Développement de films minces à base de nanoparticules diélectriques et optimisatisation des conditions de dépôt pour fabriquer des condensateurs de découplage utilisés dans des assemblages à haute densité de modules électroniques

Development of thin films based on dielectric nanoparticles and optimisation of the deposition conditions for the fabrication of decoupling capacitors used in high density electronic modules assembling

• Auteur / Autrice : Emmanuel Tetsi
• Direction : Dominique Drouin, Laurent Bechou
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance le 05/07/2019
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de l'intégration du matériau au système (Talence, Gironde)
• Jury : Président / Présidente : Serge Charlebois
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dominique Drouin, Laurent Bechou, Serge Charlebois, Andréas Ruediger, Yasser Alayli, Maxime Darnon, Roxan Lemire
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Andréas Ruediger, Yasser Alayli

Mots clés

Mots clés contrôlés

Diélectriques

Fluides supercritiques

Couches minces

Condensateurs électriques

Mots clés libres

Condensateurs MIM

Couches minces

Fluides supercritiques

Diélectriques

Ba0.6Sr0.4TiO3

Pulvérisation de jets

Nanofabrication

MIM capacitors

Thin films

Supercritical fluids

Ba0.6Sr0.4TiO3

Spray coating

Anofabrication in cleanroom

Résumé

Dans le cadre de l’intégration tridimensionnelle (3D) associée à l’utilisation d’un nombre croissant de circuits intégrés (CIs), le besoin en condensateurs de découplage à forte densité de capacité (≥ 1 μF.cm-2), capables d’opérer sur une gamme de fréquences de plus en plus étendue, est crucial afin de limiter les fluctuations de tension d’alimentation au niveau des CIs. Le principal frein au développement de ces condensateurs réside dans l’obtention de couches minces (≤ 100 nm) à partir de matériaux ayant une forte permittivité relative (ε_r > 200 à 1 GHz), des technologies compatibles avec une intégration à grande échelle, et peu coûteux.L’approche proposée dans cette thèse s’appuie d’une part, sur la possibilité de synthétiser des nanoparticules diélectriques à base de Ba0.6Sr0.4TiO3 [BST] (Ø = 16 ± 2 nm, ε_r = 260 à 1 kHz) - obtenues en milieux fluides supercritiques - comme matériau diélectrique et d’autre part, sur la pulvérisation de jets ou spray coating comme technologie de dépôt en couches minces. Dans un premier temps, les nanoparticules de BST ont été synthétisées et fonctionnalisées par l’acide 3-aminopropylphosphonique (APA), dans le but de les disperser dans un solvant et d’obtenir des suspensions colloïdales stables. Les ligands ont aussi pour fonction d’améliorer la tenue mécanique des films (auto-assemblage) sur le substrat de cuivre (Cu). La variation de paramètres liés à la solution à base des nanoparticules (concentration, durée de dispersion mécanique) et à la technique de dépôt (température du substrat, débit), ont permis d’optimiser les conditions pour obtenir des films uniformes à base de nanoparticules fonctionnalisées (BST-APA). Des films de 200 ± 50 nm d’épaisseur ont ainsi pu être obtenus. Après dépôt de plots d’aluminium (Al) sur les films à base de BST-APA et utilisés comme électrode supérieure, les caractéristiques capacité-tension (C-V) et courant-tension (I-V) des condensateurs de structure Al/BST-APA/Cu ont permis d’extraire une densité de capacité élevée (0.71 μF.cm-2) et une densité de courant de fuite (25 μA.cm-2) mesurées à 1 V. Les résultats obtenus au cours de cette thèse montent que la pulvérisation de jets est une alternative aux procédés coûteux reportés (ablation laser, pulvérisation) dans l’état de l’art, pour la fabrication de condensateurs de hautes performances.

Within the three-dimensional (3D) integration associated with the use of an increasing amount of integrated circuits (ICs), there is strong need of high capacitance density (≥ 1 μF.cm-2) decoupling capacitors, able to operate on large frequency bandwidth, in order to reduce the noise that can comprise the signal integrity in ICs. The main challenge of these capacitors relies on the deposition of thin films (≤ 100 nm) using innovative materials with high relative permittivity (ε_r > 200 à 1 GHz) and «low cost» technologies compatible with large scale integration.The proposed approach in this thesis benefits in one hand on the possibility of synthetizing and using Ba0.6Sr0.4TiO3 (BST) nanoparticles (Ø = 16 ± 2 nm, ε_r = 260 at1 kHz) – using the supercritical fluids technology – as dielectric material and on the other hand, on the use of spray coating as technique for the integration of these materials as thin films. First of all, the BST nanoparticles were synthesized and functionalized with specific ligands (3-aminopropylphosphonic acid, APA), in order to obtain colloidal suspensions composed by aggregates with size (Ø < 100 nm) showing few fluctuations during 2 months. The grafted ligands also improved the adhesion of the deposited films (self-assembling) on the copper (Cu) substrate. The variation of different parameters related to the solution (concentration, mechanical dispersion duration) and the deposition technique (substrate temperature, flow rate), helped to define the optimal conditions leading to uniform films based on functionalized nanoparticles (BST-APA). Thin films of 200 ± 50 nm thickness were obtained. After deposition of aluminum pads (Al) on BST-APA films and used as top electrode, the capacitance-tension (C-V) and current-tension (I-V) characteristics of capacitors with Al/BST-APA/Cu structure enabled us to extract a high capacitance density (~ 0.7 μF.cm-2) and a leakage current (~ 25 μA.cm-2) at 1 V. The obtained results of this thesis show that the spray coating is an alternative to the processes (related to a high cost) reported in the state of the art, for the fabrication of capacitors associated with high electrical performances.