Characterization and modeling of mechanical properties of thin films for 3D Integration - Application to plastic materials and large deformations

La fabrication des dispositifs en microélectronique implique aujourd’hui une architecture tridimensionnelle : « l’intégration 3D ». La mise en œuvre de cette technologie peut être limitée par des questions d’intégrité mécanique des dispositifs durant les processus de fabrication. En effet, déposer plusieurs couches aux propriétés thermomécaniques distinctes et à différentes températures ou amincir le substrat de silicium pour réaliser des interconnexions sont autant d’étapes à contrôler pour prévenir des décohésions le long d’interfaces, des distorsions des wafers ou encore des contraintes induites trop grandes et garantir la fiabilité des composants.Dans ce travail nous avons abordé ces questions en considérant des dépôts de nature diverse (métallique, oxyde ou polymère) pour lesquels une réponse thermoélastique est considérée, dépendant de la température le cas échéant. Un modèle semi-analytique « Sigmapps », exploitable en salle blanche, a été développé pour prédire la déformée induite au cours des procédés de dépôt et prédire les contraintes induites dans chaque couche, permettant également d’identifier les propriétés thermoélastique d’une couche dans le cadre d’une « approche inverse ». Dans ce cas, des mesures expérimentales sont nécessaires et ont été menées au LETI. Dans une deuxième partie, nous avons étudié le phénomène d’instabilité d’une structure multicouche, comportant des contraintes internes. Ici, le chargement thermique d’un bicouche a été considéré comme « cas d’étude » et nous nous sommes attachés à prédire la température pour laquelle une instabilité apparaissait jusqu’à la prédiction de l’état « post-critique ». Là aussi, l’approche est semi-analytique pour garantir son utilisation, simple, en environnement de salle blanche. Le problème de la criticité d’un dépôt sur la stabilité d’un wafer peut également être abordé. Il est ainsi possible d’orienter le choix des matériaux à intégrer et leurs épaisseurs pour garantir l’intégrité des dispositifs et optimiser les séquences de fabrication.The fabrication of devices in microelectronics today involves a three-dimensional architecture: "3D integration". The implementation of this technology may be limited by issues of mechanical integrity of the devices during manufacturing processes. Indeed, the deposit of several layers with distinct thermomechanical properties and at different temperatures or thinning the silicon substrate to achieve interconnections are all steps to control in order to prevent decohesions along interfaces, distortions of wafers or too high induced stresses and to guarantee the reliability of the components.In this work we have approached these questions by considering deposits of various nature (metal, oxide or polymer) for which a thermoelastic response is considered, depending on the temperature if necessary. A semi-analytical model "Sigmapps", exploitable in a clean room, was developed to predict the deformation induced during the deposition processes and to predict the stresses induced in each layer, also enabling the identification of thermoelastic properties of a layer by "reverse approach". In this case, experimental measurements are necessary and were conducted at LETI. In a second part, we studied the phenomenon of instability of a multilayer structure, including internal stresses. Here, the thermal loading of a bilayer has been considered as a "case study" and we have predicted the temperature at which instability appeared until the prediction of the "post-critical" state. Here too, the approach is semi-analytical to ensure its simple use in a clean room environment. The problem of the criticality of a deposit on the stability of a wafer can also be addressed. It is thus possible to orient the choice of materials to be integrated and their thicknesses to guarantee the integrity of the devices and to optimize the production sequences