KR102423021B1 - 구리-구리 플립칩 인터커넥션 형성 방법 및 이에 의해 형성된 구리-구리 플립칩 인터커넥션부 - Google Patents

구리-구리 플립칩 인터커넥션 형성 방법 및 이에 의해 형성된 구리-구리 플립칩 인터커넥션부 Download PDF

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Abstract

본 발명은,
(가) 제1 피접합체의 UBM(under bump metallurgy)이나 패드(pad) 상에 구리를 전해도금하여 구리 필라를 형성하는 단계;
(나) 상기 구리 필라의 상부 표면에 습식 증착을 통해 물리적으로 결합된 구리 나노 입자 군집체 층을 제조하는 단계; 및
(다) 상기 제1 피접합체 상에 형성된 구리 나노 입자 군집체층을 제2 피접합체 상의 패드에 정렬 위치시켜, 대기 분위기에서 상기 제1 피접합체 및 제2 피접합체 중 적어도 하나를 가압하면서 250℃ 내지 350℃로 가열 소결하여, 상기 제1 피접합체 및 제2 피접합체 접점부를 고상 소결접합시킴으로써 구리-구리 플립칩 인터커넥션부를 형성하는 단계;를 포함하며,
상기 구리 나노 입자 군집체 층은,
i) 구리 나노 노듈을 가지는 구리 입자 군집체(aggregate) 층, ii) 구리 나노 노듈을 가지는 구리 프랙탈 군집체 층 및 iii) 구리 나노 노듈을 가지는 구리 산호 군집체 층으로 이루어진 군에서 하나 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 구리-구리 플립칩 인터커넥션 형성 방법 및 이에 의해 형성된 구리-구리 플립칩 인터커넥션 형성부에 관한 것이다.

Description

구리-구리 플립칩 인터커넥션 형성 방법 및 이에 의해 형성된 구리-구리 플립칩 인터커넥션부{Forming Method of Cu to Cu Flip Chip Interconnection and Cu to Cu Flip Chip Interconnection Thereby}
본 발명은 구리-구리 플립칩(flip chip) 인터커넥션 형성 방법 및 이에 의해 형성된 구리-구리 플립칩 인터커넥션부에 관한 것으로, 상세하게는 구리 필라(pillar)에 구리 나노 입자 군집체 층을 형성하고, 이후 고속의 열압착 소결접합 공정으로 구리-구리 플립칩 인터커넥션을 형성하는 방법 및 이에 의해 형성된 구리-구리 플립칩 인터커넥션부에 관한 것이다.
전자제품의 경박단소화 및 고기능화 경향으로 반도체 소자의 패키징 기술 역시 보다 미세한 접합부를 형성하기 위한 방안들이 지속적으로 개발되고 있다. 즉, 반도체 소자들은 패키징 과정에서 기판 등에 전기적인 연결, 즉, 인터커넥션(interconnection)되어야 하는데, 이러한 인터커넥션은 다수의 미세한 전기적 연결부들이 동시에 접합되는 방안 및 공정에 의해 실제 구현된다.
소자의 접합 공정과 관련해서는 미세 피치(pitch) 접합 및 스택(stack) 접합에 대한 니즈가 지속적으로 증가하고 있으며, 이와 동시에 전기적, 열적 특성이 우수한 소재로 접합 재료를 개선하고자 하는 노력도 지속적으로 진행되고 있다.
기존 미세 피치에 대응하기 위한 소자의 접합에는 도 1에 도시된 바와 같이, Sn-Pb계 또는 무연 Sn-Ag계와 같은 솔더 접합재료를 범프(bump) 형태로 형성한 후 범프가 맞은 편 소자의 패드(pad)면에 닿게 한 상태에서 가열 용융하며 웨팅(wetting) 및 솔더링(soldering)하는 방법으로 접합부를 제조해 왔다(도 1(a) 및 도 1(b)).
이에, 최근에는 전자제품의 경박단소화와 고기능화가 가속화되며 보다 고밀도 인터커넥션으로 인터커넥션부의 폭과 피치가 미세해짐에 따라 칩의 패드는 필라(pillar) 구조로 전환되고 있는데, 이 경우 필라 소재는 Cu가 주로 사용되고 있다. 또한, 솔더링을 통한 가열 본딩을 위해서는 필라의 상부가 솔더 조성으로 capping 되는데, 본딩을 위한 가열 시 용융되어 맞은편 패드에 웨팅 및 반응하고, 냉각 후 본딩이 완료된다(도 1(c) 및 도 1(d)).
그러나 이러한 본딩과정은 본딩부에 취성이 강한 금속간화합물을 다량 형성시키므로 기계적 신뢰성이 낮고, 인터커넥션을 위한 필라간의 피치가 미세하게 설계될수록 본딩 시 용융 솔더가 삐져나와 이웃 본딩부와 전기적 쇼트를 일으킬 수 있는 문제가 발생하게 된다. 아울러 본딩부를 가로지르는 솔더층 및 금속간화합물층은 낮은 열전도도 특성으로 소자의 열 방출 특성 또한 우수하지 않은 문제가 있다.
이에 일본 동북대와 후지필름은 주기적인 직경 60 nm 수준의 미세 홀이 뚫린 20 um 두께 수준의 알루미나 템플릿(template) 필름을 제조하고, 그 홀 내부를 Cu nano-pillar로 채운 칩 적층 본딩 소재(anodized alumina oxide(AAO)형 ACF)를 개발하였다(US2009-0023243). 이 소재는 본딩 시 상, 하부 Cu 패드와 닿게 한 후 온도와 압력을 가하면 나노 스케일의 응력 유발 확산(stress induced diffusion)이 활발히 진행되면서 Cu 간의 본딩이 일어나게 하는 원리이다. 이 경우 적층 칩들은 Cu가 채워진 TSV(through silicon via)를 통해서 최하단 칩부터 최상단 칩까지가 전기적으로 연결된다.
그러나 일본 동북대의 획득 기술은 본딩을 위한 본딩 압력의 정도가 크고, 본딩부 높이 단차에 대한 완화 방안으로 매우 타이트하게 칩 및 기판의 coplanarity를 확보하여 불량 발생을 줄여야 하는 등의 문제가 있다. 즉, 큰 본딩 압력은 50 마이크론 두께 이하의 칩의 본딩 시 칩의 파괴를 유발할 수 있으며, 국부적 높이 단차 극복을 위해 알루미나 템플릿 부분이 칩의 절연 표면에 묻히게끔 추가 글루(glue) 성분 코팅 과정을 수행해야 하므로 비용이 증가할 수 있으며, 더욱이 알루미나 템플릿 기반의 소재는 가격적 메리트가 없다는 문제가 있다.
이에, 중국 Huazhong University of Science and Technology에서는 Cu 나노 입자를 사용한 Cu to Cu 본딩을 수행했으나, 고가의 forming gas 사용하였고, 본딩 시간도 60 분에 이르러 산업적 양산공정으로 적용하기가 불가능한 문제가 있다.
중국 National Chiao Tung University에서는 열압착 공정으로 Cu to Cu 본딩을 수행했으나, 질소 분위기를 사용하였고, 400℃의 본딩 온도에서도 30분 이상의 시간이 소요되어 산업적 양산공정으로 적용하기가 불가능한 문제가 있다.
싱가폴 Nanyang Technological University에서는 열압착 공정으로 Cu to Cu 본딩을 수행했으나, forming gas 등을 이용한 복잡한 전처리 후 진공 분위기에서 1시간 이상의 가압 소결접합을 요구하고 있어 산업적 양산공정으로 적용하기가 불가능한 문제가 있다.
즉, 기존의 Cu to Cu 본딩 공정은 400℃이상의 질소 분위기에서 30분 이상 가압 소결접합하거나, forming gas 등을 이용한 복잡한 전처리 후 진공 분위기에서 1시간 이상의 가압 소결접합이 요구되고 있어 산업적 양산공정으로 적용하기는 아직 기술적 장벽이 매우 높은 상황이다.
이처럼 다양한 시도들에도 불구하고 대기 중에서 미세 피치 Cu 필라의 고속 고상 소결접합 및 연속적인 스택 접합을 통한 우수한 전기적, 열적 특성의 인터커넥션부 형성 공정은 아직 개발되지 못하고 있는 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은 구리 필라에 구리 나노 입자 군집체층을 형성하여 대기 분위기에서 열압착 공정으로 고상 상태에서 구리-구리 플립칩(flip chip) 인터커넥션부를 형성하는 방법으로, 특히 고속 소결접합이 가능한 구리-구리 플립칩 인터커넥션의 형성 방안을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 상기 접합 방법에 의해 형성된 구리-구리 플립칩 인터커넥션부를 제공하는 것이다.
본 발명은,
(가) 제1 피접합체의 UBM(under bump metallurgy)이나 패드(pad) 상에 구리를 전해도금하여 구리 필라를 형성하는 단계;
(나) 상기 구리 필라의 상부 표면에 습식 증착을 통해 물리적으로 결합된 구리 나노 입자 군집체 층을 제조하는 단계; 및
(다) 상기 제1 피접합체 상에 형성된 구리 나노 입자 군집체층을 제2 피접합체 상의 패드에 정렬 위치시켜, 대기 분위기에서 상기 제1 피접합체 및 제2 피접합체 중 적어도 하나를 가압하면서 250℃내지 350℃로 가열 소결하여, 상기 제1 피접합체 및 제2 피접합체 접점부를 고상 소결접합시킴으로써 구리-구리 플립칩 인터커넥션부를 형성하는 단계;를 포함하며,
상기 구리 나노 입자 군집체 층은,
i) 구리 나노 노듈을 가지는 구리 입자 군집체(aggregate) 층, ii) 구리 나노 노듈을 가지는 구리 프랙탈 군집체 층 및 iii) 구리 나노 노듈을 가지는 구리 산호 군집체 층으로 이루어진 군에서 하나 이상 선택되는 구리-구리 플립칩 인터커넥션 형성 방법을 제공한다.
상기 습식 증착은, 갈바닉 치환반응 공정, 전해도금 공정 및 용액 내 환원석출 공정 중에서 적어도 하나에 의해 수행될 수 있다.
상기 갈바닉 치환반응 공정을 이용한 습식 증착은,
상기 구리 필라의 상부 표면에 Al 및 Zn 중 적어도 한 종을 포함하는 반응 개시층을 형성한 후, 상기 반응 개시층이 형성된 구리 필라를 구리 전구체 용액에 침지하여, 구리 필라 상부 표면에 구리를 석출 후 성장시켜 수행될 수 있다.
상기 전해도금 공정을 이용한 습식 증착은,
상기 구리 필라를 음극으로, 또다른 구리를 양극으로 사용하여 두 극을 띄운 채 구리 도금 용액 또는 증류수에 침지한 후 전류를 흘러주어, 구리 필라 상부 표면에 구리를 석출 후 성장시켜 수행될 수 있다.
상기 용액 내 환원석출 공정을 이용한 습식 증착은,
구리 필라를 구리 전구체 용액에 침지한 후 환원제를 첨가하여, 구리 전구체 용액 내에서 환원되어 석출된 구리의 일부가 구리 필라 상부 표면에서 성장되어 수행될 수 있다.
또한, 본 발명은,
복수의 구리 필라를 형성하고, 상기 복수의 구리 필라의 상부 표면에 물리적으로 결합된 구리 나노 입자 군집체 층을 제조하는 경우,
구리 나노 입자 군집체 층의 높이는 상기 복수의 구리 필라 간의 최대 높이 차(구리 필라의 최대 높이(Hh) - 구리 필라의 최소 높이(Hl))의 2배 이상으로 형성할 수 있다.
상기 단계(나)를 수행 후,
하기 방법 중 적어도 하나에 의해 상기 구리 나노 입자 군집체 층의 표면 처리를 수행할 수 있다.
i) 하나 이상의 카르복실기를 포함하는 산을 알코올 또는 증류수에 전체 중량을 기준으로 1 내지 10 중량% 용해시켜 산성 용액을 제조 후, 이를 상기 구리 나노 입자 군집체 층 또는 상기 구리 나노 입자 군집체층에 대응되는 패드 상에 도포하는 과정;
ii) 폴리올(polyol) 용매를 상기 구리 나노 입자 군집체 층 또는 상기 구리 나노 입자 군집체층에 대응되는 패드 상에 도포하는 과정; 및
iii) 하나 이상의 카르복실기를 포함하는 산을 알코올 또는 증류수에 전체 중량을 기준으로 1 내지 10 중량% 용해시켜 산성 용액을 제조한 후, 이에 상기 구리 나노 입자 군집체 층을 1 내지 30분 침지시키고 꺼내어 알코올 또는 증류수로 세척 후 건조하는 과정.
상기 단계 (다)에서,
상기 제1 피접합체 및 제2 피접합체 중 적어도 하나를 0.1 내지 10 MPa으로 가압하면서 250℃내지 350℃로 0.1 내지 3분 동안 소결하여 상기 제1 피접합체 및 제2 피접합체를 고상 소결접합시킬 수 있다.
상기 단계 (다)를 수행 후,
(라) 상기 제1 피접합체 상부 패드에 구리 나노 입자 군집체 층이 씌워진 구리 필라들이 형성된 또 다른 피접합체를 플립칩 형태로 정렬 후 가압 접합시켜 피접합체를 연속적으로 스택킹(staking)하며 소결접합하는 제4 단계;를 추가로 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 구리-구리 플립칩 인터커넥션 형성 방법을 이용하여 형성된 구리-구리 플립칩 인터커넥션부를 제공한다.
본 발명에 따른 구리-구리 플립칩 인터커넥션 형성 방법은 특수한 분위기의 사용 없이 대기 분위기 하의 비교적 저가압 및 저온의 소결접합 조건에서도 고상 접합이 매우 고속으로 이루어지므로 에너지 소모를 최소화하면서도 컨베이어 시스템을 사용한 연속 접합공정으로 생산성을 극대화할 수 있어 궁극적인 제조 공정으로 응용될 수 있다.
본 발명에 따라 형성된 구리-구리 플립칩 인터커넥션부, 즉 접합부는, 구리 필라의 상부 표면에 물리적으로 결합된 구리 나노 입자 군집체층이 저가압 및 저온 소결 조건에서도 가압력에 의해 소성 변형되며 빠르게 치밀화되는 한편, 구리 나노 입자 군집체층에 가해지는 산처리나 폴리올(polyol)과 같은 환원성 용액의 첨가에 의해 가열 접합 중 산화된 구리 표면으로부터 순수 구리가 인시츄(in situ)로 환원되어 소결접합에 참여하게 되며, 기 형성된 구리 나노 입자 군집체층 표면의 나노 노듈들도 나노 입자들과 같이 발달된 표면적 특성으로 빠른 소결 특성을 나타내는 바, 이러한 모든 현상 및 특성들이 극도로 빠른 소결접합 특성에 기여하게 된다.
본 발명에 따른 접합부는, 초미세 피치(pitch)의 인터커넥션을 고상 소결접합 기반으로 구현할 수 있어 기존 솔더 재료와 같은 용융부를 게재시키지 않으므로 접합 과정에서 미세 피치간의 브릿징(bridging) 불량 형성을 방지할 수 있고, 상기 접합 온도 대비 형성 접합부는 월등히 높은 용융온도를 나타내게 되므로 이후의 스택(stack) 접합 시에도 하부 기 접합부의 손상(용융) 없이도 칩을 연속적으로 적층 접합하여 3차원 칩스택(chip stack) 구조를 용이하게 구현할 수 있다.
또한, 형성된 소결 접합부는 구리 소재로 만들어지므로 자체의 높은 융점에 의해 솔더 접합부에 비할 수 없는 고열 신뢰성을 나타내며, 높은 열전도도 및 전기전도도 특성으로 솔더 접합부 대비 우수한 열방출 특성 및 신호 전달속도를 제공하게 된다.
도 1(a) 내지 (d)는 종래 기술에 따른 소자 또는 칩의 플립칩 인터커넥션을 위한 패드 말단부의 모식도이다;
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 갈바닉 치환반응 공정을 이용한 습식 증착을 통한 구리 필라 상 구리 나노 입자 군집체층의 제조방법에 대한 모식도이다;
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 전해도금 공정을 이용한 습식 증착을 이용하여 구리 필라 상 구리 나노 입자 군집체층의 제조방법에 대한 모식도이다;
도 4(a)는 본 발명의 일실시예에 따른 표면에 구리 나노 노듈을 가지는 구리 입자 군집체(aggregate) 층이 형성된 구리 필라부의 모식도이다;
도 4(b)는 본 발명의 일실시예에 따른 표면에 구리 나노 노듈을 가지는 구리 프랙탈 군집체 층이 형성된 구리 필라부의 모식도이다;
도 4(c)는 본 발명의 일실시예에 따른 표면에 구리 나노 노듈을 가지는 구리 산호 군집체 층이 형성된 구리 필라부의 모식도이다;
도 5(a)는 본 발명의 일실시예에 따른 표면에 구리 나노 노듈을 가지는 구리 입자 군집체(aggregate) 층의 주사전자현미경 사진이다;
도 5(b)는 본 발명의 일실시예에 따른 표면에 구리 나노 노듈을 가지는 구리 프랙탈 군집체 층의 주사전자현미경 사진이다;
도 5(c)는 본 발명의 일실시예에 따른 표면에 구리 나노 노듈을 가지는 구리 산호 군집체 층의 주사전자현미경 사진이다; 및
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 연속적인 구리-구리 플립칩 소결접합을 통한 소자 또는 칩의 적층 접합 상태를 나타낸 모식도로, 구리-구리 플립칩 인터커넥션부, 즉 접합부(A)를 확인할 수 있다.
본 발명은,
(가) 제1 피접합체의 UBM(under bump metallurgy)이나 패드(pad) 상에 구리를 전해도금하여 구리 필라를 형성하는 단계;
(나) 상기 구리 필라의 상부 표면에 습식 증착을 통해 물리적으로 결합된 구리 나노 입자 군집체 층을 제조하는 단계; 및
(다) 상기 제1 피접합체 상에 형성된 구리 나노 입자 군집체층을 제2 피접합체 상의 패드에 정렬 위치시켜, 대기 분위기에서 상기 제1 피접합체 및 제2 피접합체 중 적어도 하나를 가압하면서 250℃내지 350℃로 가열 소결하여, 상기 제1 피접합체 및 제2 피접합체 접점부를 고상 소결접합시킴으로써 구리-구리 플립칩 인터커넥션부를 형성하는 단계;를 포함하며,
상기 구리 나노 입자 군집체 층은,
i) 구리 나노 노듈을 가지는 구리 입자 군집체(aggregate) 층, ii) 구리 나노 노듈을 가지는 구리 프랙탈 군집체 층 및 iii) 구리 나노 노듈을 가지는 구리 산호 군집체 층으로 이루어진 군에서 하나 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 구리-구리 플립칩 인터커넥션 형성 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 구리-구리 플립칩 인터커넥션 형성 방법은 특수한 분위기의 사용 없이 대기 분위기 하의 비교적 저가압 및 저온의 소결접합 조건에서도 고상 접합이 매우 고속으로 이루어지므로 에너지 소모를 최소화하면서도 컨베이어 시스템을 사용한 연속 접합공정으로 생산성을 극대화할 수 있어 궁극적인 제조 공정으로 응용될 수 있다.
또한, 구리 필라의 상부 표면에 물리적으로 결합된 구리 나노 입자 군집체층이 저가압 및 저온 소결 조건에서도 가압력에 의해 소성 변형되며 빠르게 치밀화되는 한편, 구리 나노 입자 군집체층에 가해진 산처리나 폴리올(polyol)과 같은 환원성 용액의 첨가에 의해 가열 접합 중 산화된 구리 표면으로부터 순수 구리가 인시츄(in situ)로 환원되어 소결접합에 참여하게 되며, 기 형성된 구리 나노 입자 군집체층 표면의 나노 노듈들도 나노 입자들과 같이 발달된 표면적 특성으로 빠른 소결 특성을 나타내는 바, 이러한 모든 현상 및 특성들이 극도로 빠른 소결접합 특성에 기여하게 된다.
더욱이, 초미세 피치(pitch)의 인터커넥션을 고상 소결접합 기반으로 구현할 수 있어 기존 솔더 재료와 같은 용융부를 게재시키지 않으므로 접합 과정에서 미세 피치간의 브릿징(bridging) 불량 형성을 방지할 수 있고, 상기 접합 온도 대비 형성 접합부는 월등히 높은 용융온도를 나타내게 되므로 이후의 스택(stack) 접합 시에도 하부 기 접합부의 손상(용융) 없이도 칩을 연속적으로 적층 접합하여 3차원 칩스택(chip stack) 구조를 용이하게 구현할 수 있다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
본 발명의 하나의 실시예에 따르면, 단계(가)에서 포토레지스트 공정을 이용할 수 있다.
구체적으로, 기재(10) 상에 포토레지스트층(20)을 형성한다. 상기 기재(10)는 접합 과정에서 제1 피접합체가 되나, 이 위로 적층 접합이 이어서 이루어질 때는 제 2 피접합체가 된다. 이 기재는 소자 또는 칩의 제조를 위한 웨이퍼(wafer), 또는 인터포저(interposer)의 제조를 위한 웨이퍼 또는 판재일 수 있다.
이후, 노광 및 현상공정을 통해 직경이 3 내지 100 ㎛인 원기둥 형태의 캐비티(cavity) 패턴 형성 포토레지스트층(30)으로 변이시킨 다음, 상기 캐비티 속에서 UBM(under bump metallurgy) 또는 패드와 연결되게끔 구리 필라(100)를 형성한다.
상기 패턴 형성층(30)의 노출된 UBM 또는 패드 상에 구리 필라(100)의 형성 방법은 당업계에 알려진 방법이라면 제한이 없으나 예를 들어 스퍼터링 공정이나 전해도금 공정에 의해 형성될 수 있으며, 전해도금의 방식으로 형성할 경우 보다 빠른 시간 내에 구리 필라들을 형성시킬 수 있다.
상기 구리 필라(100)의 직경 및 높이는 적용하고자 하는 소자의 형태나 구조, UBM 또는 패드의 크기 등에 따라 수 마이크론에서 수십, 수백 마이크론 크기로 형성될 수 있으나, 예를 들어, 직경이 3 내지 130 ㎛이고 높이는 3 내지 200 ㎛일 수 있다. 상세하게는, 상기 구리 필라(100)의 직경은 3 내지 50 ㎛이고 높이는 3 내지 50 ㎛의 초미세 형태로 구현할 수 있다.
이후, 단계(나)에서 습식 증착공정을 통해 상기 구리 필라(100)의 상부 표면에 물리적으로 결합된 구리 나노 입자 군집체층(120)을 형성할 수 있다. 이 때, "물리적으로 결합"은 구리 나노 입자 군집체 층(120)이 구리 필라(100)의 상부 표면에 직접 연결되어 증착되는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 반응 부산물 입자를 사이에 두고 전기적으로 연결되면서 증착되는 경우도 포함할 수 있다.
상기 구리 나노 입자 군집체 층(120)을 형성하는 방법은 제한이 없으나, 예를 들어, 갈바닉 치환반응 공정, 전해도금 공정 및 용액 내 환원석출 공정으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나에 의해 수행될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 갈바닉 치환반응 공정을 이용한 습식 증착을 이용하여 구리 필라 상 구리 나노 입자 군집체층의 제조방법에 대한 모식도이다;
도 2를 참고하면, 상기 갈바닉 치환반응 공정을 이용한 습식 증착은, 상기 구리 필라(100)의 상부 표면에 Al 및 Zn 중 적어도 한 종을 포함하는 반응 개시층(110)을 형성한 후, 상기 반응 개시층(110)이 형성된 구리 필라(100)를 구리 전구체 용액에 침지하여, 구리 필라(100) 상부 표면에 구리를 석출 후 성장시켜 수행될 수 있다.
상기 반응개시층(110)의 형성방법은 제한이 없으나, 예를 들어 습식 도금, 스퍼터링, 스프레이 코팅 또는 분말 압입(indentation) 등의 방법을 사용하여 증착, 도포, 코팅 등을 할 수 있다.
상기 반응 개시층(110)은 0.5 내지 5 ㎛의 두께로 형성될 수 있다. 이는 형성된 구리 필라(100)의 직경 및 높이를 고려한 것으로 상기 범위 미달 시 구리 나노 입자 군집체 층을 충분히 형성할 수 없고, 상기 범위 초과 시 구리 나노 입자 군집체 층의 형성 후에도 반응 개시층이 남아 있게 되어 비효율적이다.
반응 개시층(110)이 증착된 구리 필라(100)를 구리 전구체 용액에 침지하여 갈바닉 치환반응을 유도함으로써, 상기 반응 개시층(110)의 소모와 함께 상기 구리 필라(100) 상부 표면에 구리의 석출 및 성장을 유도할 수 있다. 이와 같이 석출 및 성장된 구리는 구리 나노 입자들이 서로 군집하면서 그 표면에 나노 노듈들이 형성된 다양한 형상의 구리 나노 입자 군집체 층(120)을 이루며, 상기 구리 필라(100) 형태의 구리 전해도금층 표면과 물리적 결합을 이룰 수 있다.
상기 구리 전구체 용액은 증류수 1 리터 당 염화구리(CuCl2) 20 내지 80 g 또는 황산구리(CuSO4) 25 내지 100 g을 녹여 제조하거나, 상기 두 용액을 혼합하여 사용할 수 있다. 상기 함량 범위를 벗어날 경우, 반응 개시층과 충분히 반응을 할 수 없고 원하는 군집체 형상을 얻을 수 없거나, 기타 부반응이 지배적으로 일어날 우려가 있어 바람직하지 않다.
상기 반응 개시층(110)이 증착된 구리 필라(100)를 구리 전구체 용액에 침지하는 시간은 구리 필라(100)의 크기, 구리 전구체 용액의 농도 등에 따라 결정할 수 있으나, 예를 들어, 1 내지 30분 동안 침지시킬 수 있다. 상기 침지 시간 미만일 경우 반응 개시층과 충분히 반응이 진행되지 않거나, 원하는 군집체 형상을 얻을 수 없고, 상기 침지 시간을 초월할 경우 과도한 공정시간으로 시간의 낭비가 발생하므로 바람직하지 않다.
경우에 따라, 상기 구리 필라(100) 형태의 구리 전해도금층과 구리 나노 입자 군집체 층(120)간의 결합력을 향상시키기 위하여 갈바닉 치환반응에 의한 구리 나노 입자 군집체 층(120) 증착 공정 후 추가적인 습식 구리 도금을 진행할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 전해도금 공정을 이용한 습식 증착을 이용하여 구리 필라 상 구리 나노 입자 군집체층의 제조방법에 대한 모식도이다;
도 3을 참고하면, 상기 전해도금 공정을 이용한 습식 증착은, 구리 도금 용액 또는 증류수가 담긴 도금조를 준비한 후, 상기 구리 필라(100)를 음극으로, 또다른 구리를 양극으로 사용하여 두 극을 띄운 채 상기 구리 도금 용액 또는 증류수에 침지한 후 전류를 흘러주어, 구리 필라(100) 상부 표면에 구리를 석출 후 성장시켜 수행될 수 있다.
상기 구리 도금 용액은 증류수 1 리터 당 30 내지 250 g의 황산구리(CuSO4)를 녹이고 20 내지 90 g의 황산(H2SO4)을 혼합하여 제조할 수 있다. 이와 같이 석출 및 성장된 구리는 구리 나노 입자들이 서로 군집하면서 표면에 나노 노듈들이 형성된 다양한 형상의 구리 나노 입자 군집체 층을 이루며, 상기 구리 필라 형태의 구리 전해도금층 표면과 물리적 결합을 이룰 수 있다. 이러한 전해도금 공정을 이용할 경우 상당한 두께의 구리 나노 입자 군집체 층을 용이하게 형성할 수 있다.
구리 도금 용액을 사용한 전해도금 시 온도는 20~50℃, 전압은 2~11 V, 전류밀도는 5~50 A/dm2 일 수 있다. 상기 함량 범위를 벗어날 경우, 원하는 군집체 형상을 얻을 수 없거나, 기타 부반응이 지배적으로 일어날 우려가 있어 바람직하지 않다.
증류수를 사용한 전해도금 시 온도는 20~50℃, 전압은 2~11 V, 전류밀도는 0.01~0.09 A/dm2 일 수 있다. 상기 함량 범위를 벗어날 경우, 원하는 군집체 형상을 얻을 수 없거나, 기타 부반응이 지배적으로 일어날 우려가 있어 바람직하지 않다.
또 다른 실시예로, 상기 용액 내 환원석출 공정을 이용한 습식 증착은, 구리 필라를 구리 전구체 용액에 침지한 후 환원제를 첨가하여, 구리 전구체 용액 내에서 환원되어 석출된 구리의 일부가 구리 필라 상부 표면에 연속적으로 쌓이면서 수행될 수 있다. 이와 같이 석출 및 성장된 구리는 구리 나노 입자들이 서로 군집하면서 표면에 나노 노듈들이 형성된 다양한 형상의 구리 나노 입자 군집체 층을 이루며, 상기 구리 필라 형태의 구리 전해도금층 표면과 물리적 결합을 이룰 수 있다.
상기 환원제는 제한이 없으나, 예를 들어 카르복실기, 카르복실기를 포함하는 화합물, 티오시아네이트기, 티오시아네이트기를 포함하는 화합물, 머캅토기, 머캅토기를 포함하는 화합물, 하이드록시기, 하이드록시기를 포함하는 화합물, 포스파이트기, 및 포스파이트기를 포함하는 화합물, 소듐보로하이드라이드, 하이드로퀴논, 1-부탄디올, 클루코스, 도파민, 및 하이드라진으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.
이 경우, 상기 구리 전구체 용액은 증류수 1 리터 당 염화구리(CuCl2) 20 내지 80 g 또는 황산구리(CuSO4) 25 내지 100 g을 녹여 제조하거나, 상기 두 용액을 혼합하여 사용할 수 있다. 상기 함량 범위를 벗어날 경우, 원하는 군집체 형상을 얻을 수 없거나, 기타 부반응이 지배적으로 일어날 우려가 있어 바람직하지 않다.
도 4(a) 내지 (c)는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 구리 필라부 모식도이고, 도 5(a) 내지 (c)는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 구리 필라부의 구리 나노 입자 군집체 층의 SEM 사진이다.
이를 참고하면, 본 발명에서 구리 나노 입자 군집체 층(120)은 다양한 형상으로 구현될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 구리 나노 입자 군집체 층(120)은, 다수의 구리 입자(121)가 무작위로 군집되어 형성되는 구리 입자 군집체(aggregate) 층으로 구현될 수 있다(도 3(a) 및 도 4(a)).
또 다른 예로, 상기 구리 나노 입자 군집체 층(120)은, 다수의 구리 나노 입자가 프랙탈(fractal) 형상으로 군집되어 형성되는 구리 프랙탈(122)을 포함하는 구리 프랙탈 군집체 층으로 구현될 수 있다. 이 때 상기 구리 나노 입자 군집체의 형태는 프랙탈 형상이라면 제한이 없으나, 경우에 따라 불규칙한 형상 또는 표면 형태를 가질 수 있다(도 3(b) 및 도 4(b)).
또 다른 예로, 상기 구리 나노 입자 군집체 층(120)은, 다수의 구리 나노 입자(123)가 나뭇가지 형태를 이루며 군집되어 형성되는 구리 산호(123)를 포함하는 구리 산호 군집체 층으로 구현될 수 있다. 이러한 나뭇가지 군집체의 형태는 제한이 없으나, 예를 들어, 복수의 가지에 대해 또 다른 파생가지들이 다발형으로 형성된 형태일 수 있다(도 3(c) 및 도 4(c)).
또 다른 예로, 상기 구리 나노 입자 군집체 층(120)은, 상기 i) 표면에 구리 나노 노듈을 가지는 구리 입자 군집체(aggregate) 층, ii) 표면에 구리 나노 노듈을 가지는 구리 프랙탈 군집체 층 및 iii) 표면에 구리 나노 노듈을 가지는 구리 산호 군집체 층이 혼합된 형태로 구현될 수 있다.
이러한 구리 나노 입자 군집체 층(120)은 구조적 특성상 다수의 공극부를 가지며, 대기 분위기의 가압 소결 조건에서 쉽게 소성 변형되어 공극부가 급속히 메워지는 한편, 각 군집체 표면의 나노 스케일의 구리 노듈들은 상기 소성 변형으로 주변 입자들과 컨택이 일어날 경우 급속한 소결 거동을 나타낼 수 있다. 즉, 나노 구리 노듈 표면은 나노 입자와 같이 체적 대비 그 표면적이 크고 팁(tip) 부분은 에너지적으로 매우 불안정하므로 접촉되는 구리와 우수한 소결성을 나타내어 외부 가압에 의해 구리 나노 입자 군집체 층(120)의 공극부가 빠르게 메워지는 동안 빠른 소결 접합을 야기시키면서, 결과적으로 구리 필라(100) 상부 구리 나노 입자 군집체 층(120)이 맞은편에 접촉되는 금속 피니쉬(finish) 패드 표면과 기계적으로 소결 접합되어 접합부의 접합 강도가 크게 향상되고 전기적 연결부를 형성하게 된다.
즉, 본 발명에서 구리 나노 입자 군집체 층(120), 즉, 표면에 구리 나노 노듈을 가지는 구리 입자 군집체(aggregate) 층, 표면에 구리 나노 노듈을 가지는 구리 프랙탈(fractal) 군집체 층 및 표면에 구리 나노 노듈을 가지는 구리 산호 군집체 층이 대기 분위기에서도 소성 변형(plastic deformation)되거나 군집체층을 구성하는 입자들이 재배열(rearrangement)되며 입자 간 공극(void)들을 채움과 동시에 고속의 소결접합 거동을 나타내며 치밀화된 접합부를 형성할 수 있다.
본 발명에서 "구리-구리 플립칩 인터커넥션부"는, 구리 나노 입자 군집체 층이 형성된 단수의 구리 필라를 이용하여 형성된 접합부 또는 각각 구리 나노 입자 군집체 층이 형성된 복수의 구리 필라를 이용하여 형성된 다수의 접합부 어레이의 개념을 모두 포함할 수 있다.
실제 복수의 구리 필라부들을 한꺼번에 소결접합 하는 경우, 제조 과정에서 복수의 구리 필라간에 미세한 높이 편차가 발생할 수 있다. 열압착 과정에서 다공성의 구리 나노 입자 군집체 층은 눌려지면서 구리 필라와 피접합체 상의 패드간의 물리적 접촉이 이루어지게 되므로 상기 복수의 구리 필라들은 높이 균일도를 컨트롤할 필요가 있으며, 복수의 구리 필라들을 모두 소결접합시키기 위해서는 구리 필라들의 최대 높이 편차 이상으로 구리 나노 입자 군집체 층의 두께를 확보할 필요가 있다.
이에, 도 4를 다시 참고하면, 상기 구리 나노 입자 군집체 층(120)의 높이(L)는, 구리 필라(100)의 높이 H에 대하여 복수의 구리 필라 간의 최대 높이 차(구리 필라의 최대 높이(Hh) - 구리 필라의 최소 높이(Hl))의 2배 이상일 수 있다. 구리 나노 입자 군집체 층의 높이가 복수의 구리 필라 간의 최대 높이 차의 2배 미만일 경우, 열압착 과정에서 모든 구리 나노 입자 군집체 층(120)이 충분히 눌려질 수 없어 불균일한 접합을 야기하므로 소망하는 수준의 기계적, 전기적, 열적 특성을 얻을 수 없어 바람직하지 않다. 상세하게는, 공정상 효율을 높이기 위해, 상기 구리 나노 입자 군집체 층(120)의 높이(L)는 상기 복수의 구리 필라 간의 최대 높이 차(구리 필라의 최대 높이(Hh) - 구리 필라의 최소 높이(Hl))의 2배 내지 10 배일 수 있다.
한편, 구리는 대기 중 가열 시 급속히 산화되어 산화물을 형성하므로 본 발명이 의도하는 고속 소결 접합을 저해하는 요인이 될 수 있다.
이에, 하나 이상의 카르복실기(carboxy group)를 포함하는 산성 증기 또는 포밍 (forming) 가스(5~10% H2 함유 질소 가스) 또는 진공 분위기에서 가압 소결을 수행하여 구리 나노 입자 군집체 층의 표면에서의 구리 산화물 생성을 억제시킬 수 있다.
또 다른 예로, 대기 또는 불활성 가스 분위기에서 가압 소결을 수행하는 경우 폴리올(polyol)과 같은 액상 환원제를 구리 나노 입자 군집체 층 또는 접합될 피접합체의 패드부 표면에 도포한 후 열압착 공정을 수행할 수 있다.
이와 함께, 또는 단독으로 본 발명에서는 구리 나노 입자 군집체 층에 표면 처리를 수행하여, 상기 구리 나노 입자 군집체 층의 표면에 형성된 구리 산화물을 제거하면서 소결접합을 위한 가열 과정에서 순수(fresh) 구리를 인 시츄(in situ)로 형성함으로써 상기 소결접합을 보다 효과적으로 진행할 수 있다.
구체적으로, 단계(나)를 수행 후, 하기 방법 중 적어도 하나에 의해 상기 구리 나노 입자 군집체 층의 표면 처리를 수행하여 소결접합을 보다 효과적으로 진행할 수 있다.
i) 하나 이상의 카르복실기를 포함하는 산을 알코올 또는 증류수에 전체 중량을 기준으로 1 내지 10 중량% 용해시켜 산성 용액을 제조 후, 이를 상기 구리 나노 입자 군집체 층 또는 상기 구리 나노 입자 군집체층에 대응되는 패드, 즉, 제1 피접합체 상에 형성된 구리 나노 입자 군집체층과 정령되는 제2 피접합체 상의 패드 상에 도포하는 과정;
ii) 폴리올(polyol) 용매를 상기 구리 나노 입자 군집체 층 또는 상기 구리 나노 입자 군집체층에 대응되는 패드 상에 도포하는 과정; 및
iii) 하나 이상의 카르복실기를 포함하는 산을 알코올 또는 증류수에 전체 중량을 기준으로 1 내지 10 중량% 용해시켜 산성 용액을 제조한 후, 이에 상기 구리 나노 입자 군집체 층을 1 내지 30분 침지시키고 꺼내어 알코올 또는 증류수로 세척 후 건조하는 과정.
상기 방법 i) 내지 iii)는 단독 또는 함께 사용될 수 있다.
상기 하나 이상의 카르복실기를 포함하는 산은, 예를 들어, 포름산, 아세트산, 옥살산, 말론산, 사과산, 숙신산 등일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 알코올은 증류수, 메탄올, 에탄올, 이소프로판올, 또는 이들의 혼합액일 수 있으나 이에 제한되는 것 아니다. 상세하게는 에탄올일 수 있다.
상기 하나 이상의 카르복실기를 포함하는 산의 함량이 알코올 또는 증류수에 전체 중량을 기준으로 1 중량% 미만일 경우 본 발명의 의도하는 표면 처리 효과를 효과적으로 얻을 수 없고, 10 중량%를 초과할 경우 부 반응이 일어날 우려가 있어 바람직하지 않다. 상세하게는 1 내지 5 중량%일 수 있으며, 더욱 상세하게는 3 중량%일 수 있다.
상기 구리 나노 입자 군집체 층의 침지 시간이 1 분 미만일 경우 본 발명의 의도하는 표면 처리 효과를 얻을 수 없고, 30분을 초과할 경우 부 반응이 일어날 우려가 있어 바람직하지 않다. 상세하게는 5 내지 20 분일 수 있으며, 더욱 상세하게는 15분일 수 있다.
단계(다)에서, 제1 피접합체의 구리 필라 상에 형성된 구리 나노 입자 군집체 층(120)을 제2 피접합체의 패드에 정렬 위치시켜, 대기 분위기에서 상기 제1 피접합체 및 제2 피접합체 중 적어도 하나를 0.1 내지 10 MPa으로 가압하면서 250℃내지 350℃로 고속 승온시켜 0.1 내지 3분 동안 유지하여 상기 제1피접합체 및 제2피접합체를 고상 소결접합시킬 수 있다.
본 발명에 따른 상기 제1 피접합체 및 제2 피접합체 중 어느 하나 또는 양쪽의 가압을 위한 압력은 0.1 MPa 내지 10 MPa일 수 있으며, 이보다 낮은 압력일 경우 구리 나노 입자 군집체 층이 맞은 편 패드 표면에 잘 닿지 않거나 나노 입자 군집체 층의 소성 변형이 충분치 않아서 소결이 촉진되지 않거나 접합부 공극이 채워지지 않아 접합 강도가 크게 낮아지게 되며, 이보다 높은 경우 에너지 낭비 및 피접합체의 파단 발생 가능성이 크게 증가하게 되어 바람직하지 않다.
본 발명에서 상기 소결 온도는 250℃내지 350℃일 수 있다. 250℃ 미만은 소결접합 특성이 잘 발현되지 않아 접합부의 형성이 원활하지 않으며, 350℃를 초과하는 경우는 접합을 위한 에너지의 낭비가 심할 뿐만 아니라 공기 중에 노출되는 구리 표면이 많이 산화되면서 접합부의 전기전도도 및 열전도도가 감소하여 결국 접합부의 특성이 나빠지게 되므로 바람직하지 않다. 이러한 소결은 일반 가열 열원에 의해 이루어질 수 있으며, 경우에 따라 칩 또는 소자의 후면 레이저 조사에 의해 이루어질 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 상기의 압력 및 온도하에서 0.1 내지 3분 정도의 시간 접합이 이루어질 수 있다. 0.1분 미만일 경우 접합 강도가 낮아지며, 3분 초과할 경우 불필요한 에너지 낭비가 발생하고 접합 생산성이 저하되어 바람직하지 않다.
이러한 단계(다)의 고상 소결접합 과정은 불활성 분위기에서 더욱 안정적으로 이루어질 수 있으며, 일반적으로 가압력, 온도 및 시간의 증가에 따라 보다 고속으로 소결접합이 이루어진다.
상기 건조는 상세하게는, 진공 또는 가열 건조일 수 있다. 상기 진공 또는 가열 건조 조건은 적용되는 구리 나노 입자 군집체 층, 소자의 칩의 형태나 구조, 인터커넥션 크기 등을 고려하여 적절하게 조절할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따라 이러한 구리 필라 및 구리 나노 입자 군집체 층 형성된 소자, 칩 또는 인터포저(interposer)들을 플립칩 형태로 반복적으로 스택킹 소결접합하여 형성시킨 구조체의 외형을 도시한 것으로, 소자, 칩 또는 인터포저상에 구리 나노 입자 군집체 층(120)이 형성된 구리 필라(100)를 형성하고, 이를 기판에 플립칩 소결접합 하고, 접합된 소자, 칩 또는 인터포저의 상부 패드 상에 또다른 소자, 칩 또는 인터포저를 적층 플립칩 소결접합한 경우의 최종 접합 상태를 나타낸 모식도이다.
즉, 상기 구리 나노 입자 군집체 층(120)이 형성된 구리 필라(100)는 일차적으로 기판 패드부에 접합되고, 이후로는 접합된 소자, 칩 또는 인터포저의 상부 패드 또는 전극 등에 접합되게 된다. A로 표시된 부분은 본 발명에 따른 구리-구리 플립칩 인터커넥션 형성 방법을 이용하여 형성된 구리-구리 플립칩 인터커넥션부이다.
접합 과정은 하부 피접합체 상의 접합시키고자 하는 패드 또는 전극 위치에 상기 제조된 구리 필라 상 구리 나노 입자 군집체 층이 위치하게끔 상부 피접합체를 정렬시킨 후, 보통 상부 접합체를 누르면서 소정 온도로 가열하는 과정에서 다공질의 구리 나노 입자 군집체 층의 소성변형 거동과, 상기 구리 군집체 층 표면에 형성된 나노 구리 노듈들이 나타내는 우수한 소결 특성으로 고상 접합이 신속히 이루어지게 된다. 패드 또는 전극의 피니쉬(finish) 소재는 구리(Cu) 또는 은(Au), 금(Au), 니켈(Ni) 등과 같은 일반적인 패드 피니쉬(finish) 금속으로 사용될 수 있으며, 바람직하게는 구리일 수 있다.
도 6을 참고하면, 본 발명은 상기 제1 피접합체의 플립칩 접합 후 제1 피접합체의 상부 패드 상에 구리 필라 및 구리 나노 입자 군집체 층 형성된 또 다른 제1 피접합체를 플립칩 형태로 정렬 후 가압 접합시켜 피접합체들을 연속으로 스택킹(staking) 접합하는 단계;를 포함하여, 플립칩 인터커넥션부를 연속으로 적층하며 형성함으로써 3차원 고밀도 구조의 모듈을 형성할 수 있다.
여기서 제1 피접합체가 칩이라면, 상기 칩 상 UBM이나 하부 패드에 구리 필라 및 구리 나노 입자 군집체 층을 형성하고, 이를 180도 뒤집어 제2 피접합체(기판 또는 하부 칩 또는 인터포저) 상부 패드에 상기 제1 피접합체의 구리 필라 상 나노 입자 군집체 층들이 닿도록 정렬한 후 열압착 접합을 수행할 수 있다.
이러한 접합을 추가로 수행하여 스택킹 구조를 형성하고자 하는 경우에는 앞서 제조된 접합 구조체의 상부 패드에 또다시 상기 제1접합체 상 구리 필라 및 구리 나노 입자 군집체 층을 플립칩 형태로 정렬 및 열압착 접합하는 과정을 통해 추가 적층 접합을 실시하게 된다. 이 러한 추가 접합 공정은 무한히 반복될 수 있다.
이를 통해 제1 피접합체 상에 구현된 구리 필라 및 구리 나노 입자 군집체 층(120)이 제2 피접합체 상부 패드나 전극에 접합되면서 제1 피접합체/제2피접합체에 접합된 구리 필라(100) /제2 피접합체가 연속적으로 존재하는 샌드위치 구조가 형성되며, 형성된 접합부는 구리만으로 이루어지게 되므로, 소자 또는 칩의 고 발열 시에도 용융되지 않는 우수한 고열 신뢰성을 가지면서도 우수한 전기적, 열적 전도성을 나타내는 접합부가 된다.
이후, 경우에 따라 상기 접합부가 형성된 접합체를 공냉시킬 수 있다.
본 발명에 따른 구리-구리 플립칩 인터커넥션 형성 방법으로 형성되는 구리-구리 플립칩 인터커넥션부, 즉 접합부는, 초미세 크기로 구현이 가능하며 가압 소결 조건에서 고상 상태로 접합되므로 Sn계 솔더 등 기존 솔더 재료 접합부와 같은 용융부를 게재시키지 않아 미세 피치(pitch) 접합 시에 솔더가 삐져나오며 발생할 수 있는 브릿징(bridging) 불량을 근본적으로 방지할 수 있고, 접합부는 접합 온도 대비 매우 높은 용융온도를 가지므로 기 형성된 하부 칩 접합부들의 손상 없이 칩을 연속적으로 적층 접합하여 3차원 고밀도의 칩스택 구조를 용이하게 형성할 수 있다. 이 경우 최상단의 칩 등은 기존 솔더 대비 월등히 향상된 전기전도도 및 열전도도의 접합부들로 연결되므로 최고 수준의 신호전달 속도와 열방출 특성을 나타낼 수 있다.
특히 접합 공정 측면에서 본 인터커넥션 형성 방법이 제공하는 접합 공정 시간은 기존의 솔더캡 구리 필라 접합 구조에서의 공정 시간과 비슷하거나 오히려 짧아질 수 있어 우수한 생산성이 기대된다. 즉, 본 발명에 따른 구리-구리 플립칩 인터커넥션 형성 방법은 종래 기술 대비 대기 분위기에서도 가압 소결접합이 고속으로 이루어지므로 컨베이어(conveyor)를 사용하는 연속 자동화 생산 시스템에 적용 가능하며, 에너지 소모를 최소화하면서도 생산성을 극대화할 수 있어 우수한 제조 공정성을 나타낼 수 있으므로 고온 환경에서 사용되는 소자 및 칩이나 고발열의 소자 및 칩의 플립칩 본딩에 바람직하게 사용될 수 있다.
10 기재
20 포토레지스트층
30 캐비티 패턴 형성 포토레지스트층
100 구리 필라
110 반응 개시층
120 구리 나노 입자 군집체 층
121 구리 입자
122 구리 프랙탈
123 구리 산호

Claims (10)

  1. (가) 제1 피접합체의 UBM(under bump metallurgy)이나 하부 패드(pad)에 구리를 전해도금하여 구리 필라를 형성하는 단계;
    (나) 상기 구리 필라의 상부 표면에 습식 증착을 통해 물리적으로 결합된 구리 나노 입자 군집체 층을 제조하는 단계; 및
    (다) 상기 제1 피접합체 상에 형성된 구리 나노 입자 군집체층을 제2 피접합체의 상부 패드에 정렬 위치시켜, 대기 분위기에서 상기 제1 피접합체 및 제2 피접합체 중 적어도 하나를 가압하면서 250℃ 내지 350℃로 가열 소결하여, 상기 제1 피접합체 및 제2 피접합체 접점부를 고상 소결접합시킴으로써 구리-구리 플립칩 인터커넥션부를 형성하는 단계;를 포함하며,
    상기 구리 나노 입자 군집체 층은,
    i) 구리 나노 노듈을 가지는 구리 입자 군집체(aggregate) 층, ii) 구리 나노 노듈을 가지는 구리 프랙탈 군집체 층 및 iii) 구리 나노 노듈을 가지는 구리 산호 군집체 층으로 이루어진 군에서 하나 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 구리-구리 플립칩 인터커넥션 형성 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 습식 증착은, 갈바닉 치환반응 공정, 전해도금 공정 및 용액 내 환원석출 공정 중에서 적어도 하나에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 구리-구리 플립칩 인터커넥션 형성 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 갈바닉 치환반응 공정을 이용한 습식 증착은,
    상기 구리 필라의 상부 표면에 Al 및 Zn 중 적어도 한 종을 포함하는 반응 개시층을 형성한 후, 상기 반응 개시층이 형성된 구리 필라를 구리 전구체 용액에 침지하여, 구리 필라 상부 표면에 구리를 석출 후 성장시켜 수행되는 것을 특징으로 하는 구리-구리 플립칩 인터커넥션 형성 방법.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 전해도금 공정을 이용한 습식 증착은,
    상기 구리 필라를 음극으로, 또다른 구리를 양극으로 사용하여 두 극을 띄운 채 구리 도금 용액 또는 증류수에 침지한 후 전류를 흘러주어, 구리 필라 상부 표면에 구리를 석출 후 성장시켜 수행되는 것을 특징으로 하는 구리-구리 플립칩 인터커넥션 형성 방법.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 용액 내 환원석출 공정을 이용한 습식 증착은,
    구리 필라를 구리 전구체 용액에 침지한 후 환원제를 첨가하여, 구리 전구체 용액 내에서 환원되어 석출된 구리의 일부가 구리 필라 상부 표면에서 성장되어 수행되는 것을 특징으로 하는 구리-구리 플립칩 인터커넥션 형성 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    복수의 구리 필라를 형성하고, 상기 복수의 구리 필라의 상부 표면에 물리적으로 결합된 구리 나노 입자 군집체 층을 제조하는 경우,
    구리 나노 입자 군집체 층의 높이는 상기 복수의 구리 필라 간의 최대 높이 차(구리 필라의 최대 높이(Hh) - 구리 필라의 최소 높이(Hl))의 2배 이상으로 형성하는 것을 특징으로 하는 구리-구리 플립칩 인터커넥션 형성 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 단계(나)를 수행 후,
    하기 방법 중 적어도 하나에 의해 상기 구리 나노 입자 군집체 층의 표면 처리를 수행하는 것을 특징으로 하는 구리-구리 플립칩 인터커넥션 형성 방법:
    i) 하나 이상의 카르복실기를 포함하는 산을 알코올 또는 증류수에 전체 중량을 기준으로 1 내지 10 중량% 용해시켜 산성 용액을 제조 후, 이를 상기 구리 나노 입자 군집체 층 또는 상기 구리 나노 입자 군집체층에 대응되는 패드 상에 도포하는 과정;
    ii) 폴리올(polyol) 용매를 상기 구리 나노 입자 군집체 층 또는 상기 구리 나노 입자 군집체층에 대응되는 패드 상에 도포하는 과정; 및
    iii) 하나 이상의 카르복실기를 포함하는 산을 알코올 또는 증류수에 전체 중량을 기준으로 1 내지 10 중량% 용해시켜 산성 용액을 제조한 후, 이에 상기 구리 나노 입자 군집체 층을 1 내지 30분 침지시키고 꺼내어 알코올 또는 증류수로 세척 후 건조하는 과정.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 단계 (다)에서,
    상기 제1 피접합체 및 제2 피접합체 중 적어도 하나를 0.1 내지 10 MPa으로 가압하면서 250℃ 내지 350℃로 0.1 내지 3분 동안 소결하여 상기 제1 피접합체 및 제2 피접합체를 고상 소결접합시키는 것을 특징으로 하는 구리-구리 플립칩 인터커넥션 형성 방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 단계 (다)를 수행 후,
    (라) 상기 제1 피접합체의 상부 패드에 구리 나노 입자 군집체 층이 씌워진 구리 필라들이 형성된 또 다른 피접합체를 플립칩 형태로 정렬 후 가압 접합시켜 피접합체를 연속적으로 스택킹(staking)하며 소결접합하는 제4 단계;
    를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 구리-구리 플립칩 인터커넥션 형성 방법.


  10. 삭제
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