Etude de l'intégration du collage direct cuivre/oxyde pour l'élaboration d'une architecture 3D-SIC

Study of the integration of copper/oxide direct bonding for the development of a 3D-SIC architecture

• Auteur / Autrice : Yann Beilliard
• Direction : Rafael Estevez, Guillaume Parry
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, mécanique, génie civil, électrochimie
• Date : Soutenance le 02/04/2015
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Science et ingénierie des matériaux et procédés (Grenoble) - Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Abdelkader Souifi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Rafael Estevez, Guillaume Parry, Alain Bosseboeuf, Léa Di Cioccio, Perceval Coudrain
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Frédéric Lebon, Hélène Fremont

Mots clés

Mots clés libres

Intégration 3D

Collage direct cuivre

Caractérisation

Morphologie

Fiabillité

Simulation

3D Integration

Direct copper bonding

Characterisation

Morphology

Reliability

Simulation

Résumé

Cette thèse s'inscrit dans le contexte de l'intégration tridimensionnelle des dispositifs électroniques. Parmi les différentes techniques permettant d'assembler à la fois mécaniquement et électriquement les puces empilées, le collage direct de surfaces mixtes Cu-SiO2 représente l'option la plus prometteuse à ce jour. En effet, cette méthode permet d'atteindre la densité d'interconnexions de 106/cm² visée par l'industrie, tout en offrant une faible résistivité de contact et une excellente fiabilité. L'objectif de ce travail est de démontrer la compatibilité du procédé de collage direct hybride Cu-SiO2 avec des intégrations et des architectures proches de circuits réels. Dans ce but, des véhicules de tests intégrant des structures de cuivre à deux et quatre niveaux d'interconnexions ont été conçus spécifiquement. De plus, des simulations par éléments finis du procédé collage direct ont été développées au sein du logiciel Abaqus. Dans un premier temps, le procédé de collage direct puce-à-plaque en 200 et 300 mm est validé. Des caractérisations morphologiques et électriques montrent que cette méthode d'assemblage ne dégrade pas l'intégrité et les performances de structures de tests à deux niveaux par rapport à une intégration plaque-à-plaque. Par ailleurs, des tests de cyclage thermique confirment l'excellente robustesse mécanique des empilements. La deuxième partie de cette thèse s'intéresse à la caractérisation de la morphologie, des performances électriques et de la fiabilité de structures de tests à quatre niveaux d'interconnexions. Dans ce cas, l'architecture plaque-à-plaque en 200 mm des véhicules de tests se veut proche d'une intégration industrielle. Les diverses observations par microscopie électronique à balayage et en transmission indiquent une excellente qualité de collage des interfaces Cu/Cu et SiO2/SiO2. Par ailleurs, les mécanismes de formation des cavités nanométriques à l'interface Cu/Cu et le phénomène de diffusion du cuivre dans la silice sont investigués. Les caractérisations électriques révèlent des rendements de fonctionnement supérieurs à 95 % ainsi que des écarts types inférieurs à 3 % après recuit à 200 ou 400 °C. Enfin, les études de fiabilité incluant des tests de stockage en chaleur humide, de cyclage thermique, de stockage en température et d'électromigration attestent de la résistance à la corrosion et de la robustesse mécanique de cette intégration. Pour finir, les simulations par éléments finis indiquent que les interactions cohésives à l'interface de collage, combinées à la dilatation thermique du cuivre pendant le recuit, assistent significativement le processus de collage de surfaces de cuivre incurvées par sur-polissage. En outre, la déformation plastique macroscopique du cuivre semble avoir un effet néfaste sur le processus de scellement en freinant la propagation de l'onde de collage.

The context of this work is the three-dimensional integration of electronic devices. Among the various techniques allowing to assemble both mechanically and electrically stacked chips, the direct bonding of Cu-SiO2 mixed surfaces is the most promising option to date. Thanks to this method, the interconnection density of 106/cm² aimed by the industry is achievable, while providing a low contact resistivity and excellent reliability. The objective of this study is to demonstrate the compatibility of the direct hybrid bonding Cu-SiO2 process with integrations and architectures that mimic real circuits. For this purpose, test vehicles incorporating two-layer and four-layer copper test structures have been specifically designed. Furthermore, finite element simulations of the direct bonding process have been developed within the Abaqus software. First, the 200 and 300 mm chip-to-wafer direct bonding process is validated. Morphological and electrical characterizations show that this stacking method does not deteriorate the integrity and performances of two-layer test structures with respect to a wafer-to-wafer integration. Furthermore, thermal cycling tests confirm the excellent mechanical strength of the bonded dies. The second part of this work focuses on morphological, electrical and reliability characterizations of four-layer test structures. In this case, the 200 mm wafer-to-wafer architecture of the test vehicles is close to an industrial integration. The various observations conducted with scanning and transmission electron microscopy indicate an excellent bonding quality of Cu/Cu and SiO2/SiO2 interfaces. Furthermore, the formation mechanisms of cavities at the Cu/Cu interface and the copper diffusion phenomenon in the silica are investigated. Electrical characterizations show functional yields above 95 % and standard deviations below 3 % after annealing at 200 or 400 °C. Finally, reliability studies including unbiased HAST, thermal cycling, temperature storage and électromigration test prove the resistance to corrosion and the mechanical robustness of this integration. Finally, the finite element simulations indicate that the cohesive interactions at the bonding interface, combined with the thermal expansion of the copper during the annealing, significantly assist the bonding process of copper surfaces with a dishing effect. In addition, the macroscopic plastic deformation of the copper appears to have a detrimental effect on the sealing of the interface by slowing the propagation of the bonding wave.