Numerical and experimental investigations of self-heating phenomena in 3D Hybrid Bonding imaging technologies - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2019

Numerical and experimental investigations of self-heating phenomena in 3D Hybrid Bonding imaging technologies

Etudes numériques et expérimentales des phénomènes d'auto-échauffement dans les technologies d'imagerie 3D par collage hybride

Résumé

In this PhD thesis, self-heating phenomena are studied for guiding the design of next-generation 3D Integrated Circuits (ICs). By means of experimental and numerical investigations, associated heat dissipation in 3D Hybrid Bonding imagers is analyzed and the impact of the resulting temperature rise is evaluated. First, in order to develop accurate models, the thermal properties of materials used in ICs are to be determined. Different dielectric thin films involving oxides, nitrides, and low-k compounds are investigated. To do so, Scanning Thermal Microscopy (SThM) and the 3ω electrothermal method, sensitive to low and large effective thermal conductivity, are implemented. In a second step, finiteelement models of 3D ICs are developed. A numerical method involving homogenization and a multiscale approach is proposed to overcome the large aspect ratios inherent in microelectronics. The numerical procedure is validated by comparing calculations and experimental measurements performed with SThM, resistive thermometry and infrared microscopy on a simplified Hybrid Bonding test chip. It is shown that heat dissipation is mainly limited by the heat sink conductance and the losses through air. Finally, numerical and experimental studies are performed on fully-functional 3D Hybrid Bonding imagers. The temperature field is measured with SThM and compared with finite-element computations at the die surface. The numerical results show that the temperature of the pixel surface is equal to that of the imager Front-End-Of-Line. The influence of the temperature rise on the optical performance of the imager is deduced from the analysis. The study also allows assessing the various numerical and experimental methods for characterizing heat dissipation in microelectronics.
Dans cette thèse, les phénomènes d’auto-échauffement ont été étudié pour guider la conception de circuits intégrés 3D de nouvelle génération. Grâce à des études expérimentales et numériques, la dissipation thermique dans des imageurs 3D par collage hybride a été analysée et l’impact de l’augmentation de température résultante a été évalué. Premièrement, afin de développer des modèles précis, les propriétés thermiques des matériaux utilisés dans les circuits intégrés ont dû être déterminées. Différents films minces diélectriques impliquant des oxydes, des nitrures et des composés low-k ont été étudiés. Pour ce faire, la microscopie thermique à sonde locale (SThM) et la méthode électrothermique 3ω, sensibles à la conductivité thermique effective faible et élevée, ont été mises en œuvre. Dans un deuxième temps, des modèles éléments finis de circuits intégrés 3D ont été développés. Une méthode numérique nécessitant homogénéisations et approches multi-échelles a été proposée pour surmonter des grands rapports de forme inhérents à la microélectronique. La procédure numérique a été validée en comparant les calculs et les mesures expérimentales effectuées par SThM, la thermométrie résistive et la microscopie infrarouge sur une puce de test par collage hybride simplifiée. Il a été montré que la dissipation de chaleur est principalement limitée par la conductance du puit thermique ainsi que les pertes par l'air. Enfin, des études numériques et expérimentales ont été réalisées sur des imageurs 3D par collage hybride fonctionnels. Le champ de température a été mesuré par SThM et comparé aux calculs par éléments finis à la surface de la matrice. Les résultats numériques ont montré que la température de la surface des pixels est égale à celle du Front-End-Of-Line de l’imageur. L'influence de l'échauffement sur les performances optiques de l'imageur a été déduite de cette analyse. Cette étude a permis également d'évaluer les différentes méthodes numériques et expérimentales pour la caractérisation de la dissipation de chaleur en microélectronique.
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  • HAL Id : tel-02956242 , version 1

Citer

Axel Pic. Numerical and experimental investigations of self-heating phenomena in 3D Hybrid Bonding imaging technologies. Thermics [physics.class-ph]. Université de Lyon, 2019. English. ⟨NNT : 2019LYSEI054⟩. ⟨tel-02956242⟩
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