TSV 비아필링 과정이 진행되는 동안 내부에 void나 seam과 같은 결함이 빈번하게 발견되고 있다. 결함 없는 구리 비아필링을 위해서는 용액 내에 가속제, 억제제, 평활제 등의 유기물 첨가제가 필요하다. 공정과정중 유기물 첨가제의 분해로 인한 부산물로부터 기인한 오염은 디바이스의 신뢰도나 용액의 수명을 감소시키는 요인이 된다. 본 연구에서는 첨가제의 사용량을 줄이기 위하여 가속제와 억제제를 사용하지 않고 평활제만을 이용한 구리 비아필링에 관한 연구를 진행하였다. 세가지 종류의 첨가제(janus green B, methylene violet, diazine black)를 이용한 구리 전착에 관한 연구를 수행하였다. 각각의 첨가제에 따른 전기화학적 거동을 분석한 결과 도금속도적 측면에서 차이를 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 비아필링 진행 후 단면을 분석하여 각각의 평활제가 비아필링에 미치는 영향을 확인하였으며, 그 특성은 다르게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
TSV 비아필링 과정이 진행되는 동안 내부에 void나 seam과 같은 결함이 빈번하게 발견되고 있다. 결함 없는 구리 비아필링을 위해서는 용액 내에 가속제, 억제제, 평활제 등의 유기물 첨가제가 필요하다. 공정과정중 유기물 첨가제의 분해로 인한 부산물로부터 기인한 오염은 디바이스의 신뢰도나 용액의 수명을 감소시키는 요인이 된다. 본 연구에서는 첨가제의 사용량을 줄이기 위하여 가속제와 억제제를 사용하지 않고 평활제만을 이용한 구리 비아필링에 관한 연구를 진행하였다. 세가지 종류의 첨가제(janus green B, methylene violet, diazine black)를 이용한 구리 전착에 관한 연구를 수행하였다. 각각의 첨가제에 따른 전기화학적 거동을 분석한 결과 도금속도적 측면에서 차이를 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 비아필링 진행 후 단면을 분석하여 각각의 평활제가 비아필링에 미치는 영향을 확인하였으며, 그 특성은 다르게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
Defects such as voids or seams are frequently found in TSV via filling process. To achieve defect-free copper via filling, organic additives such as suppressor, accelerator and leveler were necessary in a copper plating bath. However, by-products stemming from the breakdown of these organic additive...
Defects such as voids or seams are frequently found in TSV via filling process. To achieve defect-free copper via filling, organic additives such as suppressor, accelerator and leveler were necessary in a copper plating bath. However, by-products stemming from the breakdown of these organic additives reduce the lifetime of the devices and plating solutions. In this research, the effects of levelers on copper electrodeposition were investigated without suppressor and accelerator to lower the concentration of additives. Threelevelers(janus green B, methylene violet, diazine black) were investigated to study the effects of levelers on copper deposition. Electrochemical behaviors of these levelers were different in terms of deposition rate. Filling performances were analyzed by cross sectional images and its characteristics were different with variations of levelers.
Defects such as voids or seams are frequently found in TSV via filling process. To achieve defect-free copper via filling, organic additives such as suppressor, accelerator and leveler were necessary in a copper plating bath. However, by-products stemming from the breakdown of these organic additives reduce the lifetime of the devices and plating solutions. In this research, the effects of levelers on copper electrodeposition were investigated without suppressor and accelerator to lower the concentration of additives. Threelevelers(janus green B, methylene violet, diazine black) were investigated to study the effects of levelers on copper deposition. Electrochemical behaviors of these levelers were different in terms of deposition rate. Filling performances were analyzed by cross sectional images and its characteristics were different with variations of levelers.
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문제 정의
본 연구에서는 지름 20 µm 깊이 40 µm를 갖는종횡비 1:2의비아를 형성하여 전해도금을 이용한 구리 비아필링에 관한 연구를 진행하였다. 비아필링 시에 사용되는 유기물 첨가제들은 용액이나 디바이스의 수명과 신뢰성에 영향을 미치기 때문에 본 연구에서는 가속제 및 억제제의 도움 없이 평활제만을 사용하여 비아필링 특성을 관찰하였다.
본 연구에서는 지름 20 µm 깊이 40 µm를 갖는종횡비 1:2의비아를 형성하여 전해도금을 이용한 구리 비아필링에 관한 연구를 진행하였다. 비아필링 시에 사용되는 유기물 첨가제들은 용액이나 디바이스의 수명과 신뢰성에 영향을 미치기 때문에 본 연구에서는 가속제 및 억제제의 도움 없이 평활제만을 사용하여 비아필링 특성을 관찰하였다. 전기화학적 분석을 통해서 평활제의 역할을 살펴본 결과 실험에 사용된 모든 평활제에서 도금속도를 억제하는 경향을 관찰할 수 있었다.
제안 방법
따라서 최근에는 소자 사이에 through via를 형성하고 이를 전기 전도도와 도금 특성이 우수한 구리로 채우는 구리 비아필링(via filling) 공정을 이용함으로써 와이어 본딩에 의한 단점을 보완해 나가는 연구가 최근 집중적으로 이루어지고 있다.4,5) 결함 없는 비아필링을 위하여 bottom-up superfilling의 형상이 충족되어야 하며 이를 위해 기존에는 억제제(suppressor), 가속제(accelerator), 평활제(leveler) 등의 다양한 유기물 첨가제를 함유한 도금액을 이용하여 비아필링을 진행하였다.6~8) 하지만 이런 유기물 첨가제의 경우 공정 과정중의 분해로 인한 오염으로 디바이스의 신뢰성을 떨어뜨리는 것은 물론이며 도금액의 수명을 감소시키는 원인이 된다.
이 후 시편위에 전해액을 약 1 ml 떨어뜨린 후에 진공로에서 로터리 펌프로 진공상태를 만들어서 비아 내부의 기포를 빼내고 비아 내부까지 용액이 쉽게 들어갈 수 있도록 만든 후 시편을 전해액 안에 넣고 시편의 면적에 따라 전류를 변화하여 동일한 전류밀도 하에서 전해도금을 실시하였다. 구리 비아필링에 앞서 polarization plot 및 galvanostatic plot을 이용한 전기화학적 분석을 선행하였다. 이 때 면적이 0.
모든 실험은 상온에서 진행되었으며, 전기화학적 분석은 potentiostat/galvanostat(EG&G 273A)를 이용하여 진행하였고, 표면형상이나 필링형상은 SEM(scanning electron microscope)을 통해 관찰하였다.
그 결과 가급적 첨가제의 사용을 줄이며 비아필링을하고자하는 연구가 활발히 일어나고 있다.본 실험에서는 첨가제의 사용량을 줄이기 위하여 다양한 첨가제 중에 평활제만을 사용하여 비아필링 실험을 진행하였으며, 첨가제의 양에 따른 표면 형상 및 비아필링의 형상을 관찰하였다.
1에 나타내었다. 본 실험에서는 평활제의 종류를 바꿔가며 각각의 특성을 분석하였으며, 이때 첨가제의 양은 50 ppm으로 고정하였다. 실험에 사용된 평활제의 분자구조를 Fig.
6에 나타내었다. 비아필링 과정에서 10 mA/cm2의 전류밀도를 인가하여 2시간동안 실험을 진행하였으며, 각각의 첨가제는 50 ppm의 농도로 고정하였다. 전류인가방식은 펄스전류(pulse current)를 이용하였으며, on:off 비율을 1:1로 고정하였다.
비아필링에 사용되는 다양한 종류의 첨가제 중에 평활제의 종류와 농도에 따른 도금 특성 변화를 전기화학적인 방법으로 분석하고, 전자현미경 사진을 통해 그 표면을 확인하였다. Via filling에 적용하기에 앞서 구리회전전극을 500 rpm으로 회전시키며 RDE 표면에 도금을 진행하였다.
따라서 전해액 내에 기판을 삽입하기 전에 5 vol% 황산 수용액에 1분 정도 담가 산세후 수세를 하였다. 이 후 시편위에 전해액을 약 1 ml 떨어뜨린 후에 진공로에서 로터리 펌프로 진공상태를 만들어서 비아 내부의 기포를 빼내고 비아 내부까지 용액이 쉽게 들어갈 수 있도록 만든 후 시편을 전해액 안에 넣고 시편의 면적에 따라 전류를 변화하여 동일한 전류밀도 하에서 전해도금을 실시하였다. 구리 비아필링에 앞서 polarization plot 및 galvanostatic plot을 이용한 전기화학적 분석을 선행하였다.
전기화학적 분석을 마친 후 구리 비아필링을 진행하였으며, 실험이 진행되는 동안 용액은 패들과 봉자석을 이용하여 교반하였다. 구리 비아가 형성되어 있는 시편을 음극으로 사용하였고 양극으로는 백금전극을 사용하였다.
비아필링 과정에서 10 mA/cm2의 전류밀도를 인가하여 2시간동안 실험을 진행하였으며, 각각의 첨가제는 50 ppm의 농도로 고정하였다. 전류인가방식은 펄스전류(pulse current)를 이용하였으며, on:off 비율을 1:1로 고정하였다. 펄스 도금을 본 실험에 적용한 이유로는 크게 두 가지를 들 수 있다.
대상 데이터
전기화학적 분석을 마친 후 구리 비아필링을 진행하였으며, 실험이 진행되는 동안 용액은 패들과 봉자석을 이용하여 교반하였다. 구리 비아가 형성되어 있는 시편을 음극으로 사용하였고 양극으로는 백금전극을 사용하였다. 모든 실험은 상온에서 진행되었으며, 전기화학적 분석은 potentiostat/galvanostat(EG&G 273A)를 이용하여 진행하였고, 표면형상이나 필링형상은 SEM(scanning electron microscope)을 통해 관찰하였다.
Via filling에 적용하기에 앞서 구리회전전극을 500 rpm으로 회전시키며 RDE 표면에 도금을 진행하였다. 실험에 사용된 용액은 Table 1에 나와있는 것처럼 0.5 M의 황산구리, 1 M의 황산을 기본 용액(stock solution)으로 하며 평활제의양을 50 ppm으로 고정하여 구리전착에서 첨가제의 영향을 관찰하였다. 위의 용액 조건으로polarization plot을 Fig.
3에 나타내었다. 실험에 사용된 평활제는 JGB(janusgreen B), DB(diazine black), MV(methylene violet)으로 각기 다른 평활제에 따라 그 특성이 다르게 나타나는 것을 볼 수 있다. 평활제를 넣지 않은 stock의 경우와 각각의 평활제에 따른 plot을 비교하여 각각의 전기화학적 거동을 비교해볼 수 있다.
이 때 면적이 0.1 cm2인 구리 회전전극(rotating disk electrode, RDE)을 음극(cathode)으로사용하였고, 양극(anode)으로는 40 mm×30 mm 사이즈의 DSA(dimensionally stable anode) 전극을 사용하였다.
이론/모형
비아 제작을 위하여 DRIE(deep reactive ion etching)법을 이용하여 지름 20 µm, 깊이 40 µm인 종횡비가 1:2인 비아를 제작하였다.
성능/효과
평활제가 들어가지 않은 Fig. 5 (a) 기본 용액 조건에서는 도금층 표면에 입자의 크기가 불균일하고 전체적으로 거친 면을 갖고 있는 것을 확인할 수 있다. 반면에 평활제가 들어간 경우 표면 입자의 크기가 기본 용액의 조건에 비해서 전체적으로 미세해진 것을 Fig.
6을 통해 확인할 수 있다. (a)의 기본 용액 조건을 보면 평활제를 사용한 다른 조건들에 비해 비아 내부에서 구리도금이 충분히 이루어지지 않은 것을 확인할 수 있다. 각각의 첨가제를 50 ppm으로 고정하였을 때 펄스 전류를 이용한 도금으로는 결함 없는 비아필링을 얻어낼 수 없었다.
2에 나타내었고, 도금액의 조성을 Table 1에 나타내었다.9) 구리 전해도금 공정은 대기 조건에서 행해지므로 sputter를 이용해 형성된 구리 씨앗층이 대기에 노출되어 표면에 구리 산화 피막이 형성될 수 있다. 따라서 전해액 내에 기판을 삽입하기 전에 5 vol% 황산 수용액에 1분 정도 담가 산세후 수세를 하였다.
평활제를 넣지 않은 stock의 경우와 각각의 평활제에 따른 plot을 비교하여 각각의 전기화학적 거동을 비교해볼 수 있다. Ag/AgCl/KCl 3.5 M의 reference electrode를 기준으로 -0.1 V부터 0.1 V 사이의 전압조건에서 평활제들은기본 용액에 비해 도금속도를 억제하는 것을 확인할 수 있다. 약 0.
하지만 MV를 첨가제로 사용한 경우 비아 내부의 결함의 크기를 줄일 수 있는 것을 확인할 수 있었다. JGB를 평활제로 사용한 경우 비아 입구에서 바닥면까지 도금이 균일하게 진행되지 않는 것을 볼 수 있으며, DB를 평활제로 사용한 경우 비아바닥면에서 큰 void를 형성하며 필링이 이루어지는 것을 확인할 수 있었다.
5 (b), (c), (d)를 통해 확인할 수 있다. 본 실험에 사용된 평활제 중 JGB와 DB를 사용한 경우 구리 전착층 표면의 입자 크기가매우 작은 것을 확인할 수 있다. 하지만 DB의 경우 표면에 움푹 패인 곳을 관찰할 수 있으며 전체적인 균일도 측면에서 좋지 않은 것을 확인할 수 있다.
이는 동일한 전류를 인가하기 위한 과전압(overpotential)이 더 크게 필요한 것을 의미하며 이는 도금속도의 측면에서 볼 경우 구리의 전착속도가 떨어지는 것을 의미한다. 앞선 polarization plot과 본 결과를 종합하면 질소를 포함한 작용기를 갖고 있는 평활제의 경우 평활제가 들어있지 않은 조건에 비해 전기화학적으로 도금속도를 억제하는 것을 확인할 수 있다.
1 V 사이의 전압조건에서 평활제들은기본 용액에 비해 도금속도를 억제하는 것을 확인할 수 있다. 약 0.05 V 이상에서는 첨가제의 영향이 크게 나타나지 않는 것에 비해 전압이 음으로 증가할수록 도금속도에 차이가 발생하는 것을 확인할 수 있다.
비아필링 시에 사용되는 유기물 첨가제들은 용액이나 디바이스의 수명과 신뢰성에 영향을 미치기 때문에 본 연구에서는 가속제 및 억제제의 도움 없이 평활제만을 사용하여 비아필링 특성을 관찰하였다. 전기화학적 분석을 통해서 평활제의 역할을 살펴본 결과 실험에 사용된 모든 평활제에서 도금속도를 억제하는 경향을 관찰할 수 있었다. 회전전극을 이용한 구리 전착 표면의 경우 평활제가 들어간 조건에서 그렇지 않은 경우와 비교했을 때 입자의 크기가 미세하며 균일한 것을 확인할 수 있었다.
회전전극을 이용한 구리 전착 표면의 경우 평활제가 들어간 조건에서 그렇지 않은 경우와 비교했을 때 입자의 크기가 미세하며 균일한 것을 확인할 수 있었다. 특히 JGB를 평활제로 첨가한 경우 표면 특성이 가장 좋은 것을 확인할 수 있었다. 펄스 전류인가방식에 의한 구리 비아필링에서는평활제에 따른 필링 특성이 다르게 나타났으나 본 실험 조건에서는 완전히 결함 없는 비아필링을 얻을 수 없었다.
후속연구
실험에 사용된 평활제의 경우 기본적으로 도금속도의 억제효과가 있기 때문에 비아 내부에 존재하는 첨가제에 의한 도금층의 성장이 억제될 가능성이 존재한다. 따라서 향후 연구에서는 첨가제의 농도 변화에 따른 필링 특성을 파악하는 연구가 필요할 것으로 생각한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
현재 상용되고 있는 3D 스택 패키지는 반도체 소자들을 어떻게 연결하고 있는가?
현재 상용되고 있는 3D 스택 패키지에서는 반도체 소자들을 서로 적층한 후 각 소자들의 I/O 패드를 기판에 Au 와이어를 이용하여 연결하고 있다. 그러나 이러한 Au 와이어 본딩을 통한 신호 전달은 3D TSV기술에 비해 전체적인 배선의 길이가 길기 때문에 신호 전달속도의 감소, 저조한 고주파 특성 및 I/O 패드 증가로 인한 패키지 면적의 증가 등의 문제점이 있다.
3D SiP의 장점은 무엇인가?
이와 같은 3D 스택 방식으로의 전자 패키지 기술의 변화는 하나의 패키지에 수동소자와 능동소자를 모두 실장하여 시스템을 완성하는 3D SiP(system in package)를 가능하게 하였고 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 3D SiP의 장점은 여러 소자를 단일 패키지에 실장하여 비용, 크기 그리고 성능이 최적화된 고집적 제품을 만들 수 있다는 점이다.1~3)
Au 와이어 본딩을 통한 신호 전달의 문제점을 보완하기 위해 최근 어떤 연구가 집중적으로 이루어지고 있는가?
그러나 이러한 Au 와이어 본딩을 통한 신호 전달은 3D TSV기술에 비해 전체적인 배선의 길이가 길기 때문에 신호 전달속도의 감소, 저조한 고주파 특성 및 I/O 패드 증가로 인한 패키지 면적의 증가 등의 문제점이 있다. 따라서 최근에는 소자 사이에 through via를 형성하고 이를 전기 전도도와 도금 특성이 우수한 구리로 채우는 구리 비아필링(via filling) 공정을 이용함으로써 와이어 본딩에 의한 단점을 보완해 나가는 연구가 최근 집중적으로 이루어지고 있다.4,5) 결함 없는 비아필링을 위하여 bottom-up superfilling의 형상이 충족되어야 하며 이를 위해 기존에는 억제제(suppressor), 가속제(accelerator), 평활제(leveler) 등의 다양한 유기물 첨가제를 함유한 도금액을 이용하여 비아필링을 진행하였다.
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