Contribution à l'étude des phénomènes mis en jeu par le collage direct à basse température de couches métalliques et oxydes métalliques

Investigation of the mechanisms involved in room temperature metal and oxides direct bonding

• Auteur / Autrice : Floriane Baudin
• Direction : Yves Bréchet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, mécanique, génie civil, électrochimie
• Date : Soutenance le 21/10/2013
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Pierre Raskin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yves Bréchet, Léa Di Cioccio, Ionut Radu
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alain Hazotte, Thomas Pardoen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Oxydes métalliques

Couches minces métalliques

Circuits intégrés tridimensionnels

Mots clés libres

Intégration 3D

Collage direct

Couches métalliques

3D integration

Direct bonding

Metal layer

Résumé

Le collage direct consiste en la mise en contact de deux surfaces suffisamment lisses et propres pour créer une adhérence entre-elles, et ce sans apport de matière à l'interface des matériaux. Ce procédé est réalisable à l'échelle industrielle et compatible avec les procédés de la microélectronique. Il trouve son principal intérêt dans la réalisation de substrats innovants. Le plus célèbre d'entre eux est le substrat SOI (pour « Silicon On Insulator »). Depuis quelques années, une nouvelle voie s'est ouverte dans le collage direct en l'élargissant au collage de couches métalliques ce qui permet de répondre à de nouvelles applications en offrant par exemple conduction électrique et dissipation thermique. Ce travail de thèse a pour objectif d'analyser le comportement du collage direct de couches métalliques et de poser les premiers éléments de modélisation. La compréhension de ces fondamentaux est indispensable pour optimiser le procédé et permettre une intégration de cette technologie dans un grand nombre de dispositifs. Dans cette étude, des procédés de collage direct de couches de tungstène et de titane ont été développés à la lumière des pré-requis établis pour le collage direct. La caractérisation physico-chimique des interfaces de collage et de leur évolution en température ont permis de mettre en évidence le rôle clé de l'oxyde métallique. Il est montré que les mécanismes de collage sont gouvernés par des phénomènes de diffusion aux joints de grains et par l'instabilité de la couche d'oxyde piégée à l'interface de collage. Par ailleurs, les propriétés mécaniques et électriques des interfaces ont été étudiées. Enfin, la compréhension du comportement des interfaces en fonction de certains paramètres conduit à quelques recommandations pour réussir l'intégration du collage direct métallique.

Direct wafer bonding refers to a process by which two mirror-polished wafers are put into contact and held together at room temperature without any additional materials. This technology is feasible at an industrial scale and compatible with the microelectronic processes. Wafer bonding finds many interests applied to innovative substrates realization. Therefore the use of direct wafer bonding is growing and extending to various materials. Since few years direct bonding involving metallic layers presents many interests as it can offer, for example, vertical electrical conduction or heat dissipation. The aim of this work is to analyze the bonding behavior and to propose a first model describing the bonding driving forces. A precise understanding of these mechanisms is essential for the optimization and the technological integration of the process in various devices. In this study, tungsten and titanium bonding processes were developed. Physical and chemical bonding interfaces characterizations have highlighted the key role of the metallic oxide. We showed that bonding mechanisms are driven by grain boundary diffusion phenomena and the interface trapped oxide layer instability. Moreover, mechanical and electrical properties were also studied. Finally, the bonding behavior understanding in function of define parameters lead to some recommendations for the bonding process integration achievement.