Fraunhofer-Institut für Elektronische Nanosysteme
Fraunhofer-Institut für Elektronische Nanosysteme

Simulation der gepulsten elektrochemischen Abscheidung von Kupfer in Through Silicon Vias mit hohem Aspektverhältnis

Business Unit » Process, Device and Packaging Technologies«

TSV model (gray, Ø 50 µm, depth 100 µm) with simulated copper surface (colored surface) after 3 h of unpulsed deposition with current density 0.4 A/dm².
© Fraunhofer ENAS
TSV-Modell (grau, Ø 50 µm, Tiefe 100 µm) mit simulierter Kupferschicht (farbige Oberfläche) nach 3 h ungepulster Abscheidung mit Stromdichte 0.4 A/dm².
Bei konventioneller ECD erfolgt die Abscheidung bevorzugt an der TSV-Öffnung (a). Zur Verbesserung der Konformität kommen chemische Additive (b) oder das Prinzip der gepulsten Abscheidung mit Umkehrpuls (c) zum Einsatz.
© Fraunhofer ENAS
Bei konventioneller ECD erfolgt die Abscheidung bevorzugt an der TSV-Öffnung (a). Zur Verbesserung der Konformität kommen chemische Additive (b) oder das Prinzip der gepulsten Abscheidung mit Umkehrpuls (c) zum Einsatz.

Für die 3D-Integration sind Silizium-Durchkontakte (engl. through silicon via, TSV) mit hohem Aspektverhältnis von entscheidender Bedeutung für die Erhöhung der Integrationsdichte und Verbesserung der Leistungsfähigkeit. Im Projekt VEProSi wird ein vereinfachter Prozess für die elektrochemische Abscheidung (engl. electrochemical deposition, ECD) von Metallen in TSVs entwickelt. Eine möglichst konforme elektrochemische Beschichtung in Löchern, mit den für TSV typischen hohen Aspektverhältnissen, stellt noch immer eine große Herausforderung dar, der bisher mit dem Einstatz teurer und umweltschädlicher Chemikalien (Additive) begegnet wird. Eine Alternative stellt die gepulste Abscheidung mit Umkehrpulsen dar. Dieser Prozess wurde am Fraunhofer ENAS auf Basis der Nernst-Planck-Gleichung modelliert und mittels Finite Elemente Methode für einer Vielzahl von Pulsparametern simuliert. Es konnte gezeigt werden, dass auch ohne Einsatz von Additiven deutlich konformere Schichten erzielt werden können. Dabei stehen die Anforderungen nach kurzen Prozesszeiten und guten Konformitäten in Konkurrenz zueinander. Aus der Fülle der Simulationsergebnisse leiten sich Empfehlungen für eine optimierte Prozessführung ab.