Towards the industrial use of synchrotron x-ray nano-tomography for 3D integration failure analysis
Développement de la tomographie par rayons X en synchrotron pour l'industrie : application à l'analyse de défaillance en intégration 3D
Résumé
This PhD thesis aims at developing new characterization techniques for 3D integration in microelectronics. More specifically, the focus is set on recent ESRF (European Synchrotron Radiation Facility) beamlines, both for 3D imaging by tomography and for strain measurements by Bragg diffraction.3D integration aims at reducing the global microelectronics devices footprint and connections length, by stacking the dies on top of one another instead of setting them one to another. This new geometry however requires new connections, such as copper pillars (CuP) and copper pads, used in hybrid bonding. The monitoring of their fabrication process requires their imaging in three dimensions, and the measure of the strain inside them. Those measurements must be conducted on large areas (100 µm2), with high resolution (500 nm for strain and 100 nm for imaging). Moreover, given the industrial context of this study, the characterization methods must be as routine and automatic as possible.To answer those needs, several techniques have been developed in this work.Two 3D imaging techniques have been made compatible with the requirements of 3D integration characterization. A Slice and View procedure has been implemented inside a single beam PFIB, leading to large volumes 3D automated imaging. The tomography workflow accessible on the ID6A beamline of the ESRF has been adapted, in order to limit the human intervention and beam times. This leads to possible statistical measurements on this beamline.Strain measurements have been conducted on the ID01 beamline of the ESRF, on silicon and copper stacks meant for direct and hybrid bonding. They allowed for simultenous local strain measurements in two independent layers of silicon, and textit{in situ} measurements in copper.In this work, we show the possibilities of synchrotron based techniques (here, tomography and Bragg diffraction) for the chacracterization of 3D integration devices. We show that, provided some adjustments, these techniques can be used routinely for the microelectronics field.
Ce travail de thèse vise à développer de nouvelles techniques de caractérisation pour l'intégration 3D en micro-électronique. Plus précisément, ce travail porte sur l'imagerie 3D de tels objets et la mesure des contraintes par diffraction de Bragg, réalisées sur de récentes lignes de lumière de l'ESRF (European Synchrotron Radiation Facility).L'intégration 3D a pour but de répondre aux besoins de performances de la micro-électronique, en empilant les différents éléments constituant les puces au lieu de les placer les uns à côté des autres; ceci permet de limiter la place qu'ils occupent et la longueur des connections. Pour ce faire, de nouvelles connections entre puces ont du être développées, telles que les piliers de cuivre et les pads de cuivre, utilisés dans le cas du collage hybride. Afin de maîtriser leurs procédé de fabrication, il est important de pouvoir caractériser ces objets, à la fois par des moyens d'imagerie et de mesure de la déformation dans les puces. Ces mesures doivent permettre un large champ de vue (100 µm), ainsi qu'une haute résolution (50 nm). De plus, afin de satisfaire les besoins en temps de l'industrie micro-électronique, les techniques choisies doivent être aussi rapides et automatiques que possible.Pour satisfaire ces besoins, plusieurs techniques ont été étudiés durant ces travaux de thèse.Une technique d'imagerie 3D par Slice and View, inspirée de la technique classique du FIB/SEM et implémentée dans un PFIB (Plasma Focused Ion Beam), a été développée durant ces travaux de thèse. Elle permet aujourd'hui l'acquisition de larges volumes de manière automatique. De même, le procédé d'analyse des mesures de tomographies réalisées sur la ligne de lumière ID16A de l'ESRF a été adapté, afin de limiter au maximum l'intervention humain et le temps global d'analyse.Des mesures de déformations ont également été menées à l'ESRF, sur une ligne de nano-diffraction, ID01. Ces expériences ont été réalisées sur des empilements dédiés au collage, hybride ou direct. Il a été possible de mesurer en une seule expérience les déformations présentes dans deux couches de silicium, et de réaliser des mesures textit{in situ} dans le cuivre.Dans les travaux de thèse présentés ici, nous montrons les possibilités de techniques synchrotron (imagerie et mesure de déformations) pour la caractérisation d'objets issus de l'intégration 3D. Nous montrons que certaines adaptations des techniques existante peuvent permettre des analyses routinières à haute résolution pour le milieu de la micro-électronique.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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