Sonarith Chhun

1. Intégration et caractérisation de barrières auto-positionnées pour la passivation des interconnexions cuivre sub-65 nm Sonarith Chhun Philips Semiconductors Crolles R&D, Crolles France LPM INSA, Lyon, France

2. Sommaire • Introduction aux barrières auto-positionnées • Principes et objectifs • Mécanisme de formation de la barrière CuSiN • Évaluation de la barrière CuSiN • Efficacité de la barrière CuSiN contre la diffusion du cuivre • Intégration de la barrière auto-positionnée CuSiN • Impact électrique • Fiabilité • Conclusion

3. Interconnexions cuivre dans les technologies 90 nm Isolant Métal Ligne Interconnexions Ligne Via Contact Grille Zone active STI Source Drain STI Substrat silicium Vue schématique en coupe d’une puce Coupe MEB colorée après dépassivation

4. Architecture double Damascène Cuivre Barrière métallique Masque dur 1 Masque dur 2 Low k Barrière diélectrique Cuivre Polissage du cuivre et des masques durs et dépôt d’une barrière diélectrique Photo-lithographies et gravures via et ligne Métallisation par une barrière métallique et cuivre Connexion métallique Dépôt d’une barrière diélectrique, de l’isolant & des masques durs

5. Barrières à la diffusion du cuivre • Pour une technologie 90 nm • Isolant électrique:SiOC (eR=3) Barrière diélectrique SiCN Ligne Cuivre • Métal conducteur:Cuivre Barrière Métallique (TaN/Ta) Via Via • Barrières contre la diffusion du cuivre : • TaN/Ta • SiCN(eR=5) Isolant Schéma d’une ligne et d’un via en coupe ⇨ Le cuivre est complètement encapsulé Barrière diélectrique • Inconvénients • Dégrade la résistance d’une ligne contre l’électromigration • Dégrade les performances électriques des interconnexions • Rôle • Empêche la diffusion du Cu

6. C2  Isolant Ligne 1 Ligne 2 C1 Impact de la barrière diélectrique • Performances des interconnexions : produit R.C • Rligne augmente à chaque génération • Ccouplage doit diminuer pour compenser • Capacité totale C = f (C1,C2) • C1 : fixée par la permittivité de l’isolant • C2 : contribution majeure de la barrière diélectrique kbarrière > kisolant Remplacer la barrière actuelle par une barrière auto-positionnée pour diminuer la permittivité effective de l’empilement Isolant C2 Ligne 1 Ligne 2 C1 • Pour une technologie 90 nm • Permittivité de la barrière diélectrique SiCN k = 5 • Permittivité de l’isolant SiOC k = 3

7. Barrière auto-positionnée de type CuSiN • Formation du composé CuSiN : • Nettoyage des lignes de cuivre (retrait de l’oxyde natif) • Décomposition d’un composé à base de Si  incorporation de Si • NH3: incorporation d’azote  Formation de la barrière CuSiN Composé à base de Si Plasma NH3 CuSiN Cu Low k

8. Formation de la barrière CuSiN • Introduction aux barrières auto-positionnées • Mécanisme de formation de la barrière CuSiN • Étude de 2 composés à base de Si • Formation de CuSiN en fonction • Du composé à base de Si • De la microstructure du cuivre • Mécanisme de formation de CuSiN • Évaluation de la barrière CuSiN • Intégration de la barrière auto-positionnée CuSiN • Conclusion

9. SiO2 Cu Décomposition de composés à base de Si • Composé à base de Si: Silane SiH4 et TMS (CH3)3SiH • SIMS effectué sur pleine plaque encapsulée par du SiO2 • Siliciuration: Flux, pression et température identique • Décomposition totale du SiH4 (T. Takewaki et al., VLSI 1995) • Décomposition partielle du TMS : moins de Si disponible à la surface du Cu SiO2 Cu SiH4 or TMS Cu Cu Intensity (a.u) Si (Silane) Si (TMS) Erosion time (a.u)

10. 1 µm 1 µm 1 µm Impact du recuit cuivre sur la taille de grain • 2 températures de recuit cuivre: 250 et 400°C • Concentration de macles plus importante pour un recuit à 250°C • Plus petits grains pour un cuivre recuit à 250°C Tilted FIB SEM observation Cu recuit à 250°C Cu recuit à 400°C

11. Cu Analyse en profondeur : CuSiN / SiH4 • Auger Electrons Spectrometry • Présence d’une couche de SiN au dessus du Cu • Incorporation de Si plus profonde pour le cuivre recuit à 250°C 400°C CuSiN Cu 250°C 250°C Si 250°C 400°C N 400°C Depth (A)

12. 250°C 400°C 250°C 400°C Cu Analyse en profondeur : CuSiN / TMS • Auger Electrons Spectrometry • Présence d’une couche de CuSiN de 2.5 nm • Contrairement à CuSiN/SiH4, la profondeur d’incorporation des éléments est indépendante de la microstructure du cuivre • L’incorporation en profondeur du Si dépend aussi de la microstructure du cuivre 103 400°C CuSiN Cu 250°C 102 Si Intensity (a.u.) N 101 1 Depth (A)

13. Coupe TEM d’une ligne de Cu ligne traitée par CuSiN/SiH4 CuSiN : 3.4 nm Couche de SiN de 4.7 nm formée par le procédé CuSiN SiOC SiN: 4.7 nm CuSiN 3.4 nm Cu Observation TEM de la barrière CuSiN Couche de SiN formée par le procédé CuSiN CuSiN formée par le procédé CuSiN / SiH4

14. SiN Cu CuSiN Joint de grains Mécanisme de formation • Bilan • L’incorporation de Si est contrôlée par le type composé à base de Si et par la microstructure du cuivre • Un bicouche CuSiN / SiN est obtenu dans le cas du silane • Mécanisme de formation de CuSiN • Incorporation de Si à la surface des grains de cuivre et aux joints de grain • Saturation de la surface des grains et incorporation profonde de Si par les joints de grains • Le plasma NH3 réagit avec le CuSi pour former du CuSiN et les atomes de Si en excès réagissent avec le plasma pour former une couche de SiN • L’épaisseur de CuSiN dépend du type de composé à base de Si et de la microstructure du cuivre Si

15. Performance barrière de CuSiN • Introduction aux barrières auto-positionnées • Mécanisme de formation de la barrière CuSiN • Évaluation de la barrière CuSiN • Rôle de barrière à la diffusion du cuivre • Intégration de la barrière auto-positionnée CuSiN • Conclusion

16. Efficacité de la barrière contre la diffusion du cuivre • Test de la barrière effectué sur pleine plaque • CuSiN / TMS (3 nm) Vs SiCN (40 nm) encapsulées par du SiO2 et recuit pendant 2h à 400°C • Une couche de 3 nm de CuSiN est suffisante pour empêcher la diffusion du cuivre Interface barrière / SiO2 SiO2 TaN/Ta Cu SiCN CuSiN Si (SiCN) Cu Cu Cu (CuSiN) SiO2 SiO2 Cu Cu Si (CuSiN) Cu (SiCN) + recuit pendant 2 h à 400°C

17. Intégration du CuSiN • Introduction aux barrières auto-positionnées • Mécanisme de formation de la barrière CuSiN • Évaluation de la barrière CuSiN • Intégration de la barrière auto-positionnée CuSiN • Tests électriques • Fiabilité • Conclusion

18. Impact électrique : Résistance de ligne • Résistance de ligne: • Procédés CuSiN avec les 2 types de composé SiH4 Vs TMS • Légère dégradation des résistances mais inférieure à 2.5 % • TMS : aucune dégradation TMS SiH4 SiCN CuSiN/TMS 500 nm 2.5% Cumul (%) CuSiN/SiH4 SiCN CuSiN 700 710 720 500 nm Line resistance (a.u.)

19. - 7% - 7 % Impact électrique : Capacité de couplage • Capacité de couplage • Tests effectué dans une technologie 90 nm • Gain espéré en retirant le liner SiCN (simulation): - 5 % • Un gain de 7 % sur les capacités de couplages en remplaçant le SiCN par du CuSiN pour une techno. 90 nm Spacing = 0.2 µm Spacing = 0.14 µm Barrière diélectrique Cu CuSiN SiCN Barrière auto-positionnée

20. At 300°C for 1.2 µm wide lines • At 250°C for 0.26 µm wide lines Fiabilité: Electromigration • Tests d’électromigration • Comparaison entre CuSiN and SiC • Temps de vie des interconnexions X10 en utilisant une barrière CuSiN à la place d’une barrière standard SiC SiC X10 X10 CuSiN CuSiN

21. CuSiN/TMS 10 years @ 100°C CuSiN/SiH4 0,2 MV/cm Fiabilité: TDDB • Time-Dependent Dielectric Breakdown testé à 150°C • CuSiN (SiH4 Vs TMS) comparé à SiCN • Critère : 10 ans de durée de vie à 0.2 MV/cm à 100°C • Temps de vie des interconnexions +3 dec en utilisant une barrière CuSiN par rapport à une barrière SiCN Test @ 150°C SiCN 500 nm + 3 dec SiCN (2 reference wafers) CuSiN 500 nm

22. Conclusion • Mécanisme de formation du CuSiN mis en évidence • Épaisseur de CuSiN dépendante du composé à base de Si utilisé et de la microstructure du cuivre • Performances du CuSiN • Le CuSiN est une bonne barrière à la diffusion du Cu • Temps de vie des interconnexions X10 sous tests d’EM • Temps de vie des interconnexions + 3 dec sous test TDDB • Diminution de 7 % des capacités de couplage pour une techno 90 nm • À chaque génération technologique, ce gain doit augmenter • Les barrières auto-positionnées sont une solution idéale pour les technologies avancées d’interconnexions