Contraintes mécaniques induites par les procédés de la microélectronique : développement des contraintes lors des réactions Co-Si et Ni-Si

Mechanical stress induced by the microelectronics fabrication processes: stress development during the Co-Si and Ni-Si reactions

• Auteur / Autrice : Christian Rivero
• Direction : Olivier Thomas, Philippe Boivin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science des matériaux
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Aix-Marseille 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rayons X -- Diffraction

Siliciures

Cobalt -- Couches minces

Contraintes (mécanique)

Nickel -- Couches minces

Résumé

L’objectif de cette étude est d’aboutir à une meilleure compréhension des contraintes mécaniques et de leur évolution sous sollicitation thermique dans différents systèmes de la microélectronique. Dans un premier cas nous nous sommes intéressés aux contraintes locales très importantes qui peuvent être présentes au voisinage des singularités géométriques nombreuses dans un dispositif et qui donnent lieu à la génération de défauts susceptibles de diminuer la durée de vie et la fiabilité des composants. Une autre source importante de contrainte apparaît lors de la formation par réaction à l’état solide des siliciures qui servent aux contacts. Nous avons suivi in-situ par des expériences couplées de diffraction des rayons X et de mesure de courbure l’évolution des contraintes lors de la réaction d’un film mince de Co ou de Ni avec le substrat de silicium. Nous avons ainsi montré que le signe des contraintes peut s’expliquer systématiquement par les variations de volume spécifique aux interfaces. Le développement des contraintes lors de l’apparition successive des siliciures de Co peut être interprété qualitativement par le modèle de Zhang et d’Heurle. Le cas des siliciures de Ni est plus complexe. Nous avons montré que l’apparition transitoire de la phase Ni3Si2 a une influence importante sur le développement des contraintes. D’autre part l’évolution des contraintes dans Ni2Si et Ni3Si2 n’est pas conforme aux prévisions du modèle de Zhang et d’Heurle. L’ensemble de ces résultats expérimentaux sera à prendre en compte dans le développement nécessaire d’un modèle permettant d’expliquer l’évolution de la contrainte lors de la réaction métal-silicium.

This study is aimed at a better understanding of stresses and their evolution under thermal loading in microelectronics devices. In the neighborhood of geometrical singularities very high local stresses appear and may lead to defects, which may decrease device lifetime. We have also investigated stress build up which occurs during metal-silicon reaction. Indeed metal silicides, which are used as contacts, are grown via metal-silicon solid state reaction. Joined X-ray diffraction and curvature measurements have been performed in situ during the reaction of thin Co and Ni films with Si. We show that the sign of the stress is well explained by the specific volume changes at the reacting interfaces. Stress development during the formation of Co silicides follows qualitatively the behavior predicted by Zhang and d'Heurle. On the other hand the behavior of Ni silicides appears more complex. We show that the transient appearance of Ni3Si2 plays an important role in stress development. The evolution of stresses in Ni2Si or Ni3Si2 does not follow the predictions of the Zhang and d'Heurle model. A new model is clearly needed and will have to take into account our experimental results.