차세대 본딩 기술로 하이브리드 본딩이 부각되고 있다. 하이브리드 본딩은 솔더볼이나 범프가 아닌 구리(Cu) 연결을 통해 IO를 늘리는 기술이다. 삼성전자도 하이브리드 본딩 도입을 위한 준비에 나섰다. 특히 삼성전자는 하이브리드 본딩에서 디싱(Dishing) 컨트롤과 표면 액티베이션 등 문제 해결에 주목하고 있다.

정현철 삼성전자 AVP개발실 PL은 《디일렉》이 26일 서울 역삼 포스코타워에서 개최한 '반도체 하이브리드 본딩 콘퍼런스'에서 '하이브리드 본딩 공법 현황과 핵심 요소기술'을 주제로 발표했다.

정현철 PL은 "시스템 반도체와 메모리 반도체 성능 격차는 계속해서 벌어지고 있는 상황"이라며 "이를 해결하기 위해 2.5D, 3D 영역에서의 인터페이스 혁신이 필요하다"고 전했다.

인터페이스 혁신을 주도할 기술 중 대표적인 게 하이브리드 본딩이다. 하이브리드 본딩은 웨이퍼와 이종 칩 다이를 Cu-Cu를 통해 연결하는 기술이다. 솔더볼이나 범프에 비해 피치와 배선 길이를 줄일 수 있다는 장점이 있다.

정현철 PL은 "하이브리드 본딩에서 핵심 기술은 디싱 컨트롤과 표면 액티베이션을 꼽을 수 있다"고 말했다.

하이브리드 본딩은 크게 다이 표면 가공, 다이-웨이퍼 접착, 어닐링으로 이뤄진다. 이 가운데 디싱은 다이 표면 가공에서 발생한다. 다이 표면 가공은 다이와 웨이퍼를 부착하기 위한 전처리 단계다. 화학적기계연마(CMP)를 통해 다이와 웨이퍼의 유전체(SiO2) 및 Cu 표면을 평탄화한다. 평탄화 과정 중에 Cu 표면이 오목하게 파이는 디싱이 발생하며, 이로 인해 Cu-Cu 결합 강도가 감소한다. 

최악의 경우에는 Cu 간 결합이 이뤄지지 않는 일도 일어난다. 최근 어플라이드머티어리얼즈(어플라이드)에서 출시한 '카탈리스트 CMP 솔루션' 등이 디싱 컨트롤을 위한 장비다. 이후, 유전체 결합을 위한 플라즈마 처리를 한다. 활성화된 표면은 어닐링 과정에서 낮은 온도에서도 유전체간 결합이 가능케 한다.

다이-웨이퍼 접착은 활성화된 다이와 웨이퍼를 15뉴턴(N) 이하 힘으로 붙이는 공정이다. 이 공정에서는 반데르발스 힘(van der Waals force)에 의해 유전체가 결합한다. 반데르발스 힘은 가까운 거리에서 분자 간 발생하는 인력이나 척력을 뜻한다. 마지막으로 어닐링 단계에서는 반데르발스 힘을 통해 연결된 다이와 웨이퍼를 400°C가량 열을 가해 완전히 결합시킨다. 이 과정에서 Cu-Cu간 결합이 진행되고, 유전체는 공유결합과 이온결합을 통해 합쳐진다.

정 PL은 하이브리드 본딩 시 파티클 제거도 중요하다고 강조했다. 파티클이 표면에 남아있으면 어닐링 과정에서 100~200배 팽창하는 등의 문제가 생긴다. 통상적으로 하이브리드 본딩 시 0.5µm 이상 파티클 제거는 필수적인 것으로 알려졌다. 파티클 방지를 위해 클린룸에서 공정을 진행해야 한다는 얘기다.

디일렉=노태민 기자 tmnoh@bestwatersport.com
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