Three-dimensional (3D) interconnection technology with flip-chip bump and through silicon vias (TSVs) has emerged as a solution to increase wiring density and improve package form factor and performance, allowing chip technology to continue to evolve and meet the demand for future electronic products. However, due to the scale shrinkage of packaging modules, reliability issues have become more and more serious. In the 3D interconnection process, solder bump/ Ni diffusion barrier/Cu interconnects are produced in an electroplating process that has the merits of productivity, accuracy, and cost effectiveness. The mechanical/electrical properties of electrodeposits highly depend on its microstructure, which is determined by the electroplating conditions. To overcome the reliability issues, therefore, it is necessary to investigate a direct correlation between the reliability failures of 3D interconnects and the electroplating conditions.
This study reports on the effects of the microstructure of electrodeposits on the reliability of Pb-free Sn-based solders for flip chip and three-dimensional (3D) interconnects. This dissertation is organized into following parts: 1) Effects of microstructure of solder electrodeposits formed with a degradation of electroplating bath on the collapsing failure of Sn-2.3Ag (wt%) solder capped Cu pillar flip-chip bump, 2) Effects of microstructure of Ni diffusion barrier controlled by the organic additives on the intermetallic compound (IMC) formation and the its joint reliability.
In the first part, the effect of the degradation of a methanesulfonic acid (MSA) based electroplating bath on the microstructure of a solder bump was investigated. The study examined the degradation mechanism of methanesulfonic acid (MSA) based electroplating bath used for the electrodeposition of Sn-Ag alloy solder bump, and its effects on the collapse failure of a flip-chip solder bump. To examine the degradation behavior of the electroplating bath, a degraded electrolyte was prepared by accelerated aging treatment. In the presence of dissolved oxygen and Ag+ ions in the electrolyte, the chemical oxidation of $Sn^{2+}$ ions to $Sn^{4+}$ and the precipitation of $SnO_2$ nanoparticles with a diameter below 100 nm were promoted by the reduction of $Ag^+$. Under cathodic bias, colloidal $SnO_2$ particles are adsorbed on the surface of the Sn-Ag solder bumps via electrophoresis, and incorporated into the layer by the electrodeposition layer of Sn-Ag. The presence of oxide layer mainly composed of $SnO_2$ on the surface of bumps significantly reduced the friction coefficient of the solder surface by hardening the electrodeposits and deteriorated the solderability of the solder bumps, which leads to collapse failures during the solder reflow. Cyclic Voltammetry stripping analysis of the degraded bath demonstrated that tin dioxide/hydroxide species are heavily formed on the solder surface and deep subsurface. Substantial changes of the electrochemical characteristics provide meaningful information regarding the relationship between the degradation of the electroplating bath and the formation of stannic oxide particles.
The second part of this dissertation considers the effects of the microstructure of the nickel electrodeposits on the growth of Sn-Ni intermetallic compound (IMC) and on the electro-migration (EM) reliability. The crystal structure of the Ni diffusion barrier can be controlled by addition of additives in electroplating bath. When both coumarin and cis-2-butene-1,4-diol were contained in the bath, extremely fine grain Ni electrodeposits were deposited by the synergistic effects of the additives. The growth rate of $Ni_3Sn_4$ IMC formed on the interface between the extremely fine grain structured Ni layer and Sn solder is higher than that of the IMC formed on the interface between the large grain structured Ni layer and Sn solder. The EM failure stage corresponds to large void propagation at the $Sn-Ni_3Sn_4$ interface due to volume consumption of Sn for IMC formation. The results of STEM analysis in an early stage of the heat treatment of the solder demonstrated that substantial quantities of Ni atoms were dominantly dissolved into the liquid Sn layer. $Ni_3Sn_4$ IMC was mainly formed on the finely grained Ni layer due to the high dissolution of Ni atoms into the solute Sn during the reflow process. IMC growth was suppressed at the interface between the large and fine grain structured area. This study suggests a robust concept of the vertical structure of Ni diffusion barrier having a multi layered Ni microstructure, which can reinforce an adhesion property as well as diffusion barrier properties
반도체 조립공정에서 플립-칩 (Flip-chip) 패키징은 작은 부피비 (small form factor) 및 간단하고 저비용의 공정으로 인해서 지난 40여년간 지속적으로 기술 개발 되어왔다. 특히, 플립-칩 범프 및 TSV (Silicon Via)를 이용한 반도체 칩간 3차원 (3D) 상호 연결 기술은 조립배선 밀도를 높이고 패키지 부피비 및 데이터 전송 성능을 향상 시키는 등의 미래 반도체 패키징 기술의 요구 사항을 충족 할 수 있도록 하는 핵심 솔루션으로 떠올랐다. 그러나 패키징 모듈의 크기 축소로 인해 신뢰성 문제는 더욱 심각 해지고 있다.
최근 플립-칩 조립공정을 기반으로 하는 웨이퍼 레벨 패키징 (WLP:Wafer Level Packaging)은 저비용, 대량 칩 조립을 위한 탁월한 선택으로 반도체 칩 조립공정으로 널리 사용되고 있다. WLP 공정의 핵심 기술은 플립-칩 솔더 범프 인터커넥트(Solder bump interconnects)의 형성이다. 이러한 솔더 범프는 주로 전기 도금법에 의해서 제조 된다. 플립-칩 간 상호 연결을 위한 주석 기반 합금 솔더의 기계적 및 전기적 특성은 주로 전기 도금 액의 조성과 전기 도금 조건에 의해 제어되는 합금 화합물의 조성과 미세 조직 구조에 의존한다. 반도체 칩의 대량 생산을 위한 대용량 웨이퍼 (300mm 직경) 공정의 확장으로 인해 전기 도금 조의 품질 관리는 반도체 패키징 공정의 핵심 요소로 간주되고 있다. 따라서 반도체 조립 공정의 신뢰성 문제를 극복하기 위해서는 3D 인터커넥트의 신뢰성 불량 현상과 전기 도금 조건 간의 직접적인 상관 관계를 규명하여야 한다.
이에 본 연구에서는 전해 도금 공정의 공정 조건이 전착물의 미세조직 구조의 형성에 미치는 영향을 연구 하였다. 더 나아가, 전해 도금법에 의해서 형성된 전착물의 미세구조와 이를 통해서 형성된3차원 접합 인터커넥트 모듈들의 기계적/전기적 신뢰성과의 상관관계를 규명 하였다. 본 논문은 다음과 같은 내용으로 구성되어 있다. 1) 메탄슬폰산 도금액의 열화가 솔더 범프의 미세 구조 및 전기 화학적, 기계적 특성에 미치는 영향에 관한 연구, 그리고, 2) 전해 도금법에 의한 Ni 전착물의 미세구조가 주석-니켈 금속간 화합물의 성장과 반도체 접합 신뢰성에 미치는 영향에 관한 연구이다.
1. 메탄슬폰산 도금액의 열화가 솔더 범프의 미세 구조 및 전기 화학적, 기계적 특성에 미치는 영향
구리 필라 범핑 (Copper pillar bumping) 제조 공정에서, Sn-Ag 합금 도금과 같은 공동 전착 (co-electroposition)은 신뢰성 있는 플립-칩 범프 제작을 위해 지속적으로 관리되어야 하는 몇 가지 엔지니어링 문제를 가지고 있다. Sn 계 합금 솔더 및 UBM의 기계적 및 전기적 신뢰성은 전기 도금 조건에 크게 의존하기 때문에 전기 도금욕의 상태와 도금공정 조건에 기인한 조립 신뢰성 문제가 발생합니다. 특히, 솔더 리플 로우 공정중 솔더 범프의 붕괴 및 베이스 금속과의 젖음성 불량 현상과 같은 문제는 전기 도금액의 사용 수명이 다할 때 더 자주 발생한다. 솔더 범프의 붕괴 현상은 접속불량 또는 인접한 범프 사이의 브리징 불량 (bridging failure)으로 이어져 막대한 제품 손실을 초래하고 생산 비용을 증가시킨다. 이러한 심각한 도금액 기인성 불량 현상에도 불구하고, 붕괴 불량과 전기 도금액의 열화 간의 직접적인 상관 관계는 아직 연구되지 않았다. 콜로이드성 주석 산화물(SnOx) 입자는 메탄설폰산화(MSA) 계 Sn-Ag 합금 도금액의 열화에 의해서 대량 생산 시스템의 전착 도금 조에서 침전된다. 침전된 산화 주석 입자는 솔더 범프의 표면 상에 전착 될 수 있고 솔더 층 내부에 무작위로 매립 될 수 있다. 이러한 바람직하지 않은 전착은 솔더 리플로우를 위한 열처리 공정 동안 솔더 범프의 붕괴 불량을 직접적으로 일으킬 수 있음을 확인 하였다. 열화된 도금액에 의해 형성된 Sn-Ag 솔더 범프의 표면은 신규 도금액에 의해 형성된 솔더 범프의 표면보다 낮은 마찰 계수 와 더 높은 내마모성을 갖는다. 이는 범프의 표면과 내부에 전착된 세라믹화된 산화주석 입자들에 의한 경화 현상에서 기인한 결과이다. 도금액의 열화를 유도하는 주된 요인은 은 안정 착 화합물에서 해리 된 은 양이온과 전기 도금액에 과도하게 용해 된 용존 산소임을 확인 하였다. 열화된 도금액에 대한 순환 전압-전류법 (Cyclic Voltametric stripping) 분석에서 1차 산화과정( an-odic strip)의 1 차 산화 피크 (oxidation peak) 전류 밀도는 열화 된 전기 도금 용액에서 신규 도금액의 결과에 대비하여1/3수준으로 감소되었다. 대조적으로, 두 번째 산화 피크 전류 밀도는 새로운 용액의 피크 전류 밀도보다 3배 이상 높고 뚜렷하게 넓습니다. 이러한CVs 분석의 결과는 전기 도금액의 열화 단계별 전기화학적 특성 변화를 상대적인 수치로 비교함으로써 도금액의 열화 정도를 파악할 수 있도록 하는 의미 있는 정보를 제공합니다. 이는 전기 도금 조 내의 모든 혼합물에 대한 각각의 농도 분석 없이도 도금액의 전기 화학적 거동의 변화 경향을 간단하게 모니터링 함으로써 심각한 도금액의 열화 및 솔더 범프의 붕괴불량을 사전에 방지 할 수 있음을 의미한다.
2. 전해 도금법에 의한 Ni 전착물의 미세구조가 주석-니켈 금속간 화합물의 성장과 반도체 접합 신뢰성에 미치는 영향
3차원 접합공정의 구리, 주석 등의 확산 방지막으로 사용되는 니켈층은 주로 무전해 도금 공정 방식을 통하여 형성되었다. 하지만, 최근에는 생산성과 공정 안정성을 고려하여 전해 도금 공정을 이용한 제조 방법이 연구되고 양산화에 적용되고 있다. 솔더bump와 하부 금속전극간의 확산 방지막인Ni 층의 미세 구조는 도금 첨가제 (coumarin 및 cis-2-butene-1,4 diol) 들의 시너지 효과에 의해 잘 조절 될 수 있음을 확인 하였다. 주석과 미세 조직 구조(grain structure)를 가지는 Ni층 계면에서 형성된 $Ni_3Sn_4$ 금속계면 화합물(Intermetallic compound, IMC)의 성장 속도는, 큰 미세 조직 구조를 가지는 Ni 층과의 계면에서의 IMC성장 속도보다 높다. Electromigration 불량 단계는 IMC 형성을 위해서 소모된 Sn층의 부피 감소로 인해 Sn-Ag 솔더 층과 $Ni_3Sn_4$ IMC 층 사이의 계면에서 큰 공동 발생에 의한 저항성 불량이 그 원인이다. 열처리의 초기 단계에서, 용해된Ni 원자가 액상의 Sn층으로 높은 용해 속도로 확산되는 현상의 지배적임을 STEM 분석을 통하여 확인 하였다. $Ni_3Sn_4$의 성장 메커니즘은 다음과 같은 두 단계로 구성된다고 판단 한다. 첫째로, 리플로우 열처리 공정에서 액상의 Sn 층으로의 Ni 원자 급속히 확산한다. 둘째로, 상온 및 칩 작동온도에서의 Ni-Sn IMC 층 내부에서 Ni 원자의 입계 확산이다. 따라서, Sn 계면에서는 IMC가 잘 형성되면서도 Cu 원자의 입계 확산의 속도는 늦출 수 있도록, Ni 전해 도금공정의 첨가제 제어를 통해 서로 상이한 미세 구조를 갖는 이중 층의 Ni 확산 방지막을 형성하였다. $Ni_3Sn_4$ IMC는 미세 조직구조 Ni 층 경계에서는 빠르게 형성되었고, 그 성장 속도는 큰 미세 조직구조가 시작되는 Ni 층 계면에서는 억제 되었다. 본 연구는 효과적인 확산 방지막의 역할과 우수한 접착 특성을 가지는 다층 미세조직 구조를 갖는 Ni 확산 방지막의 수직 구조에 대한 새로운 개념을 제안하였다.
