Conformal electroless deposition on monolayers for TSV applications

Through-Si Vias (TSV) are fundamental components of 3D-SIC technology. The state of the art of the PVD and of the sputtering based technology seems unable to fulfill the future requests for the deposition of the barrier and the seed layers into higher and higher aspect ratio TSVs. As alternative from nowadays used deposition techniques an all wet process was studied. SiO2 surface was functionalized with self-assembled monolayers (SAM) before depositing NiB barrier layer and Cu seed by electroless deposition (ELD). Nickel-Boron and Nickel-Phosphorous barrier layers were deposited onto 5x50μm TSV samples using homemade solutions. Formation of a thin metal barrier layer of NiP and NiB was possible using a Palladium-based activator, which is densely adsorbed on the SiO2 sidewalls of the TSV. A silane coupling agent of 3- aminopropyl-triethoxysilane is effective for enhancement of the adsorption density of Pd. Deposition parameters such as concentration of the bath, temperature, and pH were optimized based on the characterization data acquired from the obtained coatings. Studies on the deposits revealed the formation of a thin, conformal barrier layer with thicknesses ranging between 60 nm and 500 nm for NiP and NiB metal layers, respectively. A conformal electroless Cu layer was deposited on the barrier layer using a Palladium-based catalyst to activate the reaction. Troubleshooting this solution required a deep study over the effects of coupling the barrier and the Cu seed layer together with an understanding of the influence of various parameters like temperature, pH, concentration, etc. on the quality of the coatings. Experiments produced highly conformal deposits with thicknesses ranging between 10nm and 40nm. Morphological, structural and electrochemical analysis were pursued to fully characterize the coatings. Deposition rate of the various solutions was 15 μm/h for NiB, 3,6 μm/h for NiP and 4,8μm/h for Cu.

I through-Si Vias (TSV) sono componenti fondamentali nella tecnologia dello stacking 3D (3D-SIC). Lo stato dell’arte della tecnologia PVD e di altre tecniche basate sul fenomeno dello sputtering risulta insufficiente nell’adempiere alle sempre più stringenti richieste prestazionali per la deposizione dello strato barriera e del seed layer su substrati HAR-TSV. Come alternativa a queste tecniche di deposizione viene proposto un processo all-wet che prevede la funzionalizzazione del SiO2 per mezzo di self-assembled monolayers (SAM) prima della deposizione per via electroless (ELD) di uno strato di NiB e del Cu seed. Due tipi di strati barriera sono stati deposti su provini TSV 5x50μm, in particolare due leghe di Nickel: Nickel-Boro e Nickel-Fosforo. Le soluzioni sviluppate hanno permesso la deposizione di un sottile strato metallico di NiB e NiP utilizzando un substrato precedentemente attivato per mezzo di un attivatore a base di Pd, densamente assorbito sulla superficie SiO2 del TSV. Un SAM è stato utilizzato come strato di adesione, in particolare un Silano (3-aminopropyl-triethoxysilane) si è dimostrato efficace nell’aumentare la densità di assorbimento del Pd sulla superficie. La calibrazione di parametri come concentrazione delle specie nel bagno, temperatura e pH è stata possibile attraverso esperimenti di caratterizzazione svolti sui depositi ottenuti. I suddetti studi hanno permesso l’individuazione di strati barriera conformali e con spessori tra i 60 nm e i 500 nm per rispettivamente NiB e NiP. Un seed layer conformale di Rame è stato deposto su di una superficie precedentemente attivata con Pd. Lo sviluppo di una soluzione efficace è stato possibile studiando in modo approfondito gli effetti dell’accoppiamento tra barrier e seed layer e calibrando adeguatamente parametri come temperatura, pH,concentrazione. Gli esperimenti hanno permesso di deporre un rivestimento conformale con spessori tra i 10 nm e i 40 nm. Sono state eseguite analisi morfologiche, strutturali ed elettrochimiche per caratterizzare a pieno i rivestimenti prodotti. Il tasso di deposizione stimato per le soluzioni è 15 μm/h per il NiB, 3,6 μm/h per il NiP e 4,8 μm/h per il Cu.