、電力がトップ１金属ラインに沿って進まなければならない距離が有意に短縮されるので、トップ１金属層でのＩＲ（電圧）ドロップ及び電流集中の双方が低減される。さらに、複数皮膜開口の接続形態を用いるとき、ダイに効率的に電力を送るためのトップ１金属ライン512の幅が約30％だけ縮小されてもよい。これにより、より多数の信号をトップ１金属層上で送ることが可能になる。
【００１８】
一実施形態では、ダイ500は低電力領域をも有する。低電力領域は、ＥＭ限界及びＩＲドロップが適正であり、従ってＥＭ限界及びＩＲドロップを低減する必要がないと判断される領域である。低電力領域では、ダイの頂部金属層の電源及びグラウンド接続のための単一の金属ライン504A又は504Bに各Ｃ４バンプを接続するために、単一の皮膜開口506が用いられる。単一の皮膜開口はまた、ダイの入／出力信号に接続されるＣ４バンプに用いられてもよい。本発明の一実施形態では、単一のＣ４バンプを単一の幅広金属ラインに接続するための各皮膜開口506は、約16μm×16μmの大きさ、すなわち約256μm2とされ得る。ダイの低電力領域の電源及びグラウンドは、交互になった幅広の頂部金属ライン504A及び504Bに沿ってダイに配給される。幅広金属ライン504Aは電源レール（Ｖｃｃ）であり、幅広金属ライン504Bはグラウンドレール（Ｖｓｓ）である。ダイの低電力領域において、電力は、頂部層のＶｃｃ及びＶｓｓのＣ４バンプの間のトップ１金属ライン512に沿って、DLに等しい距離だけ進まなければならない。一実施形態では、この距離は約160乃至170μmである。低電力領域において、金属ライン504A及び504Bは互いに実質的に平行に伸び、約20ミクロンの幅にされ得る。幅広金属ライン504の間隔は約70乃至75μmにされ得る。金属ライン504は、金属ライン512を含む低層の金属層に電力を分配する。金属ライン512は、頂部金属層の直下にあるトップ１金属層にあり、かつ頂部層の金属ライン504に対して実質的に垂直に伸びている。
【００１９】
図６は、本発明の一実施形態に従ったダイ及びパッケージの断面図を例示している。Ｃ４バンプ602及び603がフリップチップパッケージ620をダイ600に接続している。電力はフリップチップパッケージ620から、Ｃ４バンプ及びその下の皮膜開口を介し、複数の頂部層金属ラインに分配され得る。そして、電力はさらに、頂部金属層の金属ラインから、頂部金属層の下に位置するトップ１金属層612を含む更なる金属層へとダイ全体に分配される。トップ１金属層612は頂部金属層のライン608にビア613によって接続されている。
【００２０】
ダイの高電力領域では、図５を参照して述べたように、複数の皮膜開口610が用いられ、電源及びグラウンド接続のために、ダイの頂部金属層にある複数の金属ライン608に各Ｃ４バンプ603が接続されている。そして、ダイの低電力領域では、上述のように、単一の皮膜開口606が用いられ、電源及びグラウンド接続のために、ダイ600の頂部金属層にある単一の金属ライン604にＣ４バンプ602が接続されている。単一の皮膜開口はまた、ダイの入／出力信号に接続されるＣ４バンプに用いられてもよい。
【００２１】
図７は、本発明の一実施形態に従ったプロセスを示すフロー図700である。最初に、ブロック710で説明されるように、保護層が半導体ダイの頂部表面に形成される。半導体ダイはその中に、金属ライン、集積回路、又はその他の素子を含んでもよい。保護層はダイの頂部表面に成長又は堆積され得る。
【００２２】
次に、ブロック720で説明されるように、保護層内に皮膜開口が形成される。皮膜開口は、従来からのリソグラフィプロセスを用いてパターン形成することによって形成され得る。皮膜開口の形状又は大きさは、該開口を覆うＣ４バンプより大きくならない限り、如何なるものでもよい。実施形態では、皮膜開口の形状は、正方形、長方形、八角形又は円にされ得る。皮膜開口の大きさは、およそ50μm2から500μm2の範囲にされ得る。これが形成されると、皮膜開口は、ダイの頂部金属層の金属ラインを露出させる。
【００２３】
皮膜開口が形成された後、ブロック730で説明されるように、複数のＣ４バンプが保護層の上からダイの頂部表面に設置される。上述のように、高電力領域において各Ｃ４バンプは、少なくとも２つの皮膜開口を覆い、少なくとも２つの頂部層金属ラインに接続する。低電力領域、又は入／出力信号のための領域において、各Ｃ４バンプは１つの皮膜開口のみを覆い、１つの頂部層金属ラインのみに接続する。
【００２４】
最後に、ブロック740で説明されるように、ダイ及びＣ４バンプを覆うようにパッケージが設置され、Ｃ４バンプがダイをパッケージに電気的に接続することになる。
【００２５】
本発明は、例示された実施形態に様々な変更及び置換を加えて実施されてもよい。例えば、半導体技術がさらに微細な寸法にスケーリングされるにつれて、ここに記載された寸法も同様に縮小されてもよい。具体的なパラメータ、方法及び部材を含む具体的な実施形態について述べられてきた。しかし、請求項に記載されるような本発明の原理及び範囲を逸脱することなく、本発明の本質を説明するために記載され、例示された詳細事項、部材及びその配置、並びに工程に様々な変更が為され得ることは当業者に容易に理解されるところである。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】ダイの頂部金属層に接続されたＣ４バンプ配列を例示する鳥瞰図である。
【図２】本発明に係る一実施形態に従った、ダイの頂部金属層に接続されたＣ４バンプを例示する鳥瞰図である。
【図３】本発明に係る一実施形態に従った、ダイの頂部金属層に接続されたＣ４バンプを例示する鳥瞰図である。
【図４】本発明に係る一実施形態に従った、ダイの頂部金属層に接続されたＣ４バンプを例示する断面図である。
【図５】本発明に係る一実施形態に従った、ダイの頂部金属層に接続されたＣ４バンプを例示する鳥瞰図である。
【図６】本発明に係る一実施形態に従った、ダイをパッケージに接続するＣ４バンプを例示する断面図である。
【図７】本発明に係る一実施形態に従った方法を例示する流れ図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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2007514318.tif 000011