Etude d'un procédé de dépôt de cuivre par MOCVD pour la réalisation de vias traversants à fort facteur de forme pour l'intégration 3D

Copper deposition by MOCVD for high form factor through silicon vias for 3D integration

• Auteur / Autrice : Sabrina Fadloun
• Direction : Elisabeth Blanquet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie
• Date : Soutenance le 21/11/2019
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Science et ingénierie des matériaux et procédés (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Michel Pons
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Brigitte Caussat
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Stéphane Daniele, Thomas Duguet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Semiconducteurs

Dépôt en phase vapeur par organométalliques

Cuivre

Circuits intégrés tridimensionnels

Mots clés libres

Integration 3D

Cuivre

Mocvd

Copper

Mocvd

3D Integration

Résumé

Les innovations issues du monde du semiconducteur évoluent vers de multiples applications et sont présentes dans de nombreux secteurs industriels, le médical, ou les biotechnologies. Leur déploiement a été obtenu grâce à une augmentation des performances des circuits intégrés (vitesse, consommation d’énergie), mais également grâce à une pluridisciplinarité permise par une intégration de fonctions hétérogènes rendue possible par une évolution des interconnexions et l’émergence des TSV : Through-Silicon Vias. Leurs dimensions microniques requièrent une métallisation adaptée au dépôt de cuivre, notamment par une couche dite « seed layer » qui joue le rôle de film conducteur nécessaire à l’amorçage de la réaction de dépôt électrolytique pour le remplissage des TSV, assurant l’acheminement du signal électrique sur l’ensemble de la puce. C’est dans ce contexte que le dépôt par voie chimique et notamment la MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition) devient un candidat à fort potentiel pour le revêtement métallique de structure à géométrie complexe. Les éléments déterminants de cette technique de dépôt sont principalement le design du réacteur et la structure moléculaire du précurseur organométallique choisi. Nous avons étudié les propriétés du bis(dimethylamino-2-propoxy)copper(II), commercialisé sous le nom de Cu(dmap)2, ainsi que l’influence du dihydrogène et de l’eau lors de la réaction de dépôt de cuivre. Nous avons intégré ce film de cuivre métallique pur, continu, conforme, peu contraint dans des TSV de facteur de forme 10:1. Le remplissage électrolytique sans cavité révèle d’intéressantes propriétés de la molécule de Cu(dmap)2 pour ce type d’application.

Emerging innovative technologies from the semiconductor industry in other various industrials activities, medical, or biotechnologies, have been achieved through higher integrated circuits performances (speed, power consumption). But also thanks to heterogeneous 3D integration and the evolution of interconnections like TSV: Through-Silicon Vias. The high aspect ratio requires a suitable metallization to the copper deposition and particularly with the seed layer which is the conductive film necessary to initiate the electrolytic deposition reaction for the filling of TSV, ensuring the electrical signal delivery on the entire chip. In this context, chemical deposition and specifically MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition) is revealed as a high-potential candidate for the metal coating of complex geometry structure. Keys factors of this deposition technique are mainly the design of the reactor and the molecular structure of the organometallic precursor. We studied the properties of bis (dimethylamino-2-propoxy)copper(II), marketed as Cu(dmap)2, as well as the influence of hydrogen and water during the copper deposition reaction. We have integrated this pure, continuous, conformal, low-stressed metallic copper film into 10:1 form factor TSVs. The electrolytic plating without void highlights interesting properties of the Cu(dmap)2 molecule for this kind of application.