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정남 강
4 years ago
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1 특집 : 3 차원진보적전자패키징의공정기술과평가 차원소자적층을위한 습식식각에따른 패턴접합특성평가 박종명 김수형 김사라은경 박영배 안동대학교신소재공학부청정에너지소재기술연구센터 서울테크노파크 기술지원센터 서울과학기술대학교 융합기술대학원 Effect of BOE Wet Etching on Interfacial Characteristics of Cu-Cu Pattern Direct Bonds for 3D-IC Integrations Jong-Myeong Park*, Su-Hyeong Kim**, Sarah Eunkyung Kim*** and Young-Bae Park*, *School of Materials Science and Engineering, Andong National University **MSP Center, Seoul Technopark ***Graduate School of NID Fusion Technology, Seoul National University of Science and Technology Corresponding author : ybpark@andong.ac.kr A bstract Three-dimensional integrated circuit (3D IC) technology has become increasingly important due to the demand for high system performance and functionality. We have evaluated the effect of Buffered oxide etch (BOE) on the interfacial bonding strength of Cu-Cu pattern direct bonding. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis of Cu surface revealed that Cu surface oxide layer was partially removed by BOE min. Two 8-inch Cu pattern wafers were bonded at 400 via the thermo-compression method. The interfacial adhesion energy of Cu-Cu bonding was quantitatively measured by the four-point bending method. After BOE min wet etching, the measured interfacial adhesion energies of pattern density for 0.06, 0.09, and 0.3 were 4.5 J/m, 5.06 J/m and 3.4 J/m, respectively, which were lower than 5 J/m. Therefore, the effective removal of Cu surface oxide is critical to have reliable bonding quality of Cu pattern direct bonds. Key Words : 3D IC, Wet etching, Cu-Cu bonding, Interfacial adhesion energy, Pattern density 1. 서론 차원집적회로 는소형폼팩터 높은성능 낮은전력소모 그리고무어의법칙의한계를극복하기위한유망한해결책인고밀도집적을달성하기위한선도적인접근방법으로대두되고있다 차원집적회로를달성하기위해몇가지핵심기술은 적층접합등이있고 이같은기술들이완벽하게이루어져야한다 기술은실리콘웨이퍼를 수십마이크로미터두께로얇게만든칩에직접구멍을뚫고동일한칩을수직으로적층하여관통전극으로연결하는 차원 방법으로 기존의패키지에비해제한된면적내에많은소자를만들고 부피와무게를최소화할수있으며 고성능및전력소모를줄일수있는장점이있어최근활발히연구되고있다 집적적층을하기위해서금속접합 산화물접합 혼합접합등여러가지접합방법들이요구된다 접합방법중솔더기반의금속접합은비용이저렴하고공정이간단하지만취성이강한금속간화합물 및

차원소자적층을위한 습식식각에따른 패턴접합특성평가 의형성으로인해기계적 전기적신 뢰성이감소되는문제가있다 반면에 직접 접합은이러한문제점을해결하기위한대안으로주목 받고있지만 표면의두꺼운산화막이생성되어접 합시상호확산을방해하는문제점이발생한다 또 한 패턴으로접합할경우 의영향으로 의 및절연 체의 현상이발생하게된다 및 은접합부의접촉면적을줄이기때문에접합

2 차원소자적층을위한 습식식각에따른 패턴접합특성평가 의형성으로인해기계적 전기적신 뢰성이감소되는문제가있다 반면에 직접 접합은이러한문제점을해결하기위한대안으로주목 받고있지만 표면의두꺼운산화막이생성되어접 합시상호확산을방해하는문제점이발생한다 또 한 패턴으로접합할경우 의영향으로 의 및절연 체의 현상이발생하게된다 및 은접합부의접촉면적을줄이기때문에접합 후후속열처리를하여도본딩계면에서제대로접합이 되지않는다고보고된바있다 이러한문제를해결하 기위해서추가적인공정이필요하다 이전우리의연 구에서 패턴으로접합하기전습식식각을통해 의 및표면산화막또한제거가가능하다고 보고하였다 본연구에서는 Metal deposition (Pattern density) 4-point bending test (Sample size 30mm 3mm) 패턴의직접접합을위해 용액으로습식식각후 기존 접합특성이좋은 접합온도에서 패턴밀도변수에따라 접합을하였고 점굽힘시험법 을이용하여접 합특성을평가하였다. 시험편준비및실험방법.1 Cu 패턴시험편제작및접합부관찰 패턴직접접합공정을위한습식식각및 접합에대한공정모식도를 에나타내었다 인 치실리콘웨이퍼 μ 위에 를 두께 로형성하고 폭이 μ 와간격이각각 μ 로나누어진마스크를이용하여패터닝을 한뒤 를 두께로증착하였다 층위에 를 마그네트론스퍼터로증착후 두께의 를 공정으로제거하였다 공정 Wet etching (BOE min) Pressure Temp. N Purge Blanket film wafer to pattern wafer bonding 시조건은 으로폴리싱패드가회전하면서 의압력으로 초간 를 한뒤 초간 폴리싱을진행하였다 그리고다른하나의웨이퍼는 두께로 를형성하고 를 로증착한뒤 μ 의두께로 박막을증착하였다 공정이완료된웨이퍼는 온도에서 용액과 용액이 비율로만들어진 용액으로 분간습식식각하였다 식각된 표면상태를확인하기위하여 분석을실시하였다 분석은 의 을 원으로사용하였고 이때 은 을기준으로하였다 식각공정이완료된두장의웨이퍼를마주보도록겹쳐 본더장비로이동후 가스분위기에서 의온도와 의압력으로 분간 열압착접합을실시하였다 접합이완료된웨이퍼는초음파탐상검사장비 을사용하여웨이퍼의전체적인접합상태를확인후 점굽힘시험법을하기위해다이싱 장비에서다이아몬드블레이드로 의크기로조각을내었다. 4점굽힘시험을이용한실험방법 열압착접합방법으로제작된시험편은 사의인장시험기에 점굽힘시험용지그를설치하여정량적인계면접합에너지를측정되였다 실험에사용된로드셀은 로딩속도는 μ 핀간거리는 로하였다 점굽힘시험시크랙이진전되는순간을확인하기위해 카메라를이용하여실시간으로관찰하였다 점굽힘시험은하나의재료로가정하고재료내부에생긴균열이진전할때필요한에너지해방률 을선형파괴역학적방법으로측정하여박막간계면접합에너지를측정하는파괴역학시험법이다 이시험법은두개의탄성기판사이에접합된박막을쌓아올린샌드위치구조에초기균열을유도하기위한노치가생성된시험편을통해이루어진다 위와아래에 개에핀의중심에고정된시험편은일정한위쪽두개의핀사이에서발생한내부균열을통해정량적인계면접합에너지를측정할수있다 실험은압축모드 변위제어로실시하였으며 결과는하중과변위곡선으로나타난다 여기서재료파괴시정상상태로크랙이전파되면서생성되는일정한하중영역을보이는구간의

3 박종명 김수형 김사라은경 박영배 하중값을아래의유도된식 에대입하여정량적인계 면접합에너지를얻을수있다 1(1 - G = 4EFb h Intensity (Arb. Unit) (b) (a) u ) M 1(1 -u 3 C1s C1s = ) P L 3 16EFb h O1s O1s Cu(LMM) Cu(LMM) Binding energy(ev) Cup Cup 여기서 υ 는기판으로쓰이는탄성재료의프와송비 실 리콘웨이퍼 는패턴면적분율 는탄성 계수 실리콘웨이퍼 는시험편의너비 는시험편두께의절반 μ 을의미하 며 모멘트 은 이다 는하중과변위곡선에서 일정한구간의하중값 은핀사이의거리 를나타내며 여기서측정된계면접합에너지의단위는 이다 점굽힘시험이완료된시험편은주사전자현미경 을이용하여 접합부의미세구조를관찰하였다 3.1 습식식각 3. 결과및고찰 접합전 습식식각후 표면의잔여물이나 산화막이효과적으로제거되었는지알아보기위하여 분석을실시하여표면에와이드픽결과를 에나타내었다 습식식각을하지않은시험편과 습식식각을한시험편모두와이드픽에서 가검출되었고 분식각후표면의 는감소 하는것을확인할수있었으나 는식각후에도변화 를관찰할수없었다 따라서 과같이 픽 의가우시안픽분리를통해 표면에존재하는화학 적인결합을나타내었다 는 표면을습식식각하지않은시험편 Intensity (Arb. Unit) Intensity (Arb. Unit) Cu O Cu O Cu CuO Binding energy(ev) Cu CuO Cu(OH) Binding energy(ev) 으로순수한 가확인되었 고 습식식각을 분실시한 에서순수 한 가검출되었지만 는검 출이되지않았다 습식식각처리를하지않은시험편 에비해습식식각후에는 가 감소한결과로미루어보아습식식각을진행한시험편 의 표면에상대적으로더얇은산화막층이존재할 것이라고판단된다 3. Cu-Cu 접합 분습식식각후 접합 을실시한웨이퍼를초음파탐상검사장비 을사용하여웨 이퍼의전체적인접합상태를확인한결과를 에 나타내었다 어두운부분이접합이잘된부분이고밝은 부분이접합이잘되지않은부분이다 웨이퍼의가장 자리부분은접합이잘되었으나 중앙부분은접합이잘 되지않았다 점굽힘시험법으로정량적인계면접합에너지를평가

차원소자적층을위한 습식식각에따른 패턴접합특성평가 하기위해다이싱장비로 의크기로

접합계면이약하여다이싱공정중에박리가일어났다 최소계면접합에너지가 이하의경우공정

래의접합계면이뚜렷하게보이며 제대로접합이되지 않은것을관찰하였다 Interfacial

3 Cu-Cu 접합부파면분석 은 패턴밀도에따른 접합부의계면접합에너지변화를알아보기위해

4 차원소자적층을위한 습식식각에따른 패턴접합특성평가 하기위해다이싱장비로 의크기로 조각낸시험편의사진을 에나타냈었다 장 비로확인하였던결과와비슷하게웨이퍼의중앙부분은 접합계면이약하여다이싱공정중에박리가일어났다 최소계면접합에너지가 이하의경우공정 중박리가일어난다고보고된바있다 습식 식각후 접합부의 이미지 를 에나타내었다 모두원 래의접합계면이뚜렷하게보이며 제대로접합이되지 않은것을관찰하였다 Interfacial adhesion energy, G(J/m ) BOE(Wet etching) 5 J/m Cu pattern density 3.3 Cu-Cu 접합부파면분석 은 패턴밀도에따른 접합부의계면접합에너지변화를알아보기위해 열압착접합전 에서 용액으로 분간습식식각후접합한 시험편의계면접합에너지를 점굽힘시험법을이용하여측정한결과를나타내었다 의패턴밀도가 인조건에서측정한시험편의계면접합에너지의경우각각 으로측정되었다 은 접합후계면접합에너지가 이하의 경우후속공정시균열이발생하거나파괴가일어난다 고보고하였다 본연구에서는 패턴 밀도모두 이하의값을보였다 점굽힘시험법을이용하여측정된시험편의파면에

박종명 김수형 김사라은경 박영배 접합부의계면접합에너지를측정한결과패턴밀도와 상관없이 계면에서박리가일어났다 이때계면접합에너지값은 로측정되었으며

습식식각을진행한시험편에 대해서 접합을진행하였지만 패 턴밀도에따른효과및 직접접합의품질을향 상시키기위해서는 습식식각후추가적인

대한파괴경로를알아보기위해 과같이박리된단면을 을이용하여분석한결과 세가지패턴밀도모두양쪽에서 가검출되어 사이에서박리가일어난것으로판단된다

막층을깨고상호확산을가능하게하는활성화에너지 를충분히제공하지못하였기때문에접합이완벽하게 이루어지지않아패턴밀도에따른효과가나타나지않은것으로판단된다

접합전 습식식각후 표면산화막이일부 제거되는것을관찰하였다 하지만 분으로습식 식각후 의온도에서 분간 열압착접

5 박종명 김수형 김사라은경 박영배 접합부의계면접합에너지를측정한결과패턴밀도와 상관없이 계면에서박리가일어났다 이때계면접합에너지값은 로측정되었으며 패턴밀도에따른계면접합에너지값의유의차는찾을 수없었다 이러한결과는 표면에잔여하고있는산화막이 의상호확산을방해한것으로판단된다 본연구에서는 습식식각을진행한시험편에 대해서 접합을진행하였지만 패 턴밀도에따른효과및 직접접합의품질을향 상시키기위해서는 습식식각후추가적인 표면전처리공정이필요할것으로생각된다 이에따 라차후 같은습식전처리후 열압착 접합시험편의정밀한측정및계면분석을통한평가가 필요하다 후 기 대한파괴경로를알아보기위해 과같이박리된단면을 을이용하여분석한결과 세가지패턴밀도모두양쪽에서 가검출되어 사이에서박리가일어난것으로판단된다 이러한결과는 공정시발생하는 및 현상에의해접합이제대로되지않거나또한 습식식각후 표면의산화막이미량으로제 거되었으나 열압착접합시 표면의산화 막층을깨고상호확산을가능하게하는활성화에너지 를충분히제공하지못하였기때문에접합이완벽하게 이루어지지않아패턴밀도에따른효과가나타나지않은것으로판단된다 4. 결론 패턴직접접합을위해다양한패턴밀도에 따른효과를 열압착접합후 접합부의계면접합에너지를 점굽힘시험법을통해 정량적으로평가하였다 열압착 접합전 습식식각후 표면산화막이일부 제거되는것을관찰하였다 하지만 분으로습식 식각후 의온도에서 분간 열압착접 합한결과패턴밀도와상관없이접합부의미세구조에 서 본래계면이존재하였다 점굽힘시험법을통해 본연구는서울테크노파크의차세대패키징공정 장비 실용화사업과국가플랫폼기술개발사업의일환으로지 식경제부지원을받아수행되었으며 이에감사드립니다 참고문헌

6 차원소자적층을위한 습식식각에따른 패턴접합특성평가 박종명 년생 안동대학교신소재공학부대학원생 배선접합강도평가및공정기술개발 김사라은경 년생 서울과학기술대학교 융합기술대학원 반도체소자및공정 전자패키징 김수형 년생 서울테크노파크 기술지원센터 전자패키징 반도체공정 박영배 년생 안동대학교신소재공학부교수 전자소자재료 전자패키징 신뢰성

특허청구의범위청구항 1 복수개의관통비아홀이형성된웨이퍼의하나이상의관통비아홀을포함하는전도영역에전도층을형성하는전도층형성단계 ; 상기전도층을포함한웨이퍼전체영역에절연층을증착하는절연층증착단계 ; 상기전도층의상부에감광제를도포하고, 상기관통비아홀이형성된위치에관통비아홀의단면적보다작은단

특허청구의범위청구항 1 복수개의관통비아홀이형성된웨이퍼의하나이상의관통비아홀을포함하는전도영역에전도층을형성하는전도층형성단계 ; 상기전도층을포함한웨이퍼전체영역에절연층을증착하는절연층증착단계 ; 상기전도층의상부에감광제를도포하고, 상기관통비아홀이형성된위치에관통비아홀의단면적보다작은단 (51) Int. Cl. (19) 대한민국특허청 (KR) (12) 등록특허공보 (B1) H01L 21/60 (2006.01) (21) 출원번호 10-2010-0028172 (22) 출원일자 2010 년 03 월 29 일 심사청구일자 2010 년 03 월 29 일 (65) 공개번호 10-2011-0108779 (43) 공개일자 2011 년 10 월 06 일 (56)