[논문]유기물 첨가제와 펄스-역펄스 전착법을 이용한 구리 Via Filling에 관한 연구

이석이; 이재호

유기물 첨가제와 펄스-역펄스 전착법을 이용한 구리 Via Filling에 관한 연구
Copper Via Filling Using Organic Additives and Wave Current Electroplating 원문보기

반도체 소자의 집적도가 높아짐에 따라 3D SiP에 대한 관심이 높아지고 전기도금법을 이용한 구리 via filling이 활발히 연구되어왔다. Via filling시 via 입구와 바닥에 전류밀도 차이로 인해 via 내부에 결함이 발생하기 쉽다. 여러 가지 유기물 첨가제와 전류인가 방식의 변화를 통한 via filling을 하였다. 첨가된 유기물은 PEG, SPS, JGB, PEI를 사용하였다. 유기물이 첨가된 용액을 이용하여 펄스와 역펄스 방법을 이용하여 via filling을 하였다. 유기물의 첨가에 따른 도금된 구리 입자의 크기 및 형상에 관하여 고찰하였으며 도금 후 via 시편의 단면을 FESEM으로 관찰하였다. JGB에 비하여 PEI를 사용한 경우 치밀한 도금층을 얻을 수 있었다. 2 step via filling을 사용한 경우 via filling 시간을 단축시킬 수 있었다.

Copper deposition studies have been actively studied since interests on 3D SiP were increased. The defects inside via can be easily formed due to the current density differences on entrance, bottom and wall of via. So far many different additives and current types were discussed and optimized to obtain void-free copper via filling. In this research acid cupric sulfate plating bath containing additives such as PEG, SPS, JGB, PEI and wave current applied electroplating were examined. The size and shape of grain were influenced by the types of organic additives. The cross section of specimen were analyzed by FESEM. When PEI was added, the denser copper deposits were obtained. Electroplaing time was reduced when 2 step via filling was employed.

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문제 정의

본 연구의 목적은 via filling에 영향을 주는 도금액 중 첨가제가 구리도금 결정립에 미치는 영향을 고찰하고 전류 인가 방식을 변화하여 결함이 없는 via filling 방법을 찾는데 있다.

제안 방법

2은 carbon RDE를 이용하고 전류밀도는 5 mA/cnf로 고정 하고 구리기 본 전해 액 인 stock solution에 첨 가제를 바꿔 가며 도금을 실시한 후 표면 형상을 FESEM으로 관찰한 결과이다. 구리 RDE를 사용한 경우 핵 생성과 성장이 매우 빠른 시간내에 일어나므로 첨가제에 따른 구리 결정 립의 형상을 보다 정확히 관찰하기 위해 구리기판이 아닌 carbon기판 상에서 도금을 실시하였다. 첨가제들이 바뀜에 따라 음극 표면에서 구리 도금층의 결정립 형상과 성장이 바뀜을 알 수 있다.
전류 인가 방식은 직류전류 (direct current), 펄스전류 (pulse current), 펄스-역 펄스 전류(pulse-reverse current)가 이용되었고, 공정 후 시편의 종단면과 횡단면을 경면 가공하여 SEM, FESEM으로 관찰하였다. 도금 시간 단축을 위한 실험은 2단계로 전류밀도를 나누어 전류를 인가하고 시간에 따른 via filling 정도를 관찰하였다. 모든 via 시 편은 5% 황산 용액 에서 전쳐리를 하고 도금을 실시하였다.
또한 p-type(lOO) Si wafor에 DRIE법으로 깊이 170-190 gm 직경 50 μm의 약 3.5:1의 종횡비를 가지는 via와 깊이 100 pm, 직경 20 呻의 약 5:1의 종횡비를 가지는 via를 형성시킨 후 IMP(Ionized Metal Plasma)의 방법을 이용하여 확산 방지 증으로 Ta층(200 nm)과 씨 앗 층으로 Cu(700 nm)가 증착 된 시편을 사용하여 펄스-역 펄스 전류를 사용하여 파형을 변화시 키면서 via filling을 실시 하였다. 첨 가제는 chloride ion(Cl ), PEG SPS, JGB, PEI 등이 이용되었다.
본 실험에서는 첨가제의 종류에 따라 결정립의 형상을 알아보기 위해 carbon기판으로 회전전극 (rotating disc electrode, RDE)을 제작한 후 기본 구리 전해 액 인 stock solution에 첨 가제를 변화 시켜가며 도금한 후 그 표면을 FESEM으로 관찰하였다. 또한 p-type(lOO) Si wafor에 DRIE법으로 깊이 170-190 gm 직경 50 μm의 약 3.
첨 가제는 chloride ion(Cl ), PEG SPS, JGB, PEI 등이 이용되었다. 전류 인가 방식은 직류전류 (direct current), 펄스전류 (pulse current), 펄스-역 펄스 전류(pulse-reverse current)가 이용되었고, 공정 후 시편의 종단면과 횡단면을 경면 가공하여 SEM, FESEM으로 관찰하였다. 도금 시간 단축을 위한 실험은 2단계로 전류밀도를 나누어 전류를 인가하고 시간에 따른 via filling 정도를 관찰하였다.
첨 가제와 전류인가 방식 에 따른 via filling을 도금후 FESEM으로 via단면을 관찰하였다. Fig.

대상 데이터

5:1의 종횡비를 가지는 via와 깊이 100 pm, 직경 20 呻의 약 5:1의 종횡비를 가지는 via를 형성시킨 후 IMP(Ionized Metal Plasma)의 방법을 이용하여 확산 방지 증으로 Ta층(200 nm)과 씨 앗 층으로 Cu(700 nm)가 증착 된 시편을 사용하여 펄스-역 펄스 전류를 사용하여 파형을 변화시 키면서 via filling을 실시 하였다. 첨 가제는 chloride ion(Cl ), PEG SPS, JGB, PEI 등이 이용되었다. 전류 인가 방식은 직류전류 (direct current), 펄스전류 (pulse current), 펄스-역 펄스 전류(pulse-reverse current)가 이용되었고, 공정 후 시편의 종단면과 횡단면을 경면 가공하여 SEM, FESEM으로 관찰하였다.

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