Cu Thickness Effects on Bonding Characteristics in Cu-Cu Direct Bonds

Cu 두께에 따른 Cu-Cu 열 압착 웨이퍼 접합부의 접합 특성 평가

김재원¹·정명혁¹·Erkan Carmak²·Bioh Kim²·Thorsten Matthias²·이학주³·현승민³·박영배^1,†

1안동대학교 신소재공학부 청정에너지소재기술연구센터, ²EV Group, ³한국기계연구원 나노융합기계연구본부

Cu Thickness Effects on Bonding Characteristics in Cu-Cu Direct Bonds

Jae-Won Kim¹, Myeong-Hyeok Jeong¹, Erkan Carmak², Bioh Kim², Thorsten Matthias², Hak-Joo Lee³, Seungmin Hyun³ and Young-Bae Park^1,†

1School of Materials Science and Engineering, Andong National University, 388 Songcheon-dong, Andong-si, Gyeongbuk 760-749, Korea

2EV Group, Arizona, USA

3Nano-Mechanical System Rearch Division, Korea Institute of Machinery & Materials, 17 Jang-dong, Yuseong-gu, Daejeon 305-343, Korea

(2010년 12월 10일 접수: 2010년 12월 23일 게재확정)

초 록: 3차원 TSV 접합 시 접합 두께 및 전, 후 추가 공정 처리가 Cu-Cu 열 압착 접합에 미치는 영향을 알아보기 위 해 0.25, 0.5, 1.5, 3.0 um 두께로 Cu 박막을 제작한 후 접합 전 300^oC에서 15분간 Ar+H2, 분위기에서 열처리 후 300^oC 에서 30분 접합 후 후속 열처리 효과를 실시하여 계면접착에너지를 4점굽힘시험법을 통해 평가하였다. FIB 이미지 확인 결과 Cu 두께에 상관없이 열 압착 접합이 잘 이루어져 있었다. 계면접착에너지 역시 두께에 상관없이 4.34±0.17 J/m² 값 을 얻었으며, 파괴된 계면을 분석 한 결과 Ta/SiO2의 약한 계면에서 파괴가 일어났음을 확인 하였다.

Abstract: Cu-Cu thermo-compression bonding process was successfully developed as functions of the deposited Cu thickness and Ar+H2 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+H2 gas at 300^oC 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/SiO2 interface rather than Cu/Cu interface.

Keywords: Adhesion, 4-point bending test, 3-D pakage, Cu thickness effect, Pre-annealing

1.

최근 휴대폰을 비롯한 각종 전자 제품들의 고성능화 및 슬림화 추세에 따라 소자의 집적도가 매우 빠른 속도로 증가하고 있다. 기존의 2차원 패키징의 경우 칩 간 접합 을 위해 많은 면적이 요구되고 칩 간 전기적 상호 연결에 긴 배선으로 이루어져 신호지연 및 간섭으로 인해 고성 능화 및 슬림화의 한계를 가졌다. 전자 패키징 산업의 기 술발전에 힘입어 보다 제한된 면적에 다양한 기능을 구 현하기 위해 서로 다른 기능을 가지는 칩들의 집적을 통 한 우수한 성능과 소형화 뿐만 아니라 경제성을 추구하 고 있다. 이러한 산업체의 요구를 만족시키기 위해서 칩 들을 수직 적층하는 3차원 소자 집적 기술이 최근 많은 주목을 받고 있다.

3차원 패키지 위한 기존 기술에는 와이어 본딩이나 플

립 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)

TSV 접합기술 중 Cu-solder-Cu 접합(Eutectic Bonding, 공정 접합)은 낮은 접합온도 및 우수한 수율의 장점이 있 어, 대표적인 3D 패키징 접합기술로 이용되고 있다. 하지 만, Cu와 솔더의 확산 반응에 의해 계면에 경질의 금속 간화합물과 커켄달 보이드(kirkendall void)의 형성으로 기계적, 전기적 신뢰성 저하의 문제점을 가지고 있다.⁵⁾ 반면, Cu-Cu 접합 방법은 기존의 솔더 접합 방법을 대체 할 기술로써 TSV의 접속부의 접합에 이용될 경우 낮은 전기저항과 높은 일렉트로마이그레이션(Electromigration, EM) 저항성을 가지는 접합 기술로 기존 솔더 접합의 문

†Corresponding author E-mail: [email protected]

62 김재원·정명혁·Erkan Carmak·Bioh Kim·Thorsten Matthias·이학주·현승민·박영배

제점을 해결 할 수 있는 좋은 대안으로 주목 받고 있다.

하지만 높은 접합온도로 인해 소자나 폴리머 물질의 손 상을 입는 등 단점이 있어 저온 접합 공정이 요구되어진 다.⁶⁾기 보고에 의하면 Cu-Cu 저온 접합시 Cu 계면의 산 화막으로 인해 충분한 상호확산이 이루어지지 못하여 접 합 특성에 문제가 발생한다고 보고되고 있다.⁷⁾이러한 문 제를 해결하기 위해서는 Cu-Cu 접합 전에 Cu 산화막을 제거하기 위한 전처리 공정의 도입이나 접합 후 후속 열 처리⁸⁾를 통해 접합 특성을 향상 시켜야 한다. 이외에도 실제 TSV 공정에 Cu-Cu 접합 기술의 적용함에 있어 Cu 두께가 접합특성에 미치는 영향은 거의 보고되어진바 없 어 그에 따른 연구도 이루어져야할 필요가 있다.

본 연구에서는 TSV 접합 공정 중 Cu-Cu 접합 방법을 이용하여 접합을 진행 하였다. 기존 Cu-Cu 접합 특성이 좋은 400^oC 접합 온도에 비해 비교적 낮은 온도인 300^oC 에서 Cu 두께 변수에 따라 Cu-Cu 접합을 하였고, 4점굽 힘시험법(4-point bending test)을 이용하여 접합 특성을 평가하였다.

2. 실험방법

Cu-Cu 열 압착 접합 시 Cu 두께 조건에 따른 접합특성

을 평가하기 위해 다음과 같이 시험편을 제작하였다. 시 험편은 웨이퍼 레벨 공정으로 제작하였고, 725 µm의 8인 치 실리콘 웨이퍼 위에 Ta를 25 nm, Cu를 0.25, 0.5, 1.5, 3µm 변수로 스퍼터 증착하였다. 스퍼터 된 Cu 두께에 따 른 표면 변화를 알아보기 위해 주사전자현미경(Field emission scanning electron microscope, FE-SEM)을 이용하 여 표면 미세구조를 관찰 하였고, 주사탐침현미경 (Atomic force microscopy, AFM)을 이용하여 표면조도를 측정하였다. 이때, 표면 측정범위는 10 um×10 um 단위면 적에서 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 Cu- Cu 접합 전 300^oC에서 15분간 Ar+H2(4%)가스로 열처리 하였다. 이후 EV Group의 접합 장비에 웨이퍼가 고정된 척을 장착시키고, 10^-6Torr의 고 진공에서 접합 온도는 300^oC, 접합 시 압력은 60 kN으로 30분간 접합 공정을 진 행하였다. 접합 공정 후 접합특성의 향상⁸⁾을 위해 350^oC, 60분간 후속열처리를 실시하였다. Cu-Cu 열 압착 접합부 의 계면접합에너지를 평가하기 위해 접합 된 시험편을 4 점굽힘시험을 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 집속이 온빔(Focus Ion Beam, FIB)을 이용하였다. 시험편의 접합 부를 중심에 두고 너비 20 µm, 깊이 15 µm로 이온 빔 조 사로 식각한 후에 10초간 Cu 층의 에칭 후 미세구조를 관

찰 하였다. Cu-Cu 열 압착 접합 방법으로 제작된 시험편 은 R&D 사의 인장 시험기에 4점굽힘시험용 지그를 설치 하여 정량적인 계면접착에너지를 측정하였다. 실험에 사 용된 로드셀은 20 N, 로딩 속도는 0.08 µm/s, 핀 간 거리 는 5 mm로 하였다. 4점굽힘시험은 하나의 재료로 가정하 고 재료 내부에 생긴 균열이 진전 할 때 필요한 에너지 해방률(G)을 선형파괴역학적 방법으로 측정하여 박막 간 계면접착에너지를 측정하는 파괴역학시험법이다.⁹⁾이 시 험법은 두 개의 탄성 기판사이에 박막을 쌓아올린 샌드 위치 구조에 초기 균열을 유도하기 위한 노치가 생성된

Fig. 1¹⁰⁾과 같은 시험편을 통해 이루어진다. 위와 아래에

4개에 핀의 중심에 고정된 시험편은 모멘트가 일정한 위 쪽 두 개의 핀 사이에서 발생한 내부 균열을 통해 정량적 인 계면접착에너지를 측정 할 수 있다. 실험은 압축모드, 변위제어로 실시하였으며, 결과는 하중과 변위곡선으로 나타난다. 여기서 일정한 하중 영역을 보이는 구간의 하 중 값을 아래의 유도된 식에 대입하여 정량적인 계면접 합에너지를 얻을 수 있다.^11,12)

(1)

여기서 υ는 기판으로 쓰이는 탄성재료의 프와송비(실리 콘 웨이퍼 : 0.28), E는 탄성계수(실리콘 웨이퍼 : 130 GPa), b는 시험편의 너비(3 mm), h는 시험편 두께의 절반 (725µm)을 의미하며, 모멘트 M은 PL/2이다. P는 하중과 변위곡선에서 일정한 구간의 하중값, L은 핀 사이의 거 리(5 mm)를 나타내며, 여기서 측정된 계면접착에너지의 단위는 J/m²이다.

4점굽힘시험이 완료된 시험편은 FE-SEM 및 에너지 분 산형 분광기(Energy dispersive spectroscopy, EDS)로 미세 구조를 관찰 및 분석하여 내부의 파괴경로를 확인하였다.

3.

Cu-Cu 열 압착 접합 전 Cu의 두께를 각각 0.25, 0.5 1.5,

3 um 증착하여 두께에 따른 표면의 미세구조 변화를 알

G 21 1( –υ²)M² 4Eb²h³

--- 21 1( –υ²)P²L² 16Eb²h³ ---

= =

Fig. 1. Schematic illustration of the 4-point bending geometry.¹⁰⁾

아보기 위해 FE-SEM을 통해 관찰하여 Fig. 2에 나타내었 다. Cu 두께가 두꺼워 질수록 결정립이 커지는 것을 관 찰 할 수 있었다. Cu 두께가 3 um 일 때 표면에 형상이 일정하지 않게 나온 것이 관찰 되었는데 스퍼터로 Cu를 두껍게 올리면서 생긴 데미지로 판단된다. Cu 결접립 평 균크기는 각각 4.8, 9.0, 21.3, 61.7 nm 이다. 접합 전 Cu 두 께에 따른 표면조도를 관찰하기 위해 AFM으로 측정한 결 과를 Fig. 3에 나타내었다. AFM 측정 결과 Ra (Roughness averge)값은 각각 1.2, 2.1, 4.6, 12.0 nm이고, RMS (Roughness Means Square) 값은 각각 1.6, 4.1, 6.0, 15.1 nm 로 측정 되었다. 표면조도 측정 결과 Cu 두께가 두꺼워 질수록 표면의 평균 거칠기와 표준편차가 커지는 것을 확 인 하였다. Fig. 4에 Cu-Cu 열 압착 접합 후 Cu 두께에 따 른 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 본래 의 계면이 사라진 것을 관찰 할 수 있었다. Ar+H2혼합가 스 분위기에서 접합 전 어닐링 시에 식 2, 3과 같은 열역 학적 반응식에 따라 Cu 산화막의 효과적인 제거가 가능 하다고 보고되어 진다.¹³⁾

(2)

(3)

이전 결과에서는 분위기 열처리 시 열처리 온도가 낮 아 Cu 표면 산화막을 충분히 제거 하지 못하였는데, 이 는 표면에 존재하는 산화막이 Cu-Cu 열 압착 접합 시 Cu 원자가 다른 원자 층으로 확산이동시 확산 장벽(diffusion

barrier)역할을 하여 접합특성이 좋지 않았다고 보고 하였

다.⁷⁾반면, 이번 결과는 300^oC의 비교적 낮은 온도에서 CuO+H2→Cu+H2O

Cu2O+H2→2Cu+H2O

Fig. 2. SEM image of Cu film surface: (a) 0.25 um, (b) 0.5 um, (c) 1.5 um, (d) 3.0 um.

Fig. 3. Effect of Cu thickness on surface roughness of Cu film surface: (a) 0.25 um, (b) 0.5 um, (c) 1.5 um, (d) 3.0 um.

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Ar+H2분위기 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^oC로 낮추면서 도 우수한 접합 특성을 확보 할 수 있어서 접합 시 웨이 퍼 내 소자 특성 저하에 따른 패키지 신뢰성 저하를 최소 화 할 수 있을 것으로 생각된다. 열 압착 접합 된 1.5 um 두께의 Cu 접합부의 계면 접착에너지를 4점굽힘시험법 과 CCD 카메라를 이용하여 측정 하여 Fig. 5에 하중-변 위 곡선을 나타내었다. 시편에 가해지는 응력이 선형탄 성적으로 증가하다가 약 0.02 mm 변위 부근에서 하중이 아주 약간 감소 후 다시 증가하는데, 이때 예비 균열을 위 한 노치에 집중된 응력에 의해 아랫 웨이퍼에 실낱같은 크랙이 발생 하였다. 그 이후 하중이 다시 증가하다가 급 격히 감소하는 구간이 나타나며 하중이 일정 한 구간(P) 을 보이는데 이때 약한 계면을 따라 크랙이 진전 되면서 박리가 시작 된 것으로 생각 된다. 하지만 본 실험에서 크 랙이 급격히 진행 되어 촬영 하지 못하였다. 파괴 후 시 편을 확인 한 결과 계면을 따라 파괴가 된 것을 확인 하 였다. 따라서 크랙이 계면을 따라 진전 할 때 일정하게 유 지된 하중을 계산한 결과 4.34±0.17 J/m²로 측정 되었다.

Cu 두께 변수에 관계없이 4점굽힘시험한 결과 Fig. 5 그 래프와 유사한 거동을 나타내어 계면접착에너지 값이 비 슷한 것으로 판단된다. Fig. 6은 4점굽힘시험 이후 파면 을 SEM, EDS 분석 한 결과를 보여준다. Fig. 6(a)과 (b)는 각각 위. 아래에 놓인 웨이퍼 파면에 대한 분석 결과 이 다. EDS 성분 분석 결과 윗 웨이퍼의 파면에는 Si, Cu, Ta 성분이 각각 32.97, 56.11, 10.92%가 검출 된 반면 아래 웨 이퍼의 파면에서는 Si 이 100% 검출 되었다. 이는 4점굽 힘시험시 약한 계면으로 파괴가 진전 되는데, Cu 와 Cu 가 열 압착 접합 및 후속 열처리 시 Cu가 충분히 확산이 일어나 마치 하나의 Cu 박막과 같이 강한 결합을 하고 있 어 상대적으로 약한 Ta-SiO2계면에서 파괴가 진전 된 것 으로 사료된다. 이전 실험^15,16)결과에 의하면, 습식 전처 리를 통하여 Cu 표면의 산화막을 충분히 제거한 후에 Cu 두께에 따른 4점굽힘시험을 한 결과 Fig. 7에서 보여지듯 Cu 두께가 두꺼울수록 계면접착에너지가 증가하는 결과 를 보여준다. 일반적으로 계면접합에너지는 크게 두 가 지 에너지의 합이라고 말 할 수 있는데, 이종재료 사이의 기본적인 원자간 결합에너지와 재료의 소성변형 및 표면 거칠기에 의해 손실되는 에너지를 포함하고 있다.¹⁷⁾

이에 따라, 본 연구에서도 두께에 따라 계면접합에너지 가 변할 것으로 예상 하였으나, Cu-Cu 열 압착 전 전처리 및 접합 후 충분한 후속열처리에 의해 Cu의 강한결합을 이루어 Cu-Cu 접합후의 정량적인 계면접착에너지를 구 할 수 없었다. 위 결과를 바탕으로 Cu 두께에 따른 계면 접착에너지 차이를 정량적으로 확인 할 수는 없었지만, 400^oC 보다 낮은 300^oC의 공정조건과 접합 전 환원 분위 기 열처리 및 접합 후 충분한 열처리에 의해서 Cu-Cu 접 합이 성공적으로 이루어 졌으며, Ta-SiO2계면보다 강한 접합 강도를 가지는 것으로 판단된다.

Fig. 4. Cross-sectional FIB images of Cu-Cu bonded interface: (a) 0.25 um, (b) 0.5 um, (c) 1.5 um, (d) 3.0 um.

4.

3차원 소자 집적을 위한 저온 Cu-Cu 열 압착 접합 공 정의 확립을 위해 Cu 두께에 따른 접합부의 접합 특성 관 찰 및 4점굽힘시험을 통해 계면접착에너지를 평가하였다.

Cu 두께에 따라 표면 거칠기가 증가 하였고, Cu-Cu 열 압 착 접합 전 Ar+H2혼합가스로 300^oC에서 15분간 열처리

후 에 동일 온도조건에서 30분간 열 압착 접합 및 후속 열처리한 결과 Cu 두께에 상관없이 접합부의 미세구조에 서 Cu 본래의 계면이 사라지고 접합이 잘 이루어졌다. 4 점굽힘시험을 통해 접합부의 계면에너지를 측정한 결과 두께 조건과 상관없이 Ta-SiO2계면에서 박리가 일어났 다. 이때 계면접착에너지 값은 4.34±0.17 J/m² 로 측정 되 었으며, Cu 두께에 따른 계면접착에너지 값의 유의차는 Fig. 5. (a) Load-displacement curve of 4-point bending test and (b) captured microscopic images for the caption of marks on the curve (a).

Fig. 6. SEM images and EDS analyses of delaminated interface after 4-point bending test: (a) fractured surface on the top wafer and (b) fractured surface on the bottom wafer.

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찾을 수 없었다. Cu-Cu 접합 공정온도로 비교적 낮은 300^oC로 공정을 진행하였지만, 접합 전 분위기 열처리를 통해 산화막 제거 및 후속 열처리를 통해 Cu-Cu 접합계면 에 충분한 확산이 이루어져 강한 결합을 이루었다. 또, Cu- Cu 계면보다 상대적으로 취약한 Ta-SiO2계면에서 파괴 가 난 것으로 판단된다.

감사의 글

본 논문은 서울테크노파크의 차세대 패키징 공정·장 비 실용화 사업의 일환으로 지식경제부 지원을 받아 수 행되었으며, 이에 관계자 여러분께 감사드립니다.

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Fig. 7. Effects of Bonded Cu total thickness on interfacial adhesion energy Cu-Cu direct bonds.^15,16)