Cu Filling process of Through-Si-Via(TSV) with Single Additive

단일 첨가액을 이용한 Cu Through-Si-Via(TSV) 충진 공정 연구

Cu 배선폭 미세화 기술은 반도체 디바이스의 성능 향상을 위한 핵심 기술이다. 현재 배선 기술은 lithography, deposition, planarization등 종합적인 공정 기술의 발전에 따라 10x nm scale까지 감소하였다. 하지만 지속적인 feature size 감소를 위하여 요구되는 높은 공정 기술 및 비용과 배선폭 미세화로 인한 재료의 물리적 한계로 인하여 배선폭 미세화를 통한 성능의 향상에는 한계가 있다. 배선폭 미세화를 통한 2차원적인 집적도 향상과는 별개로 chip들의 3차원 적층을 통하여 반도체 디바이스의 성능 향상이 가능하다. 칩들의 3차원 적층을 위해서는 별도의 3차원 배선 기술이 요구되는데, TSV(through-Si-via)방식은 Si기판을 관통하는 via를 통하여 chip간의 전기신호 교환이 최단거리에서 이루어지는 가장 진보된 형태의 3차원 배선 기술이다. Si 기판에 $50{\mu}m$이상 깊이의 via 및 seed layer를 형성 한 후 습식전해증착법을 이용하여 Cu 배선이 이루어지는데, via 내부 Cu ion 공급 한계로 인하여 일반적인 공정으로는 void와 같은 defect가 형성되어 배선 신뢰성에 문제를 발생시킨다. 이를 해결하기 위해 각종 유기 첨가제가 사용되는데, suppressor를 사용하여 Si 기판 상층부와 via 측면벽의 Cu 증착을 억제하고, accelerator를 사용하여 via 바닥면의 Cu 성장속도를 증가시켜 bottom-up TSV filling을 유도하는 방식이 일반적이다. 이론적으로, Bottom-up TSV filling은 sample 전체에서 Cu 성장을 억제하는 suppressor가 via bottom의 강한 potential로 인하여 국부적 탈착되고 via bottom에서만 Cu가 증착되어 되어 이루어지므로, accelerator가 없이도 void-free TSV filling이 가능하다. Accelerator가 Suppressor를 치환하여 오히려 bottom-up TSV filling을 방해한다는 보고도 있었다. 본 연구에서는 유기 첨가제의 치환으로 인한 TSV filling performance 저하를 방지하고, 유기 첨가제 조성을 단순화하여 용액 관리가 용이하도록 하기 위하여 suppressor만을 이용한 TSV filling 연구를 진행하였다. 먼저, suppressor의 흡착, 탈착 특성을 이해하기 위한 연구가 진행되었고, 이를 바탕으로 suppressor만을 이용한 bottom-up Cu TSV filling이 진행되었다. 최종적으로 $60{\mu}m$ 깊이의 TSV를 1000초 내에 void-free filling하였다.