Optimisation de la gravure de macropores ordonnés dans le silicium et de leur remplissage de cuivre par voie électrochimique : application aux via traversants conducteurs

par Thomas Defforge

Thèse de doctorat en Electronique

Sous la direction de Gaël Gautier et de François Tran-Van.

Soutenue le 12-11-2012

à Tours , dans le cadre de École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire) , en partenariat avec Laboratoire GREMAN (Tours) (équipe de recherche) et de École polytechnique universitaire (Tours) (laboratoire) .

Le président du jury était Laurent Ventura.

Le jury était composé de Frédérique Cunin.

Les rapporteurs étaient Pascal Kleimann, Antoine Goullet.

mots clés

• Silicium poreux
• Anodisation
• Gravure électrochimique du silicium
• Via traversants conducteurs
• Dépôt électrochimique de cuivre
• Silicium poreux
• Métaux -- Oxydation anodique
• Conducteurs électriques
• Gravure
• Fluorhydrique, Acide
• Silicium -- Substrats
• Dépôt chimique en phase vapeur
• Électrochimie industrielle

Résumé

Ces travaux de thèse portent sur la fabrication de via traversants conducteurs, brique technologique indispensable pour l’intégration des composants microélectroniques en 3 dimensions. Pour ce faire, une voie « tout-électrochimique » a été explorée en raison de son faible coût de fabrication par rapport aux techniques par voie chimique sèche. Ainsi, la gravure de macropores ordonnés traversants a été réalisée par anodisation du silicium en présence d’acide fluorhydrique puis leur remplissage de cuivre par dépôt électrochimique. L’objectif est de faire du silicium macroporeux une alternative crédible à la gravure sèche (DRIE) pour la structuration du silicium.Les conditions de gravure de matrices de macropores ordonnés traversants ont été étudiées à la fois dans des substrats silicium de type n et p faiblement dopés. La composition de l’électrolyte ainsi que le motif des matrices ont été optimisés afin de garantir la gravure de via traversants de forte densité et à facteur de forme élevé. Une fois gravés, les via traversant ont été remplis de cuivre. En optimisant ces paramètres une résistance minimale égale à 32 mΩ/via (soit 1,06 fois la résistivité théorique du cuivre à 20°C) a été mesurée.

mots clés

• Porous silicon
• Anodization
• Silicon electrochemical etching
• Through silicon via
• Copper electrochemical deposition

Titre traduit

Optimization of ordered macropore etching in silicon and their filling copper by electrochemical way : application to through silicon via

Résumé

These thesis works deal with the achievement of Through Silicon Via (TSV) essential technological issue for microelectronic device 3D integration. For this purpose, we opted for a “full-electrochemical” way of TSV production because of lower fabrication costs as compared to dry etching and deposition techniques. Indeed, ordered through silicon macropores were carried out by silicon anodization in hydrofluoric acid-containing solution and then filled by copper electrochemical deposition. The main objective is to determine if the macroporous silicon arrays can be a viable alternative as Deep Reactive Ion Etching (DRIE).The etching parameters of through silicon macropore arrays were studied both in low-doped n- and p-type silicon. The electrolyte composition as well as the density of the initiation sites was optimized to enable the growth of high aspect ratio, high density through silicon ordered macropores. After silicon anodization, through via were filled with copper. By optimizing the copper deposition parameters (bath composition and applied potential), the resistance per via was measured equal to 32 mΩ (i.e. 1.06 times higher than the theoretical copper bulk resistivity).