Brevet FR2980584A1 — publié le 20130329

B11-2601FR 1 Procédé d'estimation de la longueur de diffusion d'espèces métalliques au sein d'une structure intégrée tridimensionnelle, et structure intégrée tridimensionnelle correspondante L'invention concerne les structures intégrées tridimensionnelles et plus particulièrement l'estimation de la longueur de diffusion entre deux lignes métalliques enfouies au sein de telles structures. Afin de former une structure intégrée tridimensionnelle, on peut réaliser un premier circuit intégré comportant sur une face un matériau isolant, par exemple du dioxyde de silicium (SiO2), et sur cette même face des lignes métalliques, par exemple des lignes métalliques du plus haut niveau d'un réseau d'interconnexion (« BEOL : Back End Of Line » en langue anglaise). Un deuxième circuit intégré ayant une structure similaire peut être assemblé par collage direct, ou collage moléculaire, directement sur ladite face. Cet assemblage correspond à un assemblage de dioxyde de silicium contre du dioxyde de silicium, un assemblage de matériau conducteur (généralement du cuivre) contre du matériau conducteur (pour les lignes métalliques de deux circuits intégrés différent qui se chevauchent), et un assemblage de dioxyde de silicium contre du matériau conducteur (pour les lignes métalliques qui ne chevauchent pas d'autres lignes). Les lignes métalliques qui se chevauchent forment ainsi des liaisons électriques entre les deux circuits intégrés. Toutes les lignes disposées au voisinage de la face avant des circuits intégrés assemblés ne sont pas nécessairement en contact avec une ligne d'un autre circuit intégré. Il est notamment nécessaire d'espacer les lignes voisines appartenant à deux circuits intégrés distinct afin d'empêcher les contacts non-voulus entre deux de ces lignes. Ces contacts non-voulus sont obtenus en cas d'erreur d'alignement ou si les espèces métalliques d'au moins une des deux lignes diffusent vers l'autre ligne de manière à former un contact électrique. Cette diffusion d'atomes métallique peut apparaître après un recuit de la structure intégrée tridimensionnelle, ou lors d'une application d'une différence de potentiel électrique entre les deux lignes, par exemple lors du fonctionnement de la structure intégrée tridimensionnelle. De ce fait, il est nécessaire d'estimer la longueur de diffusion des espèces métalliques contenues dans les lignes métalliques disposées au voisinage de l'interface entre les circuits intégrés. Il a donc été proposé d'utiliser des techniques de microscopie électronique en transmission (« TEM : Transmission Electron Microscopy » en langue anglaise), de spectroscopie des pertes d'énergie (« EELS : Electron Energy Loss Spectroscopy » en langue anglaise), de spectroscopie de masse à ionisation secondaire (« SIMS : Secondary Ion Mass Spectrometry » en langue anglaise), de décomposition en phase liquide couplée à une spectroscopie d'absorption atomique (« LPDAAS : Liquid Phase Decomposition coupled to Atomic Absoption Spectroscopy » en langue anglaise). Ces techniques ont pour inconvénient d'être destructives. La structure intégrée tridimensionnelle dans laquelle ces techniques sont mise en oeuvre ne peut pas être complétée si la longueur de diffusion est suffisamment faible pour permettre un bon fonctionnement de la structure. Selon un mode de mise en oeuvre et de réalisation, il est proposé d'estimer la longueur de diffusion des espèces métalliques entre deux lignes métalliques enfouies au sein d'une structure intégrée tridimensionnelle, et ce sans rendre inutilisable cette structure. Selon un mode particulier de mise en oeuvre, il est proposé un procédé d'estimation de la longueur de diffusion d'espèces métalliques entre deux lignes métalliques enfouies au sein d'une structure intégrée tridimensionnelle comportant deux circuits intégrés assemblés, par exemple un assemblage de la face avant d'un circuit intégré contre la face avant d'un circuit intégré, contenant respectivement les deux lignes, ledit procédé comprenant : - une formation d'au moins deux cavités traversant l'un des circuits intégrés et débouchant sur deux endroits respectivement en contact électrique avec les deux lignes métalliques, - une diffusion des espèces métalliques comprises dans lesdites deux lignes métalliques, - un placement d'un appareil de mesure au fond des cavités en contact électrique avec les deux endroits, - une mesure de la résistance entre les deux endroits, la valeur de la résistance fournissant une estimation de la longueur de diffusion. Ainsi, on mesure directement au fond des cavités la résistance entre les deux endroits, c'est-à-dire directement entre les deux lignes si les deux endroits sont situés au sein des lignes ou entre deux endroits disposés sur d'autres lignes métalliques respectivement en contact électrique avec les deux lignes. Les deux lignes métalliques sont avantageusement disposées au voisinage de l'interface entre les deux circuits intégrés et sont par exemple disposées sur le plus haut niveau de métallisation de chaque circuit intégré. Ces deux lignes peuvent être destinées à être espacées, c'est-à-dire sans contact électrique. Les cavités formées sont avantageusement suffisamment larges et peu profondes pour pouvoir mettre en contact l'appareil de mesure. A cet effet, on peut former des cavités ayant une largeur supérieure à 80 micromètres et une hauteur de l'ordre de 15 micromètres (obtenue par un amincissement du circuit intégré dans lequel les cavités sont formées). Les liaisons traversantes électriquement conductrices, généralement désignées par l'acronyme anglo-saxon de « TSV : Through Silicon Via », ont généralement une largeur de l'ordre de 5 micromètres, pour une hauteur de 15 micromètres. L'utilisation de cavités est moins coûteuse et plus simple à mettre en oeuvre que la formation de liaisons de type « TSV » dédiés à cette estimation de longueur de diffusion. On notera qu'une résistance faible indique que la longueur de diffusion est au moins supérieure à la distance séparant les deux lignes métalliques. Ladite diffusion des espèces métalliques peut comprendre un recuit et/ou une application d'une différence de potentiel électrique entre les deux lignes. Avantageusement, le procédé peut comprendre en outre une mesure de la résistance entre les deux endroits préalablement à ladite diffusion des espèces métalliques. Ainsi, on peut détecter les erreurs d'alignement provoquant l'apparition de contacts entre deux lignes destinées à être séparées. Par ailleurs, une mesure préalable permet d'obtenir une référence à comparer à la mesure de résistance obtenue après la diffusion des espèces métalliques. Le procédé peut comprendre en outre une formation d'une couche conductrice au fond et sur les parois desdites cavités formant un contact électrique avec lesdites deux portions. Cette couche conductrice permet de protéger la ligne métallique. Les portions de ligne métallique comprennent généralement du cuivre, et la couche conductrice permet de passiver le cuivre ainsi que les parois des cavités. La pollution des équipements par le cuivre est ainsi limitée, et la corrosion du cuivre est limitée. Cette couche conductrice peut comprendre de l'aluminium. On peut placer l'appareil de mesure au moyen de deux pointes de sondes respectivement en contact direct ou indirect avec les deux endroits. Les pointes de sondes des appareils de caractérisation utilisés en microélectronique ont généralement des largeurs de l'ordre de 10 à 20 micromètres (largeur du contact entre la pointe et une surface). On peut ainsi effectuer la mesure en mettant en contact les pointes, puis en les retirant après la mesure pour effectuer une même mesure sur une autre structure intégrée. On peut placer l'appareil de mesure au moyen de deux fils soudés (« wire bonding » en langue anglaise) au fond des cavités de manière à être en contact direct ou indirect avec lesdites deux portions. Selon un autre aspect, il est proposé une structure intégrée tridimensionnelle comprenant deux lignes métalliques enfouies au sein de ladite structure, deux circuits intégrés assemblés contenant respectivement les deux lignes, au moins deux cavités traversant l'un des circuits intégrés et débouchant sur deux endroits respectivement en contact électrique avec les deux lignes métalliques, Les dimensions desdites cavités permettant le placement d'un appareil de mesure au fond desdites cavités en contact électrique avec les deux endroits. La largeur des cavités peut être supérieure à 80 micromètres. La structure intégrée peut comprendre une couche conductrice au fond et sur les parois desdites cavités formant un contact électrique avec lesdites deux portions. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'étude de la description détaillée de modes de mise en oeuvre et de réalisation, pris à titre d'exemples non limitatifs et illustrés par les dessins annexés sur lesquels : - les figures 1 à 8 illustrent différents modes de mise en oeuvre et de réalisation selon l'invention. Sur la figure 1, on a représenté un exemple de structure intégrée tridimensionnelle STR comprenant deux circuits intégrés CIl et Cl2. Les circuits intégrés CIl et Cl2 comprennent respectivement un substrat SUBI et SUB2, comportant par exemple du silicium. Les circuits intégrés CIl et Cl2 comprennent également respectivement des réseaux d'interconnexion ITX1 et ITX2 (BEOL). Les réseaux d'interconnexion ITX1 et ITX2 comportent une région isolante ISO1, IS02, par exemple du dioxyde de silicium et on a représenté au sein de chaque région isolante une ligne métallique LM1, LM2, par exemple en cuivre, et située sur le niveau de métallisation le plus haut de chaque circuit intégré CIl et Cl2. Les lignes métalliques LM1 et LM2 sont partiellement encapsulées par une couche barrière BAR1, par exemple une couche de nitrure de titane (TiN) ou un empilement de nitrure de tantale (TaN) et de tantale, et ne sont pas protégées sur la face supérieure de chaque circuit intégré CIl et Cl2. Les faces supérieures des circuits intégrés CIl et Cl2 ont été assemblées au niveau de l'interface IF. L'assemblage des circuits intégrés CIl et Cl2 peut être obtenu par un collage direct ou collage moléculaire, et correspond ici à un assemblage dans lequel les couches ISO1 et ISO 2 ont été mises en contact, et dans lequel les lignes métalliques LM1 et LM2 ont été mises en contact respectivement avec la couche isolante IS02 et avec la couche isolante ISO1. De ce fait, il existe un risque de diffusion des espèces métalliques des lignes LM1 et LM2 à travers l'interface IF. Les lignes métalliques LM1 et LM2 sont destinées à être séparées, avec un espacement noté ES. Le circuit intégré CIl, d'une épaisseur initiale de l'ordre de 700 micromètres, est aminci pour atteindre une épaisseur el de l'ordre de 15 micromètres. L'épaisseur e2 du circuit intégré Cl2 est de l'ordre de 700 micromètres. On a également formé une couche isolante IS03, par exemple en dioxyde de silicium (SiO2), sur la face arrière du circuit intégré CIl. La couche isolante IS03 permet de passiver la face arrière du circuit intégré CIl. Sur la figure, la référence F 1 désigne la face arrière du circuit intégré CIl après amincissement et formation de la couche isolante IS03. Deux cavités CV1 et CV2 sont formées de façon classique sur la face F1. La cavité CV1 traverse la couche isolante IS03, le substrat SUBI, la couche isolante ISO1 et débouche sur la ligne métallique LM1. La cavité CV2 est plus profonde et traverse totalement la couche ISO1 pour déboucher sur la ligne métallique LM2. Afin de passiver les parois des cavités, un dépôt conforme d'une couche isolante IS04, par exemple en dioxyde de silicium (SiO2) est mis en oeuvre sur la face Fl, sur les parois des cavités, et au fond des cavités, avant d'être gravé au fond des cavités CV1 et CV2. La couche IS04 passive notamment les parois des cavités CV1 et CV2. Une barrière BAR2, comportant par exemple un empilement de titane, de nitrure de titane, et de titane, est mis en oeuvre sur les parois des cavités CV1 et CV2 et partiellement sur la face Fl recouverte de la couche IS04 (une gravure au fond des cavités CV1 et CV2 peut être mise en oeuvre). La barrière BAR2 permet le dépôt d'une couche d'un matériau conducteur CC, par exemple de l'aluminium, au fond et sur les parois des cavités CV1 et CV2, et partiellement sur la face F1 recouverte de la couche isolante IS04 et de la barrière BAR2. Le cuivre des lignes métalliques LM1 et LM2 est ainsi protégé, ce qui empêche la corrosion du cuivre ou la pollution d'équipements. Les cavités CV1 et CV2 ont une largeur L supérieure à 80 micromètres. On peut ainsi raccorder un appareil de mesure directement au fond des cavités CV1 et CV2 pour mesurer la résistance entre les deux endroits correspondant ici au fond des cavités. Une mesure préalable de cette résistance donnera ici une valeur très forte. On obtient une structure intégrée tridimensionnelle, comprenant deux lignes métalliques LM1 et LM2 enfouies au sein de ladite structure STR, deux circuits intégrés Cil et Cl2 assemblés contenant respectivement les deux lignes, au moins deux cavités CV1 et CV2 traversant l'un des circuits intégrés et débouchant sur deux endroits respectivement en contact électrique avec les deux lignes métalliques LM1 et LM2. Les dimensions des cavités, c'est-à-dire la largeur L, permettent le raccordement d'un appareil de mesure au fond des cavités en contact électrique avec les deux endroits. On peut ensuite mettre en oeuvre une diffusion des espèces métalliques comprises dans les deux lignes métalliques. Ainsi, comme illustré sur la figure 2, l'application d'une différence de potentiel entre les deux lignes (appliquée à travers les cavités CV1 et CV2) et/ou un recuit peuvent permettre aux espèces métalliques des deux lignes LM1 et LM2 de diffuser à travers l'interface IF. On obtient ainsi un ensemble DIFF d'atomes métalliques diffusés entre les lignes LM1 et LM2 de part et d'autre de l'interface IF, et également à travers les barrières BAR1 et BAR2. L'ensemble DIFF correspond à une longueur de diffusion au moins supérieure à l'espacement ES séparant les deux lignes. Ainsi, une mesure de la résistance entre les deux points correspondant au fond de chaque cavité CV1 et CV2 donnera une valeur de résistance plus faible que celle obtenue lors d'une mesure préalable. La formation des cavités CV1 et CV2 est plus simple à mettre en oeuvre que la formation de liaisons traversantes de type « TSV » car elle ne nécessite notamment pas de combler ces cavités. Ainsi, on peut écarter préalablement à la réalisation des liaisons traversantes de type TSV, les structures tridimensionnelles dans lesquelles la longueur de diffusion est trop importante. Sur la figure 3, on a représenté une variante de l'invention dans laquelle les cavités débouchent sur deux endroits non situés sur les lignes métalliques disposées au voisinage de l'interface. La cavité CV1 débouche ici sur une ligne LM11, connectée par un via V1 à la ligne LM12 disposée au voisinage de l'interface IF. La cavité CV2 débouche sur une ligne LM21 connectée par un via V2 à une ligne LM22 disposée au voisinage de l'interface IF. C'est entre les deux lignes LM12 et LM22 que peut apparaitre une diffusion d'espèces métalliques. Sur la figure 4, on a représenté la structure STR en vue de dessus. Les deux cavités CV1 et CV2 ont été représentées recouvertes de la couche conductrice CC disposée au fond des cavités, sur les parois des cavités, et partiellement sur la face F1 recouverte par la couche isolante IS04. Les cavités CV1 et CV2 peuvent avoir une forme circulaire d'un diamètre L supérieur à 80 micromètres. Sur la figure 5, on a illustré une mise en contact d'un appareil de mesure avec une structure similaire à celle décrite sur les figures 1 et 2. On peut mettre en contact électrique un appareil de mesure avec la ligne métallique LM1 au moyen d'une pointe de sonde S. Les pointes de sonde, bien connues de l'homme du métier, forment un contact avec une surface de 20 micromètres de large. Elles sont par ailleurs suffisamment hautes pour atteindre le fond des cavités (d'une hauteur de l'ordre de 15 micromètres). A titre d'exemple, on pourra utiliser une pointe de sonde d'une hauteur de l'ordre de 100 à 200 micromètres. On pourra par exemple utiliser l'appareil de mesure « APM90 » de la société japonaise ACCRETECH. La pointe est en contact direct avec la couche conductrice CC, au fond des cavités, et éventuellement sur les parois des cavités si l'alignement de la sonde et de la cavité n'est pas parfait. Sur la figure 6, on a représenté une variante de l'invention dans laquelle on a soudé un fil FS au fond de la cavité CV1. On peut ainsi connecter électriquement un fil formant un contact direct ou indirect avec la ligne LM1, par exemple à travers la couche conductrice CC. Les structures présentées sur les figures 1 à 6 permettent de comparer la longueur de diffusion des espèces métalliques à l'espacement ES séparant les deux lignes LM1 et LM2. Il est également possible d'affiner cette estimation en procédant à plusieurs mesures au sein d'un même circuit intégré, comme illustré sur la figure 7. Sur cette figure, on a représenté en vue de dessus des lignes métalliques LM101, LM102, LM103, LM104, LM105 et LM106 appartenant à un même circuit intégré et des lignes métalliques LM201, LM202, LM203, LM204, LM205 et LM206 appartenant à un autre circuit intégré et destinées à être disposées respectivement en regard des lignes LM101, LM102, LM103, LM104, LM105 et LM106. Des cavités ont été formées sur une face d'un des circuits intégrés et débouchent sur les endroits Ell, E12, E13, E14, E15, E16, E21, E22, E23, E24, E25, E26 respectivement en contact électrique avec les lignes LM101 à LM106 et LM201 à LM206. L'espacement ES séparant les couples de lignes est ici modifié pour chaque couple de lignes. A titre d'exemple non limitatif, les lignes LM101 et LM201 sont espacées de 250 nanomètres, les lignes LM102 et LM202 sont espacées de 200 nanomètres, les lignes LM103 et LM203 sont espacées de 150 nanomètres, les lignes LM104 et LM204 sont espacées de 100 nanomètres, les lignes LM105 et LM205 sont espacées de 50 nanomètres et les lignes LM106 et LM206 sont en contact électrique. Après une étape de diffusion des espèces métalliques, et après une mesure de la résistance pour chaque couple de lignes, on peut obtenir une approximation de la longueur de diffusion des espèces métalliques à 50 nanomètres près. Par exemple, si les résistances mesurées entre les endroits El6 et E26, El5 et E25, El4 et E24 sont faibles, et si les résistances mesurées entre les endroits El3 et E23, El2 et E22, El l et E21 sont élevées, alors la longueur de diffusion des espèces métalliques est comprise entre 150 et 100 nanomètres, puisqu'un contact électrique n'a pas été formé par diffusion entre les lignes LM103 et LM203, espacées de 150 nanomètres. Sur la figure 8, on a représenté schématiquement un autre agencement dans lequel les lignes métalliques LM111-LM121 et LM211-LM221 forment des couples de lignes destinées à être séparées par un espacement allant par exemple de 500 nanomètres pour les lignes LM111 et LM211 à -500 nanomètres (c'est-à-dire un chevauchement d'au moins 500 nanomètres) pour les lignes LM121 et LM221. Ainsi, une mesure préalable de la résistance permettra de détecter une erreur d'alignement selon au moins une direction, et ce à 100 nanomètres près si l'espacement entre les lignes varie avec un pas de 100 nanomètres. On pourra ensuite mettre en oeuvre une diffusion des espèces métalliques des lignes et prendre en compte l'erreur d'alignement lors de l'estimation de la longueur de diffusion. On notera que les lignes métalliques décrites ci-avant peuvent être disposées au sein d'une structure de test partageant un même support semi-conducteur qu'une structure intégrée tridimensionnelle. L'invention ne se limite pas aux modes de mise en oeuvre et de réalisation décrits ci-dessus et en embrasse toutes les variantes. Ainsi, il est possible de s'affranchir de la réalisation des cavités et d'utiliser d'autres moyens de connexions permettant le placement d'un appareil de mesure en contact électrique avec les deux endroits. On pourra notamment utiliser des liaisons de type « TSV » qui permettront de relier électriquement un appareil de mesure à des lignes enfouies au sein d'une structure tridimensionnelles pour estimer la longueur de diffusion des espèces métalliques de ces lignes sans rendre inutilisable cette structure. En outre, il est également possible de n'utiliser qu'une cavité formée selon le procédé décrit ci-avant en combinaison avec une liaison de type « TSV » pour estimer ladite longueur de diffusion. REVENDICATIONS1. Procédé d'estimation de la longueur de diffusion d'espèces métalliques entre deux lignes métalliques enfouies au sein d'une structure intégrée tridimensionnelle (STR) comportant deux circuits intégrés assemblés (CIl, Cl2) contenant respectivement les deux lignes (LM1, LM2), ledit procédé comprenant : - une diffusion des espèces métalliques comprises dans lesdites deux lignes métalliques (LM1, LM2), - un placement d'un appareil de mesure en contact électrique avec deux endroits respectivement en contact électrique avec les deux lignes métalliques, par deux moyens de connexion, - une mesure de la résistance entre les deux endroits, la valeur de la résistance fournissant une estimation de la longueur de diffusion. 2. Procédé selon la revendication 1, comprenant en outre préalablement au placement de l'appareil de mesure, une formation d'au moins deux cavités (CV1, CV2) traversant l'un des circuits intégrés et débouchant sur les deux endroits respectivement en contact électrique avec les deux lignes métalliques, ledit placement d'un appareil de mesure comprenant un placement d'un appareil de mesure au fond des cavités. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel ladite diffusion des espèces métalliques comprend un recuit et/ou une application d'une différence de potentiel électrique entre les deux lignes (LM1, LM2). 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant en outre une mesure de la résistance entre les deux endroits préalablement à ladite diffusion des espèces métalliques. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, comprenant en outre une formation d'une couche conductrice (CC) au fond et sur les parois desdites cavités formant un contact électrique avec lesdites deux portions. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, dans on place l'appareil de mesure au moyen de deux pointes de sondes (S) respectivement en contact direct ou indirect avec les deux endroits. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, dans lequel on place l'appareil de mesure au moyen de deux fils soudés (FS) au fond des cavités de manière à être en contact direct ou indirect avec lesdites deux portions. 8. Structure intégrée tridimensionnelle comprenant deux lignes métalliques (LM1, LM2) enfouies au sein de ladite structure, deux circuits intégrés (CIl, Cl2) assemblés contenant respectivement les deux lignes, au moins deux cavités (CV1, CV2) traversant l'un des circuits intégrés et débouchant sur deux endroits respectivement en contact électrique avec les deux lignes métalliques, les dimensions desdites cavités (CV1, CV2) permettant le placement d'un appareil de mesure au fond desdites cavités en contact électrique avec les deux endroits. 9. Structure intégrée selon la revendication 8, dans laquelle la largeur des cavités (CV1, CV2) est supérieure à 80 micromètres. 10. Structure intégrée selon la revendication 8 ou 9, comprenant une couche conductrice (CC) au fond et sur les parois desdites cavités formant un contact électrique avec lesdites deux portions.25