EBSD에 의한 실리콘관통비아에서의 구리 전해도금 전착기구에 관한 연구
저자
발행사항
부산 : 동아대학교 대학원, 2021
학위논문사항
학위논문(박사)-- 동아대학교 대학원 : 금속공학과 2021.8
발행연도
2021
작성언어
한국어
주제어
KDC
569.4 판사항(5)
발행국(도시)
부산
기타서명
Investigating the filling mechanism of cu electrodeposition in through silicon vias by EBSD
형태사항
xvi, 121 p. : 삽화, 도표 ; 27 cm
일반주기명
지도교수: 이효종
'저자요청에 의한 원문비공개(2022.03.01이후 공개)'
참고문헌: p. 116-117
UCI식별코드
I804:21008-200000498869
소장기관
반도체 소자의 성능 향상은 미세화를 통해 이루어지고 있으며, 이를 위해 다양한 방법들이 시도되고 있다. TSV(Through silicon via)는 이러한 성능 향상을 높이기 위한 차세대 기술로 각광받고 있으며 중요한 기술로 인식되고 있다. 따라서, 높은 종횡비가 요구되는 TSV 내부를 공극없이 충진하기 위한 전해도금 공정도 중요한 기술로 대두되었고 다양한 첨가제와 전착 기구들이 연구되었다. 하지만, 이러한 전해도금 반응과 도금층의 특성을 금속공학적으로 접근하여 미세조직분석을 통한 해석과 관련한 연구는 아직 미비한 실정이다. 미세조직관찰은 전극 표면에서 발생하는 전기화학적 추론을 명확하게 설명할 수 있는 근거가 될 수 있으며, 도금층에서 나타나는 집합조직 및 결정립의 형태는 전기화학반응을 새롭게 예측하고 전착 기구를 해석할 수 있는 훌륭한 접근 방법이 될 수 있다.
본 연구는 억제제로 사용되는 Tetronic 701 단일 첨가제를 통해 micro-scale과 millimeter-scale의 TSV 내부를 전해도금으로 충진하였으며, 전압과 Cl-의 농도에 따른 다양한 충진 형태와 전착 기구를 EBSD(Electron Backscatter Diffraction) 시스템으로 분석하여 해당 요소가 TSV 충진에 미치는 영향을 분석하였다. 따라서 S-NDR (S-shaped negative differential) 충진 모델을 통해 채워진 TSV 도금층의 미세조직 분석으로 모델이 제시하는 첨가제의 흡착과 소비의 관점이 상향식(bottom-up) 충진을 명확히 설명할 수 있는지 평가하였다.
Micro-scale TSV내 1 mmol/L Cl-이 첨가제된 도금액 조건에서는 2단계의 충진변화를 가지는 것을 확인하였다. 측벽의 수직방향으로 주상정 결정립의 성장 이후 via의 바닥면에서 TSV 깊이 방향으로 (110) 우선성장 방위를 가지는 조대한 주상정 결정립으로 내부가 충진되는 것을 확인하였다. 첫 번째 측벽 성장으로 형성된 passive-active transition은 바닥면으로의 첨가제 확산을 제어하는 것으로 나타났다.
20, 40, 80 μmol/L Cl-이 첨가된 도금액 조건에서는 Cl-의 흡착률에 따른 도금층의 미세조직변화가 3가지의 형태로 나타나는 것을 확인하였다. Cl-의 흡착률이 거의 없는 경우 결정립의 크기가 상대적으로 조대하며 conformal 성장을 하는 것을 확인하였다. Cl-의 흡착 분율이 0.1 이상인 경우 국부 영역에서 첨가제를 통한 도금억제 반응이 발생하고 결정립의 크기가 미세한 것을 확인하였다. Cl의 흡착 분율이 0.2 이상인 경우 passive-active transition의 생성과 바닥면 모서리에서 (110) 우선성장방위를 가진 주상정 결정립이 대각선 방향으로 성장하여 V-shape을 나타내며 TSV 내부를 충진하는 것으로 나타났다.
Millimeter-scale TSV를 공극없는 충진을 위해 전압을 점진적으로 증가시켜 단계적으로 충진하여 공극 없는 상향식 성장이 가능한 것을 확인하였다. 내부의 충진 형태는 V-notch를 가지며 충진되는 것을 확인하였으며, 그 이유는 측벽에서 (110) 우선성장방위를 가지는 주상정 결정립이 대각선 방향으로 성장하여 나타난 결과로 보인다. 또한 전압단계 상승으로 측벽과 via 내부 중심간의 기울기가 발생하며, 도금 유지시간의 제어를 통해 대각선 방향의 도금층 성장으로 생성된 V-notch 기울기가 완화되는 것을 확인하였다.
Micro-scale TSV 내 Ni 전해도금에서 passive-active transition의 위치를 전압을 통해 제어하고 내부를 점진적으로 상향식 충진시키는 전착 기구를 통해 단일 첨가제를 통한 상향식 충진이 Cu 이외의 금속에서 가능한 점을 증명할 수 있었다. Transition 위치에서 첨가제의 소비는 내부의 첨가제 확산을 제어하여 상향식 충진을 유도하는 전착기구를 EBSD 분석을 통해 증명할 수 있음을 확인하였다.
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