KR100803004B1 - Method for filling through hole - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 종래 기술에 따른 관통홀 충진방법을 나타낸 도면.1 is a view showing a through hole filling method according to the prior art.
도 2은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 관통홀 충진방법을 나타낸 개략도.Figure 2 is a schematic diagram showing a through hole filling method according to an embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 플러깅 단계와 그로잉 단계에 의해 형성된 관통전극를 나타낸 상태도.Figure 3 is a state diagram showing a through electrode formed by the plugging step and the drawing step according to an embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 시드 레이어가 형성된 기판의 단면도.4 is a cross-sectional view of a substrate on which a seed layer according to a first embodiment of the present invention is formed.
도 5는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 전해도금 장치를 나타낸 도면.5 is a view showing an electroplating apparatus according to a first preferred embodiment of the present invention.
도 6은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 플러깅 단계에 의해 형성된 플러그를 나타낸 도면.6 shows a plug formed by a plugging step according to a first preferred embodiment of the invention;
도 7은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 플러그의 깊이의 증가량을 설명하기 위한 도면.7 is a view for explaining an increase amount of the depth of the plug according to the first embodiment of the present invention.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 플러깅 단계시 전하량에 따른 플러그 상태를 나타낸 도면.8A and 8B illustrate plug states according to charge amounts during a plugging step according to a first embodiment of the present invention.
도 9는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 관통홀 하부에 형성된 플러그(최대 전류밀도 6mA/cm2)로부터 그로잉 단계에 의한 충진상태를 나타낸 도면.9 is a view showing a state of filling by the drawing step from the plug (maximum current density 6mA / cm 2 ) formed in the bottom of the through-hole according to the first embodiment of the present invention.
도 10은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 관통홀 하부에 형성된 플러그(최대 전류밀도 4mA/cm2)로부터 그로잉 단계에 의한 충진상태를 나타낸 도면.10 is a view showing a state of filling by the drawing step from the plug (maximum current density 4mA / cm 2 ) formed in the bottom of the through-hole according to the first embodiment of the present invention.
도 11은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 관통홀 중앙에 형성된 플러그(최대 전류밀도 6mA/cm2)로부터 그로잉 단계에 의한 충진상태를 나타낸 도면.11 is a view showing a state of filling by the drawing step from the plug (maximum current density 6mA / cm 2 ) formed in the center of the through-hole according to the first embodiment of the present invention.
도 12는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 관통홀 상단에 형성된 플러그로부터 그로잉 단계에 의한 충진상태를 나타낸 도면.12 is a view showing a state of filling by the drawing step from the plug formed on the top of the through-hole according to the first embodiment of the present invention.
도 13는 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 시드 레이어의 형성상태를 나타낸 도면.13 is a view showing the formation state of the seed layer according to a second embodiment of the present invention.
도 14a 및 도 14b는 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 플러깅 단계에 의해 형성된 플러그를 나타낸 도면.14A and 14B show a plug formed by a plugging step according to a second preferred embodiment of the present invention.
도 15는 본 발명의 바람직한 제3 실시예에 따른 관통홀의 충진상태를 도시한 도면.FIG. 15 is a view illustrating a filled state of a through hole according to a third exemplary embodiment of the present invention. FIG.
도 16는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 관통홀 충진방법을 나타낸 순서도.16 is a flow chart showing a through-hole filling method according to an embodiment of the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
2 : 기판 4 : 관통홀2
6 : 시드 레이어 8 : 관통전극6: seed layer 8: through electrode
10 : 실리콘 웨이퍼 12a, 12b, 12c : 플러그10:
14a, 14b : 구리판 16 :도금액14a, 14b: copper plate 16: plating solution
18a, 18b : 양극 20 :음극18a, 18b: anode 20: cathode
22a, 22b : 정류기 24: 공극22a, 22b: rectifier 24: void
본 발명은 전해도금에 의한 관통홀 충진방법에 관한 것이다.The present invention relates to a through-hole filling method by electroplating.
오늘날 전자산업의 발달에 따라 휴대폰, DMB(Digital Multimedia Broadcasting)을 비롯한 휴대용 전자제품의 소형화, 고기능화 되면서 이에 따라 전자부품 또한 초소형화, 고집적도화, 다기능화, 고성능화를 요구하고 있다. 이와 같은 제품 개발의 목표 달성을 가능하게 하는 중요한 기술 중의 하나가 바로 패키지 조립 기술이다.With the development of the electronics industry, portable electronic products such as mobile phones and DMB (Digital Multimedia Broadcasting) are becoming smaller and more functional. Accordingly, electronic components are also required to be miniaturized, highly integrated, multifunctional, and high performance. One of the key technologies that enables this product development goal is package assembly technology.
패키지 조립 기술로서 칩 스케일 패키지는 최근에 개발되어 제안되고 있는 새로운 패키지 유형으로서, 전형적인 플라스틱 패키지에 비하여 패키지의 크기를 크게 줄일 수 있는 장점들을 가지고 있다. Chip-scale package as a package assembly technology is a new type of package that has been recently developed and proposed, and has the advantage of greatly reducing the size of a package compared to a typical plastic package.
칩 스케일 패키지는 디지털 캠코더, 휴대 전화기, 노트북 컴퓨터, 메모리 카드 등과 같이 소형화, 이동성이 요구되는 제품들에 주로 사용되며, DSP(digital signal processor), ASIC(application specific integrated circuit), 마이크로 컨 트롤러(micro controller) 등과 같은 반도체 소자들이 칩 스케일 패키지 안에 실장된다. 또한, DRAM(dynamic random access memory), 플래쉬 메모리(flash memory) 등과 같은 메모리 소자를 실장한 칩 스케일 패키지의 사용도 점점 확산 되고 있다.Chip-scale packages are mainly used in products requiring miniaturization and mobility, such as digital camcorders, mobile phones, notebook computers, memory cards, and so on, and include digital signal processors (DSPs), application specific integrated circuits (ASICs), and microcontrollers (microcontrollers). Semiconductor devices such as controllers are mounted in chip-scale packages. In addition, the use of chip-scale packages in which memory devices such as dynamic random access memory (DRAM), flash memory, and the like are mounted is increasingly being used.
그러나, 칩 스케일 패키지가 크기 면에서 절대적인 이점을 가지고 있는 반면, 신뢰성의 확보의 어려움과 칩 스케일 패키지의 제조에 추가로 제조 설비가 투입되어야 하고, 소요되는 원부자재가 많아 제조 단가가 높아 가격 경쟁력이 떨어진다는 단점이 있다.However, while the chip scale package has an absolute advantage in terms of size, it is difficult to secure reliability and additional manufacturing equipment is required for the manufacture of the chip scale package. There is a downside to falling.
이와 같은 문제점을 해결할 수 있는 방안으로 웨이퍼 레벨(wafer level)에서의 칩 스케일 패키지가 대두되고 있다. 통상적인 웨이퍼 제조 공정에서는 반도체 웨이퍼(semiconductor wafer)가 제조되면 웨이퍼로부터 개별 칩을 분리하여 패키지 조립 공정을 거치게 되는데, 이러한 패키지 조립 공정은 웨이퍼 제조 공정과는 다른 설비와 원부자재를 필요로 하는 전혀 별개의 공정이지만, 웨이퍼 레벨에서, 즉 웨이퍼로부터 개별 칩을 분리하지 않은 상태에서 완전한 제품으로서의 패키지를 제조할 수 있다. 따라서, 패키지를 제조하는데 사용되는 제조 설비나 제조 공정에 기존 웨이퍼 제조 설비, 공정들을 그대로 이용할 수 있다. 이는 패키지를 제조하기 위하여 추가로 소요되는 원부자재를 최소활 수 있음을 의미하기도 한다. 이와 더불어 웨이퍼 레벨에서 제조된 칩 스케일 패키지를 3차원으로 적층한 적층 패키지도 대두되고 있다. In order to solve this problem, chip-scale packages are emerging at the wafer level. In a typical wafer fabrication process, when a semiconductor wafer is manufactured, individual chips are separated from the wafer and subjected to a package assembly process. This package assembly process is completely separate from the wafer fabrication process and requires different equipment and raw materials. However, it is possible to produce a package as a complete product at the wafer level, i.e. without separating individual chips from the wafer. Therefore, the existing wafer manufacturing equipment and processes can be used as it is in the manufacturing equipment or manufacturing process used to manufacture the package. This also means that it is possible to minimize the additional raw materials required to manufacture the package. In addition, a stack package in which a chip scale package manufactured at the wafer level is stacked in three dimensions is also emerging.
웨이퍼 레벨에서 제조된 칩 스케일 패키지를 3차원으로 적층하기 위해서는, 아래 위로 배치된 칩 스케일 패키지 사이에 전기적 접속이 필요하다. 이를 위해서 반도체 웨이퍼를 관통하는 구멍을 형성하고, 그 구멍에 관통전극을 형성할 필요가 있다. 이러한 웨이퍼 레벨에서 칩 스케일 패키지를 3차원으로 적층하기 위해 필요한 관통홀은 상술한 바와 같이 전자부품의 고집적화, 고밀도화에 따라 어스펙 레시오(aspect ratio)가 PCB(printed circuit board)에 비해 매우 크기 때문에 관통홀에 공극(void)이나 갈라진 틈(seam)이 없이 관통전극을 충진하는 것이 매우 어렵다.In order to stack the chip scale packages manufactured at the wafer level in three dimensions, electrical connections are required between the chip scale packages arranged up and down. For this purpose, it is necessary to form a hole penetrating the semiconductor wafer and to form a through electrode in the hole. As described above, the through hole required for stacking the chip scale package in three dimensions at the wafer level has a large aspect ratio compared to the printed circuit board (PCB) due to the high integration and density of electronic components. It is very difficult to fill through electrodes without voids or cracks in the through holes.
도 1은 종래 기술에 따른 관통홀 충진방법을 나타낸 도면이다. 도 1를 참조하면, 기판(102), 관통홀(104), 블라인드 비아(106), 금속판(110), 도전성 접착제(112), 관통전극(114)이 도시되어 있다.1 is a view showing a through hole filling method according to the prior art. Referring to FIG. 1, a
도 1를 참조하여 전해도금에 의해 관통홀(104)에 관통전극(114)을 충진하는 종래의 방법을 살펴보면, 관통홀(104)에 시드 레이어(Seed layer)의 형성 방법에 따라, 관통홀(104)을 형성하는 단계에서 관통홀(104)을 완전히 뚫지 않고, 미관통홀(이하 "블라인드 비아홀" 이라 함)을 형성한 후 시드 레이어를 미관통홀 내측면에 형성하고, 전해도금으로 관통홀(104)의 바닥면부터 전도체로 충진한 후, 식각 공정 또는 화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing, 이하 CMP)로 관통하지 않은 기판(102)을 제거하여 관통형 전극을 형성하는 방법(도 1의 (a))이 있고, 또한 금속판(110)이나 금속박(foil)을 관통홀(104)이 형성된 기판(102)의 한쪽 면에 직접 붙여 시드 레이어로 사용하거나, 기판(102)의 한쪽 면에 감광제를 도포하거나, 전도성 접착제, 테이프 등을 부착한 후, 여기에 금속판(110)이나 금속박을 덧대어 이 부분을 시드 레이어로 사용하여 관통홀(104)을 전기도금에 의해 전도체 로 충진하는 방법이 있다(도 1의 (b)). 또 다른 방법으로 기판(102)의 한쪽 면에 감광제(Photoresistor)를 도포하여, 기판(102)의 일측면 전체를 덮은 후 스퍼터링이나, 증발공정을 통하여 금속박막을 형성하고, 애싱(ashing)공정을 통해 관통홀(104)에서 노출되어 있는 감광제를 제거한 후, 시드 레이어를 이용하여 전해도금을 실시하여 관통홀(104) 전체를 전도성 금속으로 충진하는 방법(도 1의 (c)) 등이 제시되고 있다. Referring to FIG. 1, a conventional method of filling a through
관통홀(104) 전체에 전도성 금속이 충진되면, 기판(102)의 일면에 형성된 시드 레이어 및 과도도금 부위를 제거하여 관통형 전극을 완성하게 된다. When the conductive metal is filled in the entire through
종래 기술에 따른 전해도금에 의한 관통홀(104) 충진방법은 시드 레이어로 전해도금을 수행하게 되는데, 충진이 이루어지는 방향은 시드 레이어가 형성된 기판(102)면으로부터 도금이 수행되어 시드 레이어가 형성되지 않은 기판(102)면을 향하여 일방향으로 충진되어 간다.The filling method of the through
그러나, 종래 기술에 따른 관통홀 충진방법은 일방향으로 충진이 이루어져 공정이 간단하고 공극(void)이나 갈라진 틈(seam)이 발생할 우려가 적으나, 상술한 첫 번째 방법은 어스펙 레시오(aspect ratio)가 큰 경우에는 적용이 어렵고 블라이드 비아홀 전면에 시드 레이어를 형성해야 함으로 시드 레이어 형성에 불량이 발생할 경우 전극 충진에 결함이 발생할 수 있으며, 두 번째 방법의 경우 시드 레이어용 금속층을 기판(102)에 균일하고 밀실하게 접착시키기 어렵고, 금속층을 접착시키기 위한 도전성 접착제(112)가 모세관 현상으로 관통홀(104) 내부로 유입되는 경우 관통홀(104) 벽면과 관통전극(114)의 접착에 결함이 발생할 우려가 있다. 또한, 세 번째 방법의 경우, 기판(102)의 일면에 시드 레이어를 형성하고, 이로부터 관통홀(104)의 충진이 이루어지므로 공극이나 틈이 발생할 우려가 적으나, 기판(102)의 일면에 시드 레이어와 전해도금으로 인한 도금층이 두껍게 형성되고, 관통홀(104) 내벽과 충진체의 접착에 결함이 발생하는 문제점이 있다.However, the through-hole filling method according to the prior art is filled in one direction, so the process is simple and there is little possibility of voids or cracks, but the first method described above is an aspect ratio. ), It is difficult to apply, and the seed layer must be formed on the entire surface of the via via hole. If a defect occurs in forming the seed layer, defects may occur in electrode filling. In the second method, the seed layer metal layer is applied to the
또한, 종래 기술에 따른 관통홀 충진방법은 패턴 상의 불필요한 구리 도금층의 증가를 유발하고, 이러한 도금층의 증가는 웨이퍼의 휘어짐을 유발하여 CMP공정 후 관통홀의 구경의 변화를 유발시켜 초기 설계패턴과 다른 형태의 관통홀이 형성될 수 있다는 문제점이 있었다. In addition, the through-hole filling method according to the prior art causes an unnecessary increase in the copper plating layer on the pattern, and the increase in the plating layer causes the warpage of the wafer to cause a change in the aperture size of the through-hole after the CMP process. There was a problem that the through-hole of can be formed.
본 발명은 관통홀 내벽면의 일부 또는 전부에 시드 레이어를 형성하며, 전해도금시 기판의 일면과 타면간의 전류밀도를 달리 하고 또한, 전해도금 공정을 2단계로 나누어 도금을 수행함으로써, 관통홀 입구에 과도한 도금 집중현상을 방지하고 관통홀의 충진을 보다 밀실하게 할 수 있으며 관통홀 내벽과 충진물의 밀착력을 증진시킬 수 있는 관통홀 충진방법을 제공하는 것이다.The present invention forms a seed layer on part or all of the inner wall surface of the through-hole, and varies the current density between one side and the other side of the substrate during electroplating, and also performs plating by dividing the electroplating process into two steps. It is to provide a through-hole filling method that can prevent excessive plating concentration on the through hole and make the filling of the through hole more tightly, and improve the adhesion between the inner wall of the through hole and the filling material.
본 발명의 일 측면에 따르면, 기판에 형성된 관통홀을 전도체로 충진하는 방법으로서, (a) 관통홀 내벽면에 시드 레이어(Seed layer)를 형성하는 단계와, (b) 전해도금을 수행하여 관통홀의 일부를 전도체로 충진하는 플러깅 단계(Plugging step) 및 (c) 전해도금을 수행하여 관통홀의 나머지 일부를 전도체로 충진하는 그로잉 단계(Growing step)를 포함하는 관통홀 충진방법이 제공된다.According to an aspect of the present invention, a method of filling a through hole formed in a substrate with a conductor, the method comprising: (a) forming a seed layer on the inner wall surface of the through hole; There is provided a through hole filling method including a plugging step of filling a part of a hole with a conductor and a growing step of filling the remaining part of the through hole with a conductor by performing a plating step (c).
단계 (a)는, 시드 레이어가 관통홀 내벽면의 일부에 형성되도록 수행할 수 있다. 또한, 단계 (a)는, 기판의 일면에 전도성 금속을 증착시킴으로써 수행될 수 있으며, 전도성 금속의 증착 두께를 조절하여 관통홀 내벽면에 형성되는 시드 레이어의 깊이를 조절할 수 있다.Step (a) may be performed such that the seed layer is formed on a part of the inner wall surface of the through hole. In addition, step (a) may be performed by depositing a conductive metal on one surface of the substrate, and may control the depth of the seed layer formed on the inner wall surface of the through hole by adjusting the deposition thickness of the conductive metal.
전도성 금속은 구리(Cu), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 은(Ag), 금(Au) 및 알루미늄(Al) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.The conductive metal may include at least one of copper (Cu), chromium (Cr), nickel (Ni), silver (Ag), gold (Au), and aluminum (Al).
단계 (b)는, 기판의 양면에 인가되는 전류밀도를 조절함으로써 수행될 수 있다.Step (b) may be performed by adjusting the current density applied to both sides of the substrate.
기판은, 실리콘 웨이퍼, 고저항 실리콘 웨이퍼, 다결정 실리콘, 유리, 세라믹 기판 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.The substrate may include at least one of a silicon wafer, a high resistance silicon wafer, polycrystalline silicon, glass, and a ceramic substrate.
전도체는, 구리(Cu), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 은(Ag), 금(Au) 및 알루미늄(Al) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.The conductor may include at least one of copper (Cu), chromium (Cr), nickel (Ni), silver (Ag), gold (Au), and aluminum (Al).
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 잇점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.Other aspects, features, and advantages other than those described above will become apparent from the following drawings, claims, and detailed description of the invention.
이하, 본 발명에 따른 관통홀의 충진방법의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the through-hole filling method according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, in the description with reference to the accompanying drawings, the same or corresponding components are given the same reference numerals and Duplicate explanations will be omitted.
도 2은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 전해도금에 의한 관통홀 충진방법을 나타낸 개략도이다. 도 2을 참조하면, 기판(2), 관통홀(4), 시드 레이어(Seed layer)(6), 플러그(12b), 관통전극(8)이 도시되어 있다.Figure 2 is a schematic diagram showing a through-hole filling method by electroplating according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 2, a
본 발명은, 기판(2)의 일면 및 그 일면과 연결된 관통홀 내벽면의 일부 또는 전부에까지 시드 레이어(6)를 형성한 후, 전해도금시 기판(2)의 일면과 타면에 인가되는 전류밀도를 달리 함과 아울러, 전해도금 공정을 플러깅 단계(Plugging step)와 그로잉 단계(Plugging step)의 2단계로 나누어 도금을 수행함으로써 과도금층을 감소시킬 수 있고, 충진체 내에 공극과 갈라진 틈이 없으며 관통홀 내벽과 충진체의 밀착력을 증진시킬 수 있는 관통홀 충진방법을 제공하는 것이다. According to the present invention, the
본 실시예에 사용되는 기판(2)으로는 반도체 소자의 제조에 사용되는 실리콘 웨이퍼, 고저항 실리콘 웨이퍼, 다결정 실리콘, 유리, 세라믹뿐만 아니라, PCB 기판 등이 이용될 수 있다. As the
기판(2)에 형성되는 관통홀은 CNC(Computer Numerical Control)드릴이나 레이저를 사용하여 가공하거나, RIE(Reactive Ion Etch)로 식각이 가능한 기판(2)은 건식식각으로 미세 관통홀을 형성한다. 이때 적용 가능한 관통홀의 직경은 수 내지 수백 μm가 가능하다.The through holes formed in the
본 발명에 있어 시드 레이어(6)는 후속의 전해도금 공정 시 전해도금용 전극이 되는 층을 의미한다. In the present invention, the
시드 레이어(6)는 스퍼터링(sputtering), 증발(evaporation)공정 등을 통해 금속박막(예를 들면, Cu, Cr, Ni, Ag, Au 및 Al 등과 같은 전도성 금속)을 증착시켜 형성한다.The
본 실시예에서는 이러한 시드 레이어(6)를 기판(2)의 일면 및 그 일면과 연결된 관통홀 내벽면의 일부 또는 전부에까지 형성하여 이후 플러깅 단계에서 기판(2) 양면의 전류밀도를 조절함으로써 플러그의 위치를 조절할 수 있다. 이 경우 관통홀의 내벽면에 형성되는 시드 레이어(6)의 깊이를 달리 하는 경우 이후 전해도금 공정에서 관통홀의 도금에 의한 충진특성이 달라지게 된다.In the present embodiment, the
시드 레이어(6)를 기판(2)의 일면과 그 일면과 연결된 관통홀에 형성하는 방법은 관통홀이 형성된 기판(2)의 일면에서 스퍼터링, 증발공정을 수행하여 금속박막이 관통홀의 내벽면에 형성되도록 하는데, 기판(2) 일면의 형성되는 시드 레이어의 증착 높이를 조절함으로써 기판(2)의 일면에서 관통홀 내벽면에 형성되는 시드 레이어의 깊이를 조절할 수 있다.The
시드 레이어(6)가 형성되면, 이를 전극으로 1차 전해도금이 이루어지는데 이를 본 발명에서는 플러깅 단계(Plugging Step)으로 칭한다. 플러깅 단계는 관통홀을 완전히 충진하여 관통전극(8)을 형성하기 위한 기준이 되는 플러그를 형성하는 공정이다. 이러한 플러그의 위치는 전해도금조에서 기판(2)의 일면과 타면의 전류밀도를 조절함으로써 관통홀의 상단, 중앙 또는 하단에 형성할 수 있다.When the
관통홀에 플러그가 형성되면 2차 전해도금이 수행되는데 이를 본 발명에서는 그로잉 단계(Growing Step)으로 칭한다. 그로잉 단계는 플러깅 단계에서 형성된 플러그를 기준으로 도금이 성장하여 관통홀을 충진하여 관통전극(8)을 형성하는 공정 이다. 관통홀에 형성된 플러그의 위치에 따라 기판(2)의 일면과 타면의 전류밀도를 조절함으로써 관통홀을 충진하게 된다. 본 발명에 의한 충진방향은 종래에는 일방향으로 충진이 이루어지는 것과는 달리 플러그를 기준으로 일방향 또는 양방향으로 충진이 이루어 진다.When the plug is formed in the through hole, secondary electroplating is performed, which is referred to as a growing step in the present invention. In the drawing step, the plating is grown based on the plug formed in the plugging step to fill the through holes to form the through
관통홀 전체에 전도성 금속이 충진되면, 기판(2)의 일면에 형성된 시드 레이어 및 과도도금 부위를 제거하여 관통전극(8)을 완성하게 된다.When the conductive metal is filled in the entire through hole, the seed layer and the overplating portion formed on one surface of the
도 3는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플러깅 단계와 그로잉 단계에 의해 형성된 관통전극을 나타낸 상태도이다. 도 3을 참조하면, 실리콘 웨이퍼(10), 플러그(12a, 12b, 12c), 관통전극(8)이 도시되어 있다.3 is a state diagram showing a through electrode formed by a plugging step and a drawing step according to a preferred embodiment of the present invention. Referring to FIG. 3, a
본 실시예에서는 구리(Cu)를 이용하여 관통홀을 충진하는 구리 전해도금법이 사용되었다.In this embodiment, a copper electroplating method using a copper (Cu) to fill the through hole is used.
도 3의 (a)는 플러깅 단계에 의해 기판의 일면 방향에(도면상 관통홀의 상부) 플러그(12a)가 형성된 후, 그로잉 단계에 의한 관통홀이 충진된 상태를 나타낸 것이고, 도 4의 (b)는 플러깅 단계에 의해 관통홀의 중앙부에 플러그(12b)를 형성한 후, 그로잉 단계에 의해 관통홀이 충진된 상태를 나타낸 것이며, 도 4의 (c)는 플러깅 단계에 의해 관통홀의 하부(시드 레이어가 형성된 기판의 일면의 반대방향)에 플러그(12c)를 형성한 후, 그로잉 단계에 의한 관통홀이 충진된 상태를 나타낸 것이다.FIG. 3A illustrates a state in which a through hole is filled by a drawing step after the
이와 같이, 전해도금 공정을 플러깅 단계와 그로잉 단계로 나눔으로써 관통홀 입구에 과도한 도금 집중현상을 방지하고, 관통홀의 충진을 보다 밀실하게 할 수 있으며 관통홀 내벽과 관통전극(8)과의 밀착력을 높일 수 있게 된다.As such, by dividing the electroplating process into a plugging step and a drawing step, it is possible to prevent excessive plating concentration at the entrance of the through hole, to make the filling of the through hole more tight, and to adhere to the inner wall of the through hole and the through
플러깅 단계는 전해도금조에 관통홀을 충진하고자 하는 기판을 배치한 후 기판의 양면의 전류밀도를 달리함으로써 충진이 이루어 진다.The plugging step is performed by placing a substrate to be filled with through holes in the electroplating bath and then changing current densities on both sides of the substrate.
도 4은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 시드 레이어가 형성된 기판의 단면도이다. 도 4을 참조하면, 실리콘 웨이퍼(10), 시드 레이어(6)가 도시되어 있다.4 is a cross-sectional view of a substrate on which a seed layer according to a first embodiment of the present invention is formed. Referring to FIG. 4, a
본 실시예는 직경(d)이 80μm, 깊이(l)가 300μm인 관통홀을 가진 기판의 일면에서 티타늄(Ti)을 500Å(1Å=10-10 m=10-1 nm)두께로 증착하고, 금(Au)를 2000Å으로 증착한 경우 기판의 일면과 관통홀 내벽면에 형성된 시드 레이어(6)가 형성된 모습을 도시하고 있다. 이 경우 시드 레이어(6)는 관통홀의 깊이의 대략 반 정도까지 형성된다. 본 실시예에 사용된 기판은 반도체 소자 제조에 이용되는 4 inch 실리콘 웨이퍼(10)(P type)를 사용하였다.In this embodiment, titanium (Ti) is deposited to 500 Å (1Å = 10 -10 m = 10 -1 nm) on one surface of a substrate having a through hole having a diameter (d) of 80 μm and a depth of 300 μm. In the case of depositing gold (Au) at 2000 μs, the
관통홀의 깊이를 관통홀의 직경으로 나눈 값을 어스펙 레시오(aspect ratio)이라 하면, 본 실시예의 어스펙 레시오는 약 3.75로서 매우 높은 어스펙 레시오를 가진 관통홀임을 알 수 있다. When the depth of the through-hole divided by the diameter of the through-hole is called an aspect ratio, it can be seen that the aspect-ratio of this embodiment is about 3.75, which is a through-hole having a very high aspect ratio.
시드 레이어(6)를 기판의 일면 및 그 일면과 연결된 관통홀에 형성하는 방법은 관통홀이 형성된 기판의 일면에서 스퍼터링, 증발공정을 수행하여 금속박막이 기판의 일면 및 관통홀을 통하여 관통홀의 내벽면에 형성되도록 한다.The
관통홀의 내벽면에 시드 레이어(6)가 형성되는 깊이는 기판 일면의 시드 레 이어(6)의 증착높이에 따라 달라지게 되는데, 예를 들면, 직경(d)이 80μm, 깊이(l)가 300μm인 관통홀을 가진 기판의 일면에서 티타늄(Ti)을 500Å(1Å=10-10 m=10-1 nm)두께로 증착하고, 금(Au)를 7000Å으로 증착한 경우 관통홀의 전 깊이에 걸쳐 시드 레이어(6)가 형성된다.The depth at which the
도 5는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 전해도금 장치를 나타낸 도면이다. 도 5를 참조하면, 실리콘 웨이퍼(10), 구리판(14a, 14b), 도금액(16), 양극(18a, 18b), 음극(20), 정류기(22a, 22b)가 도시되어 있다.5 is a view showing an electroplating apparatus according to a first embodiment of the present invention. Referring to FIG. 5, the
본 실시예에서는 구리 전해도금법이 사용되었으므로, 구리염 이 들어있는 전해도금조에 (14a, 14b)을 양단에 배치하고 도금하고자 하는 실리콘 웨이퍼(10)를 전해도금조의 중앙에 배치하여 전해도금조를 양분한다. In this embodiment, since the copper electroplating method is used, the electroplating baths are placed by placing (14a, 14b) at both ends of the electroplating bath containing copper salts, and placing the
도면상의 좌측에 배치된 구리판(14a)을 양극(anode, 18a)으로 하고, 기판에 형성된 시드 레이어를 음극(cathode, 20)으로 하여 하나의 정류기(rectifier, 22a)에 연결하고, 도면상의 우측에 배치된 구리판(14b)을 양극(18b)으로 하고, 시드 레이어를 음극(20)으로 하여 또 다른 정류기(22b)에 연결함으로써 기판에 의해 양분된 전해도금조의 양측의 전류밀도(current density)를 조절할 수 있다.The
플러깅 단계는 상술한 전해도금조에서 기판의 양면을 중심으로 양분된 전해도금조 내의 전류밀도를 조절함으로써 관통홀의 상단, 중앙 또는 하단에 전해도금에 의한 플러그를 형성할 수 있다. 이에 대해서는 아래의 도 6 및 도 7의 설명을 통하여 자세히 살펴보기로 한다.The plugging step may form a plug by electroplating at the top, the center, or the bottom of the through hole by adjusting the current density in the electroplating bath divided into two surfaces of the substrate in the above-described electroplating bath. This will be described in detail with reference to FIGS. 6 and 7 below.
그로잉 단계는 관통홀에 플러그가 형성되면 다른 전류밀도를 인가하여 관통홀의 나머지 부분을 충진해 나간다. 이에 대해서는 아래의 도 9를 통하여 자세히 살펴보기로 한다.In the drawing step, when a plug is formed in the through-hole, a different current density is applied to fill the remaining portion of the through-hole. This will be described in detail with reference to FIG. 9 below.
도 6은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 플러깅 단계에 의해 형성된 플러그를 나타낸 도면이고, 도 7은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 플러그의 깊이의 증가량을 설명하기 위한 도면이다. 도 6 및 도 7를 참조하면, 실리콘 웨이퍼(10), 플러그(12a, 12b, 12c)가 도시되어있다.6 is a view showing a plug formed by the plugging step according to the first embodiment of the present invention, Figure 7 is a view for explaining the increase in the depth of the plug according to a preferred embodiment of the present invention. 6 and 7, a
본 실시예의 사용된 기판은 직경(d)이 80μm, 깊이(l)가 300μm인 관통홀을 가진 4inch 실리콘 웨이퍼(10)(P type)로서, 그 일면에 티타늄(Ti)을 500Å 두께로 증착하고, 금(Au)를 웨이퍼 일면에 2000Å으로 증착하면, 실리콘 웨이퍼(10)의 일면과 관통홀의 깊이의 대략 반 정도까지 시드 레이어가 형성된다. 이 경우 관통홀의 어스펙 레시오는 약 3.75로서 매우 높은 어스펙 레시오를 가진다.The substrate used in this embodiment is a 4 inch silicon wafer 10 (P type) having a through hole having a diameter (d) of 80 µm and a depth (l) of 300 µm. When gold (Au) is deposited on one side of the wafer at 2000 microseconds, the seed layer is formed to approximately half the depth of one side of the
전해도금에 사용된 도금액은 황산동(CuSO4 ·5H2O)은 250g/L, 황산(H2SO4) 30g/L, 염산(HCL) 40PPM에, 애디티브(additive)로는 Ebara Co,.LTD 사의 것을 첨가하였다.The plating solution used for electroplating was 250 g / L for copper sulfate (CuSO 4 · 5H 2 O), 30 g / L for sulfuric acid (H 2 SO 4 ), 40 ppm of hydrochloric acid (HCL), and Ebara Co..LTD as an additive. Inc. was added.
본 실시예의 전해도금의 조건은 인(P)이 포함된 구리판을 양극(anode)으로 하고, 실험 온도는 25 ℃이며, 도금액 교반을 위해 공기(Air)를 분당 10리터 (Air 10 LPM(Liter Per Minute))를 불어 넣었다.The electroplating conditions of the present embodiment is a copper plate containing phosphorus (P) as an anode, the experimental temperature is 25 ℃, 10 liters of air per minute (
본 발명에 있어서, 시드 레이어가 형성된 실리콘 웨이퍼(10)의 일면방향으로 전해도금조에서 인가되는 전류밀도를 제1 전류밀도라 하고, 시드 레이어가 형성되지 않는 실리콘 웨이퍼(10)의 타면방향에 인가되는 전류밀도를 제2 전류밀도라 하며, 이러한 제1 전류밀도와 제2 전류밀도의 비를 전류밀도비(current density ratio)라 한다. 또한, 설명의 편의를 위해 '관통홀의 상단(또는 상부)'는 시드 레이어가 형성되어 있는 기판의 일면 방향의 관통홀 부분을 의미하며, '관통홀의 하단(또는 하부)'는 시드 레이어가 형성되지 않은 기판의 타면 방향의 관통홀 부분을 의미하는 것으로 한다.In the present invention, the current density applied from the electroplating bath in one surface direction of the
플러깅 단계는 이러한 전류밀도비를 조절함으로써 관통홀의 상단, 중앙 또는 하단에 전해도금에 의한 플러그(12a, 12b, 12c)를 형성할 수 있다. The plugging step may form the
도 6에서 (a'), (b') 및 (c')행은 각각 상술한 전해도금조에 인가되는 최대 전류밀도를 각각 8mA/cm2, 6mA/cm2 및 4mA/cm2로 한 경우를 나타내고 있고, 도 6에서 (a), (b) 및 (c)열은 상기의 최대 전류밀도에 따라 제1 전류밀도와 제2 전류밀도의 비가 각각 0.5:1, 2:1 및 4:1인 경우의 관통홀에 형성되는 플러그(12a, 12b, 12c)를 도시하고 있다. 예를 들면, 도 6의 (a')행과 (a)열에 위치한 도면은 제1 전류밀도를 4mA/cm2로, 제2 전류밀도를 전해도금조에 인가되는 최대 전류밀도인 8mA/cm2로 인가한 경우 관통홀에 형성되는 플러그(12a, 12b, 12c)의 상태를 도시하고 있는 것이며, 도 6의 (c')행과 (c)열에 위치한 도면은 제1 전류밀도를 4mA/cm2로, 제2 전류밀도를 전류밀도비 4:1에 따라 1mA/cm2로 인가한 경우에 관통홀에 형성 되는 플러그(12a, 12b, 12c)의 상태를 도시하고 있는 것이다.In Figure 6 (a '), (b ') and (c ') line of a case where the maximum current density to be applied to Article electrolytic plating, respectively above, respectively 8mA / cm 2, 6mA / cm 2 and 4mA / cm 2 In Fig. 6, columns (a), (b) and (c) indicate that the ratio of the first current density and the second current density is 0.5: 1, 2: 1, and 4: 1, respectively, according to the maximum current density. The
도 6에 도시된 바와 같이, 인가되는 최대 전류밀도를 6mA/cm2로 한 경우 전류밀도비가 0.5:1, 2:1 및 4:1에서 관통홀의 상부, 중앙 및 하부에 플러그(12a, 12b, 12c)가 형성된다. 또한, 인가되는 최대 전류밀도가 8mA/cm2인 경우에는 전류밀도비가 0.5:1에서 관통홀의 하부에 플러그(12c)가 형성되며, 최대 전류밀도가 6mA/cm2인 경우에도 전류밀도비가 0.5:1에서 관통홀의 하부에 플러그(12c)가 형성된다.As shown in FIG. 6, when the maximum current density to be applied is 6 mA / cm 2 , the
한편, 도 7은 전류밀도비의 변화(도 7의 x축)에 따라 관통홀에 플러그(12a, 12b, 12c)가 형성되는 위치와 두께(도 7의 y축)를 도시하고 있다.7 shows the position and thickness (y-axis of FIG. 7) at which the
도 6에서 전류밀도비가 0.5:1(도 6의 (a)열)이고 최대 전류밀도를 8mA/cm2, 6mA/cm2 및 4mA/cm2로 인가한 경우의 도면(도 6의 (a)열의 (a'), (b') 및 (c')행에 위치한 도면) 및 도 7에 도시된 바와 같이, 전류밀도비가 0.5:1의 경우 제2 전류밀도를 8mA/cm2, 6mA/cm2, 4mA/cm2로 감소됨에 따라 플러그(12a, 12b, 12c)는 관통홀의 하부로부터 중앙, 상단으로 형성되어 간다.6 the current density ratio is 0.5 (in FIG. 6 (a) columns) 1 and (a) of the figure of the case of applying the maximum current density to 8mA / cm 2, 6mA / cm 2 and 4mA / cm 2 (Fig. 6 As shown in the columns (a '), (b') and (c ')) and FIG. 7, the second current density is 8 mA / cm 2 and 6 mA / cm when the current density ratio is 0.5: 1. As it decreases to 2 , 4 mA / cm 2 , the
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 플러깅 단계시 전하량에 따른 플러그 상태를 나타낸 도면이다. 도 8을 참조하면, 실리콘 웨이퍼(10), 플러그(12a, 12b, 12c)가 도시되어 있다.8A and 8B illustrate plug states according to charge amounts during a plugging step according to a first embodiment of the present invention. Referring to FIG. 8, a
도 8a의 (a1), (a2) 및 (a3)은 인가되는 최대 전류밀도가 6mA/cm2이고 제1 전류밀도와 제2 전류밀도의 비가 0.5:1인 경우 각각 전하량을 4 A·Hr, 5 A·Hr, 6 A·Hr로 한 경우 플러그(12a, 12b, 12c)의 상태를 도시하고 있고, 도 8a의 (b1), (b2) 및 (b3)은 인가되는 최대 전류밀도가 6mA/cm2이고 제1 전류밀도와 제2 전류밀도의 비가 4:1인 경우 각각 전하량이 4 A·Hr, 5 A·Hr, 6 A·Hr일 때 플러그(12a, 12b, 12c)의 상태를 도시하고 있다.(A1), (a2) and (a3) of FIG. 8A show that when the maximum current density applied is 6 mA / cm 2 and the ratio of the first current density and the second current density is 0.5: 1, the amount of charge is 4 A.Hr, In the case of 5 A.Hr and 6 A.Hr, the states of the
도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같이, 인가되는 전류의 공급시간이 길어짐에 따라 전해도금조 내에 전하량이 증가하게 되고 이에 따라 전류밀도비가 0.5:1인 경우 관통홀의 하부로부터 형성되는 플러그(12c)의 두께가 증가되고, 전류밀도비가 4:1의 경우에는 플러그(12a)가 관통홀 상단에 얇게 형성되고 시드 레이어를 따라 도금층이 형성되어 마치 끝이 뾰족한 블라인드 비아홀이 형성된 것과 같다. 이러한 뾰족한 부위는 그로잉 단계에 의해 완전히 충진되기는 어렵다. 다만, 이 경우 완전한 충진을 요구하지 않고 기판의 상하면의 도통만을 요구하는 기판의 경우 적용이 가능하다. 특히 전류밀도비가 4:1의 경우 시드 레이어가 형성되지 않은 관통홀의 내벽에도 도금에 의한 충진이 이루어진다.As shown in FIGS. 8A and 8B, as the supply time of the applied current becomes longer, the amount of charge in the electroplating bath increases, and thus the
도 9는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 관통홀 하부에 형성된 플러그(최대 전류밀도 6mA/cm2)로부터 그로잉 단계에 의한 충진상태를 나타낸 도면이다. 도 9를 참조하면, 실리콘 웨이퍼(10), 관통전극(8), 공극(24)이 도시되어 있다.FIG. 9 is a view showing a state of filling by a drawing step from a plug (maximum current density of 6 mA / cm 2 ) formed under the through hole according to the first embodiment of the present invention. Referring to FIG. 9, a
상술한 플러깅 단계 중 관통홀의 하단에 형성된 플러그를 기초로 하여 관통 홀의 나머지를 충진하기 위해 그로잉 단계가 수행된다.During the plugging step, the drawing step is performed to fill the rest of the through holes based on the plugs formed at the bottom of the through holes.
도 9의 (a)는 상술한 플러깅 단계에서, 인가되는 최대 전류밀도가 6mA/cm2이고 제1 전류밀도와 제2 전류밀도의 비가 0.5:1이며, 전하량을 4 A·Hr로 한 경우 관통홀의 하단에 형성된 플러그(12c)를 도시하고 있다. 이와 같이 플러그(12c)가 형성되면 이를 기초로 하여 그로잉 단계에 의해 관통홀의 나머지 부분을 충진하여 관통전극을 형성한다.FIG. 9 (a) shows that the maximum current density applied during the plugging step described above is 6 mA / cm 2, and the ratio of the first current density to the second current density is 0.5: 1 and the charge amount is 4 A · Hr. The
도 9의 (b)는 전해도금조의 전류밀도를 3mA/cm2로 하여 2 A·Hr의 전하량이 투입되고, 도금액의 교반을 위해 분당 5리터의 공기를 분사(5 LPM)하면서 그로잉 단계를 수행한 경우의 관통홀의 충진상태를 나타내고 있고, 도 9의 (c)는 전류밀도가 3mA/cm2로 하여 2 A·Hr의 전하량이 투입되고, 도금액의 교반을 위해 분당 10리터의 공기를 분사(10 LPM)하면서 그로잉 단계를 수행한 경우의 관통홀의 충진상태를 도시하고 있다. 또한, 도 9의 (d)는 전류밀도를 2mA/cm2로 하여 1.5 A·Hr의 전하량이 투입되고 분당 5리터의 공기를 분사(5 LPM)하면서 그로잉 단계를 수행한 경우의 관통홀의 충진상태를 나타내고 있다. FIG. 9 (b) shows that the current density of the electroplating bath is 3 mA / cm 2 , and a charge amount of 2 A · Hr is introduced, and the drawing step is performed while spraying 5 liters of air per minute (5 LPM) for stirring the plating solution. The filling state of the through-holes in the case of performing the above is shown, and FIG. 9 (c) shows a charge amount of 2 A · Hr with a current density of 3 mA / cm 2 and injects 10 liters of air per minute to stir the plating solution. (10 LPM) shows the filling state of the through-holes when the drawing step is performed. In addition, Fig. 9 (d) shows the filling of the through-holes in the case where the drawing step was performed while the charge amount of 1.5 A · Hr was injected with the current density as 2 mA / cm 2 and 5 LPM of air was injected per minute (5 LPM). It shows the state.
도 9의 (b), (c) 및 (d)를 참조하면, 5~10 LPM 범위의 도금액의 교반은 충진에 영향이 없고, 전류밀도를 3mA/cm2로 인가한 경우 충진체 내에 공극(void, 24)이 형성되며 전류밀도를 2mA/cm2로 인가한 경우에는 공극(24)이 발생하지 않는다. 다만 완전한 충진을 위해 다소 전류인가 시간이 증가된다.Referring to (b), (c) and (d) of FIG. 9, the stirring of the plating liquid in the range of 5 to 10 LPM has no effect on the filling, and when the current density is applied at 3 mA / cm 2 , the voids in the filling body ( void, 24) is formed, and the void 24 does not occur when a current density of 2 mA / cm 2 is applied. However, the current application time is somewhat increased for complete filling.
도 10은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 관통홀 하부에 형성된 플러그(최대 전류밀도 4mA/cm2)로부터 그로잉 단계에 의한 충진상태를 나타낸 도면이다. 도 10을 참조하면, 실리콘 웨이퍼(10), 플러그(12c), 관통전극(8)이 도시되어 있다.10 is a view showing a state of filling by the drawing step from the plug (maximum current density 4mA / cm 2 ) formed in the bottom of the through-hole according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 10, a
도 10의 (a), (b) 및 (c)는 플러깅 단계에서 인가되는 최대 전류밀도가 4mA/cm2이고 제1 전류밀도와 제2 전류밀도의 비가 0.5:1인 경우, 각각 전하량이 2 A·Hr, 3 A·Hr 및 4 A·Hr일 때 관통홀의 형성된 플러그(12c)를 도시하고 있으며, 도 10의 (d) 및 (e)는 관통홀의 상단방향(시드 레이어가 형성된 방향)의 전류밀도를 5mA/cm2로 하여, 전하량이 각각 1 A·Hr 및 2 A·Hr 일 때의 그로잉 단계에 의한 관통홀의 충진상태를 나타내고 있다. 도 10에 도시된 바와 같이, 관통전극(8) 내에는 공극이 없으나, 실리콘 웨이퍼(10)의 일면에 도금층이 두껍게 형성될 수 있으므로 이 경우 도금액 내의 애디티브(additive)가 집중되는 현상을 개선하여 도금층의 두께를 낮출 수 있다.(A), (b) and (c) of FIG. 10 show that when the maximum current density applied in the plugging step is 4 mA / cm 2 and the ratio of the first current density and the second current density is 0.5: 1, the amount of charge is 2, respectively. The
도 11은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 관통홀 중앙에 형성된 플러그(최대 전류밀도 6mA/cm2)로부터 그로잉 단계에 의한 충진상태를 나타낸 도면이다. 도 11을 참조하면, 실리콘 웨이퍼(10), 플러그(12b), 공극(24)이 도시되어 있다.FIG. 11 is a view showing a filling state by a drawing step from a plug (maximum current density of 6 mA / cm 2 ) formed in the center of a through hole according to a first embodiment of the present invention. Referring to FIG. 11, a
도 11의 (a) 및 (b)는 플러깅 단계에서 인가되는 최대 전류밀도가 6mA/cm2이고 제1 전류밀도와 제2 전류밀도의 비가 2:1인 경우, 각각 전하량이 4 A·Hr 및 5 Ar인 경우 관통홀의 형성된 플러그(12b)를 도시하고 있으며, 도 11의 (c) 및 (d)는 전하량이 각각 2 A·Hr 일 때의 그로잉 단계에 의한 관통홀의 충진상태를 나타내고 있다.11 (a) and 11 (b) show that when the maximum current density applied in the plugging step is 6 mA / cm 2 and the ratio of the first current density and the second current density is 2: 1, the amount of charge is 4 A.Hr and In the case of 5 Ar, the
관통홀의 중앙부에 플러그(12b)를 형성한 경우 그로잉 단계에 의해 관통홀의 나머지 부분을 완전하게 충진하기가 어려워 재현성(reproducibility)이 낮다. 이 경우 완전한 충진을 요구하지 않고 기판의 상하면의 도통만을 요구하는 기판의 경우 적용이 가능하다.When the
도 12는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 관통홀 상단에 형성된 플러그로부터 그로잉 단계에 의한 충진상태를 나타낸 도면이다. 도 12를 참조하면, 실리콘 웨이퍼(10), 플러그(12a), 관통전극(8), 공극(24)이 도시되어 있다.12 is a view showing a state of filling by the drawing step from the plug formed on the top of the through-hole according to the first embodiment of the present invention. Referring to FIG. 12, a
도 12의 (a)는 상술한 플러깅 단계에 의해 관통홀 상단에 형성된 플러그(12a)의 상태를 도시하고 있다. 도 12의 (a)에 도시된 바와 같이 플러그(12a)가 관통홀 상단에 얇게 형성되고 시드 레이어를 따라 도금층이 형성되어 마치 끝이 뾰족한 블라인드 비아홀이 형성된 것과 같다. 뾰족한 부위를 그로잉 단계에 의해 완전히 충진하여 관통전극(8)을 형성하기는 어렵다. 이 경우 완전한 충진을 요구하지 않고 기판의 상하면의 도통만을 요구하는 기판의 경우 적용이 가능하다.FIG. 12A shows the state of the
도 13는 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 시드 레이어의 형성상태를 나타낸 도면이다. 도 13을 참조하면, 실리콘 웨이퍼(10), 시드 레이어(6)가 도시되어 있다.FIG. 13 is a view showing a formation state of a seed layer according to a second embodiment of the present invention. FIG. Referring to FIG. 13, a
본 실시예에 있어, 시드 레이어(6)의 형성 공정과 플러깅 단계 이외의 다른 구성요소는 제1 실시예에서 설명한 바와 같으며, 본 실시예에서 이에 대한 설명을 생략하기로 한다.In the present embodiment, the components other than the forming process and the plugging step of the
본 실시예는 직경(d)이 80μm, 깊이(l)가 300μm인 관통홀을 가진 실리콘 웨이퍼(10)의 일면에서 티타늄(Ti)을 500Å(1Å=10-10 m=10-1 nm)두께로 증착하고, 금(Au)를 7000Å으로 증착한 경우 실리콘 웨이퍼(10)의 일면과 관통홀 내벽면에 형성된 시드 레이어(6)가 형성된 모습을 도시하고 있다. 이 경우 시드 레이어(Seed Layer)(6)는 관통홀의 전 길이에 걸쳐 형성된다.In this embodiment, the thickness of titanium (Ti) is 500Å (1 m = 10 -10 m = 10 -1 nm) on one surface of the
관통홀의 깊이를 관통홀의 직경으로 나눈 값을 어스펙 레시오(aspect ratio)이라 하면, 어스펙 레시오는 약 3.75로서 매우 높은 어스펙 레시오를 가진 관통홀임을 알 수 있다. When the depth of the through-hole divided by the diameter of the through-hole is called an aspect ratio, the aspect-ratio is about 3.75, indicating that the through-hole has a very high aspect ratio.
시드 레이어(6)를 기판의 일면 및 그 일면과 연결된 관통홀에 형성하는 방법은 관통홀이 형성된 기판의 일면에서 스퍼터링, 증발공정을 수행하여 금속박막이 기판의 일면 및 관통홀을 통하여 관통홀의 내벽면에 형성되도록 한다.The
관통홀의 내벽면에 시드 레이어(6)가 형성되는 깊이는 기판 일면의 증착높이에 따라 달라지게 되는데, 예를 들면, 직경(d)이 80μm, 깊이(l)가 300μm인 관통홀을 가진 기판의 일면에서 티타늄(Ti)을 500Å(1Å=10-10 m=10-1 nm)두께로 증착하고, 금(Au)를 2000Å으로 증착한 경우 관통홀의 깊이의 대략 반 정도까지 형성된다.The depth at which the
도 14a 및 도 14b는 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 플러깅 단계에 의해 형성된 플러그를 나타낸 도면이다. 도 14a 및 도 14b를 참조하면, 실리콘 웨이퍼(10), 플러그(12a, 12b, 12c)도시되어 있다.14A and 14B show plugs formed by a plugging step according to a second preferred embodiment of the present invention. 14A and 14B, a
본 실시예의 사용된 기판은 직경(d)이 80μm, 깊이(l)가 300μm인 관통홀을 가진 4inch 실리콘 웨이퍼(10)(P type)로서, 그 일면에 티타늄(Ti)을 500Å 두께로 증착하고, 금(Au)를 웨이퍼 일면에 7000Å으로 증착하면, 시드 레이어는 웨이퍼의 일면과 관통홀의 전 깊이에 걸쳐 형성된다. 이 경우 관통홀의 어스펙 레시오는 약 3.75로서 매우 높은 어스펙 레시오를 가진다.The substrate used in this embodiment is a 4 inch silicon wafer 10 (P type) having a through hole having a diameter (d) of 80 µm and a depth (l) of 300 µm. When gold (Au) is deposited on one side of the wafer at 7000 Å, the seed layer is formed over one side of the wafer and the entire depth of the through hole. In this case, the aspect ratio of the through hole is about 3.75, which has a very high aspect ratio.
전해도금에 사용된 도금액은 황산동(CuSO4 ·5H2O)은 250g/L, 황산(H2SO4) 30g/L, 염산(HCL) 40PPM에, 애디티브(additive)로는 Ebara Co,.LTD 사의 것을 첨가하였다.The plating solution used for electroplating was 250 g / L for copper sulfate (CuSO 4 · 5H 2 O), 30 g / L for sulfuric acid (H 2 SO 4 ), 40 ppm of hydrochloric acid (HCL), and Ebara Co..LTD as an additive. Inc. was added.
본 실시예의 전해도금의 조건은 인(P)이 포함된 구리판을 양극(anode)으로 하고, 실험 온도는 25 ℃이며, 도금액 교반을 위해 공기(Air)를 분당 10리터 (Air 10 LPM(Liter Per Minute))를 불어 넣었다.The electroplating conditions of the present embodiment is a copper plate containing phosphorus (P) as an anode, the experimental temperature is 25 ℃, 10 liters of air per minute (
플러깅 단계는 이러한 전류밀도비를 조절함으로써 관통홀의 상단, 중앙 또는 하단에 전해도금에 의한 플러그(12a, 12b, 12c)를 형성할 수 있다. The plugging step may form the
도 14a에서 (a'), (b') 및 (c')행은 각각 상술한 전해도금조에 인가되는 최대 전류밀도를 6mA/cm2, 5mA/cm2 및 4mA/cm2로 한 경우를 나타내고 있고, 도 14a에서 (a), (b), (c), (d) 및 (e)열은 상기의 최대 전류밀도에 따라 제1 전류밀도와 제2 전류밀도의 비가 0.5:1, 1:1, 2:1, 3:1 및 4:1인 경우의 관통홀에 형성되는 플 러그(12a, 12b, 12c)를 도시하고 있다. 예를 들면, (a')행과 (a)열에 위치한 도면은 제1 전류밀도를 3mA/cm2로, 제2 전류밀도를 전해도금조에 인가되는 최대 전류밀도인 6mA/cm2로 인가한 경우 관통홀에 형성되는 플러그(12a, 12b, 12c)의 상태를 도시하고 있는 것이며, 도 14의 (c')행과 (e)열에 위치한 도면은 제1 전류밀도를 4mA/cm2로, 제2 전류밀도를 전류밀도비 4:1에 따라 1mA/cm2로 인가한 경우에 관통홀에 형성되는 플러그(12a, 12b, 12c)의 상태를 도시하고 있는 것이다.In Fig. 14A, the lines (a '), (b') and (c ') represent the cases where the maximum current densities applied to the electroplating bath described above are 6 mA / cm 2 , 5 mA / cm 2, and 4 mA / cm 2 , respectively. In FIG. 14A, columns (a), (b), (c), (d) and (e) have a ratio of first current density and second current density of 0.5: 1 and 1: depending on the maximum current density. The
도 14b는 도 14a에 도시된 바와 같이, 다양한 최대 전류밀도와 전류밀도비에 의해 형성된 플러그 중에 바람직하게 관통홀의 상단, 중앙 및 하단에 플러그(12a, 12b, 12c)가 형성된 것을 선별하여 그 상태를 도시하고 있다. FIG. 14B is a view showing the state in which the
도 14b의 (a)는 최대 전류밀도를 4mA/cm2로 하고, 제1 전류밀도와 제2 전류밀도의 비를 0.5:1로 한 경우 즉, 제1 전류밀도를 2mA/cm2로, 제2 전류밀도 4mA/cm2로 인가하여 전해도금을 수행한 경우의 플러그(12c)의 형성상태를 도시하고 있고, 도 14b의 (b)는 최대 전류밀도를 6mA/cm2로 하고, 제1 전류밀도와 제2 전류밀도의 비를 1:1로 한 경우 즉, 제1 전류밀도를 6mA/cm2로, 제2 전류밀도 6mA/cm2로 인가하여 전해도금을 수행한 경우의 플러그(12b)의 형성상태를 도시하고 있으며, 도 14b의 (c)는 최대 전류밀도를 6mA/cm2로 하고, 제1 전류밀도와 제2 전류밀도의 비를 4:1로 한 경우 즉, 제1 전류밀도를 6mA/cm2로, 제2 전류밀도 1.5mA/cm2로 인가하여 전해도금을 수행한 경우의 플러그(12a)의 형성상태를 도시하고 있다. 14B (a) shows a case where the maximum current density is 4 mA / cm 2 and the ratio of the first current density and the second current density is 0.5: 1, that is, the first current density is 2 mA / cm 2 , and 2 shows a state in which the
도 14b의 (a), (b) 및 (c)를 살펴보면, 플러그(12c)가 관통홀의 하단에서 상단방향으로 형성됨을 알 수 있다. 따라서, 제2 전류밀도가 감소함에 따라 플러그의 형성위치가 관통홀의 하단에서부터 상단으로 형성된다.Looking at (a), (b) and (c) of Figure 14b, it can be seen that the
도 15는 본 발명의 바람직한 제3 실시예에 따른 관통홀의 충진상태를 도시한 도면이다. 도 15를 참조하면, 실리콘 웨이퍼(10), 관통전극(8)가 도시되어 있다.FIG. 15 is a view illustrating a filled state of a through hole according to a third exemplary embodiment of the present invention. Referring to FIG. 15, a
본 실시예의 사용된 기판은 직경(d)이 50μm, 깊이(l)가 300μm인 관통홀을 가진 4inch 실리콘 웨이퍼(10)(P type, 100)로서, 그 일면에 티타늄(Ti)을 500Å 두께로 증착하고, 금(Au)를 웨이퍼 일면에 2000Å으로 증착하여 웨이퍼의 일면과 관통홀 내벽면 일부에 시드 레이어(Seed Layer)을 형성하였다. 이 경우 관통홀의 어스펙 레시오는 6으로서 매우 높은 어스펙 레시오를 가진다.The substrate used in this embodiment is a 4 inch silicon wafer 10 (P type, 100) having a through-hole having a diameter (d) of 50 μm and a depth (l) of 300 μm. After deposition, gold (Au) was deposited on one side of the wafer at 2000Å to form a seed layer on one side of the wafer and a part of the inner wall of the through hole. In this case, the aspect ratio of the through-hole is 6 and has a very high aspect ratio.
플러깅 단계는 전해도금조에 인가되는 최대 전류밀도를 2mA/cm2로 하고, 제1 전류밀도와 제2 전류밀도의 비를 0.5:1로 한 경우 즉, 제1 전류밀도를 1mA/cm2로, 제2 전류밀도 2mA/cm2로 인가하고, 전하량을 3 A·Hr 하여 전해도금을 수행하였고, 그로잉 단계는 전류밀도를 1mA/cm2로 인가하고, 전하량을 1 A·Hr하여 전해도금을 수행하였다. 상술한 바와 같이 시드 레이어(Seed Layer), 플러깅 단계 및 그로잉 단계를 수행하면 도 15에 도시된 바와 같이 관통홀의 관통전극(8) 내에 공극이나 갈라진 틈이 없이 관통홀이 충진된다.In the plugging step, the maximum current density applied to the electroplating bath is 2 mA / cm 2 , and the ratio of the first current density to the second current density is 0.5: 1, that is, the first current density is 1 mA / cm 2 , The electroplating was performed by applying a second current density of 2 mA / cm 2 , and the amount of charge was 3 A.Hr. The drawing step was performed by applying a current density of 1 mA / cm 2 and the amount of charge by 1 A.Hr. Was performed. As described above, when the seed layer, the plugging step, and the drawing step are performed, the through hole is filled in the through
도 16는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 관통홀 충진방법을 나타낸 순서도이다. 도 16을 참조하면, S100 단계에서는, 기판에 형성된 관통홀 내벽면의 일부 또는 전부에 시드 레이어(Seed layer)를 형성한다. 이러한 시드 레이어를 기판의 일면 및 그 일면과 연결된 관통홀 내벽면의 일부 또는 전부에까지 형성하여 이후 플러깅 단계에서 기판 양면의 전류밀도를 조절함으로써 플러그의 위치를 조절할 수 있다. 이 경우 관통홀의 내벽면에 형성되는 시드 레이어의 깊이를 달리 하는 경우 이후 전해도금 공정에서 관통홀의 도금에 의한 충진특성이 달라지게 된다.16 is a flowchart illustrating a through hole filling method according to an exemplary embodiment of the present invention. Referring to FIG. 16, in step S100, a seed layer is formed on part or all of the inner wall surface of the through hole formed in the substrate. The seed layer may be formed on one side of the substrate and part or all of the inner wall surface of the through hole connected to the one side of the substrate, and then the position of the plug may be adjusted by controlling the current density of both sides of the substrate in the subsequent plugging step. In this case, when the depth of the seed layer formed on the inner wall surface of the through hole is changed, the filling property by the plating of the through hole in the electroplating process is changed.
시드 레이어를 기판의 일면과 그 일면과 연결된 관통홀에 형성하는 방법은 관통홀이 형성된 기판의 일면에서 스퍼터링, 증발공정을 수행하여 금속박막이 관통홀의 내벽면에까지 형성되도록 하는데, 기판 일면의 형성되는 시드 레이어의 증착 높이를 조절함으로써 기판의 일면에서 관통홀 내벽면에 형성되는 시드 레이어의 깊이를 조절할 수 있다.The seed layer is formed on one surface of the substrate and through holes connected to one surface of the substrate so that the metal thin film is formed on the inner wall surface of the through hole by sputtering and evaporating on one surface of the substrate where the through holes are formed. By controlling the deposition height of the seed layer, the depth of the seed layer formed on the inner wall surface of the through hole on one surface of the substrate may be controlled.
S200 단계에서는, 시드 레이어가 형성되면 이를 전극으로 1차 전해도금을 수행하여 관통홀의 일부를 전도체로 충진한다. 이를 본 발명에서는 플러깅 단계(Plugging Step)으로 칭한다. In step S200, when the seed layer is formed, primary electroplating is performed on the electrode to fill a portion of the through hole with a conductor. This is referred to as a plugging step in the present invention.
플러깅 단계는 관통홀을 완전히 충진하여 관통전극을 형성하기 위한 기준이 되는 플러그를 형성하는 공정이다. 이러한 플러그의 위치는 전해도금조에서 기판의 일면과 타면의 전류밀도를 조절함으로써 관통홀의 상단, 중앙 또는 하단에 형성할 수 있다.The plugging step is a process of forming a plug which becomes a reference for forming a through electrode by completely filling the through hole. The position of the plug may be formed at the top, center, or bottom of the through hole by adjusting the current density of one surface and the other surface of the substrate in the electroplating bath.
S300 단계에서는, 관통홀에 플러그가 형성되면 2차 전해도금이 수행하여 관통홀의 나머지 일부를 전도체로 충진한다. 이를 본 발명에서는 그로잉 단계(Growing step)으로 칭한다. In step S300, when a plug is formed in the through hole, secondary electroplating is performed to fill the remaining part of the through hole with a conductor. This is referred to as a growing step in the present invention.
그로잉 단계는 플러깅 단계에서 형성된 플러그를 기준으로 도금을 성장시켜 관통홀을 전도체를 충진하여 관통전극을 형성하는 공정이다. 관통홀에 형성된 플러그의 위치에 따라 관통홀의 충진특성이 달라진다. The drawing step is a step of forming a through electrode by growing a plating based on the plug formed in the plugging step to fill a through hole with a conductor. The filling characteristics of the through holes vary according to the positions of the plugs formed in the through holes.
이후, 관통홀 전체에 전도성 금속이 충진되면, 기판의 일면에 형성된 시드 레이어 및 과도도금 부위를 제거하여 관통전극을 완성하게 된다.Then, when the conductive metal is filled in the entire through hole, the through electrode is completed by removing the seed layer and the overplating portion formed on one surface of the substrate.
전술한 실시예 외의 많은 실시예들이 본 발명의 특허청구범위 내에 존재한다.Many embodiments other than the above-described embodiments are within the scope of the claims of the present invention.
상술한 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 관통홀 입구에 과도한 도금 집중현상을 방지하고 관통홀의 충진을 보다 밀실하게 할 수 있으며 관통홀 내벽과 충진물의 밀착력을 증진시킬 수 있다.As described above, according to the preferred embodiment of the present invention, it is possible to prevent excessive plating concentration at the inlet of the through hole, to make the filling of the through hole more tight, and to increase the adhesion between the inner wall of the through hole and the filling material.
또한, 패턴상의 불필요한 구리도금층을 최소한으로 억제할 수 있으며 패키지활용을 위하여 도금공정 후 화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing, CMP) 공정 진행 시 공정 리드타임 및 비용을 감소 시킬 수 있다.In addition, the unnecessary copper plating layer on the pattern can be suppressed to a minimum, and the process lead time and cost can be reduced during the chemical mechanical polishing (CMP) process after the plating process to utilize the package.
또한, 별도의 웨이퍼도금용 설비나 복잡한 형식의 펄스 등의 정류방법을 사 용하지 않고 일반 딥핑(Dipping)설비를 활용하여 직류전원을 주요 제어요소로 사용함으로써 공정비용의 감소와 패턴의 변화 등에 의한 공정조건의 최적화가 용이하다.In addition, by using a general dipping equipment instead of using a separate wafer plating facility or a commutation method such as a complicated pulse, DC power is used as a main control element, which reduces the process cost and changes in the pattern. Easy to optimize process conditions
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