Propriétés mécaniques et électriques de couches minces diélectriques : expériences de nanoindentation-électrique et simulations numériques

Mechanical and electrical properties of dielectric thin films : electrical-nanoindentation experiments and numerical simulations

• Auteur / Autrice : Morgan Rusinowicz
• Direction : Muriel Braccini
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, mécanique, électrochimie, génie civil
• Date : Soutenance le 09/12/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Science et ingénierie des matériaux et procédés (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Alain Sylvestre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Houzé
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Thomas Pardoen, Jean-Luc Loubet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Conduction électrique

Éléments finis, Méthode des

Nanoindentation

Mots clés libres

Nanoindentation

Méthode des éléments finis

Couches minces

Endommagement mécanique

Conduction électrique

Oxydation thermique

Nanoindentation

Finite element method

Thin films

Mechanical damage

Electrical conduction

Thermal oxidation

Résumé

Les dispositifs avancés (systèmes microélectroniques, capteurs, générateurs ou accumulateurs d’énergie, cellules photovoltaïques, …) sont des architectures complexes aux petites échelles qui intègrent des empilements toujours plus hétérogènes de couches minces combinant des métaux, des semi-conducteurs et des diélectriques. Chaque matériau a pour rôle d'assurer une ou plusieurs fonctions pendant plusieurs années (transmission de signaux, conversion d'énergie, isolation, …) dont les plus courantes sont basées sur la conduction électrique et les propriétés diélectriques. Cependant, la fiabilité fonctionnelle des dispositifs est largement contrôlée par la résistance mécanique de ces matériaux aux contraintes sévères survenant tant au cours du processus de fabrication que pendant le fonctionnement du produit. Connaître les propriétés mécaniques et électriques locales des matériaux en couches minces, mais également leur potentielle interaction, est donc un enjeu majeur.Dans ce contexte, cette thèse consiste à identifier les comportements mécaniques et électriques de trois systèmes fonctionnels, tous composés de couches minces diélectriques sur des substrats conducteurs. La caractérisation de ces systèmes a été réalisée par des essais de nanoindentation-électrique, couplant des mesures électriques fines à des essais de nanoindentation. Le traitement des expériences, n’étant ni direct ni trivial pour une approche quantitative, a été mené en utilisant des simulations numériques par la méthode des éléments finis afin d'extraire les propriétés des matériaux.Le premier système étudié est une couche de nitrure de silicium sur un alliage d'aluminium (Si3N4/AlSiCu). Son indentation a conduit à la fissuration de Si3N4 ainsi qu’à des instabilités sur les courbes mécaniques. A partir de ces caractéristiques, une méthodologie basée sur la dissipation d’énergie causée par la rupture a été développée, donnant à la fois une procédure d’identification des propriétés d’endommagement de la couche fragile et le scénario de fissuration complet (position des fissures, leur forme, leur longueur, etc.).Le deuxième système est une couche mince de verre organosilicate nanoporeuse sur un substrat de silicium (SiOCH/Si). Son indentation électrique a mené à la déformation plastique de la couche, à sa fissuration et à des fuites électriques. La corrélation entre les défaillances mécaniques et électriques a entièrement été décrite en fonction de plusieurs régimes dont un s’est avéré particulièrement intéressant pour identifier une loi de conduction de la couche de SiOCH sous contrainte. En effet, une chute de conductivité due à la plasticité dans le matériau diélectrique a clairement été mise en évidence. Une extension du modèle de conduction de Poole-Frenkel a alors été proposée pour tenir compte de la déformation plastique, et a été justifiée par un mécanisme physique.Le troisième système est une couche mince d’oxyde de cuivre obtenue à partir de l’oxydation thermique d'un substrat de cuivre recuit (Cu2O/Cu). Le comportement mécanique de l'oxyde, mais également celui du substrat de cuivre, ont été dans un premier temps complètement décrits. En particulier, des effets de taille déjà bien connus dans les métaux cristallins (amorce de la plasticité, gradients de plasticité) ont été observés comme renforcés dans le cuivre par la croissance d'une couche d'oxyde à sa surface. La description fine de la rhéologie de ce système a permis dans un second temps de déterminer ses propriétés électriques.Finalement, ces résultats sont à la fois d’intérêt académique et applicatif. En plus d’accéder à une meilleure compréhension des systèmes fonctionnels étudiés, qui sont au cœur de la microélectronique moderne, ils sont probablement assez génériques pour être transposés à d’autres systèmes similaires.

Advanced devices (microelectronic systems, sensors, power sourcing or storage, photovoltaic cells, …) are complex architectures at small scales that integrate ever more heterogeneous stacks of thin films combining metals, semiconductors and dielectrics. Each material has the role of ensuring one or more functions for several years (signal transmission, energy conversion, insulation, …) of which the most common are based on electrical conduction and dielectric properties. However, the functional reliability of devices is largely driven by the mechanical strength of these materials to the harsh stresses occurring both in the fabrication process and during operation. Knowing the local mechanical and electrical properties of thin film materials, but also their potential interaction, is therefore a major challenge.In this context, the present PhD thesis consists in identifying the mechanical and electrical behaviors of three functional systems composed of dielectric thin films on conductive substrates. The characterization of these systems was performed by electrical-nanoindentation tests, coupling fine electrical measurements to nanoindentation tests. The processing of the experiments, being neither straightforward nor trivial for a quantitative approach, has been carried out essentially by using numerical simulations by the finite element method to extract material properties.The first system studied is a silicon nitride layer on an aluminum-based alloy (Si3N4/AlSiCu). Its indentation led to the cracking of Si3N4 and to instabilities on the mechanical curves. From these features, a methodology based on the energy dissipation caused by the fracture has been developed, giving both an identification procedure of the damage properties of the brittle layer and the whole cracking process (location of the cracks, their shape, their length, etc.).The second system is a nanoporous organosilicate glass thin film on a silicon substrate (SiOCH/Si). Its electrical indentation resulted in plastic deformation of the film, its cracking and electrical leakage. The correlation between mechanical and electrical failures has been fully described according to several regimes, one of which proved particularly interesting for identifying a conduction law of the SiOCH film under stress. Indeed, a plasticity-driven conductivity drop in the dielectric material has been clearly evidenced. An extension of the Poole-Frenkel conduction model was then proposed to account for plastic strain, and was supported by a physical mechanism.The third system is a copper oxide thin film obtained from the thermal oxidation of an annealed copper substrate (Cu2O/Cu). The mechanical behavior of the oxide, but also that of the copper substrate, was first fully described. In particular, size effects already well known in crystalline metals (onset of plasticity, plasticity gradients) have been observed to be enhanced in copper by the growth of an oxide layer on its surface. The fine description of the system rheology made it possible in a second step to determine its electrical properties.Finally, these results are of both academic and application interest. In addition to gaining a better understanding of the functional systems studied, which are at the heart of modern microelectronics, they are probably generic enough to be transposed to other similar systems.