팬 아웃 웨이퍼 레벨 패키징 재배선 적용을 위한 유무기 하이브리드 유전체 연구
송창민·김사라은경†
서울과학기술대학교 나노IT디자인융합대학원
Study of Organic-inorganic Hybrid Dielectric for the use of Redistribution Layers in Fan-out Wafer Level Packaging
Changmin Song and Sarah Eunkyung Kim†
Graduate school of Nano-IT Design Convergence, Seoul National University of Science and Technology, 232, Gongneung-ro, Nowon-gu, Seoul 01811, Korea
(Received September 17, 2018: Corrected November 27, 2018: Accepted November 30, 2018)
초 록: 집적회로 소자의 축소가 물리적 한계에 도달 한 이후 3D 패키징, 임베디드 패키징 및 팬 아웃 웨이퍼 레벨 패 키징(FOWLP, fan-out wafer level packaging)과 같은 혁신적인 패키징 기술들이 활발히 연구되고 있다. 본 연구에서는 FOWLP의 다층 재배선(redistribution layer)에 사용하기 위한 유무기 하이브리드 유전체 소재의 공정을 평가하였다. 폴리 이미드(PI) 또는 폴리파라페닐렌벤조비스옥사졸(PBO)과 같은 현 유기 유전체와 비교하여 폴리실세스키옥산 (polysilsesquioxane, PSSQ)라고 불리는 유무기 하이브리드 유전체는 기계적, 열적 및 전기적 안정성을 향상시킬 수 있고, UV 노광을 통하여 경화 공정과 패턴 공정을 동시에 할 수 있는 장점이 있다. 폴리실세스키옥산 용액을 6 인치 Si 웨이퍼 에 스핀 코팅한 후 pre-baking과 UV 노광 공정을 이용하여 패턴 및 경화를 진행하였다. 10분의 UV 노광 시간으로 경화 와 2 μm 라인 패턴 형성이 동시에 진행됨을 확인하였고, 경화된 폴리실세스키옥산 유전체의 유전상수는 2.0에서 2.4 로 측정되었다. 폴리실세스키옥산 소재를 이용하여 고온 경화 공정없이 UV 노광 공정만으로 경화와 패턴을 할 수 있는 공 정 가능성을 보였다.
Abstract: Since the scaling-down of IC devices has been reached to their physical limitations, several innovative packaging technologies such as 3D packaging, embedded packaging, and fan-out wafer level packaging (FOWLP) are actively studied. In this study the fabrication of organic-inorganic dielectric material was evaluated for the use of multi- structured redistribution layers (RDL) in FOWLP. Compared to current organic dielectrics such as PI or PBO an organic- inorganic hybrid dielectric called polysilsesquioxane (PSSQ) can improve mechanical, thermal, and electrical stabilities.
polysilsesquioxane has also an excellent advantage of simultaneous curing and patterning through UV exposure. The polysilsesquioxane samples were fabricated by spin-coating on 6-inch Si wafer followed by pre-baking and UV exposure.
With the 10 minutes of UV exposure polysilsesquioxane was fully cured and showed 2μm line-pattern formation. And the dielectric constant of cured polysilsesquioxane dielectrics was ranged from 2.0 to 2.4. It has been demonstrated that polysilsesquioxane dielectric can be patterned and cured by UV exposure alone without a high temperature curing process.
Keywords: FOWLP, polysilsesquioxane, Hybrid dielectrics, Redistribution layer, UV curing
1. 서 론
최근 전공정 기술을 통한 성능 및 집적도 증가는 한계 에 봉착하였고, IC(integrated circuits) 소자의 집적도 개선 을 위한 미세 공정의 한계를 극복하기 위해 패키징 기술 이 주목받기 시작했다. 과거 반도체 패키징은 IC의 보호 및 연결 기능에 치중하였지만, 최근 반도체 패키징은 고
성능 다기능화된 소자의 증가한 I/O(input/output) 수와 작 아진 폼 팩터(form factor)의 수요를 맞추기 위해서 System-in-Packaging (SiP) 기술로 발전하고 있다. 특히, 신 호 지연으로 인한 성능 향상을 위해서 패키징 배선 기술 개발이 중요해지고 있다.1-2)여러 가지 SiP 기술 중 전기 적 경로가 짧아 전기 신호 지연이 향상되고 웨이퍼 레벨 공정으로 공정 시간을 단축할 뿐 아니라 기판을 사용하
†
Corresponding author
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© 2018, The Korean Microelectronics and Packaging Society
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지 않음으로써 가격 절감 및 방열 효과 개선까지 가능한 웨이퍼 레벨 패키징 (WLP) 기술이 주목 받고 있다.3-4)
기존에는 칩을 기판에 부착 후 PCB에 부착하지만, WLP 의 경우 칩을 웨이퍼 위에 재배열하고 부착한 후 그 위에 배선을 공정하기 때문에 크기와 부피가 현저히 줄어든 다. 또한 WLP로 제작된 칩은 PCB에 플립 칩(flip chip)과 같은 형식으로 접합되기 때문에 전기적 경로(signal and power path)가 짧아진다는 장점이 있다.5) WLP에는 FOWLP(fan-out WLP)와 FIWLP(fan-in WLP) 두 가지 종 류가 있으며, 이 중 FOWLP 방식은 증가하는 I/O 수를 충 족할 수 있도록 칩의 영역 밖까지 재배선(redistribution layer, RDL)을 확장할 수 있는 구조로 더욱 각광을 받고 있다.6,7) 하지만, FOWLP 구조의 경우 공정 진행에 있어 비평탄성(non-planarity), 칩의 위치 이동(die shift), 웨이퍼 휨(wafer warpage), 그리고 캐리어 웨이퍼 제거 공정 (carrier wafer removal process)과 같은 아직 해결해야 할 문제들도 있다.7) I/O 수의 증가는 FOWLP 구조에서 재배 선 층 수를 증가시키고, 또한 재배선 피치(pitch)를 감소 시키고 있다. 재배선 층 수가 많아질수록 그리고 재배선 피치가 작아질수록 웨이퍼 공정은 복잡해지고 신뢰성 문 제가 발생할 뿐 아니라 유기물 기반의 유전체의 유전파 괴(dielectric breakdown)나 누화 노이즈(crosstalk noise)와 같은 전기적 특성에도 영향을 미치게 된다.8-10)또한 재배 선 길이의 증가는 배선의 전기 신호 지연 문제를 야기시 킬 수 있으며 소사의 성능에 악영향을 미치게 된다.
FOWLP의 재배선에 사용되는 유전체는 비교적 낮은 경화 온도를 갖고 스핀 코팅 방법으로 제조되는 폴리이 미드(PI) 또는 폴리파라페닐렌벤조비스옥사졸(PBO)과 같은 유기물 기반의 소재가 주로 사용되며, 공정 온도가 높고 스핀 코팅 공정보다 증착 두께가 낮은 화학증기증 착법(chemical vapor deposition)으로 제조되는 무기물 기 반의 소재는 거의 사용되지 않는다. 그러나 유기물 기반 의 유전체 소재의 경우 일반적으로 유전상수가 무기물 기 반의 유전체 소재(예로 SiO2)의 유전상수보다 낮은 특성 이 있으나,11) 기계적 물성이 무기물 기반의 유전체보다 좋지 않고, 높은 열팽창 계수의 특성으로 다층 재배선 제 조 공정 및 신뢰성에는 적합하지 않다. 본 연구에서는 차 세대 다층 재배선 구조의 FOWLP 적용에 부적합한 유기
물 유전체 소재의 문제점을 해결하기 위한 방법으로 폴 리실세스키옥산(Polysilsesquioxane, PSSQ)이라 불리는 유 무기 하이브리드 유전체 소재의 적용을 연구하였다. 유 무기 하이브리드 유전체 소재는 그 동안 광학, 세라믹 소 재 등 다양한 분야에서 주목을 받고 있으며 활발한 연구 가 진행 중이다.12-14)
폴리실세스키옥산은 실리콘계 주사슬에 유기관능기들 을 쉽게 도입하여 좋은 전기적, 기계적 특성과 열적 안정 성을 갖추고 있으며, 특히 photo-definable한 소재로 노광 후 추가의 고온 경화 공정이 없다는 것이 매우 특징적이
다.13,15) (RSiO1.5)n 으로 표시되는 폴리실세스키옥산은 Si
와 결합하고 있는 관능기에 따라 여러 특성을 가지게 되 는데, 대표적으로 유기관능기인 에폭시(epoxy)기에 의해 감광성의 특성을 가지게 되며 UV에 의해 가교 된다. 폴 리실세스키옥산은 합성 방법에 따라서 랜덤(Random), 사다리(Ladder), 바구니(Cage)의 3가지 구조로 나눠지
며,12,13) 본 연구에서는 감광성의 특성이 있는 바구니형
폴리실세스키옥산 종류에 따른 공정연구를 하였고, 다층 재배선을 가지는 FOWLP 구조에 유무기 하이브리드 유 전체 적용 가능성을 살펴보았다.
2. 실험 방법
유무기 하이브리드 유전체로 자일렌(xylene) 용제 (solvent)에 폴리실세스키옥산을 첨가하여 합성된 소재를 사용하였고, 시편은 폴리실세스키옥산 함량과 photo- definable additive 함량에 따라 3가지로 하였다. 각 시편의 조성은 Table 1에 설명하였다. 먼저 폴리실세스키옥산 용 액의 스핀 코팅 공정을 테스트하고, 코팅된 박막 두께는 pre-baking 후 3D Profiler(Veeco Dektak 150)로 측정하였 다. 6인치 Si 웨이퍼 위에 스핀 코팅 시 폴리실세스키옥
Table 1. Photo-definable PSSQ Composition.
Materials PSSQ amount
Photo-definable additive amount
Solvent amount
PSSQ-Type 1 α β γ
PSSQ-Type 2 0.4 α 0.4 β 1.3 γ
PSSQ-Type 3 0.4 α 1.7 β 1.3 γ
Fig. 1. PSSQ coating images: (a) PSSQ Type 1, (b) PSSQ Type 2, (c) PSSQ Type 3.
산 용액의 양은 5 ml로 고정하여 진행하였고, 코팅 후 웨 이퍼 이미지는 Fig. 1에서 확인할 수 있다. 폴리실세스키 옥산 소재의 완전 경화는 폴리실세스키옥산 용액을 스핀 코팅하고 패턴없이 노광을 진행한 후 PGMA(Propylene Glycol Methyl Ether Acetate) 현상액에 전혀 반응하지 않 는 상태로 정의하였다. 각 시편의 노광 공정 조건은 Table 2에 설명하였다. UV 경화 조건을 확인 후 폴리실세스키 옥산 소재의 패턴 형성을 테스트하였고, 공정 순서는 Fig.
2에 도식도로 설명하였다. 폴리실세스키옥산 용액을 웨 이퍼 위에 스핀 코팅 후 용제 제거를 위해 100oC에서 5 분간 pre-baking 공정을 진행하였고, 여러 종류의 라인 패 턴을 가진 마스크를 이용하여 UV 노광(SUSS Microtec MA8, Exposure energy: 38 mJ) 공정을 진행하였다. 추가 적인 경화 공정없이 바로 PGMA 용액에서 30초간 현상 을 진행하였다. 폴리실세스키옥산 소재의 chemical state 분석과 유전상수 측정은 각각 FTIR(Fourier transform infrared) 분광기(Bruker LUMOS)와 엘립소미터(Ellipso- meter, Woollam M2000D-RCT)를 이용하여 수행하였다.
패턴 형성 단면은 주사전자현미경(Scanning Electron Microscopy, JEOL JSM-6700F)을 이용하여 측정하였다.
3. 결과 및 고찰
폴리실세스키옥산 용액의 스핀 코팅 속도와 코팅된 박 막 두께의 상관관계를 Fig. 3에 나타내었다. Type 1시편
은 2500rpm 이후부터는 약 1.8um 두께로 일정하게 코팅 되었고, type 2 시편과 type 3 시편은 1000rpm 이후부터 두께가 약 0.6um로 일정하게 코팅되었다. 동일 스핀 속 도에서 type 1시편은 type 2 시편과 type 3 시편과 비교하 여 박막이 두껍게 코팅되었으며 이는 용액 내 폴리실세 스키옥산 양의 차이로 사료된다. Type 1 시편은 type 2 시 편과 type 3 시편에 비해 폴리실세스키옥산 양이 약 60%
많았고, 폴리실세스키옥산 양은 스핀 코팅 두께에 큰 영 향을 주는 변수임을 알 수 있다. 반면, 동일 스핀 속도에 서 type 2 시편과 type 3 시편의 박막 두께에는 큰 차이가 없었다. Type 2 시편과 type 3 시편의 차이점은 photo- definable additive의 양으로 박막 두께에는 영향이 거의 없는 것으로 보인다. Fig. 1은 폴리실세스키옥산 용액을 약 1 µm 코팅 후 각 시편 type 별로 표면 양상을 보여주 고 있다. Fig. 1에서 보듯이 type 1 시편과 type 2 시편은 코팅 후 표면이 깨끗하고 균일하게 코팅되었으나, type 3 시편은 표면에 뭉침 현상같이 보이는 부분이 나타났고 표 면이 다소 거칠어진 것을 확인하였다. Fig. 4의 EDS (Energy Dispersive Spectrometer) 분석 결과에 의하면 표 면의 뭉친 듯이 보이는 부분은 요오드(I) 성분으로 나타 났고, photo-definable additive의 양이 많아지면 폴리실세 스키옥산 용액 내 요오드의 비율이 많아지고 표면 뭉침 현상이 발생하는 것으로 사료된다.
Table 2. Exposure and Developing Conditions.
Materials Sample
Exposure time (at 38mJ)
Developing time (PGMA)
Pre-baking
PSSQ-Type 1
1-1 10 min
30 sec 100oC 5 min 1-2 20 min
1-3 30 min
PSSQ-Type 2
2-1 10 min 2-2 20 min 2-3 30 min
PSSQ-Type 3
3-1 10 min 3-2 20 min 3-3 30 min
Fig. 2. Schematic of PSSQ process flow: (a) spin coating, (b) baking, (c) exposure, (d) developing.
Fig. 3. PSSQ thin film thickness per rotational speed.
Type 1 시편과 type 2 시편의 경우는 노광 시간 30분후 에도 완전 경화가 발생하지 않았으며, type 3 시편의 경 우 노광 시간 10분에 완전 경화가 일어났음을 확인하였 다. 앞서 설명했듯이 완전 경화란 노광 후 PGMA 현상액 에 전혀 반응하지 않는 상태를 말한다. 노광 시간에 따른 폴리실세스키옥산 type 별 FTIR의 결과를 Fig. 5에 나타 내었다. 모든 폴리실세스키옥산 시편에서 공통적으로 나 타나는 피크(peak)는 크게 세가지로 나눌 수 있다.
700~1100 cm−1 파장영역은 폴리실세스키옥산 의 Si--R의 특성을 나타내는 피크이고, 1200~1500 cm−1 파장영역은 Si-O-Si의 특성을 나타내는 피크이며, 마지막으로 2900~
3100 cm−1 파장영역은 폴리실세스키옥산에 붙어있는 알 킬기(alkyl group)를 나타내는 피크이다. 노광 시간이 길 어질수록 알킬기의 특성을 나타내는 2900~3100 cm−1 파 장 영역에서 모든 폴리실세스키옥산 시편은 파장이 길어 지는 방향 (즉 주파수가 작아지는 방향)으로 이동됨을 확 인하였다. 이는 photo-definable additive의 양이 증가할수 록 노광에 의한 알킬기의 사슬 결합도 많아지기 때문이 다. 또한 type 2 시편과 type 3 시편의 경우 2000 cm−1 파 장영역에서 나타나는 C=C stretching vibration 관련 피크 가 노광 시간이 길어질수록 intensity가 감소하는 것을 확 인하였다. 따라서 UV에 조사된 폴리실세스키옥산은 C=C 결합이 끊어지면서 알킬기의 사슬 결합이 된 것으로 볼 수 있다. Fig. 5에서 알킬기 피크와 Si-O-Si 피크를 비교 해 보면 경화가 진행될수록 알킬기 피크가 Si-O-Si 피크 에 비해 상대적으로 감소하는 것을 확인할 수 있다. 30분 노광 후에도 완전 경화가 일어나지 않고 PGMA에 현상 되는 반응을 보인 type 1 시편의 경우 두 피크의 비율이
거의 변하지 않았으며, type 3 시편의 경우 10분 노광 후 type 1 시편과 비교해 볼 때 알킬기 피크가 Si-O-Si 피크 에 비해 감소한 것을 볼 수 있다.
Fig. 6은 모든 폴리실세스키옥산 시편들의 유전상수와 Fig. 4. EDS analysis of agglomerated spots in PSSQ Type 3 surface.
Fig. 5. FITR analysis: (a) PSSQ Type 1, (b) PSSQ Type 2, and (c) PSSQ Type 3.
유전손실(tangent loss) 값을 보여주고 잇다. Type 1 시편 과 type 2 시편의 경우는 노광 시간에 상관없이 유전상수 가 약 2.3으로 측정되었고, type 3 시편은 노광 시간이 10 분과 20분의 경우 유전상수는 2.0이었고, 노광시간 30분 후에는 유전상수가 2.4로 증가하였다. 그리고 type 1 시편 과 type 2 시편의 유전손실은 0.001~0.002이었고, type 3 시편은 0.02~0.04로 측정되었다. Type 3 시편의 경우 유
전상수 값이 증가한 이유는 과도한 경화 시간으로 인하 여 폴리실세스키옥산의 중합(polymerization) 현상을 지나 치게 발생시키고 표면에 미세 경도(microhardness)도 증 가시켰기 때문에 폴리실세스키옥산 박막 내 단량체 (monomer)의 움직임을 어렵게 만들어서 유전상수는 증 가하고 유전손실은 감소한 것으로 보인다.
Fig. 7은 폴리실세스키옥산 박막의 노광과 현상 후 2 µm 라인 패턴의SEM 단면 이미지를 보여주고 있다. 모든 폴 리실세스키옥산 시편에서 라인 패턴 형성과 경화가 UV 노광을 통해 동시에 이루어진 것을 확인할 수 있고, 이는 고온 경화가 필요하지 않고 패턴과 동시에 경화를 진행 할 수 있는 공정 가능성을 보여준 것으로 매우 중요하다 하겠다. 하지만 type 1 시편과 type 2 시편의 경우 용액 내 photo-definable additive 양의 부족으로 경화를 위한 노광 시간이 30분 이상으로 매우 길었고, 경화 후 패턴의 모양 을 보면 옆면(sidewall)이 수직하지 않고 좌-우면의 모양 이 다르며 윗면(top surface) 모서리(edge) 부분이 동그랗 게 패턴이 무너진 것을 볼 수 있다. 이는 본 연구에서 사 용한 노광 장비의 최대 노광 시간이 15분으로 노광 시간 이 15분 이상이 필요할 경우 동일 패턴을 이중 또는 삼중 으로 노광을 진행해야 하였기 때문이다. 이중 삼중으로 노광 공정을 하게 되면 웨이퍼가 반복적으로 장비에서 움 직이기 때문에 패턴 모서리 부분은 misalignment으로 인 하여 경화가 충분하게 일어나지 않게 되고, 현상 시 패턴 의 옆면 모양이 무너지고 좌-우면의 모양이 일치하지 않 는 것으로 판단된다. Photo-definable additive 양이 가장 많 이 들어간 폴리실세스키옥산 type 3 시편의 경우는 노광 시간 10분으로 패턴 형성과 경화가 한번의 노광 공정으 로 가능하였으며, 2 µm 라인 패턴이 잘 형성된 것을 Fig.
7에서 볼 수 있다. 폴리실세스키옥산 type 3 시편의 경우 photo-definable additive 양이 충분하여 노광 시간 10분에 패턴 형성과 경화가 잘 진행되었으나, 위에서 언급했듯 이 photo-definable additive 내 요오드의 뭉침 현상이 박막 표면에 발생하였다. 노광 시간을 10분 이하로 줄이면서 패턴 형성과 완전 경화가 일어날 수 있는 폴리실세스키 옥산 용액 조성에 대한 연구가 더 필요하며 웨이퍼 공정 의 최적화도 진행되어야 하겠다.
Fig. 6. Dielectric constant and tangent loss.
Fig. 7. SEM cross-sectional images of PSSQ patterns.
4. 결 론
유무기 하이브리드 유전체인 폴리실세스키옥산은 UV 에 반응하여 경화가 되는 특성을 가지고 있어서 라인 패 턴 형성과 경화를 동시에 할 수 있는 장점을 가지고 있 다. 본 연구에서는 고온 경화가 필요 없으며 패턴성이 있 는 폴리실세스키옥산 소재를 팬 아웃 웨이퍼 레벨 패키 징의 재배선 유전체로 사용하기 위한 공정 가능성을 연 구하였다. 폴리실세스키옥산의 완전 경화 시간을 줄이기 위해서는 용액 내 photo-definable additive 양이 증가해야 하지만, 표면에 뭉침 현상없이 균일한 박막 코팅을 위해 서는 photo-definable additive 양이 반대로 감소해야 하기 때문에 용액 및 UV 노광 공정의 최적화나 다른 종류의 photo-definable additive 를 이용한 합성 최적화 연구가 수 행되어야 한다. 폴리실세스키옥산 소재는 재배선 유전체 로 사용하기에 좋은 낮은 유전상수를 가지고 있음을 확 인하였고, UV 노광으로 완전 경화를 진행할 수 있고 동 시에 2 µm 라인 패턴 형성의 가능성도 보였다.
감사의 글
본 연구는 미래 반도체소자 원천기술개발사업으로 산 업통상자원부(#10067804)와 한국반도체연구조합의 지원 으로 수행되었다.
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