Cas des assemblages Cu-Cu par thermo-compression

Le collage des surfaces de Cu apr`es une ´etape d’activation CMP, d´evelopp´e depuis 2007 au labora- toire, repose sur une maˆıtrise des rugosit´es des surfaces de Cu permettant leur adh´esion `a RT sous atmosph`ere ambiante [4, 35]. Cependant, les proc´ed´es de CMP mis en œuvre dans cette approche sont coˆuteux et sensibles au mat´eriau `a polir ainsi qu’`a la topologie des motifs pr´esents en surface des substrats. C’est pourquoi, le proc´ed´e de collage assist´e par TC est toujours utilis´e en industrie afin de permettre l’assemblage de surfaces plus rugueuses.

Ce proc´ed´e consiste en l’apport d’´energie m´ecanique et thermique lors de la mise en contact des surfaces respectivement par un appui uniaxial de part et d’autre de l’assemblage et le chauffage de l’ensemble. L’assemblage est classiquement r´ealis´e sous atmosph`ere inerte ou vide secondaire. Mise en œuvre sur des couches minces de Cu pour la premi`ere fois en 1998 [36], de nombreux auteurs ont ´etudi´e l’impact des diff´erents param`etres du proc´ed´e sur la qualit´e des assemblages. Les influences de la temp´erature, la dur´ee, l’atmosph`ere de collage et la pression uniaxiale ont ainsi ´et´e rapport´ees [37–40]. Certains param`etres morphologiques des couches de Cu ont ´egalement ´et´e examin´es tels que la rugosit´e des surfaces, la pr´esence d’un oxyde surfacique, la taille de grains et l’orientation cristallographique [20, 38, 40–42].

Nous pouvons distinguer deux types de proc´ed´es de TC rapport´es dans l’´etat de l’art qui diff`erent par la pr´esence ou l’absence de traitements de surfaces avant collage dans le but de d´esoxyder les surfaces et d’abaisser la temp´erature de scellement en dessous de 250˚C. Diff´erentes techniques telles que l’utilisation de Self-Assembled Monolayers, de nettoyages chimiques en solution acide, de recuits in-situ sous atmosph`eres r´eductrices et de bombardements physiques par plasma Ar ont ainsi ´et´e ´etudi´es [39, 43–48]. Nous ne d´evelopperons pas ici l’effet de ces diff´erents proc´ed´es sur la qualit´e des assemblages puisque nous nous sommes plac´es dans une configuration sans pr´eparation de surface apr`es d´epˆot pour l’ensemble des collages assist´es par TC r´ealis´es au cours de notre ´etude.

Nous allons maintenant examiner les diff´erents m´ecanismes propos´es par la litt´erature associ´ee au scellement des surfaces de Cu par le proc´ed´e de collage assist´e par TC. Nous verrons en particulier en quoi ils diff`erent de ceux propos´es dans le cas de collage Cu-Cu r´ealis´es apr`es activation CMP. 4.1.2.1 Rˆole de la d´eformation plastique dans le scellement

Si nous nous r´ef´erons `a la litt´erature relative `a l’adh´esion des surfaces de Si ou SiO₂ dans le proc´ed´e de collage direct, deux types de forces s’opposent jusqu’`a l’obtention d’un point d’´equilibre [49, 50]. Dans le cas de collages hydrophiles, les forces attractives sont associ´ees aux forces de Van der Waals et aux liaisons hydrog`enes existantes respectivement entre les nuages ´electroniques des deux surfaces et les mol´ecules d’H₂O adsorb´ees. Les forces r´epulsives sont li´ees `a la d´eformation ´elastique des asp´erit´es composant la rugosit´e des surfaces mise en contact. Puisque les forces attractives sont de courte port´ee, nous comprenons que pour obtenir l’adh´esion des surfaces leur rugosit´e doit ˆetre faible. Il a ainsi ´et´e montr´e que la limite de rugosit´e pour laquelle deux surfaces hydrophiles de SiO<sub>2</sub> pou- vaient adh´erer ´etait de 0,65 nm RMS (´evalu´ee par AFM sur des scans de quelques microm`etres carr´es) [4]. Contrairement `a l’approche adopt´ee dans le chapitre 2, les couches de Cu utilis´ees dans ce chapitre ont une ´epaisseur strictement sup´erieure `a 100 nm et poss`edent apr`es d´epˆot des valeurs de rugosit´e non compatibles avec leur adh´esion spontan´ee `a RT : aucune onde de collage ne se propage lors d’une initiation au stylet. Pour assembler ce type de surfaces, nous allons utiliser le proc´ed´e de TC et ainsi

apporter de l’´energie suppl´ementaire au syst`eme lors de la mise en contact des plaques. Des ´etudes ant´erieures r´ealis´ees au laboratoire ont montr´e l’assemblage de surfaces de Cu par collage assist´e par TC jusqu’`a des valeurs de rugosit´e de 33 nm RMS [51].

La combinaison de l’appui uniaxial et de l’apport du budget thermique va conduire `a la d´eformation plastique des asp´erit´es de surfaces des couches de Cu [20, 40]. Il est connu que les propri´et´es de d´eformation m´ecanique du Cu sont modifi´ees par la temp´erature, abaissant notamment sa limite ´elastique [52]. Le scellement va donc ˆetre possible localement par la cr´eation de ”ponts” de mati`ere Cu-Cu d`es les temp´eratures de 250˚C [51]. La figure 4.6(a) montre la section MEB des couches de Cu assembl´ees sous une pression nominale de 1,43 MPa `a 300˚C pendant 1 h. Des vides sont encore visibles au niveau de l’interface de collage montrant que la d´eformation plastique est insuffisante dans ce cas pour obtenir la fermeture compl`ete. La morphologie de ces d´efauts peut ˆetre qualifi´ee de ”r´esidus de rugosit´e”.

(a) (b)

Fig. 4.6 – Section MEB de d´efauts dans les couches de Cu coll´ees par TC (a) sous une pression uniaxiale de 1,43 MPa `a 300˚C pendant 1 h insert : Vue `a plus fort grossissement d’un ”pont” de mati`ere Cu-Cu avec des r´esidus d’oxyde de Cu (b) sous une pression uniaxiale de 1,59 MPa `a 250˚C pendant 10 h [51]

Dans les zones de contact Cu-Cu montr´ees sur l’insert de la figure 4.6(a), on observe des pr´ecipit´es de contraste plus sombres correspondant `a des r´esidus d’oxyde de cuivre identifi´es par analyse dispersive en ´energie EDX. Toutes les hypoth`eses formul´ees dans le cadre de couches de Cu coll´ees apr`es activa- tion CMP restent valables pour expliquer la perte de continuit´e de la couche d’oxyde de Cu initiale (hypoth`eses d´evelopp´ees en page 101). Cependant, la quatri`eme hypoth`ese m´ecanique est `a consid´erer tout particuli`erement dans la configuration de TC. En effet, par l’ajout de la pression uniaxiale, la couche d’oxyde de Cu subit de plus fortes contraintes pouvant faciliter sa fracture. Ce ph´enom`ene tirant avantage de la diff´erence de propri´et´es m´ecaniques de l’oxyde vis-`a-vis du m´etal a abondamment ´et´e ´etudi´e dans les ´etudes de diffusion bonding et cold welding de pi`eces de Cu (voir partie 1.3.3) [15, 53]. Les param`etres de TC appliqu´es lors de ce premier r´egime de scellement sont donc essentiels afin d’obtenir un maximum de surface de Cu en contact. Les propri´et´es du mat´eriau modifi´ees par la temp´erature associ´ees `a des pressions et dur´ees de proc´ed´e adapt´ees conduisent `a l’´elargissement des points de contact Cu-Cu jusqu’au scellement complet de l’interface (figure 4.6(b)) [51]. La fermeture de l’interface de collage est accompagn´ee d’une d´eformation plastique des asp´erit´es de surfaces pouvant impacter la totalit´e du volume de la couche mince assembl´ee [54]. Nous allons maintenant d´etailler les ph´enom`enes se d´eroulant dans les couches `a partir de l’instant o`u leur surface sont en contact.

4.1.2.2 D´efauts et param`etres appliqu´es

Des ph´enom`enes de croissance de grains verticale et de voiding pour des temp´eratures sup´erieures `

a 300˚C tr`es similaires `a ceux observ´es dans les assemblages r´ealis´es apr`es activation CMP ont ´et´e observ´es pour des couches de Cu apr`es le proc´ed´e de TC. Cependant, les voids observ´es dans cette configuration ont des morphologies et des tailles diff´erentes. Ainsi, le diam`etre maximal de certains d´efauts est ´equivalent `a l’´epaisseur totale des couches coll´ees [51, 55]. La figure 4.7 montre une coupe MEB de couches de Cu assembl´ees par TC sous 0,50 MPa `a 400˚C pendant 30 min. La morphologie des voids observ´es, que l’on peut qualifier de facett´ee, est tr`es diff´erente de celles d´ej`a vues dans les parties pr´ec´edentes relatives au collage activ´e par CMP (figures 4.5(a), 4.5(b) et 4.6(a)).

Fig. 4.7 – Coupe MEB de couches de Cu assembl´ees par un proc´ed´e de TC sous une pression uniaxiale de 0,5 MPa `a 400˚C pendant 30 min montrant des voids de morphologie facett´ee [55] Tan et al. retiennent une hypoth`ese m´ecanique afin d’expliquer la pr´esence de ces d´efauts. Le collage assist´e par TC ´etant r´ealis´e en temp´erature, ils consid`erent que les mat´eriaux constituants l’empilement ont des propri´et´es thermom´ecaniques diff´erentes notamment en terme de dilatation thermique [56, 57]. Le refroidissement de la structure induirait donc des contraintes m´ecaniques pouvant atteindre des valeurs de 1160 MPa pour un assemblage r´ealis´e `a 400˚C (calcul´ees par ´el´ements finis dans une hypoth`ese lin´eaire purement ´elastique) [55]. La limite ´elastique des couches minces de Cu de 1 µm d’´epaisseur ´etant d’environ 150 MPa [58], les auteurs proposent des m´ecanismes de d´eformation plastique des couches de collage et de cr´eation de voids permettant de relaxer une partie des contraintes subies par les couches sollicit´ees m´ecaniquement [55].

L’impact de ces voids sur la fiabilit´e d’interconnexions ´electriques verticales a ´egalement ´et´e ´etudi´e par des tests de EM r´ealis´es `a RT sous flux de courant de 3,75 MA.cm-2_{. Il a ainsi ´et´e montr´e que les}

d´efauts pr´esents dans les couches de collage pouvaient migrer sur de longues distances sous l’action du flux de courant pour s’accumuler dans les lignes d’interconnexions et ainsi consid´erablement r´eduire la dur´ee de vie des interconnexions (TTF pour Time To Failure en termes anglophones) [59]. Si l’on compare les r´esultats obtenus pour les deux m´ethodes d’assemblage Cu-Cu, les TTF des daisy-chains coll´ees apr`es une activation CMP sont plus longs (les tests ´etant r´ealis´es `a 375˚C) [34]. Ceci corrobore bien les observations morphologiques de voids de tailles diff´erentes constat´ees entre les deux techniques de collage.

Les m´ecanismes associ´es aux deux principales techniques de collage de couches minces de Cu ont ainsi ´et´e d´evelopp´es dans cette partie. Ces comportements vis-`a-vis des traitements thermiques pendant et apr`es l’assemblage des surfaces peuvent ˆetre g´en´eralis´es `a l’utilisation d’autres couches minces m´etalliques. Nous allons voir en quoi des m´etaux aux propri´et´es physico-chimiques diff´erentes peuvent affecter les m´ecanismes d’´evolution morphologique au sein des empilements.