[논문]Cu 두께에 따른 Cu-Cu 열 압착 웨이퍼 접합부의 접합 특성 평가

김재원; 정명혁; 이학주; 현승민; 박영배

Cu 두께에 따른 Cu-Cu 열 압착 웨이퍼 접합부의 접합 특성 평가
Cu Thickness Effects on Bonding Characteristics in Cu-Cu Direct Bonds 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.17 no.4, 2010년, pp.61 - 66

김재원 (안동대학교 신소재공학부 청정에너지소재기술연구센터) , 정명혁 (안동대학교 신소재공학부 청정에너지소재기술연구센터) , , , , 이학주 (한국기계연구원 나노융합기계연구본부) , 현승민 (한국기계연구원 나노융합기계연구본부) , 박영배 (안동대학교 신소재공학부 청정에너지소재기술연구센터)

초록
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3차원 TSV 접합 시접합 두께 및 전, 후 추가 공정 처리가 Cu-Cu 열 압착 접합에 미치는 영향을 알아보기 위해 0.25, 0.5, 1.5, 3.0 um 두께로 Cu 박막을 제작한 후 접합 전 $300^{\circ}C$에서 15분간 $Ar+H_2$, 분위기에서 열처리 후 $300^{\circ}C$에서 30분 접합 후 후속 열처리 효과를 실시하여 계면접착에너지를 4점굽힘 시험법을 통해 평가하였다. FIB 이미지 확인 결과 Cu 두께에 상관없이 열 압착 접합이 잘 이루어져 있었다. 계면접착에너지 역시 두께에 상관없이 $4.34{\pm}0.17J/m^2$ 값을 얻었으며, 파괴된 계면을 분석 한 결과 $Ta/SiO_2$의 약한 계면에서 파괴가 일어났음을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Cu-Cu thermo-compression bonding process was successfully developed as functions of the deposited Cu thickness and $Ar+H_2$ forming gas annealing conditions before and after bonding step in order to find the low temperature bonding conditions of 3-D integrated technology where the interfacial toughness was measured by 4-point bending test. Pre-annealing with $Ar+H_2$ gas at $300^{\circ}C$ is effective to achieve enough interfacial adhesion energy irrespective of Cu film thickness. Successful Cu-Cu bonding process achieved in this study results in delamination at $Ta/SiO_2$ interface rather than Cu/Cu interface.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

3차원 소자 집적을 위한 저온 Cu-Cu 열 압착 접합 공정의 확립을 위해 Cu 두께에 따른 접합부의 접합 특성 관찰 및 4점굽힘시험을 통해 계면접착에너지를 평가하였다. Cu 두께에 따라 표면 거칠기가 증가 하였고, Cu-Cu 열 압착 접합 전 Ar+H₂ 혼합가스로 300℃에서 15분간 열처리 후 에 동일 온도조건에서 30분간 열 압착 접합 및 후속 열처리한 결과 Cu 두께에 상관없이 접합부의 미세구조에서 Cu 본래의 계면이 사라지고 접합이 잘 이루어졌다.
4점굽힘시험이 완료된 시험편은 FE-SEM 및 에너지 분산형 분광기(Energy dispersive spectroscopy, EDS)로 미세구조를 관찰 및 분석하여 내부의 파괴경로를 확인하였다.
Cu-Cu 열 압착 접합 방법으로 제작된 시험편은 R&D 사의 인장 시험기에 4점굽힘시험용 지그를 설치하여 정량적인 계면접착에너지를 측정하였다.
Cu-Cu 열 압착 접합 전 Cu의 두께를 각각 0.25, 0.5 1.5, 3 um 증착하여 두께에 따른 표면의 미세구조 변화를 알아보기 위해 FE-SEM을 통해 관찰하여 Fig. 2에 나타내었다. Cu 두께가 두꺼워 질수록 결정립이 커지는 것을 관찰 할 수 있었다.
Cu-Cu 열 압착 접합부의 계면접합에너지를 평가하기 위해 접합 된 시험편을 4점굽힘시험을 위한 30 mm×3 mm의 크기로 절단하였고, 두 장의 실리콘웨이퍼 중 한 장의 웨이퍼에 초기 균열을 유도하기 위해 깊이 600 µm의 노치를 형성하였다.
Cu-Cu 열 압착 접합부의 계면접합에너지를 평가하기 위해 접합 된 시험편을 4점굽힘시험을 위한 30 mm×3 mm의 크기로 절단하였고, 두 장의 실리콘웨이퍼 중 한 장의 웨이퍼에 초기 균열을 유도하기 위해 깊이 600 µm의 노치를 형성하였다. Cu-Cu 열 압착 접합부의 단면 미세구조 관찰을 위하여 집속이온빔(Focus Ion Beam, FIB)을 이용하였다. 시험편의 접합부를 중심에 두고 너비 20 µm, 깊이 15 µm로 이온 빔 조사로 식각한 후에 10초간 Cu 층의 에칭 후 미세구조를 관찰 하였다.
이때, 표면 측정범위는 10 um×10 um 단위면적에서 측정되었다. EV Group의 aligner를 이용하여 두 장의 실리콘 웨이퍼를 차례로 정렬하였고, 접합 장비로 이동을 위해 두 장의 웨이퍼를 척(chuck)에 고정 시켰다. 이동 중 Cu 표면에 발생한 산화막을 제거하기 위해 CuCu 접합 전 300℃에서 15분간 Ar+H2(4%)가스로 열처리하였다.
5, 3 µm 변수로 스퍼터 증착하였다. 스퍼터 된 Cu 두께에 따른 표면 변화를 알아보기 위해 주사전자현미경(Field emission scanning electron microscope, FE-SEM)을 이용하여 표면 미세구조를 관찰 하였고, 주사탐침현미경(Atomic force microscopy, AFM)을 이용하여 표면조도를 측정하였다. 이때, 표면 측정범위는 10 um×10 um 단위면적에서 측정되었다.
시험편의 접합부를 중심에 두고 너비 20 µm, 깊이 15 µm로 이온 빔 조사로 식각한 후에 10초간 Cu 층의 에칭 후 미세구조를 관찰 하였다.
위와 아래에 4개에 핀의 중심에 고정된 시험편은 모멘트가 일정한 위쪽 두 개의 핀 사이에서 발생한 내부 균열을 통해 정량적인 계면접착에너지를 측정 할 수 있다. 실험은 압축모드, 변위제어로 실시하였으며, 결과는 하중과 변위곡선으로 나타난다. 여기서 일정한 하중 영역을 보이는 구간의 하중 값을 아래의 유도된 식에 대입하여 정량적인 계면접합에너지를 얻을 수 있다.
EV Group의 aligner를 이용하여 두 장의 실리콘 웨이퍼를 차례로 정렬하였고, 접합 장비로 이동을 위해 두 장의 웨이퍼를 척(chuck)에 고정 시켰다. 이동 중 Cu 표면에 발생한 산화막을 제거하기 위해 CuCu 접합 전 300℃에서 15분간 Ar+H2(4%)가스로 열처리하였다. 이후 EV Group의 접합 장비에 웨이퍼가 고정된 척을 장착시키고, 10-6 Torr의 고 진공에서 접합 온도는 300℃, 접합 시 압력은 60 kN으로 30분간 접합 공정을 진행하였다.
이동 중 Cu 표면에 발생한 산화막을 제거하기 위해 CuCu 접합 전 300℃에서 15분간 Ar+H2(4%)가스로 열처리하였다. 이후 EV Group의 접합 장비에 웨이퍼가 고정된 척을 장착시키고, 10-6 Torr의 고 진공에서 접합 온도는 300℃, 접합 시 압력은 60 kN으로 30분간 접합 공정을 진행하였다. 접합 공정 후 접합특성의 향상8)을 위해 350℃, 60분간 후속열처리를 실시하였다.
이후 EV Group의 접합 장비에 웨이퍼가 고정된 척을 장착시키고, 10-6 Torr의 고 진공에서 접합 온도는 300℃, 접합 시 압력은 60 kN으로 30분간 접합 공정을 진행하였다. 접합 공정 후 접합특성의 향상8)을 위해 350℃, 60분간 후속열처리를 실시하였다. Cu-Cu 열 압착 접합부의 계면접합에너지를 평가하기 위해 접합 된 시험편을 4점굽힘시험을 위한 30 mm×3 mm의 크기로 절단하였고, 두 장의 실리콘웨이퍼 중 한 장의 웨이퍼에 초기 균열을 유도하기 위해 깊이 600 µm의 노치를 형성하였다.

대상 데이터

시험편은 웨이퍼 레벨 공정으로 제작하였고, 725 µm의 8인치 실리콘 웨이퍼 위에 Ta를 25 nm, Cu를 0.25, 0.5, 1.5, 3 µm 변수로 스퍼터 증착하였다.

이론/모형

본 연구에서는 TSV 접합 공정 중 Cu-Cu 접합 방법을 이용하여 접합을 진행 하였다. 기존 Cu-Cu 접합 특성이 좋은 400℃ 접합 온도에 비해 비교적 낮은 온도인 300℃에서 Cu 두께 변수에 따라 Cu-Cu 접합을 하였고, 4점굽힘시험법(4-point bending test)을 이용하여 접합 특성을 평가하였다.
본 연구에서는 TSV 접합 공정 중 Cu-Cu 접합 방법을 이용하여 접합을 진행 하였다. 기존 Cu-Cu 접합 특성이 좋은 400℃ 접합 온도에 비해 비교적 낮은 온도인 300℃에서 Cu 두께 변수에 따라 Cu-Cu 접합을 하였고, 4점굽힘시험법(4-point bending test)을 이용하여 접합 특성을 평가하였다.
¹⁴⁾이러한 효과적인 표면 전처리 및 후속 열처리는 Cu-Cu 접합 기술의 단점인 높은 접합 온도를 300℃로 낮추면서도 우수한 접합 특성을 확보 할 수 있어서 접합 시 웨이퍼 내 소자 특성 저하에 따른 패키지 신뢰성 저하를 최소화 할 수 있을 것으로 생각된다. 열 압착 접합 된 1.5 um 두께의 Cu 접합부의 계면 접착에너지를 4점굽힘시험법과 CCD 카메라를 이용하여 측정 하여 Fig. 5에 하중-변위 곡선을 나타내었다. 시편에 가해지는 응력이 선형탄성적으로 증가하다가 약 0.

성능/효과

⁷⁾반면, 이번 결과는 300℃의 비교적 낮은 온도에서 Ar+H₂ 분위기 열처리에 의해 Cu 표면의 산화막을 충분히 제거를 하여 열 압착 접합 및 후속 열처리 시 Cu 원자의 상호확산이 수월히 이루어졌기 때문이라고 생각된다.¹⁴⁾이러한 효과적인 표면 전처리 및 후속 열처리는 Cu-Cu 접합 기술의 단점인 높은 접합 온도를 300℃로 낮추면서도 우수한 접합 특성을 확보 할 수 있어서 접합 시 웨이퍼 내 소자 특성 저하에 따른 패키지 신뢰성 저하를 최소화 할 수 있을 것으로 생각된다. 열 압착 접합 된 1.
Cu 두께에 따라 표면 거칠기가 증가 하였고, Cu-Cu 열 압착 접합 전 Ar+H₂ 혼합가스로 300℃에서 15분간 열처리 후 에 동일 온도조건에서 30분간 열 압착 접합 및 후속 열처리한 결과 Cu 두께에 상관없이 접합부의 미세구조에서 Cu 본래의 계면이 사라지고 접합이 잘 이루어졌다. 4점굽힘시험을 통해 접합부의 계면에너지를 측정한 결과 두께 조건과 상관없이 Ta-SiO₂ 계면에서 박리가 일어났다. 이때 계면접착에너지 값은 4.
아래에 놓인 웨이퍼 파면에 대한 분석 결과 이다. EDS 성분 분석 결과 윗 웨이퍼의 파면에는 Si, Cu, Ta 성분이 각각 32.97, 56.11, 10.92%가 검출 된 반면 아래 웨이퍼의 파면에서는 Si 이 100% 검출 되었다. 이는 4점굽힘시험시 약한 계면으로 파괴가 진전 되는데, Cu 와 Cu가 열 압착 접합 및 후속 열처리 시 Cu가 충분히 확산이 일어나 마치 하나의 Cu 박막과 같이 강한 결합을 하고 있어 상대적으로 약한 Ta-SiO₂계면에서 파괴가 진전 된 것으로 사료된다.
4에 Cu-Cu 열 압착 접합 후 Cu 두께에 따른 접합부 미세구조를 FIB을 이용하여 나타내었다. FIB 이미지 관찰결과, Cu 두께에 상관없이 접합부에 쌍정(twin)이 관찰되었고 일부 공공(void)이 존재 하지만 Cu 원자의 상호확산에 의해 결정립이 성장하여 Cu의 본래의 계면이 사라진 것을 관찰 할 수 있었다. Ar+H₂ 혼합가스 분위기에서 접합 전 어닐링 시에 식 2, 3과 같은 열역학적 반응식에 따라 Cu 산화막의 효과적인 제거가 가능하다고 보고되어 진다.
따라서 크랙이 계면을 따라 진전 할 때 일정하게 유지된 하중을 계산한 결과 4.34±0.17 J/m2로 측정 되었다.
이에 따라, 본 연구에서도 두께에 따라 계면접합에너지가 변할 것으로 예상 하였으나, Cu-Cu 열 압착 전 전처리 및 접합 후 충분한 후속열처리에 의해 Cu의 강한결합을 이루어 Cu-Cu 접합후의 정량적인 계면접착에너지를 구할 수 없었다. 위 결과를 바탕으로 Cu 두께에 따른 계면접착에너지 차이를 정량적으로 확인 할 수는 없었지만, 400℃ 보다 낮은 300℃의 공정조건과 접합 전 환원 분위기 열처리 및 접합 후 충분한 열처리에 의해서 Cu-Cu 접합이 성공적으로 이루어 졌으며, Ta-SiO₂ 계면보다 강한 접합 강도를 가지는 것으로 판단된다.
1 nm로 측정 되었다. 표면조도 측정 결과 Cu 두께가 두꺼워질수록 표면의 평균 거칠기와 표준편차가 커지는 것을 확인 하였다. Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Cu-Cu 저온 접합시 Cu 계면의 산화막으로 인한 접합 특성 문제를 해결하기 위한 방법은?	6) 기 보고에 의하면 Cu-Cu 저온 접합시 Cu 계면의 산화막으로 인해 충분한 상호확산이 이루어지지 못하여 접합 특성에 문제가 발생한다고 보고되고 있다.7) 이러한 문제를 해결하기 위해서는 Cu-Cu 접합 전에 Cu 산화막을 제거하기 위한 전처리 공정의 도입이나 접합 후 후속 열처리8)를 통해 접합 특성을 향상 시켜야 한다. 이외에도 실제 TSV 공정에 Cu-Cu 접합 기술의 적용함에 있어 Cu 두께가 접합특성에 미치는 영향은 거의 보고되어진바 없어 그에 따른 연구도 이루어져야할 필요가 있다.
	Cu-solder-Cu 접합 기술의 장점은?	TSV 접합기술 중 Cu-solder-Cu 접합(Eutectic Bonding, 공정 접합)은 낮은 접합온도 및 우수한 수율의 장점이 있어, 대표적인 3D 패키징 접합기술로 이용되고 있다. 하지만, Cu와 솔더의 확산 반응에 의해 계면에 경질의 금속간화합물과 커켄달 보이드(kirkendall void)의 형성으로 기계적, 전기적 신뢰성 저하의 문제점을 가지고 있다.
	TSV를 이용한 적층 기술에 대한 관심과 연구가 증가하고 있는 이유는?	3차원 패키지 위한 기존 기술에는 와이어 본딩이나 플립 칩을 이용한 2층 적층방법이 쓰였으나, 근래에 들어 TSV (Through Silicon Via)1)를 이용한 적층 기술에 대해 많은 관심과 연구가 이루어지고 있다. 이는 기존의 3차원 접합 방식에 비해 고집적도, 고성능화, 저전력 소모 등의 전기적 특성 향상의 이점을 갖기 때문이다.2-4)

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J. W. Kim, K. S. Kim, S. D. Kim, S. Hyun, H. J. Lee, and Y. B. Park, "A study of Cu Direct Bonding using Wet Chemical Methods" Proc. of 2010 Fall meeting The Korean Microelectronics and Packaging Society Conferences, Seoul, 63 (2010).
Dauskardt RH, Lane MW, Ma Q, Krishna N. "Adhesion and de-bonding of multilayer thin film structures", Eng. Fract. Mech. 61, 141 (1998).

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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