Sélection d'un précurseur pour l'élaboration de couches atomiques de cuivre : application à l'intégration 3D

Selection of a precursor for the atomic layer deposition of copper : application to the 3D integration

• Auteur / Autrice : Thomas Prieur
• Direction : Elisabeth Blanquet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 22/11/2012
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Sciences et Ingénieurie des Matériaux et des Procédés
• Jury : Président / Présidente : Christophe Vallée
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anne-lise Thomann, Arnaud Mantoux
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pascal Doppelt, Constantin Vahlas

Mots clés

Mots clés libres

Atomic Layer Deposition

Cuivre

TSV

Intégration 3D

Tantale

Précurseurs

Atomic Layer Deposition

Copper

TSV

Tantalum

3D integration

Précursors

Résumé

Avec l’augmentation de la densité de fonctionnalités dans les différents circuits intégrés nous entourant, l’intégration 3D (empilement des puces) devient incontournable. L’un des point-clés d’une telle intégration est la métallisation des vias traversant (TSV, Through Silicon Via) reliant deux puces entre-elles : ces TSV ont des facteurs de forme de plus en plus agressifs, pouvant dépasser 20. Les dépôts des couches barrière à la diffusion du cuivre et d’accroche pour le dépôt électrolytique du cuivre étant actuellement réalisées par dépôt physique en phase vapeur, ceux-ci sont limités en termes de conformité et de facteur de forme. Le travail de cette thèse porte sur le développement du dépôt de couches atomiques (ALD, Atomic Layer Deposition) de cuivre et de nitrure de tantale afin de résoudre les problèmes énoncés lors de la métallisation de TSV. Les précurseurs de cuivre étant actuellement mal connus, différents précurseurs ont été dans un premier temps évalués, afin de sélectionner celui répondant au cahier des charges précis de notre étude. Nous nous sommes par la suite attachés à l’étudier selon deux axes : d’abord en examinant ses propriétés thermodynamiques afin de mieux appréhender les réactions de dépôt, puis lors d’élaboration de films de cuivre sur différents substrats et à différentes conditions afin d’optimiser le procédé d’élaboration de films mince de cuivre. Dans un second temps, nous nous sommes attachés à l’étude d’un précurseur de tantale pour la réalisation de couches barrière à la diffusion. Celui-ci a été étudié en ALD, afin de proposer à l’industrie microélectronique un procédé de dépôt de couches barrière et d’accroche optimisé. Pour finir, nous avons vérifié que l’ALD permet le dépôt conforme dans des TSV à haut facteur de forme, et que les films obtenus ont les propriétés correspondant au cahier des charges de l’industrie la microélectronique.

With the increasing density of features in the various integrated circuits surrounding us, 3D integration (stacking chips) becomes essential. One key point of such integration is the metallization of Through Silicon Vias (TSV) connecting two chips together: the aspect ratio of these TSV will be higher than 20 in the near future. The copper-diffusion barrier layer and seed layer for the electrodeposition of copper are currently deposited by physical vapour deposition, and this technique is limited in terms of conformality in high aspect ratio structure. This work focuses on the development of the Atomic Layer Deposition (ALD) of copper and tantalum nitride in order to propose conformal deposition method of barrier and seed layers. Copper precursors being not well known, different precursors were initially evaluated following the specifications of our study. Once the most promising precursor selected, it has been studied in two different ways. Firstly, a thermodynamic study has been carried out to understand the deposition mechanism; then copper ALD films were deposited on different substrates using different conditions to optimize the deposition. In a second step, a tantalum precursor has been studied for ALD of diffusion barrier, in order to offer the microelectronics industry a deposition method for both barrier and seed layer. Finally, we verified that ALD leads to conformal deposition on high aspect ratio TSV, and that the resulting films have properties corresponding to the specifications of the microelectronic industry.