Etude numérique et expérimentale des phénomènes de fissuration dans les architectures avancées de la microélectronique

= Experimental and Numerical Investigations of Fracture Phenomena in advanced interconnects

• Auteur / Autrice : Sébastien Gallois-Garreignot
• Direction : Daniel Nélias
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro-électronique
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LaMCoS - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures (Lyon, INSA ; 2007-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanoindentation

Matériaux -- Fissuration

Matériaux -- Propriétés mécaniques

Circuits intégrés

Microélectronique

Électronique industrielle

Résumé

Depuis leur création, les circuits intégrés sont en constante amélioration et tendent à une miniaturisation et une intégration de plus en plus en forte des composants. Suivant cette tendance, les faibles propriétés mécaniques des nouveaux matériaux implémentés couplés aux nombreuses sollicitations thermomécaniques que subit le circuit-intégré lors de sa fabrication augmentent significativement les risques de défaillance générale. Des phénomènes de fissuration sont ainsi couramment observés. Les objectifs de cette thèse sont d'améliorer la compréhension et la prédiction de ces défaillances. Dans un premier temps, un travail de développement de méthodologie (numérique et expérimentale) est mené. L’amélioration de la prédictivité de la modélisation passe tout d’abord par l’utilisation d’un critère de défaillance pertinent : une réflexion et une comparaison sur un cas pratique entre différents outils sont ainsi menées dans le chapitre II. Les propriétés matériaux, notamment l’adhésion interfaciale, jouent aussi un rôle fondamental sur la validité des résultats de simulation et doivent être caractérisées avec précision. Dans ce but, la méthode expérimentale de Cross-Sectional Nanoindentation est développée dans le chapitre III. Cette dernière est aussi utilisée sur des structures de pad pour étudier leur comportement en présence de fissure. Enfin, dans un objectif de corrélation simulation/expérimentale, la pertinence de la tomographie X comme méthode non destructive d’analyse de défaillance en microélectronique est étudiée (chap. III). Dans un second temps, une étude complète (analyse de défaillance, simulation et implémentation de solutions) sur un cas typique de défaillance de produit a été réalisée dans le chapitre IV. Dans ce cadre, différentes méthodes analytiques, numériques et expérimentales sont mises en œuvre de façon pratique. Ces travaux mettent au final en lumière certaines spécificités et caractéristiques des phénomènes de rupture en microélectronique.

The reliability of integrated circuit has become a major concern with the introduction of new materials with poor mechanical properties, and the continuous downscaling of the device size. Moreover, numerous stress contributors appear during the stages of the process flow and by consequence, failures are commonly observed at different steps. A fundamental understanding of root causes and key parameters is required to forecast such fracture phenomena. The first step of this PhD work is to develop/improve generic methods (numerical and experimental) used in that frame. In order to reproduce and forecast these failures, a suitable numeric tool has to be used: a benchmark of fracture mechanics tool and discussion are performed on a typical case in the chapter II. The material properties, especially the interfacial adhesion, have a strong impact on the result accuracy and have to be characterized with caution. Following this objective, the Cross-Sectional Nanoindentation method is developed in the chapter III. It is also applied on pad structures to investigate their behaviour and resistance to fracture. At last, for correlations purpose with numerical simulations, the relevancy of the X-Ray Tomography non-destructive characterization method in a microelectronic context is studied (chap. III). As a second step, a typical fracture phenomenon is investigated on a real product. A whole study from failure analysis to numerical investigations is described in chapter IV. Numerous methods dedicated to mechanics/microelectronic domains are implemented in a practical manner. Finally, by coupling observations and simulation, deeper understanding of the phenomena is available and the characteristics of the fracture phenomena in microelectronic are highlighted.