L’analyse en coupe plus adaptée aux études locales

La technique EBSD permet de déterminer l'orientation d'un grain dans les trois dimensions et non seulement la famille de plan parallèle à la surface analysée. En y ajoutant le fait que les lignes de cuivre considérées ont une structure bambou, le fait de caractériser une interconnexion en coupe longitudinale apparait alors comme très avantageux. Cela permet d'avoir l'information sur la microstructure de la ligne de cuivre dans son épaisseur, information dont on ne dispose pas en vue de dessus, mais également d'obtenir l'orientation des grains vus sous l'angle choisi, comme si on les regardait vus de dessus par exemple. L'analyse en coupe apporte donc plus d'information à condition que l'on ait un seul grain perpendiculairement au plan analysé.

Il y a encore deux intérêts à opter pour une analyse de côté. Le premier est que les lignes d'interconnexions de largeur minimum ont un facteur d'aspect largeur/hauteur de 1/2. La hauteur de la ligne analysée est donc d'environ 140 nm ce qui devrait améliorer la qualité des diagrammes de diffraction et donc les cartographies d'orientation obtenues de manière générale. Enfin, pour préparer ces échantillons, il est nécessaire d'utiliser un faisceau d'ions focalisés. Cet équipement va avoir l'avantage de créer une surface libre ce qui va libérer une partie des contraintes mécaniques

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mais risque en revanche de générer des dommages par implantation. Il faudra donc surement travailler sur l'optimisation des paramètres du faisceau pour cette préparation. Cet équipement est également utilisé pour préparer des lamelles destinées à être observées au microscope électronique à transmission. Nous avons donc, moyennant une méthode de préparation adaptée, la possibilité de caractériser un échantillon à la fois avec la technique de diffraction des électrons rétrodiffusés et avec la microscopie électronique en transmission. Enfin La préparation est plus facilement reproductible par faisceau d'ions focalisés que par polissage puisqu'il est plus facile d'en contrôler les paramètres.

3.2.2.1 Vérification de la détermination absolue de l'orientation par la technique EBSD

La première chose à faire est de vérifier que l'on peut retrouver l'orientation que l'on obtiendrait d'une analyse vue de dessus à partir d'une analyse en coupe. Pour cela on se propose de faire l'essai sur un plot de cuivre. On effectue dans un premier temps une acquisition de la zone en vue de dessus dont la cartographie d'orientation est présentée en Figure 3.4. Ensuite on effectue une coupe à l'intérieur de cette zone de façon à avoir accès à une partie de la zone analysée en section. Cette coupe est réalisée à l'aide d'une source ionique très large (plusieurs centaines de microns de diamètre) non focalisée et de forte intensité (quelques milliampères), indispensable pour pouvoir usiner des surfaces de plusieurs dizaines de microns de côté. On effectue une acquisition sous cet angle. Il faut alors comparer les orientations des grains obtenues vue de dessus au niveau de la coupe avec celles recalculées à partir de l'analyse de la section pour retrouver la vue de dessus et voir si elles correspondent.

Figure 3.4 : Cartographie d'orientation vue de dessus d'une partie d'un plot de cuivre (à gauche). La localisation de la coupe pour l'analyse de la section est shématisée par la ligne noire. A droite figure une image optique du plot en question une fois la coupe réalisée.

La Figure 3.5 présente la cartographie d'orientation résultant de l'analyse de la section et celle obtenue après calcul dont les orientations correspondent à celles que l'on verrait vues de dessus. Cette dernière est alors mise en comparaison avec la cartographie de la Figure 3.4. On constate effectivement que l'on obtient les mêmes orientations entre le bord correspondant à la coupe de l'analyse vue de dessus et le haut de la cartographie en coupe recalculée, qui correspond à la surface de la couche de cuivre. On confirme donc que, dans la mesure où l'on a un seul grain vu de dessus, une analyse en coupe permet effectivement d'obtenir les informations d'une analyse vue de dessus avec en plus une information sur l'épaisseur de la couche de cuivre. Cette information est bien mise en évidence sur les cartographies en coupe où l'on observe que plusieurs grains peuvent être présents dans l'épaisseur (dans le cas présent l'épaisseur est d'environ 800 nm). Une autre

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information intéressante lorsque l'on change l'angle de vue d'une cartographie est de voir que ce qui semble n'être qu'un grain peut en réalité en contenir plusieurs, ce que l'on peut voir sur la Figure 3.5. C'est pour cela qu'il est intéressant de faire apparaître les joints de grains sur la cartographie d'orientation comme montré dans le précédent chapitre, Figure 2.10. Plusieurs grains peuvent avoir la même orientation par rapport à une surface mais des directions différentes.

Figure 3.5 : A gauche, cartographie d'orientation correspondant à la coupe de la couche de cuivre avec le code couleur donnant les plans parallèles à la surface de la coupe (en haut) et le code couleur donnant les orientations des grains vus de dessus (en bas). A droite sont comparés les cartographies d'orientation du plot vu de dessus et de la section avec les orientations recalculées pour donner l'information sous le même angle de vue. La zone à comparer correspond à l'arête de l'échantillon obtenue après la coupe mise en évidence par le rectangle gris.

Nous avons donc validé la pertinence d'une analyse en coupe pour une caractérisation locale du cuivre autour de la cavité engendrée par le phénomène d'électromigration. Il faut maintenant s'assurer que la préparation par faisceau d'ion focalisé permette d'obtenir des cartographies d'orientation ne comprenant pas ou peu de zones non indexées auquel cas il ne serait pas possible d'identifier la cavité sur la cartographie.

3.2.2.2 Validation de la préparation par faisceau d'ions focalisés

Pour cette validation nous avons préparé une structure de test du niveau métal 1, soit environ 140 nm d'épaisseur, mais beaucoup plus large que la valeur minimum : un micron de large. La préparation se fait en deux phases. D'abord un polissage mécanique grossier en section pour s'approcher de la structure voulue afin que la quantité de matière à usiner durant l'étape suivante soit faible, ensuite la préparation par faisceau d'ion focalisé pour découvrir le flanc de la structure. Il est important de bien dégager les côtés de la structure pour ne pas avoir de masquage du détecteur pendant l'acquisition des orientations. Ce phénomène de masquage, illustré par la Figure 3.6 est particulièrement gênant pour la technique EBSD du fait que l'échantillon doit être fortement incliné. Ce masquage empêche d'obtenir un cliché de diffraction complet, ce qui ne facilite pas l'indexation, mais surtout fait apparaitre une (voire plusieurs) lignes très contrastées sur le cliché. Lignes que le logiciel va considérer dans la détermination de l'orientation. Au final même pour un échantillon qui diffracte très bien, on obtient un indice de confiance plus faible et on perd beaucoup d'information après avoir filtré les données brutes. De plus, on peut voir, sur la Figure 3.6, que le masquage peut non seulement détériorer les clichés de diffraction mais empêche aussi l’analyse de la partie de l’échantillon non accessible au faisceau électronique.

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Figure 3.6 : Illustration du phénomène de masquage dû à une forte topographie suite à la préparation d'un échantillon en coupe par faisceau d'ions focalisés. A gauche l'échantillon que l'on veut observer vu de dessus. Au milieu l'échantillon après usinage au faisceau d'ion focalisé sans avoir dégagé les côté de la coupe. A droite l'effet sur l'acquisition de clichés de diffraction. On remarque également qu'une grande partie de la structure ne peut pas être analysée à cause du phénomène de masquage.

La Figure 3.7 est le résultat de l'acquisition EBSD réalisée sur la structure décrite plus haut et préparée par faisceau d'ions focalisés. On constate que la cartographie ne présente pas de zones non indexées et on distingue une partie du via qui relie les niveaux métal 2 (amenée de courant à gauche de la cartographie) et métal 1 (ligne de test). L'aspect granuleux de la cartographie, particulièrement visible sur les bords de la structure, provient de la maille utilisée pour l'acquisition qui n'est pas carrée mais hexagonale. Le fait d'utiliser ce type de maillage permet notamment de mieux définir les joints de grains lorsque le pas d'acquisition utilisé n'est pas très petit devant les objets à observer. Cela vient du fait que nous commençons à atteindre la limite de la technique avec des objets du même ordre de grandeur que la taille de sonde. De plus il faut avoir un pas suffisamment important pour que l'acquisition se fasse dans un temps raisonnable. D'un côté pour essayer de ne pas trop monopoliser l'équipement et d'un point de vue pratique pour ne pas être trop gêné par la dérive, que l'on peut observer sur la Figure 3.7. La ligne de test devrait être parfaitement horizontale s'il n'y avait pas de dérive.

Figure 3.7 : Cartographie d'orientation d'une interconnexion vue en coupe. En haut à gauche l'amenée de courant au niveau métal 2 et la ligne de test au niveau métal 1. La ligne mesure 140 nm d'épaisseur pour 1 µm de largeur. Le pas est ici de 15 nm.

Malgré ces points à considérer, nous avons montré qu'une préparation par faisceau d'ions focalisés permettait de caractériser une interconnexion en coupe, avec un meilleur résultat qu'une préparation par polissage et qu'elle apportait plus d'information. Pour cette évaluation les conditions de préparation utilisées étaient similaires à celles utilisées pour les préparations

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d'échantillons destinés à être observés au microscope électronique en transmission : 30 kV pour un courant de faisceau de quelques centaines de picoampères.