Analyse du comportement d'interconnexions damascènes en cuivre testées en électromigrations

= Behaviour analysis of copper damascene interconnects submitted to electromigration stresses

• Auteur / Autrice : Thierry Berger
• Direction : Gérard Lormand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Matériaux
• Date : Soutenance en 2001
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne ; 1991-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microélectronique

Électrodiffusion

Circuits intégrés

Résumé

L'augmentation de la vitesse de fonctionnement des circuits intégrés conduit à remplacer les interconnexions en aluminium gravé par des interconnexions en cuivre réalisées à l'aide du procédé damascène. L'électro-migration, transport de matière induit par le passage d'un courant électrique, reste le mode de défaillance qui contrôle la f1abilité de ces nouvelles interconnexions. Cette fiabilité a été étudiée à l'aide de tests peu accélérés sur des dispositifs placés en étuve et de tests fortement accélérés réalisés directement sur les interconnexions. En termes de fiabilité, le gain substantiel apporté par les interconnexions en cuivre dépend fortement de la technique de dépôt mise en œuvre et de la nature des barrières de diffusion qui empêchent le cuivre de diffuser vers le substrat de silicium. Au cours de cette étude les résultats obtenus lors des tests très accélérés sont apparus cohérents avec ceux effectués en étuve. Pour les lignes polycristallines, les énergies d'activation des processus de transport évaluées sur l'ensemble des métallurgies testées sont substantiellement plus faibles que celles citées en référence pour l'autodiffusion du cuivre aux joints de grains. Une analyse approfondie des défaillances permet cependant de montrer le rôle actif de la diffusion aux joints de grains dans le processus de dégradation de ces • interconnexions. Pour les lignes de type « bambou » (largeur de ligne inférieure à la taille de grains), le mécanisme' de transport prépondérant est la diffusion à l'interface cuivre/passivation. La texture des interconnexions en cuivre damascène est beaucoup plus complexe que celle des interconnexions en aluminium gravé ; toutefois la fiabilité des interconnexions testées est, au premier ordre, indépendante de cette texture. L'observation systématique d'extrusions de matière présentant une forme singulière en ailes de papillons tt nécessitera dans l'avenir des études approfondies pour une meilleure compréhension de ce mode de défaillance.

The increase of integrated circuits speed functioning leads to the replacement of Al-based interconnects by copper interconnects integrated with the damascene process. Electromigration, which is a matter migration induced by an electric current, remains the failure mode ruling the reliability of these new interconnects. This reliability failure mode has been studied using moderately accelerated tests performed at package level and highly accelerated tests performed at wafer level. These two kinds of tests provided very consistent results. From the reliability point of view, the substitution of etched aluminum interconnects by damascene copper interconnects provided a substantial benefit whose magnitude depends on both the deposition process for copper and the nature of the diffusion barrier which prevents copper from diffusing towards the silicon substrate. For polycrystalline interconnects, the activation energy values of the diffusion processes are substantially lower than the reference values of copper self diffusion at grain boundaries. Nevertheless, a detailed failure analysis provided evidences that grain boundary diffusion plays a key role in the damaging process of copper interconnects. For bamboo-type interconnects (line width lower than grain size), the dominating transport mechanism is diffusion at the upper interface. The texture of damascene copper interconnects is much more complex than the texture of etched Al-based lines and has no substantial impact on the electromigration behaviour of the copper lines. The systematic observation of butterfly wings-shaped extrusions will necessitate detailed studies for a better understanding of this additional failure mode.