3D 적층용 극미세피치를 위한 저온접합공정 개발 및 신뢰성 향상 연구

Abstract

반도체 등 전자 소자가 제 기능을 발휘하기 위해서는 소자와 외부를 연결시켜 주며, 외부로부터 소자를 보호하고 소자의 열을 방출시키는 역할을 하는 패키지 기술이 필요하다. 더욱이 전자기기가 고기능화, 소형화, 저가격화 됨에 따라 반도체를 포함한 전자 제품의 미세화 프로세스 개발의 한계가 다가오고 있으며, EUV등 미세패턴을 형성하기 위한 기술개발 및 장비구입 비용이 늘어남에 따라 패키지 기술의 연구가 더욱 더 필요하게 되었다. 이에 새로운 패키지 기술인 시스템 인 패키지 (SiP: System in a Package) 기술이 각광받고 있다. 그 중에서도 3D 패키징에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있으며, 이 또한 기존의 와이어 본딩에서 TSV를 이용한 방법으로 전환되고 있다. TSV를 채우는데 주로 사용되는 Cu는 chip의 위아래로 bump와 연결되어, 기존의 flip chip 방식으로 접합되고 전기적으로 연결된다. 그런데 base wafer 위에 TSV chip을 하나하나 thermal compression bonding하는 방식이다 보니, 생산량이 현저하게 감소하는 단점이 있다. 또한 Sn계 무연솔더를 이용하여 전기적으로 연결하는데, 공정이 쉽다는 장점이 있지만 이로 인하여 신뢰성이 떨어질 수 있는 문제가 있다. 이에 본 연구에서는 3D 적층용 극미세피치를 위한 접합공정 개발 및 신뢰성 향상에 대하여 연구하였다. 우선 TSV 내부를 채우는 Cu를 Sn계 솔더와 접착제 없이 직접 접합하고자, Cu/Cu 계면에 인가된 DC전류가 접합부에 미치는 영향 및 미세구조에 관하여 연구하였다. 20 um X 20 um 크기의 Cu microbump를 만들고, 접합 압력 520 MPa, 접합온도 200-300℃, 접합시간 10분간 실시하여 daisy chain을 형성하였다. 접합 시 0-10 A의 전류가 인가되었다. 4-포인트 probe 측정 방법과 전단강도 측정 실험을 통해 Cu 접합부의 접촉저항과 전단강도를 측정하였고, 주사 전자 현미경을 사용하여 Cu/Cu 계면의 미세구조와 파단면을 분석하였다. Cu 접합부에 높은 전류가 인가될수록 접촉저항은 낮아지고 전단강도는 증가하였다. 또한 Cu/Cu 계면에서 접합된 부분이 증가하였으며, 파단면에서 Cu 범프 내부를 통한 크랙이 증가하였다. 특히 줄히팅 효과를 배제하기 위해 같은 joint 온도에서 접합하였을때에도 같은 경향성이 관찰되어, electromigration에 의한 접합특성 향상을 확인할 수 있었다. 또한 TSV를 이용한 3D 패키징에는 솔더를 이용한 고온 접합 (250℃이상)이 주로 이루어 지고 있다. 특히 웨이퍼-칩 본딩이 대부분인데, 웨이퍼에 솔더가 녹을 수 있는 고온의 열을 계속 가할 수 없으므로, joint 온도를 확보하기 위하여 칩 부분에 300℃ 전후의 고온을 가하고 있는 실정이다. 이러한 고온에서 발생할 수 있는 휨 현상이나, 가열/냉각 시간에 따른 수율 저하 등의 문제점을 해결하고자, NCF와 Sn-Ag 솔더를 이용하여 150℃의 저온접합에 대해 연구하였다. 150ㅊ에서는 Sn-Ag가 녹지 않으므로 Cu pad와 Sn-Ag 솔더는 기계적으로 닿아만 있고, 접합력은 NCF에 의존한다. 따라서 NCF의 접합력이 매우 중요하다. 이 NCF의 접합력을 증가시키기 위해서, 후속 열처리를 통한 완전경화를 시키고 접합 전 표면에 산소 플라즈마 처리를 하였다. 4-포인트 probe 측정 방법으로 접합계면의 접촉저항을 측정하였고, 주사 전자 현미경을 사용하여 접합계면의 미세구조를 분석하였다. 그 결과, 후속 열처리와 산소 플라즈마 처리를 통해 NCF의 접착력을 높여 신뢰성을 향상시킬 수 있었으며, 특히 Au pad를 이용하였을 때 precon test와 T/C 1000 cycle 을 통과하여, 신뢰성을 확보하였다. 전류를 이용한 Cu-Cu 직접 접합 방법은 flexible, wearable 디바이스를 위한 rap joining에 바로 적용하여 접합력을 증가시킬 수 있다. 또한 실제 TSV 칩에는 위아래로 전기적 신호가 연결되는 real 범프와 함께, 접합 압력을 분산시키고 얇은 TSV칩이 눌리는 것을 방지하기 위하여 더 많은 수의 dummy 범프가 존재한다. 이 dummy 범프들은 칩이 구동되는 실제 cell들과 연결되지 않으므로, dummy bump들끼리만 전기적으로 연결하여 전류인가 접합을 한다면 TSV 칩 전체의 접합력을 상승시킬 수 있을 것으로 기대된다. 다만 real 범프에 적용하기에는 전류에 의한 디바이스 손상, 전류를 흘리기 위한 회로 설계 등 아직 더 많은 연구가 필요하다. 또한 150℃ 저온접합의 연구결과는 TSV 의 생산성을 크게 증가시킬 수 있고, 현재의 접합장비를 그대로 사용할 수 있는 큰 장점이 있다.