As the demand of emerging industry for mass data processing such as high-performance computing (HPC) and generative artificial intelligence (AI) rises, high-density interconnect technology becomes even more crucial. However, conventional solder bonding technology can’t be applied due to interfacial reliability issues. Through solderless Cu-Cu bonding, stacking highly integrated devices with a fine pitch of several um would be possible. For the low temperature Cu-Cu bonding, the passivation layer is required to prevent surface oxidation during the bonding process. Here, the Ru passivation layer is proposed for the achievement of metal capping passivation technologies. The feasibility of the Ru passivation layer is proved by verifying the passivation effect of Ru for Cu surfaces and the diffusion of Cu through the Ru layer in thermal conditions. The bonding mechanism of the Ru-passivated Cu after thermal compression bonding (TCB) process is discussed through analysis of the bonding interface and fracture surface. Furthermore, we optimized the proper thickness of the Ru layer for highly reliable bonding and evaluated the bonding properties at various temperatures. Conclusively excellent bonding properties could be obtained even at low bonding temperature of 250 ℃, and the electrical reliability under the thermal cycling test (TCT) is measured. These results can confirm that the Ru passivation layer is a promising candidate for low-temperature Cu-Cu bonding technology.
대량 데이터 처리에 대한 미래 산업 수요가 증가함에 따라, 고성능 컴퓨팅 (HPC) 및 생성형 인공지능 (AI)과 같은 기술의 중요성이 더욱 커지고 있다. 고밀도 인터커넥트 기술은 더욱 중요해지고 있지만, 기존의 솔더 본딩 (Solder Bonding) 기술은 전기적 및 기계적 신뢰성 문제로 적용하기 어렵다. 솔더가 없는 구리-구리 본딩을 통해 10 마이크로미터 이하 미세 피치의 고집적 디바이스가 가능해질 것으로 예상된다. 저온 구리-구리 본딩을 위해 본딩 과정 중 표면 산화를 방지하기 위한 보호층이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 루테늄을 안정적인 구리-구리 접합 기술을 위한 보호층으로 제시한다. 루테늄 보호층의 적합성은 루테늄이 구리 표면에 대한 보호 효과를 갖는 것과 열 조건에서 구리가 루테늄 층을 통해 확산한다는 것을 확인함으로써 입증하였다. 열 압착 본딩 (TCB) 이후의 루테늄으로 보호된 구리 결합의 메커니즘은 결합 인터페이스 및 파단면 분석을 통해 논의되었다. 더불어, 신뢰성 높은 결합을 위한 적절한 루테늄 보호층의 두께를 최적화하고 다양한 온도에서의 접합 특성을 평가하였다. 250 ℃의 낮은 결합 온도에서도 우수한 접합 특성을 얻을 수 있었으며, 열 사이클링 테스트 (TCT)에서의 전기 신뢰성도 우수함을 입증하였다. 따라서 본 연구는, 저온 구리-구리 본딩 기술에 대한 루테늄 보호층의 적용 가능성을 확인하고, 안정적인 접합 특성을 가졌음을 입증하였다.
