• JSTS:Journal of Semiconductor Technology and Science
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• 제14권5호
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• pp.649-657
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• 2014

In this study, the effects of the frequency-dependent characteristics of through-silicon vias (TSVs) on the performance of 3D ICs are examined by evaluating a typical interconnection structure, which is composed of 32-nm CMOS inverter drivers and receivers connected through TSVs. The frequency-domain model of TSVs is extracted in S-parameter from a 3D electromagnetic (EM) method, where the dimensional variation effect of TSVs can be accurately considered for a comprehensive parameter sweep simulation. A parametric analysis shows that the propagation delay increases with the diameter and height of the TSVs but decreases with the pitch and liner thickness. We also investigate the crosstalk effect between TSVs by testing different signaling conditions. From the simulations, the worst signal integrity is observed when the signal experiences a simultaneously coupled transition in the opposite direction from the aggressor lines. Simulation results for nine-TSV bundles having regular and staggered patterns reveal that the proposed method can characterize TSV-based 3D interconnections of any dimensions and patterns.

• 마이크로전자및패키징학회지
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• 제30권3호
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• pp.11-19
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• 2023

최근 Chat GPT와 같은 인공지능 (Artificial Intelligence, AI) 기술의 급격한 발전에 따라 AI 반도체의 중요성이 강조되고 있다. AI 기술은 빅데이터 처리, 딥 러닝, 알고리즘 등의 요구사항으로 인해 대용량 데이터를 빠르게 처리할 수 있는 능력을 필요로 한다. 그러나 AI 반도체는 대규모 데이터를 처리하는 과정에서 과도한 전력 소비와 데이터 병목현상 문제가 발생한다. 반도체 전공정의 초미세공정이 물리적 한계에 도달함에 따라, AI 반도체의 연산을 위한 최신 패키징 기술이 요구되는 추세이다. 본 고에서는 AI 반도체에 적용가능한 인터포저, TSV, 범핑, Chiplet, 하이브리드 본딩 패키징 기술에 대해서 기술하였다. 이러한 기술들은 AI 반도체의 전력 효율과 연산 속도를 향상시키는데 기여할 것으로 기대된다.

• 대한금속재료학회지
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• 제50권2호
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• pp.152-158
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• 2012

The effect of current waveform on Cu filling into TSV (through-silicon via) and the bottom-up ratio of Cu were investigated for three dimensional (3D) Si chip stacking. The TSV was prepared on an Si wafer by DRIE (deep reactive ion etching); and its diameter and depth were 30 and $60{\mu}m$, respectively. $SiO_2$, Ti and Au layers were coated as functional layers on the via wall. The current waveform was varied like a pulse, PPR (periodic pulse reverse) and 3-step PPR. As experimental results, the bottom-up ratio by the pulsed current decreased with increasing current density, and showed a value of 0.38 on average. The bottom-up ratio by the PPR current showed a value of 1.4 at a current density of $-5.85mA/cm^2$, and a value of 0.91 on average. The bottom-up ratio by the 3-step PPR current increased from 1.73 to 5.88 with time. The Cu filling by the 3-step PPR demonstrated a typical bottom-up filling, and gave a sound filling in a short time.

• 센서학회지
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• 제22권2호
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• pp.130-135
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• 2013

This study proposed a noble process to fabricate TSV (Through Silicon Via) structure which has lower cost, shorter production time, and more simple fabrication process than plating method. In order to produce the via holes, the Si wafer was etched by a DRIE (Deep Reactive Ion Etching) process. The via hole was $100{\mu}m$ in diameter and $400{\mu}m$ in depth. A dielectric layer of $SiO_2$ was formed by thermal oxidation on the front side wafer and via hole side wall. An adhesion layer of Ti and a seed layer of Au were deposited. Soldering process was applied to fill the via holes with solder paste and metal powder. When the solder paste was used as via hole metal line, sintering state and electrical properties were excellent. However, electrical connection was poor due to occurrence of many voids. In the case of metal powder, voids were reduced but sintering state and electrical properties were bad. We tried the via hole filling process by using mixing solder paste and metal powder. As a consequence, it was confirmed that mixing rate of solder paste (4) : metal powder (3) was excellent electrical characteristics.

• 한국표면공학회:학술대회논문집
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• 한국표면공학회 2009년도 추계학술대회 초록집
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• pp.171-172
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• 2009

TSV(through via silicon)를 이용한 Via의 Cu 충전에서 Seed 층의 역할은 전류의 흐름을 가능하게 하는 중요한 역할을 하고 있다. Via에 각각 Ti/Au, Ti/Cu를 증착한 후 Ti/Cu가 Ti/Au를 대체 할 수 있는지를 알아보기 위해 먼저 실리콘 웨이퍼에 via를 형성하고, 형성된 via에 기능성 박막층으로 절연층(SiO2) 및 시드층을 형성하였다. 전해도금을 이용하여 Cu를 충전한 결과 Ti/Au 및 Ti/Cu를 증착한 두 시편 모두 via와 seed층 접합면에 박리 등의 결함이 없었고, via 내부 또한 void나 seam 등이 관찰되지 않고 우수하게 충전된 것을 확인할 수 있었다.

• 마이크로전자및패키징학회지
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• 제24권2호
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• pp.61-67
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• 2017

소자의 트랜지스터 밀도가 급속히 높아짐에 따라 소자 내부에서 발생하는 열 유속(heat flux) 또한 빠르게 증가하고 있다. 소자의 고열 문제는 소자의 성능과 신뢰성 감소에 크게 영향을 미친다. 기존의 냉각방법들은 이러한 고열문제를 해결하기 위해선 한계점에 다다랐고, 그 대안으로 liquid heat pipe, thermoelectric cooler, thermal Si via, 등 여러 냉각방법이 연구되고 있다. 본 실험에서는 직선형 마이크로채널과 TSV(through Si via)를 이용한 액체 냉각시스템을 연구하였다. 두 종류의 냉매(DI water와 ethylene glycol(70 wt%))와 3 종류의 금속 범프(Ag, Cu, Cr/Au/Cu)의 영향을 분석하였으며, 대류, 복사 및 액체 냉각으로 인한 총 열 유속을 계산하여 비교하였다. 냉각 전후의 냉각시스템의 표면온도는 적외선현미경을 통해 측정하였고, 마이크로채널 내 액체 흐름은 형광현미경을 이용하여 측정하였다. 총 열 유속은 ethylene glycol(70 wt%)의 경우 가열 온도 $200^{\circ}C$에서 $2.42W/cm^2$로 나타났으며 대부분 액체 냉각 효과에 의한 결과로 확인되었다.

• 한국표면공학회:학술대회논문집
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• 한국표면공학회 2012년도 추계총회 및 학술대회 논문집
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• pp.123-123
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• 2012

최근 연구되고 있는 TSV(Through Silicon Via) 기술은 Si 웨이퍼 상에 직접 전기적 연결 통로인 관통홀을 형성하는 방법으로 칩간 연결거리를 최소화 할 수 있으며, 부피의 감소, 연결부 단축에 따른 빠른 신호 전달을 가능하게 한다. 이러한 TSV 기술은 최근의 초경량화와 고집적화로 대표되는 전자제품의 요구를 만족시킬 수 있는 차세대 실장법으로 기대를 모으고 있다. 한편, 납땜 재료의 주 원료인 주석은 주로 반도체 소자의 제조, 반도체 칩과 기판의 접합 및 플립 칩 (Flip Chip) 제조시의 범프 형성 등 반도체용 배선재료에 널리 사용되고 있다. 최근에는 납의 유해성 때문에 대부분의 전자제품은 무연솔더를 이용하여 제조되고 있지만, 주석을 이용한 반도체 소자가 고밀도화, 고 용량화 및 미세피치(Fine Pitch)화 되고 있기 때문에, 반도체 칩의 근방에 배치된 주석으로부터 많은 알파 방사선이 방출되어 메모리 셀의 정보를 유실시키는 소프트 에러 (Soft Error)가 발생되는 위험이 많아지고 있다. 이로 인해, 반도체 소자 및 납땜 재료의 주 원료인 주석의 고순도화가 요구되고 있으며, 특히 알파 방사선의 방출이 낮은 로우알파솔더 (Low Alpha Solder)가 요구되고 있다. 이에 따라 본 연구는 4인치 실리콘 웨이퍼상에 직경 $60{\mu}m$, 깊이 $120{\mu}m$의 비아홀을 형성하고, 비아 홀 내에 기능 박막증착 및 전해도금을 이용하여 전도성 물질인 Cu를 충전한 후 직경 $80{\mu}m$의 로우알파 Sn-1.0Ag-0.5Cu 솔더를 접합 한 후, 접합부 신뢰성 평가를 수행을 위해 고속 전단시험을 실시하였다. 비아 홀 내 미세구조와 범프의 형상 및 전단시험 후 파괴모드의 분석은 FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscope)을 이용하여 관찰하였다. 연구 결과 비아의 입구 막힘이나 보이드(Void)와 같은 결함 없이 Cu를 충전하였으며, 고속전단의 경우는 전단 속도가 증가할수록 취성파괴가 증가하는 경향을 보였다. 본 연구를 통하여 전해도금을 이용한 비아 홀 내 Cu의 고속 충전 및 로우알파 솔더 볼의 범프 형성이 가능하였으며, 이로 인한 전자제품의 소프트에러의 감소가 기대된다.

• 마이크로전자및패키징학회지
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• 제20권4호
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• pp.81-85
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• 2013

웨이퍼 적층 기술은 반도체 전 후 공정을 이용한 효과적인 방법으로 향후 3D 적층 시스템의 주도적인 발전방향이라고 할 수 있다. 웨이퍼 레벨 3D 적층 시스템을 제조하기 위해서는 TSV (Through Si Via), 웨이퍼 본딩, 그리고 웨이퍼 thinning의 단위공정 개발 및 웨이퍼 warpage, 열적 기계적 신뢰성, 전력전달, 등 시스템적인 요소에 대한 연구개발이 동시에 진행되어야 한다. 본 연구에서는 웨이퍼 본딩에 가장 중요한 역할을 하는 Cu CMP (chemical mechanical polishing) 공정에 대한 특성 분석을 진행하였다. 8인치 Si 웨이퍼에 다마신 공정으로 Cu 범프 웨이퍼를 제작하였고, Cu CMP 공정과 oxide CMP 공정을 이용하여 본딩 층 평탄화에 미치는 영향을 살펴보았다. CMP 공정 후 Cu dishing은 약 $180{\AA}$이었고, 웨이퍼 표면부터 Cu 범프 표면까지의 최종 높이는 약 $2000{\AA}$이었다.

• 한국정밀공학회지
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• 제31권10호
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• pp.865-871
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• 2014

Paradigm shift to 3-D chip stacking in electronic packaging has induced a lot of integration challenges due to the reduction in wafer thickness and pitch size. This study presents a hybrid bonding technology by self-alignment effect in order to improve the flip chip bonding accuracy with ultra-thin wafer. Optimization of Cu pillar bump formation and evaluation of various factors on self-alignment effect was performed. As a result, highly-improved bonding accuracy of thin wafer with a $50{\mu}m$ of thickness was achieved without solder bridging or bump misalignment by applying reflow process after thermo-compression bonding process. Reflow process caused the inherently-misaligned micro-bump to be aligned due to the interface tension between Si die and solder bump. Control of solder bump volume with respect to the chip dimension was the critical factor for self-alignment effect. This study indicated that bump design for 3D packaging could be tuned for the improvement of micro-bonding quality.

• 센서학회지
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• 제24권1호
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• pp.10-14
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• 2015

This paper reports the results of a study on the optimization of the etching profile, which is an important factor in deep-reactive-ion etching (DRIE), i.e., dry etching. Dry etching is the key processing step necessary for the development of the Internet of Things (IoT) and various microelectromechanical sensors (MEMS). Large-area etching (open area > 20%) under a high-frequency (HF) condition with nonoptimized processing parameters results in damage to the etched sidewall. Therefore, in this study, optimization was performed under a low-frequency (LF) condition. The HF method, which is typically used for through-silicon via (TSV) technology, applies a high etch rate and cannot be easily adapted to processes sensitive to sidewall damage. The optimal etching profile was determined by controlling various parameters for the DRIE of a large Si wafer area (open area > 20%). The optimal processing condition was derived after establishing the correlations of etch rate, uniformity, and sidewall damage on a 6-in Si wafer to the parameters of coil power, run pressure, platen power for passivation etching, and $SF_6$ gas flow rate. The processing-parameter-dependent results of the experiments performed for optimization of the etching profile in terms of etch rate, uniformity, and sidewall damage in the case of large Si area etching can be summarized as follows. When LF is applied, the platen power, coil power, and $SF_6$ should be low, whereas the run pressure has little effect on the etching performance. Under the optimal LF condition of 380 Hz, the platen power, coil power, and $SF_6$ were set at 115W, 3500W, and 700 sccm, respectively. In addition, the aforementioned standard recipe was applied as follows: run pressure of 4 Pa, $C_4F_8$ content of 400 sccm, and a gas exchange interval of $SF_6/C_4F_8=2s/3s$.