Les circuits intégrés sont partie prenante de tous les secteurs industriels et de la vie couranteactuels. Leurs dimensions sont sans cesse réduites afin d’accroître leurs performances. Cetteminiaturisation s’accompagne notamment d’une densification et d’une complexification du réseaud’interconnexions. Les interconnexions, lignes métalliques chargées de transporter le signalélectrique dans les circuits apparaissent ainsi plus sensibles à la dégradation par électromigration.Ceci, compte tenu des fortes densités de courant qu’elles transportent. Il se trouve donc dans lesnoeuds technologiques avancés, de plus en plus difficile de garantir le niveau de fiabilité requis pourles interconnexions.La réduction de la durée de vie des interconnexions est liée à la fois à la difficulté croissanteà réaliser les étapes de procédés pour les géométries souhaitées et à l’augmentation de la dispersiondes temps à la défaillance. Dans un premier temps, nous avons poussé la compréhension desmécanismes en jeu lors de la dégradation par électromigration. Nous avons ainsi mis en évidence lerôle joué par la microstructure et la composition chimique des lignes de cuivre dans l’augmentationde leur durée de vie. Dans un second volet, l’accent a été porté sur l’amélioration de l’analysestatistique des durées de vie avec un focus sur les défaillances précoces et les distributionsbimodales qu’elles engendrent. De même, la structure multi liens que nous avons mise au pointpermet de répondre à la question fondamentale de l’augmentation de l’échantillonnage de test ;améliorant ainsi la précision aux faibles taux de défaillance pour des projections robustes des duréesde vie. / Integrated circuits are part of our nowadays life as they are presents everywhere; as well as in daily life or industry. They are continuously downscaled to increase their performances. As a result, this downscaling lead to complex interconnects grid architectures. Interconnects which are metal lines carrying electric signal in the circuit are thus more and more sensitive to electromigration failure. This I because of increasingly higher current densities they carry. Obviously, in advanced technology nodes, it is more and more difficult to ensure the reliability level required for interconnects. Interconnects lifetime reduction is linked to increasing difficulty to perform all process steps with these very small features and also to increasing failure times dispersion. In the first part of the work presented here, we deepened the understanding of mechanisms involved during electromigration degradation. We have thus shown the fundamental role played by the microstructure and the chemical composition of the line in increasing its lifetime. The second part of the work dealt with the improvement of statistical analysis of failure times. We thus focused on early failures and the bimodal failure times distributions they generate. As far as that goes, the multilink structure we have designed answers the fundamental question of increase test sampling. This lead then to improved precision at very low failure rates for robust lifetime's extrapolation to use conditions.

Cette thèse se situe à la croisée de trois domaines : la spintronique qui s'attache à utiliser le degré de liberté du spin de l'électron afin de fabriquer de nouveaux dispositifs électroniques; l'électronique moléculaire qui cherche à profiter des progrès de la chimie moderne afin de fournir des alternatives au tout semi-conducteur de la micro-électronique; le magnétisme moléculaire qui cherche à synthétiser des aimants moléculaires aux propriétés toujours plus riches. Notre travail a consisté à produire un dispositif électronique à base d'aimant moléculaire et d'utiliser le spin de l'électron afin d'étudier les propriétés magnétiques à l'échelle d'une molécule. Des dispositifs semblables pourraient, dans l'avenir, constituer l'une des briques élémentaires de l'information quantique. Nous avons pour cela opté pour un transistor moléculaire à effet de champ, ayant pour canal un aimant moléculaire aux propriétés magnétiques bien connues : le Terbium double-decker ou TbPc2. Grâce à ce dispositif, nous avons, dans un premier temps, mis en évidence le retournement de l'aimantation d'une molécule unique par effet tunnel ou QTM (quantum tunneling of the magnetization). En effet, nous avons démontré que ce retournement entraînait une modification soudaine de la conductance de notre système. En effectuant une étude statistique sur les valeurs du champ de retournement, nous avons mis en évidence la présence de résonances que nous avons pu attribuer au phénomène de QTM. Nous avons également mesuré l'état d'un spin nucléaire unique : chaque résonance étant associée à un état de spin nucléaire. Nous avons étudié la température du spin nucléaire et montré que celle-ci pouvait être influencée par l'environnement électrostatique du système. En outre, le temps de vie d'un état de spin nucléaire a été extrait et estimé à quelques secondes, vérifiant que le système était faiblement perturbé par notre technique de mesure. Ces travaux jettent les bases de la construction du premier Qbit à base d'aimants moléculaires. Par des techniques de radiofréquence, le spin nucléaire pourrait être manipulé, la lecture se faisant ensuite par une mesure en conductance. / This PhD thesis is at a cross-road between three different fields : the spintronics which uses the spin degree of freedom of the electron to build new devices ; the molecular electronics which tries to take advantage of the new development of the chemistry, to give a workaround to the all semiconductor paradigm of the microelectronics industry; and the molecular magnetism which synthesizes molecular magnet with properties of an increasing richness. Our work has been dedicated to the fabrication of a molecular magnet based electronic device with which we could use the spin of the electron to study the magnetic properties at a single molecule level. Such device could, in the future, be used in the field of quantum information. We have decided to fabricate a field effect molecular transistor in which a well known molecular magnet, the Terbium double-decker or TbPc2, acts as a channel. Thanks to this device, we evidenced the quantum tunnelling of the magnetization (QTM) at single molecule level. We demonstrated that the magnetic moment reversal induces an abrupt change in the differential conductance of the system. By performing a statistical study, we highlighted four resonances that were attributed to QTM. We also measured a single nuclear spin state : each resonance being directly associated with one particular nuclear spin state. We studied the nuclear spin temperature and showed that it could be influenced by the electrostatic environment. Furthermore, the spin state lifetime was assessed and estimated to few seconds, highlighting the low invasive character of our measurement technique. This work give the foundation of the first molecular magnet based Qbit. With radio frequency techniques, the nuclear spin could be manipulated, the readout being performed through conductance measurement.

Le contrôle du nombre et de l'état quantique d'électrons individuels est un élément clé pour la construction d'applications innovantes comme les sources à un électron ou les standards métrologiques de courant. La difficulté d'atteindre la précision métrologique pour une source de courant alimente la recherche fondamentale sur le transport individuel d'électrons dans les structures mésoscopiques. Un candidat prometteur combine le concept de quantification de la charge dans un transistor à un électron et la bande interdite de la densité d'états d'électrodes supraconductrices. Le transport corrélé en temps d'électrons entre les électrodes supraconductrices est alors assuré par la densité d'états continue de l'ilot métallique central. Le grand nombre d'états électroniques disponibles dans l'ilot, bien que favorable en termes de couplage tunnel, a néanmoins deux conséquences importantes que sont les fluctuations thermiques et des processus parasites d'ordre supérieur, ce qui limite la performance de ces dispositifs. Dans ce contexte, nous explorons le transport de charges dans un tourniquet à électrons hybride basé sur une boîte quantique en lieu et place de l'ilot métallique. Les dispositifs sont réalisés par l'électromigration contrôlée de constrictions d'Aluminium précédée par le dépôt aléatoire de nano-particules d'or. Ce procédé in-situ (réalisé à 4 K) permet l'obtention de jonctions tunnel entre des électrodes supraconductrices d'aluminium et nano-particules d'or avec un taux de succès de l'ordre de 4%. Nous caractérisons le transport statique et en fréquence dans ces nanostructures par la mesure statique du courant à une température de 100 mK dans un environnement fortement filtré, mais néanmoins compatible avec l'électro-migration, d'un réfrigérateur à dilution. L'analyse des cartes de conductance en fonction des tensions drain-source et de grille révèle une énergie de charge très élevée de l'ordre de 10 meV et un écart entre niveaux discrets d'énergie de l'ordre de 1 meV. Par une étude détaillée de l'élargissement des pics de cohérence au seuil du blocage de Coulomb, nous montrons que le transport électronique est assuré par un niveau unique dans la boîte quantique. Bien que le couplage tunnel soit faible, le temps de vie d'un électron dans un niveau donné est dominé par l'hybridation des états électroniques entre les électrodes et la boîte quantique. En effet, les fluctuations thermiques et les processus inélastiques sont inopérants du fait du grand écart d'énergie entre niveaux et de la bande interdite supraconductrice dans les électrodes. L'observation de résonances sous le seuil imposé par le blocage de Coulomb est décrite par des processus de cotunneling de type paire de Cooper-électron. Lorsqu'un signal radio-fréquence de forme sinusoïdale ou carrée est ajouté à la tension de grille, un fonctionnement de tourniquet à électron est montré. Nous obtenons un courant quantifié jusqu'à une fréquence de 200 MHz, au delà de laquelle la précision se dégrade à cause d'évènements tunnel manqués. Le couplage à un niveau unique dans la boîte quantique est clairement démontré par l'apparition d'effets de transport tunnel inversé à grande tension drain-source ainsi que l'insensibilité à la température jusqu'à environ 300 mK. Enfin, nous observons une suppression systématique du courant uniquement à basse fréquence et avec un signal r.f. sinusoïdal. En accord avec une prédiction théorique, nous montrons que les effets tunnel manqués sont causés par un processus adiabatique au travers l'anti-croisement d'un niveau quantique sur la boîte quantique avec la densité d'états des électrodes supraconductrices. Nos expériences fournissent la première démonstration expérimentale de la répulsion de niveaux entre un niveau discret et un semi-continuum, illustrant ainsi l'évolution cohérente de nos tourniquets hybrides à électron dans un régime adiabatique. / Accurate control over the state and motion of single individual electrons would enable a variety of appealing applications reaching from quantized to quantum coherent electron sources. Realizing the accuracy of quantized current sources required for a metrological standard is however extremely challenging and has naturally fuelled fundamental research into single electron transport through mesoscopic structures. A promising candidate, foreseen to meet the demand, combines the concept of quantized charge in single electron transistors (SETs) and the gapped density of states in superconducting metals (hence called hybrid electron turnstile), to produce a quantized current. The time-correlated electron transport (sub-poissonian) between the superconducting leads is conveyed by the continuous density of states of the central normal island. The large amount of available states at the normal island, although favorable in terms of tunnel coupling, has nevertheless two important ramifications i.e. 1) thermal fluctuations and 2) adverse higher-order processes, which limit the performance of hybrid electron turnstiles. Inspired by this ingenious application and the advances in quantum dot trans- port, we explore the operation of a hybrid electron turnstile embodying a bottom-up quantum dot instead of the usual metallic island. The desired devices are obtained by controlled electromigration of aluminium nano-wires preceded by the deposition of gold nano-particles. This in-situ process (conducted at 4 K) produces pristine tunnel junctions between aluminium leads and gold nano-particles with a yield of about 4%. We characterize the stationary and turnstile operation by direct current measurements at 100 mK, in a heavily filtered, but electromigration compatible, inverse dilution refrigerator. Analysis of the acquired conductance maps under stationary conditions, reveal a large charging energy (> 10 meV) and mean level spacing (> 1 meV). With a detailed study of the coherence peak broadening at the Coulomb blockade (CB) threshold, we show that electron transport through the quantum dot is conveyed by a single quantum level. Although the tunnel coupling is weak, the single level life-time is dominated by the lead - quantum dot hybridization as thermal energy fluctuation and in-elastic scattering are suppressed by the large single level spacing on the quantum dot and the superconducting gap in the leads. The observation of sub-threshold resonances parallel to the CB diamond edges are consistent with earlier predicted higher-order Cooper-pair - electron (CPE) cotunneling processes. Under turnstile operation a periodic modulation signal (sine or square wave) is added to the static gate potential. We demonstrate quantized current up to 200 MHz at which its accuracy starts to worsen due to missed tunnel events. Strong experimental evidence of the single quantum dot level nature of our turnstile device is provided by a sharp onset of backtunneling processes and the temperature-robust operation beyond 300 mK. Finally we observe a systematic current suppression unique to the low frequency sine wave operation. Supported by theoretical work, we show that the underlying missed tunnel events are caused by adiabatic traverses across the avoided crossing of a quantum dot level and superconducting gap edges. These experiments deliver the first experimental observation of the level repulsion between an electronic discrete state and a semi-continuum and demonstrate the quantum coherent evolution of our devices under adiabatic operation conditions.

L'assemblage tridimensionnel des circuits microélectroniques et leur utilisation dansdes conditions environnementales extrêmement sévères nécessitent ledéveloppement d’alternatives plus robustes pour les contacts électriques. Unetechnique prometteuse est la transformation des contacts de brasure conventionnelleen composés intermétalliques (IMC). Ce processus est appelé « Transient LiquidPhase Soldering » (TLPS).Dans ce contexte, des tests accélérés permettant la formation d’IMC parélectromigration et thermomigration ont été effectués sur des structures « Packageon Package ». L'objectif principal est le développement d'un modèle généralpermettant de décrire la formation des IMC dans les joints de brasure. Combiné avecune analyse par éléments finis ce modèle pourra être utilisé pour prédire la formationdes IMC dans les joints de brasure pour des structures et des profils de missiondifférents. Le modèle de formation des IMC pourra être utilisé pour optimiser unprocessus TLPS. / A further miniaturization of microelectronic components by three dimensionalpackaging, as well as the use of microelectronic devices under harsh environmentconditions, requires the development of more robust alternatives to the existing Snbased solder joints. One promising technique is the diffusion and migration driventransformation of conventional solder bumps into intermetallic compound (IMC)connections. The related process is called transient liquid phase soldering (TLPS).Against this background an investigation of the IMC formation under consideration ofelectromigration and thermomigration was performed. For the stress tests Packageon Package structures are used. The final result is a general model for the IMCformation in solder joints. Combined with a Finite Element Analysis (FEA) this modelis used to predict the IMC formation in solder joints for a broad range of boundaryconditions. In future the model of the IMC formation can be used to optimize a TLPSprocess.

Au cours de ce travail de thèse, nous avons étudié la formation de nanogaps par électromigration dans des nanofils d'or. Cette technique consiste à provoquer la rupture d'un nanofil en lui appliquant de fortes densités de courant et peut être utilisée pour la caractérisation électrique de nano-objets. Néanmoins, les mécanismes de formation des nanogaps ne sont, à ce jour, pas encore totalement compris. L'étude en temps réel du processus d'électromigration par microscopie à force atomique a permis d'apporter un éclairage nouveau de la dynamique du processus. En effet, il apparaît que la structure globale du dispositif est définie dans les premiers temps de l'électromigration et nous avons montré que cette structure est directement liée à la microstructure du film métallique. Pour la première fois, des nanogaps ont été élaborés par électromigration dans des films monocristallins. Malgré l'absence de joints de grain, il est possible de former des nanogaps dans un matériau épitaxié. L'utilisation de ces matériaux permet d'obtenir des nanogaps avec une morphologie plus reproductible. Les propriétés de transports des nanogaps obtenus à partir de films polycristallins ont été caractérisées. Les caractéristiques obtenues présentent toutes des signatures particulières, attribuées à la présence d'agrégats d'or provenant de la procédure d'électromigration et/ou de polymères issus du procédé de nanofabrication. Ces résultats montrent la difficulté à réaliser des mesures à l'échelle de la molécule unique / We have studied the formation of nanogaps by électromigration of gold nanowires. Electromigration relies on large current densities to break a thin and narrow metallic wire and can be used for the electrical characterization of nanometer scale objects. Nevertheless, a complete description of the electromigration process is lacking. Real time atomic force microscopy during the electromigration process gave a new view the dynamic of the process. Indeed, this study reveals that the major structural changes appear at the early stage of the process and that the final global structure of the device is directly linked to the pre-existing microstructure. For the first time, we make nanogaps by électromigration of monocrystalline nanowires. We show that despite the lacking of grain boundaries, it is possible to form nanogaps in epitaxial materials. The morphology of those nanogaps is more reproducible. The electrical transport properties of the polycristalline nanogaps have been measured. The entire obtained characteristics show particular signature that can be attributed to the presence of gold cluster formed during the électromigration process and / or to polymer from the nanowire fabrication. These results show the difficulty to measure at the molecular scale

Submitted by JOSIANE SANTOS DE OLIVEIRA (josianeso) on 2018-10-03T13:26:39Z No. of bitstreams: 1 Bernardo Bortolotto Ilha_.pdf: 35188571 bytes, checksum: cac488e47b7d5a9301e00e7ab4d1ad4b (MD5) / Made available in DSpace on 2018-10-03T13:26:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Bernardo Bortolotto Ilha_.pdf: 35188571 bytes, checksum: cac488e47b7d5a9301e00e7ab4d1ad4b (MD5) Previous issue date: 2018-01-16 / UNISINOS - Universidade do Vale do Rio dos Sinos / The aging and electromigration (EM) effects were evaluated when up to 0.19 wt.% Zn was added to Sn-0.7 wt.% Cu solder. Currently, the Sn-0.7 wt.% Cu solder is being widely used in the electronic industries due to its advantages of low cost and high temperature applications. However, its usage is also limited by detrimental properties – for instance, when compared to SAC305, Sn-0.7 wt.% Cu solder has lower electromigration life time, shear strength and drop reliability. Minor Zn alloying to Pb-free solders reportedly enhances some of their properties, e.g.: stabilization of bulk microstructures by decreasing undercooling; formation of a thin interfacial diffusion barrier and, thereby, suppressing Cu3Sn and Cu6Sn5 interfacial IMC growth rate and retarding under bump metallurgy (UBM) diffusion through the solder; and also, compensation for Sn self-diffusion due to reverse polarity effect. In this research, the aging and EM effects are assessed when 0.09, 0.16 and 0.19 wt.% Zn were added to Sn-0.7 wt.% Cu solder. The samples underwent up to 500 h of isothermal aging at temperatures of 125, 150 and 175 °C, and EM samples underwent up to 200 h of stressing at a constant temperature of 150 °C and current of 3.25 A. Solder balls were fabricated on a BGA structure for the aging tests, and for the EM tests, a pair of solders was assembled in a daisy-chain structure with organic solderability preservative (OSP) and electroless nickel immersion gold (ENIG) surface finishes. The microstructural evolution and compositional distribution analyses were carried out using optical microscope with brightfield and cross polarized light, scanning electron microscope (SEM), energy dispersive spectrometer (EDS), electron probe micro analyzer (EPMA), and electron backscattered diffraction (EBSD). The addition of Zn suppresses the formation of Cu3Sn IMC and the total interfacial IMC thickness upon aging, and the samples with ENIG had smaller IMC thickness than OSP surface finish. In addition, the grains' microstructure becomes less interlaced and more stable, indicating lower undercooling. The electromigration effects on the microstructure is mainly governed by the relative orientation between the c-axis of Sn grains and the direction of current flow. When parallel, allows cathode UBM and alloying elements diffusion through the solder and formation of IMC, and, when transverse, inhibits this diffusion leading to failure by void formation at the anode UBM/solder interface due to depletion of the UBM and slow Sn self-diffusion.

La dégradation par électromigration des interconnexions en cuivre damascène est une des principales limitations de la fiabilité des circuits intégrés. Des méthodes de caractérisation complémentaires aux tests de durée de vie, habituellement utilisés, sont nécessaires pour approfondir nos connaissances sur ce phénomène de dégradation. Dans cette étude nous proposons de suivre la croissance par électromigration de la cavité en analysant l'évolution de la résistance de l'interconnexion en fonction du temps. Nous avons, dans un premier temps, étudié les effets de la section de ligne et de la température et, dans un second temps, ceux de la densité de courant et de la longueur de ligne. Nous avons ainsi montré que l'analyse de l'évolution de résistance est une méthode pertinente pour étudier la cinétique de dégradation et en extraire les paramètres caractéristiques tels que l'énergie d'activation du phénomène d'électromigration. Nous avons par ailleurs mis en évidence l'influence de la forme et de la taille de la cavité sur le temps à la défaillance, effet d'autant plus important que la ligne est courte.

Electromigration tests on different Cu dual-damascene interconnect tree structures consisting of various numbers of straight via-to-via lines connected at the common middle terminal have been carried out. Like Al-based interconnects, the reliability of a segment in a Cu-based interconnect tree strongly depends on the stress conditions of connected segments. The analytic model based on a nodal analysis developed for Al trees gives a conservative estimate of the lifetime of Cu-based interconnect trees. However, there are important differences in the results obtained under similar test conditions for Al-based and Cu-based interconnect trees. These differences are attributed to the variations in the architectural schemes of the two metallization systems. The absence of a conducting electromigration-resistant overlayer in Cu technology and the low critical stress for void nucleation at the Cu/inter-level diffusion barrier (i.e. Si₃N₄) interface leads to different failure modes between Cu and Al interconnects. As a result, the most highly stressed segment in a Cu-based interconnect tree is not always the least reliable. Moreover, the possibility of liner rupture at stressed dual-damascene vias leads to significant differences in tree reliabilities in Cu compared to Al. While an interconnect tree can be treated as a fundamental unit whose reliability is independent of that of other units in Al-based interconnect architectures, interconnect trees can not be treated as fundamental units for circuit-level reliability analyses for Cu-based interconnects. / Singapore-MIT Alliance (SMA)

With constant miniaturization of integrated circuits, the current densities experienced in interconnects in electronic circuits has been multiplied. Aluminum, which is widely used as an interconnect material, has fast diffusion kinetics under low temperatures. Unfortunately, the combination of high current density and fast diffusion at low temperatures causes the circuit to fail by electromigration (EM), which is the mass transport of atoms due to the momentum transfer between conducting electrons and diffusing atoms. In the present study, the effect of alloying elements in aluminum on the diffusion behavior is investigated using a non equilibrium molecular dynamics method (NEMD) under the effect of electromigration wind force. The electromigration force was computed by the use of a pseudopotential method in which the force depends on the imperfections on the lattice. 1.125 at% of various elements, namely Cu, Mg, Mn, Sn and Ti were added into aluminum. The electromigration force was then calculated on the alloying elements and the surrounding aluminum atoms and these forces incorporated into molecular dynamics using the non-equilibrium formalism. The jump frequencies of aluminum in these systems were then computed. Cu, Mn and Sn impurities were found to be very effective in lowering the kinetics of the diffusion under electromigration conditions. Cu was known experimentally to have such an effect on aluminum for several years, but the Mn and Sn elements are shown here for the first time that they can have a similar effect.

Purpose of this work is to provide a comprehensive picture of thin film (interconnect) and solid droplet surface evolution under the several external applied forces with anisotropic physical properties so that one can eventually be able to predict main reasons and conditions under which stability of surface is defined. A systematic study based on the self-consistent dynamical simulations is presented for the spontaneous surface evolution of an thin film and isolated thin solid droplet on a rigid substrate, which is driven by the surface drift diffusion induced by the anisotropic diffusivity, the anisotropic capillary forces (surface stiffness) and mismatch stresses under electron winding. The effect of surface free energy anisotropies (weak and strong (anomalous)) on the development kinetics of the Stranski-Krastanow island type morphology are studied. Although, various tilt angles and anisotropy constants were considered during simulations, the main emphasis was given on the effect of rotational symmetries associated with the surface Helmholtz free energy topography in 2D space. The investigations of dynamics of surface roughness on concurrent actions of the appliedelasto- and electro- static fields clearly indicate that applied misfit stress level is highly important effect on resultant surface form which may be smooth wave like or crack like. The droplet simulations revealed the formation of an extremely thin wetting layer during the development of the bell-shaped Stranski-Krastanow island through the mass accumulation at the central region of the droplet via surface drift-diffusion. The developments in the peak height, in the extension of in the wetting layer beyond the domain boundaries, and the change in triple junction contact angle, one clearly observes that these quantities are reaching certain saturation limits or plateaus, when the growth mode turned-off. Islanding differences for weak anisotropy constant levels and the strong (anomalous) anisotropy constant domains are discussed.