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

Abstract

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.