Soutenance mémoire
Morphologies des couches minces
De nombreux auteurs ont montre que la morphologie des couches minces métalliques déposées était etroitement liee aux parametres de d´epot utilises. Si nous nous placons dans le cas de couches minces d´epos´ees par la technique PVD, des modeles de structures de zones (Structure Zone Model – SZM – en termes anglophones) ont ´et´e propos´es. Ces mod`eles repr´esentent la morphologie des films obtenus en fonction de diff´erents param`etres tels que la temp´erature, la pression de gaz de travail, le taux d’impuretes,. . . [42–46].
Barna et Adamik ont montr´e que la nature polycristalline de la couche de metal d´eposee est le resultat de la croissance initiale de la couche en ˆılots (voir partie 1.2.1) [25]. Effectivement, la formation de la couche est li´ee aux ph´enom`enes successifs de : germination, croissance d’ˆılots, formation d’ˆılots cristallins, d´eveloppement de la structure continue et croissance homog`ene de films (figure 1.8(a)) [29].
Ces differents phenomenes sont fonctions de mecanismes diffusifs surfaciques et volumiques eux-memes fortement d´ependants de la temperature. Dans cette optique, nous pouvons citer les SZM de Movchan et Demchishin publies en 1969 [42] puis de Thornton (figure 1.8(b)) en 1977 [44].
Ces modeles montrent que selon les phenomenes actives, les films n’auront pas les memes propri´et´es. Ils d´efinissent en particulier quatre zones distinctes representees sur la figure 1.8(b) :
— Zone 1 pour T/Tf < 0,2. La structure de la couche consiste en un ensemble de cristaux riches en dislocations et autres defauts cristallins s´epares par des pseudo-joints poreux. Elle est le resultat d’un effet d’« ombrage » dˆu `a la rugosite initiale des substrats. La diffusion surfacique n’etant pas activée pour ces températures, le mouvement des ad atomes ne peuvent corriger ces
De la brasure au collage moleculaire
Le but de cette partie est de presenter les differentes techniques historiquement utilisees tout d’abord dans le domaine de l’assemblage de pieces metalliques macroscopique puis dans le domaine de la microelectronique. Une attention tout particuliere sera portee au procede de collage direct de couches minces metalliques qui est au cœur de notre etude.
Collage par diffusion
Le collage par diffusion (diffusion bonding en termes anglophones) est utilise depuis les ann´ees 1970 dans les domaines industriels de l’aeronautique, de l’automobile et du ferroviaire. Il consiste en l’assemblage de pi`eces metalliques dont les proprietes de surface respondent aux standards de l’usinage. Les rugosit´es surfaciques de ces pi`eces sont de l’ordre de la dizaine de micrometres. Un simple rincage a l’acetone permet de d´egraisser les surfaces avant l’assemblage [51].
Son principe repose sur l’activation de phenomenes diffusifs `a l’echelle des microstructures (figure 1.9) [52–55]. L’application simultanee d’une pression et d’un apport de chaleur permet successivement.
Collage direct de couches minces metalliques
Cette partie sera consacr´ee `a la description des principales techniques de collage direct de couches minces rapport´ees dans la litt´erature. Ce que nous d´esignons sous l’appelation de « collage direct de couches minces m´etaliques » est l’op´eration d’assemblage de couches minces m´etalliques sans apport de mati`ere suppl´ementaire (contrairement `a l’approche de collage eutectique de la partie 1.3.2) : les surfaces m´etalliques sont directement mise en contact. Nous distinguerons les assemblagesealis´es sous ultra-vide des collages r´ealis´es `a la pression ambiante.
Collage sous ultra-vide
Afin d’obtenir le contact m´etal-m´etal d`es la temp´erature ambiante (Room Temperature – RT – entermes anglophones), plusieurs approches de collage consistent en la mise en contact de surfaces sous ultra-vide (Ultra High Vacuum – UHV – en termes anglophones).
La premi`ere approche est d´enomm´ee Surface Activated Bonding (SAB) en termes anglophones. Les surfaces des couches minces m´etalliques sont plac´ees sous UHV et bombard´ees ioniquement afin d’abraser les couches d’oxydes m´etalliques et les ´eventuelles contaminations surfaciques (figure 1.10(a)) [65].
Des « liaisons pendantes » sont alors disponibles lors de la mise en contact des surfaces. Bien que le proc´ed´e soit r´ealis´e `a RT, une l´eg`ere pression de quelques kilopascal est appliquee lors de l’assemblage.
Cette technique rapport´ee pour la premi`ere fois par Suga et al. en 1996 [66] est industriellement contraignante mˆeme si divers ´equipements standards de micro´electronique sont aujourd’hui commercialis´es par MitsubishiR [67] et Electronic Vision GroupR[68].
Une seconde approche a ´et´e d´evelopp´ee `a partir de la modification d’un bˆati de pulv´erisation cathodique classique. Les couches minces m´etalliques sont ainsi d´epos´ees selon le principe ´ecrit dans la partie 1.2.1 et coll´ees dans le bˆati `a l’aide d’un manipulateur permettant le mise en contact des deux surfaces (figure 1.10(b)) [69]. L’absence d’exposition `a l’atmosph`ere ambiante pr´evient toute oxydation m´etallique et permet d’obtenir le contact m´etal-m´etal d`es RT. De fa¸con surprenante, desphenomenes.
Evaluation de la tenue mecanique
Afin d’evaluer l’impact des parametres de procede sur la qualit´e des assemblages obtenus, la tenue mecanique est un parametre de sortie pertinent. Differentes techniques ont deja ´et´e mises en oeuvre et seront pr´esentees dans cette partie. Une revue complete de ces differentes methodes de mesure a notamment ´et´e publiee par Vallin et al. [96].
Fractographie et terminologie
Toutes les m´ethodes de mesures utilis´ees pour ´evaluer la tenue m´ecanique d’assemblage sont bas´ees sur la propagation d’une fissure au niveau de cette interface. La grandeur extraite de ce type de mesure est l’´energie de fracture Gc ou encore appel´ee travail d’adh´erence [97] . Elle peut ˆetre d´efinie comme l’´energie n´ecessaire `a la d´ecoh´esion d’une interface lors de la propagation de la fissure.
De nombreux auteurs ont montr´e que des ph´enom`enes dissipatifs peuvent influencer le bilan ´energ´etique de la propagation de la fissure `a une interface [98–100]. Ainsi, l’´energie de fracture Gc peut s’exprimer comme la somme de deux contributions telles que :
Positionnement de la these
Nous avons vu dans ce chapitre que les enjeux actuels de la micro´electronique conduisaient au d´eveloppement de nouvelles approches d’int´egration tridimensionnelle. Dans ce contexte, le pro ´ed´e d’assemblage de substrat et de cr´eation de connexions verticales est essentiel. Ainsi, le collage direct de couches minces m´etalliques est une option int´eressante puisqu’il offre un lien ´electrique de par la nature des couches utilis´ees, mais aussi m´ecanique entre les diff´erentes couches actives de composants.
Les couches minces m´etalliques, utilis´ees depuis de nombreuses ann´ees dans le domaine de la micro-´electronique, ont ´et´e largement ´etudi´ees. En particulier, les param`etres utilis´es lors de leur ´elaboration sont fortement influents sur leurs morphologies et propri´et´es. Cependant, l’ensemble de cet ´etat de l’art rapporte des r´esultats obtenus en configuration de surface libre.
POSITIONNEMENT DE LA THESE
Plusieurs techniques d’assemblages de couches minces m´etalliques ont d´ej`a ´et´e utilis´ees dans le domaine de la micro´electronique. Ces techniques varient par l’atmosph`ere au moment de la mise en contact des plaques et les diff´erents types d’´energie apport´es pour obtenir l’adh´erence descouches.
La conduction ´electrique verticale des assemblages est obtenue par la r´ealisation d’empilements incluant des couches minces m´etalliques. Ces couches sont intrins`equement conductrices mais leurs sp´ecifications ´electriques sont dict´ees par l’int´egration. Diff´erents travaux de th`eses ont ´et´e men´es dans le cas du collage Cu-Cu au sein des interconnexions ´electriques [112, 113]. Nous avons concent ´e nos travaux sur les ph´enom`enes ayant lieu dans les couches minces m´ etalliques coll´ees. Nos ´etudes n’ont donc pas ´et´e conduites au sein d’interconnexions ´electriques int´egr´ees.
L’environnement de collage ´etudi´e dans notre ´etude induit une exposition syst´ematique des surfaces `a l’atmosph`ere ambiante. L’oxydation des couches m´etalliques et l’adsorption d’esp`eces surfaciques va entraˆıner le pi´egeage d’esp`eces au niveau de l’interface de collage. Les couches m´etalliques sont egalement encapsul´ees entre deux substrats dont les propri´et´ es thermo-m´ecaniques sont tres differentes.
Fabrication et caracterisation des structures d’etude
Le but de ce chapitre est l’´etude de la configuration initiale du collage direct m´etal-m´etal `a l’atmosph`ere ambiante. Puisque les propri´et´es d’oxydation et de contamination des m´etaux sont diff´erentes, diff´erents couches m´etalliques ont ´et´e coll´ees et caract´eris´ees utilisant un protocole original adapt´e des techniques classiques de mesure de la tenue m´ecanique des assemblages.
Realisation des empilements
Tous les substrats utilis´es dans ce chapitre sont des substrats de Si orient´es selon le plan (100), de 200 mm de diam`etre et faiblement dop´es p. Ces substrats ont ´et´e nettoy´es selon la ´equence bienconnue de l’industrie de la micro´electronique dite RCA cleaning en termes anglophones [26]. A l’issue de ce traitement, les surfaces de Si pr´esentent un oxyde fin surfacique dit « chimique » de 0,8 nm d’´epaisseur environ [27]. Les substrats sont ensuite introduits dans un bˆati de pulv´erisation PVD. Toutes les structures ´etudi´ees dans ce chapitre sont des tri-couches compos´es de 5 nm de Ti, de 10 nm du m´etal d’int´erˆet et de la couche ´eventuelle d’oxyde m´etallique. Cette derni`ere peut-ˆetre obtenue par voie native, humide ou d´epos´ee. Les surfaces ne sont pas expos´ees `a l’air ambiant entre les dif ´erentes ´etapes de d´epˆot et sont transf´er´ees directement d’une chambre `a l’autre sous vide secondaire. La couche de Ti est utilis´ee comme couche d’adh´erence `a la couche de m´etal sur l’oxyde natif de Si [28].
La table 2.1 montre les empilements et les param`etres utilis´es pour chacune des six structures r´ealis´ees dans ce chapitre. Les d´epˆots de Au, Cu, Pt et W ont ´et´e obtenus par pulv´erisation PVD d’une cible de m´etal pur `a l’aide un plasma d’Ar. La couche de WOx est obtenue par la technique de reactive-PVD par pulv´erisation d’une cible de W `a l’aide d’un plasma compos´e d’un m´elange d’Ar et de O 2 1 . Toutes les ´etapes de d´epˆot (sous-couche, m´etal et oxyde m´etallique) ont ´et´e ´ealis´ees `a RT afin d’´eviter tout ph´enom`ene d’interdiffusion dans le syst`eme [29]. Une variante supp ´ementaire a ´et´e r´ealis´ee pour la configuration mettant en jeu les couches de Cu avec une ´etape de nettoyage suppl´ementaire avant collage de type brossage (scrubber en termes anglophones). Ce nettoyage est utilis´e habituellement apr`es les ´etapes de polissage afin d’´eliminer les particules r´esiduelles d’abrasif et les r´esidus chimiques d’inhibiteurs de corrosion. A l’issue de ce traitement, les surfaces sontfortementhydrophiles et comportent une fine couche oxyd´ee de 0,2 nm d’´epaisseur environ.
Evaluation de la qualite des assemblages
Defectuosite des structures assemblees
La figure 2.6 montre les scans SAM apr`es la mise en contact des surfaces des structures consacees `a la m´ethode de mesure dynamique du travail d’adh´esion. La morphologie des d´efauts de collage observ´ee est classiquement attribu´ee `a la pr´esence de particules certainement d´epos´ees lors des ´etapes de manipulation des substrats avant collage [41]. La mesure du travail de separation etant realiee sur des poutres d´ecoup´ees dans les assemblages, une attention toute particuli`ere a ´et´e accord´ee au choix des echantillons en dehors de ces zones non coll´ees.
Mesure des propri´et´es d’adh´esion des diff´erentes couches m´etalliques
Les deux techniques d’´evaluation du travail d’adhesion ont ete mises en œuvre sur les structures 2-1 `a 2-6 (table 2.1 page 40) 3 . La table 2.3 pr´esente les vitesses de front de collage mesur´ees U , le travail d’adh´esion Γ a (vitesse) d´eduit de l’´equation 2.1, le travail d’adh´esion mesur´e par la technique d’arrˆet sur lame Γ a (lame) et le travail de s´eparation Γ c pour les diff´erentes configurations ´etudi´ees. Les incertitudes report´ees pour chacune de nos valeurs prennent en compte une erreur de 2 mm.s -1 dans l’´evaluation de la vitesse U et de 1 mm lors de la mesure des longueurs non-coll´ees ou d´ecoll´ees. Les valeurs publi´ees pour chacune de ces grandeurs dans le cadre du collage hydrophile Si-Si sont ´egalement pr´esen ´ees `a titre de comparaison [25, 36]. En accord avec cette r´ef´erence, nous pouvons noter que les valeursdes travaux d’adh´esion obtenus par les deux m´ethodes concordent pour les structures 2-1, 2-2, 2 5 et 2-6.
Mecanisme preetabli de renforcement a basse temperature
Comme nous l’avons d´evelopp´e dans le chapitre 1, diff´erents proc´ed´es de collage direct existent afin d’assembler des couches fines de Cu. Seules les approches `a faible rugosit´e permettant l’ad ´esion des surfaces `a RT vont ˆetre consid´er´ees dans ce chapitre. Afin d’assembler des couches de Cu´epaisses (d’´epaisseurs sup´erieures `a 50 nm) et de se placer dans des conditions proches des p ´eparations de surfaces effectu´ees dans le cadre des collages de surfaces hybrides Cu-SiO 2 [1, 2] et pr´ealablement ´etudi´ees au sein du laboratoire [3, 4], nous allons restreindre ici notre ´etude aux collages direct Cu-Cuactiv´es avant collage par une ´etape de CMP (partie 1.3.3).
Outre le fait que les ´etapes de CMP d´evelopp´ees au CEA-LETI permettent d’acc´eder `a des valeurs de rugosit´e compatibles avec l’adh´esion des surfaces `a temp´erature ambiante [5], elles permettent ´egalement de maˆıtriser des enl`evements de mati`ere pr´ecis (diminution uniforme de l’´epaisseur des couches de Cu). Le nettoyage de type brossage (scrubber en terme anglophone), classiquement mis en place pour retirer les particules r´esiduelles d’abrasif et les r´esidus chimiques d’inhibiteurs de corrosion, rend les surfaces de Cu hautement hydrophiles. Cette grandeur physique a notamment ´et´e app ´eci´ee par une mesure de l’angle de goutte `a l’eau < 3 qui reste stable pendant une vingtaine de minutes apr`es sortie du nettoyage et exposition `a l’atmosph`ere de la salle blanche [3].
D’apr`es diff´erentes ´etudes pr´eliminaires r´ealis´ees sur des structures Cu-Cu coll´ees, il est apparu que l’´energie de fracture Gcestim´ee par la technique DCB ´evoluait avec le temps de stockage en salle blanche
MECANISME PREETABLI DE RENFORCEMENT A BASSE TEMPERATURE
Diff´erentes caract´erisations ont permis de mettre en avant un m´ecanisme de renforcement par oxydation des couches de Cu pr´esentes de part et d’autre de l’interface de collage comblant ainsi les cavit´es laiss´ees entre les asp´erit´es des surfaces lors de la mise en contact des surfaces. La figure 3.1 illustre sch´ematiquement ce m´ecanisme `a l’´echelle de la rugosit´e des surfaces de Cu. La superposition des profils de densit´e ´electronique mesur´ee par r´eflectivit´e des rayons X (X Ray Reflectivity – XRR– en termes anglophones) [6] apr`es stockage des structures coll´ees `a RT pendant quelques heures et 15 jours montrent ce ph´enom`ene de remplissage avec une augmentation de la densit´e ´electronique au niveau de l’interface de collage jusqu’`a une valeur finale proche du Cu 2 O sur une ´epaisseur d’environ 4 nm (figure 3.2(a)). La pr´esence de cette couche d’oxyde cristalline de 4 nm d’´epaisseur a pu ˆetre observ´ee sur le clich´e MET pr´esent´e en figure 3.2(b) avec une ´ epaisseur moyenne en tr`es bon accordavec la caract´erisation par rayons X
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Table des matières
1 Contexte et pre-requis de l’etude
1.1 De l’approche planaire `a la 3D
1.1.1 Limitations et solution d’integration
1.1.2 Autres domaines applicatifs concernes
1.2 Du metal massif `a la couche mince
1.2.1 Methodes d’elaboration
1.2.2 Proprietes particulieres des couches minces
1.3 De la brasure au collage moleculaire
1.3.1 Collage par diffusion
1.3.2 Utilisation de compos´es eutectiques
1.3.3 Collage direct de couches minces metalliques
1.4 Evaluation de la tenue mecanique
1.4.1 Fractographie et terminologie
1.4.2 Diff´erentes techniques de caract´erisation de la tenue mecanique
1.4.3 Precautions et interpretation des resultats
1.5 Positionnement de la these
Bibliographie
2 Configuration initiale `a temp´erature et atmosph`ere ambiante – Etude de l’adh´esion des couches minces m´etalliques
2.1 Etat de l’art de l’adhesion metal-metal
2.1.1 Motivations de l’etude
2.1.2 Techniques de mesures de l’adh´esion
2.2 Fabrication et caract´erisation des structures d’etude
2.2.1 Realisation des empilements
2.2.2 Proprietes surfaciques avant la mise en contact
2.2.3 Caracterisations du travail d’adhesion
2.3 Evaluation de la qualite des assemblages
2.3.1 Defectuosite des structures assemblees
2.3.2 Mesure des proprietes d’adh´esion des differentes couches metalliques
2.3.3 Adhesion et type de liaisons mis en jeu
2.4 Etude morphologique des couches collees a RT
2.5 Conclusion
Bibliographie
3 Fermeture de l’interface de collage par oxydation m´etallique – Application au collage Cu-Cu 61
3.1 M´ecanisme pr´e´etabli de renforcement `a basse temp´erature
3.2 Fabrication des empilements d’´etude
3.3 Contrˆole de la cin´etique de renforcement
3.3.1 Impact de l’atmosph`ere de collage
3.3.2 Impact de la physico-chimie de d´epˆot
3.3.3 Impact de la cristallinit´e des d´epˆots
3.3.4 Impact de la taille de grains
3.4 Mod´elisation du ph´enom`ene
3.4.1 Th´eorie cin´etique et loi d’Arrhenius
3.4.2 Application au ph´enom`ene de renforcement
3.4.3 Discussion sur la diffusion et l’oxydation
3.5 Conclusions
Bibliographie
4 Phenomenes diffusifs et evolutions morphologiques des couches minces metalliques collees
4.1 M´ecanismes pr´e´etablis d’´evolution microstructurale dans les couches fines metalliques collees
4.1.1 Cas des assemblages Cu-Cu avec activation CMP
4.1.2 Cas des assemblages Cu-Cu par thermo-compression
4.1.3 G´en´eralisation des m´ecanismes `a d’autres m´etaux
4.2 Fabrication des empilements d’´etude
4.2.1 Structures d´edi´ees `a l’´evolution de l’oxyde au niveau de l’interface de collage
4.2.2 Structures en configuration encapsul´ee avec interface de collage d´eport´ee
4.2.3 Structures d´edi´ees `a l’´etude de l’effet du chargement ext´erieur
4.2.4 Couches encapsul´ees en configuration de mono-substrat
4.2.5 Protocole de caract´erisation des ´evolutions morphologiques des couches
4.3 Gestion de l’oxyde m´etallique pi´eg´e
4.4 Contributions possibles aux ph´enom`enes de voiding
4.4.1 Les hypoth`eses de travail
4.4.2 Comportements des couches de Cu en environnement de collage
4.4.3 Effet d’un chargement m´ecanique exterieur
4.4.4 Influence du substrat sur le ph´enom`ene de voiding en environnement encapsule
4.5 Conclusions
Bibliographie
5 Mise au point d’un procédé de collage de couches metalliques refractaires – Cas du collage W-W 155
5.1 Synth`ese bibliographique relative aux couches minces de W
5.1.1 Int´erˆet du W dans les interconnexions ´electriques
5.1.2 Les diff´erentes approches de collage direct W-W
5.1.3 Contrˆole microstructural des couches minces de W
5.1.4 Une grande vari´et´e d’oxydes de tungst`ene
5.2 Fabrication des empilements d’´etude
5.2.1 Structures d´edi´ees `a la caract´erisation en surface libre
5.2.2 Structures d´edi´ees `a l’´etude du comportement en collage
5.2.3 Caract´erisation des structures
5.3 Scellement de l’interface de collage par changement de phase
5.3.1 Impact de la pression d’Ar sur la phase de W d´epos´ee
5.3.2 Comportement des diff´erentes phases de W en environnement de collage
5.4 Contrˆole de la stœchiom´etrie d’oxyde WO x surfacique
5.4.1 Impact du ratio des d´ebits de gaz incorpor´es dans le plasma de d´epˆot sur la phase de WO xdeposee
5.4.2 Comportement des diff´erentes phases de WO en environnement de collage
5.4.3 Proposition d’un m´ecanisme de scellement de l’interface de collage
5.4.4 Caract´erisation de la conduction verticale des empilements
5.5 Conclusions
Bibliographie
