Developpement de matériaux de barrière auto-formants pour interconnexions BEOL avancées // Self Forming Barrier Materials for Advanced BEOL Interconnects

Contexte : Avec la miniaturisation des dispositifs électroniques et l'introduction de nœuds technologiques avancés inférieurs à 10 nm, la fiabilité des interconnexions en cuivre (Cu) devient un enjeu central pour maintenir les performances des dispositifs microélectroniques. Ces interconnexions doivent non seulement garantir une conductivité optimale, mais aussi résister à la diffusion et à la délamination. Traditionnellement, des barrières de diffusion à base de tantale (Ta/TaN) sont utilisées pour empêcher la diffusion du cuivre dans le diélectrique. Cependant, à mesure que les dimensions des dispositifs diminuent, l'incorporation de ces barrières devient de plus en plus complexe, même avec des techniques avancées comme le dépôt de couches atomiques (ALD), car l'épaisseur de la barrière doit être réduite à quelques nanomètres. Pour relever ce défi, une alternative prometteuse émerge avec les barrières auto-formantes (Self-Forming Barriers, SFB). Ce procédé utilise des alliages de cuivre enrichis en éléments tels que le manganèse (Mn), le titane (Ti), l'aluminium (Al) ou le zinc (Zn), qui migrent à l'interface Cu-dielectrique pour former une barrière ultra-fine. Cette solution simplifie le processus de fabrication tout en minimisant la résistance électrique des interconnexions.
Projet de thèse : Le candidat au doctorat rejoindra une équipe de recherche multidisciplinaire pour explorer et optimiser les matériaux pour la réalisation de SFBs en utilisant des alliages de Cu. Les axes principaux incluent :
• Sélection et caractérisation des matériaux : Développer et analyser des films minces d'alliages de Cu par des méthodes électrochimiques et/ou PVD pour étudier leur microstructure et leur morphology.
• Formation de barrière : Contrôler la migration des alliages à l'interface Cu/dielectrique lors de l'annealing thermique et évaluer l'efficacité de la barrière.
• Propriétés électriques et mécaniques : Évaluer l'impact des SFB sur la résistance électrique, l'électromigration et la délamination, en particulier lors de tests accélérés.
Compétences requises : Diplôme de Master en électrochimie ou en science des matériaux avec un fort intérêt pour la recherche appliquée. Un intérêt prononcé pour le travail expérimental, des compétences en dépôt de films minces, électrochimie et caractérisation des matériaux (AFM, SEM, XPS, XRD, SIMS). Vous devez être capable de mener des recherches bibliographiques et d'organiser votre travail de manière efficace.
Environnement de travail : Le candidat travaillera au sein d'une équipe pluridisciplinaire et aura accès à des installations de pointe de 200/300 mm, il participera au projet NextGen du CEA sur des interconnexions avancées pour des applications à haute fiabilité.
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Context : As semiconductor technology scales down to 10 nm and below, Back End of Line (BEOL) scaling presents challenges, particularly in maintaining the integrity of copper interconnects, where line/via resistance and copper fill are key issues. Copper (Cu) interconnections must resist diffusion and delamination while maintaining optimal conductivity. In the traditional Cu damascene process, metal barriers and a Cu seed layer are deposited by PVD to enable electrochemical copper deposition. As dimensions shrink, it becomes increasingly difficult to incorporate tantalum-based diffusion barriers, even with techniques like atomic layer deposition (ALD), as the barrier thickness must be reduced to just a few nanometers. To address this challenge, a self-forming barrier (SFB) process has been proposed. This process uses copper alloys containing elements such as Mn, Ti, Al, and Mg, which segregate at the Cu-dielectric interface, forming an ultra-thin barrier while also serving as a seed layer for electroplating.
Thesis Project: The PhD candidate will join a leading research team to explore and optimize materials for SFBs using Cu alloys. Focus areas include:
- Material Selection & Characterization: develop and analyze Cu alloy thin films by electrochemical and PVD methods to study their microstructure and morphology.
- Barrier Formation: Control alloy migration at the Cu/dielectric interface during thermal annealing and assess barrier effectiveness.
- Electrical & Mechanical Properties: Evaluate SFB impact on electrical resistance, electromigration, and delamination, especially in accelerated tests.
Required skills : Master's degree in electrochemistry or materials science with a strong interest in applied research. A pronounced interest in experimental work, skills in thin film deposition, electrochemistry and materials characterization (AFM, SEM, XPS, XRD, SIMS). You should be able to conduct bibliographic research and organize your work efficiently.
Work Environment: The candidate will work in a renowned laboratory with state-of-the-art 200/300 mm facilities and will participate in the CEA’s NextGen Project on advanced interconnects for high reliability applications.

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Pôle fr : Direction de la Recherche Technologique
Pôle en : Technological Research
Département : Département des Plateformes Technologiques (LETI)
Service : Service des procédés de Dépôts
Laboratoire : Laboratoire
Date de début souhaitée : 01-09-2025
Ecole doctorale : Ingénierie - Matériaux - Environnement - Energétique - Procédés - Production (IMEP2)

Public/private mixed funding

Pôle fr : Direction de la Recherche Technologique
Pôle en : Technological Research
Département : Département des Plateformes Technologiques (LETI)
Service : Service des procédés de Dépôts

Master 2 Electrochimie / Matériaux