하이브리드 본딩에서 유전체(dielectric) 부분의 bonding에 대한 이해

SiO₂ 유전체 본딩의 경우, 특히 DB 하이브리드 본딩 인터커넥션 방식에서는 본딩 인터페이스에서 흡수된 웨이퍼 분자에 유래한 산소 및 수소 원자 간의 수소 결합 네트워크를 통해 발생하는 반데르발스 힘에 의해 초기 부착이 이루어집니다. 다이-투-웨이퍼 부착 공정은 보통 100°C 이하의 낮은 온도, 종종 실온에서 진행됩니다. 이 메커니즘은 흡수된 수층을 이용해 SiO₂-SiO₂ 직접 본딩을 주로 제어하며, 물 분자들이 100°C 이하에서 클러스터를 형성하여 결합을 시작합니다. 이후 온도가 상승하면, 물 분자가 본딩 인터페이스를 통해 확산되며 SiO₂ 유전체 층의 표면에서 실라놀 그룹을 기반으로 수소 결합을 통해 부착력이 강화됩니다. 약 200°C에서 실록산과 같은 공유 결합이 형성될 수 있습니다. 온도를 700°C 근처까지 상승시키면 SiO₂-SiO₂ 인터페이스의 나노 간극이 닫히게 되며, 이는 SiO₂의 점성 흐름에 의한 것으로 고온 어닐링을 통해 이루어집니다.

이러한 고온 공정은 통합 회로의 기능성에 의해 제한될 수 있으며, 일반적인 BEOL 공정은 300-350°C의 프로세스 온도를 허용합니다. 반면 DRAM 장치는 온도에 더 민감하여 기능적 손상을 방지하기 위해 220°C 이하의 어닐링 온도를 필요로 합니다. SiCN-to-SiCN 유전체 본딩에서는 낮은 어닐링 온도를 필요로 하는 하이브리드 본딩 인터커넥션을 제공합니다. SiCN 유전체는 약 250°C에서 높은 본딩 에너지를 달성할 수 있으며, 이는 SiO₂-SiO₂ 본딩에 비해 낮은 void 형성을 보여 신뢰성을 향상시킵니다.

유전체 표면의 활성화 처리는 친수성 기능 그룹을 통해 이루어지며, 활성화 공정은 희석 HF 용액을 사용하는 습식 공정이나 O₂, N₂, Ar 플라즈마를 이용한 건식 공정을 포함합니다.

유전체 본딩의 void는 신뢰성과 전기적 특성을 저하시킬 수 있는 주요 문제로, 신뢰할 수 있는 3D 적층을 위해서는 void가 없는 본딩 인터페이스를 확보하는 것이 중요합니다. SiO₂-SiO₂ 본딩 인터페이스에서의 void는 350°C 이상의 어닐링 후 주로 발생하며, 매달린 결합 밀도가 높은 SiCN 인터페이스는 물 분자와의 화학 반응을 통해 void 생성을 억제할 수 있습니다.

하이브리드 본딩 인터커넥션의 후보로 벤조사이클로부텐(BCB)과 같은 폴리머 유전체가 연구되고 있으며, 최근 연구에서는 사진 이미지 가능한 폴리이미드가 250°C 이하에서 안정적인 본딩을 보였습니다.

Interface reaction mechanism of SiO 2  – SiO 2  bonding based on fusion bonding process.

1. SiO₂ 유전체 본딩 메커니즘

하이브리드 본딩의 유전체 인터커넥션에서 SiO₂ 본딩은 주로 수소와 산소 원자의 상호작용에 기반하여 형성됩니다. 실온에서 수소 결합 네트워크가 형성되고, 물 분자의 존재로 인해 결합이 초기화됩니다. 온도가 100°C 이상으로 상승하면, 수소 결합이 강화되고 200°C 이상에서는 실록산 결합 형성으로 결합 강도가 더욱 증가합니다. 고온 어닐링(700°C 근접) 시 나노 간극이 폐쇄되나, 일부 반도체 제조 공정에서는 제한적인 온도 범위 내에서 어닐링이 이루어져야 합니다.

적용 가능성: DRAM 및 고성능 논리 소자에 필수적

2. SiCN 유전체 본딩 특성

SiCN 본딩은 약 250°C에서 높은 본딩 에너지를 제공하며, 낮은 어닐링 온도에서 강한 결합 형성이 가능해 민감한 소자 제조에 적합합니다. 또한, 이 방식은 나노스케일의 void 형성을 최소화하여 신뢰성과 내구성을 증대시킵니다.

특징: 낮은 온도에서도 높은 본딩 강도와 낮은 void 형성율

3. 유전체 본딩을 위한 표면 활성화

활성화 방법: 본딩 효율을 극대화하기 위해 유전체 표면은 친수성 그룹으로 활성화됩니다. 이는 습식 화학 처리(DHF 용액)와 플라즈마 처리(O₂, N₂, Ar 등)를 통해 이루어지며, 표면 반응성을 높여 본딩 품질을 개선합니다.

4. 본딩 결함 문제

SiO₂-SiO₂ 본딩 시 350°C 이상의 온도에서 void 발생이 주요 문제로 지적됩니다. SiCN 본딩은 상대적으로 낮은 void 형성과 더불어 높은 매달린 결합 밀도를 유지하여 화학 반응을 통한 void 생성을 억제합니다.

5. 폴리머 유전체의 가능성

벤조사이클로부텐(BCB) 및 폴리이미드(PI): 기존 무기 유전체 대비 낮은 온도(180-250°C 이하)에서 본딩 가능성을 제공하며, 하이브리드 본딩의 유연성과 온도 제약을 극복할 수 있는 대안으로 주목받고 있습니다.

 

유전체 본딩 메커니즘의 발전은 SiO₂, SiCN, 폴리머 등 다양한 재료의 사용을 통해 하이브리드 본딩 공정의 효율성과 신뢰성을 향상시킵니다. 이를 통해 고성능 반도체 및 복잡한 3D 적층 구조의 개발을 지원하며, 새로운 기술적 요구를 충족시킬 수 있는 다양한 접근이 가능해졌습니다.

 

참고

A Review on Hybrid Bonding Interconnection and Its Characterization | IEEE Journals & Magazine | IEEE Xplore

A Review on Hybrid Bonding Interconnection and Its Characterization