Le polissage mécano chimique est très largement utilisé dans l'industrie des semiconducteurs pour aplanir des surfaces de divers matériaux. Sa grande capacité d'aplanissement et le grand nombre de paramètres sur lequel on peut jouer font de lui à la fois un procédé très utile et efficace, mais également un procédé difficile à maîtriser. De par justement le très grand nombre de paramètres, la modélisation de ce procédé a été difficile et s'est longtemps appuyée sur une loi proposée en 1927 par Preston et décrivant le polissage de lentilles de verres. Elle relie linéairement la pression et la vitesse à la vitesse d'enlèvement de matière. L'introduction de ce procédé dans l'univers des semiconducteurs a pris place dans les années 1980. Depuis, les matériaux polis ont énormément évolué, répondant aux besoins de l'industrie quant à la diminution de tailles et l'amélioration des propriétés (électriques surtout). Cette loi est empirique, et n'explique pas les phénomènes physicochimiques sous-jacents. Le principe du CMP (Chemical Mechanical Polishing, polissage mécano chimique) est de venir transformer par une action chimique la surface qu'on veut polir, et ensuite enlever cette surface transformée par abrasion mécanique. Notre étude porte sur la compréhension du phénomène d'enlèvement de matière et sur sa modélisation, dans le polissage mécano chimique de surface de cuivre. Pour cela, nous avons mis en place un dispositif expérimental plus simple et moins coûteux que les machines de polissage utilisées en ligne de production. Nos échantillons sont des carrés de 5cm2 découpés dans les tranches de 20 cm de diamètre. Ils sont placés sur le tissu de polissage (pad) qui est en rotation sur lui-même, et sur lequel sont amenés les liquides de polissages (slurries) contenant de l'oxydant, du BTA, du surfactant, de l'eau et des particules abrasives. On applique une pression sur le porte-échantillon. La couche superficielle de cuivre est transformée sous l'action des oxydants présents dans les slurries. Le cuivre se transforme en oxyde de cuivre (Cu2O), qui a des propriétés mécaniques et physiques différentes. C'est justement ces différences qui vont rendre plus facile l'enlèvement de la couche d'oxyde par rapport à la couche de cuivre. Les particules abrasives en solution sont à l'origine de l'enlèvement de matière à proprement dit. Elles viennent enlever un petit volume de la surface, dépendant de leur dimension, leur enfoncement et leur vitesse. Par ailleurs, on peut relier leur enfoncement à la pression qu'elles subissent. Finalement, notre modélisation aboutit à une expression dans laquelle la vitesse d'attaque (vitesse d'enlèvement de matière) est proportionnelle au produit Pq.V , avec P la pression, V la vitesse de polissage et q un exposant égal à 1, 19, et dépendant de la portance du tissu de polissage et de la profondeur d'indentation des particules dans la couche d'oxyde de cuivre. La couche d'oxyde n'est pas toute enlevée à chaque interaction de la surface avec une particule abrasive, cela va dépendre de l'épaisseur de cette couche. Cette épaisseur dépend de la durée entre deux interactions successives, durée qui permet l'action de la chimie, et donc la formation de la couche d'oxyde. Par ailleurs, de faibles concentrations en oxydant donnent des faibles épaisseurs et des fortes concentrations des épaisseurs plus importantes. La vitesse d'attaque du cuivre atteint un palier pour des concentrations en oxydant supérieures à 20 g/L : les particules abrasives ne peuvent pas enlever plus qu'un volume maximal dépendant de leur indentation maximale. Les morceaux d'oxyde de cuivre arrachés de la surface se retrouvent sous forme de débris englobés dans des micelles de surfactant, et sont évacués. Le CMP est utilisé pour aplanir les surfaces. Pour des motifs profonds, le pad ne touche pas le fond des motifs et l'enlèvement ne se fait que dans les parties hautes. Ensuite, à partir d'une marche DX, qui dépend de la géométrie, de la pression et des propriétés élastiques du pad, il y a contact partout sur le wafer et l'enlèvement de matière va dépendre de la hauteur de la marche. On aboutit à une expression en exponentielle décroissante, qui se retrouve très bien dans l'expérience. On a cherché également à expliquer comment se déroule le surpolissage, mais nos équations, bien que donnant les bonnes allures, nous donnent des valeurs bien trop importantes par rapport aux essais. La difficulté de la modélisation vient principalement de la présence d'un nouveau matériau, le tantale, dont on connait mal le processus d'enlèvement. Finalement, notre modélisation explique bien les processus d'enlèvement de matière et d'aplanissement.

Le polissage mécano-chimique (CMP) en raison de spécifications sévères, telles que l‘aplanissement de la surface à ± 5 nm, est devenu un enjeu crucial pour le développement des nœuds technologiques 14 nm et au-delà. Les méthodes actuelles de caractérisation de la topographie, limitées en termes de taille de surface analysée, évaluent l'efficacité des procédés sur des structures nommées boites de mesure. Ces structures mesurent 100 µm x 50 µm et sont situées entre les circuits intégrés. Elles sont donc non représentatives de la topographie de la puce et, de ce fait, des procédés de métrologie topographique de la puce sont requis. Dans un premier temps, nous montrons que la microscopie interférométrique est capable de caractériser la nano-topographie sur des distances centimétriques avec une résolution latérale micrométrique. La caractérisation par microscopie interférométrique de la nano-topographie induite par les procédés de CMP montre que les méthodes actuelles fournissent des valeurs topographiques non représentatives de la puce. Une méthodologie associée à ce nouveau type de caractérisation est proposée et discutée. Dans un deuxième temps, nous montrons que la diffusion de la lumière permet un contrôle rapide (trois minutes par plaques) et non destructif de variations nanométriques de la topographie de grilles de quelques dizaines de nanomètres de large sur toute la plaque. / Chemical Mechanical Polishing (CMP), because of narrower specifications, as surface planarization at ± 5 nm, is becoming a critical process for the development of the 14 nm technology node and beyond. Habitual topographic characterization techniques, limited in acquisition area, appraise processes efficiency through structures called test boxes. Those structures have a size equal to 100 µm by 50 µm and they are located, in the scribe lines, between the chips. Consequently, they are not representative of the die level topography and die level topographic metrology processes are required. In a first time, we show that interferometric microscopy is able to characterize nano-topography over centimetric distances with micrometric lateral resolution. Interferometric microscopy characterization of CMP processes induced nano-topography demonstrates that usual methods provide non representative die level topography values. A new characterization kind related methodology is proposed and discussed. In a second time, we show that diffused light measurement allows fast (three minutes/wafer) and non-destructive control of gate nano-topography variations for pattern widths of some tenths of nanometer.

Ce travail de thèse porte sur l’étude des mécanismes physico-chimiques mis en jeu lors du polissage mécano-chimique du Zerodur® (vitrocéramique) par un abrasif à base d’oxydes de cérium. Les défauts obtenus à l’issu du polissage ont été caractérisés en microscopie optique et par microscopie à force atomique (AFM). Il en ressort deux principales populations, à savoir des rayures de type « fines » (longitudinales et continues) causées par des débris de matière polie. La seconde est la typologie « rayure éclat » (fractures perpendiculaires au sens de la rayure) causées par des agglomérats d’abrasif. Des analyses en spectroscopie RX de l’abrasif montrent une augmentation du ratio Ce3+/Ce4+ après la phase de polissage, confirmant la part chimique du polissage du Zerodur®. Des analyses de potentiel zêta ont été menées sur ces mêmes abrasifs et montrent une évolution de la charge de surface des particules abrasives. Des observations AFM montrent que plus la part Ce4+ est importante et meilleure est la qualité finale de la surface polie. La surface polie a également été sondée en ToF-SIMS. Il en ressort la présence d’une couche enrichie en cérium de plusieurs dizaines de nanomètres, lieu de la réaction mécano-chimique de polissage. Plus précisément, cette réaction semble avoir lieu dans la phase vitreuse du Zerodur®. / This PhD work focuses on the study of the physicochemical mechanisms involved in the chemical-mechanical polishing of Zerodur® (glass-ceramics) with an abrasive based on cerium oxides. The defects observed after polishing were characterized by optical microscopy and atomic force microscopy (AFM). Two main populations were observed, namely "fine" (longitudinal and continuous stripes) caused by debris of polished material. The second is called "scratch" (perpendicular fractures) caused by abrasive agglomerates. RX spectroscopic analyzes of the abrasive showed an increase in the Ce3+/ Ce4+ ratio after the polishing phase. This point confirms the chemical part of Zerodur® polishing. Zeta potential analyzes were carried out on these same abrasives and show an evolution of the abrasive surface charge. AFM observations show that the higher the Ce4+ concentration, the better the final polished surface quality. The polished surface was also probed with ToF-SIMS analyzes. This shows the presence of a cerium-enriched layer of several tens of nanometers, which may be a site for the chemical-mechanical polishing reaction. More precisely, this reaction seems to take place in the glassy phase of Zerodur®.

L'objectif de ce travail de thèse a été d'évaluer, à partir d'outils de caractérisation électrique (spectroscopie d'impédance basse fréquence et courants thermo-stimulés), l'impact des étapes de polissage mécanochimique (CMP) et de recuits thermiques sur les propriétés diélectriques de matériaux utilisés pour les dernières générations de circuits intégrés. Une première partie est focalisée sur le matériau SiOCH poreux déposé par voie chimique " en phase vapeur " assisté par plasma (PECVD) suivant une approche porogène (p=26%, d=2nm et er=2,5). Son intégration dans les technologies 45nm nécessite l'utilisation d'un procédé de 'CMP directe' qui induit une dégradation des propriétés isolantes attribuée à l'adsorption de surfactants et de molécules d'eau. L'analyse diélectrique sur une large gamme de fréquence (10-1Hz- 105Hz) et de température (-120°C -200°C) a mis en évidence plusieurs mécanismes de relaxation diélectrique et de conduction liés à la présence de molécules nanoconfinées (eau et porogène) dans les pores du matériau. L'étude de ces mécanismes a permis d'illustrer le phénomène de reprise en eau du SiOCH poreux ainsi que d'évaluer la capacité de traitements thermiques à en restaurer les performances. Une seconde partie concerne l'étude d'une résine époxy chargée avec des nanoparticules de silice, utilisée en tant que 'wafer level underfill' dans les technologies d'intégration 3D. Les analyses en spectroscopie d'impédance ont montré que l'ajout de nanoparticules de silice s'accompagne d'une élévation de la température de transition vitreuse et de la permittivité diélectrique, ainsi que d'une diminution de la conductivité basse fréquence. L'autre contribution majeure des mesures diélectriques a été de montrer qu'un refroidissement trop rapide de la résine à l'issue de la réticulation était responsable d'une contrainte interne qui pourra occasionner des problèmes de fiabilité pour l'application.

Le polissage mécano-chimique (CMP) en raison de spécifications sévères, telles que l'aplanissement de la surface à ± 5 nm, est devenu un enjeu crucial pour le développement des nœuds technologiques 14 nm et au-delà. Les méthodes actuelles de caractérisation de la topographie, limitées en termes de taille de surface analysée, évaluent l'efficacité des procédés sur des structures nommées boites de mesure. Ces structures mesurent 100 µm x 50 µm et sont situées entre les circuits intégrés. Elles sont donc non représentatives de la topographie de la puce et, de ce fait, des procédés de métrologie topographique de la puce sont requis. Dans un premier temps, nous montrons que la microscopie interférométrique est capable de caractériser la nano-topographie sur des distances centimétriques avec une résolution latérale micrométrique. La caractérisation par microscopie interférométrique de la nano-topographie induite par les procédés de CMP montre que les méthodes actuelles fournissent des valeurs topographiques non représentatives de la puce. Une méthodologie associée à ce nouveau type de caractérisation est proposée et discutée. Dans un deuxième temps, nous montrons que la diffusion de la lumière permet un contrôle rapide (trois minutes par plaques) et non destructif de variations nanométriques de la topographie de grilles de quelques dizaines de nanomètres de large sur toute la plaque.

L’objectif de cette étude est de recycler du slurry, suspension silicatée, utilisé dans le domaine de l’électronique lors du polissage. Deux applications de polissage sont étudiées : le polissage silicium et le polissage tungstène. Pour ces deux applications, une caractérisation physico-chimique des slurries en amont et en aval du procédé de polissage a mis en exergue une importante dilution du slurry par de l’eau déionisée destinée au rinçage des wafers : une collecte ségrégée a ainsi été mise en place. Le procédé d’ultrafiltration permet une reconcentration de la silice. Toutefois ce procédé ne permet pas la récupération des composés dissous du slurry, qui restent pourtant essentiels au polissage et d’autant plus pour l’application tungstène : un ajustement chimique est donc développée avant réutilisation du slurry ainsi retraité. Pour le slurry tungstène, la matrice chimique étant plus complexe, deux types d’ajustement ont été testés dont les proportions ont été optimisées par une méthode de plans d’expériences.Concernant le slurry silicium, un prototype industriel a été installé et les résultats de polissage sont similaires au slurry POU sur un nombre significatif de plaques. La qualification industrielle a été réalisée. Ce prototype permet d’atteindre les objectifs de diminution de 30% de la consommation de slurry et de 40% des volumes d’effluents rejetés vers station d’épuration. / The chemical and mechanical polishing is a costly step in the process of microelectronic chips manufacturing. This study aims for recycle the silicate suspension named slurry by membrane processes. Both polishing applications are studied: the silicium and the tungsten polishing. A physical and chemical characterization before and after polishing process shows an important dilution of slurry by deionized water used for wafers rinsing. From CMP machine, a collect segregation of a concentrated effluent is realised by a diverter valve. Ultrafiltration has been chosen to reconcentrate silica but does not permit to recover the chemical compounds of the slurry which are essential to the polishing mainly to the tungsten application. Thus, retreatment process includes a collect segregation at the CMP outlet to decrease the dilution factor of slurry, an ultrafiltration step to concentrate silica and a chemical adjustment step. About tungsten application, the chemical media is more complex and two types of adjustment have been led. Firstly, a mix of POU and retreated slurry has been tested and secondly, an experiment of design with three important compounds of the slurry has been tested. Most CMP parameters are obtained in industrial specifications with the mix of POU and retreated slurry.Concerning the silicium slurry, an industrial prototype is installed and polishing results are similar to the original slurry for a significant wafers number. The industrial agreement is obtained. This prototype allows reaching a 30% decrease of slurry consumption and a 40% decrease of waste waters.

Ces travaux de cette thèse s'inscrivent dans la thématique du développement de techniques de contrôle avancé des procédés dans l'industrie de la microélectronique. Leur but est la mise en place de boucles d'asservissement permettant d'ajuster les paramètres d'un procédé de fabrication en temps réel. Ces techniques ont été appliquées sur le bloc isolation des circuits de la technologie CMOS. L'utilisation de tranchées d'isolation peu profondes est la solution pour les technologies <0,25µm. L'influence de la morphologie du STI sur la génération des contraintes mécaniques est montrée. Des études statistiques ont permis de démontrer que la dispersion de la hauteur de marche (paramètre critique du module isolation) influence directement une dispersion de la tension de seuil des transistors parasites. Trois boucles de régulation sont proposées afin de réduire la dispersion de la hauteur de marche. L'indicateur électrique choisi pour le suivi des boucles de régulation R2R est la tension de seuil des transistors parasites. Les procédés concernés par ces régulations sont le dépôt CVD à haute densité plasma, le polissage mécano-chimique et la gravure humide. Les modèles physiques des procédés représentent le cœur d'une boucle de régulation et ont été déduis à partir de plans d'expériences.

L'objectif de ce travail de thèse a été d'évaluer, à partir d'outils de caractérisation électrique (spectroscopie d'impédance basse fréquence et courants thermo-stimulés), l'impact des étapes de polissage mécanochimique (CMP) et de recuits thermiques sur les propriétés diélectriques de matériaux utilisés pour les dernières générations de circuits intégrés. Une première partie est focalisée sur le matériau SiOCH poreux déposé par voie chimique « en phase vapeur » assisté par plasma (PECVD) suivant une approche porogène (p=26%, d=2nm et er=2,5). Son intégration dans les technologies 45nm nécessite l'utilisation d'un procédé de ‘CMP directe' qui induit une dégradation des propriétés isolantes attribuée à l'adsorption de surfactants et de molécules d'eau. L'analyse diélectrique sur une large gamme de fréquence (10-1Hz- 105Hz) et de température (-120°C -200°C) a mis en évidence plusieurs mécanismes de relaxation diélectrique et de conduction liés à la présence de molécules nanoconfinées (eau et porogène) dans les pores du matériau. L'étude de ces mécanismes a permis d'illustrer le phénomène de reprise en eau du SiOCH poreux ainsi que d'évaluer la capacité de traitements thermiques à en restaurer les performances. Une seconde partie concerne l'étude d'une résine époxy chargée avec des nanoparticules de silice, utilisée en tant que ‘wafer level underfill' dans les technologies d'intégration 3D. Les analyses en spectroscopie d'impédance ont montré que l'ajout de nanoparticules de silice s'accompagne d'une élévation de la température de transition vitreuse et de la permittivité diélectrique, ainsi que d'une diminution de la conductivité basse fréquence. L'autre contribution majeure des mesures diélectriques a été de montrer qu'un refroidissement trop rapide de la résine à l'issue de la réticulation était responsable d'une contrainte interne qui pourra occasionner des problèmes de fiabilité pour l'application. / The aim of the thesis was to investigate, by electrical means (dielectric spectroscopy and thermally stimulated current), the impact of the chemical-mechanical polishing process and of thermal treatments on the dielectric properties of materials used in state-of-the-art Integrated Circuit (IC) technologies. A first part focuses on the nanoporous SiOCH (p=26%, e=2 nm and er=2,5) thin films deposited by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) using a porogen approach. After undergoing a process of direct CMP for its integration in the 45 nm node technology and beyond, those films experience a degradation of the insulating properties due to the adsorption of water and surfactants. A dielectric analysis performed on a wide range of frequency (10-1Hz - 105Hz) and temperature (-120°C - 200°C) exhibited many dielectric relaxation and conduction mechanisms due to molecules (water and porogen) nano-confined in pores. The phenomenon of water uptake of the porous SiOCH has been enlightened and the efficiency of thermal treatment to restore its performances has been evaluated through the study of these mechanisms. A second part deals with an epoxy resin filled with nano-particles of silica used as ‘wafer level underfill' for the 3D integration. Impedance spectroscopy showed that the addition of nano-particles induces an increase in the glass transition temperature and dielectric permittivity, as well as a decrease of the low frequencyconductivity. Furthermore, the dielectric measurements showed that a fast cool down of the resin after the cross-linking stage give rise to internal stresses which could potentially lead to reliability issues.