[논문 Review] TSV Defect 종류 및 형성 매커니즘 - Background

금일은 TSV Defect 종류 및 형성 매커니즘을 주제로 작성해보겠습니다. 이 글을 작성하기 위해서 2가지 논문을 참고하였습니다. 

① A study of the mechanisms causing surface defects on sidewalls during Si etching for TSV (through Si via)
② BMD impact on silicon fin defect at TSV bottom

 

내용이 길어질 수 있어 이번 포스팅에서는 논문 Review에 앞서 TSV와 TSV Etch 공정인 "Bosch Etch"에 대해 설명하겠습니다. Bosch Etch 관련한 정보는 해당 설비를 생산하는 SAMCO 社 튜토리얼을 참고하였습니다.

https://www.samcointl.com/news-events/tutorials/what-is-the-bosch-process/

Part 2 – What is the Bosch Process (Deep Reactive Ion Etching)? | Samco Inc.

1. Through Si Via (TSV)

TSV란 기존 와이어를 이용해 칩을 연결하는 대신 칩에 미세한 구멍을 뚫어 상단 칩과 하단 칩을 전극으로 연결하는 미세한 구멍을 뚫어 칩 상하단의 구멍을 전극으로 연결하는 패키징 기술입니다. 칩을 적층해 대용량을 구현하는 기술로, 기존 금선(와이어)을 이용해 칩을 연결하는 와이어 본딩(Wire Bonding) 기술보다 속도와 소비전력을 크게 개선할 수 있는 것이 특징입니다.

그림 1. Wire Bonding과 TSV

 

TSV 공정은 기본적으로 Fab에서 형성시키게 됩니다. Transistor를 만들고 TSV를 만들어줍니다. ① Si Etch → ② TSV Cu Fil → ③ TSV Cu CMP 등 과정을 통해 TSV를 형성한 뒤 ④ Metal Line 및 Al Pad를 형성시킵니다. 이렇게 만들어진 TSV는 PKG 공정으로 넘어가서 Bump가 형성되고 칩이 적층되게 됩니다.

그림 2. TSV Process Flow

2. Bosch Etch

(1) Introduction of Bosch Etch

 

Bosch Etch는 TSV를 형성하기 위한 Etch 공정입니다. Aspect Ratio가 매우 높은 TSV를 형성하기 위해서는 Anisotropic Etch를 진행해야합니다. 따라서 C4F8 Polymer를 통해 측벽을 Passivation하고 SF6 Gas에 Bias를 가해 하부 Polymer를 제거해줍니다. 이후 SF6 Gas를 통해 하부 Si을 Etch해 나갑니다. 해당 Process를 계속 반복하여 TSV는 형성됩니다.

즉, Bosch Etch는 Passivation → Removal → Si Etch를 짧은 시간동안 Cycle로 반복해나가는 공정입니다.

그림 3. Bosch Etch Process

 

(2) Bosch Etch Gas

 

해당 반응에 대해 자세히 이야기해보겠습니다. Passivation에 사용되는 C4F8은 Ring 형태이지만 Plasma에 의해 결합이 깨지고 CF2 Polymer가 형성됩니다. 해당 Polymer가 표면에 증착되면서 Passivation 됩니다.

 

Si Etch에 사용되는 SF6는 Plasma에 의해 SF6 → SF4 + 2F로 해리되고, 해리된 Fluorine은 Si과 반응하여 SiF4 Gas를 만들어 냅니다. 해당 반응을 통해 Si은 Etch 됩니다. 추가로 CF4와 NF3를 쓰지 않는 이유는 CF4는 CF4 → CF3 + F  반응을 통해 해리될 수 있지만 가역적인 반응으로 CF3 + F→ CF4 반응하여 다량의 Fluorine을 만들어내기 어렵습니다. 또한 NF3는 Si 표면을 질화시켜 Etch Rate이 급격하게 감소하게 됩니다.

그림 4. Bosch Etch 화학반응

 

Bosch Etch를 3단계로 구분해서 진행하는 이유에 대해서 설명하겠습니다. Passivation 해주는 C4F8과 Si Etch하는 SF6가 만나면 Polymer에 [F]이 결합하면서 Passivation이 되지 않습니다. 따라서 Gas switching을 통해 C4F8과 SF6를 분리해주는 과정이 필요합니다. 이번에 소개할 TSV Defect 중에 Gas switching이 원활히 되지 않아 발생한 사례가 있습니다. 후속 논문 Review 시 자세히 설명하도록 하겠습니다.

그림 5. Bosch Etch Cycle 공정 이유

 

(3) TSV Profile

 

앞에서는 Bosch Etch에 사용되는 Gas 및 반응에 대해 알아보았습니다. 이번에는 RF Power에 따른 TSV Profile 변화에 대해 알아보겠습니다. TSV에서는 Profile이 매우 중요합니다. Profile을 조절하는 방법은 앞에서 언급한 Gas의 유량, 설비 내 Parameer (Power, Voltage) 등이 있습니다.

설비 내 Parameter는 가장 대표적으로 RF Power가 있습니다. RF Power는 Voltage와 Current의 곱으로 표현되는데, Voltage를 증가시키면 Ion에 의해 Physical Etch의 비율이 증가하게 되고, Current를 증가시키면 Plasma Density가 증가하면서 Radical에 의한 Chemical Etch 비율이 증가하게 됩니다.

 

즉, 동일 RF Power에서 각 Parameter를 조절할 시 TSV Profile은 아래와 같이 변화합니다. 따라서 Physical Etch와 Chemical Etch의 비율을 잘 조절하여 원하는 TSV Profile을 만드는 것이 중요합니다.

① 전압을 증가시키면 Physical Etch에 의해 Passivation Polymer가 제거되어 Reverse taper profile 유발

② 전류를 증가시키면 Passivation Polymer가 제대로 제거되지 못해 마스킹되어 Si Grass 불량을 유발하거나 Radical에 의한 Etch Rate이 급격하게 증가하면서 Bowing profile 유발

그림 6. RF Power에 따른 TSV Profile 변화