Análisis termo-eléctrico de elementos finitos (EF) en vías de cobre nanométricas bajo tensión de alta fluencia

This paper presents the development of a thermal-electrical finite element (FE) model with the objective to analyze failure mechanisms responsible of physical degradation (void, copper silicate formation, etc.) caused by high fluence stress of 90nm copper vias for FinfET devices. Indeed in [1], this physical degradation was interpreted as a main consequence of Joule effect, however their employed model reached too low temperatures to explain the observed physical degradation. In order to confirm this, the steady-state FE model developed in this work computes the temperature increase and distribution caused by high electrical current density flowing through a copper contact, considering non-ideal thermal and electrical interfaces. In addition, a sensitivity analysis is performed as a way to identify critical failure parameters. The temperature response of the model to independent variation of electrical resistivity of studied materials, and interfacial electrical and thermal conductance between the copper contact and its diffusion barrier were obtained. The decrease of interfacial electrical conductance triggers steady-state temperatures over copper and silicate melting points and, in consequence leads to temperature high enough to explain the physical degradation.Este trabajo presenta el desarrollo de un modelo termo-eléctrico de elementos finitos (EF) con el fin de analizar los mecanismos de falla responsables de la degradación física causada por alta densidad de corriente en contactos de cobre de 90 nm empleados en dispositivos FinFET. De hecho en [1], esta degradación física fue interpretada como consecuencia principal del efecto Joule, sin embargo el modelo empleado alcanzó temperaturas demasiado bajas comparadas con el daño observado. Con el propósito de confirmar esta hipótesis, el modelo de EF de estado estable desarrollado en este trabajo calcula el incremento y la distribución de temperatura causada por alta densidad de corriente eléctrica fluyendo a través de un contacto de cobre, tomando en cuenta interfaces eléctricas y térmicas no idealizadas. Además, un análisis de sensibilidad fue realizado como un medio para identificar parámetros críticos de falla. La respuesta del modelo ante la variación independiente de la resistividad eléctrica de los materiales estudiados, y las conductancias eléctricas y térmicas entre el contacto de cobre y su barrera de difusión fue obtenida. La disminución de la conductancia eléctrica de dicha interfaz desencadenó temperaturas de estado estable superiores a los puntos de fusión del cobre y los silicatos del contacto y, en consecuencia, permite explicar la degradación física observada