최근 전자제품의 소형화, 슬림화, 고속화, 대용량화, 저전력화 등의 다양한 요구를 만족시키기 위하여 전자 패키징 역시 다수의 패키지를 적층하거나, 여러 실리콘 다이를 하나로 패키징하는 3차원 패키징으로 변화하고 있다. TSV (through-silicon-via)는 실리콘 웨이퍼를 수직으로 적층한 후 실리콘 웨이퍼 내부를 관통하는 홀을 형성하여 전기적 신호의 통로로 사용하는 방법으로 여러 가지 3차원 패키징 방법 중 가장 주목 받고 있는 기술이다. 3차원 패키징을 위한 TSV 기술은 웨이퍼에 홀을 형성하는 기술, 형성된 홀에 기능성 박막을 형성하는 기술, 홀에 전도성 물질을 충전하는 기술, 웨이퍼 박막화 기술, 웨이퍼 접합 기술 등의 다양한 공정 기술이 요구된다.

2009년 이후 TSV 기술을 적용한 카메라, 센서와 같은 제품들이 일부 보고되고 있으며, 3차원 패키징을 위한 양산화 연구도 지속적으로 진행되고 있다. 그러나 TSV 기술을 양산 공정에 적용하기 위해서는 아직 해결해야할 과제들이 남아 있다. 그 중에서 Cu로 대표되는 전극과 실리콘 기판의 열팽창 계수 차이 문제는 관통 전극과 주변 실리콘의 전기적 절연 및 100 ㎛ 두께 웨이퍼의 휨 문제와 함께 가장 큰 과제 중 하나이다. 열팽창 계수 차이 문제는 반도체 공정 중 온도 변화에 따라 전극과 기판의 부피가 팽창하거나 수축하는 비율이 다르기 때문에 발생한다. 이 경우 전극이 기판 보다 높게 돌출이 되어 상부에 실장 된 디바이스에 응력을 가하거나 전극과 실리콘 기판이 삐뚤어져 트랜지스터나 배선의 특성을 바꿀 수 있다.

한편, 칩간 연결에 사용되는 Sn계 솔더에서 반도체 소자의 고집적 및 고밀도화로 인하여 반도체 칩 주변의 Sn으로부터 많은 양의 알파 방사선이 방출되어 메모리 셀의 정보를 유실시키는 소프트에러(soft error)가 발생할 수 있는 위험이 높아지고 있다. 또한, 3차원 패키징을 위해서 반도체 칩 적층에 사용되는 범프의 크기 및 피치의 미세화에 따라 접합부의 신뢰성도 중요한 문제 중 하나이다. 기존의 미세 범프의 신뢰성 평가 방법 중 하나인 전단강도를 측정하기 위해서 기판과 실리콘 칩을 접합한 후 칩 자체에 전단응력을 인가하는 방법을 사용하였다. 그러나 이 방법은 TSV 기술에 사용되는 100 ㎛ 두께의 칩에서는 칩 파손 문제로 사용할 수 없으며, 50 ㎛ 이하 범프의 전단 강도에 대한 연구 결과는 부족한 실정이다. 또한, 공정 비용 절감을 위해서 Ag의 함량이 적은 Sn-Ag 솔더 범프 및 다른 조성의 솔더 범프 연구도 필요하다. 따라서 본 연구에서는 TSV 기술의 현존하는 과제 해결에 일조하고자 관통 전극 돌출을 억제하는 방법과 전해도금을 이용한 로우알파 Sn-Ag 범프 형성 및 전단강도 특성을 연구하였다.

연구의 첫 번째 과정으로 유기첨가제를 최소화한 Cu 도금액을 이용하여 4“ 웨이퍼 TSV를 충전한 후 열충격 시험에 의한 Cu 돌출 거동을 관찰하였다. 기존의 유기첨가제를 최소화한 Cu 도금액을 이용한 TSV 충전은 주로 1 × 1 cm 칩 중심으로 연구되어 비교적 용이하게 결함 없는 충전이 가능하였다. 그러나 웨이퍼의 경우 면적이 넓기 때문에 위치에 따라 TSV 충전 거동에 차이가 발생할 수 있다. 최적화 된 1단계 PPR 파형과 2단계 DC를 이용한 결과 4” 웨이퍼 TSV는 위치에 상관없이 균일한 충전 거동을 보였다. 또한, 충전 된 TSV를 -65℃/15분, 150℃/15분의 열충격 시험을 1000 사이클까지 실시했을 때 Cu의 돌출 현상이 발생했다. 첫 번째 연구에서 Cu의 돌출은 기존의 350℃ 이상의 고온 공정에서 뿐만 아니라 반도체 패키징 신뢰성 평가 중 하나인 열충격 시험에 의해서도 발생 할 수 있다는 사실을 확인하였다.

두 번째 과정으로 TSV 기술에서 Cu 돌출을 억제하기 위해 열팽창 계수가 낮은 W을 이용하여 Cu-W 도금을 실시하였다. Cu-W 도금액의 조성, 유기첨가제 및 전류밀도를 변화시키면서 도금특성을 분석하였다. 최적화된 도금 조건을 이용하여 경사각이 11°인 경사형 비아에 Cu-W을 충전시켰다. 돌출 거동을 분석하기 위해 450℃에서 30분 동안 열처리를 실시한 결과 Cu-W의 돌출은 Cu의 약 34%로 돌출을 효과적으로 억제할 수 있었다.

마지막 과정으로 웨이퍼 접합 또는 적층에 사용되는 50 ㎛ 이하 크기 범프 형성 및 전단강도를 분석하기 위하여 로우알파 Sn-Ag에 대해 연구하였다. Non-PR 공정을 이용하여 전해도금으로 로우알파 Sn-1.5wt%Ag 범프를 형성하였다. 리플로 후 Sn-1.5wt%Ag 범프의 평균 직경과 높이는 각각 45 ㎛와 37 ㎛로 측정되었다. 전단강도 시험 결과 전단높이가 5 ㎛와 10 ㎛일 때, 전단속도 10 mm/s에서 가장 높은 전단강도 10.9 gf와 10.3 gf를 보였다.

이상의 연구 결과들로부터 본 논문에서는 전해도금을 이용하여 TSV에 Cu와 Cu-W 충전 및 로우알파 Sn-Ag 범프를 형성하였다. 또한, TSV에 Cu-W을 충전한 연구로부터 온도 변화에 의한 관통전극의 돌출을 억제하여 3차원 패키징의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과적인 방법을 제시하였다. 마지막으로 TSV 위에 50 ㎛이하 로우알파 Sn-Ag의 전단강도를 측정하여, 미세 솔더 범프의 접합부 파괴 거동을 분석하였다.