Evaluation des performances isolantes de couches de SIOCH poreuses et de polymères destinés aux technologies d'intégration innovantes, Dielectric characterization of porous SiOCH and polymer films used in state-of-the-art integration technologies
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Thèse soutenue le 13 mai 2011: Grenoble
L'objectif de ce travail de thèse a été d'évaluer, à partir d'outils de caractérisation électrique (spectroscopie d'impédance basse fréquence et courants thermo-stimulés), l'impact des étapes de polissage mécanochimique (CMP) et de recuits thermiques sur les propriétés diélectriques de matériaux utilisés pour les dernières générations de circuits intégrés. Une première partie est focalisée sur le matériau SiOCH poreux déposé par voie chimique « en phase vapeur » assisté par plasma (PECVD) suivant une approche porogène (p=26%, d=2nm et er=2,5). Son intégration dans les technologies 45nm nécessite l'utilisation d'un procédé de ‘CMP directe' qui induit une dégradation des propriétés isolantes attribuée à l'adsorption de surfactants et de molécules d'eau. L'analyse diélectrique sur une large gamme de fréquence (10-1Hz- 105Hz) et de température (-120°C -200°C) a mis en évidence plusieurs mécanismes de relaxation diélectrique et de conduction liés à la présence de molécules nanoconfinées (eau et porogène) dans les pores du matériau. L'étude de ces mécanismes a permis d'illustrer le phénomène de reprise en eau du SiOCH poreux ainsi que d'évaluer la capacité de traitements thermiques à en restaurer les performances. Une seconde partie concerne l'étude d'une résine époxy chargée avec des nanoparticules de silice, utilisée en tant que ‘wafer level underfill' dans les technologies d'intégration 3D. Les analyses en spectroscopie d'impédance ont montré que l'ajout de nanoparticules de silice s'accompagne d'une élévation de la température de transition vitreuse et de la permittivité diélectrique, ainsi que d'une diminution de la conductivité basse fréquence. L'autre contribution majeure des mesures diélectriques a été de montrer qu'un refroidissement trop rapide de la résine à l'issue de la réticulation était responsable d'une contrainte interne qui pourra occasionner des problèmes de fiabilité pour l'application.
-SiOCH poreux
-Polissage mécano chimique (CMP)
-Traitement thermique
-Spectroscopie diélectrique
-Résine époxy
-Wafer level underfill
The aim of the thesis was to investigate, by electrical means (dielectric spectroscopy and thermally stimulated current), the impact of the chemical-mechanical polishing process and of thermal treatments on the dielectric properties of materials used in state-of-the-art Integrated Circuit (IC) technologies. A first part focuses on the nanoporous SiOCH (p=26%, e=2 nm and er=2,5) thin films deposited by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) using a porogen approach. After undergoing a process of direct CMP for its integration in the 45 nm node technology and beyond, those films experience a degradation of the insulating properties due to the adsorption of water and surfactants. A dielectric analysis performed on a wide range of frequency (10-1Hz - 105Hz) and temperature (-120°C - 200°C) exhibited many dielectric relaxation and conduction mechanisms due to molecules (water and porogen) nano-confined in pores. The phenomenon of water uptake of the porous SiOCH has been enlightened and the efficiency of thermal treatment to restore its performances has been evaluated through the study of these mechanisms. A second part deals with an epoxy resin filled with nano-particles of silica used as ‘wafer level underfill' for the 3D integration. Impedance spectroscopy showed that the addition of nano-particles induces an increase in the glass transition temperature and dielectric permittivity, as well as a decrease of the low frequencyconductivity. Furthermore, the dielectric measurements showed that a fast cool down of the resin after the cross-linking stage give rise to internal stresses which could potentially lead to reliability issues.
-Porous SIOCH
-Chemical mechanical polishing
-Thermal treatment
-Dielectric spectroscopy
-Epoxy resin
-Wafer level underfill
Source: http://www.theses.fr/2011GRENI022/document
THÈSE
Pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE GRENOBLE
Spécialité : 2MGE : Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie
Arrêté ministériel : 7 août 2006
Présentée par
Christelle DUBOIS
Thèse dirigée par Alain SYLVESTRE
préparée au sein du Laboratoire G2Elab
dans l'École Doctorale I-MEP2 : Ingénierie - Matériaux, Mécanique,
Environnement, Energétique, Procédés, Production
Evaluation des performances
isolantes de couches poreuses
de SiOCH et de polymères
destinés aux technologies
d'intégration innovantes
Thèse soutenue publiquement le 13 Mai 2011,
devant le jury composé de :
M. BRAVAIX Alain, Pr. ISEN (Lab. IM2NP),(Examinateur)
M. CARRU Jean-Claude, Pr. Univ. du Littoral,(Rapporteur)
M. FARCY Alexis, Docteur Ingénieur, STMicroelectronics, (Examinateur)
M. GONON Patrice, MdC, UJF (Lab. LTM), (Examinateur)
M. SYLVESTRE Alain, MdC, UJF (Lab. G2Elab), (Examinateur)
M. TEYSSEDRE Gilbert, Dir. Recherches CNRS (Lab. Laplace), (Rapporteur)
tel-00625490, version 1 - 21 Sep 2011
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