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Theses Year : 2022

Investigation of aging and cracking mechanisms in advanced ceramic materials for microelectronics

Analyse expérimentale et numérique des mécanismes de vieillissement et de fissuration dans les niveaux avancés d’interconnexions de la microélectronique

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Sarah Rubeck
  • Function : Author
  • PersonId : 1189531
  • IdRef : 265554144

Abstract

With the trend towards an increasing integration density, new materials and architectures are constantly being developed to commercialize innovative products. Today, the mechanical reliability of these components, which embedded various natures of materials, has become a crucial concern of the microelectronic industry. In this manuscript, a specific focus was done on the dielectric materials which composes the interconnect levels. Indeed, due to their poor mechanical properties and brittle behavior, most of the failures are the result of cracks in these materials. The challenge was placed in the considered scales (< 0.5 µm), causing many issues for implementing samples and testing mechanical properties. The influence of the environment (temperature and humidity) on the dielectric materials integrity was studied. Two approaches were adopted. First, the sensitivity of a panel of dielectric materials to hydrothermal aging was evaluated, then, the influence of humidity level on the cracking mechanism kinetics of a low k porous SiOC:H film was studied.
Dans l’industrie de la microélectronique, l’intégrité mécanique des produits lors de leur utilisation est un facteur de différenciation déterminant vis-à-vis du marché et de la compétition. En effet, les composants sont soumis à diverses sollicitations, dont des variations de température et des conditions d’humidité pendant leur fonctionnement, pouvant engendrer une dégradation de leurs matériaux et in fine, leur défaillance. Dans le cadre de cette thèse, nous nous proposons d’étudier plus précisément ces mécanismes. Plus particulièrement, les matériaux diélectriques, notamment l’oxyde de silicium poreux connu pour être le foyer de nombreuses faiblesses mécaniques, seront étudiés. Ce travail est constitué de deux volets principaux. Le premier porte sur la caractérisation des propriétés mécaniques d’un panel représentatif de matériaux diélectriques et de l’étude de leurs variations après vieillissement environnemental. Pour cela, les méthodes de nanoindentation et de mesure de courbure de wafers sont utilisées pour analyser les échantillons. Le second volet consiste à quantifier le phénomène de fissuration par corrosion sous contrainte de l’oxyde de silicium poreux, connu pour sa faible tenue mécanique. Un protocole et équipement dédiés à l’échelle submicronique sont développés et employés pour pouvoir suivre la croissance de fissures sous environnement contrôlé. Ces deux études ont permis de montrer, d’une part, que le vieillissement hydrothermal induit une variation limitée des propriétés mécaniques des matériaux diélectriques. D’autre part, nous montrons que les mécanismes de fissuration de l’oxyde de silicium poreux sont accélérés par la présence d’eau. Pour chacune de ces études, des simulations numériques sont proposées pour mettre en perspective, compléter et approfondir les résultats expérimentaux. Finalement, une meilleure connaissance sur les phénomènes de vieillissement des matériaux diélectriques utilisés dans la microélectronique est apportée. Notamment, les effets d’environnement sur les processus de fissuration de l’oxyde de silicium poreux ont pu être quantifiés grâce à un nouveau protocole, ouvrant ainsi la voie à de possibles évaluations sur des empilements plus complexes.
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Dates and versions

tel-03860220 , version 1 (18-11-2022)

Identifiers

  • HAL Id : tel-03860220 , version 1

Cite

Sarah Rubeck. Investigation of aging and cracking mechanisms in advanced ceramic materials for microelectronics. Micro and nanotechnologies/Microelectronics. Université de Lyon, 2022. English. ⟨NNT : 2022LYSEI065⟩. ⟨tel-03860220⟩
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