Mechanical characterization and modeling of thin films for processing of microelectronic devices - application to the fied of 3D integration
Caractérisation et modélisation mécaniques de couches minces pour la fabrication de dispositifs microélectronoiques-application au domaine de l'intégration 3D
Résumé
The fabrication of microelectronic devices using 3D integration technologies requires a good knowledge of mechanical issues. Indeed, the thin films that are integrated have various thermomechanical properties and are deposited onto a substrate that is thinned in order to carry out the interconnections. The level of stresses and strains in devices has to be strictly controlled during their processing.The goal of this work is to exploit the characterization techniques available at the LETI and to couple them with modeling tools to address this issue. This coupling is used to control the mechanical behavior of a complex stack at each step of its fabrication. The experimental techniques that are used are non-destructive. The modeling tools take into account the elastic and thermal properties of each material involved in the stack, and also the intrinsic strains caused by the deposition of each layer. Coupled methodologies have been carried out to evaluate these input data. From a material database, a tool to predict the mechanical behavior of a multilayer stack was developed and validated experimentally. It enables to predict the level of strain and stress of the stack. Mechanical predictions enable to guide the selection of materials in order to improve the devices integrity and optimize their fabrication. Reliability issues that occur in the long term, due to a significant level of stress and strain can also be anticipated
Fabriquer des dispositifs microélectroniques en utilisant des technologies d'intégration 3D nécessite une connaissance approfondie des problématiques mécaniques. En effet, les matériaux intégrés ont des propriétés thermomécaniques variées et sont déposés en couches minces sur un substrat aminci afin de pouvoir réaliser les interconnexions. Cette configuration nécessite un contrôle strict du niveau de déformation et de contrainte des dispositifs durant leur fabrication, afin de garantir leur intégrité. L'objectif de ce travail de thèse est d'exploiter les techniques de caractérisation disponibles au LETI, et de les associer à des outils de modélisation pour répondre à cette problématique. Ce couplage permet de contrôler le comportement mécanique d'un empilement complexe à chaque étape de sa fabrication. Les techniques expérimentales employées sont non destructives. Les outils de modélisation prennent en compte les propriétés élastiques et thermiques de chaque matériau de l'empilement, ainsi que les déformations intrinsèques engendrées par les étapes de dépôt de chaque couche. Des méthodologies couplées ont été développées afin de déterminer ces données d'entrée. A partir d'une base de données matériaux, un outil de prédiction du comportement mécanique d'un assemblage multicouches a été développé et validé expérimentalement. Il permet de prédire le niveau de déformation et de contrainte de l'empilement. Les prédictions mécaniques permettent d'orienter le choix des matériaux à intégrer afin d'améliorer l'intégrité des dispositifs et d'optimiser leur fabrication. Elles permettent également d'anticiper les problèmes de fiabilité provoqués à plus long terme par des contraintes et déformations trop élevées.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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