O2 플라즈마를 이용한 접합 처리 조건에 따른 SiCN-SiCN 본딩 특성

SiCN-SiCN Bonding Characteristics according to Bonding Conditions Using O2 Plasma

하이브리드 본딩은 미세 배선과 절연층을 동시에 형성함으로써 3D 패키징을 구현할 수 있는 기술로 주목받고 있다. SiCN은 low-k 특성과Cu 확산방지 기능으로 인해 기존의 SiO2 절연층의 단점을 보완할 수 있어 최근 SiCN을 이용한 하이브리드 본딩이 활발히 연구되고 있다. 본연구에서는 SiCN-SiCN 본딩 시 O2 플라즈마를 이용하여 본딩 압력, 어닐링 압력, 어닐링 온도 조건에 따른 본딩 특성을 관찰하였다. 산소 플라즈마 처리 전후로 표면 거칠기가 0.23 nm에서 0.16 nm로 감소하였으며 접촉각 또한 70.5°에서 4.36°로 큰 폭으로 감소하였다. SiCN-SiCN 본딩 이후 본딩 계면을 투과전자현미경을 이용하여 관찰한 결과 본딩 계면에 산화층이 형성된 것이 확인되었다. 상온 본딩 압력과 어닐링 온도, 압력에 따른 본딩 면적과 본딩 강도를 비교하였다. 본딩과 어닐링 시 모두 압력을 가하지 않을 경우 본딩이 이루어지지 않고 본딩 시 또는어닐링 시에 압력을 가해야 본딩이 이루어졌다. 상온 본딩시 압력을 가할 수록, 어닐링 압력과 온도가 높을 수록 본딩된 면적이 넓어지고 전체적인 본딩 강도가 증가하는 경향을 보였다.

Hybrid bonding is a promising technology for 3D packaging, enabling the simultaneous formation of fine interconnects and dielectric layers. To address the limitations of conventional SiO2, such as its vulnerability to Cu diffusion, silicon carbonitride (SiCN) has emerged as a superior alternative due to its low-k properties and effectiveness as a diffusion barrier. This study investigates the SiCN-SiCN bonding characteristics under various process parameters, including bonding pressure, annealing pressure, and annealing temperature, following an O2 plasma surface activation. The plasma treatment was found to be effective, reducing the surface roughness from 0.23 nm to 0.16 nm and drastically lowering the water contact angle from 70.5° to 4.36°. Transmission electron microscopy (TEM) analysis of the bonded interface revealed the formation of an intermediate oxide layer. A systematic comparison showed that the application of pressure during either the initial room-temperature bonding or the subsequent annealing step was essential for a successful bond. Furthermore, the bonded area and overall bonding strength exhibited a clear positive correlation with increases in bonding pressure, annealing pressure, and temperature.