Caractérisation morphologique et électrique du collage hybride jusqu'aux pas submicroniques

Abstract

L’intégration 3D, qui consiste à empiler les puces de différentes technologies et fonctionnalités les unes sur les autres, a émergé au cours des dernières années comme une alternative de la loi de Moore pour poursuivre l’élaboration de puces multifonctions et l’amélioration des performances des circuits intégrés. Le collage hybride, une des différentes techniques de l’intégration 3D, peut répondre aux besoins de miniaturisation avec la possibilité de réduire le pas d’interconnexion au-dessous d’un micromètre, ce qui permettra la conception des dispositifs plus performants notamment pour les capteurs d’image. Les effets d’une telle miniaturisation sur les propriétés thermomécaniques et électriques ainsi que sur la robustesse des interconnexions en collage hybride sont, cependant, inconnues.L’objectif de cette thèse est d’étudier, dans une intégration par collage hybride, les défis de la réduction du pas d'interconnexion jusqu'en dessous du micromètre. La méthodologie a consisté d’étudier, avec la réduction du pas, le mécanisme de fermeture de l’interface de collage, la fiabilité des interconnexions au niveau collage hybride ainsi que leurs performances électriques. En utilisant la technique de Microdiffraction de Laue à l’ESRF, une orientation cristalline favorisant la fermeture de l’interface à l’échelle submicronique a été mise en évidence. La résistivité de contact extraite par une nouvelle méthode d’estimation a permis de définir les spécifications de fabrication pour obtenir une reconstruction parfaite de l'interface Cu-Cu avec une résistivité de contact proche de celle de joint des grains de Cu. Malgré la modification du mode de défaillance en électromigration avec une cavité tueuse au niveau des plots de collage pour les pas inférieurs à 3.5 µm, les performances électriques à des conditions normales d'utilisation ne sont pas affectées. A l’aide d’une nouvelle méthodologie de test, nous avons montré que le mode de dégradation en claquage de diélectrique (TDDB) au niveau de collage hybride est atypique par rapport au BEoL standard. Des analyses fines ont permis de lier ce comportement à une couche de Cu2O, présente à l’interface Cu/SiO2, qui agit comme une barrière et qui rend l’intégration Cu/SiO2 immune à la diffusion de cuivre. Cette compréhension fine du mécanisme de collage et de la robustesse de l’interface a permis de démontrer que le collage hybride est possible au moins jusqu’au pas de 0.67 µm et de proposer de nouvelles architectures pour améliorer la performance électrique.