[논문]3차원 소자 적층을 위한 BOE 습식 식각에 따른 Cu-Cu 패턴 접합 특성 평가

박종명; 김수형; 김사라은경; 박영배

doi:10.5781/kwjs.2012.30.3.224

3차원 소자 적층을 위한 BOE 습식 식각에 따른 Cu-Cu 패턴 접합 특성 평가
Effect of BOE Wet Etching on Interfacial Characteristics of Cu-Cu Pattern Direct Bonds for 3D-IC Integrations 원문보기

大韓溶接·接合學會誌 = Journal of the Korean Welding and Joining Society, v.30 no.3, 2012년, pp.26 - 31

박종명 (안동대학교 신소재공학부 청정에너지소재기술연구센터) , 김수형 (서울테크노파크 MSP 기술지원센터) , 김사라은경 (서울과학기술대학교 NID융합기술대학원) , 박영배 (안동대학교 신소재공학부 청정에너지소재기술연구센터)

Abstract ▼ AI-Helper

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 2min. Two 8-inch Cu pattern wafers were bonded at $400^{\circ}C$ via the thermo-compression method. The interfacial adhesion energy of Cu-Cu bonding was quantitatively measured by the four-point bending method. After BOE 2min wet etching, the measured interfacial adhesion energies of pattern density for 0.06, 0.09, and 0.23 were $4.52J/m^2$, $5.06J/m^2$ and $3.42J/m^2$, respectively, which were lower than $5J/m^2$. Therefore, the effective removal of Cu surface oxide is critical to have reliable bonding quality of Cu pattern direct bonds.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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제안 방법

8 μm/min, 핀 간 거리는 5 mm로 하였다. 4점굽힘시험시 크랙이 진전되는 순간을 확인하기 위해 CCD 카메라를 이용하여 실시간으로 관찰하였다. 4점굽힘시험은 하나의 재료로 가정하고 재료 내부에 생긴 균열이 진전 할 때 필요한 에너지 해방률(G)을 선형파괴역학적 방법으로 측정하여 박막간 계면접합에너지를 측정하는 파괴역학 시험법이다¹⁵⁾.
4점굽힘시험이 완료된 시험편은 주사전자현미경 (Scanning Electron Microscope, SEM)을 이용하여 접합부의 미세구조를 관찰 하였다.
8인치 실리콘 웨이퍼(725 μm)위에 SiO2를 700 nm 두께로 형성하고 Cu 폭이 30 μm와 간격이 각각 100, 300, 500 μm로 나누어진 마스크를 이용하여 패터닝을한 뒤 Ti를 30 nm 두께로 증착하였다.
Ti층 위에 Cu 700 nm를 DC 마그네트론 스퍼터로 증착 후 200 nm 두께의 Cu를 CMP 공정으로 제거하였다. CMP공정시 조건은 80 RPM으로 폴리싱 패드가 회전하면서 24 kPa의 압력으로 15초간 Cu를 CMP한 뒤 7초간 over 폴리싱을 진행하였다. 그리고 다른 하나의 웨이퍼는 700 nm 두께로 SiO₂를 형성하고 Ti를 30 nm로 증착 한 뒤 1 μm의 두께로 Cu 박막을 증착하였다.
Cu-Cu 패턴 직접접합을 위해 다양한 패턴 밀도에 따른 효과를 Cu film/Cu pattern 열 압착 접합 후 Cu 접합부의 계면접합에너지를 4점굽힘시험법을 통해 정량적으로 평가하였다. Cu film/Cu pattern 열 압착 접합 전 BOE 습식 식각 후 Cu 표면 산화막이 일부 제거되는 것을 관찰하였다.
식각된 Cu 표면 상태를 확인하기 위하여 X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) 분석을 실시하였다. XPS분석은 Thermo Fisher Scientific, Multilab- 2000의 Al-Ka (1486.6 eV)을 X-ray 원으로 사용하였고, 이때 Binding energy scale은 Metallic Cu (932.6 eV), CuO(933.6 eV), Cu₂O(931.7eV), Cu(OH)₂(935.1eV) 을 기준으로 하였다^13,14). 식각 공정이 완료된 두 장의 웨이퍼를 마주보도록 겹쳐 MicroTec SB8e 본더 장비로 이동 후 N2 가스 분위기에서 400℃의 온도와 25kN의 압력으로 60분간 Cu-Cu 열 압착 접합을 실시하였다.
본 연구에서는 Cu-Cu 패턴의 직접 접합을 위해 Buffered Oxide Etch (BOE)용액으로 습식 식각 후 기존 Cu-Cu 접합 특성이 좋은 400℃ 접합 온도에서 Cu 패턴 밀도 변수에 따라 Cu-Cu 접합을 하였고, 4점굽힘시험법 (4-point bending test)을 이용하여 접합 특성을 평가하였다.
1eV) 을 기준으로 하였다^13,14). 식각 공정이 완료된 두 장의 웨이퍼를 마주보도록 겹쳐 MicroTec SB8e 본더 장비로 이동 후 N2 가스 분위기에서 400℃의 온도와 25kN의 압력으로 60분간 Cu-Cu 열 압착 접합을 실시하였다. 접합이 완료된 웨이퍼는 초음파 탐상 검사장비 (Scanning Acoustic Tomograph, SAT or SAM)을 사용하여 웨이퍼의 전체적인 접합 상태를 확인 후 4점굽힘시험법을 하기 위해 다이싱(dicing) 장비에서 다이아몬드 블레이드로 30 mm × 3 mm의 크기로 조각을 내었다.
49% HF용액이 6:1비율로 만들어진 BOE용액으로 2분간 습식 식각 하였다. 식각된 Cu 표면 상태를 확인하기 위하여 X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) 분석을 실시하였다. XPS분석은 Thermo Fisher Scientific, Multilab- 2000의 Al-Ka (1486.
위와 아래에 4개에 핀의 중심에 고정된 시험편은 일정한 위쪽 두 개의 핀 사이에서 발생한 내부 균열을 통해 정량적인 계면접합에너지를 측정 할 수 있다. 실험은 압축모드, 변위제어로 실시하였으며, 결과는 하중과 변위곡선으로 나타난다. 여기서 재료 파괴 시 정상상태로 크랙이 전파되면서 생성되는 일정한 하중 영역을 보이는 구간의 하중 값을 아래의 유도된 식 1에 대입하여 정량적인 계면접합에너지를 얻을 수 있다^16,17).
접합 전 BOE 습식 식각 후 Cu 표면의 잔여물이나 산화막이 효과적으로 제거 되었는지 알아보기 위하여 XPS분석을 실시하여 표면에 와이드 픽 결과를 Fig. 2에 나타내었다. 습식 식각을 하지 않은 시험편과 BOE 습식 식각을 한 시험편 모두 와이드 픽에서 Si, C, O Cu가 검출되었고 BOE 2분 식각 후 표면의 C는 감소 하는 것을 확인 할 수 있었으나, O는 식각 후에도 변화를 관찰 할 수 없었다.
접합이 완료된 웨이퍼는 초음파 탐상 검사장비 (Scanning Acoustic Tomograph, SAT or SAM)을 사용하여 웨이퍼의 전체적인 접합 상태를 확인 후 4점굽힘시험법을 하기 위해 다이싱(dicing) 장비에서 다이아몬드 블레이드로 30 mm × 3 mm의 크기로 조각을 내었다.

대상 데이터

Cu-Cu 열 압착 접합 방법으로 제작된 시험편은 R&B 사의 인장 시험기에 4점굽힘시험용 지그를 설치하여 정량적인 계면접합에너지를 측정되였다.

성능/효과

(c) 세가지 패턴 밀도 모두 양쪽에서 Cu가 검출되어 Cu-Cu 사이에서 박리가 일어난 것으로 판단된다.
하지만 BOE 2분으로 습식 식각 후 400℃의 온도에서 60분간 Cu-Cu 열 압착 접합한 결과 패턴 밀도와 상관없이 접합부의 미세구조에서 Cu 본래 계면이 존재하였다. 4점굽힘시험법을 통해 접합부의 계면접합에너지를 측정한 결과 패턴 밀도와 상관없이 Cu-Cu 계면에서 박리가 일어났다. 이때 계면접합에너지 값은 4.
Cu-Cu 패턴 직접접합을 위해 다양한 패턴 밀도에 따른 효과를 Cu film/Cu pattern 열 압착 접합 후 Cu 접합부의 계면접합에너지를 4점굽힘시험법을 통해 정량적으로 평가하였다. Cu film/Cu pattern 열 압착 접합 전 BOE 습식 식각 후 Cu 표면 산화막이 일부 제거되는 것을 관찰하였다. 하지만 BOE 2분으로 습식 식각 후 400℃의 온도에서 60분간 Cu-Cu 열 압착 접합한 결과 패턴 밀도와 상관없이 접합부의 미세구조에서 Cu 본래 계면이 존재하였다.
3(b)에서 순수한 Cu, CuO, Cu₂O가 검출되었지만 Cu(OH)₂는 검출이 되지 않았다. 습식 식각 처리를 하지 않은 시험편에 비해 습식 식각 후에는 CuO, Cu(OH)₂, Cu₂O가 감소한 결과로 미루어 보아 습식 식각을 진행한 시험편의 Cu 표면에 상대적으로 더 얇은 산화막층이 존재 할것이라고 판단된다.
2에 나타내었다. 습식 식각을 하지 않은 시험편과 BOE 습식 식각을 한 시험편 모두 와이드 픽에서 Si, C, O Cu가 검출되었고 BOE 2분 식각 후 표면의 C는 감소 하는 것을 확인 할 수 있었으나, O는 식각 후에도 변화를 관찰 할 수 없었다. 따라서 Fig.

후속연구

본 연구에서는 BOE 습식 식각을 진행한 시험편에 대해서 Cu film/Cu pattern 접합을 진행하였지만, 패턴 밀도에 따른 효과 및 Cu-Cu 직접접합의 품질을 향상 시키기 위해서는 BOE 습식 식각 후 추가적인 Cu 표면 전처리 공정이 필요할 것으로 생각된다. 이에 따라 차후 H₂SO₄ 같은 습식전처리 후 Cu-Cu 열 압착 접합 시험편의 정밀한 측정 및 계면분석을 통한 평가가 필요 하다.
본 연구에서는 BOE 습식 식각을 진행한 시험편에 대해서 Cu film/Cu pattern 접합을 진행하였지만, 패턴 밀도에 따른 효과 및 Cu-Cu 직접접합의 품질을 향상 시키기 위해서는 BOE 습식 식각 후 추가적인 Cu 표면 전처리 공정이 필요할 것으로 생각된다. 이에 따라 차후 H₂SO₄ 같은 습식전처리 후 Cu-Cu 열 압착 접합 시험편의 정밀한 측정 및 계면분석을 통한 평가가 필요 하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	솔더 기반의 금속 접합의 문제점은?	3D 집적 적층을 하기 위해서 금속 접합, 산화물 접합, 혼합 접합 등 여러 가지 접합 방법들이 요구된다. 접합 방법 중 솔더 기반의 금속 접합은 비용이 저렴하고 공정이 간단하지만 취성이 강한 금속간화합물 (Intermetallic compound, IMC) 및 Kirkendall void의 형성으로 인해 기계적, 전기적 신뢰성이 감소되는 문제가 있다5-8). 반면에 Cu-Cu 직접 접합은 이러한 문제점을 해결하기 위한 대안으로 주목 받고 있지만 Cu 표면의 두꺼운 산화막이 생성되어 접합 시 상호 확산을 방해하는 문제점이 발생한다9-10).
	TSV 기술은 어떤 방법인가?	3차원 집적회로를 달성하기 위해 몇 가지 핵심 기술은 Through Silicon Via (TSV), Chip/Wafer, Wafer/ Wafer 적층 접합 등이 있고, 이 같은 기술들이 완벽하게 이루어져야 한다1). TSV 기술은 실리콘 웨이퍼를 수십 마이크로미터 두께로 얇게 만든 칩에 직접 구멍을 뚫고 동일한 칩을 수직으로 적층하여 관통 전극으로 연결하는 3차원 System-in-Package (SiP) 방법으로, 기존의 패키지에 비해 제한된 면적 내에 많은 소자를만들고, 부피와 무게를 최소화 할 수 있으며, 고성능및 전력소모를 줄일 수 있는 장점이 있어 최근 활발히 연구 되고 있다2-4). 3D 집적 적층을 하기 위해서 금속 접합, 산화물 접합, 혼합 접합 등 여러 가지 접합 방법들이 요구된다.
	Cu패턴으로 접합하는 경우 접합 후 후속 열처리를 하여도 본딩 계면에서 제대로 접합이 되지 않는 이유는?	또한 Cu패턴으로 접합할 경우 Chemical Mechanical Polishing (CMP)의 영향으로 Cu의 dishing 및 절연체의 erosion현상이 발생하게 된다. Cu dishing 및 erosion은 접합부의 접촉 면적을 줄이기 때문에 접합후 후속 열처리를 하여도 본딩 계면에서 제대로 접합이 되지 않는다고 보고된바 있다11). 이러한 문제를 해결하기 위해서 추가적인 공정이 필요하다.

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저자의 다른 논문 :

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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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