Evolution de la chimie de dépôt du cuivre

5.1.2.1 Description des modifications de procédé

La modification de procédé que nous allons étudier concerne la composition du bain électrochimique. Le dépôt du cuivre se fait par réduction d'ions métalliques sur le substrat qui est alors notre cathode. Le contact électrique entre le substrat et le bain est assuré par la couche d'accroche déposée préalablement par PVD.

La composition du bain chimique est optimisée pour favoriser un remplissage extrêmement conforme : le remplissage est accéléré dans les tranchées de sorte que l'état final soit une couche de cuivre extrêmement plane tout en ayant rempli les tranchées. Pour cela, des additifs sont ajoutés à la solution de sulfate de cuivre qui sert de base ainsi que du chlore (à hauteur de 50 ppm).

On dénombre trois types d'additifs : le suppresseur, l'accélérateur et le nivelant. Le suppresseur et l'accélérateur agissent en compétition. Le suppresseur réagit avec le chlore et empêche la réduction des ions métalliques. L'accélérateur qui a tendance à être adsorbé dans les motifs supprime l'effet du suppresseur, ce qui permet de remplir les tranchées alors que la vitesse de dépôt en surface est nulle. Enfin, le nivelant diminue la vitesse de dépôt. Il se place préférentiellement dans les zones à forte densité de courant donc au niveau des pics et des angles. C'est en général un polymère à haut poids moléculaire ce qui l'empêche de pénétrer facilement dans les tranchées. Il a ainsi une action planarisante en surface et empêche le pincement de la tranchée avant son remplissage complet.

Dans notre cas nous avons d'un côté une solution de référence que l'on appellera REF et dans l'autre une solution dont les additifs sont différents que l'on appellera MLI. Le but visé de cette deuxième solution est d'améliorer le remplissage. Pour cela, sa composition présente moins d'impuretés. Ces solutions provenant de fournisseurs extérieurs, il ne nous est pas possible de connaitre la composition de ces bains et donc les différences entre REF et MLI. Nous avons pu, dans certains cas, observer la présence de ces impuretés dans les lignes de cuivres mais n'ayant pas constaté de lien entre ces impuretés et la localisation des cavités nous ne discuterons pas ce point plus en détail. Pour cette étude, les tests d'électromigration, tout comme les caractérisations par EBSD, ont été effectués sur des lignes de 63 nm de large au niveau Métal 2. Plusieurs courants ont été utilisés durant le dépôt électrolytique pour le MLI (3 A; 6,75 A et 10 A). Le procédé que nous avons retenu est celui utilisant un courant de 10 Ampères pour le dépôt. Nous avons choisi celui-ci car il présentait une forte variation de résistivité comparée à REF (déposée à 3 Ampères). Pour des structures de 63 nm de large, la variation de résistance, et donc à priori de résistivité puisque les structures ont la même géométrie, est de 9%. Cette variation augmente lorsque l'on diminue la largeur des lignes et diminue lorsque les structures ont des dimensions plus relâchées. Par contre, lorsque l'on compare les deux chimies de dépôt à courant équivalent, on n'observe pas de différence significative sur la résistivité du cuivre. La variation observée provient donc principalement du courant appliqué pour le dépôt électrolytique et non de la composition du bain.

5.1.2.2 Résultats des tests d’électromigration

Les tests d'électromigration sont réalisés sur des structures de 63 nm de large à 300°C et à une densité de courant d'environ 20 mA/µm². Le temps à la défaillance pour chaque échantillon correspond ici (et pour les études suivantes) au saut de résistance de la courbe de suivi de résistance dont un exemple était présenté Figure 4.14. Les résultats de ces tests montrent une légère dégradation des temps à la défaillance pour le procédé MLI avec un temps médian identique. Cette variation n'est pas suffisante pour considérer un effet du changement de procédé. La Figure 5.4

Chapitre V : La lutte contre l'électromigration a commencé

présente les distributions des temps à la défaillance en représentation logarithmique en abscisse et normale en ordonnée.

Figure 5.4 : Distributions des temps à la défaillance pour les deux conditions de dépôt de cuivre. Afin que les performances restent confidentielles, les temps à la défaillance sont exprimés en unité arbitraire, y compris pour la suite du manuscrit.

On remarque effectivement une dégradation globale de la fiabilité pour le procédé MLI principalement marquée pour les temps à la défaillance faibles et longs. La dispersion de ces temps à la défaillance est à peine plus importante pour MLI avec un écart type de 1,14 contre 1,10 pour REF. Enfin, la différence des résistances initiales mesurées n'est ici que de 5% à comparer aux 9% mesurés durant le suivi du procédé de fabrication.

Pour conclure sur ces résultats, bien que l'on observe effectivement une augmentation significative de la résistance, la résistivité n'augmente que de 2% pour le procédé MLI (le calcul de la résistivité est fait à partir du TCR¹⁹, qui rend compte de la variation de résistance avec la température, pour le détail du calcul je vous renvoie vers cette thèse [2]). Les distributions des temps à la défaillance sont relativement comparables et la fiabilité de ces deux procédés est donc considérée identique. Les analyses EBSD ont été réalisées sur des substrats différents de ceux utilisés pour les tests de vieillissement ayant subi les mêmes procédés de dépôt mais préparés spécialement pour une caractérisation par la technique de diffraction des électrons rétrodiffusés.

5.1.2.3 Résultats des analyses EBSD

Les substrats caractérisés ici ont subi les mêmes étapes de procédé que les échantillons caractérisés électriquement jusqu'à l'étape de polissage du Métal 2. Les étapes suivantes ont été le dépôt d'une couche d'encapsulation, à base de SiCN, d'environ un nanomètre, afin d'éviter une oxydation du cuivre tout en permettant de recueillir un signal de diffraction, puis un recuit simulant les recuits des étapes suivantes vus par les structures testées électriquement. Cette procédure de préparation a été validée au préalable sur d'autres substrats que ceux des procédés REF et MLI.

Le procédé REF a été caractérisé sur des lignes de 63 nm de large pour une aire d'environ 100 µm². Pour le procédé MLI, une forte dérive a été observée ce qui a limité l'aire d'analyse à 30 µm². Nous avons pallié cette faible statistique en effectuant une seconde caractérisation de même aire, que nous avons comparée afin d'établir un seuil de dispersion pour chaque paramètre. Les résultats des analyses de ces deux procédés de dépôt sont présentés Figure 5.5 pour les différents paramètres microstructuraux et Figure 5.6 pour la texture.

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Chapitre V : La lutte contre l'électromigration a commencé

Figure 5.5 : Tableau comparatif des paramètres microstructuraux pour les procédés REF et MLI.

La Figure 5.5 met en évidence un diamètre moyen et une dispersion de taille de grains légèrement supérieure pour le procédé REF. La différence notable se situe au niveau de l'intensité maximum des figures de pôles. Les deux procédés présentent une texture similaire orientée (111) selon les flancs des tranchées, comme le montre les figures de pôles (001) de la Figure 5.6, mais elle est beaucoup moins marquée pour le procédé REF qui présente également une forte orientation (001) à la surface de l'échantillon.

Notre traduction de ces résultats, au regard des résultats du chapitre précédent, est que, dans le cas du procédé REF, la surépaisseur participe fortement à la croissance des grains et très peu pour le procédé MLI. Cette hypothèse explique notamment que les empreintes de la surépaisseur soient beaucoup plus nombreuses dans la cartographie d'orientation du procédé REF.

Figure 5.6 : Figures de pôle (001) obtenues pour les procédés REF,à gauche et MLI, à droite.

5.1.2.4 Conclusion

Nous nous intéressons ici à deux modifications simultanées dont l'effet est impossible à décorréler sans une étude complémentaire. Néanmoins, même si nous ne sommes pas en mesure de savoir dans tous les cas si les différences résultent de la modification de la chimie du bain ou du courant d'électrodéposition, nous pouvons tirer quelques conclusions intéressantes.

Nous avons pu identifier que l'évolution de résistance et de résistivité provenait de la modification du courant puisqu'à courants identiques les valeurs de résistance sont comparables. Cette augmentation de résistance est d'autant plus importante que les lignes sont étroites ce qui peut s'expliquer par le modèle de croissance de grains proposé précédemment. La taille de grains légèrement inférieure dans le cas du procédé MLI pourrait expliquer la légère augmentation de résistivité. Des analyses chimiques ont montré une quantité de chlore et de souffre plus importante au sein des lignes de cuivre pour le procédé MLI. Cette plus forte concentration d'impuretés peut également expliquer l'augmentation de résistance.

Nous n'avons pas constaté de différence significative en ce qui concerne la fiabilité des lignes de cuivre pour l'un ou l'autre des procédés. En revanche, nous constatons une texture (111) provenant des flancs beaucoup plus marquée avec le procédé MLI. On peut donc en conclure que l'orientation des grains n'affecte pas significativement le phénomène d'électromigration.

Chapitre V : La lutte contre l'électromigration a commencé

La prochaine étude est consacrée à l'effet de différentes conditions de recuit à la fois sur les distributions des temps à la défaillance des lignes de cuivre et sur la microstructure du cuivre.