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231 Pages·2015·17.56 MB·French

THÈSE
Pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ GRENOBLE ALPES
Spécialité : Matériaux, Mécanique, Génie Civil, Électrochimie
Arrêté ministériel : 7 août 2006
Présentée par
Paul GONDCHARTON
Thèse dirigée par Marc VERDIER et
codirigée par Bruno IMBERT
préparée au sein du CEA-LETI – Laboratoire Surfaces et
Interfaces SSURF
dans l'École Doctorale Ingénierie des Matériaux, Mécanique,
Énergétique, Environnement, Procédés et Production
Intégration du collage direct :
Couches minces métalliques et
évolutions morphologiques
Thèse soutenue publiquement le27 Octobre 2015,
devant le jury composé de :
Dr. Etienne BARTHEL
Directeur de Recherche au CNRS – ESPCI, Président et Rapporteur
Prof. Thomas PARDOEN
Professeur à l’Université catholique de Louvain, Rapporteur
Dr. Marc VERDIER
Directeur de Recherche au CNRS – SIMaP, Directeur de thèse
Dr. Bruno IMBERT
Ingénieur-Chercheur au CEA-LETI, Co-encadrant de thèse
Dr. Rose-Marie SAUVAGE
Responsable scientifique DGA, Invitée
Dr. Ionut RADU
Responsable R&D à SOITEC SA, Invité

Que chacun raisonne en son ˆame et
conscience, qu’il se fasse une id´ee fond´ee
sur ses propres lectures et non d’apr`es les
racontars des autres.
Albert Einstein

Remerciements
Et voil`a... Le point final vient d’ˆetre pos´e! Le moment tant attendu de la r´edaction des remer-
ciements va enfin pouvoir commencer! Ceci clˆoture trois ann´ees d’une exp´erience professionnelle et
humaine hors du commun...au cours de laquelle ´enorm´ement de personnes m’ont aid´e! Je souhaite
aujourd’hui sinc`erement les remercier.
Cette th`ese s’est d´eroul´ee au sein du CEA/DRT/LETI/DTSI/SSURF/LSJ. Derri`ere tous ces acro-
nymes, je souhaite remercier tout particuli`erement Chrystel Deguet, V´eronique Carron et Sylvain
Maˆıtrejean pour m’avoir accueilli au sein du laboratoire Jour du service des Surfaces et Interfaces au
sein du D´epartement des Technologies Silicium. Un grand merci ´egalement `a la Direction G´en´erale de
l’Armement (DGA) m’ayant professionellement financ´e durant ces trois ann´ees. Ces ´etudes n’auraient
jamais ´et´e possibles sans le soutien financier du projet CONNECT3D initi´e par la Direction G´en´erale
des Entreprises (DGE) du minist`ere de l’´economie et des finances et l’entreprise SOITECSA.
Je remercie Thomas Pardoen et E´tienne Barthel pour avoir lu et ´etudi´e avec attention mes
travaux en qualit´e de rapporteurs. Un grand merci ´egalement `a Rose-Marie Sauvage et Ionut Radu
d’avoir accepter de participer `a mon jury de th`ese.
Ces travaux de th`ese ont ´et´e dirig´es par Marc Verdier qui a toujours su me pousser plus loin
dans mes ´etudes. Son regard critique sur les r´esultats, ses conseils de lecture et sa super p´edagogie a`
m’expliquer les ph´enom`enes microstructuraux m’ont ´enorm´ement appris au cours de ces ann´ees.
Toute ma gratitude va naturellement `a mon encadrant Bruno Imbert. Je serais bien tent´e de dire
qu’il m’a aid´e et encadr´e au quotidien mais ce ne serait pas rendre compte de son r´eel rˆole dans cette
aventure. Au del`a de toutes les connaissances scientifiques et techniques qu’il m’a transmis, il m’a fait
confiance et toujours soutenu dans les diff´erentes ´epreuves. L`a ou` je voyais des obstacles, il voyait des
challengesetatoujourssumemotiverafindelesrelever!Merci´egalementpourtoutlerestecomprenant
(dans le d´esordre) : les s´eances de courses `a pied, les petits afterworks, la fondation de la H1 team,
TM
l’installation de Skype entreprise sur mon poste, les conseils en mati`ere de mat´eriel informatique,
moninitiationtardiveaux«graines»demilieudematin´ee,...etlalisteestbienloind’ˆetreexhaustive,!
J’en profite ´egalement pour remercier Lamine Benaissa en qualit´e d’encadrant de l’« ombre ».
Merci infiniment d’avoir transform´e ma fa¸con de travailler et de m’avoir appris `a sortir des «sentiers
balis´es» du d´eveloppement technologique. Accessoirement, je le remercie de m’avoir inculqu´e milles et
une fa¸con de pr´esenter les r´esultats en partant de la formulation (´ecrite ou orale, en fran¸cais ou en
TM
anglais) jusqu’`a l’alignement des cadres sur Powerpoint ...Mˆeme lorsque je serais parti, il restera
tr`es longtemps un mentor et un exemple dans de nombreux domaines.
Le travail en salle blanche est la cl´e de toute ´etude sur le collage! Je tiens donc `a remercier
i
ii
l’ensemble des´equipes de la plateforme silicium du CEA-LETI pour leur aide dans la r´ealisation de mes
´echantillons. Plus particuli`erement du cˆot´e SSURF, un grand merci `a Floche, Momo, Brigitte, Laurent,
J´ej´e, Clauclau, C´edric, J´ejette, Greg, Vincent, Lo¨ıc, Thierry, Daniel, Seb, Anne-Lise et Papayou.
Beaucoup de surnoms...mais je suis certain qu’ils se reconnaˆıtront! Merci pour tous les coups de
main en salle blanche, les formations, les astuces et la bonne humeur contagieuse! Merci ´egalement
«hors-salle» `a V´eronique Bourdon, notre super secr´etaire, pour son aide pr´ecieuse. Du cˆot´e SDEP, je
tiens `a remercier tout particuli`erement Magali Tessaire, Chiara Sabbione, Le¨ıla Fellouh et Ewen
Henaff pour leur aide sur les d´eveloppements de proc´ed´es de pulv´erisation ainsi que Sylvie Favier
pour son aide sur les ´equipements de DRX et XRR.
Comme vous allez le constater `a la lecture de ce manuscrit, de nombreux moyens de caract´erisation
ont´et´emisenœuvre.Cecia´et´epossiblegrˆaceauniveaud’excellencedesexpertsdelacaract´erisationde
la plateforme PFNC. Je souhaite remercier tout particuli`erement la fabuleuse´equipe MET compos´ee de
Vincent Delaye, Dominique Lafond, Anne-Marie Papon et Cyril Guedj. Un grand merci ´egalement
`a Patrice Gergaud pour ses ´etudes de DRX in-situ sur les oxydes de tungst`ene. Merci ´egalement a`
N´evine Rochat, Christophe Licitra et Jean-Paul Barnes pour leur super travail respectivement
en spectroscopie IR, ellipsom´etrie et SIMS. En mati`ere d’usinage FIB et observation SEM, je tiens a`
souligner les r´ealisations exceptionnelles de Guillaume Audoit, Jean-Marc Fabbri et Hugo Dansas.
Merci `a Fabienne Allain et Jacques Cluzel pour leur conseils en mati`ere de caract´erisation´electrique.
L’expertise de Denis Mariolle et Nicolas Chevalier a permis la mise en place de caract´erisations
AFM pouss´ees. Enfin, je tiens `a remercier tout particuli`erement la «maman» du laboratoire, Anne-
Marie Charvet, notre experte caract´erisation qui est partie `a la retraite `a mi-parcours de mon travail
de th`ese. Merci pour la super formation Sonoscan, les pr´eparations d’´echantillon de l’extrˆeme, les apr`es-
midiMEBetAFM,etpourtouteslessuperbesfiguresquevousretrouvereztoutaulongdecespages...
Les experts et pilotes engineering ont ´egalement toujours ´et´e pr´esents pour me conseiller de la
conception des manips jusqu’`a l’exploitation des r´esultats. Je souhaite tout particuli`erement remercier
pour le cˆot´e collage, Hubert Moriceau et Frank Fournel; pour le cˆot´e d´epˆot Anne Roule et
Guillaume Rodriguez et pour le cˆot´e propri´et´e intellectuelle Corinne Vedel. Ils m’ont tous ´enor-
m´ement appris dans leur domaine respectif avec toujours beaucoup de patience et d’int´erˆet pour mes
travaux! Merci `a tous!
Le laboratoire SSURF c’est ´egalement une ´equipe fabuleuse de th´esards, post-docs et stagiaires que
j’ai´et´e amen´e `a croiser et connaˆıtre durant ces trois ann´ees. Je voudrais tous les remercier pour tous ces
moments partag´es autour d’un caf´e, d’un tableau blanc, d’une vid´eo youtube de chaton/racoon ou d’une
bi`ere. Je vais tenter de les citer sans oublier personne : Rapha¨el, Xavier, Marwan, Ga¨etan (corsica),
Aur´elien, Joris, Micka¨el, Marie, Claire F., Pablo, Toshi, Rafa¨el, Fernando et Victor. Certains sont partis
du labo avant moi et sont des amis g´eniaux : Floriane (ma «maman» du collage), Caroline R., Emilie,
Ang´elique, Axel (compagnon d’Ard´echoise et mentor LATEX), Caroline V., Michel, Ben, Chlo´e et Del.
Je souligne ´egalement la bonne humeur, la bonne descente, le super garde-manger et la surmotivation
du club des «clinques» ...Marianne et Flavia chaperonn´ees par Floche! Le laboratoire LSA n’est pas
en reste! Merci `a Julie, Lyvia, Sebou G., Seb M., Judou (ma denr´ee), Yannou (chˆatelain) et Jissou
(ex-coach et enfin diamant du LSA!). Merci ´egalement `a Sara, super stagiaire, pour les cinq mois
pendant lesquels j’ai eu la chance de l’encadrer cette derni`ere ann´ee.
Il me reste encore quelques personnes `a remercier... Deux autres membres honoraires de la H1 team :
ClaireA.etYann«Bogu»!Merci`atouslesdeuxpourlessupersdiscussionsetmomentspartag´es`amidi
iii
malgr´e la distance immense s´eparant le labo de H1! Merci Claire pour les gaˆteaux basques (¸ca fait un
petit moment d’ailleurs...), la technique de la pi´ecette (patented), les histoires de ton chat et l’immense
vari´et´e de tes manteaux ,. Yann merci pour avoir su garder ma roue dans le trip Grenoble-Berne!
TM
Mercipourtouteslesautressortiesdev´elo,ski,tapassionpourApple etbientˆotlemarathondeLyon.
Il reste un dernier membre de la H1 team dont je n’ai pas encore parl´e. Une personne qui a sans nul
douteleplusgrandm´eritedanscettelongueaventuredetroisans:MlleE´lodieBeche.Elleestparvenue
`a me supporter durant ces longues heures pass´ees `a travailler face `a face dans le bureau 423. Blague `a
part, un immense merci pour TOUT! Tu es et resteras My Best Co-Bureau Forever and Ever en termes
anglophones ,. Je vais tenter de lister deux ou trois points sur lequel je voudrais tout particuli`erement
te remercier : tes cheveux «bizarres», tes sachets de th´e `a la poire qui parfument le bureau, ton bureau
en fouillis avec ton tas de publis informes, ta cr`eme pour les mains, tes sautes d’humeur sur Eyelit, ton
expression quand je te raconte n’importe quoi, tes longs appels au 111 ...(Oups ¸ca fait un peu plus
quetroispoints)Merci´egalementpourlessupervacancespost-conf´erencepass´eesauMexiqueetauxUS!
Autre compagnon de ces trips internationaux, je souhaite remercier Damien Massy dit guide Massy.
Je t’ai rencontr´e en d´ebut de th`ese alors que je commen¸cais tout juste l’endurance et tu m’as pouss´e
toujours plus loin dans ces sports merveilleux de montagne! Je citerai la course `a pied, le trail, le
cyclisme, le VTT, la natation, le ski de fond, ...et le triathlon. La Garmin a de meilleurs souvenirs
que moi ,! Merci pour les lectures du Routard `a Uxmal, l’attente interminable en plein soleil pendant
le choix de ta bouteille de tequila, le montage du camp dans les auberges de jeunesse, la s´eance de
shopping sur la 5th avenue,...
Je souhaite ´egalement remercier mes coll`egues de promo, «les vieux gars», pour tous ces moments
g´eniaux pass´es ensemble. Je citerai naturellement Charl`ene Romain «Bouv-Iron» mon ancien coloc et
guitariste, J´erˆome «Grosombe» fid`ele gibbon qui a toujours su ˆetre l`a, Renaud l’analyste Minos fris´e,
Logi mon coloc actuel, Franc¸ois aujourd’hui au pays de la poutine et Aur´elius maˆıtre de la Touraine!
Pour tous ceux encore actuellement au labo, bon courage pour la fin de th`ese! Je crois en vous... Le
moteur-roue est en vous! J’en profite ´egalement pour remercier les anciens membres de mes groupes
musicaux clermontois qui m’ont soutenu durant mon exp´erience grenobloise : Rhum, Mel et Cl´eo. Je
souhaite´egalement remercier C´eline, ancienne coll`egue de promo et coloc, pour son soutien exceptionnel
ces derniers mois durant ma r´edaction.
Merci`a ma famillepourleur´ecoute. Toutparticuli`erement merci `amasœurLuciepourlacorrection
des fautes d’orthographes tout au long des pages de ce long manuscrit.

Table des mati`eres
1 Contexte et pr´e-requis de l’´etude 3
1.1 De l’approche planaire `a la 3D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.1.1 Limitations et solution d’int´egration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.1.2 Autres domaines applicatifs concern´es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2 Du m´etal massif `a la couche mince . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2.1 M´ethodes d’´elaboration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2.2 Propri´et´es particuli`eres des couches minces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3 De la brasure au collage mol´eculaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.3.1 Collage par diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.3.2 Utilisation de compos´es eutectiques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.3.3 Collage direct de couches minces m´etalliques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.4 E´valuation de la tenue m´ecanique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.4.1 Fractographie et terminologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.4.2 Diff´erentes techniques de caract´erisation de la tenue m´ecanique . . . . . . . . . 21
1.4.3 Pr´ecautions et interpr´etation des r´esultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.5 Positionnement de la th`ese. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
Bibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2 Configuration initiale `a temp´erature et atmosph`ere ambiante – E´tude de l’adh´esion
des couches minces m´etalliques 35
2.1 E´tat de l’art de l’adh´esion m´etal-m´etal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.1.1 Motivations de l’´etude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.1.2 Techniques de mesures de l’adh´esion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.2 Fabrication et caract´erisation des structures d’´etude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.2.1 R´ealisation des empilements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.2.2 Propri´et´es surfaciques avant la mise en contact . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.2.3 Caract´erisations du travail d’adh´esion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.3 E´valuation de la qualit´e des assemblages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.3.1 D´efectuosit´e des structures assembl´ees . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.3.2 Mesure des propri´et´es d’adh´esion des diff´erentes couches m´etalliques . . . . . . 44
2.3.3 Adh´esion et type de liaisons mis en jeu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.4 E´tude morphologique des couches coll´ees `a RT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
Bibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
v
vi TABLE DES MATIE`RES
3 Fermeture de l’interface de collage par oxydation m´etallique – Application au col-
lage Cu-Cu 61
3.1 M´ecanisme pr´e´etabli de renforcement `a basse temp´erature . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.2 Fabrication des empilements d’´etude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.3 Contrˆole de la cin´etique de renforcement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.3.1 Impact de l’atmosph`ere de collage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.3.2 Impact de la physico-chimie de d´epˆot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.3.3 Impact de la cristallinit´e des d´epˆots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.3.4 Impact de la taille de grains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.4 Mod´elisation du ph´enom`ene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.4.1 Th´eorie cin´etique et loi d’Arrhenius . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
3.4.2 Application au ph´enom`ene de renforcement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
3.4.3 Discussion sur la diffusion et l’oxydation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
3.5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
Bibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4 Ph´enom`enes diffusifs et ´evolutions morphologiques des couches minces m´etalliques
coll´ees 99
4.1 M´ecanismes pr´e´etablis d’´evolution microstructurale dans les couches fines m´etalliques
coll´ees . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
4.1.1 Cas des assemblages Cu-Cu avec activation CMP . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
4.1.2 Cas des assemblages Cu-Cu par thermo-compression . . . . . . . . . . . . . . . 106
4.1.3 G´en´eralisation des m´ecanismes `a d’autres m´etaux . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
4.2 Fabrication des empilements d’´etude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
4.2.1 Structures d´edi´ees `a l’´evolution de l’oxyde au niveau de l’interface de collage . 110
4.2.2 Structures en configuration encapsul´ee avec interface de collage d´eport´ee . . . . 111
4.2.3 Structures d´edi´ees `a l’´etude de l’effet du chargement ext´erieur . . . . . . . . . . 113
4.2.4 Couches encapsul´ees en configuration de mono-substrat . . . . . . . . . . . . . 115
4.2.5 Protocole de caract´erisation des ´evolutions morphologiques des couches . . . . 115
4.3 Gestion de l’oxyde m´etallique pi´eg´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
4.4 Contributions possibles aux ph´enom`enes de voiding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
4.4.1 Les hypoth`eses de travail . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
4.4.2 Comportements des couches de Cu en environnement de collage. . . . . . . . . 124
4.4.3 Effet d’un chargement m´ecanique ext´erieur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
4.4.4 Influence du substrat sur le ph´enom`ene de voiding en environnement encapsul´e 142
4.5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
Bibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
5 Mise au point d’un proc´ed´e de collage de couches m´etalliques r´efractaires – Cas
du collage W-W 155
5.1 Synth`ese bibliographique relative aux couches minces de W . . . . . . . . . . . . . . . 156
5.1.1 Int´erˆet du W dans les interconnexions ´electriques . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
5.1.2 Les diff´erentes approches de collage direct W-W . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
5.1.3 Contrˆole microstructural des couches minces de W . . . . . . . . . . . . . . . . 161
5.1.4 Une grande vari´et´e d’oxydes de tungst`ene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
5.2 Fabrication des empilements d’´etude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
5.2.1 Structures d´edi´ees `a la caract´erisation en surface libre . . . . . . . . . . . . . . 166