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문제 정의
- 따라서 본 논문에서는 전기도금법을 이용하여 전류밀도 세기에 따른 via filling 특성을 확인하고, 유기첨가제 중가속제(SPS)의 첨가량 변화가 via filling에 미치는 영향을 분석하였다.
가설 설정
- 2) 와이어 본딩 방식은 외부의 와이어에 의하여 신호가 전달된다. 일반적으로, 와이어의 길이가 길기 때문에 저항이 높아지고, 전류의 손실이 높아져 결국 주파수특성이 나빠지게 된다.
제안 방법
- 절단된 wafer는 Cu 전기도금 filling용 음극(cathode)으로 사용되었고, 양극(anode)으로는 백금(Pt)을 사용하였다. Anode와 cathode 사이의 거리는 0.5 cm 의 간격을 두고, 기준(reference) 전극으로는 Ag/AgCl전극을 사용하였으며, 구리 전기도금은 상온에서 실행되었다. 그리고 전류의 방식은 직류전류(direct current, DC) 방식을 사용하였으며, 전류밀도를 2.
- Cu 도금을 위한 전해액(CuSO4 ·5H2O 157.134 g/L, H2SO4 5.847 mL/L, HCl 0.43 mL/L)에 유기첨가제는 가속제(SPS), 억제제(PEG), 그리고 평탄제(JGB)를 첨가하였으며 전해액과 유기첨가제의 조성은 이전에 발표된 논문에서와 동일한 실험조건을 사용하였다.
- Via내부에 Cu seed layer가 형성된 TSV 기판을 다이아몬드 절단기를 사용하여 크기 2 × 3 cm로 절단하였다.
- 가속제의 첨가량 변화에 따른 충진율을 확인하기 위하여 Fig. 5 와 같은 방식으로 via내부의 구리 전착 전 단면적(Area S = 비어있는 via hole 내부 단면적)과 구리 전착 후 단면적(Area A)의 비를 구하였다. 가속제 첨가량 변화에 따via 크기별 충진률을 Fig.
- 12) 유기첨가제의 첨가량은 Table 1과 같다. 그 중 가속제 첨가량 변화에 따른 Cu via filling을 확인하였다.
- 5 cm 의 간격을 두고, 기준(reference) 전극으로는 Ag/AgCl전극을 사용하였으며, 구리 전기도금은 상온에서 실행되었다. 그리고 전류의 방식은 직류전류(direct current, DC) 방식을 사용하였으며, 전류밀도를 2.5 와 5.0 mA/cm2을 사용하여 전류밀도의 세기에 따른 via filling을 비교하였다.
- 도금 후 via 내부의 충진율 및 거동을 확인하기 위해 epoxy resin으로 mounting 후 polisher을 이용하여 경면 가공하고 단면을 광학현미경(optical microscopy)으로 관찰하였다.
- 가속제는 일반적으로 기판 표면에 흡착되어 Cu2+ 이온이 환원반응을 하는 동안 Cu 도금에 대한 핵 생성 site의 수를 늘려주는 촉매역할로 인해 Cu의 전착속도를 증가시키는 특성을 갖고 있다. 따라서, 도금전류밀도 2.5 mA/cm2와 도금시간을 90분으로 동일하게 하고, 가속제의 첨가량을 25 mg/L에서 50 mg/L로 증가시켜 도금속도의 변화와 TSV Cu filling 상태를 확인하여 보았다.
- 먼저 전류밀도 세기에 따른 영향을 확인하기 위해 DC 전류밀도를 2.5 mA/cm2 와 5.0 mA/cm2 사용하고 도금시간 120 분에 대한 전류밀도 세기에 따른 트렌치(trench) 내부에서의 구리 전착 상태를 확인하였다. 전류밀도 5.
- 본 실험에서는 p-Si(100) 기판에 DRIE(deep reactive ion etching) 방식으로 42개의 칩 패턴을 형성하였으며, 1개의 칩에는 폭의 직경이 10 µm, 15 µm, 그리고 20 µm인 via 패턴을 갖도록 나노종합팹센터(NNFC)에서 제작하였다.
- 확산방지막 층은TiN/Ti/TiN(600 Å) 증착하고, seed layer는 1 µm 증착하였으며 각각의 종횡비는 5:1, 6:1, 그리고 7:1이 되도록 하였다(Fig. 1).
대상 데이터
- 기판은 내벽에는 SiO2 절연층을 증착하고, 스퍼터링 공정으로 확산방지 층과 Cu 씨앗 층(seed layer)을 형성하였다. 확산방지막 층은TiN/Ti/TiN(600 Å) 증착하고, seed layer는 1 µm 증착하였으며 각각의 종횡비는 5:1, 6:1, 그리고 7:1이 되도록 하였다(Fig.
- Via내부에 Cu seed layer가 형성된 TSV 기판을 다이아몬드 절단기를 사용하여 크기 2 × 3 cm로 절단하였다. 절단된 wafer는 Cu 전기도금 filling용 음극(cathode)으로 사용되었고, 양극(anode)으로는 백금(Pt)을 사용하였다. Anode와 cathode 사이의 거리는 0.
성능/효과
- 0 mA/cm2 일 때(Fig. 2(a)), trench바닥부분에 비하여 trench 위의 평면부분에 전착된 구리박막의 두께가 두껍게 성장하였고, 특히, 모서리 부분의 구리 전착막 성장이 trench 벽면에서의 성장보다 큰 것을 볼 수 있다. 전체적으로, 하단 trench 벽면에서 보다 상단 trench 벽면에서 구리 전착막이 두껍게 성장하였다.
- Via 크기가 15 µm와 20 µm 패턴에 대해(Fig. 3(a) and 3(b)), 90분 동안 도금된 상태를 살펴볼 때, via 바닥부분과 via 벽 하단부분에서 Cu의 도금속도가 빠르고, via 벽 상단부분, 모서리, 그리고 via 위 평면부분의 Cu 도금속도가 낮았다. 그리고 비교적 작은 via 10 µm 패턴은 도금시간 90 분에 대해 입구부분의 막힘이 없이 상당부분 바닥부분부터 차올라 있는 상태로 보였다.
- 특히, 모서리 부분에서 구리 전착막의 성장속도가 다른 부분들에 비하여 늦은 것을 확인 할 수 있다. 결과적으로 전기도금법을 이용하여 전류밀도를 2.5 mA/cm2 사용 할 경우가, 내부의 결함없이 trench filling이 가능한 조건이라는 것을 알 수 있었다.
- 전체적으로, 하단 trench 벽면에서 보다 상단 trench 벽면에서 구리 전착막이 두껍게 성장하였다. 결과적으로 증착시간을 늘린다면, 입구부 모서리 부분의 구리 전착막의 성장속도가 trench바닥이나 하단 trench 벽면에서의 구리 전착막 성장속도보다 빨라 trench 입구가 우선적으로 막히게 되어 void를 형성하게 될 것이다. 반면에 전류밀도를 낮추어 2.
- 반면에 가속제를 50 mg/L(전류밀도 2.5 mA/cm2, 도금 시간 90분) 첨가한 경우, 약 98%~100% 의 충진율로 거의 완벽한 via filling이 이루어 진 것을 확인하였다.
- 0 mA/cm2를 사용할 때 보다 모서리 및 hole 벽면 상단 부분의 Cu 성장을 억제하여 바닥차오름 형태로 Cu filling이 이루어졌다. 본 실험 결과로부터, 저전류밀도 2.5 mA/cm2가 결함없이 Cu filling을 할 수 있는 최적의 전류밀도 조건으로 확인되었다. 최적 전류밀도 2.
- 본 실험 결과에 의하면, DC 전기도금법을 이용하여 전류밀도 제어와 유기첨가제의 조절을 통해, 종횡비 7인 via 크기 10 µm의 hole을 90분만에 결함없이 Cu filling을 시킴으로서 공정시간을 단축 시킬 수 있었다.
- 이는 TSV 패턴 표면에 가속제가 작용하여 Cu의 성장에 촉진제 역할을 하였음을 의미한다. 위의 결과에 의하며, 동일한 저전류밀도를 사용하면서도, 가속제의 첨가량을 증가시킴에 의해 Cu filling 속도를 증가시킬 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.
- 그리고 비교적 작은 via 10 µm 패턴은 도금시간 90 분에 대해 입구부분의 막힘이 없이 상당부분 바닥부분부터 차올라 있는 상태로 보였다. 이러한 결과로 볼 때, 도금시간을 증가시키게 되면 결함없이 via filling이 가능할 것으로 생각된다.
- 이상의 결과로부터, DC방식의 전기도금법을 이용할 때, 전류밀도를 조절하여 via 모서리와 via 벽면상단 부분의 Cu 성장속도를 제어하여 TSV Cu filling이 가능하도록 하면, 이 최적화된 전류밀도에서 SPS의 첨가량을 조절하여 완벽하게 via 내에 Cu가 채워지기까지의 공정시간을 단축 시킬 수 있다는 결론을 얻을 수 있었다.
- 5 mA/cm2가 결함없이 Cu filling을 할 수 있는 최적의 전류밀도 조건으로 확인되었다. 최적 전류밀도 2.5 mA/cm2를 이용하여 가속제의 첨가량에 따른 via filling 및 특성을 확인한 결과, 가속제의 첨가량을 25 mg/L에서 50 mg/L로 증가시켜 Cu filling 시간을 단축 시킬 수 있었다.
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