低温プロセス高アスペクト比Ｃｕ－ＴＳＶによるチップ内低応力化

• Project/Area Number: 13J08369
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Electron device/Electronic equipment
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 井上 史大 東北大学, 医工学研究科, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2015-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2014)
• Budget Amount: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2014: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2013: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,300,000)
• Keywords: 三次元実装 / 無電解めっき / 半導体配線 / 配線信頼性 / 拡散バリアメタル / TSV / 国際研究者交流 / ベルギー

Outline of Annual Research Achievements

本年度は環境対応型グリオキシル酸還元無電解銅めっきの300mmウエハ上での試験、およびその電気特性評価を検討した。機械、電気特性評価に使用したTSVの開口径は3μｍ、深さは50μｍと従来のスパッタ法では達成困難なアスペクト比を有している。さらにCoもしくはRuを下地膜とし無電解めっきによりCu膜を堆積する手法は半導体配線では例のない形成手法である。
グリオキシル酸のRu上での還元反応は溶存酸素共存下では反応が開始されるまでに数分の誘導時間があることを電気化学的に解明し、窒素環境下ではその誘導時間が大幅に低減されることを見出した。さらに昨年度Ru上のめっき反応はRu最表面の状態に強く依存することを解明したが、本年度はRu表面で触媒活性となる還元剤型めっき前処理液を見出し、前処理を含めてウエットプロセスのみによるRu上の無電解銅めっき堆積手法を構築した。
年度後半はこれらの最適化した無電解めっきプロセスを300mmSiウエハ無電解めっき装置に移管し、より実プロセスに近い環境での試験を行った。300mmウエハ上のRuを触媒とする無電解めっきの堆積速度はビーカーでのSiピース上の実験結果と同程度であった。まためっき膜の膜厚はばらつき2%以下と高いウエハ面内均一性を示した。この無電解めっきシード層を用いて形成したTSVはCuの余剰堆積が従来のPVDと比較し6倍程度低減され大幅なCMPのコスト低減が見込まれる。また今回使用した無電解Cu/Ru/ALD-TiN膜の電気特性およびバックサイドSIMSにより評価したCu拡散バリア性はPVD-Cu/PVD-Taと比較し遜色ない結果であった。

Research Progress Status

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Role of Bath Composition in Electroless Cu Seeding on Co Liner for through-Si Vias (2015)
  • Author(s): Fumihiro Inoue, Harold Philipsen, Marleen H. van der Veen, Stefaan Van Huylenbroeck, Silvia Armini, Herbert Struyf, and Tetsu Tanaka
  • Journal Title: ECS Journal of Solid State Science and Technology Volume: 4 Issue: 1 Pages: N3108-N3112
  • DOI: 10.1149/2.0131501jss
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Nucleation Kinetics of Electroless Cu Deposition on Ruthenium Using Glyoxylic Acid as a Reducing Agent (2014)
  • Author(s): Fumihiro Inoue, Harold Philipsen, Marleen H. van der Veen, Stefaan Van Huylenbroeck, Silvia Armini, Herbert Struyf, and Tetsu Tanaka
  • Journal Title: Journal of The Electrochemical Society Volume: 161 Issue: 14 Pages: D768-D774
  • DOI: 10.1149/2.0361414jes
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] Cu Seeding Using Electroless Deposition on Ru Liner for High Aspect Ratio Through-Si Vias (2014)
  • Author(s): Fumihiro Inoue, Harold Philipsen, Marleen H. van der Veen, Kevin Vandersmissen, Stefaan Van Huylenbroeck, Herbert Struyf, and Tetsu Tanaka
  • Organizer: 3DIC 2014
  • Place of Presentation: アイルランド・キンセール
  • Year and Date: 2014-12-01
• [Presentation] Development of Glyoxylic Acid Based Electroless Copper Deposition on Ruthenium (2014)
  • Author(s): Fumihiro Inoue, Harold Philipsen, Marleen H. van der Veen, Kevin Vandersmissen, Stefaan Van Huylenbroeck, Herbert Struyf, and Tetsu Tanaka
  • Organizer: ECS meeting 226th
  • Place of Presentation: メキシコ・カンクン
  • Year and Date: 2014-10-08
• [Presentation] Glyoxylic Acid as Reducing Agent for Electroless Copper Deposition on Cobalt Liner (2014)
  • Author(s): Fumihiro Inoue, Harold Philipsen, Marleen H. van der Veen, Kevin Vandersmissen, Stefaan Van Huylenbroeck, Herbert Struyf, and Tetsu Tanaka
  • Organizer: ECS meeting 226th
  • Place of Presentation: メキシコ・カンクン
  • Year and Date: 2014-10-08
• [Presentation] Stability Evaluation of Non-Agglomerated Pd Nanoparticle Catalysts for Electroless Deposition (2014)
  • Author(s): Noriaki Nakamura, Junichi Taniuchi, Takayuki Sone, Kotoe Sasaki, Fumihiro Inoue, Tomohiro Shimizu, and Shoso Shingubara
  • Organizer: ECS meeting 226th
  • Place of Presentation: メキシコ・カンクン
  • Year and Date: 2014-10-08
• [Presentation] Cu Displacement Plating on Electroless Plated CoWB Layer on SiO2 and Its Adhesion Property (2014)
  • Author(s): Kohei Ohta, Fumihiro Inoue, Tomohiro Shimizu, and Shoso Shingubara
  • Organizer: ECS meeting 226th
  • Place of Presentation: メキシコ・カンクン
  • Year and Date: 2014-10-08
• [Presentation] Electroless Cu Seed on Ru and Co Liners in High Aspect Ratio TSV (2014)
  • Author(s): Fumihiro Inoue, Harold Philipsen, Marleen H. van der Veen, Kevin Vandersmissen, Stefaan Van Huylenbroeck, Herbert Struyf, and Tetsu Tanaka
  • Organizer: IITC 2014
  • Place of Presentation: アメリカ・サンノゼ
  • Year and Date: 2014-05-22
• [Presentation] Improvement of adhesion strength of electroless barrier layer and its application to TSV process (2013)
  • Author(s): Shoichiro Nishizawa, Ryohei Arima, Fumihiro Inoue, Tomohiro Shimizu and Shoso Shingubara
  • Organizer: ECS meeting 224th
  • Place of Presentation: アメリカ・サンフランシスコ
  • Year and Date: 2013-10-29
• [Presentation] Highly conformal and adhesive electroless barrier and Cu seed formation Using nanoparticle catalyst for realizing a high aspect ratio Cu-filled TSV (2013)
  • Author(s): Shoichiro Nishizawa, Fumihiro Inoue, Tomohiro Shimizu and Shoso Shingubara
  • Organizer: 3DIC 2013
  • Place of Presentation: アメリカ・サンフランシスコ
  • Year and Date: 2013-10-03