Principe de l’électrolyse de cuivre pour le remplissage de vias

En microélectronique, le dépôt de cuivre est réalisé par voie électrochimique à l’aide de la technique d’ECD2. L’équation III. 2 décrit la réaction menant au dépôt du métal, les ions Cu2+ réagissent avec deux électrons pour former un atome de cuivre. Le principe est donc de faire circuler un courant dans une cathode en présence d’une solution ionique de cuivre.

𝐶𝑢2+_{+ 2𝑒}−_{→ 𝐶𝑢 III. 2}

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TTV : Total Thickness Variation (Variation d’épaisseur Globale)

116 En pratique, c’est la plaque qui assure le rôle de cathode grâce au dépôt de la couche d’accroche réalisé au préalable. Une fois la plaque plongée dans une solution électrolytique, une différence de potentiel est appliquée entre la plaque (cathode) et des anodes de cuivre. Lorsque la plaque entre en contact avec l’électrolyte, il y a génération d’un courant entre anode et cathode et ainsi dépôt de Cu sur la cathode.

La cinétique de dépôt est conditionnée par plusieurs réactions. Cependant elle suit la loi de Faraday, la vitesse de dépôt dépend de la densité de courant locale tel que [82] :

𝑚 = 𝑄

𝑛. 𝐹. 𝑀 III. 3

Avec m la masse de cuivre déposée par cm² (en g.cm-2), Q la densité de charge électrique (en C.cm-2), n le nombre d’électrons échangés, F la constante de Faraday (96500 C.mol-1), et M la masse molaire du matériau déposé (en g.mol-1).

La vitesse de dépôt peut donc s’exprimer de la manière suivante :

𝛿𝑚 𝛿𝑡 =

𝑀

𝑛. 𝐹. 𝑗 III. 4

Avec j la densité de courant entre les deux électrodes (en A.cm-2)

Dans le cas d’un dépôt ECD au sein d’un via, la cinétique de réaction est liée à la géométrie de ce dernier. En effet, la vitesse de dépôt locale dépend de deux facteurs :

- La densité de courant : la non-conformité de la couche d’accroche peut générer une forte résistance en fond de via, menant à une densité de courant amoindrie par rapport à la surface de la plaque.

- La concentration en espèces : Les profondeurs mises en jeu par les vias entraînent une augmentation du temps de diffusion des espèces jusqu’au fond du via, menant à une concentration d’ion cuivre plus faible en fond de via qu’en surface de la plaque.

Ces deux mécanismes ont tendance à entraîner une non-conformité de la croissance proportionnelle à la profondeur du via : le dépôt de cuivre est plus rapide en surface de la plaque et en haut de flanc de via qu’au fond de celui-ci. Cet effet est problématique, car il mène à la création de cavités dans le via. Comme on peut le voir sur la Figure III. 23, la croissance de cuivre étant plus rapide en haut de flanc, le via se referme (on appelle ce phénomène le pincement) empêchant ainsi la diffusion des ions Cu2+ vers le fond. La croissance est donc inhibée en dessous du pincement résultant en une cavité dans le cuivre de remplissage.

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Figure III. 231. Coupe MEB d’un TSV exhibant une cavité dans le cuivre due à une croissance non conforme.

Pour pallier à ce problème, la méthode appelée « bottom-up » (ou encore « super-filling ») a été développée. Cette méthode introduit trois additifs au bain de sulfate de cuivre utilisé pour l’électrolyse classique. Ces additifs ont pour effet le blocage du dépôt en surface et sur le flanc du via tout en l’accélérant en fond de via. Les trois additifs utilisés sont les suivants : un accélérateur ayant pour effet l’accélération du dépôt, un suppresseur ayant pour effet le ralentissement du dépôt et un « leveler » utilisé pour lisser la surface du cuivre et éliminer ses aspérités.

L’utilisation conjointe de l’accélérateur et du suppresseur permet l’obtention d’un front de croissance évoluant du fond du via vers la surface de la plaque. Ce phénomène peut s’expliquer par les deux mécanismes suivants :

- Le suppresseur est une molécule significativement plus grosse que l’accélérateur, il a donc plus de difficulté à diffuser jusqu’au fond du via. Il en résulte une concentration de suppresseur plus faible en fond de via qu’en surface, favorisant donc la croissance « bottom- up ».

- Bien que le suppresseur diffuse lentement dans le fond de la géométrie, il est très rapidement actif sur la surface. L’accélérateur lui, met plus de temps à s’adsorber et va, dans le temps, venir prendre la place du suppresseur sur la surface du cuivre. Ce phénomène de « déplacement » permet l’accélération du dépôt au fur et à mesure que l’accélérateur prend la place du suppresseur dans le fond des motifs alors qu’en surface, la croissance est bloquée par la présence du suppresseur en forte concentration.

Le processus de croissance par la méthode « bottom-up » est illustré sur la Figure III. 24, il peut être décrit comme suit :

- Phase 1 : La plaque est introduite dans le bain et une tension est appliquée entre les électrodes. Les espèces en présence migrent vers la surface de cuivre. La concentration en accélérateur est plus importante que celle de suppresseur en fond du via dû à la faible diffusion de ce dernier. À l’inverse, le suppresseur domine les réactions de surface.

- Phase 2 : L’accélérateur prend la place du suppresseur. Le phénomène est accentué en fond de via car la concentration en accélérateur domine celle du suppresseur. Le dépôt est donc accéléré en fond de via, résultant en un front de croissance évoluant du fond vers la surface.

118 - Phase 3 : Une fois le via rempli de cuivre, la forte concentration d’accélérateur au-dessus des

motifs provoque un surdépôt (ou « bump »).

Figure III. 241. Illustration de croissance électrolytique de cuivre par la méthode « bottom-up ».

Le troisième additif (le « leveler ») permet d’éviter un surdépôt lors de la phase 3. Le « leveler » est généralement composé de petites molécules azotées électro actives qui viennent s’adsorber sur les zones à fortes densités de courant où il inhibe le dépôt. Lors des phases 1 et 2 décrites précédemment, il agit de concert avec le suppresseur pour ralentir le dépôt de cuivre en surface et dans les angles (où les densités de courant sont plus importantes). Lors de la phase 3, le « bump » induit un effet de pointe favorisant l’adsorption du « leveler » au détriment de l’accélérateur, permettant l’obtention d’une surface plane. L’effet du « leveler » est visible sur la Figure III. 25 présentant les coupes MEB post croissance « bottom-up ». En l’absence d’additif, on observe un surdépôt au-dessus du motif, l’ajout de « leveler » dans la solution électrolytique permet l’obtention d’une surface plane.

Figure III. 25². Coupe MEB post croissance « bottom-up » : a) sans « leveler » ; b) avec « leveler ».

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Contrairement au TSV pour lequel la méthode de remplissage « bottom-up » a été développée, la réalisation de l’architecture TSC nécessite non pas une, mais deux croissances électrolytiques au sein d’un même via. Si la seconde reprend le procédé de remplissage de via exposé ci-dessus, le partial- filling consiste en un remplissage partiel de la cavité. Ce dernier consiste en une adaptation du procédé de remplissage « bottom-up » tel qu’il sera exposé dans la section suivante.