KR101693595B1 - 2종의 평탄제를 포함하는 전해 구리 도금용 유기첨가제 및 이를 포함하는 전해 구리 도금액 - Google Patents

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이민형
이운영
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한국생산기술연구원
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Abstract

본 발명의 일 관점에 따른 전해 구리 도금용 유기첨가제는. 패턴이 형성된 기판 상에 전해 도금 방식으로 구리막을 형성하기 위한 구리 도금액에 첨가되는 것으로서, 상기 패턴 상에 형성되는 상기 구리막의 균일도 및 평탄도를 높이기 위해 적어도 2종의 평탄제를 포함한다

Description

2종의 평탄제를 포함하는 전해 구리 도금용 유기첨가제 및 이를 포함하는 전해 구리 도금액{Organic additive for electrolytic copper plating including two types of leveler and electrolytic copper plating solution including the same}
본 발명은 전해 구리 도금용 유기첨가제에 관한 것으로써, 특히 기판 상의 구리 도금막의 평탄도(flatness)를 향상시킬 수 있는 전해 구리 도금용 유기첨가제에 관한 것이다. 또한 본 발명은 상기 전해 구리 도금용 유기첨가제를 포함하는 전해 구리 도금액에 관한 것이다.
전해 도금은 외부에서 공급되는 전자를 이용하여 금속 혹은 금속 산화물을 전착하는 방법이다. 전해 도금 시스템은 일반적인 전기화학 시스템과 동일하게 전극, 전해질, 그리고 전자를 공급하는 전원으로 이루어진다. 구리 전해 도금을 위해서는 패턴이 형성되어 있는 기판을 캐소드(cathode)로 사용하고 인이 포함된 구리 혹은 불용성 물질을 애노드(anode)로 사용한다. 전해질은 기본적으로 구리 이온을 포함하고 있으며, 전해질 자체의 저항을 낮추기 위해 황산을 포함하며, 구리 이온과 첨가제의 흡착성을 개선시키기 위해 염소 이온 등을 포함한다.
최근 플립칩(flip chip) 패키징 공정 등의 개발로 전해 도금 공정을 이용한 본딩 기술이 적용되면서, 패턴 상의 도금막의 고평탄화에 대한 요구가 높아지고 있다.
본 발명은 패턴이 형성된 기판 상에 전해 구리 도금 시, 도금 후 패턴의 평탄화를 높이는 전해 구리 도금용 유기첨가제 및 전해 구리 도금액을 제공하고자 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 따른 전해 구리 도금용 유기첨가제는 패턴이 형성된 기판 상에 전해 도금 방식으로 구리막을 형성하기 위한 구리 도금액에 첨가되는 것으로서, 상기 패턴 상에 형성되는 상기 구리막의 균일도 및 평탄도를 높이기 위해 적어도 2종의 평탄제를 포함한다.
상기 전해 구리 도금용 유기첨가제에 있어서, 상기 평탄제는 상기 구리막의 표면을 볼록하게 만드는 제 1 평탄제 및 상기 구리막의 표면을 오목하게 만드는 제 2 평탄제를 포함할 수 있다.
상기 전해 구리 도금용 유기첨가제에 있어서, 상기 제 1 평탄제는 하기의 화학식 1로 표현되는 구조를 가진 화합물을 포함할 수 있다.
<화학식 1>
Figure 112016038322010-pat00001
R1은 질소, 산소, 황, 인 중 하나 또는 두 개의 원소를 포함하는 포화 헤테로 고리 화합물로 아지리딘, 옥시란, 티이란, 디아지리딘, 옥사지리딘, 디옥시란, 아제티딘, 옥세탄, 티에탄, 디아제티딘, 디옥세탄, 디티에탄, 피롤리딘, 티올란, 포스포란, 이미다졸리딘, 피라졸리딘, 옥사졸리딘, 이소옥사졸리딘, 티아졸리딘, 이소티아졸리딘, 디옥솔란, 디티올란, 피페리딘, 옥산, 티안, 포스피난, 피페라진, 모르폴린, 티오모르폴린, 디옥산, 디티안, 아제판, 옥세판, 티에판, 호모피레라진, 아조칸, 옥소칸, 티오칸, 아조난, 옥소난, 티오난으로 이루어진 물질 군 중 하나 이상을 포함하고,
R2와 R3는 단독으로 수소를 포함하거나, 에테르 작용기를 포함하는 1개 내지 10개 사이의 탄소를 갖는 선형 구조의 알킬이거나, 또는 에테르 작용기를 포함하는 5개 내지 20개 사이의 탄소를 갖는 가지형 구조의 알킬이고,
m은 300 내지 4500까지의 정수이고,
X는 염소(Cl), 브롬(Br), 요오드(I), 질산염(NO3), 황산염(SO4), 탄산염(CO3) 및 수산기(OH)로 이루어진 이온 군 중 하나 이상을 포함함
상기 전해 구리 도금용 유기첨가제에 있어서, 상기 제 2 평탄제는 하기의 화학식 2로 표현되는 구조를 가진 화합물을 포함할 수 있다.
<화학식 2>
Figure 112016038322010-pat00002
(R4은 단독으로 수소를 포함하거나, 또는 1개 내지 10개 사이의 탄소를 갖는 선형 구조의 알킬이거나, 또는 5개 내지 20개 사이의 탄소를 갖는 가지형 구조의 알킬이고,
R5는 글리시독시프로필트리메톡실란, 부틸 메타아크릴레이트, 에틸 메타아크릴레이트, 글리시딜 메타아크릴레이트, 글리시딜 아크릴레이트, 글리시딜 에스테르, 글리시딜 아민, 글리시돌로 이루어진 물질 군 중 하나 이상을 포함하고.
R6와 R7는 질소, 산소, 황, 인 중 하나 또는 두 개의 원소를 포함하는 불포화 헤테로 고리 화합물로 아지린, 옥시린, 티이린, 디아지린, 아제트, 옥세트, 티에트, 디옥트, 다이티에트, 피롤, 퓨란, 티오펜, 포스폴, 이미다졸, 피라졸, 옥소졸, 이소옥사졸, 티아졸, 이소티아졸, 피리딘, 피란, 티오피란, 포스피닌, 디아진, 옥사진, 티아진, 디옥신, 다이티인, 아제핀, 옥세핀, 티데핀, 디아제핀, 티아제핀 및 아조신으로 이루어진 물질 군 중 하나 이상을 포함하고,
q과 r의 합은 1내지 300까지의 정수이고,
X는 염소(Cl), 브롬(Br), 요오드(I), 질산염(NO3), 황산염(SO4), 탄산염(CO3) 및 수산기(OH)로 이루어진 이온 군 중 하나 이상을 포함함)
상기 전해 구리 도금용 유기첨가제는 억제제 및 가속제를 더 포함할 수 있다.
상기 전해 구리 도금용 유기첨가제에 있어서, 상기 억제제는, 폴리옥시알킬렌 글리콜, 카복시메틸셀룰로스, N-노닐페놀 폴리글리콜 에테르, 옥탄디올 비스 글리콜 에테르, 올레산 폴리 글리콜 에스테르, 폴리에틸렌 글리콜, 폴리에틸렌 글리콜 디메틸 에테르, 폴리에틸렌 글리콜-블록-폴리프로필렌 글리콜-블록-폴리에틸렌 글리콜, 폴리프로필렌 글리콜, 폴리비닐 알코올, 스테아릴 알코올 폴리글리콜 에테르, 스테아린산 폴리 글리콜 에스테르, 3-메틸-1-뷰타인-3-올, 3-메틸-펜텐-3-올, L-에틴닐사이클로헥사놀, 페닐 프로피놀, 3- 페닐-1-뷰타인-3-올, 프로파길 알코올, 메틸 뷰타이놀-에틸렌 옥사이드, 2-메틸-4-클로로-뷰타인-2-올, 디메틸 헥사인디올, 디메틸헥사인디올-에틸렌 옥사이드, 디메틸옥타인디올, 페닐뷰타이놀 및 1,4-부탄디올 디글리시딜 에테르로 이루어진 물질 군 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 전해 구리 도금용 유기첨가제에 있어서, 상기 가속제는, (O-에틸디티오카보네이토)-S-(3-설포프로필)-에스테르, 3 - [(아미노-이미노메틸)-티올]-1-프로판 술폰산, 3-(벤조티아졸-2-머캅토)-프로필 술폰산, 소디움 비스-(술포프로필)-디설파이드, N, N-디메틸 디티오카바마일 프로필 술폰산, 3,3-티오비스(1-프로판 술폰산), 2-히드록시-3-[트리스(히드록시메틸)메틸아미노]-1-프로판 술폰산, 소디움 2,3-디머캡토프로판 술폰산, 3-머캅토 -1-프로판 설폰산, N,N-비스(4-설포부틸)-3,5-디메틸아닐린, 소디움 2-머캅토-5- 벤지이미다졸 술폰산, 5,5'-디티오비스(2-니트로 벤조산), DL-시스테인, 4-머캅토-벤젠 설폰산 및 5-머캅토-1H-테트라졸-1-메탄 술폰산으로 이루어진 물질 군 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 따른 전해 구리 도금액은, 구리 이온 및 유기첨가제를 함유하는 전해 구리 도금액으로서, 상기 유기첨가제는 패턴이 형성된 기판 상에 형성되는 구리막의 균일도 및 평탄도를 높이기 위해, 가속제, 억제제 및 적어도 2종의 평탄제를 포함할 수 있다.
상기 전해 구리 도금액에 있어서, 상기 평탄제는 상기 구리막의 표면을 볼록하게 만드는 제 1 평탄제 및 상기 구리막의 표면을 오목하게 만드는 제 2 평탄제를 포함할 수 있다.
상기 전해 구리 도금액에 있어서, 상기 제 1 평탄제의 분자량 범위는 50,000 g/mol 내지 700,000 g/mol이고, 상기 전해 구리 도금액 1 리터당 0.1 mg 내지 1000 mg의 농도로 첨가될 수 있다.
상기 전해 구리 도금액에 있어서, 상기 제 2 평탄제는 100 g/mol 내지 500,000 g/mol 범위의 분자량을 갖고, 상기 도금액 1 리터당 0.1 mg 내지 1000 mg 범위의 농도로 첨가될 수 있다.
상기 전해 구리 도금액에 있어서, 상기 억제제 및 상기 가속제는 100 g/mol 내지 100,000 g/mol 범위의 분자량을 각각 갖고, 상기 도금액 1 리터당 0.1 mg 내지 1000 mg 범위의 농도로 각각 첨가될 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따른 전해 구리 도금용 유기첨가제 및 전해 구리 도금액에 따르면, 기판 상의 패턴 내부에 균일하고 평탄한 구리 도금막 증착이 가능하여 이를 이용하여 제조되는 소자의 전기적 특성이 우수하고 신뢰성이 높아질 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1a는 본 발명에 따른 실험예 1의 조건 하에서 기판 상에 전해 구리 도금이 수행된 결과물을 보여주는 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 1b는 도 1a의 결과물에 대해 표면 분석기(surface profiler)를 이용하여 주사(scan)한 구리 도금막의 프로파일이다.
도 2a은 본 발명에 따른 실험예 2의 조건 하에서 기판 상에 전해 구리 도금이 수행된 결과물을 보여주는 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 2b는 도 2a의 결과물에 대해 표면 분석기(surface profiler)를 이용하여 주사한 구리 도금막의 프로파일이다.
도 3a은 본 발명에 따른 실험예 3의 조건 하에서 기판 상에 전해 구리 도금이 수행된 결과물을 보여주는 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 3b는 도 3a의 결과물에 대해 표면 분석기(surface profiler)를 이용하여 주사한 구리 도금막의 프로파일이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실험예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실험예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실험예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.
도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명 사상의 실험예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.
본 발명의 실시예들에서, 전해 도금 방식은 전기를 인가한다는 점에서 무전해 도금 방식과 구분될 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예들에서, 전해 구리 도금은 전해 도금 방식에 의해서 구리를 도금하는 것을 지칭할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 전해 구리 도금용 유기첨가제는 전해 도금 방식으로 구리막을 형성하기 위한 구리 도금액에 첨가될 수 있다. 예를 들어, 구리 도금액은 기본적으로 구리 이온을 포함하는 전해질을 포함하고, 부가적으로 여기에 첨가되는 첨가제를 포함할 수 있다. 예컨대, 구리 도금액은 전해질에 그 저항을 낮추기 위한 황산, 구리 이온과 첨가제의 흡착성을 개선시키기 위한 염소 이온을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전해 구리 도금용 유기첨가제는 패턴이 형성된 기판 상에 전해 도금 방식으로 구리막을 형성하기 위한 구리 도금액에 첨가되는 것으로서, 이러한 패턴 상에 형성되는 구리막의 균일도 및 평탄도를 높이기 위해 적어도 2종의 평탄제를 포함할 수 있다. 이와 같이, 구리막의 균일도 및 평탄도가 높아지면, 구리막이 형성된 후의 패턴의 균일도 및 평탄도도 역시 높아지게 된다.
예를 들어, 이러한 평탄제는 구리막의 표면을 볼록하게 만드는 제 1 평탄제와, 구리막의 표면을 오목하게 만드는 제 2 평탄제를 포함할 수 있다.
상기 제 1 평탄제는 하기의 화학식 1로 표현되는 구조를 가진 화합물을 포함할 수 있다.
<화학식 1>
Figure 112016038322010-pat00003
R1은 질소, 산소, 황, 인 중 하나 또는 두 개의 원소를 포함하는 포화 헤테로 고리 화합물로 아지리딘, 옥시란, 티이란, 디아지리딘, 옥사지리딘, 디옥시란, 아제티딘, 옥세탄, 티에탄, 디아제티딘, 디옥세탄, 디티에탄, 피롤리딘, 티올란, 포스포란, 이미다졸리딘, 피라졸리딘, 옥사졸리딘, 이소옥사졸리딘, 티아졸리딘, 이소티아졸리딘, 디옥솔란, 디티올란, 피페리딘, 옥산, 티안, 포스피난, 피페라진, 모르폴린, 티오모르폴린, 디옥산, 디티안, 아제판, 옥세판, 티에판, 호모피레라진, 아조칸, 옥소칸, 티오칸, 아조난, 옥소난, 티오난으로 이루어진 물질 군 중 하나 이상을 포함하고,
R2와 R3는 단독으로 수소를 포함하거나, 에테르 작용기를 포함하는 1개 내지 10개 사이의 탄소를 갖는 선형 구조의 알킬이거나, 또는 에테르 작용기를 포함하는 5개 내지 20개 사이의 탄소를 갖는 가지형 구조의 알킬이고,
m은 300 내지 4500까지의 정수이고,
X는 염소(Cl), 브롬(Br), 요오드(I), 질산염(NO3), 황산염(SO4), 탄산염(CO3) 및 수산기(OH)로 이루어진 이온 군 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 제 1 평탄제의 분자량 범위는 50,000 g/mol 내지 700,000 g/mol이고, 전해 구리 도금액 1 리터당 0.1 mg 내지 1000 mg의 농도로 첨가될 수 있다.
이와 같은 제 1 평탄제는 패턴이 존재하는 기판 상에 구리막을 형성하기 위한 전해 구리 도금 공정에서 전류밀도가 높게 형성되는 도금막 부위에 흡착하여 구리 이온의 환원을 억제하여 구리 도금막의 균일도 및 평탄도를 개선하여, 그 결과 도금 후 패턴의 균일도 및 평탄도를 개선시킬 수 있다.
상기 제 2 평탄제는 하기의 화학식 2로 표현되는 구조를 가진 화합물을 포함할 수 있다.
<화학식 2>
Figure 112016038322010-pat00004
(R4은 단독으로 수소를 포함하거나, 또는 1개 내지 10개 사이의 탄소를 갖는 선형 구조의 알킬이거나, 또는 5개 내지 20개 사이의 탄소를 갖는 가지형 구조의 알킬이고,
R5는 글리시독시프로필트리메톡실란, 부틸 메타아크릴레이트, 에틸 메타아크릴레이트, 글리시딜 메타아크릴레이트, 글리시딜 아크릴레이트, 글리시딜 에스테르, 글리시딜 아민, 글리시돌로 이루어진 물질 군 중 하나 이상을 포함하고.
R6와 R7는 질소, 산소, 황, 인 중 하나 또는 두 개의 원소를 포함하는 불포화 헤테로 고리 화합물로 아지린, 옥시린, 티이린, 디아지린, 아제트, 옥세트, 티에트, 디옥트, 다이티에트, 피롤, 퓨란, 티오펜, 포스폴, 이미다졸, 피라졸, 옥소졸, 이소옥사졸, 티아졸, 이소티아졸, 피리딘, 피란, 티오피란, 포스피닌, 디아진, 옥사진, 티아진, 디옥신, 다이티인, 아제핀, 옥세핀, 티데핀, 디아제핀, 티아제핀 및 아조신으로 이루어진 물질 군 중 하나 이상을 포함하고,
q과 r의 합은 1내지 300까지의 정수이고,
X는 염소(Cl), 브롬(Br), 요오드(I), 질산염(NO3), 황산염(SO4), 탄산염(CO3) 및 수산기(OH)로 이루어진 이온 군 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
이러한 제 2 평탄제는 100 g/mol 내지 500,000 g/mol 범위의 분자량을 갖고, 상기 도금액 1 리터당 0.1 mg 내지 1000 mg 범위의 농도로 첨가될 수 있다.
이와 같은 제 2 평탄제는 패턴이 존재하는 기판 상에 구리막을 형성하기 위한 전해 구리 도금 공정에서 전류밀도가 높게 형성되는 도금막 부위에 흡착하여 구리 이온의 환원을 억제하여 구리 도금막의 균일도 및 평탄도를 개선하여, 그 결과 도금 후 패턴의 균일도 및 평탄도를 개선시킬 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 따른 전해 구리 도금용 유기첨가제는 억제제(suppressor) 및/또는 가속제(accelerator)를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 억제제는 전해 구리 도금 공정에서 구리 환원을 억제하면서 도금액의 젖음성을 향상시켜 패턴을 갖는 기판 상에 구리막이 용이하게 형성되도록 도와줄 수 있다. 예컨대, 억제제는, 폴리옥시알킬렌 글리콜, 카복시메틸셀룰로스, N-노닐페놀 폴리글리콜 에테르, 옥탄디올 비스 글리콜 에테르, 올레산 폴리 글리콜 에스테르, 폴리에틸렌 글리콜, 폴리에틸렌 글리콜 디메틸 에테르, 폴리에틸렌 글리콜-블록-폴리프로필렌 글리콜-블록-폴리에틸렌 글리콜, 폴리프로필렌 글리콜, 폴리비닐 알코올, 스테아릴 알코올 폴리글리콜 에테르, 스테아린산 폴리 글리콜 에스테르, 3-메틸-1-뷰타인-3-올, 3-메틸-펜텐-3-올, L-에틴닐사이클로헥사놀, 페닐 프로피놀, 3- 페닐-1-뷰타인-3-올, 프로파길 알코올, 메틸 뷰타이놀-에틸렌 옥사이드, 2-메틸-4-클로로-3-뷰타인-2-올, 디메틸 헥사인디올, 디메틸헥사인디올-에틸렌 옥사이드, 디메틸옥타인디올, 페닐뷰타이놀 및 1,4-부탄디올 디글리시딜 에테르로 이루어진 물질 군 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
이러한 억제제는 100 g/mol 내지 100,000 g/mol 범위의 분자량을 갖고, 도금액 1 리터당 0.1 mg 내지 1000 mg 범위의 농도로 첨가될 수 있다.
상기 가속제는 전해 구리 도금 공정에서 도금액의 과전압을 낮춰 높은 밀도의 핵을 생성시키는 물질로 구리 환원반응속도에 가속을 하여 핵의 생성과 성장을 높이는 역할을 할 수 있다. 예컨대, 가속제는, (O-에틸디티오카보네이토)-S-(3-설포프로필)-에스테르, 3 - [(아미노-이미노메틸)-티올]-1-프로판 술폰산, 3-(벤조티아졸-2-머캅토)-프로필 술폰산, 소디움 비스-(술포프로필)-디설파이드, N, N-디메틸 디티오카바마일 프로필 술폰산, 3,3-티오비스(1-프로판 술폰산), 2-히드록시-3-[트리스(히드록시메틸)메틸아미노]-1-프로판 술폰산, 소디움 2,3-디머캡토프로판 술폰산, 3-머캅토 -1-프로판 설폰산, N,N-비스(4-설포부틸)-3,5-디메틸아닐린, 소디움 2-머캅토-5- 벤지이미다졸 술폰산, 5,5'-디티오비스(2-니트로 벤조산), DL-시스테인, 4-머캅토-벤젠 설폰산 및 5-머캅토-1H-테트라졸-1-메탄 술폰산으로 이루어진 물질 군 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
이러한 가속제는 100 g/mol 내지 100,000 g/mol 범위의 분자량을 갖고, 도금액 1 리터당 0.1 mg 내지 1000 mg 범위의 농도로 첨가될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 따른 전해 구리 도금액은 구리 이온이 함유된 전해질에, 전술한 유기첨가제를 포함할 수 있다. 부가적으로, 전해 구리 도금액은 전해질의 저항을 낮추기 위한 황산, 구리 이온과 첨가제의 흡착성을 개선시키기 위한 염소 이온을 더 포함할 수도 있다.
이러한 전해 구리 도금액은 기판, 예컨대 반도체 웨이퍼 상에 패턴이 형성되고, 이러한 패턴 내에 선택적으로 구리 도금을 진행할 때 유용할 수 있다. 나아가, 이러한 전해 구리 도금액은 도금 속도가 높아서 후막 도금이 가능함에 따라서 후막 구리 도금을 요하는 인덕터와 같은 수동 소자, 전력 소자 등의 형성 시 이용될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 따른 전해 구리 도금 방법은, 전술한 전해 구리 도금 유기첨가제가 함유된 전해 구리 도금액 이용하여 전해 도금 방법으로 구리막을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 이러한 전해 구리 도금 방법은 다단계의 직류 전류 인가 또는 펄스 전류 인가를 통해 이루어질 수 있다.
예를 들어, 기판은 실리콘 웨이퍼 상에 포토레지스트 패턴이 형성된 구조를 이용하고, 이러한 기판 상에 전해 구리 도금법으로 구리막을 형성할 수 있다. 예를 들어, 이러한 구리막은 패턴 상에 10 μm 이상의 두께로 두껍게 형성되는 후막 구리일 수 있고, 이 경우 인덕터와 같은 수동 소자 또는 전력 소자의 배선 등으로 이용될 수 있다. 나아가, 후막 구리막은 인덕터 또는 배선용으로 10 μm 내지 50 μm 두께를 가질 수 있다. 다만, 본 발명에 따른 전해 구리 도금용 첨가제 또는 전해 구리 도금액을 이용하여 형성된 구리막의 두께가 이러한 두께로 한정되는 것은 아니다.
이하, 본 발명의 기술적 사상을 구체적으로 구현한 실험예들을 제공한다. 다만, 하기의 실험예들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 아래의 실험예들에 의해서 한정되는 것은 아니다.
실험예
본 실험예에는 패턴을 갖는 웨이퍼 상에 10 μm 두께 이상으로 구리 도금을 실시하였다. 또한 1 단계 내지 4 단계인 다단계의 전류 인가를 통해 구리 전해 도금을 실시하였으며, 1 ASD 내지 15 ASD(Ampere per Square Deci-metre)의 전류밀도 범위로 전류 인가를 하였다.
실험예 1 내지 3에서, 공통적으로 도금액 1 리터당 100 g의 구리 이온과 150 g의 황산 이온과 50 mg의 염소 이온과 억제제로 방향족 탄화수소를 포함하는 폴리 에틸렌 옥사이드(poly ethylene oxide) 유도체와, 가속제로 머캅토 그룹이 포함된 유기화합물이 첨가되었다. 부가적으로, 실험예 1에는 유기첨가제로 제 1 평탄제가 더 첨가되었고, 실험예 2에는 유기첨가제로 제 2 평탄제가 더 첨가되었고, 실험예 3에는 유기첨가제로 제 1 평탄제 및 제 2 평탄제가 더 첨가되었다. 실험예 1 내지 3에서, 제 1 평탄제 및 제 2 평탄제는 다양하게 실험되었으며, 아래는 예시적인 실험예의 조건을 나타낸다.
예를 들어, 실험예 1 및 3에서, 제 1 평탄제의 R1는 질소를 포함하는 포화 헤테로 고리 화합물로 피롤리딘, 피라졸리딘, 옥사졸리딘, 티아졸리딘 중에 하나이다. 제 1 평탄제의 R2과 R3는 단독으로 수소를 포함한다. 제 1 평탄제의 m은 500 내지 1000의 정수이고, 제 1 평탄제의 X는 할로겐 이온 중에 하나이다.
실험예 2 및 3에서, 제 2 평탄제의 R4은 3개의 탄소를 갖는 선형 구조의 알킬이고, 제 2 평탄제의 R5는 부틸 메타아크릴레이트, 에틸 메타아크릴레이트, 또는 글리시딜 메타아크릴레이트 중에 하나이다.
제 2 평탄제의 R6와 R7는 불포화 헤테로 고리 화합물로 아지린, 피롤, 피라졸, 피리딘, 디아진, 이미다졸 또는 티아진 중에 하나이다.
제 2 평탄제의 q와 r의 합은 150내지 250까지 정수이고, 제 2 평탄제의 X는 할로겐 이온 중에 하나이다.
도 1a는 본 발명에 따른 실험예 1의 조건 하에서 기판 상에 전해 구리 도금이 수행된 결과물을 보여주는 주사전자현미경(SEM) 사진이고, 도 1b는 도 1a의 결과물에 대해 표면 분석기(surface profiler)를 이용하여 주사(scan)한 구리 도금막의 프로파일이다.
도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 실험예 1에 의한 도금막의 경우 패턴 상부의 가운데 부분이 볼록한 형태로 구리 도금막이 형성되어 있고 패턴 상부의 구리 도금막의 두께차는 약 4.9μm 로 나타났다.
도 2a는 본 발명에 따른 실험예 2의 조건 하에서 기판 상에 전해 구리 도금이 수행된 결과물을 보여주는 주사전자현미경(SEM) 사진이고, 도 2b는 도 2a의 결과물에 대해 표면 분석기(surface profiler)를 이용하여 주사한 구리 도금막의 프로파일이다.
도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 실험예 2에 의한 도금막의 경우 패턴 상부의 가운데 부분이 오목한 형태로 구리 도금막이 형성되어 있고 패턴 상부의 최고점에서 최저점의 구리 도금막 두께차는 약 6.5μm로 나타났다.
도 3a는 본 발명에 따른 실험예 3의 조건 하에서 기판 상에 전해 구리 도금이 수행된 결과물을 보여주는 주사전자현미경(SEM) 사진이고, 도 3b는 도 3a의 결과물에 대해 표면 분석기(surface profiler)를 이용하여 주사한 구리 도금막의 프로파일이다.
도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 실험예 3에 의한 도금막의 경우 패턴 상부의 가운데 부분이 대체로 평탄한 형태로 구리 도금막이 형성되어 있고 패턴 상부의 최고점에서 최저점의 구리 도금막 두께차는 약 1.9 μm로 나타났다.
실험예 3의 경우 실험예 1과 실험예 2에 비하여 패턴 표면의 평탄도가 개선됨을 알 수 있다.
따라서, 전술한 실험예들로부터, 제 1 평탄제는 구리막의 표면을 볼록하게 만들 수 있고, 제 2 평탄제는 구리막의 표면을 오목하게 만들 수 있으며, 이러한 제 1 평탄제와 제 2 평탄제를 혼용함으로써 구리 도금막의 균일도와 평탄도를 높일 수 있음을 알 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실험예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실험예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (15)

  1. 패턴이 형성된 기판 상에 전해 도금 방식으로 구리막을 형성하기 위한 구리 도금액에 첨가되는 것으로서,
    상기 패턴 상에 형성되는 상기 구리막의 균일도 및 평탄도를 높이기 위해 적어도 2종의 평탄제를 포함하며,
    상기 2종의 평탄제는 상기 구리막의 표면을 볼록하게 만드는 아래의 화학식 1의 구조를 갖는 제 1 평탄제; 및
    상기 구리막의 표면을 오목하게 만드는 아래의 화학식 2의 구조를 갖는 제 2 평탄제를 포함하는 것을 특징으로 하는, 전해 구리 도금용 유기첨가제.
    (화학식 1)
    Figure 112016038322010-pat00005

    R1은 질소, 산소, 황, 인 중 하나 또는 두 개의 원소를 포함하는 포화 헤테로 고리 화합물로 아지리딘, 옥시란, 티이란, 디아지리딘, 옥사지리딘, 디옥시란, 아제티딘, 옥세탄, 티에탄, 디아제티딘, 디옥세탄, 디티에탄, 피롤리딘, 티올란, 포스포란, 이미다졸리딘, 피라졸리딘, 옥사졸리딘, 이소옥사졸리딘, 티아졸리딘, 이소티아졸리딘, 디옥솔란, 디티올란, 피페리딘, 옥산, 티안, 포스피난, 피페라진, 모르폴린, 티오모르폴린, 디옥산, 디티안, 아제판, 옥세판, 티에판, 호모피레라진, 아조칸, 옥소칸, 티오칸, 아조난, 옥소난, 티오난으로 이루어진 물질 군 중 하나 이상을 포함하고,
    R2와 R3는 단독으로 수소를 포함하거나, 에테르 작용기를 포함하는 1개 내지 10개 사이의 탄소를 갖는 선형 구조의 알킬이거나, 또는 에테르 작용기를 포함하는 5개 내지 20개 사이의 탄소를 갖는 가지형 구조의 알킬이고,
    m은 300 내지 4500까지의 정수이고,
    X는 염소(Cl), 브롬(Br), 요오드(I), 질산염(NO3), 황산염(SO4), 탄산염(CO3) 및 수산기(OH)로 이루어진 이온 군 중 하나 이상을 포함함)

    (화학식 2)
    Figure 112016038322010-pat00006

    (R4은 단독으로 수소를 포함하거나, 또는 1개 내지 10개 사이의 탄소를 갖는 선형 구조의 알킬이거나, 또는 5개 내지 20개 사이의 탄소를 갖는 가지형 구조의 알킬이고,
    R5는 글리시독시프로필트리메톡실란, 부틸 메타아크릴레이트, 에틸 메타아크릴레이트, 글리시딜 메타아크릴레이트, 글리시딜 아크릴레이트, 글리시딜 에스테르, 글리시딜 아민, 글리시돌로 이루어진 물질 군 중 하나 이상을 포함하고.
    R6와 R7는 질소, 산소, 황, 인 중 하나 또는 두 개의 원소를 포함하는 불포화 헤테로 고리 화합물로 아지린, 옥시린, 티이린, 디아지린, 아제트, 옥세트, 티에트, 디옥트, 다이티에트, 피롤, 퓨란, 티오펜, 포스폴, 이미다졸, 피라졸, 옥소졸, 이소옥사졸, 티아졸, 이소티아졸, 피리딘, 피란, 티오피란, 포스피닌, 디아진, 옥사진, 티아진, 디옥신, 다이티인, 아제핀, 옥세핀, 티데핀, 디아제핀, 티아제핀 및 아조신으로 이루어진 물질 군 중 하나 이상을 포함하고,
    q과 r의 합은 1내지 300까지의 정수이고,
    X는 염소(Cl), 브롬(Br), 요오드(I), 질산염(NO3), 황산염(SO4), 탄산염(CO3) 및 수산기(OH)로 이루어진 이온 군 중 하나 이상을 포함함)
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 화학식 1의 구조를 갖는 제 1 평탄제는 50,000 g/mol 내지 700,000 g/mol 범위의 분자량을 갖는 것을 특징으로 하는, 전해 구리 도금용 유기첨가제.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 화학식 2의 구조를 갖는 제 2 평탄제는 100 g/mol 내지 500,000 g/mol 범위의 분자량을 갖는 것을 특징으로 하는, 전해 구리 도금용 유기첨가제.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 화학식 1의 구조를 갖는 제 1 평탄제 및 상기 화학식 2의 구조를 갖는 제 2 평탄제는 전해 구리 도금액 1 리터당 0.1 mg 내지 1,000 mg의 범위의 농도로 첨가되는 것을 특징으로 하는, 전해 구리 도금용 유기첨가제.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항의 어느 한 항에 있어서,
    억제제 및 가속제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 전해 구리 도금용 유기첨가제.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 억제제는, 폴리옥시알킬렌 글리콜, 카복시메틸셀룰로스, N-노닐페놀 폴리글리콜 에테르, 옥탄디올 비스 글리콜 에테르, 올레산 폴리 글리콜 에스테르, 폴리에틸렌 글리콜, 폴리에틸렌 글리콜 디메틸 에테르, 폴리에틸렌 글리콜-블록-폴리프로필렌 글리콜-블록-폴리에틸렌 글리콜, 폴리프로필렌 글리콜, 폴리비닐 알코올, 스테아릴 알코올 폴리글리콜 에테르, 스테아린산 폴리 글리콜 에스테르, 3-메틸-1-뷰타인-3-올, 3-메틸-펜텐-3-올, L-에틴닐사이클로헥사놀, 페닐 프로피놀, 3- 페닐-1-뷰타인-3-올, 프로파길 알코올, 메틸 뷰타이놀-에틸렌 옥사이드, 2-메틸-4-클로로-3-뷰타인-2-올, 디메틸 헥사인디올, 디메틸헥사인디올-에틸렌 옥사이드, 디메틸옥타인디올, 페닐뷰타이놀 및 1,4-부탄디올 디글리시딜 에테르로 이루어진 물질 군 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 전해 구리 도금용 유기첨가제.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 가속제는, (O-에틸디티오카보네이토)-S-(3-설포프로필)-에스테르, 3 - [(아미노-이미노메틸)-티올]-1-프로판 술폰산, 3-(벤조티아졸-2-머캅토)-프로필 술폰산, 소디움 비스-(술포프로필)-디설파이드, N, N-디메틸 디티오카바마일 프로필 술폰산, 3,3-티오비스(1-프로판 술폰산), 2-히드록시-3-[트리스(히드록시메틸)메틸아미노]-1-프로판 술폰산, 소디움 2,3-디머캡토프로판 술폰산, 3-머캅토 -1-프로판 설폰산, N,N-비스(4-설포부틸)-3,5-디메틸아닐린, 소디움 2-머캅토-5- 벤지이미다졸 술폰산, 5,5'-디티오비스(2-니트로 벤조산), DL-시스테인, 4-머캅토-벤젠 설폰산 및 5-머캅토-1H-테트라졸-1-메탄 술폰산으로 이루어진 물질 군 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 전해 구리 도금용 유기첨가제.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 가속제 및 상기 억제제는 100 g/mol 내지 100,000 g/mol 범위의 분자량을 각각 갖는 것을 특징으로 하는, 전해 구리 도금용 유기첨가제.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 가속제 및 상기 억제제는 전해 구리 도금액 1 리터당 0.1 mg 내지 1,000 mg의 범위의 농도로 첨가되는 것을 특징으로 하는, 전해 구리 도금용 유기첨가제.
  10. 구리 이온을 함유하는 전해질; 및
    상기 전해질에 첨가되는 전해 구리 도금용 유기첨가제를 포함하고,
    상기 전해 구리 도금용 유기첨가제는 패턴이 형성된 기판 상에 형성되는 구리막의 균일도 및 평탄도를 높이기 위해, 가속제, 억제제 및 적어도 2종의 평탄제를 포함하며,
    상기 2종의 평탄제는 상기 구리막의 표면을 볼록하게 만드는 아래의 화학식 1의 구조를 갖는 제 1 평탄제; 및
    상기 구리막의 표면을 오목하게 만드는 아래의 화학식 2의 구조를 갖는 제 2 평탄제를 포함하는 것을 특징으로 하는, 전해 구리 도금액.
    (화학식 1)
    Figure 112016038322010-pat00007

    R1은 질소, 산소, 황, 인 중 하나 또는 두 개의 원소를 포함하는 포화 헤테로 고리 화합물로 아지리딘, 옥시란, 티이란, 디아지리딘, 옥사지리딘, 디옥시란, 아제티딘, 옥세탄, 티에탄, 디아제티딘, 디옥세탄, 디티에탄, 피롤리딘, 티올란, 포스포란, 이미다졸리딘, 피라졸리딘, 옥사졸리딘, 이소옥사졸리딘, 티아졸리딘, 이소티아졸리딘, 디옥솔란, 디티올란, 피페리딘, 옥산, 티안, 포스피난, 피페라진, 모르폴린, 티오모르폴린, 디옥산, 디티안, 아제판, 옥세판, 티에판, 호모피레라진, 아조칸, 옥소칸, 티오칸, 아조난, 옥소난, 티오난으로 이루어진 물질 군 중 하나 이상을 포함하고,
    R2와 R3는 단독으로 수소를 포함하거나, 에테르 작용기를 포함하는 1개 내지 10개 사이의 탄소를 갖는 선형 구조의 알킬이거나, 또는 에테르 작용기를 포함하는 5개 내지 20개 사이의 탄소를 갖는 가지형 구조의 알킬이고,
    m은 300 내지 4500까지의 정수이고,
    X는 염소(Cl), 브롬(Br), 요오드(I), 질산염(NO3), 황산염(SO4), 탄산염(CO3) 및 수산기(OH)로 이루어진 이온 군 중 하나 이상을 포함함)

    (화학식 2)
    Figure 112016038322010-pat00008

    (R4은 단독으로 수소를 포함하거나, 또는 1개 내지 10개 사이의 탄소를 갖는 선형 구조의 알킬이거나, 또는 5개 내지 20개 사이의 탄소를 갖는 가지형 구조의 알킬이고,
    R5는 글리시독시프로필트리메톡실란, 부틸 메타아크릴레이트, 에틸 메타아크릴레이트, 글리시딜 메타아크릴레이트, 글리시딜 아크릴레이트, 글리시딜 에스테르, 글리시딜 아민, 글리시돌로 이루어진 물질 군 중 하나 이상을 포함하고.
    R6와 R7는 질소, 산소, 황, 인 중 하나 또는 두 개의 원소를 포함하는 불포화 헤테로 고리 화합물로 아지린, 옥시린, 티이린, 디아지린, 아제트, 옥세트, 티에트, 디옥트, 다이티에트, 피롤, 퓨란, 티오펜, 포스폴, 이미다졸, 피라졸, 옥소졸, 이소옥사졸, 티아졸, 이소티아졸, 피리딘, 피란, 티오피란, 포스피닌, 디아진, 옥사진, 티아진, 디옥신, 다이티인, 아제핀, 옥세핀, 티데핀, 디아제핀, 티아제핀 및 아조신으로 이루어진 물질 군 중 하나 이상을 포함하고,
    q과 r의 합은 1내지 300까지의 정수이고,
    X는 염소(Cl), 브롬(Br), 요오드(I), 질산염(NO3), 황산염(SO4), 탄산염(CO3) 및 수산기(OH)로 이루어진 이온 군 중 하나 이상을 포함함)
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 평탄제의 분자량 범위는 50,000 g/mol 내지 700,000 g/mol이고, 상기 전해 구리 도금액 1 리터당 0.1 mg 내지 1000 mg의 농도로 첨가되는 것을 특징으로 하는, 전해 구리 도금액.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 2 평탄제는 100 g/mol 내지 500,000 g/mol 범위의 분자량을 갖고, 상기 도금액 1 리터당 0.1 mg 내지 1000 mg 범위의 농도로 첨가되는 것을 특징으로 하는, 전해 구리 도금액.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 억제제는, 폴리옥시알킬렌 글리콜, 카복시메틸셀룰로스, N-노닐페놀 폴리글리콜 에테르, 옥탄디올 비스 글리콜 에테르, 올레산 폴리 글리콜 에스테르, 폴리에틸렌 글리콜, 폴리에틸렌 글리콜 디메틸 에테르, 폴리에틸렌 글리콜-블록-폴리프로필렌 글리콜-블록-폴리에틸렌 글리콜, 폴리프로필렌 글리콜, 폴리비닐 알코올, 스테아릴 알코올 폴리글리콜 에테르, 스테아린산 폴리 글리콜 에스테르, 3-메틸-1-뷰타인-3-올, 3-메틸-펜텐-3-올, L-에틴닐사이클로헥사놀, 페닐 프로피놀, 3- 페닐-1-뷰타인-3-올, 프로파길 알코올, 메틸 뷰타이놀-에틸렌 옥사이드, 2-메틸-4-클로로-뷰타인-2-올, 디메틸 헥사인디올, 디메틸헥사인디올-에틸렌 옥사이드, 디메틸옥타인디올, 페닐뷰타이놀 및 1,4-부탄디올 디글리시딜 에테르로 이루어진 물질 군 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 전해구리 도금액.
  14. 제 10 항 에 있어서,
    상기 가속제는, (O-에틸디티오카보네이토)-S-(3-설포프로필)-에스테르, 3 - [(아미노-이미노메틸)-티올]-1-프로판 술폰산, 3-(벤조티아졸-2-머캅토)-프로필 술폰산, 소디움 비스-(술포프로필)-디설파이드, N, N-디메틸 디티오카바마일 프로필 술폰산, 3,3-티오비스(1-프로판 술폰산), 2-히드록시-3-[트리스(히드록시메틸)메틸아미노]-1-프로판 술폰산, 소디움 2,3-디머캡토프로판 술폰산, 3-머캅토 -1-프로판 설폰산, N,N-비스(4-설포부틸)-3,5-디메틸아닐린, 소디움 2-머캅토-5- 벤지이미다졸 술폰산, 5,5'-디티오비스(2-니트로 벤조산), DL-시스테인, 4-머캅토-벤젠 설폰산 및 5-머캅토-1H-테트라졸-1-메탄 술폰산으로 이루어진 물질 군 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 전해 구리 도금액.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 억제제 및 상기 가속제는 100 g/mol 내지 100,000 g/mol 범위의 분자량을 각각 갖고, 상기 도금액 1 리터당 0.1 mg 내지 1000 mg 범위의 농도로 각각 첨가되는 것을 특징으로 하는, 전해 구리 도금액.

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