Développement de films minces à base de nanoparticules diélectriques et optimisation de dépôt pour fabriquer des condensateurs de découplage utilisés dans des assemblages à haute densité de modules électroniques.

Abstract

Dans le cadre de l’intégration tridimensionnelle (3D) associée à l’utilisation d’un nombre croissant de circuits intégrés (CIs), le besoin en condensateurs de découplage à forte densité de capacité (≥ 1 μF.cm-2), capables d’opérer sur une gamme de fréquences de plus en plus étendue, est crucial afin de limiter les fluctuations de tension d’alimentation au niveau des CIs. Le principal frein au développement de ces condensateurs réside dans l’obtention de couches minces (≤ 500 nm) à partir de matériaux ayant une forte permittivité relative (ε_r > 200 à 1 kHz) tout en conservant des technologies compatibles avec une intégration à grande échelle et peu coûteuses. L’approche proposée dans cette thèse s’appuie d’une part, sur la possibilité de synthétiser des nanoparticules diélectriques à base de Ba0.6Sr0.4TiO3 [BST] (Ø = 16 ± 2 nm, ε_r = 260 à 1 kHz) - obtenues en milieux fluides supercritiques - comme matériau diélectrique et d’autre part, sur la pulvérisation de jets ou spray coating comme technologie de dépôt en couches minces. Dans un premier temps, les nanoparticules de BST synthétisées sont fonctionnalisées par l’acide 3-aminopropylphosphonique (APA), permettant l’obtention de suspensions colloïdales constituées d’agrégats de petite taille (Ø ≤ 100 nm) et stables durant deux mois. Les ligands ont aussi pour fonction d’améliorer la tenue mécanique des films (auto-assemblage) sur le substrat de cuivre (Cu). La variation de paramètres liés à la solution à base des nanoparticules et à la technique de dépôt a permis le dépôt de films de différentes épaisseurs (< 1000 nm) à base de nanoparticules nues (BST nues) et fonctionnalisées (BST-APA). La combinaison de l’effet Marangoni via l’utilisation de co-solvant (éthanol/eau) et la modification du pH de la solution (pH = 2.5 – 3) permet d’éviter la formation d’une couche d’oxyde de cuivre et de résidus de phases organiques rencontrées lors du dépôt à haute température (T = 250 ºC, solvant = NMP). Après dépôt de plots d’aluminium (Al) sur les films à base de BST nues et BST-APA et utilisés comme électrode supérieure, les caractéristiques capacité-tension (C-V) et courant-tension (I-V) des condensateurs de structure métal-isolant-métal (MIM) ont permis d’extraire une densité de capacité élevée (≥ 1 μF.cm-2) et une densité de courant de fuite (~ μA.cm-2) mesurées à 1 V.

Abstract: Within the three-dimensional (3D) integration associated with the use of an increasing amount of integrated circuits (ICs), there is strong need of high capacitance density (≥ 1 μF.cm-2) decoupling capacitors, able to operate on large frequency bandwidth, in order to reduce the noise that can compromise the signal integrity in ICs. The main challenge of these capacitors relies on the deposition of thin films (≤ 500 nm) using innovative materials with high relative permittivity (εr > 200 à 1 kHz) and low cost technologies compatible with large scale integration. On one hand, the proposed approach in this thesis benefits from the possibility of synthetizing – by the supercritical fluid technology – and using Ba0.6Sr0.4TiO3 (BST) nanoparticles (Ø = 16 ± 2 nm, εr = 260 at1 kHz) as dielectric material and on the other hand, from the use of spray coating as technique for the deposition of these materials as thin films. First of all, the BST nanoparticles synthesized are functionalized with specific ligands (3-aminopropylphosphonic acid, APA), in order to obtain colloidal suspensions composed by aggregates with size (Ø < 100 nm) showing few fluctuations during two months. The other function of ligands is to improve the adhesion of the deposited films (self-assembling) on the copper (Cu) substrate. The variation of different parameters related to the solution and the deposition technique helped us to define the optimal conditions leading to different thicknesses of film (< 1000 nm) based on pristine (BST) and functionalized nanoparticles (BST-APA). The combination of the Marangoni effect via the use of co-solvent (ethanol/water) and the choice of a specific solution (pH = 2.5 – 3) inhibit the formation of the copper oxide layer and organic residues, observed when using high substrate temperature (T = 250 ºC, solvent = NMP). After deposition of aluminum pads (Al) on BST or BST-APA films and used as top electrode, the capacitance-voltage (C-V) and current-voltage (I-V) characteristics of capacitors with metal-insulator-metal (MIM) structure enabled us to achieve high capacitance density (≥ 1 μF.cm-2) and low leakage current (~μA.cm-2) at 1 V.