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

Electrical and morphological characterizations of the hybrid bonding level down to submicron pitches

• Auteur / Autrice : Bassel Ayoub
• Direction : Hélène Fremont
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance le 04/05/2023
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de l'intégration du matériau au système (Talence, Gironde)
• Jury : Président / Présidente : Olivier Thomas
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sandrine Lhostis, Stéphane Moreau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marc Legros, Alain Bravaix

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fiabilité

Collage (matériaux)

Circuits intégrés tridimensionnels

Mots clés libres

Intégration 3D

Collage hybride

Fiabilité

Pas d'interconnection submicronique

3D integration

Hybrid bonding

Reliability

Sub-Micron pitch

Résumé

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.

The 3D integration technology has emerged in the last decade as a key process to combine multi-functional and technological integrated circuit devices to produce a single chip with small form factor and enhanced electrical performances. The hybrid bonding technology, one of the different 3D stacking options, is adapted for advanced device miniaturization with the possibility of reducing the hybrid bonding pitch below one micrometer. This would allow the design of more efficient devices, especially for image sensors. However, the impact of such aggressive interconnection pitch scaling on the bonding mechanism, the electrical performance and the reliability of the hybrid bonding level remains to be studied.The goal of this PhD thesis is to study, for the Cu/SiO2 hybrid bonding integration, the challenges of reducing the hybrid bonding pitch down to sub-micron. To target this, we studied a possible change in the Cu interface closure mechanism with the reduction of the Cu pad width. Using the Laue-microdiffraction technique at the ESRF, a specific crystalline orientation favorizing the closure of Cu-Cu interface at the sub-micron pitch level was put in evidence. From an electrical point of view, new methods were developed to precisely extract the Cu-Cu interface resistivity allowing the define the fabrication specifications to obtain an interface reconstruction close to Cu grain boundary one. Despite the modification of the electromigration degradation mode with a killer defect at the hybrid bonding level for Cu pads below 3.5 µm in width, the electrical performances at use conditions are not affected. Moreover, using a new test methodology, we have put in evidence for the first time at the hybrid bonding level a modified degradation mode under Time Dependent Dielectric Breakdown (TDDB) as compared to standard BEoL behaviour. Deep analyses on the atomic and ionic diffusion mechanisms allowed to link this modified behaviour to the presence of a thin Cu2O layer at the Cu/SiO2 interface, which behaves as a barrier against Cu diffusion in SiO2. This profound understanding of the bonding mechanism and interface robustness and reliability allowed us to demonstrate that hybrid bonding is possible at least down to 0.67 µm and to propose new architectures allowing enhanced electrical performances with pitch reduction.