반도체 TSV 채움공정을위한 PEG600 계열 단일첨가제의 전기화학적 거동 고찰

Abstract

집적회로에서의 구리 배선은 알루미늄 배선의 느린 신호/전력 전달을 해결하기 위해 1997년에 도입되었으며 이제는 메모리 공정 미세화의 한계 극복을 시도하기 위한 핵심 기술로 자리잡았다. 메모리 공정의 한계 극복과 함께 반도체 차세대 패키징의 수요가 증가함에 따라 칩과 칩 또는 칩과 실리콘 인터포저(interposer) 사이를 연결하는 TSV(through-silicon via) 기술이 주목받고 있다. 구리 배선 공정은 전해 도금 기술을 이용하며 결함 없는 TSV 배선 형성을 위해 초등각(superconformal) 전착, 또는 바닥 차오름(bottom-up) 채움이 필요하며 이때 첨가제가 중요한 역할을 한다. 억제제와 가속제로는 다양한 화합물들이 연구되어 왔으며 상용 첨가제가 존재하는 반면 TSV 채움 공정의 시간 단축 및 결함 제거에 필수적으로 사용되는 평탄제의 경우 그 연구가 아직 부진한 상황이다. 본 연구에서는 우수한 합성 유기 평탄제 개발 과정에서 확인된 PEG600 계열의 OA600을 이용하여 단일 첨가제 시스템에서 TSV 채움을 성공시키고 이를 설명하기 위한 전기화학 분석들을 시행하였다. 선형 주사 전압-전류 분석은 OA600이 강한 구리 도금 억제와 교반 의존 흡착을 보인다는 사실을 보여주었다. 또한 순환 전압-전류 분석을 통해 OA600의 재흡착 경향이 교반 환경에서는 뛰어나지만 전해질의 흐름이 없는 경우에는 재흡착이 잘 일어나지 않음이 확인되었다. 전압 강하 보정을 거칠 경우 OA600의 선형 주사 전압-전류 분석 결과는 S자 형태의 NDR(negative differential resistance) 개형을 보여주었으며 이는 TSV 채움이 진행되는 전류 밀도 영역에서의 강한 평탄 능력을 입증한다. 다양한 농도 및 교반 조건 하에서의 분석은 TSV 채움 과정에서도 OA600으로 인해 바닥 차오름이 유도됨을 증명하며 결과적으로 교반이 강한 TSV 개구부에서의 강한 억제 작용 및 빠른 재흡착과 교반이 약한 TSV 바닥에서의 적은 흡챡량 및 느린 재흡착으로 인해 OA600이 TSV의 바닥 차오름을 유도한다는 것을 설명할 수 있다.

Copper interconnect in integrated circuits was introduced in 1997 to solve the slow signal/power transmission of aluminum interconnect, and now it has become the key technology to try to overcome the limitations of memory process miniaturization. As the demand for next-generation semiconductor packaging increases, the demand for TSV (through-silicon via) technology that connects chips to chips or chips and silicon interposers is also increasing. The copper interconnect process uses electroplating technology, and superconformal electrodeposition, or bottom-up filling, is required to fabricate defect-free copper TSV, and additives play an important role. Various compounds have been studied as inhibitors and accelerators, and while commercial additives exist, the research on levelers essential for shortening the process time of TSV filling and removing defects is still sluggish. In this study, TSV was successfully filled in a single-additive system using PEG600 based synthetic leveler, OA600, identified in the developing synthetic organic levelers, and electrochemical analyses were performed to explain the filling mechanism of OA600. Linear sweep voltammetry (LSV) analysis showed that OA600 exhibited strong inhibition to copper plating and convection-dependent adsorption. In addition, through cyclic voltammetry analysis, it was confirmed that the re-adsorption of OA600 is fast in convective condition, while re-adsorption rarely occurs in flow-free environment. When the LSV curve of OA600 is corrected considering the drop of current and solution resistance, the curve showed an S-shaped NDR (negative differential resistance) pattern, which proves its strong leveling ability in the current density region where TSV filling proceeds. Analysis under various concentrations and convection conditions proves that OA600 induces bottom-up filling even during the TSV filling. Therefore, strong inhibitory action and rapid re-adsorption of OA600 in the TSV opening and weak adsorption and slow re-adsorption at the bottom of the TSV demonstrate that OA600 induces the bottom-up filling of TSV.