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Cu의 결합계면을 제거하기 위한 재결정화 및 결정립 성장으로 내피로성 강화
Jul 30, 2023Scientific Reports 12권, 기사 번호: 13116(2022) 이 기사 인용
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측정항목 세부정보
Cu-Cu 조인트는 고급 장치의 초고밀도 패키징을 위해 채택되었습니다. 그러나 피로 시험 중에 접합 인터페이스를 따라 균열이 형성되고 전파될 수 있습니다. 본 연구에서는 직경이 30μm인 <111> 방향의 나노쌍정 Cu 마이크로범프를 결합하여 Cu-Cu 접합을 300°C에서 제작했습니다. 1,000회 주기의 온도 사이클링 테스트(TCT) 후에 균열이 원래 결합 계면을 따라 전파되는 것이 관찰되었습니다. 그러나 추가로 300°C-1시간 어닐링을 수행하면 접합부에서 재결정화 및 입자 성장이 발생하여 접합 계면이 제거됩니다. Cu-Cu 접합의 피로 저항이 크게 향상되었습니다. 파손 분석 결과, 원래의 접합 계면이 없는 Cu 접합부에서는 균열 전파가 지연되었으며, TCT 1000사이클 후에도 접합부의 전기 저항이 증가하지 않은 것으로 나타났습니다. TCT 동안 응력 분포를 시뮬레이션하기 위해 유한 요소 분석이 수행되었습니다. 결과는 실험적 실패 분석을 통해 관찰된 실패 메커니즘과 연관될 수 있습니다.
무어의 법칙은 최초의 로직 칩이 발명된 이후 일정한 영역에서 트랜지스터 수의 증가를 관찰하는 예측 도구로 널리 간주됩니다1. 그들은 약 2년마다 두 배로 늘어날 것입니다. 칩의 성능을 얻으려면 3차원(3D) 통합이 가장 실용적인 솔루션 중 하나입니다2,3,4,5,6. 반도체 산업에서 다양한 조성의 솔더를 사용하는 TLP(과도 액상) 결합은 낮은 처리 비용을 보여주는 전통적으로 신뢰할 수 있는 기술입니다7,8,9. 그러나 솔더 범프의 크기를 20μm 미만으로 줄임에 따라 금속간 화합물(IMC)10,11 및 위스커12, 열 피로13,14,15, 측벽 습윤 효과16 및 Kirkendall 보이드와 관련된 신뢰성 문제가 우려됩니다17. 이러한 문제로 인해 노력이 줄어들었습니다. 현재 금속/금속 또는 금속/유전체 재료의 고체 접합(하이브리드 접합)이 첨단 초미세 피치 패키징을 위한 핵심 기술로 입증되었습니다.
Copper (Cu) with great electrical and thermal conductivity, electromigration resistance18,19,-oriented nanotwinned structures. J. Mater. Res. Technol. 15, 6690–6699. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2021.6611.6111 (2021)." href="#ref-CR20" id="ref-link-section-d48890410e461_2"> 20,21 기계적 강도는 금속 직접 결합22 또는 하이브리드 결합23,24,25에 널리 사용됩니다. 현재 Cu/SiO2 하이브리드 본딩은 이미 SONY Inc.26의 CMOS(상보성 금속 산화물 반도체) 이미지 센서 생산 라인에 있습니다. 낮은 전기 접촉 저항을 갖는 미세 피치 Cu/SiO2 하이브리드 결합의 물리적 특성이 최근 보고되었습니다. 이러한 조인트의 결합 온도는 여전히 고려해야 합니다23. 이전에는 <111>-선호 방향이 높은 나노쌍정 Cu(nt-Cu)가 거친 Cu에 비해 표면 확산도가 가장 높고 산화 속도도 가장 낮은 것으로 밝혀졌습니다. 그들의 전기적 특성도 비슷합니다. 따라서 차세대 패키징을 위한 저온 접합에 사용될 것으로 예상됩니다32.
본 연구에서는 적절한 열 어닐링을 통해 직경 30μm의 Cu 마이크로 범프의 미세 구조를 조정하고 온도 사이클링 테스트를 통해 Cu 마이크로 범프에 응력을 가했습니다. 그런 다음 주사전자현미경(SEM), 집속이온빔(FIB), 전자 후방산란 회절(EBSD)을 사용하여 결함 분석을 실행하여 접합부의 신뢰성과 결함 메커니즘을 결합 인터페이스의 상태와 연관시켰습니다. 유한 요소법(FEM)도 열 순환 중 접합부의 응력을 분석하는 데 사용되었습니다. 균열 발생 및 전파 메커니즘이 제안되었습니다.
본 연구에서는 실온에서 직류(DC)를 사용하여 〈111〉 방향의 nt-Cu 마이크로범프를 실리콘 기판의 8인치 포토레지스트(PR) 패턴 웨이퍼에 전기도금했습니다. Si 기판의 두께는 200nm SiO2, 100nm 접착층(Ti) 및 200nm Cu 시드층을 포함하여 500μm였습니다. 99.99% Cu 벌크가 전기도금 양극으로 사용되었습니다. 전해질은 0.8 M의 Cu 양이온, 0.1 mL/L의 염산(HCl)을 함유한 고순도 CuSO4 용액으로 구성되었습니다. HCl의 사용은 Cu 결정성과 증착 속도를 촉진하는 것이었습니다. nt-Cu 핵생성을 위해 첨가제(108C, Chemleaders Corporation, Hsinchu, Taiwan)도 사용되었습니다.
In order to further characterize the effect of post-annealing on the fatigue behaviors of the joints, FIB analysis was conducted. The cross-sectional FIB images of the Cu joints bonded at 300 °C/47 MPa/10 s with and without post-annealing after 1000 thermal cycles are shown in Fig. 7. In the 1st-step annealed samples (Fig. 7a,c), a few of nanotwinned columnar grains recrystallized and grew across the bonding interface. Crack propagation ceased in such areas. In the post-annealed samples (Fig. 7b,d), a large amount of columnar grains was consumed, recrystallized and grew across the bonding interface. The annealing time and applied pressure were sufficient causing atomic diffusion at the bonding interface-oriented nanotwinned Cu. Metals 11(11), 1864. https://doi.org/10.3390/met11111864 (2021)." href="/articles/s41598-022-16957-y#ref-CR40" id="ref-link-section-d48890410e945"40,41. The original bonding interface was eliminated and replaced by newly recrystallized grains. It prevented crack formation and propagation in the joints under the thermal cycling./p>