Figure 2-7 : Méthode d’analyse XPS utilisée par Pargon et Al. et Darnon et Al. [128, 129]
Une méthode expérimentale, appelée « analyse topographique chimique » a été développée au laboratoire afin de séparer les contributions provenant des flancs, des fonds et des sommets de structures grâce à une mesure XPS. Les méthodes utilisées sont :
la méthode de compensation des effets de charge à l‟aide d‟un canon à électrons [130] mais cette technique n‟est pas adapté dans notre cas car elle ne permet pas d‟analyser les matériaux isolants.
la méthode de la soustraction de différentes zones analysées [47, 128, 129, 131]. La Figure 2-7 illustre la méthode : La contribution du masque dur mesuré en pleine plaque (a) est soustraite à la contribution du flanc et du masque dur situé au dessus des motifs (b). Cependant cette méthode ne réussit pas à isoler la composition du flanc d‟une couche par rapport à une autre.
Pour réussir à différencier la composition du flanc du SiOCH du flancs du SiO2 et du TiN nous
Un réticule spécial « masque XPS » a été dessiné pour ces analyses. Il s‟agit de carrés de 21mm de coté comprenant 49 zones de formes carrées elles aussi de 3mm de coté. Dans chacune des zones, on peut trouver des réseaux de tranchées ou de trous de largeur et de périodes différentes mais aussi une zone dite « masque » avec uniquement le matériaux du masque et un zone dite « ouverte » avec uniquement le silicium massif. Le diamètre maximal de focalisation du faisceau de rayons X étant de 400 μm, il est donc possible d‟analyser uniquement une seule zone à la fois (carré de 3x3 mm). Le signal enregistré est une moyenne statistique caractéristique des photoélectrons émis par l'ensemble des structures identiques présentes dans la zone visée.
Comme nous n‟avons vu au paragraphe 2.III.1.1.c il faut placer l‟axe de l‟analyseur sur l‟angle θ=45° pour avoir des intensités d‟émissions égales sur le dessus et les flancs des motifs. L‟axe central de l‟analyseur en énergie est fixé à 50° par rapport à la normale à la plaquette. La gamme angulaire de l‟analyseur de photoélectrons va de 20 à 80°. En la découpant en 8 tranches angulaires, on peut alors ne prendre que celle centrée sur 46.75° avec une largeur de ±3.75°.
Nous allons nous placer dans le mode dit « perpendiculaire » dans lequel les tranchées sont perpendiculaires au plan de l‟analyseur (Figure 2-8).
La méthode d‟analyse des données consiste à soustraire la mesure faite dans une zone où seul le masque de TiN et le flanc de SiO2 est mesuré (ZE) à une autre zone où le masque et le flanc de SiO2
et du low-k sont mesurés (ZL) afin d‟obtenir la composition du flanc du diélectrique seulement. Cette méthode fait l‟hypothèse que la composition du masque c'est-à-dire le dessus du TiN et le flanc du SiO2 dans les réseaux avec des lignes resserrées dite Zone Etroite (ZE) et celles des lignes espacées
dite Zone Large (ZL) sont identiques.
Il faut choisir les hauteurs des couches de matériaux et les zones à mesurer afin d‟obtenir :
Pour la zone étroite : la mesure du masque de TiN et le flanc de SiO2 seulement. La hauteur de SiO2 et de TiN doit être égal à l‟espace entre les motifs de la zone.
Pour la zone large : la mesure de masque de TiN et des flancs de SiO2 et du low-k diélectriquemais sans voir le fond de la tranchée. La hauteur totale de l‟empilement doit être égale à l‟espace entre les motifs de la zone.
Pour les deux zones : La largeur des motifs doit être la même dans les deux zones mesurées. De plus, afin de déterminer la composition des flancs du diélectrique avec plus de précision, il faut augmenter le signal provenant du diélectrique. Pour cela, il faut que la largeur du motif soit la plus petite possible vis-à-vis du pas du réseau.Figure 2-8 : Technique d’analyse topographique chimique par XPS
Au vue des réseaux disponibles sur le réticule XPS, nous avons choisi les zones 14 (EZE =
140nm, LZE = 200nm) et 30 (EZL = 600nm, LZL = 200nm) respectivement en tant que Zone Etroites et
Zones Larges. Les épaisseurs des différents masques TiN et SiO2 sont respectivement 15 nm et 125 nm
et l‟épaisseur du low-k est de 670 nm.
La composition du flanc du low-k est calculée de la manière suivante :
Il faut soustraire les lignes de base de l‟ensemble des spectres avant de commencer le traitement des données.
Etant donné que la densité des motifs est différente dans les Zone Larges et Etroites, il faut en tenir compte pour calculer l‟intensité des photoélectrons provenant du masque de TiN et des flancs de SiO2 dans la Zone Large :ZL ZE A A P P ZE I Masque I ( ) ( )*
Avec Pze la période de la zone étroite et PZL la période de la zone large.
Il faut calculer l‟intensité provenant du flanc du low-k pour chaque élément. Pour un élément A : ) ( ) ( ) (Flanc I ZL I Masque IA A A ZL ZE A A A P P ZE I ZL I Flanc I ( ) ( ) ( )*
Il faut quantifier la concentration de chaque élément A par rapport à l‟ensemble des éléments détectés :
k k k A A S I S I APrenons l‟exemple de l‟élément titane mesuré sur une plaquette dans les zones 14 (ZE) et 30 (ZL) après gravure de l‟empreinte de la ligne de cuivre dans le diélectrique (Figure 2-9). On peut observer que l‟intensité du titane provenant du flanc du diélectrique (ITi(Flanc)) est presque nulle. Ce
résultat est normal puisque le titane est principalement localisé sur le masque de TiN et non sur les flancs du diélectrique excepté celui qui se dépose s‟y dépose lors de la gravure. Il est donc difficile de déterminer une concentration d‟un élément lorsqu‟il est en très faible quantité puisque qu‟il sera de l‟ordre de grandeur de la précision de la mesure, c'est-à-dire l‟ordre de 5%.
450 455 460 465 470 0 50 100 150 Energie (eV) Int ensité ( cou p.s -1 ) ITi(ZE) I Ti(ZL) ITi(Masque) = ITi(ZE)*PZE/PZL I Ti(Flanc) = ITi(ZL) - ITi(Masque)
Figure 2-9 : Spectre du Ti
2p
mesuré par XPS sur les z14 (ZE) et z30(ZL)Cette technique permet de quantifier la concentration des éléments mais pas de déterminer l‟environnement chimique de chacun. En effet, la charge variant légèrement en fonction de la hauteur sur les flancs, il est difficile d‟identifier avec précision les liaisons.