Etude des matériaux diélectriques à très faible permittivité déposés par voie chimique en phase vapeur développés pour l'isolation des interconnexions cuivre des circuits intégrés pour les générations technologiques 45 nm et 32 nm

par Julien Vitiello

Thèse de doctorat en Dispositifs de l'électronique intégrée

Sous la direction de Daniel Barbier.

Soutenue en 2006

à Villeurbanne, INSA .


  • Résumé

    Les besoins en performance des générations sub-65 nm impliquent l'utilisation de films diélectriques à très faible permittivité relative dans les interconnexions. Avec l'introduction du cuivre, deux films diélectriques interviennent dans l'architecture : un isolant entre les lignes métalliques et une barrière diélectrique recouvrant le dessus de ces lignes. Pour la génération 45 nm, le film isolant interligne de très faible permittivité relative est obtenu en introduisant de la porosité dans une matrice SiOC. Ces films poreux sont un véritable saut technologique pour l'ensemble de la chaîne de réalisation des interconnexions. Les barrières diélectriques doivent aussi présenter une permittivité relative faible. Dans ce but, le film SiCN, utilisé pour la génération 65 nm, doit être remplacé par un matériau présentant les mêmes caractéristiques barrière mais une densité moindre pour satisfaire les besoins en performances électriques. Le film isolant interligne présenté dans cette étude est basé sur une approche non porogène, dite de restructuration. L’étude du procédé de dépôt et des caractéristiques du film a permis de mettre en évidence les phénomènes physiques à l’origine de la structure à gradient du film. Les propriétés mécaniques ont pu être déterminées par nanoindentation à partir d’une méthode de mesure sur multicouches. L’amélioration de la tenue mécanique de ce film poreux a été étudiée avec un traitement thermique assisté par rayonnement ultraviolet. Son efficacité dépend du temps d’exposition et de l’atmosphère dans la chambre de traitement. De plus, la cinétique de réticulation de la structure SiOC est liée à la densité du film. Enfin, la faisabilité de l’intégration de ce film a été démontrée. En ce qui concerne les barrières diélectriques, deux solutions pour la génération 45 nm ont été comparées : une barrière SiC stabilisée par plasma et une bicouche SiCN. L’efficacité en tant que barrière à la diffusion a été mesurée grâce à deux méthodes développées dans cette étude. Cela a permis de mettre en évidence les performances de ces nouvelles couches.


  • Résumé

    The performance requirements for sub-65 nm generations imply the use of dielectric films with ultra low k-value in interconnects. With the introduction of copper, two dielectric films play a major role in the architecture: an insulator in between the metal lines and a dielectric barrier capping the top of these lines. For the 45 nm node, ultra low k-value insulators are obtained by introducing porosity into a SiOC matrix. These porous films are a true technological jump for the whole interconnect module integration. The dielectric barriers must also have a low k-value. To this purpose, the SiCN film, used for the 65 nm generation, must be replaced by a material showing the same barrier properties but less dense to satisfy the requirements in electric performances. The ultra low k-value insulator is based on a non porogen approach, called restructuring. The study of the process of deposit and the characteristics of film allow highlighting the physical phenomena at the origin of the graded structure in depth of the film. The mechanical properties were determined by nanoindentation, using a method based on multilayers. The improvement of the mechanical resistance of this porous film was obtained using a thermally assisted ultraviolet treatment. Its effectiveness depends on exposure duration and purge gas in the chamber. Moreover, the kinetics of cross-linking in the SiOC structure is related to the film density. Lastly, the feasibility of the integration of this film was evidenced. With regard to the dielectric barriers, two solutions for the 45 nm generation were evaluated: a plasma stabilized SiC layer and a SiCN bilayer. Their barrier efficiency was evaluated thanks to two methods developed in this study. That made it possible to qualify the performances of these new layers

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Informations

  • Détails : 1 vol. (XII-187 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p. 171-181

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  • Bibliothèque : Institut national des sciences appliquées (Villeurbanne, Rhône). Service Commun de la Documentation Doc'INSA.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : C.83(3147)
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