Fiabilité des structures

Réaliser des dispositifs fiables est un des enjeux majeurs de la microélectro- nique. Avec l’introduction de matériaux poreux et l’augmentation des densités de courants qui traversent les lignes de cuivre, la durée de vie des dispositifs est géné- ralement fixée par les interconnexions. Nous allons décrire dans cette section les principaux facteurs limitant leur fiabilité.

1.4.6.1 Fiabilité du diélectrique

L’introduction des matériaux à faible permittivité, et particulièrement des ma- tériaux poreux, introduit de nouveaux problèmes au niveau de la fiabilité en com- paraison de l’oxyde de silicium traditionnellement utilisé.

La porosité des matériaux low-k se traduit, au niveau des propriétés méca- niques, par un module d’élasticité faible, généralement inférieur à 10 GPa (contre plus de 50 GPa pour le SiO₂), et également par des propriétés d’adhérences beau- coup plus faibles. L’association de ces faibles propriétés mécaniques et des pro- cédés de planarisation (CMP) est donc critique puisqu’elle peut conduire à des délaminations, des fissures ou encore un affaissement de la structure.

D’autre part, l’introduction de la porosité dans les matériaux diélectriques fa- vorise l’apparition de défauts au cours des étapes d’intégration : liaisons pen- dantes, fissures, reprise d’eau, résidus de cuivre, diffusion des précurseurs de dé- pôt de la barrière. Ces défauts créent des chemins de diffusion privilégiés pour les porteurs de charge et favorisent les courants de fuite et le claquage du diélectrique. Enfin, un des facteurs conduisant à une diminution du TDDB (Time-

Dependent Dielectric Breakdown), qui est défini comme le temps moyen pendant

lequel le diélectrique résiste au claquage, est la rugosité de la structure. Soda et al. ont mis en évidence la relation entre TDDB et la rugosité d’une ligne de diélec- trique [Sod09]. Deux facteurs combinés expliquent la diminution du TDDB ob-

servée lorsque que la rugosité augmente : d’une part aux endroits où deux pro- éminences se font faces, la distance entre les deux conducteurs est plus faible et donc le champ électrique est plus élevé, figure 1.24 ; d’autre part, aux lieux où l’on trouve une proéminence le champ électrique est localement plus élevé par effet de pointe. Ces deux facteurs cumulés forment des chemins privilégiés pour le cla- quage du diélectrique.

low-k Cu

Cu Champ électrique maximal

(distance et effet de pointe) _{Distance la plus courte}

Figure 1.24 – Illustration d’une configuration de la rugosité où le champ électrique

est localement plus élevé.

1.4.6.2 Fiabilité des lignes de cuivre

Outre le risque de claquage du diélectrique, la principale cause de défaillance dans les interconnexions est due à l’électromigration. L’électromigration se définit comme un transfert de quantité de mouvement entre le flux d’électrons du cou- rant électrique et les atomes métalliques de la ligne conductrice, entraînant leur déplacement (figure 1.25). On peut déterminer la durée de vie moyenne (MTTF pour Medium Time To Failure) due à l’électromigration par l’équation empirique de Black [Bla69] :

MTTF = A j−nexpµ Ea

kBT ¶

(1.7) où A est une constante liée à la géométrie de la ligne, j la densité de courant passant dans la ligne, Ea l’énergie d’activation, kB la constante de Boltzmann, T la température et n un paramètre fixé empiriquement qui représente la cinétique limitant la rupture des lignes et qui dépend du matériau considéré. De cette équation on peut en déduire que le MTTF diminue lorsque la densité de courant augmente, et diminue également lorsque la température augmente. Or, la minia- turisation conduit à une augmentation de la densité de courant, et par effet Joule à une augmentation de la température des circuits. L’électromigration devient le principal problème pour la fiabilité des circuits dans les technologies avancées.

Les mouvements de matière peuvent avoir lieu selon divers chemins de dif- fusion (figure 1.26 [HR04]) : au sein du cuivre, au niveau des joints de grains, de

l’interface entre le cuivre et la barrière TaN/Ta ou de l’interface entre le cuivre et la barrière diélectrique (actuellement en SiCN à STMicroelectronics).

Flux d'électrons

Atome de

cuivre Lacune Déplacement de la lacune

Figure 1.25 – Schéma d’une diffusion lacunaire d’un atome de cuivre sous un flux

d’électrons.

(a) (b)

Figure 1.26 – Exemples de cavités dues à l’électromigration : (a) une ouverture de

circuit et (b) un court-circuit.

La diffusion aux joints de grains peut être réduite en jouant sur la micro- structure du cuivre. La diffusion est favorisée dans les structures polycristallines, à cause de la présence de nombreux joints de grains alors qu’elle est plus diffi- cile dans les structures monocristallines. On travaille donc sur la microstructure du cuivre pour obtenir des lignes de cuivre avec une structure dite « bambou » par opposition à une structure granulaires, figure 1.27 [Car08]. Dans une structure bambou, la matière est contrainte de diffuser en volume ou aux interfaces. Il est également intéressant de noter que les structures bambous — présentant peu de joints de grains — on l’avantage de minimiser la résistivité des lignes de cuivre comme mentionné à la section 1.4.4.3.

Ligne granulaire Ligne bambou

Figure 1.27 – Différentes microstructures possibles pour des lignes de cuivre.

Néanmoins, les lieux privilégiés pour l’électromigration sont les interfaces entre le cuivre et la barrière TaN/Ta, et l’interface entre le cuivre et la barrière diélectrique. L’adhésion du cuivre étant meilleure sur la barrière métallique que sur la barrière diélectrique, l’énergie d’activation est plus faible au niveau de cette interface Cu/SiCN où le cuivre diffuse préférentiellement [Arn03, Lan03].

La qualité et la nature des interfaces avec le cuivre sont par conséquent des éléments déterminants pour la fiabilité des interconnexions. Les barrières auto- positionnées (ou SAB pour Self Aligned Barrier), déposées sélectivement sur le cuivre, sont actuellement en cours d’évaluation pour répondre à la fois à une baisse nécessaire de la capacité globale de la structure et une amélioration de la durée de vie des circuits [Chh06, Dec07, Bai08, Gra09].