Impact de la température et de l'humidité sur la diffusion de l'eau dans les matériaux et sur les mécanismes de défaillance des circuits

Study of temperature and moisture impact on water diffusion in materials and on electronic circuits failure mechanisms.

• Auteur / Autrice : Vivien Cartailler
• Direction : Hélène Fremont, Geneviève Duchamp
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance le 19/10/2021
• 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 : France Le Bihan
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hélène Fremont, Geneviève Duchamp, France Le Bihan, Gaël Gautier, Dominique Drouin, Grégory Imbert
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gaël Gautier, Dominique Drouin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Vitesse de diffusion

Humidité

Fiabilité

Diélectriques

Circuits intégrés tridimensionnels

Mots clés libres

Diffusion d’humidité

Mécanisme de défaillance

Intégration 3D

Matériaux diélectriques

Low k

Fiabilité

Moisture diffusion

Failure mechanisms

3D integration

Dielectric materials

Low k

Reliability

Résumé

La présence d’humidité est particulièrement critique pour les applications microélectroniques : baisse globale des performances, corrosion des métaux présents dans le circuit intégré voire délaminage entre les différentes couches. Afin de protéger les puces des agressions environnementales, une structure d’interconnexion métallique continue, appelée « seal ring », est présente autour de celles-ci. Cependant, l’intégrité de cette structure de protection n’est parfois pas assurée – à la suite de difficultés pendant les étapes d’intégration par exemple - ce qui pose des problèmes évidents de fiabilité. Les effets de l’humidité sur les circuits intégrés ont été étudiés dans la littérature, en particulier pour les matériaux à faible constante diélectriques appelés « low-k ». Néanmoins, les mécanismes de diffusion et d’absorption sous-jacents restent flous. En outre, de nouvelles architectures de circuits intégrés sont développées par STMicroelectronics selon l’approche « More than Moore ». L’intégration 3D, largement utilisée aujourd’hui, en est un exemple. D’autres produits comportant une ouverture dans leur « seal ring » pourraient également être intéressants. Par leur conception, ces types de circuits présentent des risques vis-à-vis de la diffusion de l’humidité. L’objectif de cette thèse est donc d’expliquer les interactions entre l’humidité et ces nouveaux types de circuits intégrés. Pour cela, une approche globale du matériau au circuit intégré a été adoptée. Dans un premier temps, les propriétés d’absorption des principaux matériaux diélectriques utilisés dans le Back End of Line (BEOL) sont déterminées. Dans un second temps, les circuits intégrés mentionnés plus haut sont étudiés afin de proposer un mécanisme complet de diffusion/absorption d’humidité dans les circuits intégrés. Des simulations numériques par éléments finis viennent également appuyées ce mécanisme. Enfin, un modèle empirique adapté aux études industrielles, similaire au modèle de Peck, est proposé.

The presence of moisture leads to critical consequences for microelectronic applications: performance loss, metal corrosion and even delamination between the different layers of the integrated circuits. To protect microelectronic chips from environmental contaminations, a continuous surrounding metal structure, called seal ring, is implemented. However, the seal ring integrity is not always guaranteed – issues can occur during process integration steps for instance – which obviously leads to reliability problems. Moisture effectson integrated circuits have been investigated in the literature, especially for materials with a low dielectric constant, called low-k. Nonetheless, the diffusion and absorption mechanisms remain unclear. Moreover, new architectures of integrated circuits are designed at STMicroelectronics according to the “More than Moore” approach. One example of these new designs is 3D integration that is widely used nowadays. Structures with an opening in their surrounding seal ring are also considered for radio frequency applications. These types of integrated circuits are at risks regarding moisture diffusion because of their specific design. The objective of our work is to explain the interactions between moisture and these new types of integrated circuits. The philosophy of this work is to use the intrinsic material properties to explain the phenomenon occurring in integrated circuits. First, the main dielectric layers used in the Back End of Line (BEOL) are characterized and their intrinsic characteristics regarding moisture absorption are determined. Then, the integrated circuits mentioned above are studied in order to elaborate a complete diffusion/absorption mechanism of moisture into integrated circuits. Finite elements numerical simulations are used to corroborate this mechanism. Finally, an empirical model adapted to industrial approach is proposed.