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성균관대 김태성 교수 연구팀, 공정 비용 대폭 절감한 “차세대 유기물 패키징 기술” 개발 2024.07.01
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성균관대 김태성 교수 연구팀, 공정 비용 대폭 절감한 “차세대 유기물 패키징 기술” 개발

- 차세대 AI 반도체 패키징 공정 간소화 및 수율 향상 기대


▲ (왼쪽부터) 기계공학부 김태성 교수, 이진형 석박통합과정생, 우건후 석박통합과정생, 이규영 석박통합과정생


기계공학부 김태성 교수 연구팀이 반도체 패키징 공정에 들어가는 비용과 과정을 대폭 줄인 '차세대 유기물 패키징 기술'을 개발했다고 밝혔다.


Chat GPT 열풍으로 인공지능(AI) 서버가 빠르게 확산되면서 고성능 그래픽처리장치(GPU), HBM 등 고성능 반도체 수요가 급증하는 가운데 반도체 업계에서는 미세 공정의 물리적 한계를 극복하기 위해 로직칩, 메모리 등 개별 반도체를 수직으로 적층하여 성능을 최적화하는 3D 패키징 기술의 중요성이 커지는 추세다.


HBM은 여러 개의 D램을 수직으로 연결해 기존 D램보다 데이터 처리 속도를 혁신적으로 끌어올린 고대역폭 초고속 메모리로 AI 반도체에 필수다. 데이터 중심의 산업구조 개편과 AI 기반 전 산업 분야 융합이 가속화 됨에 따라 반도체의 필요성이 확대되면서 HBM의 수요는 급격한 증가세를 보일 전망이다. 하지만, 이질적인 물질 간의 열 팽창 계수, 낮은 접합 신뢰성, 낮은 열안정성 등으로 인해 신규 3D 이종 직접화 기술 개발이 반드시 필요한 상황이다.


이에 연구팀은 기존의 3D 이종 집적화 기술의 한계를 해결하기 위하여 Cu 표면 위에 NHC (N-heterocyclic carbene) 자가조립 단분자막을 전기화학 증착법을 통해 선택적으로 증착한 뒤, Cu 표면 위에 선택적으로 증착된 NHC (N-heterocyclic carbene) 자가조립 단분자막을 기반으로 170도, 1분 조건에서 3D 이종 직접화 (Cu-NHC-Cu)에 성공하였다.

▲ 저온 및 대면적 이종집적 가능한 “차세대 유기물 패키징 플랫폼”의 모식도


Cu-NHC 구조의 열적 안정성을 확인하기 위하여 열 충격 실험이 0도~170도 / 5회 반복 조건으로 진행되었고, 기존에 가장 널리 사용되는 구리 부동태 층인 Cu-BTA (benzotriazole) 구조와 함께 열 충격 전과 후의 유기 박막 표면 및 수직 단면 이미징을 통해 170도 열 충격 조건에서 Cu-NHC 구조만 매우 안정적임을 확인하였다.


마찬가지로, NHC 박막의 전도성을 검증하기 위하여 conductive AFM 이미징이 절연 특성을 지니는 Cu-BTA (benzotriazole) 구조와 함께 진행되었으며, Cu-NHC 구조에서만 전하 밀도가 낮은 Carbene 원자로 터널링이 발생하여 전도 특성을 지니는 것을 검증하였다. 또한,  Cu-NHC 구조를 원자 힘 현미경 탐침으로 힘-거리 분광법을 각 픽셀마다 측정하여 기계적인 특성도 계측하였다. 마지막으로, 실제 3D 이종 직접화된 Cu-NHC-Cu 구조의 단면 이미지를 통해 접합 (170도, 1분 조건) 이후에도 이종 접합 계면 상태와 NHC 자가조립 단분자막이 안정적으로 존재함을 확인하였다.


김태성 교수는 "기존 3D 이종직접화 기술에서 사용되던 유기물을 기능적 관점에서 바라볼 수 있는 연구로, NHC 자가조립 단분자막은 높은 열안정성, 전도성, 공정 간소화 등 획기적으로 기존 공정의 한계를 뛰어넘으며 차세대 반도체 원천 기술 경쟁력 강화와 시스템 반도체 글로벌 공급망 확보에 크게 기여할 수 있을 것"이라고 밝혔다. 본 연구는 한국연구재단과 한국기초과학연구원의 연구결과로 나노미터 (nm) 수준의 3D 패키징 기술에 다양하게 적용 가능함에 따라 향후 국내 반도체 초격차를 이어갈 주요 기술이 될 것으로 기대된다.


이번 연구 성과는 재료과학 및 나노과학 / 기술 분야의 세계적인 학술지인 ‘ACS Applied Materials & Interfaces'에 6월 28일 온라인 게재됐다.


※ 논문명: Ultrastable 3D Heterogeneous Integration via N-Heterocyclic Carbene Self-Assembled Nanolayers

※ 저자명: Taesung Kim (교신저자), Jinhyoung Lee, Gunhoo Woo, Gyuyoung Lee (제 1저자) Jongyeong Jeon, Seunghwan Lee, Ziyang Wang,Hyelim Shin, Gil-Woo Lee, Yeon-Ji Kim, Do-Hyun Lee, Min-Jae Kim, Eungchul Kim, Hyunho Seok, Jinill Cho, Boseok Kang, You-Shin No, Won-Jun Jang (공동저자)

※ 논문 링크: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.4c04665

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