Structures de tests et méthodes de tests

L’étude de la fiabilité ne peut pas être réalisée directement sur des structures intégrées. Des structures particulières doivent alors être utilisées et intégrées sur les plaques aux côtés des structures actives. L’objectif est de rendre compte au mieux des phénomènes physiques qui apparaissent sous contrainte électrique.

2.1.5.1 Structures peigne/peigne

Les matériaux diélectriques sont ici étudiés dans une configuration MIM (Métal- Isolant-Métal) dédiée. Le matériau diélectrique dit « SiOCH 2.7 » est intégré entre deux conducteurs métalliques (W ou Cu). Une description de cette structure de test est donnée ci-dessous ainsi que la justification de ce choix.

Les structures peigne/peigne s’adressent à la caractérisation du diélectrique intégré entre deux lignes métalliques. Ces structures capacitives sont constituées de deux peignes imbriqués sur le même plan, comme présenté sur la Figure 2.8. L’intérêt de ces structures réside dans le fait d’obtenir des capacités et des courants de fuite élevés tout en limitant l’encombrement. La surface peut varier selon la longueur et le nombre de peignes. Sa géométrie est fonction de l’espacement (S) entre les électrodes, la largeur (La) des doigts

et la longueur de métal en vis-à-vis. Cette dernière correspond à la longueur de diélectrique testée. Ces structures spécifiques sont intégrées directement sur les plaques sur un même niveau de métal.

La Table 2.4 fait état des dimensions utilisées dans le cas du nœud technologique 28 nm FDSOI pour l’iBEOL. La Figure 2.8 donne une représentation schématique de la structure peigne/peigne.

Figure 2.8 – Schéma de la structure peigne/peigne.

Espacement S Largeur La Longueur de métal L Hauteur H ULK

Nœud 28 nm 45 nm 45 nm 1,52 x 107 _{nm 100 nm} Table 2.4 – Dimensions de l’iBEOL FDSOI 28 nm testé.

2.1. Réalisation des diélectriques « low-κ » Des plots de contact se trouvent aux extrémités de la structure. Ils permettent d’appli- quer une tension V entre les deux peignes et de mesurer le courant I(V,t) correspondant à la réponse du diélectrique. Lors d’une utilisation dans des conditions normales, la durée de vie du diélectrique doit être d’une dizaine d’années. Les tests de fiabilité des diélec- triques ne pouvant pas s’étaler sur une telle période, une méthodologie de tests accélérés s’impose. Ainsi, des tests sous fortes tensions, forts courants ou hautes températures sont autant de moyens permettant d’effectuer des tests accélérés. Ces structures peigne/peigne autorisent l’application de ces contraintes pour caractériser le diélectrique.

2.1.5.2 Méthodes de caractérisation électrique

L’optimisation des structures de test est indispensable pour l’étude de la fiabilité des diélectriques inter-lignes. Ces structures ont été développées pour subir des tests spécifiques, à de fortes tensions ou de très bas courants. Ainsi, deux méthodes de test existent :

• Tests sous contrainte constante

La première méthode consiste à soumettre les structures à une contrainte constante et de suivre l’évolution des propriétés du matériau diélectrique au cours du temps. Ainsi, le temps de claquage est mesuré en fonction de l’amplitude du stress appliqué. Ces tests sont relativement longs mais donnent des informations précises sur le temps à la défaillance.

Les deux principales contraintes utilisées sont le stress à courant constant (CCS pour constant current stress) et à tension constante (CVS pour constant voltage

stress). Pour le premier, un courant est appliqué et le temps jusqu’au claquage de la

structure est mesuré. Il permet de connaitre la quantité de charges injectées dans le diélectrique jusqu’au claquage. Pour le second, une tension constante est appliquée, il est aussi appelé Time Dependent Dielectric Breakdown (TDDB). Il permet de connaitre le temps à la défaillance ou Time to Failure (TTF). Ce dernier représente le temps nécessaire pour qu’un pourcentage donné d’éléments soient claqués. L’in- terprétation des tests CCS étant difficile, le champ variant au cours de l’expérience, seuls les tests CVS seront utilisés dans ce manuscrit.

• Stress sous rampe linéaire

La seconde méthode consiste à appliquer une rampe linéaire en tension (LRVS pour

Linear ramped voltage stress) jusqu’à obtenir le claquage. Ces tests se révèlent ra-

pides et permettent de comparer différents diélectriques ou procédés. Les méca- nismes de conduction mis en jeu et la tension au claquage du diélectrique Vbd (Vol-

tage to Breakdown) peuvent être extraits. Cette tension Vbd permet de connaitre

la robustesse des diélectriques mais est difficilement corrélée à la durée de vie du matériau.

Un critère de défaillance est nécessaire afin de définir le moment où l’isolant passe d’un état de « marche » à un état de défaillance. Il a été constaté que le claquage électrique et les pertes des propriétés isolantes du matériau marquent la défaillance du diélectrique. Ils se manifestent physiquement par la création d’un chemin de percolation entre deux électrodes entourant le diélectrique. Le temps au claquage marque alors l’instant où une diminution

Chapitre 2. Techniques de dépôt et de caractérisation

ou une augmentation brutale du courant de fuite lors d’un test CVS est observée comme présenté sur la Figure 2.9.

Figure 2.9 – Mesures de temps au claquage (TTF) pour une structure identique sur plusieurs puces d’une même plaque à une même tension de stress. Augmentation ou diminution brutale du courant de fuite à des temps différents selon la puce testée.

Il s’agit de la traduction du critère de défaillance. L’obtention d’une seule augmen- tation brutale implique le claquage de la plus petite résistance dans le diélectrique. La diminution du courant de fuite peut être reliée à la fonte des connexions métalliques lors d’une amenée de courant brutale (élévation excessive du courant localement). Ce phé- nomène correspond à un claquage qu’il est possible de déterminer par des mesures en courant avec un oscilloscope. Le critère de défaillance fixé lors, de ces travaux, est une augmentation brutale de l’amplitude du courant de 0,9x10−7A entre deux mesures suc- cessives.

Ainsi, l’ensemble de ces lots électriques a été testé pour l’étude de la fiabilité du diélectrique inter-lignes dans le cadre d’interconnexions iBEOL. Ces travaux permettent de relier les propriétés électriques du matériau à la fin du processus de fabrication aux propriétés physico-chimiques du matériau. En vue de corréler ces deux études, différentes techniques de caractérisations ont été utilisées afin de comprendre et d’interpréter le comportement des matériaux non intégrés soumis à des recuits hautes températures (≥ 400 °C).