Synthèse de nanoparticules de cuivre pour la réalisation d'interconnexions en microélectronique

Synthesis of copper nanoparticules for the fabrication of microelectronic interconnections

• Auteur / Autrice : Clément Barrière
• Direction : Bruno Chaudret, Pierre Fau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie organométallique et de coordination
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microélectronique

Nanoparticules

Cuivre

Mots clés libres

Cuivre

Nanoparticules

Dépôt

Fonctionnalisation de surface

Microélectronique

Adhérence

Résumé

Le cuivre est un métal largement utilisé dans l'industrie de la microélectronique. La recherche de méthodes chimiques en voie liquide permettant d'effectuer des dépôts métalliques de cuivre sur un substrat est une thématique ayant un fort intérêt appliqué. En effet, en plus de diminuer les coûts de production, une telle technique permettrait de réaliser des dépôts conformes dans des structures en trois dimensions. L'ensemble de cette étude porte sur la réalisation de ce type de dépôt à partir de méthodes de la chimie organométallique. Nous avons, dans un premier temps, synthétisé toute une gamme de nanoparticules de cuivre afin d'obtenir un métal liquide en solution. Nous avons ainsi établi qu'il était possible de synthétiser des nanoparticules avec des quantités de stabilisants peu importantes mais aussi la formation de nanoparticules auto-organisées. Dans une seconde partie de ce travail, nous avons étudié les conditions de réalisation de dépôts de ces colloïdes sur des substrats de silicium. Deux problèmes importants se sont posés alors, à savoir les effets des traitements thermiques ces couches et l'apparition de fissures et de défauts, et l'adhérence du cuivre sur l'oxyde de silicium. La dernière partie de notre étude traite de la réalisation d'interfaces entre le substrat et les couches de cuivre. Nous avons ainsi pu montrer que l'utilisation d'une couche intermédiaire d'alcoxysilanes permettait d'améliorer l'adhérence et la répartition de nos nanoparticules sur les substrats. Enfin, nous avons démontré qu'il était possible d'obtenir une couche adhérente sur le substrat. Cette méthode de synthèse semble très prometteuse et le procédé a été breveté.

Copper is a widely-used metal in industry for interconnection due to its good electronics properties. Research on "liquid way" to produce copper lines is an important thematic, as this kind of process will be cheaper and useful for filling 3D structures. The first part of this study has been focused on the synthesis of a wide range of copper nanoparticles in order to obtain liquid solution of metallic copper. We have defined various conditions of nanoparticles synthesis from two copper organometallic precursors, displaying narrow size dispersion. We have also shown that it was possible to stabilize copper nanoparticles with a very low amount of organic ligands (i. E. 0,1 molar equivalent of organic ligands versus copper) and observed a 2D organization of copper nanoparticles on transmission microscopy grids in case of the synthesis from an amidinate copper precursor. The second part of this work has been dedicated to the deposition of this material on silicon substrates. Two majors problems have then appeared: i) the formation of cracks in the layers due to thermal removal of organic ligands by annealings in a furnace; ii) the low adherence of the copper layers on the silicon oxide substrate. The third part of this work consisted in the deposit of an interface between the copper layer and the substrate. We have shown that the functionalization of the silicon substrate with alkoxysilanes molecules allowed to enhance this adhesion. Finally, we have developed a very new adhesion layer originating from copper and silicon precursors. This layer seems to be effective and all the deposition process has been patented.