Fabrication Method of High-density and High-uniformity Solder Bump without Copper Cross-contamination in Si-LSI Laboratory

실리콘 실험실에 구리 오염을 방지 할 수 있는 고밀도/고균일의 Solder Bump 형성방법

We demonstrate the fabrication method of high-density and high-quality solder bump solving a copper (Cu) cross-contamination in Si-LSI laboratory. The Cu cross-contamination is solved by separating solder-bump process by two steps. Former is via-formation process excluding Cu/Ti under ball metallurgy (UBM) layer sputtering in Si-LSI laboratory. Latter is electroplating process including Ti-adhesion and Cu-seed layers sputtering out of Si-LSI laboratory. Thick photoresist (PR) is achieved by a multiple coating method. After TiW/Al-electrode sputtering for electroplating and via formation in Si-LSI laboratory, Cu/Ti UBM layer is sputtered on sample. The Cu-seed layer on the PR is etched during Cu-electroplating with low-electroplating rate due to a difference in resistance of UBM layer between via bottom and PR. Therefore Cu-buffer layer can be electroplated selectively at the via bottom. After etching the Ti-adhesion layer on the PR, Sn/Pb solder layer with a composition of 60/40 is electroplated using a tin-lead electroplating bath with a metal stoichiometry of 60/40 (weight percent ratio). Scanning electron microscope image shows that the fabricated solder bump is high-uniformity and high-quality as well as symmetric mushroom shape. The solder bumps with even 40/60 $\mu\textrm{m}$ in diameter/pitch do not touch during electroplating and reflow procedures. The solder-bump process of high-uniformity and high-density with the Cu cross-contamination free in Si-LSI laboratory will be effective for electronic microwave application.

사용되는 metal구분 없이 반도체 공정장비들을 사용함으로써 cross-contamination을 유발시킬 수 있다. 특히, copper(Cu)는 확산이 쉽게 되어 cross-contamination에 의해 수 ppm정도가 wafer에 오염되더라도 트랜지스터의 leakage current발생 요인으로 작용할 수 있기 때문에 Si-IC성능에 치명적인 영향을 미칠 수 있는데, Si-LSI 실험실에서 할 수 있는 공정과 Si-LSI 실험실을 나와 할 수 있는 공정으로 구분하여 최대한 Si-LSI 장비를 공유함으로써 최소한의 장비로 Cu cross-contamination문제를 해결할 수 있다. 즉, 전기도금을 할 때 전극으로 사용되어지는 TiW/Al sputtering, photoresist (PR) coating, solder bump형성을 위한 via형성까지는 Si-LSI 실험실에서 하고, 독립적인 다른 실험실에서 Cu-seed sputtering, solder 전기도금, 전극 etching, reflow공정을 하면 된다. 두꺼운 PR을 얻기 위하여 PR을 수회 도포(multiple coaling) 하고, 유기산 주석과 유기산 연의 비를 정확히 액 조성함으로서 Sn:Pb의 조성비가 6 : 4인 solder bump를 얻을 수 있었다. solder를 도금하기 전에 저속 도금으로 Cu를 도금하여, PR 표면의 Cu/Ti seed층을 via와 PR표면과의 저항 차를 이용하여 PR표면의 Cu-seed를 Cu도금 중에 etching 시킬 수 있다. 이러한 현상을 이용하여 선택적으로 via만 Cu를 도금하고 Ti층을 etching한 후, solder를 도금함으로써 저 비용으로 folder bump 높이가 60 $\mu\textrm{m}$ 이상 높고, 고 균일/고 밀도의 solder bump를 형성시킬 수 있었다.