SiC direct bonding technology is very attractive for both SiCOI(SiC-on-insulator) electric devices and SiC-MEMS(micro electro mechanical system) fields because of its application possibility in harsh environments. This paper presents pre-bonding techniques with variation of HF pre-treatment conditions for 2 inch SiC wafer direct bonding using PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition) oxide. The PECVD oxide was characterized by XPS(X-ray photoelectron spectrometer) and AFM(atomic force microscopy). The characteristics of the bonded sample were measured under different bonding conditions of HF concentration and an applied pressure. The bonding strength was evaluated by the tensile strength method. The bonded interface was analyzed by using IR camera and SEM(scanning electron microscope). Components existed in the interlayer were analyzed by using FT-IR(fourier transform infrared spectroscopy). The bonding strength was varied with HF pre-treatment conditions before the pre-bonding in the range of $5.3 kgf/cm^2$ to $15.5 kgf/cm^2$
3D 적층 IC 개발을 위한 본딩 기술의 현황에 대해 알아보았다. 실리콘 웨이퍼를 본딩하여 적층한 후 배선 공정을 진행하는 wafer direct bonding 기술보다는 배선 및 금속 범프를 먼저 형성한 후 금속 본딩을 통해 웨이퍼를 적층하는 공정이 주로 연구되고 있다. 일반적인 Cu 열압착 본딩 방식은 높은 온도와 압력을 필요로 하기 때문에 공정온도와 압력을 낮추기 위한 연구가 많이 진행되고 있으며, 그 가운데서 Ar 빔을 조사하여 표면을 활성화 시키는 SAB 방식과 실리콘 산화층과 Cu를 동시에 본딩하는 DBI 방식이 큰 주목을 받고 있다. 국내에서는 Cu 열압착 방식을 이용한 웨이퍼 레벨 적층 기술이 현재 개발 중에 있다.
Scholars have proposed wafer-level bonding and three-dimensional (3D) stacked integrated circuit (IC) and have investigated Cu-Cu bonding to overcome the limitation of Moore's law. However, information about quantitative Cu-Cu direct-bonding conditions, such as temperature, pressure, and interfacial adhesion energy, is scant. This study determines the optimal temperature and pressure for Cu-Cu bonding by varying the bonding temperature to 100, 150, 200, 250, and 350 ℃ and pressure to 2,303 and 3,087 N/cm2. Various conditions and methods for surface treatment were performed to prevent oxidation of the surface of the sample and remove organic compounds in Cu direct bonding as variables of temperature and pressure. EDX experiments were conducted to confirm chemical information on the bonding characteristics between the substrate and Cu to confirm the bonding mechanism between the substrate and Cu. In addition, after the combination with the change of temperature and pressure variables, UTM measurement was performed to investigate the bond force between the substrate and Cu, and it was confirmed that the bond force increased proportionally as the temperature and pressure increased.
In 3D integration package using TSV technology, bonding is the core technology for stacking and interconnecting the chips or wafers. During bonding process, however, warpage and high stress are introduced, and will lead to the misalignment problem between two chips being bonded and failure of the chips. In this paper, a finite element approach is used to predict the warpages and stresses during the bonding process. In particular, in-plane deformation which directly affects the bonding misalignment is closely analyzed. Three types of bonding technology, which are Sn-Ag solder bonding, Cu-Cu direct bonding and SiO2 direct bonding, are compared. Numerical analysis indicates that warpage and stress are accumulated and become larger for each bonding step. In-plane deformation is much larger than out-of-plane deformation during bonding process. Cu-Cu bonding shows the largest warpage, while SiO2 direct bonding shows the smallest warpage. For stress, Sn-Ag solder bonding shows the largest stress, while Cu-Cu bonding shows the smallest. The stress is mainly concentrated at the interface between the via hole and silicon chip or via hole and bonding area. Misalignment induced during Cu-Cu and Sn-Ag solder bonding is equal to or larger than the size of via diameter, therefore should be reduced by lowering bonding temperature and proper selection of package materials.
We propose nano-scale Cu direct bonding technology using ultra-high density Cu nano-pillar (CNP) with for high stacking yield exascale 2.5D/3D integration. We clarified the joining mechanism of nano-scale Cu direct bonding using CNP. Nano-scale Cu pillar easily bond with Cu electrode by re-crystallization of CNP due to the solid phase diffusion and by morphology change of CNP to minimize interfacial energy at relatively lower temperature and pressure compared to conventional micro-scale Cu direct bonding. We confirmed for the first time that 4.3 million electrodes per die are successfully connected in series with the joining yield of 100%. The joining resistance of CNP bundle with $80{\mu}m$ height is around 30 m for each pair of $10{\mu}m$ dia. electrode. Capacitance value of CNP bundle with $3{\mu}m$ length and $80{\mu}m$ height is around 0.6fF. Eye-diagram pattern shows no degradation even at 10Gbps data rate after the lamination of anisotropic conductive film.
A simple and versatile method of manufacturing semiconductor devices with pn-junctions used the silicon direct bonding technology with simultaneous impurity diffusion is suggested . Formation of p- or n- type layers was tried during the bonding procedure by attaching two wafers in the aqueous solutions of Al(NO$_3$)$_3$, Ga(NO$_3$)$_3$, HBO$_3$, or H$_3$PO$_4$. An essential improvement of bonding interface structural quality was detected and a model for the explanation is suggested. Diode, Dynistor, and BGGTO structures were fabricated and examined. Their switching characteristics are presented.
A direct wafer bonding process necessary for GaAs-on-insulator (GOI) fabrication with high thermal annealing temperatures was studied by using PECVD oxides between gallium arsenide and silicon wafers. In order to apply some uniform pressure on initially-bonded wafer pairs, a graphite sample holder was used for wafer bonding. Also, a tool for measuring the tensile forces was fabricated to measure the wafer bonding strengths of both initially-bonded and thermally-annealed samples. GaAs/$SiO_2$/Si wafers with 0.5-$\mu$m-thick PECVD oxides were annealed from $100^{\circ}C\;to\;600^{\circ}C$. Maximum bonding strengths of about 84 N were obtained in the annealing temperature range of $400{\sim}500^{\circ}C$. The bonded wafers were not separated up to $600^{\circ}C$. As a result, the GOI wafers with high annealing temperatures were demonstrated for the first time.
The mechanical and electrical characteristics can be improved in 3D stacked IC technology which can accomplish the ultra-high integration by stacking more semiconductor chips within the limited package area through the Cu direct bonding method minimizing the performance degradation to the bonding surface to the inorganic compound or the oxide film etc. The surface was treated in a ultrasonic washer using a diamond abrasive to remove other component substances from the prepared cast plate substrate surface. FE-SEM was used to analyze the bonding characteristics of the bonded copper substrates, and the cross section of the bonded Cu conjugates at the sintering junction temperature of 100 ℃, 150 ℃, 200 ℃, 350 ℃ and the pressure of 2303 N/cm2 and 3087 N/cm2. At 2303 N/cm2, the good bonding of copper substrate was confirmed at 350 ℃, and at the increased pressure of 3087 N/cm2, the bonding condition of Cu was confirmed at low temperature junction temperature of 200 ℃. However, the recrystallization of Cu particles was observed due to increased pressure of 3087 N/cm2 and diffusion of Cu atoms at high temperature of 350 ℃, which can lead to degradation in semiconductor manufacturing.
3-D IC integration enables the smallest form factor and highest performance due to the shortest and most plentiful interconnects between chips. Direct metal bonding has several advantages over the solder-based bonding, including lower electrical resistivity, better electromigration resistance and more reduced interconnect RC delay, while high process temperature is one of the major bottlenecks of metal direct bonding because it can negatively influence device reliability and manufacturing yield. We performed quantitative analyses of the interfacial properties of Al-Al bonds with varying process parameters, bonding temperature, bonding time, and bonding environment. A 4-point bending method was used to measure the interfacial adhesion energy. The quantitative interfacial adhesion energy measured by a 4-point bending test shows 1.33, 2.25, and $6.44\;J/m^2$ for 400, 450, and $500^{\circ}C$, respectively, in a $N_2$ atmosphere. Increasing the bonding time from 1 to 4 hrs enhanced the interfacial fracture toughness while the effects of forming gas were negligible, which were correlated to the bonding interface analysis results. XPS depth analysis results on the delaminated interfaces showed that the relative area fraction of aluminum oxide to the pure aluminum phase near the bonding surfaces match well the variations of interfacial adhesion energies with bonding process conditions.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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