[논문]구리 질화막을 이용한 구리 접합 구조의 접합강도 연구

서한결; 박해성; 김가희; 박영배; 김사라은경

doi:10.6117/kmeps.2020.27.3.055

구리 질화막을 이용한 구리 접합 구조의 접합강도 연구
Bonding Strength Evaluation of Copper Bonding Using Copper Nitride Layer 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.27 no.3, 2020년, pp.55 - 60

서한결 (서울과학기술대학교 나노IT디자인융합대학원 나노IT융합공학전공) , 박해성 (서울과학기술대학교 일반대학원 기계공학과) , 김가희 (안동대학교 신소재공학부) , 박영배 (안동대학교 신소재공학부) , 김사라은경 (서울과학기술대학교 나노IT디자인융합대학원 나노IT융합공학전공)

초록
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최근 참단 반도체 패키징 기술은 고성능 SIP(system in packaging) 구조로 발전해 가고 있고, 이를 실현시키기 위해서 구리 대 구리 접합은 가장 핵심적인 기술로 대두되고 있다. 구리 대 구리 접합 기술은 아직 구리의 산화 특성과 고온 및 고압력 공정 조건, 등 해결해야 할 문제점들이 남아 있다. 본 연구에서는 아르곤과 질소를 이용한 2단계 플라즈마 공정을 이용한 저온 구리 접합 공정의 접합 계면 품질을 정량적 접합 강도 측정을 통하여 확인하였다. 2단계 플라즈마 공정은 구리 표면에 구리 질화막을 형성하여 저온 구리 접합을 가능하게 한다. 구리 접합 후 접합 강도 측정은 4점 굽힘 시험법과 전단 시험법으로 수행하였으며, 평균 접합 전단 강도는 30.40 MPa로 우수한 접합 강도를 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The recent semiconductor packaging technology is evolving into a high-performance system-in-packaging (SIP) structure, and copper-to-copper bonding process becomes an important core technology to realize SIP. Copper-to-copper bonding process faces challenges such as copper oxidation and high temperature and high pressure process conditions. In this study, the bonding interface quality of low-temperature copper-to-copper bonding using a two-step plasma treatment was investigated through quantitative bonding strength measurements. Our two-step plasma treatment formed copper nitride layer on copper surface which enables low-temperature copper bonding. The bonding strength was evaluated by the four-point bending test method and the shear test method, and the average bonding shear strength was 30.40 MPa, showing that the copper-to-copper bonding process using a two-step plasma process had excellent bonding strength.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. Sample preparation flow.
그림 Fig. 2. SAT and SEM images of Cu-Cu bonded wafers.
그림 Fig. 4. Load-displacement graph of bonded sample in 4PB test.
그림 Fig. 3. 4-point probe test setup.¹⁸⁾
그림 Fig. 5. Shear test setup.
그림 Fig. 6. Force-time graph of bonded sample in shear test.
그림 Fig. 7. Image after a shear test of bonded Cu sample.
그림 Fig. 8. Shear strength of Cu-Cu bonded samples.
그림 Fig. 9. Reported shear strength of Cu bonded samples.
그림 Fig. 10.XPS depth profile of copper nitride layer on copper surface.

AI 본문요약
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제안 방법

2는 구리 접합된 웨이퍼의 SAT 측정 이미지와 접합 단면의 주사 전자 현미경으로 촬영한 이미지를 보여주고 있다. 2단계 플라즈마 공정으로 구리 질화막을 형성하고, 구리 질화막을 이용하여 구리 접합을 하는 과정은 이미 보고하였고,¹⁰⁾ 본 논문에서는 구리 질화막을 이용하여 구리 접합한 시편을 이용하여 계면의 접합 강도를 분석하였다.
4점 굽힘 시험은 7개의 60 mm × 5 mm 시편으로 반복 측정하였고, 전단 시험은 10개의 2 mm × 2 mm 시편으로 반복 측정하였다.
다음으로, 전단 시험을 이용하여 구리 접합 시편의 접합 강도를 측정을 실시하였다. 시편은 Fig.
구리 접합은 향후 반도체 산업에 핵심적인 시스템-인-패키징 구조와 미세 피치 배선(interconnect)을 실현하는데 필수적인 기술이다. 본 연구는 2단계 플라즈마 공정을 이용하여 수행된 저온 구리 대 구리 접합의 접합 계면 품질을 정략적으로 분석하는 접합 강도에 중점을 두었다. 접합 강도는 4점 굽힘 시험법과 전단 시험법을 이용하여 진행하였고, 4점 굽힘 시험법의 경우 접합 계면이 우수하여 접합 계면의 박리가 일어나지 않아 계면 에너지를 확보하지 못하였고, 전단 시험법의 경우 구리 계면이 박리되면서 접합 전단 강도를 확보할 수 있었다.
본 연구에서는 구리 표면에 구리 질화막 패시베이션을 형성한 후 저온 구리 접합접합을 진행하였다. 구리 질화막 패시베이션은 아르곤과 질소 플라즈마를 순차적으로 적용하는 2단계 플라즈마 처리 공정을 이용하였으며, 접합접합 공정 후 접합접합 계면의 접합 강도를 4점 굽힘 시험법(4 point bending test, 4PB)과 전단 시험법(shear test)을 통해 분석하였다.
산화된 실리콘 기판 위에 RF 스퍼터링 공정으로 50 nm 두께의 Ti 박막과 1 µm 두께의 구리 박막을 순차적으로 증착하였고, 박막 증착은 2500 W의 전력과 5 mTorr의 압력 하에서 80 sccm의 아르곤 가스 유량 조건으로 수행되었다.
시편은 Fig. 5에서 보듯이 구리 접합된 웨이퍼를 2 mm × 2 mm의 크기로 절단 후 접합 계면의 아랫부분 실리콘 시편을 고정시킨 상태에서 윗부분 실리콘 시편을 툴 팁으로 밀어내어 파괴 힘(failure force)을 측정하였고, Fig. 6과 같은 힘과 시간의 측정 결과에서 얻어진 최대 힘을 시편의 면적으로 나누어 접합 계면의 전단 강도(shear strength)를 계산하였다.
이후 구리 시편은 아르곤과 질소의 2단계 플라즈마 공정을 거치게 된다. 아르곤 플라즈마 공정은 스퍼터 챔버 내에서 100 W의 RF 전력, 7.5 mTorr의 압력, 그리고 150 sccm 유량의 아르곤 가스 환경에서 30초 동안 진행되었고, 질소 플라즈마 공정은 26 W의 RF 전력, 4.6 mTorr의 압력, 그리고 45 sccm 유량의 질소 가스 환경에서 113초동안 진행하였다. 2단계 플라즈마 공정을 거친 두 장의 웨이퍼는 SUSS Microtec (SB 8e) 웨이퍼 접합 장비에서 접합되었다.
접합된 구리 시편의 접합 풀질은 초음파 탐상 검사 시스템(scanning acoustic tomography, SAT)과 주사 전자 현미경(scanning electron microscope, SEM)을 통해 먼저 확인한 후 4점 굽힘 시험법(4 point bending test, 4PB)과 전단 시험법(shear test)을 통해서 접합 강도를 분석하였다. 4점 굽힘 시험은 7개의 60 mm × 5 mm 시편으로 반복 측정하였고, 전단 시험은 10개의 2 mm × 2 mm 시편으로 반복 측정하였다.
2단계 플라즈마 공정을 거친 두 장의 웨이퍼는 SUSS Microtec (SB 8e) 웨이퍼 접합 장비에서 접합되었다. 접합은 300℃ 접합온도, 700 kPa 접합압력, 그리고 진공환경에서 1 시간 동안 열-압축(thermo-compression) 방법으로 진행하였고, 바로 200℃에서 1시간 동안 열처리 공정을 수행하였다. 시편 제작 순서는 Fig.

대상 데이터

시편은 Fig. 3에서 보듯이 구리 접합된 웨이퍼를 60 mm × 5 mm의 크기로 절단 후 한쪽 실리콘 시편의 중앙부분에 600 µm 깊이의 노치(notch)를 제작하여 준비하였다.

데이터처리

Fig. 8은 10개의 구리 접합 시편들의 접합 전단 강도 결과를 보여주고 있고, 2단계 플라즈마 공정을 진행하지 않은 시편과 비교하여 분석하였다. 2단계 플라즈마 공정을 진행하지 않은 시편들의 평균 접합 전단 강도는 18.

이론/모형

본 연구에서는 구리 표면에 구리 질화막 패시베이션을 형성한 후 저온 구리 접합접합을 진행하였다. 구리 질화막 패시베이션은 아르곤과 질소 플라즈마를 순차적으로 적용하는 2단계 플라즈마 처리 공정을 이용하였으며, 접합접합 공정 후 접합접합 계면의 접합 강도를 4점 굽힘 시험법(4 point bending test, 4PB)과 전단 시험법(shear test)을 통해 분석하였다. 4점 굽힘 시험법은 시편의 네 부분에 핀(pin)을 설치하고 하중(load)을 인가하여 접합 계면이 박리될 때의 에너지를 계산하는 방법으로 얇은 박막 구조의 계면 에너지를 쉽게 측정할 수 있다.

성능/효과

특히, 다종(heterogeneous) 칩 패키징에 대한 새로운 수요를 충족하기 위한 다양한 노력들이 이루어지고 있으며, FOWLP(fan out wafer level packaging)이나 3D 패키징 기술이 대표적이라 하겠다.^1,2) 소자들을 수직으로 적층하는 3D 패키징 기술은 시스템의 배선 길이를 감소시켜 전력 및 신호 전달을 향상시키고, 소자 간 배선의 피치(pitch)를 줄여 수직으로 적층한 소자의 입/출력 수를 증가시켜 높은 대역폭을 확보할 수 있다. 또한, 시스템의 폼 팩터(form factor)를 줄일 수 있고, 이에 생산 비용도 절감할 수 있다.
75 MPa의 높은 전단 강도를 보고한 Wu 연구팀은 구리 나노 입자를 5 mm × 5 mm 크기의 구리 시편에 코팅 후 구리 산화물 제거를 위한 Ar/H₂ 플라즈마 공정을 진행하고 200℃에서 조각 시편을 접합한 경우이다.²¹⁾ 나노 구리 입자를 이용하는 공정은 웨이퍼 레벨의 대면적 공정이 어렵고 반도체 제조 양산의 가능성이 낮기 때문에 본 연구에서 반도체 공정에 용이한 웨이퍼 레벨의 2단계 플라즈마 공정을 적용하여 높은 접합 전단 강도를 가지는 구리 접합을 형성한 것은 저온 구리 접합의 가능성을 높였다. Fig.
36 MPa로 낮았으며, 2단게 플라즈마 공정을 수행하지 않은 경우와 비교하여 약 39%의 접합 전단 강도가 향상되었다. 2단계 플라즈마 공정을 이용한 저온 구리 접합 기술은 반도체 제조 공정에 호환 가능할 뿐 아니라 우수한 접합 전단 강도를 가지는 접합 기술로 높은 가능성을 보였다.
15 MPa이었다. 반면 2단계 플라즈마 공정을 진행한 시편들의 평균 접합 전단 강도는 30.40 MPa이고 표준편차는 5.36 MPa로 나타났으며, 약 39%의 접합 전단 강도가 향상된 것을 확인하였다. 2단계 플라즈마 공정을 진행하지 않은 시편은 구리 표면에 불균일한 자연 구리 산화막으로 인해 접합 강도가 낮고 편차가 심하게 나타났다.
본 연구는 2단계 플라즈마 공정을 이용하여 수행된 저온 구리 대 구리 접합의 접합 계면 품질을 정략적으로 분석하는 접합 강도에 중점을 두었다. 접합 강도는 4점 굽힘 시험법과 전단 시험법을 이용하여 진행하였고, 4점 굽힘 시험법의 경우 접합 계면이 우수하여 접합 계면의 박리가 일어나지 않아 계면 에너지를 확보하지 못하였고, 전단 시험법의 경우 구리 계면이 박리되면서 접합 전단 강도를 확보할 수 있었다. 평균 접합 전단 강도는 30.
접합 강도는 4점 굽힘 시험법과 전단 시험법을 이용하여 진행하였고, 4점 굽힘 시험법의 경우 접합 계면이 우수하여 접합 계면의 박리가 일어나지 않아 계면 에너지를 확보하지 못하였고, 전단 시험법의 경우 구리 계면이 박리되면서 접합 전단 강도를 확보할 수 있었다. 평균 접합 전단 강도는 30.40 MPa로 높았고 표준편차는 5.36 MPa로 낮았으며, 2단게 플라즈마 공정을 수행하지 않은 경우와 비교하여 약 39%의 접합 전단 강도가 향상되었다. 2단계 플라즈마 공정을 이용한 저온 구리 접합 기술은 반도체 제조 공정에 호환 가능할 뿐 아니라 우수한 접합 전단 강도를 가지는 접합 기술로 높은 가능성을 보였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	3D 패키징의 핵심 공정에는 어떤 것이 있는가?	3D 패키징의 핵심 공정에는 웨이퍼 박막화(wafer thinning), 관통실리콘비아(through silicon via, TSV) 형성, 칩 또는 웨이퍼 접합접합 기술이 있다.4,5) 이 중 구리를 이용한 접합접합은 3D 패키징의 미세 피치 배선을 실현할 수 있는 방법으로 주목받고 있다.
	구리 대 구리 접합 기술에서 해결해야할 문제점은?	최근 참단 반도체 패키징 기술은 고성능 SIP(system in packaging) 구조로 발전해 가고 있고, 이를 실현시키기 위해서 구리 대 구리 접합은 가장 핵심적인 기술로 대두되고 있다. 구리 대 구리 접합 기술은 아직 구리의 산화 특성과 고온 및 고압력 공정 조건, 등 해결해야 할 문제점들이 남아 있다. 본 연구에서는 아르곤과 질소를 이용한 2단계 플라즈마 공정을 이용한 저온 구리 접합 공정의 접합 계면 품질을 정량적 접합 강도 측정을 통하여 확인하였다.
	구리 접합접합 공정 중 하이브리드 접합접합은 어떤 공정인가?	7) 이에 다양한 구리 접합접합에 대한 연구들이 보고되었고, 대표적인 기술로는 구리 표면에 금속 패시베이션(passivation) 코팅 후 접합접합하는 기술,8) alkanethiol과 같은 유기물질로 초박형 자기조합단층박막(self-assembled monolayer)을 형성한 후 접합접합하는 기술,9) 플라즈마로 구리질화막 패시베이션 형성 후 접합접합하는 기술,10) 금속 또는 용매 재료로 구리 나노 구조를 감싸 산화를 차단함으로써 저온에서 구리 나노 구조를 접합접합하는 기술,11,12) 구리 박막의 기계적 응력 특성을 제어한 후 접합접합하는 기술,13) (111) 결정방향을 가지는 구리 박막을 형성 후 접합접합하는 기술,14) 산성 기체 및 용액15) 또는 조명 조사를16) 통해 구리 표면을 처리하여 확산 특성을 향상시켜서 접합접합하는 기술 등이 있다. 현재 소니 image sensor 등 일부 대량생산에 적용되고 있는 DBI (direct bonding interconnect) 접합접합은 저온에서 매우 낮은 압력으로 SiO2와 구리를 동시에 접합접합하는 하이브리드 접합접합으로 많은 주목을 받고 있다.17)

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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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