일본 토레이는 새로운 분자설계 기술과 가교 기술을 이용하여 높은 내약품성과 내열성을 가지면서도 170도의 저온경화가 가능하며 잔류응력이 종래의 저온경화형 재료의 약 절반에 해당하는 13MPa 이하의 포지형 감광성 폴리이미드를 세계 최초로 개발하였다고 밝혔다. 이 재료는 포지형이 가지는 우수한 해상특성을 보유하고 있을 뿐 아니라, 범용 알칼리 수용액을 이용한 현상이 가능한 것이 특징이다. 특히 저온경화, 저응력이 요구되는 차세대 반도체 소자의 용도를 중심으로 다수의 반도체 업체가 기술의 평가를 진행 중이다.
[이 재료의 특징]
(1) 170 ℃ 정도의 저온에서 경화 수 있다 (2) 치료 후의 잔류 응력이 13MPa, 지금까지 저온 경화 재료에 비해 약 절반 작은 웨이퍼의 변형이 거의 일어나지 않는다. (3) 포지티브형의 감광성을 가지고 있으며, 두께 5μm의 경우 3μm 패턴 해상 수 있다. (4) 범용 레지스터 현상액이다 알칼리 수용액 (2.38 % TMAH)에서 현상 수 있다. (5) 범프 5) 형성 과정에 견딜 내약 품성을 가지고 있다. (6) 솔더 프로세스 (260 ~ 280 ℃)에 견딜 300 ℃ 이상의 우수한 내열성을 가지고 있다. (7) 기계 물성은 신도 15 ~ 40 %로 종래의 폴리이 미드 재료와 손색 없다.
[두께 5μm · 선폭 3μm 패턴보기] [두께 5μm · 선폭 3μm 패턴보기] 170 ℃ 경화 250 ℃ 경화
최근 휴대형 정보단말기 등 IT 기기의 고기능화와 다기능화가 진행되고 있는 가운데, 이러한 기기의 핵심 소자인 반도체 소자의 처리능력을 고도화하고자 하는 요구가 높아지고 있다. 반도체 소자의 미세화와 고속화를 실현하기 위해 회로를 형성할 때 저유전율 층간절연막[주1]과 고유전율 게이트절연막의 도입이 진행되고 있으나, 막 구조의 취약에 따른 내열성의 저하와 열에 의한 성능의 변화 등의 문제가 지적되고 있다. 또한 반도체 소자의 고밀도화를 진행하기 위해 반도체 칩의 적층 기술과 TSV(through silicon via)[주2] 구조의 채용이 보급되고 있으나, 칩이 박형화 됨에 따라 열처리 후 잔류응력에 의한 웨이퍼의 휨 현상이 과제로 지적되고 있다. 이러한 반도체 소자의 신뢰성을 높이기 위해서는 저온경화가 가능하며 저응력 특성을 가지는 보호막[주3] 소재가 필요하다. 특히 높은 해상도를 얻을 수 있는 포지형 감광성 코팅 재료에 대한 요구가 매우 높다.
[주1] 층간절연막: 반도체 디바이스 상에 수 층의 배선을 형성하는 다층배선기술에서는 각 층의 배선 및 같은 층 내부의 배선을 전기적으로 절연하기 위해 층간절연막을 이용하여 배선을 피복한다. 이 때 집적회로를 고속화 하기 위해서는 트랜지스터 사이를 접속하는 배선저항과 배선 간에 축적되는 전기용량을 줄일 필요가 있으며, 따라서 저유전율 특성을 가지는 절연막의 도입이 진행되고 있다.
[주2] TSV 구조(Through-Silicon Via): 복수의 반도체 칩을 수직으로 쌓아 올리는 방식의 하나이다. TSV 구조 이전의 적층 실장 방법에서는 반도체 칩을 조금씩 엇나가게 적층하여 와이어본딩 방식으로 외부와 접속해 왔다. 이에 비해 TSV 방식에서는 칩 내에 비아홀을 형성하여 적층함으로써 반도체 칩 크기로 실장이 가능할 뿐만 아니라, 배선간의 거리가 짧아져 고속응답에 용이하다. 따라서 특히 DRAM의 소자에서 TSV화가 검토되고 있다.
[주3] 보호막: 표면의 보호와 잔류응력의 완화를 목적으로 하는 소재이다. 봉지재와 실리콘 사이에 배치하며 양자의 열팽창계수 차이에 의해 발생하는 크랙을 방지하는 버퍼층으로 기능한다.
이번에 토레이 연구팀이 개발한 포지형 감광성 폴리이미드는 폴리이미드의 분자구조와 가교제를 새로 설계하는 방법으로 지금까지 요구되어 온 내약품성과 내열성을 크게 향상시키면서 에폭시 수지와 비슷한 수준인 170도에서의 저온경화를 세계 최초로 실현하였다. 또한 종래의 저온경화형 재료의 절반에 해당하는 13MPa의 저잔류응력 특성을 달성하였다. 아울러, 범용 알칼리 수용액으로 현상이 가능하기 때문에 환경을 배려한 설계라고 할 수 있다.
미세화와 고속화가 진행되고 있는 차세대 반도체 디바이스 분야에서는 신뢰성과 수율 향상을 위한 저온경화 및 저응력 특성을 가지는 보호막이 필요하다. 따라서 이에 적합한 감광성 코팅 소재의 개발이 필수적이다. 지금까지 200도정도에서 경화가 가능한 감광성 소재는 있었지만 저온처리에 대한 기술적인 요구가 더욱 강해지고 있으며, 현재는 170도 정도에서 경화가 가능한 재료가 요구되고 있다.
아울러, 지금까지 저온경화형 재료는 노광 부분이 불용화되는 네가(negative)형이 주류였으나, 반도체 분야에서 보다 높은 해상도가 필요하다는 점에서 노광한 부분이 가용화 되는 포지(positive)형 감광성 폴리이미드 소재에 대한 개발 요구가 더욱 높아지고 있는 시점이다. 네가형의 경우에는 노광 부분이 가교반응을 일으켜 현상 과정에서 잔류하기 때문에 내약품성이나 내열성의 향상이 비교적 용이하지만, 포지형의 경우에는 광분해 반응을 이용하기 때문에 광반응에 의한 물성의 향상이 어렵다는 과제를 가지고 있었다.
토레이의 연구팀이 이번에 개발한 포지형 폴리이미드 소재는 폴리이미드의 분자구조를 새로 설계하는 한편, 패턴 가공시에 추가되는 120도의 열처리에서는 반응하지 않고, 170도에서 충분히 반응하는 독자적인 가교제 설계를 수행함으로써 납땜 공정에 견딜 수 있는 높은 내약품성과 높은 내열성을 실현하였다. 이에 따라 지금까지는 불가능했던 에폭시 수지와 동등한 수준인 170도에서의 저온경화를 실현함과 동시에 저응력 특성을 달성하여 칩 적층시에 문제로 지적되어 온 웨이퍼의 휨 문제를 크게 개선할 수 있게 되었다.
원본출처: toray.co.jp
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