Les interconnexions : généralités, matériaux diélectriques, contraintes mécaniques

Les différents composants d’un circuit intégré sont réalisés simultanément au sein ou à la surface d’une plaquette de silicium. Sur ce substrat, des centaines voire des milliers de circuits intégrés peuvent être réalisés simultanément. Chacun de ses composants est créé localement au cours d’une succession d’opérations effectuées de façon sélective à la surface du substrat et peut être schématisé par un empilement de matériaux en couches minces. Le substrat est un disque de silicium monocristallin orienté suivant le plan cristallographique {100}. Pour réduire les coûts de fabrication, son diamètre a augmenté et vaut aujourd’hui 300 mm dans les chaînes de production les plus récentes. Dans un circuit, on distingue deux parties (figure I.1) :
– la zone active au contact du silicium, constituée de transistors MOS, c’est-à-dire Métal Oxyde Semiconducteur, de résistances, de diodes et de condensateurs, appelée aussi « Front-End »,
– les couches plus externes, constituées de plusieurs niveaux superposés de conducteurs, isolés entre eux par des diélectriques, qui assurent la connexion entre les différents composants actifs et qui constituent les interconnexions, appelées aussi « Back-End ». Le dernier niveau conducteur des interconnexions est formé de plots métalliques qui permettent de réaliser la connexion entre la puce et son boîtier.  La dernière couche de cette structure est composée d’un ou de deux films diélectriques de passivation qui protègent le circuit de toutes formes d’agressions extérieures, notamment de l’humidité de l’environnement et de la contamination ionique.

Lorsque tous les films ont été déposés, le substrat de silicium est aminci en face arrière. Puis les puces sont découpées et placées dans un boîtier. Ce boîtier doit non seulement pouvoir être intégré dans le système auquel il est destiné mais également faire le lien entre les connexions électriques de la puce et les connexions optiques, fluidiques et mécaniques s’il y a lieu. Il permet également de protéger la puce des agressions extérieures, qu’elles soient mécaniques, chimiques, thermiques ou optiques.

Les deux techniques de mise en boîtier les plus utilisées sont :
– le câblage ou « wire-bonding »,
– le montage en « flip-chip ».

Pour la mise en boîtier par câblage, la puce de silicium est collée au centre de la cavité d’un boîtier, en plastique ou en céramique. Des fils sont soudés entre les plots du circuit intégré et les plots situés à l’intérieur du boîtier, eux-mêmes directement reliés aux pattes du boîtier (figure I.2). Les fils de câblage, souvent en or ou en aluminium, sont soudés par des techniques thermocompressive, thermosonique ou ultrasonique. Généralement un capot métallique est soudé à la surface du boîtier [Mir, 2002; Shon-Roy et al, 1998].

Cependant, par cette technique, les connexions sont uniquement réalisées sur les bords de la puce. Pour certains produits à haute performance, le montage en « flip chip » est préféré, même s’il est plus onéreux, car il permet une plus grande densité de connexions.

Le montage en « flip-chip » est une technique de connexion électrique de la puce par contact direct sur son substrat (circuit imprimé ou autre puce). Dans ce cas, la puce est positionnée face vers le bas. Les plots métalliques de la puce sont reliés au circuit imprimé par des boules conductrices. Ces boules sont constituées d’un alliage à bas point de fusion, comme un alliage étain – plomb par exemple. Une résine isolante est placée entre la puce et le circuit imprimé (figure I.3) [Mir, 2002; Shon-Roy et al, 1998].

Les interconnexions

Les interconnexions sont constituées d’un réseau de lignes métalliques dont le rôle est la distribution des signaux électriques et la connexion des différents composants actifs. Ces lignes métalliques s’organisent sur plusieurs niveaux séparés par des couches de diélectriques (ou diélectriques interlignes). Les connexions entre les lignes de deux niveaux différents sont assurées par des ponts métalliques appelés vias (figures I.1, I.4 et I.5).

On distingue différents types d’interconnexions [SIA, 2003] :
– les premiers niveaux permettent de prendre les contacts par l’intermédiaire de vias en tungstène sur les zones actives et sur la grille du transistor, ils concernent les connexions entre transistors adjacents : ce sont les interconnexions locales,
– les niveaux supérieurs établissent les liaisons dans un bloc fonctionnel, ils assurent aussi la connexion avec les lignes du premier niveau de métallisation : ce sont les interconnexions intermédiaires,
– les derniers niveaux peuvent traverser l’ensemble de la puce : ce sont les interconnexions globales. Les interconnexions peuvent ainsi, par exemple, contenir jusqu’à 10 niveaux de métal pour la technologie 90 nm (cette distance, appelée nœud technologique, fait référence au pas minimal de métal, soit à la moitié de la plus petite distance séparant deux lignes ou deux plots métalliques, obtenue généralement au niveau des cellules DRAM, de l’acronyme « Dynamic Random Access Memory » [SIA, 2003]).

Evolution des matériaux d’interconnexions

Dans les années 70, les interconnexions étaient constituées de lignes conductrices en aluminium, isolées par de l’oxyde de silicium, sur un seul niveau. Afin d’augmenter les performances des circuits intégrés, l’industrie microélectronique augmente sans cesse la densité d’intégration de transistors par puce. Selon la loi empirique définie par Moore en 1965, le nombre de transistors par puce est multiplié en moyenne par quatre tous les trois ans. Cette augmentation nécessite la réduction de la taille des transistors, mais entraîne également des modifications pour les interconnexions : la largeur des lignes diminue, l’espace interligne diminue également, le nombre de niveaux augmente.

Le temps de propagation de l’information dans le circuit correspond à la somme du temps lié à la communication des transistors et du temps nécessaire à la transmission du signal par les interconnexions. Avec la réduction des dimensions de base du circuit, la vitesse de communication des transistors augmente. Cependant, la complexité croissante des interconnexions entraîne une forte augmentation du temps de propagation du signal. Le délai lié aux interconnexions devient prépondérant et limite la vitesse du circuit [Bohr, 1995].

Table des matières

Introduction générale
Chapitre I. Les interconnexions : généralités, matériaux diélectriques, contraintes mécaniques
1. Le circuit intégré
1.1. Les composantes d’un circuit intégré
1.2. La mise en boîtier des puces
2. Les interconnexions
2.1. Généralités
2.2. Evolution des matériaux d’interconnexions
3. Les diélectriques « low-k »
3.1. Structure des films
3.2. Propriétés mécaniques
4. Les contraintes mécaniques
4.1. Relation contraintes-déformations
4.2. Origine des contraintes
4.3. La contrainte intrinsèque
4.4. La contrainte thermoélastique
5. Les défauts dus aux contraintes
6. Objectifs de l’étude
Chapitre II. Méthodes d’élaboration et de caractérisation des films diélectriques et de leurs interfaces
1. Le dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma
1.1. La technique
1.2. Les équipements
2. Techniques de caractérisation des propriétés mécaniques
3. L’indentation instrumentée ou nanoindentation
3.1. Rappel sur les propriétés mécaniques
3.2. L’essai d’indentation
3.3. Géométrie de l’indenteur
3.4. Exploitation des essais
3.5. Equipement de mesure
4. La diffusion Brillouin
4.1. Rappel sur les ondes acoustiques
4.2. La diffusion Brillouin
4.3. Application aux calculs des constantes élastiques
4.4. Equipement de mesure
5. La mesure de courbure
5.1. Effets des contraintes dans une couche mince
5.2. Contrainte d’une multicouche
5.3. Mesure de la courbure d’une couche mince
5.4. Evaluation du coefficient de dilatation thermique
5.5. Equipement de mesure
6. La flexion quatre points
6.1. Adhésion et adhérence : définitions
6.2. Rappels sur la mécanique de la rupture des matériaux homogènes
6.3. L’essai de flexion quatre points
6.4. Préparation des éprouvettes et équipement
7. Autres techniques de caractérisation
7.1. Caractérisations physico-chimiques
7.2. Mesure de l’épaisseur et de l’indice de réfraction
7.3. Mesure de la densité
7.4. Mesure de la constante diélectrique
Chapitre III. Caractérisation des diélectriques et de leurs interfaces
1. Présentation et structure des diélectriques étudiés
1.1. Elaboration des films
1.2. Structure des films
2. Le module réduit et la dureté
3. Le module de Young et le coefficient de Poisson
3.1. Résultats
3.2. Comparaison des résultats obtenus par diffusion Brillouin et par nanoindentation
4. La contrainte résiduelle et le coefficient de dilatation thermique
5. L’énergie d’adhérence
5.1. Les interconnexions de la technologie 90 nm
5.2. Résultats des essais de flexion quatre points
5.3. Complément bibliographique sur la corrélation entre les propriétés des interfaces mesurées sur des échantillons sans motif et les propriétés des interfaces dans des architectures complexes
6. Conclusion
Conclusion générale

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