Approche locale du vieillissement et influence d’un post-traitement sur la fiabilité

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Traitements post-dépôt

Parmi ces procédés applicables aux couches minces, nous pouvons citer le recuit thermique, l’implantation ionique par faisceau d’ions et par traitement plasma.

Le recuit thermique

Le traitement par recuit thermique permet de changer l’état de contrainte résiduelle dans les couches. Il existe sous plusieurs formes d’un type de matériau à un autre, recuit rapide ou de plusieurs heures. Pour les couches minces de nitrure de silicium, ce procédé est réalisé soit volontairement, soit involontairement de par la suite du process de fabrication. Dans certains travaux portant sur l’implantation de surface, il est souvent effectué un recuit pour relaxer les contraintes en gardant à peu près le même niveau de densité dans les couches superficielles [60].
Le traitement thermique peut libérer l’hydrogène de ses liaisons Si-H et N-H dans la couche de SiNx (700-1000°C) [61]. Celui-ci peut ensuite diffuser à l’intérieur du substrat et dans les couches internes pour interagir avec les impuretés et les défauts cristallographiques. Donc pour être efficace, l’hydrogène doit diffuser sous forme atomique. Pour certains auteurs lors du recuit thermique, l’hydrogène serait libéré majoritairement sous forme moléculaire (H2) de surcroît dans le milieu environnant et non dans le substrat [61].
L’autre problème avec ce procédé est qu’il peut impacter les surfaces des matériaux et les interfaces des empilements des échantillons : par exemple certains composants actifs tels que les transistors pHEMT risquent de subir des dégradations irréversibles suite à une exposition à une température très supérieure à la température de fonction. N’oublions pas que les différences entre les CTE réservent aussi de mauvaises surprises aux interfaces des différents matériaux ce qui rend complexe la mise en œuvre d’un tel procédé.

L’implantation ionique par faisceau d’ions

L’implantation ionique est un procédé inventé à la fin des années 1940 dans le but modifier les propriétés d’un matériau cible. Elle était initialement développée pour les semi-conducteurs mais au cours des années a été élargie aux métaux et aux polymères.
L’implantation ionique par faisceau d’ions est un procédé d’ingénierie des matériaux qui consiste à modifier les propriétés en insérant des atomes d’un élément à travers la surface d’un échantillon solide par bombardement d’ions d’énergie comprise entre quelques eV et 1 MeV [62]. Cela nécessite un faisceau d’ions : N+, C+, B+, Ti+, W+. Le profil des ions implantés peut être assimilé à une répartition gaussienne ( . 1.28).
1 − 2
( ) = [− ( ) ] ( . 1.28)
Δ (2 )1/2 2
Δ
Avec ( ) : la fonction de répartition des ions par cm3
: la profondeur
: la dose d’implantation
: la profondeur moyenne d’implantation
Δ : l’écart type de la distribution de concentration
Sachant que la profondeur d’implantation est fonction de l’énergie des ions incidents à la surface du matériau, plus l’énergie d’implantation est élevée, plus la profondeur est élevée. En dérivant la fonction ( ), nous obtenons le pic du maximum de concentration qui se trouve au milieu de la profondeur d’implantation.
Très souvent les spécialistes de l’implantation ionique utilisent le simulateur Monte-Carlo (SRIM) pour estimer le profil d’implantation avec en ordonnée la concentration et en abscisse la profondeur.
Dans le cas des couches minces en nitrure de silicium, l’implantation des ions N+ est utilisée pour rendre les couches beaucoup plus compressives ou pour les densifier en azote.

L’implantation ionique par traitement plasma

Encore appelé Plasma Immersion Ion Implantation (PIII), le traitement plasma est une alternative de l’implantation ionique qui ne nécessite pas de source d’ions. Un mélange gazeux (plasma) est injecté dans l’enceinte de traitement puis ionisé par une onde haute fréquence. En appliquant une haute tension entre la cathode est la pièce à implanter (reliée à l’anode), les ions du plasma vont alors s’implanter de manière uniforme sur toute la surface de l’échantillon. Pour ce type de traitement chimique, le profil de distribution des ions est triangulaire c’est-à-dire maximale en surface et décroissant linéairement jusqu’à la profondeur de traitement.
Dans ses travaux, Raymond [53] a effectué un traitement plasma sur des couches de SINx déposées sur Si par PECVD dans le but de montrer l’évolution de la contrainte en fonction du temps de traitement. Ces travaux ont fait ressortir la conclusion que les couches contraintes sont beaucoup plus denses avec une faible concentration en hydrogène ce qui réduit ainsi considérablement la porosité de la couche.
En résumé, les traitements superficiels sont des moyens « post-dépôt » qui procurent d’excellents apports à la qualité de la passivation (densité, contrainte résiduelle…) en surface et en volume avec une contrepartie de modification (légère ou importante) des performances. Pour les couches minces en nitrure de silicium, la combinaison d’une mise en température et d’une implantation par exemple, permet de faire sortir l’hydrogène des couches et l’implantation in-situ réalisée crée ainsi une densification de la couche. Notons que le profil de la température utilisée a aussi son impact sur le traitement. Si la quantité d’hydrogène libérée augmente avec la température, l’efficacité de la passivation en volume n’est pas tout à fait assurée. De plus l’implantation d’un élément dans un autre est variable d’un matériau à un autre. C’est pour cela qu’il convient aux utilisateurs de trouver une température optimale et une durée de traitement que ce soit en recuit ou en implantation ionique.

Conclusion

Les composants essentiels qui sont embarqués dans les équipements de la charge utile des satellites de télécommunications sont généralement les puces microélectroniques du type « microondes » avec des fonctionnalités spécifiques et une méthodologie de qualification propre. Dans ce chapitre, nous avons présenté d’une part le contexte de fiabilité dans le spatial et plus précisément celui des composants MMIC. Nous avons ensuite exploré les aspects de leur qualification pour le spatial en mettant un accent particulier sur l’un des essais de vieillissement notamment la chaleur humide et les normes qui y sont associées. Partant de la physique des semi-conducteurs et des origines des contraintes internes dans les couches minces, nous avons abordé les aspects de leur modélisation et de méthodes de détermination de ces contraintes disponibles dans la littérature.
D’autre part, les formes d’endommagement et de défaillance des technologies MMIC ont été présentées puis discutées. Nous pouvons noter des dégradations diverses telles des fissurations, de la corrosion et de la délamination, dues à l’agressivité de milieu environnant et à la polarisation appliquée sur les transistors. Enfin nous avons discuté le fait que plusieurs paramètres de dépôt influent sur l’état mécanique des couches minces et sur les performances des composants.
Enfin, la littérature nous a montré que les couches de SiNx PECVD ne sont pas d’excellentes passivations et ne sont pas souvent stœchiométriques. Cela s’explique par leur forte concentration en hydrogène et explique leur faible robustesse dans des environnements agressifs tels l’humidité [49].
Puisqu’il est évident que la qualité de la densité et la composition en hydrogène [49] de la couche mince de passivation SiNx joue sur sa résistance à la corrosion, les techniques de dépôt se tournent plus vers cet objectif tout en évitant de stresser fortement les composants. Dans le prochain chapitre, nous aurons à présenter la problématique de nos travaux portant sur la mise en place d’une expérimentation originale permettant de faire varier les contraintes internes dans les couches minces tout en restant dans une configuration de qualification spatiale.

Table des matières

Remerciements
Nomenclature
Sommaire
Introduction générale
Chapitre 1 : Fiabilité des composants micro-ondes
1.1. La charge utile des satellites et les contraintes du spatial
1.1.1. La charge utile et ses équipements
1.1.2. Les contraintes de milieu spatial
1.1.3. Notion de « microondes » et de MMIC
1.1.4. Le « packaging »
1.2. La fiabilité des MMIC et les essais de qualification pour applications spatiales
1.2.1. La fiabilité et la défaillance
1.2.2. Méthodologie de fiabilité des MMIC dans le spatial
1.2.3. Les tests de vieillissement accéléré
1.3. Physique des semi-conducteurs..
1.3.1. L’effet « transistor »
1.3.2. Structure électronique des semi-conducteurs
1.3.3. Modélisation de l’effet piezorésistif
1.3.4. Le pHEMT
1.4. Les couches minces et leurs contraintes résiduelles
1.4.1. Rappel du comportement mécanique des matériaux
1.4.2. Origine des contraintes internes dans les couches minces
1.4.3. Thermo-élasticité des couches minces
1.4.4. Moyens de caractérisation des contraintes internes dans les couches minces
1.5. Phénomènes de dégradation des composants MMIC
1.5.1. Défaillances propres aux MMIC GaAs
1.5.2. Pertes de performances
1.5.3. Mécanismes locaux d’endommagement
1.5.4. Récapitulatif sur la défaillance des MMIC
1.6. Etat de l’art sur la passivation en nitrure de silicium SiNx
1.6.1. Techniques de dépôt et propriétés physiques
1.6.2. Facteurs d’influence sur l’état mécanique
1.6.3. Facteurs d’influence sur les performances
1.6.4. Traitements post-dépôt
1.7. Conclusion
Chapitre 2 : Modélisation de l’état de contrainte et mise en place du test d’évaluation de fiabilité
2.2. Présentation des composants de cette étude et de leurs structures de test
2.2.1. Description technologique et observations
2.2.2. Le PCB : « Printed Circuit Board » et la semelle de test
2.3. Mise en oeuvre des essais de vieillissement accéléré « enrichis »
2.3.1. Cahier des charges lié aux tests environnementaux..
2.3.2. Mode de chargement
2.3.3. Choix des matériaux et des épaisseurs
2.3.4. Interconnexions du PCB
2.3.5. Optimisation du procédé de montage des véhicules de test
2.4. Mise sous contrainte mécanique de puces unitaires par flambage
2.4.1. Description du banc de test pour calibration de la contrainte mécanique
2.4.2. Simulation numérique de la contrainte appliquée et validation du banc de test
2.4.3. Mesures électriques de calibration
2.5. Contraintes induites par la mise en température au cours du test THB85/85
2.5.1. Modélisation thermomécanique
2.5.2. Résultats et discussions
2.5.3. Corrélation avec les endommagements locaux après vieillissement
2.6. Autres sources de contraintes
2.6.1. Contraintes induites par la mise en oeuvre des véhicules de test
2.6.2. Contraintes induites par l’encapsulation plastique
2.6.3. Bilan des niveaux de contrainte interne dans le SiNx
2.7. Conclusion
Chapitre 3 : Influence des conditions de vieillissement sur les performances des composants microondes
3.1. Méthodologie adoptée
3.1.1. Objectifs des tests
3.1.2. Choix et description des véhicules de test
3.1.3. Protocole de test
3.1.4. Caractérisation des véhicules de test
3.1.5. Conditions de vieillissement
3.2. Effets combinés de la température et de l’humidité (sans contrainte mécanique)
3.2.1. Evolutions des performances statiques
3.2.2. Observations de surface et interprétations
3.2.3. Conclusion sur la simulation du stockage des MMIC GaAs
3.3. Effet du stress électrique (sans contrainte mécanique)
3.3.1. Résumé de la file de test
3.3.2. Analyse de la défaillance du véhicule de test : cas des MMIC du fondeur A
3.3.3. Analyse de la défaillance pour le BX9-2
3.3.4. Conclusion sur l’effet du stress électrique sur les MMIC GaAs
3.4. Influence des contraintes mécaniques appliquées sur la fiabilité des composants
3.4.1. Résumé de la file de test
3.4.2. Analyse de la défaillance d’un VT en traction : AX4-2
3.4.3. Analyse de la défaillance d’un VT en compression : AX8-2
3.4.4. Analyse de la défaillance d’un VT en compression : BX8-1
3.4.5. Résumé des défaillances sur les MMIC chargés mécaniquement puis vieillis
3.4.6. Modélisation locale de l’impact de la contrainte mécanique sur les composants
3.4.7. Conclusion sur l’effet de la contrainte mécanique appliquée
3.5. Résumé et conclusion
Chapitre 4 : Approche locale du vieillissement et influence d’un post-traitement sur la fiabilité
4.1. Approche locale du vieillissement des couches de SiNx
4.1.1. Démarche
4.1.2. Les moyens de caractérisation
4.1.3. Etat de l’art sur l’apport de l’infrarouge pour le suivi du vieillissement de SiNx
4.2. THB-D2O
4.2.1. Objectif de l’étude
4.2.2. Résultats du vieillissement à l’eau lourde
4.3. Etude des MMIC avec traitement de surface
4.3.1. Choix des conditions d’implantation
4.3.2. Effets du traitement sur la composition chimique des couches de passivation
4.3.3. Contraintes mécaniques induites par traitement chimique de surface
4.3.4. Plan d’expérience de la campagne de test THB-N
4.3.5. Résumé des variations de performances
4.3.6. Observations de surface
4.3.7. Conclusions
4.4. Interprétations et conclusion
Conclusion générale et perspectives
Conclusion générale
Perspectives
Références bibliographiques
Annexes
A1. Matériels de test de chaleur humide
A1.1. Enceinte climatique « Climats »
A1.2. Système de monitoring : BILT
A1.3. Chambre environnementale « SMS »
A2. Moyens de mesures de performances
A2.1. Mesures électriques par connecteurs
A2.2. Mesures électriques sous pointes
A3. Moyens de caractérisation chimique
A3.1. Spectroscopie infrarouge
A3.2. Spectroscopie photo-électronique
A3.3. Spectroscopie de masse d’ions secondaire à temps de vol

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