Impact des chimies de nettoyage et des traitements plasma sur les matériaux diélectriques à basse permittivité

Impact of plasma treatments and cleaning chemistries on porous materials with very low permittivity

• Auteur / Autrice : Matthieu J. Lépinay
• Direction : André Ayral, Vincent Rouessac
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie et physicochimie des matériaux
• Date : Soutenance le 23/10/2014
• Etablissement(s) : Montpellier 2
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Chimiques Balard (Montpellier ; 2003-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Européen des membranes (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Bruno Boury
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : André Ayral, Vincent Rouessac, Bruno Boury, Renaud Denoyel, Vincent Jousseaume, Lucile Broussous, Christophe Licitra, Jean-Marc Frigerio
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Renaud Denoyel, Vincent Jousseaume

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux poreux

Permittivité

Microélectronique

Diélectriques

Mots clés libres

Plasma

Chimie

Low-K

Microélectronique

Nano

Poreux

Plasma

Chemistry

Low-K

Microelectronics

Nano

Porous

Résumé

Nous présentons dans ce travail l'impact du procédé de fabrication d'un circuit intégré (nœud technologique 28 nm) sur le matériau diélectrique poreux utilisé pour isoler les interconnexions des transistors. Notre étude est en particulier axée sur la diffusion d'espèces (chimies de nettoyage, eau/humidité, molécules de gaz) dans le réseau poreux. Pour décorréler les effets "chimiques" d'affinité entre la surface et les molécules considérées et "physiques" de taille des pores, plusieurs techniques de caractérisation complémentaires sont utilisées. Les modifications chimiques sont d'abord caractérisées en surface par XPS et angle de goutte. Le FTIR est ensuite utilisé pour sonder l'épaisseur de la couche et le ToF-SIMS pour obtenir un profil en profondeur des modifications. L'analyse de la microstructure par RMN du solide permet de mettre en évidence les variations de la réticulation du squelette silicique. La porosimétrie par EP, PALS et GISAXS révèle des incohérences entre ces techniques reposant sur l'adsorption de gaz d'une part, et la diffusion de rayons X et l'annihilation de positrons d'autre part. La modélisation numérique des isothermes d'adsorption de gaz nous permettent de tenir compte des interactions sonde-surface et de réconcilier les résultats. Ainsi nous mesurons une augmentation de la taille des pores par les plasmas de gravure, et une diminution de taille des pores après nettoyage HF, qui correspondent aux modifications chimiques en termes de tailles des groupements. Finalement, ces moyens de caractérisation montrent que des traitements de silylation peuvent restaurer efficacement les propriétés diélectriques et physico-chimiques des matériaux low-k.

We report in this work the impact of the manufacturing process of an integrated circuit (28 nm technology node) on the porous dielectric material used to isolate the interconnections of the transistors. Our study focuses in particular on the diffusion of species (cleaning chemistries, water/moisture, gas molecules) in the porous network. To decorrelate "chemical" effects of affinity between the molecules and the surface and "physical" effects due to pore size, several complementary techniques are used for further characterization. Chemical changes are first characterized at the surface by XPS and drop contact angle. FTIR is then used to probe the whole thickness of the layer and the ToF-SIMS to obtain a depth profiled characterization. A microstructure analysis by solid-state NMR enables to highlight the changes in cross-linking of the silicon skeleton. A porosimetric study by EP, PALS and GISAXS reveals inconsistencies between these techniques based on the adsorption of gases on the one hand, and X-ray scattering and positron annihilation of the other. Numerical modeling of gas adsorption isotherms enables us to consider interactions probe surface and reconcile the results. Thus we measured an increase of the pore size by plasma etching, and a decrease in pore size after HF cleaning, which correspond to the characterized chemical changes in terms of size of the functional groups. Finally, these characterization techniques show that silylation treatments can effectively restore the dielectric and physico-chemical properties of low-k materials.