Moisture-related ageing mechanisms of interconnects low-κ dielectrics
Mécanismes de vieillissement liés à la pénétration d’humidité dans les matériaux diélectriques à faible permittivité des interconnexions
Résumé
Over the past decades, scaling of microelectronic chips, in particular transistors and memory cells, has allowed to increase substantially both the density of integrated circuit and integrate the umber of functions offered. Such scaling required the introduction oflow permittivity dielectrics, which are particularly sensitive to moisture pollution. This thesis details the dielectrics main properties and the consequences of moisture ingress insuch low-permittivity dielectrics, also referred as SiOC :H dielectrics. The fabrication of low-κ/copper-based interconnects is detailed. Then, the SiOC :H dielectric material is characterised to determine its chemical and molecular structure in order to understand underlying physical phenomenon leading to the material electrical performances degradation. Then, the conception and fabrication of electrical test structures required to evaluate the impact of moisture on the electrical properties and performances of integrated SiOC :H dielectric material is presented. Finally, the results of electrical characterisations carried out on these structures provide a better understanding of physical phenomenon leading to electrical performance degradation of SiOC :H dielectric material used in the semiconductor industry.
La réduction des dimensions des dispositifs micro-électroniques élémentaires, notamment des transistors et des cellules mémoires, a permis au cours des dernières décennies d’augmenter la densité d’éléments intégrés et donc d’obtenir plus de fonctions au sein d’une même puce. Cette réduction des dimensions a notamment nécessité l’introduction de matériaux diélectriques à faible permittivité, particulièrement sensibles à l’humidité.Cette thèse détaille les propriétés électriques de tels matériaux ainsi que les conséquences de leur contamination par l’humidité sur leurs caractéristiques. Le procédé de fabrication des interconnexions à base de cuivre et de matériau à faible permittivité est détaillé puis, le matériau à faible permittivité utilisé dans les interconnexions avancées, appelé SiOC :H, est caractérisé afin d’en déterminer les principales propriétés chimiques et structurelles, nécessaires à la compréhension des phénomènes physiques menant à la dégradation des performances électriques de ces matériaux. Ensuite, une importante étape de conception et de fabrication de structures de caractérisation permettant l’étude de l’impact de la pénétration d’humidité sur les performances électriques du matériau SiOC :H est détaillée. Enfin, les résultats de caractérisations électriques effectuées sur ces structures sont présentés, permettant une compréhension des processus physiques menant à la dégradation des performances du matériau SIOC :H utilisé dans l’industrie microélectronique.
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