Analyse et modélisation de la tenue à l'électromigration des interconnexions en régime dynamique

par Patrice Waltz

Thèse de doctorat en Génie des matériaux

Sous la direction de Gérard Lormand.

Le jury était composé de Gérard Lormand, Michel Dupeux.

Les rapporteurs étaient Michel Dupeux.


  • Résumé

    De plus en plus étroites, les interconnexions des circuits intégrés, sont soumises à des densités de courant de plus en plus importantes. Leur fiabilité est alors considérablement limitée par les phénomènes d électro migration, transport de matière induit par le passage d'un courant électrique. Actuellement des règles de. Dessin, établies à partir d'essais en régime continu, sont beaucoup trop sévères et !mutent la réduction des dimensions. Pour pallier à cette difficulté, les concepteurs sont demandeurs de règles de dessin déduites de tests d’électro migration en régimes pulsés, plus proches des conditions réelles de fonctionnement. L'étude de la dégradation des lignes en régime dynamique a été réalisée à l'aide de deux bancs de mesure utilisant la méthode ~u test de durée de, vie. Ces bancs permettent d'appliquer des signaux carres unidirectionnels jusqu’à 1 MHz pour l'un et bidirectionnels jusqu'à 10 MHz pour l'autre. Un modèle thermique basé sur un système à une constante de temps permet de décrire l'évolution de la température de la ligne au cours du test. Il permet d'extraire, en fonction de la fréquence et du rapport cyclique, l'amplitude du cyclage thermique et des températures d'analyse propres au régime dynamique. B Les résultats expérimentaux obtenus sur des structures NIST de largeurs 3 ou 4f1m valident Je modèle du courant moyen pour des fréquences supérieures à 100Hz et le « On-Time Mode!» pour la fréquence de 1Hz. Ils mettent en évidence la même cinétique de défaillance en régime dynamique et en régime continu avec une importante proportion de défaillances dues aux gradients thermiques. Les phénomènes de déplétion et d'accumulation de matière sont plus prononcés en régime pulsé unidirectionnel qu'en régime continu en raison des durées de vie plus longues. De plus, les défaillances sont différentes pour des motifs avec amenées de courant par vias en tungstène et son localisées essentiellement à l'aplomb des vias en entre d'électrons. En régime bidirectionnel avec des courants positif et négatif de même amplitude, les durées de vie sont considérablement prolongées. Même si les défaillances sont de même type qu'en régimes continu et unidirectionnel, elles n'apparaissent plus au niveau des vias en tungstène, situant une forte divergence du flux de matière, mais dans la ligne de test. Le comportement des structures soumises à des sigaux fortement asymétriques se rapproche de celui obtenu en régime unidirectionnel en raison de 1; forte amplitude du cyclage thermique entre les alternances positives et négatives.

  • Titre traduit

    = Analysis and modeling of electro migration in interconnects under pulsed stress conditions


  • Résumé

    As the dimensions of VLSI integrated circuits devices are scaled down, the current densities carried through the interconnection lines increases. Their reliability is then hugely limited by a current induced matter transport phenomenon called electro migration. Today, the design rules used established with DC currents, are to severe and prevent a further down scaling of the circuit, dimensions. The designers need guidelines obtained from pulsed electro migration tests which are closer to the real circuit operating conditions. The study has been achieved using two test benches based on a classical lifetime test method. With this equipment, it is possible to apply unidirectional current stresses up to 1 MHz for the first bench, and bidirectional stresses up to l0 MHz for the second one. An analytical thermal model based on a one thermal time constant system is used to describe the evolution of the line temperature versus time during a pulsed electro migration test. It allows to extract the amplitude of the temperature cycling and the temperatures to use for analysis of the test results, as functions of frequency and duty cycle. The experimental results obtained with 3 or 4f,lm wide NIST structures validate the average current model for frequencies above 100Hz and the on time model for 1Hz. They emphasize the same degradation mechanisms in the pulsed current case than in the DC current case, with a great number of failures due to thermal gradients. The longer lifetimes under pulsed stress conditions lead to more pronounced depletion and accumulation effects due to the diffusion mechanisms. Moreover, the failures are different for structures with current access through tungsten vias and are located above the vias on the cathode side. Bidirectional stresses with the same current peak values in the positive and negative half cycles lead to much longer lifetimes and to an improved electro migration reliability. The failures are the same than in DC and unidirectional cases, but appear in the line and not in the via contact region where the flux divergence is maximum. The behavior of structures submitted to strongly asymmetric signals tends towards a unidirectional behavior because of an important thermal cycling between the positive and negative half cycles

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Informations

  • Détails : 1 vol. (332p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr.p.

Où se trouve cette thèse ?

  • Bibliothèque : Institut national des sciences appliquées (Villeurbanne, Rhône). Service Commun de la Documentation Doc'INSA.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : C.83(2228)
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