Intégration du collage direct : couches minces métalliques et évolutions morphologiques

par Paul Gondcharton

Thèse de doctorat en Matériaux, mécanique, génie civil, électrochimie

Sous la direction de Marc Verdier et de Bruno Imbert.

Le président du jury était Etienne Barthel.

Le jury était composé de Marc Verdier, Bruno Imbert.

Les rapporteurs étaient Etienne Barthel, Thomas Pardoen.


  • Résumé

    La microélectronique cherche à produire des composants toujours plus performants. Un axe d'amélioration est l'intégration de plus de fonctionnalités dans un volume toujours plus compact. L'approche planaire classiquement utilisée jusqu'à présent atteint ses limites. Une solution à ce défi technologique est l'intégration 3D permettant d'empiler verticalement plusieurs circuits. Les étapes d'assemblage sont cruciales dans ces schémas d'intégration. Parmi les différentes techniques d'assemblage, le collage direct de couches minces métalliques est une alternative très intéressante. En effet, elle offre simultanément un lien mécanique et électrique vertical entre les couches actives de composants.Les propriétés microstructurales, physiques et chimiques des couches minces métalliques déposées ont été largement rapportées dans l'état de l'art antérieur. Cependant, elles n'ont jamais été étudiées dans l'environnement particulier du collage. Le but de notre étude est d'évaluer l'impact de cet environnement sur les couches minces métalliques assemblées pendant et après le procédé d'assemblage.Le collage direct consiste en la mise en contact de surfaces lisses à température ambiante et sous atmosphère ambiant afin de créer une adhérence entre elles. Puisque le collage n'est pas réalisé sous vide, des espèces adsorbées sont piégées à l'interface et une couche d'oxyde natif limite l'obtention du contact métal-métal. L'environnement de collage nous pousse donc à considérer ces différentes espèces qui interfèrent avec le procédé de collage et l'établissement du contact électrique.Dans cette étude, nous avons assemblé différents métaux dans différentes configurations de couches minces. Ainsi, les couches d'oxyde surfaciques ont été désignées comme influentes sur le comportement en adhésion des assemblages. Dans le cas précis du collage direct Cu-Cu, la réaction de l'eau interfaciale est primordiale au renforcement de la tenue mécanique dès la température ambiante. À plus haute température, la dissolution de l'oxyde piégé et la croissance de grain verticale sont des moteurs du scellement dépendant de phénomènes diffusifs. Il est apparu que les joints de grains sont des chemins de diffusion privilégiés dont le rôle dans la microstructure est majeur. Il a également mis en évidence que les couches de métaux réfractaires ne pouvaient pas être assemblées en utilisant les mêmes forces motrices que les métaux de transition dans la gamme de température considérée. La compréhension des différents mécanismes apporte un éclairage nouveau dans l'utilisation du collage direct dans les schémas d'intégration des composants de demain.

  • Titre traduit

    Integration of direct bonding : metal thin films and morphological evolutions


  • Résumé

    The semiconductor industry is driven by an increasing need of computation speed and functionalities. In the development of next generation devices the integration of more functionalities in an ever smaller volume becomes paramount. So far, classical planar integration was privileged but it is currently reaching its limits. One solution to this technological challenge is to consider the 3D dimension as pathway of integration. To ensure the vertical stacking of circuits, the development and control of assembly processes becomes crucial. Among the different techniques under development, direct bonding of metal thin films is a promising solution. It is a straightforward option that offers both a mechanical and an electrical link between the active strata.Microstructural, physical and chemical properties of deposited metal thin films were widely reported in previous state of art. However, they have not yet been studied in the specific bonding environment. The main goal of our study is to pinpoint the impact of this environment during and after the process of assembly.Direct bonding process consists in putting into contact smooth surfaces at room temperature and ambient air which in appropriate conditions leads to the establishment of attractive forces. Since bonding is not operated under vacuum, adsorbed species are trapped at the interface and the metal bonding suffers from the formation of native oxide. The encapsulation of these species as well as the native metal oxide interfere with the bonding process and the establishment of an electrical contact.In this study, various bonded structures have been realized using an extended set of metals in different thin film configurations. Metal oxide layers impact is clearly highlighted via the monitoring of adhesion properties of the assemblies. In the Cu-Cu direct bonding case, the interfacial water reaction is primordial in the strengthening of bonding toughness at room temperature. At higher temperature, oxide dissolution and vertical grain growth are driving forces in the sealing of bonding interface. The microstructure play a role in all these phenomena since grain boundaries are favorite diffusion pathway in thin films. Considering the temperature limitation imposed by the integration, we also highlight that refractory metal thin films needs another bonding approach compared to the transient metals. The understanding of bonding mechanisms throws new light on the use of direct bonding process in the realization of future electrical components.


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