In order to miniaturize chips and process big data, research on 2.5D/3D packaging to realize light, thin and compact semiconductor devices is being actively conducted. This can be realized through High Bandwidth Memory (HBM), which dramatically increases the bandwidth of stacked memory devices using Through Silicon Vias (TSV) bonded by micro-bump inside the chip. Currently, Sn/Ag solder is used for stable bonding due to a low melting point, but it is difficult to secure an ultra-fine pitch of less than 10 μm due to the bridging effect and side wall wetting. To solve this problem, Cu direct bonding technology through Direct Bond Interconnect (DBI) using SiO2 is being developed. However, SiO2-SiO2 bonding has a low adhesion strength compared to the existing polymer-based bonding, and is highly dependent on the process temperature and time Therefore, in this study, we conducted a systematic study on polymer-based Cu bonding technology with high reliability. We analyzed the material properties of benzocyclobutene (BCB) and successfully performed Cu direct bonding through an optimized chemical mechanical polishing (CMP) process. In conclusion, we were able to improve structural stability by developing a Cu/polymer hybrid CMP process and high-reliability Cu-Cu bonding technology.
4차 산업 혁명이 시작되며 반도체 칩을 소형화하고 대용량 데이터를 처리하기 위해, 가벼우면서도 얇고 작은 2.5D/3D 패키징 연구가 활발히 진행되고 있습니다. Through Silicon Vias (TSV)로 연결된 마이크로 범프에 의해 칩 내부에서 적층된 메모리 디바이스의 대역폭을 크게 늘릴 수 있는 고대역폭 메모리를 통해 이것을 실현할 수 있습니다. 현재는 낮은 용융점으로 안정적인 결합을 위해 Sn/Ag 용접재가 사용되고 있지만, 연결 간격이 10 μm 미만인 초미세피치를 확보하기 어렵습니다. 이 문제를 해결하기 위해 SiO2를 이용한 직접 결합 상호연결 (DBI)을 통한 Cu 직접결합 기술이 개발 중에 있습니다. 그러나 SiO2-SiO2 결합은 기존의 고분자 기반 결합과 비교하여 접착 강도가 낮으며, 공정 온도와 시간에 매우 민감합니다. 따라서, 본 연구에서는 높은 신뢰성을 유지할 수 있는 고분자 기반 Cu 접합 기술에 대해 체계적인 연구를 진행하였습니다. 고분자 물질의 물성을 분석하고, 최적화된 기계화학적 연마(CMP) 공정을 통해 구리 직접 접합을 성공적으로 수행하였습니다. 결론적으로 Cu/고분자 하이브리드 CMP 공정과 고신뢰성Cu-Cu 결합 기술을 개발하여 구조적 신뢰성을 향상시킬 수 있었습니다.
