Intégration 3D par collage hybride : défis de la miniaturisation du pas d’interconnexion

Abstract

Avec l’avènement de l’industrie 4.0 et de l’ère du « tout connecté », les dispositifs électroniques comptent plus en plus de puces. Au moment où la loi de Moore s’essouffle, l’intégration 3D constitue une alternative pour poursuivre l’élaboration de puces multifonctions tout en limitant l’encombrement. Parmi les techniques d’assemblage plaque-à-plaque existantes, le collage hybride offre une excellente robustesse et une densité de l’ordre de 106 interconnexions/cm2, ce qui le rend particulièrement intéressant pour une application aux capteurs d’image. Le passage à un pas d’interconnexion de 1,44 µm permettrait de multiplier cette densité par 50 et de concevoir des architectures plus performantes. Cependant, les effets d’une telle modification sur le mécanisme de collage, les propriétés électriques et la robustesse des interconnexions sont pour l’instant inconnus.L’objectif de cette thèse est de démontrer la validité du collage hybride Cu-SiO2 de pas d’interconnexion 1,44 µm. Pour y parvenir, des mesures électriques et des tests de vieillissement ont été menés sur des véhicules de test de pas d’interconnexion variés. Une caractérisation morphologique poussée des plots de collage de différentes tailles a permis d’identifier des cavités et des nodules de Cu2O à l’interface Cu/Cu, indiquant un mécanisme de collage commun. Une nouvelle méthode d’estimation de la résistivité de contact combinant mesure électrique et simulation par méthode des éléments finis a montré que ces défauts n’augmentent pas la résistance électrique des interconnexions. Des structures de test ont été dessinées spécialement afin de rendre compatibles les analyses chimique et électrique du diélectrique entre les plots de collage, afin d’étudier la diffusion du cuivre. Des variantes de recuit de collage et recuit de passivation ont également été testées en vue d’abaisser le budget thermique du recuit de collage et garantir la compatibilité du collage hybride avec l’ensemble de l’intégration. L’étude de la sensibilité de la résistance des interconnexions au désalignement plaque-à-plaque a permis d’établir un pas d’intégration limite. Cette compréhension fine des effets liés à la densification des interconnexions et aux procédés technologiques sera précieuse pour la création de nouvelles architectures.