Through Silicon Via interconnections for high reliability applications

Interconnexions Through Silicon Via pour applications à Haute fiabilité

• Auteur / Autrice : Anh Phuong Nguyen
• Direction : Ulrike Anne Lüders
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, microélectronique, optique et lasers, optoélectroniques, micro-ondes
• Date : Soutenance en 2016
• Etablissement(s) : Caen
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Normande de biologie intégrative, santé, environnement (Mont-Saint-Aignan, Seine-Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de cristallographie et sciences des matériaux (Caen ; 1996-....)
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Normandie Université (2015-....)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Descamps
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ulrike Anne Lüders, Philippe Descamps, Francis Calmon, Emmanuel Defaÿ
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Francis Calmon, Emmanuel Defaÿ

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microélectronique

Radiofréquences

Dépôt chimique en phase vapeur activé par plasma

Fiabilité

Ions hydrogène

Condensateurs électriques

Diélectriques

Mots clés libres

Via traversant

Ions mobiles H+

Substrat pertes

Résumé

Cette thèse porte sur la fiabilité de l’oxyde d’isolation utilisé dans les interconnections 3D « Through Silicon Via » (TSV) développées par IPDIA. Le rôle de cette couche est d’isoler électriquement le substrat du conducteur métallique central des TSVs. L’oxyde d’isolation SiO2 est obtenu par un dépôt « Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition » (PECVD) à basse température (~200 °C) avec l’orthosilicate de tétraéthyle (TEOS) en tant que précurseur gazeux principal. Il est démontré que l’oxyde TEOS contient des ions mobiles H+ à cause de sa basse température de dépôt. Ces ions peuvent se déplacer librement au sein de l’oxyde sous l’effet de la température et du champ électrique, et perturbent le bon fonctionnement du diélectrique (la topologie de charges, la tension de claquage et la durée de vie) ainsi que du substrat (résistivité, pertes). L’impact des ions mobiles est évalué aussi bien dans le régime DC, via les condensateurs MIS (Métal-Isolant-Silicium), qu’en RF jusqu’à 5 GHz, via des lignes de transmission CPW (Coplanar Wave Guide), autant sur des systèmes planaires simplifiés que sur le TSV complet. Lorsque l’oxyde est soumis à des recuits à fort budget thermique, des impuretés diffusent dans le substrat, créant des niveaux d’énergie peu profonds dans la bande interdite du silicium. En conséquence, la résistivité du substrat diminue drastiquement ce qui entraîne des fortes pertes dans le silicium. Deux modèles analytiques qui permettent de modéliser la diffusion des espèces mobiles à faible/fort budget thermique ont été développés. Les résultats de cette thèse permettent d’évaluer l’impact des défauts de l’oxyde d’isolation déposé à basse température pour différentes applications des TSVs.

This thesis focuses on the reliability of the isolation oxide used in 3D interconnections called Through Silicon Via (TSV) developed by IPDIA. This layer is intended to isolate electrically the substrate from the central metallic conductor in the TSV. The isolation oxide SiO2 is obtained by Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) at low temperature (~200 °C) with Tetraethyl Orthosilicate (TEOS) as the main gas precursor. Through a number of characterizations, it is shown that H+ mobile ions are present in the isolation oxide, due to its low deposition temperature. These ions can move freely within the oxide under the effect of temperature and electric field, modifying the oxide characteristics (the charge topology, the breakdown voltage and the life span) and the substrate resistivity. The impact of these mobile ions is evaluated in the DC domain, via MIS (Métal-isolant-silicium) capacitors, and the RF domain, via CPW (Coplanar Wave Guide) transmission lines, both for simplified planar systems, as well as for the full TSV. Moreover, once the oxide is submitted to annealing at high thermal budget, the present impurities may diffuse into the substrate, creating shallow energy levels within the silicon band gap. As a result, the substrate resistivity decreases drastically involving high losses within the silicon. Two analytical models, allowing to model the diffusion of the mobile species at low/high thermal budget, were developed. These results can be used to evaluate the impact of typical defects of the low temperature isolation oxide for different possible applications of TSVs.