Dégradation par électromigration dans les interconnexions en cuivre : étude des facteurs d'amélioration des durées de vie et analyse des défaillances précoces

Electromigration degradation in copper interconnects : study of lifetimes improvement factors and early failures analysis

• Auteur / Autrice : Franck Lionel Bana
• Direction : Yves Wouters, David Ney
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, mécanique, génie civil, électrochimie
• Date : Soutenance le 22/11/2013
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Science et ingénierie des matériaux et procédés (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Gabriel Ferro
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yves Wouters, David Ney
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Roland Fortunier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Temps entre défaillances, Analyse des

Électrodiffusion

Mots clés libres

Fiabilité

Durée de vie

Electromigration

Interconnexions

Analyse statistique

Défaillances précoces

Reliability

Lifetime

Electromigration

Interconnects

Statistical analysis

Early failures

Résumé

Les circuits intégrés sont partie prenante de tous les secteurs industriels et de la vie couranteactuels. Leurs dimensions sont sans cesse réduites afin d’accroître leurs performances. Cetteminiaturisation s’accompagne notamment d’une densification et d’une complexification du réseaud’interconnexions. Les interconnexions, lignes métalliques chargées de transporter le signalélectrique dans les circuits apparaissent ainsi plus sensibles à la dégradation par électromigration.Ceci, compte tenu des fortes densités de courant qu’elles transportent. Il se trouve donc dans lesnoeuds technologiques avancés, de plus en plus difficile de garantir le niveau de fiabilité requis pourles interconnexions.La réduction de la durée de vie des interconnexions est liée à la fois à la difficulté croissanteà réaliser les étapes de procédés pour les géométries souhaitées et à l’augmentation de la dispersiondes temps à la défaillance. Dans un premier temps, nous avons poussé la compréhension desmécanismes en jeu lors de la dégradation par électromigration. Nous avons ainsi mis en évidence lerôle joué par la microstructure et la composition chimique des lignes de cuivre dans l’augmentationde leur durée de vie. Dans un second volet, l’accent a été porté sur l’amélioration de l’analysestatistique des durées de vie avec un focus sur les défaillances précoces et les distributionsbimodales qu’elles engendrent. De même, la structure multi liens que nous avons mise au pointpermet de répondre à la question fondamentale de l’augmentation de l’échantillonnage de test ;améliorant ainsi la précision aux faibles taux de défaillance pour des projections robustes des duréesde vie.

Integrated circuits are part of our nowadays life as they are presents everywhere; as well as in daily life or industry. They are continuously downscaled to increase their performances. As a result, this downscaling lead to complex interconnects grid architectures. Interconnects which are metal lines carrying electric signal in the circuit are thus more and more sensitive to electromigration failure. This I because of increasingly higher current densities they carry. Obviously, in advanced technology nodes, it is more and more difficult to ensure the reliability level required for interconnects. Interconnects lifetime reduction is linked to increasing difficulty to perform all process steps with these very small features and also to increasing failure times dispersion. In the first part of the work presented here, we deepened the understanding of mechanisms involved during electromigration degradation. We have thus shown the fundamental role played by the microstructure and the chemical composition of the line in increasing its lifetime. The second part of the work dealt with the improvement of statistical analysis of failure times. We thus focused on early failures and the bimodal failure times distributions they generate. As far as that goes, the multilink structure we have designed answers the fundamental question of increase test sampling. This lead then to improved precision at very low failure rates for robust lifetime's extrapolation to use conditions.