élevé comparée à l’électrogreffage
Méthodes HPCVD PECVD SACVD Thermique CVD Electrogreffage
Type d’isolant SiO2 SiO2 SiO2 SiO2 Parylène P4VP
Facteur de forme 10:1 10:1 10:1 10:1 10:1 10:1
Conformité <50% <12% <80% 100% >80% >70%
Pression (Torr) >100 2-10 1-600 760 <0,1 Atm.
Température (°C) 150-400 150-400 400 800-1100 Pièce Pièce
D’après le tableau ci-dessus, toutes ces techniques permettent d’obtenir une isolation plus ou moins conformes dans conditions expérimentales (température et pression) plus ou moins lourdes. On notera qu’il est possible d’obtenir une isolation très conforme (> 70%) par SACVD. Cependant, la faible tension de claquage de l’isolant déposé impose la réalisation d’une couche épaisse pour obtenir de bonnes performances électriques. Dans ces conditions, il devient de plus en plus compliqué d’obtenir une bonne conformité lorsque le facteur des forme des TSV excède 10:1 [18]. La croissance thermique de SiO2 permet d’obtenir d’excellents résultats. Mais des températures de mise-en œuvre de procédés d’isolation supérieures à 400°C ne sont pas compatibles avec une intégration via middle ou via last des TSV de cuivre. Enfin, l’électrogreffage de P4VP et le dépôt de parylène par CVD permettent d’obtenir des couches très conformes. L’électrogreffage présentant l’avantage d’être réalisable dans des conditions expérimentales moins lourdes que les techniques de CVD, puisqu’il est effectué en solution aqueuse à température et pression pièce.
1.4.2 Uniformité
La forme en « vague » des parois d’un TSV, appelée scalloping, est caractéristique de la méthode d’usinage des interconnexions (Figure 1.11). La fabrication de TSV à facteur de forme élevé, classiquement usinés par deep reactive ion etching (DRIE), aux parois les plus abruptes possibles (faible scalloping) est techniquement compliquée (donc coûteuse) à mettre en oeuvre [40],[41].
CHAPITRE 1 14
Figure 1.11 Principe de gravure de TSV (a) usinage, (b) passivation, (c) retrait de la passivation du fond, (d) gravure finale (image tirée de [42])
Le scalloping des parois d’un TSV crée un effet d’ombrage au flux incident de réactifs depuis la surface du TSV (Figure 1.12) : il y a un risque croissant de défauts dans l’uniformité des couches déposées par les techniques directionnelles (comme les dépôts physique par phase vapeur, PVD) [3].
CHAPITRE 1 15
Figure 1.12 Localisation des zones d’ombres d’une paroi d’un TSV usinée par DRIE
Pour les mêmes raisons que précédemment, l’électrogreffage de P4VP permet la croissance de l’isolant de façon uniforme, quelle que soit la topologie des parois du TSV.
1.4.3 Fiabilité
Durant la métallisation et la fabrication d’un microsystème, des contraintes thermiques sont induites autour du TSV à cause de la différence de coefficient de dilatation thermique entre le substrat de Si et le Cu de remplissage [43] [3].
Dans le cas de TSV isolés par SiO2, ces contraintes peuvent avoir des conséquences sur l’intégrité mécanique et électrique des microsystèmes se trouvant à proximité des TSV (section 2.3.2) [43]–[47]. L’isolant de P4VP étant un polymère, il possède un comportement thermomécanique différent de ceux à base de SiO2 (2.3.4). A ce jour, aucune étude n’a été effectuée pour caractériser le comportement thermomécanique de TSV isolés par P4VP. C’est pourquoi nous étudions dans cette thèse l’influence de l’utilisation de la P4VP comme isolant en intégration 3D sur les contraintes autour des TSV (CHAPITRE 5).
Zones d’ombres pour la croissance
de SiO2 Flux incident
CHAPITRE 1 16
Contrairement aux techniques d’isolation par SiO2, l’électrogreffage de P4VP s’effectue dans des conditions de mise en œuvre douce : électrochimie en solution aqueuse, à température et pression ambiantes. De plus, les couches minces de P4VP sont compatibles avec les procédés de greffage chimique de barrière de NiB à la diffusion du Cu [45],[48]. Cette propriété permet aux TSV d’être entièrement métallisés par voie humide, sans utiliser de couche de germination de Cu [12],[28].
1.5 Problématique
Comme expliqué dans le CHAPITRE 2, le procédé d’électrogreffage est initié à partir de la réduction électrochimique d’un sel d’aryle diazonium. En pratique, l’utilisation de ces sels n’est pas sans inconvénient car les solutions d’électrogreffage présentent une relative stabilité sur une courte période. Telle que commercialisée par le fournisseur, la solution d’électrogreffage se présente sous forme d’une solution A et d’une solution B à mélanger dans des proportions données. Une fois mélangée, la solution n’est que relativement stable. Ainsi, il peut être nécessaire de réajuster les conditions expérimentales d’une expérience à une autre et la solution doit être renouvelée au minium toutes les heures pour garantir une reproductibilité des résultats. De plus, le fournisseur recommande notamment de renouveler la solution après l’avoir utilisée pour isoler 3 à 4 échantillons. Enfin, à cela s’ajoutent les conditions d’entreposage des solutions, qui doivent réfrigérée et protégée de la lumière. Cependant, le procédé d’électrogreffage de P4VP pour l’isolation de TSV de cuivre à facteur de forme élevé présente des avantages par rapport aux procédés d’isolation à base de SiO2 ou de parylène. C’est pourquoi la pertinence et les avantages possibles de son utilisation en intégration 3D sont étudiées dans cette thèse.
Il a été démontré et rapporté pour des TSV de cuivre à facteur de forme élevé usinés dans un substrat de silicium ne contenant aucun dispositif (conditions d’intégration de type 2.5D) [12],[28],[35]. A ce jour, ce procédé n’a pas été prouvé dans les conditions d’intégration 3D de microsystèmes, où les contraintes de mise en oeuvre sont plus importantes. De plus, les industriels se basent sur l’étude du comportement thermomécanique du TSV pour déterminer et optimiser leur placement dans le microsystème. Or ces études non jamais été réalisées pour des TSV isolés par électrogreffage de P4VP. D’où la question de recherche suivante : est-il possible
CHAPITRE 1 17