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문제 정의
- 따라서 본 연구 에서는 5 mA/cm2 와 10 mA/cm2 의 전류밀도에서 도금 진행 패턴을 확인하여 보았다.
- 본 연구에서는 3D 패키징을 위한 TSV의 seed layer 증착과 도금조건에 따른 via filling 특성을 평가하였다. Seed layer는 진공증착법중 하나인 PEALD를 사용하였다.
제안 방법
- 결함 없는 via filling을 위하여 억제제(PEG), 가속제(SPS), 평활제(JGB)의 유기물 첨가제를 함유한 도금액을 이용하였다.7) Via filling의 형상을 확인하기 위해 에폭시 마운팅 후 경면 가공하고, 미세구조를 전자현미경(SEM)과 광학현미경(OM)으로 관찰하였다.
- DC 실험에서 바닥부분부터 차오르는 도금형상이 관찰 되지 않았으므로 전류원을 교체하여 실험을 진행하였다. 일반적으로 Pulse 도금을 실시할 경우 낮은 전류밀도에서 진행된다고 알려져 있다.
- 하지만 전체적으로 filling이 이루어졌을 것이라는 가정하에 도금양을 고려하였을 경우, 120분의 도금시간이 적절하다고 판단된다. DC조건에서는 첨가제를 사용하지 않았을 경우 완전한 via filling이 힘들다고 판단되어 첨가제를 사용하여 추후 실험을 진행하였다.
- Ru seed layer는 Ru(EtCp)2주입, purge, NH3 plasma, purge의 cycle를 반복하여 증착하였다. Ru(EtCp)2는 50 sccm Ar으로 5초간 bubbling하여 공급하였고, NH3 plasma pulse시 100 sccm NH3와 100 sccm Ar이 동시에 주입되며, RF plasma(13.56 MHz) power는 100 W로 고정하여 7초간 주입하였다. 각 purge 시간은 50 sccm Ar 가스를 이용하여 5초로 고정하였다.
- 기판의 금속막은 전해액에 대해 소수성을 가지므로 이를 친수성으로 전환시키기 위해 시편 위에 전해액을 떨어뜨린 후 via 내부의 기포를 빼내고, 내부까지 용액이 쉽게 들어갈 수 있도록 진공처리를 해주었다. Seed layer와 전해액과의 친수성 전환 단계를 마친 후 시편을 전해액 안에 넣고 전류밀도 및 시간, 첨가제의 양을 변화시켜 전해도금을 실시하였다. 전류는 DC 및 Pulse로 인가하였으며, 전류밀도와 시간을 변화시켰다.
- 따라서 기판을 전해액에 넣기 전에 H2SO4 수용액에 넣어 산세를 하였다. 기판의 금속막은 전해액에 대해 소수성을 가지므로 이를 친수성으로 전환시키기 위해 시편 위에 전해액을 떨어뜨린 후 via 내부의 기포를 빼내고, 내부까지 용액이 쉽게 들어갈 수 있도록 진공처리를 해주었다. Seed layer와 전해액과의 친수성 전환 단계를 마친 후 시편을 전해액 안에 넣고 전류밀도 및 시간, 첨가제의 양을 변화시켜 전해도금을 실시하였다.
- 그러나 via 상단 부분이 바닥부분보다 먼저 차올라 void가 생기는 모습이 관찰되었다. 따라서 이러한 void를 제어하기 위해서 첨가제를 이용하여 실험을 진행하였다.
- 본 실험에서는 원자증착법(Atomic Layer Deposition : ALD)를 이용하여 Ru seed layer를 증착하였고 이후 DC와 Pulse 전류원, 첨가제를 이용하여 전해도금을 진행하였다. 본 실험을 통해 seed layer 증착 및 Cu via filling의 최적화된 조건을 확립하였다.
- 이때 cycle 당 증착률은 약 0.4 Å/cycle로 원하는 두께의 Ru 증착을 위하여, cycle의 횟수를 조정하였다.
- Pulse 도금 10 mA/cm2 의 전류밀도에서 4시간을 실시 하였을 때 void는 형성 되었지만 충분한 도금두께를 확보할 수 있었다. 이에 유기첨가제 SPS 20 ppm, JGB 10 ppm을 사용하여 모든 구간에서 void가 없는 super filling 형상을 확인할 수 있었다. 20 µm, 30 µm, 50 µm, 80 µm의 다른 직경을 가지는 via의 Pulse 도금의 경우 종횡비가 커짐에 따라 Cu 이온의 via 내부 확산 속도 감소 및 직경에 따른 저항차로 인하여 DC와 유사하게 입구가 막히는 현상이 나타났다.
- 3(a)에서 볼 수 있듯이, 대부분의 via에서 입구가 막히는 현상이 일어나 첨가제에 의한 변화를 찾아보기 힘들었다. 입구가 막히는 현상을 보완하기 위하여 가속제의 양을 늘려 PEG 600ppm, JGB 10 ppm, SPS 30 ppm을 사용하여 실험을 진행하였다. Fig.
- Seed layer와 전해액과의 친수성 전환 단계를 마친 후 시편을 전해액 안에 넣고 전류밀도 및 시간, 첨가제의 양을 변화시켜 전해도금을 실시하였다. 전류는 DC 및 Pulse로 인가하였으며, 전류밀도와 시간을 변화시켰다. 결함 없는 via filling을 위하여 억제제(PEG), 가속제(SPS), 평활제(JGB)의 유기물 첨가제를 함유한 도금액을 이용하였다.
- 첨가제로는 도금이 진행될 때 저항이 높은 모서리 부분과 돌출부에서 도금을 억제시키는 JGB와 작은 입자크기를 가지며 가속제의 역할을 하는 SPS, 그리고 표면에서의 도금을 억제시켜주는 PEG를 사용하였다. 첫 번째로 기준 조성인 PEG 600 ppm, JGB 10 ppm, SPS 20ppm에서 도금을 실시하였다. Fig.
- 이 결과는 DC 도금에 비하여 via 입구의 막힘이 일어나지 않았고 첨가제에 의하여 bottom-up super filling의 형상을 확인할 수 있었다. 하지만 종횡비에 따라 동일 도금조건이라도 그 충진 형상이 달라질 수 있기에 다른 직경을 가지는 via에서의 도금실험을 진행하였다. Fig.
대상 데이터
- PEALD를 이용하여 Ru와 SiO2 두 물질에 우수한 접착력과 전도성을 가지는 TiN barrier 10 nm를 형성하였다.
- Ru seed layer 증착 전에 barrier 물질로써 10 nm TiN을 PEALD(Plasma Enhanced Atomic Layer Deposition)를 이용하여 증착하였다. Ru PEALD의 공정 온도는 270℃, 공정 압력은 3 Torr이며 precursor 물질은 Ru(EtCp)2(Kojundo Chemical Laboratory Co. LTD, Japan)를 사용하였고, Ru(EtCp)2의 reducing agent로 NH3 plasma를 사용하였다. Ru seed layer는 Ru(EtCp)2주입, purge, NH3 plasma, purge의 cycle를 반복하여 증착하였다.
- 전류는 DC 및 Pulse로 인가하였으며, 전류밀도와 시간을 변화시켰다. 결함 없는 via filling을 위하여 억제제(PEG), 가속제(SPS), 평활제(JGB)의 유기물 첨가제를 함유한 도금액을 이용하였다.7) Via filling의 형상을 확인하기 위해 에폭시 마운팅 후 경면 가공하고, 미세구조를 전자현미경(SEM)과 광학현미경(OM)으로 관찰하였다.
- 본 실험에 사용된 TSV는 8 inch Si wafer에 DRIE(Deep Reactive Ion Etching)법 중 Bosch process를 이용하여 2 × 2 기준 시편에 제작되었다.
- Seed layer는 진공증착법중 하나인 PEALD를 사용하였다. 증착물질은 기존의 seed layer로 많이 사용되고 있는 TaN보다 우수한 비저항값을 가지며 Cu와의 결정 정합성이 뛰어난 Ru을 사용하였으며 약 30 nm 두께로 증착하였다. DC로 진행된 전해도금공정에서는 via의 입구 에서 막힘현상이 일어나 하단부에서는 도금이 이루어지지 않은 결과를 보였고, 유기첨가제 사용했을 경우에도 void등의 결함이 발견되었다.
- 첨가제로는 도금이 진행될 때 저항이 높은 모서리 부분과 돌출부에서 도금을 억제시키는 JGB와 작은 입자크기를 가지며 가속제의 역할을 하는 SPS, 그리고 표면에서의 도금을 억제시켜주는 PEG를 사용하였다. 첫 번째로 기준 조성인 PEG 600 ppm, JGB 10 ppm, SPS 20ppm에서 도금을 실시하였다.
이론/모형
- 본 연구에서는 3D 패키징을 위한 TSV의 seed layer 증착과 도금조건에 따른 via filling 특성을 평가하였다. Seed layer는 진공증착법중 하나인 PEALD를 사용하였다. 증착물질은 기존의 seed layer로 많이 사용되고 있는 TaN보다 우수한 비저항값을 가지며 Cu와의 결정 정합성이 뛰어난 Ru을 사용하였으며 약 30 nm 두께로 증착하였다.
성능/효과
- 2는 15 mA/cm2 의 전류밀도에서 시간에 따른 via filling 형상을 나타낸 것이다. 모든 시편에서 바닥부분부터 차오르지 못하고 via의 입구부분이 막히는 현상을 보였다. 하지만 전체적으로 filling이 이루어졌을 것이라는 가정하에 도금양을 고려하였을 경우, 120분의 도금시간이 적절하다고 판단된다.
- 본 실험에서는 원자증착법(Atomic Layer Deposition : ALD)를 이용하여 Ru seed layer를 증착하였고 이후 DC와 Pulse 전류원, 첨가제를 이용하여 전해도금을 진행하였다. 본 실험을 통해 seed layer 증착 및 Cu via filling의 최적화된 조건을 확립하였다.
- 모든 via에서 결함이 없이 완벽하게 채워지는 것을 확인하였다. 이 결과는 DC 도금에 비하여 via 입구의 막힘이 일어나지 않았고 첨가제에 의하여 bottom-up super filling의 형상을 확인할 수 있었다. 하지만 종횡비에 따라 동일 도금조건이라도 그 충진 형상이 달라질 수 있기에 다른 직경을 가지는 via에서의 도금실험을 진행하였다.
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