[논문 Review] TSV Defect 종류 및 형성 매커니즘
이전 포스팅에서는 TSV를 형성하는 공정인 Bosch Etch에 대해 자세히 설명드린 바 있습니다. 이번 포스팅에서는 TSV에서 발생하는 결함(Defect)의 형성 매커니즘에 대해 설명드리고자 합니다. 해당 매커니즘을 정확히 이해하시기 위해서는 앞서 설명드린 Bosch Etch 공정에 대한 이해가 필수적입니다. 아직 이전 포스팅을 확인하지 않으셨다면, 먼저 읽어보시기를 권해드립니다.
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[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 T
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Defect의 명칭은 참고한 논문에서 사용한 용어를 그대로 따온 것입니다. 따라서 본 포스팅에서 사용한 Defect 이름은 특정 논문의 표현이며, 상황이나 논문에 따라 다른 용어로 명명될 수 있다는 점 참고 부탁드립니다. 제가 참고한 논문은 아래와 같습니다.
① A study of the mechanisms causing surface defects on sidewalls during Si etching for TSV ② Optimization of TSV Leakage in Via-Middle TSV Process for Wafer-Level Packaging
1. 공정(Bosch Etch)에 의한 Defect
(1) Upward Surface defect
해당 불량은 ② Passivation Removal 단계에서 하부와 측벽의 경계면에 존재하던 Passivation Polymer가 제거되면서 발생합니다. 이후 Si Etch 시 해당 부위가 손상을 입어 표면이 거칠어지고, 불균일한 프로파일이 형성됩니다. Etch 이후 다시 Passivation을 진행하더라도, 이미 거칠어진 표면에서는 Passivation이 균일하게 형성되지 않아 표면 상태가 지속적으로 거칠어지게 됩니다.
(2) Downward Surface defect
해당 불량은 ① Passivation 단계에서 ③ Si Etch로 전환되는 시점에, 챔버 내에 잔류한 Passivation Polymer가 Etch를 방해하면서 발생합니다. 이전 포스팅에서 잠시 언급하였듯이 Si Etch를 위한 [F] Radical이 Polymer와 결합하여 Si Etch가 제대로 이루어지지 않습니다. 따라서 Etch 초기에는 잔류 Polymer로 인해 거친 프로파일이 형성되며, Etch가 계속 진행되면서 Polymer가 제거되어 점차 정상적인 프로파일로 회복됩니다. 하지만 Etch 초기에 형성된 거친 표면은 그대로 남아 결함으로 이어질 수 있습니다.
(3) Sponge-like surface defect
해당 불량은 ① Passivation 단계에서 Polymer 내부에 발생한 Void로 인해 발생합니다. Void가 존재하는 영역은 Polymer 두께가 얇게 되고, 이후 Si Etch 시 충분히 측벽을 보호하지 못해 표면에 Damage가 발생하게 됩니다. 이로 인해 전체적으로 스폰지 형태의 거친 프로파일이 형성됩니다.
2. Si Wafer BMD에 의한 Si Fin defect
(1) Si Fin defect 형성 매커니즘
해당 Defect은 공정 기인성이 아닌, 실리콘 웨이퍼 원자재에 의해 발생하게 됩니다. 실리콘 웨이퍼 내에는 실리콘 단결정 잉곳 성장 과정동안 주입된 산소가 존재합니다. 실리콘 웨이퍼 내 산소는 Interstitial Oxygen 형태로 존재하다가 고온 공정으로 인해 산소 침전물 (Oxygen Precipitates, SiO2)로 변하게 됩니다. 이를 Bulk Micro Defect (BMD)라고 부르게 됩니다.
Si Etch는 SF₆ 가스를 이용하여 실리콘을 선택적으로 제거하는 공정입니다. 따라서 TSV Etch 중에 BMD(Bulk Micro Defect) 영역을 만나게 되면, 해당 부분이 정상적으로 식각되지 않게 됩니다. 그 결과, TSV 하부에 실리콘이 잔존하는 Fin 형태의 Defect이 발생하게 됩니다. 이러한 Defect는 후속 Barrier Metal 및 ECP Cu 공정에서 불량을 유발하고 Cu가 TSV 외부로 Diffusion되는 문제가 발생하게 됩니다.
(2) Si Fin defect 개선 방안
Si Fin Defect의 근본적인 개선 방안은 Wafer 내 [O] 농도가 매우 낮은 Wafer를 사용하는 것입니다. 그러면 BMD 형성이 감소하고 Si Fin Defect을 개선할 수 있습니다. 실제로 한 논문에서 BMD Density가 작을수록 TSV Si Fin Defect이 개선되어 TSV Leakage가 감소한다는 결과를 볼 수 있었습니다.
하지만 BMD는 TSV Defect의 원인이 되기도 하지만, 동시에 Wafer 내 금속 불순물을 포획하는 역할도 합니다. 금속 불순물이 Wafer 내부로 침투하면, 높은 확산 계수로 인해 자유롭게 이동하게 됩니다. 이때 Wafer Bulk에 존재하는 BMD와 결합하면서 금속 산화물 형태로 고정됩니다. 이렇게 결합된 금속 불순물은 에너지적으로 안정된 상태, 즉 Potential Well(에너지 우물)에 갇히게 되어 다시 확산되기 어려워집니다. 이러한 현상을 Intrinsic Gathering이라 부릅니다.
금속 불순물은 디바이스 성능을 감소시킬 수 있습니다. Si Bandgap 내에 에너지 준위를 형성하여 Trap을 형성할 수 있고, 이로 인해 캐리어를 산란시켜 Mobility를 감소시킬 수 있습니다. 또한, Gate Oxide 내부로 침투하여 TDDB(Time-Dependent Dielectric Breakdown)나 Vt 변화를 유발할 수도 있습니다. 따라서 BMD를 통해 금속 불순물을 포획하는 것은 소자 특성에 매우 중요합니다.
따라서 BMD 농도를 줄이기 어렵다면, Denuded Zone을 형성하여 Si Fin Defect을 개선할 수 있습니다. Denuded Zone(DZ)은 BMD가 존재하지 않는 영역을 의미하며, 만약 DZ가 TSV 깊이보다 깊은 웨이퍼를 사용한다면 TSV가 BMD의 영향을 받지 않게 되어 Si Fin Defect을 개선할 수 있습니다.
3. TSV Profile 불량에 따른 신뢰성 문제
위에서 소개한 공정 및 BMD에 의한 TSV Profile 불량은 신뢰성 문제와 연결됩니다. TSV Etch 이후 Dielectric Depo → Barrier Metal Depo → Cu ECP 공정 순으로 진행되는데 Dielectric이나 Barrier Metal이 제대로 증착되지 않아 Cu Diffusion이 발생할 수 있습니다. 따라서 소자의 수명이 저하되게 됩니다.
