Evolution en coupe

Au contraire des analyses en vue de dessus où il était possible d'obtenir de grande surfaces à caractériser, la caractérisation en coupe demande plus de temps de préparation et ne permet pas d'obtenir un réseau de lignes à analyser. Nous avons choisi de caractériser une ligne en coupe sur environ 20 µm de long pour chaque largeur de ligne.

4.1.2.2.1 Cartographies d'orientation

Contrairement aux analyses en vue de dessus, nous ne montrerons pas ici de figures pôles car la statistique n'est pas assez importante pour que les figures soient aussi faciles à lire que précédemment. Néanmoins, on peut noter que l'on retrouve la même tendance en ce qui concerne la texture (111) en provenance des flancs pour les lignes de 120 nm et 70 nm de large.

En revanche nous pouvons obtenir une information qualitative sur la microstructure à partir des cartographies d'orientations. La Figure 4.7 présente les cartographies d'orientations pour les coupes des interconnexions de largeurs 480 nm, 240 nm et 120 nm, l'amenée de courant et le via sont sur la gauche comme sur la Figure 4.1.

Chapitre IV : Correlation entre microstructure et électromigration

Figure 4.7 : Cartographies d'orientations de coupes d'interconnexions selon la normale à l'échantillon.

Les interconnexions de 480 et 240 nm présentent toutes les deux une microstructure majoritairement colonnaire : un grain occupe toute l'épaisseur de la ligne. Le fait que les grains soient colonnaires pour les lignes larges indique que la surépaisseur a transmis son orientation jusqu'au fond de la ligne. On observe cependant quelques endroits où plusieurs grains occupent l'épaisseur de la tranchée. L'interconnexion de 120 nm de large présente par contre des grains d'une part plus petits (nous quantifierons cela dans la partie suivante) et une proportion de zones polycristallines plus importante. On constate ici un changement de la microstructure entre 240 et 120 nm contre 300 nm pour l'étude en vue de dessus. Afin de quantifier cette évolution, nous avons défini le paramètre P qui correspond à la proportion linéique de zone polycristalline, mesurée sur les cartographies d'orientation. La Figure 4.8 présente le graphique d'évolution de ce paramètre en fonction de la largeur des lignes.

Figure 4.8 : Evolution du paramètre P, représentant la proportion de zone polycristalline en fonction de la largeur des lignes.

On retrouve dans ce graphique un comportement similaire à celui de l'évolution de la densité de joints de grains en vue de dessus avec un changement de pente aux environs de 250 nm dans les deux cas. Ceci est cohérent dans la mesure où une proportion de zones polycristallines plus importante signifie également plus de joints de grains. Ceci montre que l'augmentation de densité de joints de grains est vraie à la fois en vue de dessus mais aussi en coupe. Il est intéressant de noter que l'évolution de la microstructure est ici inverse à celle observée en vue de dessus. La microstructure polycristalline est obtenue pour des lignes très étroites alors qu'en vue aérienne elle l'est pour des lignes très larges. Nous allons maintenant, pour compléter ces observations, nous intéresser à la taille de grains et aux joints de grains.

Chapitre IV : Correlation entre microstructure et électromigration

4.1.2.2.2 Les grains et joints de grains

La Figure 4.9 présente le graphique d'évolution de la taille de grains, calculée en surfacique comme dans la partie précédente. On note la présence d'un plateau entre 1000 et 480 nm où la taille de grains n'évolue presque pas puis une diminution importante jusque 70 nm.

Figure 4.9 : Evolution du diamètre moyen des grains (ramenés à des disques) en fonction de la largeur des lignes de cuivre obtenue par analyse EBSD en coupe. La moyenne est effectuée sur la surface des grains.

Dans ce cas, on ne peut pas attribuer la diminution de la taille de grains à un confinement puisqu'en regardant selon la coupe longitudinale, la hauteur de ligne est constante. On en déduit qu'un premier mécanisme permet d'obtenir des gros grains colonnaires et qu'un deuxième est responsable de la diminution de taille de grains et de l'augmentation du paramètre P.

Jusqu'ici, tous les paramètres que nous avons regardés présentaient deux régimes avec un seuil entre 200 et 300 nm aussi bien sur les cartographies que sur les graphiques présentés. On serait donc tenté de penser qu'un mécanisme de croissance intervient sur le premier régime et un autre dans le second. Le graphique présenté par la Figure 4.10 nous permet de trancher sur ce point. Il représente la dispersion de la taille de grains en fonction de la largeur des lignes à partir des analyses en coupe. Cette dispersion est quantifiée en faisant le rapport de la taille moyenne de grains calculée en surfacique et de son homologue calculé en numérique. Plus il y aura d'écart entre les grains les plus petits et les grains les plus gros et plus ce rapport sera important. Le graphique montre que la dispersion augmente de 1,4 à 2,6 entre 1000 nm et 480 nm, reste constante jusque 240 nm, puis diminue pour arriver à 1,4 pour une largeur de ligne de 70 nm. Nous pensons que l'augmentation de la dispersion correspond à une présence des deux mécanismes de croissance simultanée : l'un ayant tendance à donner des gros grains et l'autre des grains plus petits. Pour les largeurs extrêmes (1000 nm et 70 nm) un seul des deux mécanismes est présent permettant d'obtenir des gros grains ou des petits grains mais avec une distribution moins étendue.

Chapitre IV : Correlation entre microstructure et électromigration

Figure 4.10 : Dispersion de la taille des grains en fonction de la largeur des lignes de cuivre obtenue par analyse EBSD en coupe. La dispersion est quantifiée en faisant le rapport entre la taille moyenne de grain calculée en surfacique et en numérique.

Pour finir sur la caractérisation en coupe, après avoir étudié l'évolution de la taille de grain, de leur dispersion ainsi que de la densité de joints de grains (à travers le paramètre P), nous avons comparé la proportion des types de joints de grains en coupe en fonction des largeurs de ligne. Le graphique correspondant est présenté à la Figure 4.11. On peut observer la même tendance qu'en vue de dessus avec une diminution de la proportion de macle et une augmentation pour les autres types de joints de grains en dessous de 500 nm. Les écarts des différentes proportions entre les largeurs extrêmes sont par contre moins élevés qu'en vue de dessus et bien que l'on obtienne une proportion majoritaire de joints de grains de forte désorientation, la proportion de macles reste importante : 0,43 et 0,33 respectivement contre 0,65 et 0,15 en vue de dessus pour 100 nm de large. Ainsi, bien que la qualité du cuivre se dégrade dans l'épaisseur selon la même tendance qu'en vue de dessus, on garde en comparaison une proportion plus importante de grains maclés dans l'épaisseur.

Figure 4.11 : Proportion relative de chaque type de joints de grains en fonction de la largeur des lignes de cuivre obtenues par analyse EBSD en coupe.

Nous avons consacré cette partie à l'évolution des paramètres de la microstructure et de la texture en fonction de la largeur des lignes, largeur qui diminue avec l'avancement des nœuds technologiques. Nous avons alors noté aussi bien en caractérisant nos échantillons en vue de dessus

Chapitre IV : Correlation entre microstructure et électromigration

qu'en coupe, que deux régimes de croissance de grains étaient présents dont la largeur de ligne de transition était située entre 200 et 300 nm selon les paramètres considérés.

L'évolution des figures de pôles associée à ce qui a été observé dans la littérature nous amène à conclure à l'existence de deux mécanismes de croissance pour expliquer ces deux régimes. L'évolution de la dispersion de la taille des grains nous a renseignés sur le fait que l'un de ces deux mécanismes était majoritaire pour les lignes très larges ou très étroites et qu'ils étaient en compétition pour les largeurs intermédiaires. La croissance des grains a lieu durant la phase de recuit (180°C durant 90 s dans notre cas). On le constate par la baisse de résistivité après le recuit ainsi que par les analyses EBSD montrant un matériau presque amorphe avant le recuit et un matériau fortement texturé polycristallin après le recuit.

Avant de continuer sur les mécanismes de croissance cristalline que nous proposons, il est intéressant de noter que, malgré la statistique limitée de l'analyse en coupe, les tendances que l'on observe pour chaque paramètre sont aussi marquées qu'en vue de dessus. Ceci appuie donc notre hypothèse de deux mécanismes de croissance différents dont on retrouve par conséquent la signature même sur des zones d'observation limitées. Pour être réellement complet il aurait fallu également réaliser cette étude pour des coupes transversales mais nous considérons que ces deux angles de vues étant cohérents une vue transversale n'aurait pas apporté plus d'informations pour expliquer le phénomène de croissance.

4.1.2.3 Proposition d’un mécanisme de croissance en fonction de la largeur des lignes