전류 인가 효과를 이용한 Cu-Cu 접합

Abstract

국문요지

본 연구에서는 Cu와 Cu간 직접 접합하였을 때, Cu/Cu 계면에 인가된 전류가 Cu 접합부에 미치는 영향 및 미세구조에 관하여 관찰하였다. Cu 배선을 thermo- compression bonder stage 상에 격자 형태로 배치한 후 접합 압력 40MPa, 접합온도 240, 270, 300℃, 접합시간 10, 30, 50분간 실시하여 Cu 접합부를 형성하였다. 접합 시 한 접합부에는 두 Cu 배선의 계면을 통해 전류가 수직 방향으로 인가되었으며, 다른 한 접합부에는 한쪽 Cu 배선에만 전류가 인가되었다. 전류가 인가된 두 접합부에 인가된 전류의 세기 범위는 1-20 A 였으며, 나머지 다른 두 접합부에는 전류가 인가되지 않았다. 4-point probe 측정 방법과 인장력 측정 실험을 통해 Cu 접합부의 접촉저항과 인장력을 측정하였고, 주사 전자 현미경을 사용하여 Cu/Cu 계면의 미세구조를 분석하였다. Cu 접합부에 높은 전류가 인가될수록 접촉저항은 낮아지고 인장력은 증가하였다. 미세구조 변화에 있어서 인가 전류가 증가할수록 Cu/Cu 계면 내에서 전체 접촉면적 대비 접합된 부분이 증가하였으며 결정립의 크기가 증가하였다. 또한 Cu/Cu 계면이 직선에서 곡선 형태로 변화하였다. 이러한 전류 인가에 따른 Cu 접합부의 접합능력 향상 및 미세구조 변화는 Cu 원자와 전자간 충돌에 의한 electromigration에 있다. 전자와 Cu 원자간 충돌 시 전자의 운동량이 Cu 원자에 전달되며, 전자의 운동량을 전달받은 Cu 원자는 전자의 방향을 따라 이동하게 된다. 즉, Cu 배선에 전류 인가 시 특정 접합온도에서 갖는 Cu의 확산계수보다 원자의 확산이 향상된다. 그러므로 Cu 접합부에 인가된 전류의 세기가 강할수록 Cu 원자의 확산계수가 증가하여 접촉저항은 감소하고 인장력은 증가하게 된다. 따라서 Cu와 Cu간 직접 접합 시 전류 보조 효과에 의해 접합 특성이 향상되고 접합온도와 접합시간을 감소시킬 수 있다.