La mesure 4 pointes ou V/I

La mesure 4 pointes ou aussi appeléeV/Ipermet, ici, de calculer l’épaisseur d’une couche métallique conduc-trice sur un wafer. La mesure nous donne une valeur de résistance, à partir de laquelle nous pouvons déduire l’épaisseur de la couche. Cette méthode est couramment employée dans le monde industriel. Lorsque l’on pos-sède un wafer avec une couche métallique en surface, il est facile de mesurer le passage d’un courant (ou d’une tension) sur cette dernière couche avec l’uniformité associée à la mesure. Via les formules expliquées ci-dessous, on retrouve, sans difficulté, l’épaisseur de la couche métallique en surface.

La formule reliant épaisseur et résistance d’une couche est telle que : R= ⇢L

Mais nous savons aussi que pour une mesure 4 pointes sur une couche mince dont l’épaisseur est négligeable face aux autres dimensions, un modèle bidimensionnel de la conduction s’écrit :

V I =K⇢

e =K.Rr

Dans ce cas particulier, la géométrie surfacique de notre wafer (sans dimension) ainsi que l’écartement entre les pointes [8] (équidistantes pour l’appareil utilisé au sein de STMicroelectronics) définissent la constante K tel que :

K = ln(2)

⇡ Soit la valeur pratique : _K¹ = 4.532. Il vient alors :

Rr= 4.532R

Nous pouvons finalement déduire, avec la loi de Ohm (V =RI), que l’épaisseur se calcule telle que : e= ⇢

4.532^V_I

FigureC.3 – Appareil de mesure 4 pointes en salle blanche à STMicroelectronics Tours

Annexe D

La gravure sèche

La base d’une gravure sèche est une réaction chimique entre un plasma et les zones d’une couche, non pro-tégées par de la résine, qui doit être retirée ou gravée localement.

Le plasma étant le quatrième état de la matière, il se compose d’un mélange de particules neutres, d’ions et d’électrons. Cette matière gazeuse partiellement (ou totalement) ionisée nous permet de bombarder une couche afin de la graver (retirer de la matière).[6]

Lors de ce stage, les deux niveaux de gravure de la capacité sont réalisés avec des plasmas à couplage inductif, avec une fin de gravure définie par unedétection de fin d’attaquepour le premier niveau et un temps fixe pour le second niveau.

Le couplage inductif permet aux ions et aux électrons d’avoir une accélération uniforme (évitant les pertes dues aux parois et aux collisions) en suivant le champs électrique.

Notre système étant découplé, il nous faut un générateur pour produire le plasma et un autre afin de polariser notre substrat (il attirera plus facilement les espèces ionisés ou les électrons).[4]

Une fois les gaz injectés dans la chambre de gravure, ils subissent plusieurs phénomènes. Tout d’abord, les molécules sont dissociées en atome et en radicaux (avec apparition d’ions et d’électrons possibles). Ensuite, les espèces réactives sont attirées par le substrat polarisé : il y a une réaction entre les espèces avec adsorption des réactifs sur la couche à graver pour une désorption de produits de réactions (qui sont stables et volatils). Ces derniers vont migrer et disparaître grâce au système de pompage.

Pour le premier niveau de gravure (gravure des couches topAletTaN), les gaz du plasma sont leCl₂ et le BCl3(gaz passivant). Ce dernier va être dissocié enCl3etB³⁺.Une partie de la couche deSi3N4va être graver pendant l’overetch.

Les réactions chimiques ayant lieu pour chaque couche sont les suivantes : 1. Al+BCl3 !AlCl3+B³⁺

2. T a₃N₅+ 5BCl₃ !3T aCl₅+ 5N³⁺+ 5B³⁺

3. Si3N4+ 4BCl3 !3SiCl4+ 4N³⁺+ 4B³⁺

Pour la gravure second niveau (gravure de la couche résiduelle deSi3N4 et de la couche inférieure deTaN), les gaz injectés sont l’Aret leSF6.Les réactions chimiques ayant lieu pour chaque couche sont les suivantes :

1. 2T a₃N₅+ 5SF₆ !6T aF₅+ 10N³⁺+ 5S² + 20e 2. Si3N4+ 2SF6 !3SiF4+ 4N³⁺+ 2S² + 8e

Sachant que les produits de réactions (AlCl₃, T aCl₅, SiCl₄, T aF₅, SiF₄) sont volatils et que les atomes ionisés participent à la stabilité du plasma, nos couches sont gravées et en principe, il ne devrait pas y avoir de résidus de gravure sur les plaques. Dans le cas de la gravure du second niveau de capacité, il y a des résidus qui ont été nomméspeaux.

Pour vérifier que la gravure est terminée, nous utilisons un système monochromatique afin de tracer le signal énergétique émis lors de la gravure de chaque couche.

FigureD.1 – Schéma de fonctionnement de la spectrométrie d’émission.

Le résultat de la spectrométrie d’émission est une trace de détection de fin d’attaque qui est expliquée par suite dans l’annexeE.

Annexe E

La DFA

LaDFAoudétection de fin d’attaquepermet de connaître la fin de la réaction chimique entre le plasma et la couche à graver. Elle permet de stopper automatiquement la gravure lorsque le signal de détection atteint une valeur donnée. Il est possible de cumuler deuxDFAafin de graver deux couches successives : elles sont appelées double détection.

Le signal de détection est une trace qui permet de suivre en direct la gravure d’une couche : il est lié au rayonnement généré par les espèces présentes dans le plasma lors de la gravure. Différents paramètres doivent être définis pour traiter le signal de détection afin de définir la durée à laquelle a lieu la détection de fin d’attaque.

1. ledelay: c’est la durée pendant laquelle le signal de détection n’est pas traité : elle correspond au temps de stabilisation du plasma en début de gravure. Elle peut être allongée pour occulter une partie de la gravure par exemple.

2. la durée denormalisation: c’est la durée pendant laquelle la valeur du signal va être moyennée.

3. letrigger: il correspond à la variation de la valeur du signal, par rapport à la moyenne de celui-ci, calculée pendant la durée de la normalisation à laquelle la détection de fin d’attaque est souhaitée. Cette variation peut être une hausse (trigger> 100%) ou une baisse (trigger< 100%) du signal. Cette détection de fin d’attaque doit correspondre à la fin de la gravure d’une couche.

A la suite de la détection de fin d’attaque qui correspond à la fin de gravure d’une couche, gravure qui n’est jamais uniforme sur la surface du wafer, il est toujours nécessaire de réaliser une sur-gravure (ouoveretch) pour terminer la gravure sur toute la surface du wafer et donc éliminer tous les résidus.

Voici quelques exemples de simple ou doubledétection de fin d’attaque.

E.1 Simple détection

LaDFAen simple détection consiste à regarder la gravure d’une mono-couche. Le schéma ci-dessous explique le comportement du signal énergétique de détection de gravure.

FigureE.1 – Exemple deDFAen simple détection

E.2 Double détection

Une DFA en double détection est utilisée dans le cas où il y a au minimum deux couches à graver. Cela permet de faire une détection sur la première couche et une autre sur la deuxième couche. Voici un exemple de signal de détection traité avec une doubleDFA. Comme on peut le voir sur la trace ci-dessous, lors de l’étape 3, on a une première montée de signal suivi d’un cycle deDFApuis à l’étape 4, on observe une remontée du signal (deuxième cycle deDFA) correspondant à la gravure de la couche suivante. L’étape 5 correspond à l’overetch permettant de sur-graver afin de ne laisser aucun résidu des couches à graver.

FigureE.2 – Exemple de DFAen double détection : première détection à l’étape 3 (gravureAluminium) et deuxième détection à l’étape 4 (gravureNitrure de Tantale).

Les gravures considérées dans ce stage présentent deux cas :

— gravure premier niveau : gravure en doubleDFAsurAlpuisTaN

— gravure second niveau : elle est en temps fixe car une DFAn’est pas adaptée puisque la durée de gravure doit être reproductible pour préserver les caractéristiques électriques de la capacité.

Annexe F

Le DOE en détails

F.1 Qu’est-ce qu’un DOE

Un plan d’expérience (DOE), ou Design of Experiment en anglais, doit être réalisé lorsqu’un problème doit être résolu pour un système faisant intervenir des paramètres d’entrée et des réponses de sortie. Le plan d’expérience permet de définir une modélisation du fonctionnement de ce système, basé sur des modèles ma-thématiques, dans un domaine de fonctionnement donné. Le plan d’expérience permet de définir ce modèle en optimisant le nombre d’expériences. Il s’agit d’une modélisation méthodique : le nombre d’essais est optimisé en étudiant un grand nombre de facteurs pour détecter les interactions entre chacun afin d’obtenir la meilleure précision avec un modèle représentant notre système pour finalement obtenir une analyse rigoureuse menant rapidement aux résultats recherchés. [9]

Avant de choisir un modèle deDOE, il nous faut fixer les termes importants.

— Réponse: c’est la réponse du système pour une certaine valeur des paramètres d’entrée

— Paramètre d’entrée: grandeur physique modifiable, qui doit influer sur les variations de la réponse.

Le plan d’expérience, s’il fonctionne, permet de modéliser la valeur desréponsesen fonction de celles des para-mètres d’entrée.[16]

Le choix desparamètres d’entréese fait grâce au modèle d’Ishikawa qui nous permet d’identifier les sources fluctuantes et donc les paramètres à étudier. [3]

FigureF.1 – Diagramme d’Ishikawa

Pour définir unDOE, il nous faut lister tous les facteurs permettant la mise en oeuvre du procédé et pour cela la méthode des "5M" ([1]) est utile, il nous faut les paramètres fluctuants pour :

— la matière : matière première, fournisseur, stockage, qualité, manutention...

— le matériel : machines, outils, équipements, capacité, âge, maintenance,...

— main d’oeuvre : direct ou sous-traitance, motivation, formation, expérience,...

— le milieu : environnement, éclairage, bruit, vibrations,...

— les méthodes : instructions, manuel, procédure...

Il nous faut donc maintenant décider du modèle que nous allons suivre. Il existe deux grands types d’objectifs :

— lescreening: il permet de déterminer quelsparamètres d’entréeont une influence réelle et importante sur lesréponsesétudiées. Il permet aussi d’éliminer rapidement ceux sans influence réelle sur lesréponses. Le but d’unscreeningest de faire un nombre minium d’essais. Il n’est pas obligatoire de faire unscreening s’il y a peu deparamètres d’entrée.

— leplan d’expérience complet: une fois lescreeningeffectué, seuls lesparamètres d’entréepertinents sont retenus. En intégrant ceux-ci dans un plan d’expériencecomplet, il est possible de déterminer un modèle précis pour modéliser le système étudié.

— lessurfaces de réponse: le calcul des variations de laréponseen fonction desparamètres d’entréejugés influents permet, de façon quantitative, de déterminer la manière dont laréponsevarie.

Dans notre démarche d’éradiquer des défauts générés par la gravure second niveau, unplan d’expérience completa été retenu sans faire descreeningau préalable car seuls cinqparamètres d’entréeont été retenus.

Nous avons alors décidé de travailler selon un plan factoriel (pourkfacteurs on procède à2^k expériences) dit fractionnaire. Un plan factoriel régulier à deux niveaux pour chaque facteur a été retenu. C’est donc un plan d’expérience à seize essais que nous obtenons.

Le plan factoriel complet prend en compte toutes les interactionsentre chaque facteur. Alors que le plan factoriel fractionnaire considère les expériences les plus à même de fournir un résultat cohérent. En général, ce dernier plan néglige les effets desinteractionssupérieur à 1 et si deux effets sont non significatifs, l’effet de leur interaction l’est aussi. On simplifie donc le nombre d’expériences à faire.

F.2 Le coût approximatif des trois DOE

Un plan d’expérience(DOE) est un investissement de temps et donc d’argent à effectuer afin de réduire cette perte par la suite en production. Le coût des nos troisDOEdépend de la main d’oeuvre (salaire net d’un ingénieur débutant étant d’environ 2 000e par mois mais le double pour l’entreprise avec les charges), du temps passé (l’équivalent d’un mois et demi pour nos troisplan d’expérience) mais aussi des matières utilisées : dans notre cas notre wafer avec toutes les couches déposées et gravées.

Coût (e)

Coût main d’oeuvre 6 000

Prix des 50 plaquettes RLC07-EHQ terminée 14 000

Total 20 000

TableF.1 – Coût approximatif desDOEeffectués lors du stage.

Cette estimation approximative n’est faite que pour se rendre compte que des manipulations coûtent cher à l’entreprise et qu’il vaut mieux réfléchir avant de se lancer dans des expérimentations industrielles.

Annexe G

Détermination des vitesses d’attaque

LesVApour les gravuresSi3N4etTaNse déterminent séparément. Nous avons utilisé des témoins de chaque couche afin de calculer lesVAde chaque recette duDOE.

Pour étudier lesVA, il nous faut connaître l’épaisseur avant et après avoir passé la plaque en gravure.

Dans le cas des témoins Si3N4, nous avons mesuré les plaques en épaisseur avant et après gravure sur un el-lipsomètre (cf annexeC.1). Nous avons alors pu calculer l’épaisseur gravée puis par la formule v = ^e_t la VA correspondant à chaque recette. Pour les recettes n^o1, n^o13, n^o15 et n^o16, nous avons du prendre des témoins plus épais (4000Å contre 1000Å car ces recettes gravaient complètement les 1000Å deSi3N4en dix secondes).

Les résultats figurent dans le tableau suivant.

Recette Épaisseur avant Épaisseur après Temps de Temps de gravure

duDOE gravure gravure gravure VA pour 500Å deSi3N4

Å Å s Å/min s

Dans le cas des témoinsTaN, nous avons mesuré les plaques sur l’appareil de mesure des quatre pointes. La mesure de résistance est ensuite convertie en épaisseur (cf annexeC.2). Nous avons alors obtenus les résultats suivants.

V/I V/I Épaisseur Épaisseur Temps Temps pour

Recette avant après avant après de VA graver 650Å

duDOE gravure gravure gravure gravure gravure deTaN

Ohm Ohm Å Å s Å/min s

1 2.16 2.98 2216.7 1606.7 10 3659.9 10.7

2 2.17 2.44 2206.5 1962.3 10 1465 26.6

3 2.17 2.36 2206.5 2028.8 10 1065.9 36.6

4 2.2 2.46 2176.4 1946.4 10 1380.2 28.3

5 2.19 2.6 2186.4 1841.6 10 2068.7 18.9

6 2.19 2.46 2186.4 1946.4 10 1439.8 27.1

7 2.19 2.71 2186.4 1766.8 10 2517.2 15.5

8 2.2 2.47 2176.4 1938.5 10 1427.2 27.3

9 2.2 2.51 2176.4 1907.6 10 1612.8 24.2

10 2.21 2.34 2166.6 2046.2 10 722.2 54

11 2.21 2.62 2166.6 1827.5 10 2034.3 19.2

12 2.21 2.63 2166.6 1820.6 10 2076 18.8

13 2.22 2.71 2156.8 1766.8 10 2339.9 16.7

14 2.23 2.69 2147.1 1779.9 10 2203 17.7

15 2.22 2.83 2156.8 1691.9 10 2789.4 14

16 2.23 2.48 2147.1 1930.7 10 1298.7 30

Une fois les VA pour chaque couche obtenues, il nous faut connaître les temps de gravure pour chaque recette : il n’y a qu’à ajouter les temps d’attaque de chaque couche et de définir un temps d’overetch(la moitié duME comme il est défini en production pour les gravures capacité). Le tableau ci-dessous résume les temps que nous utiliserons pour graver lors desDOEn^o1, n^o2 et n^o3 avec le facteur correctif (+30%) hormis pour la recette n^o10 (temps long).

Temps de gravure Temps de Temps de gravure Temps de gravure Recette ME pour 500Å gravure ME avec facteur overetch avec facteur duDOE de Si3N4 et overetch correctif charge correctif charge

650Å deTaN de masque de masque

Annexe H

La programmation python

H.1 Tri des photos pour le DOE n

^o

1

A l’issue duDOEn^o1, nous avons analysé les plaques sur un équipementNSX(comparaison des couleurs en nuance de gris suite à une image de référence) et nous avons récupéré 1600 photos à trier pour répertorier les différents défauts.

Pour gagner du temps et se faciliter le travail, nous avons décidé d’écrire un code python permettant de reconnaître un défaut en fonction de sa couleur. Le programme fonctionne à 5% près mais ne peut pas distinguer deux défauts s’ils ont la même couleur en sortie de gravure.

1 #−∗− coding : utf−8 −∗−

45 p l t . t i t l e (" C l i q u e r sur l ’ a r r i è r e plan du dé f a u t ") afin de trier les 144 photos après analyse microscope en neuf points duDOE n^o3. Une notice d’utilisation se trouve à suivre.

12 from skimage . c o l o r import rgb2hsv

86 x33=i n t( plan [ 2 ] [ 0 ] )

150 l i s t e =[ pourc_centre , pourc_mir , pourc_coins ]

151 t h e t a = np . l i n s p a c e ( 0 , 2∗np . pi , 100)

159 i f l i s t e [w] != max( l i s t e ) and l i s t e [w] != min( l i s t e ) :

1- Le code à ne pas toucher

• Ces premières lignes de code permettent de télécharger tous les modules nécessaires à l’utilisationdu programme.

• Ce premier bloc d’informations permet d’automatiser la boucle afin de relancer le traitement si l’utilisateur a besoin sans relancer tout le programme.

• Le dernier bloc d’informations vient arrêter le programme dans le cas où l’utilisateur répond autre chose que

« o » ou « O ».

2- Le répertoire de travail

• Le choix du répertoire de travail permet à l’utilisateur de donner le lien vers le répertoire où sont stockées les images à analyser

• Il faut aussi préciser s’il s’agit d’images en format PNG ou JPEG directement dans la console.

• La dernière ligne vient créer un répertoire Défaut dans votre répertoire afin de stocker toutes les images de sorties.

3- L’enregistrement des images

• Le but est d’enregistrer les images sous différentes listes afin de pouvoir en garder une avec les images non retouchées (images_list).

• Les deux autres listes permettent de faire des

transformations aux images afin de pouvoir en extraire les défauts.

• Par exemple image_list va recueillir les images saturée en couleur (HSV : Hue Saturation Value = Valeur en Teinte Saturée) pour récupérer seulement les composantes qui nous intéressent dans value_img.

4- L’enregistrement des couleurs références

• Cette partie de code permet d’enregistrer les différentes nuances de couleurs qui constituent les couches de la photo.

• Le plt.ginput() permet de choisir le nombre de points sur lesquels il faut cliquer pour déterminer un maximum de nuances d’une couche.

5- La suppression des capacités à partir des couleurs références

• L’idée de ces quelques lignes est de supprimer un maximum de nuances de couleur non associées au défaut en les remplaçant par une unique couleur et en passant en nuances de gris pour gagner en précision (valeurs entre 0 et 1).

6- La détection de pixels non répertoriés

• L’idée de cette boucle est de trier les pixels en fonction de leur couleur : on applique un seuillage.

Il va nous permettre de déterminer les pixels « défectueux » selon une certaine gamme de couleur compris entre seuil_haut et seuil_bas (compris entre 0 et 1, valeurs modifiables).

• Ces pixels seront ramenés à un ratio de pixels « défectueux » avant d’être enregistrés dans un fichier texte.

7- Le mapping en 3 zones représentatives

• Le but est d’avoir une information visuelle sur chaque wafer, avec en rouge : la zone la plus touchée par les défauts, en orange : la zone moyennement touchée et en vert : la zone la moins touchée par les défauts.

• La plt.close() vient fermer les figures ouvertes sinon le PC ne comprend plus rien (pas assez puissant).

7- L’affichage final

• On vient afficher, dans la console, les informations dont on a besoin dans le programme ainsi que le temps qui s’est écoulé pour le traitement .

Bibliographie

[1] Francis Baillet et Patrick Ozil. La méthodologie des Plans d’Expériences, Optimisation - Etudes de modèles empiriques. 2012.

[2] Franck Bernoux et al. “Ellipsométrie Théorie”. In : Techniques de l’ingénieur Métrologie optique et photonique (2003). url : https://www.techniques- ingenieur.fr/base- documentaire/mesures-analyses-th1/metrologie-optique-et-photonique-42143210/ellipsometrie-r6490/.

[3] ENIT.Technique des Plans d’Expériences. 2007.

[4] StéphaneHubac.SYNTHESE « LES PLASMA » CNTC. 2012.

[5] D.Y Kim et al. “Dry etching of extreme ultraviolet lithography (EUVL) mask structures in inductively coupled plasma”. In :Journal of Vacuum Science & Technology A(2008).url :https://doi.org/10.

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[6] Pierre PatrickLassagne.Présentation des plasmas. 2005.

[7] BrunoLee Sanget al. “Inductively coupled plasma etching of ultra-shallowSi3N4nanostructures using SF6/C4F8chemistry”. In :Elsevier (2015).

[8] Mesure 4 pointes.url:https://www.aime-toulouse.fr/DOCPDF/TP/rcarre.pdf.

[9] SébastienPreys.Les Plans d’Expériences. 2009/2010.

[10] C.Reyes-Betanzoet al. “Plasma etching of Si3N4 with high selectivity over Si and SiO2Plasma etching of Si3N4 with high selectivity over Si and SiO2”. In :Physical Review ().

[11] Statease. Design Expert v11. url : https://www.statease.com/docs/v11/contents/analysis/

general-sequence-of-analysis/.

[12] STMicroelectronics.STMicroelectronics site web.url:https://www.st.com/content/st_com/en.

html.

[13] STMicroelectronics (intranet).INSPECTION VISUELLE SUR NSX FRONT END.url:http:

//mdmsviewer.tou.st.com/dmsdownloader/downloadServlet/N089348_8_0?docname=N089348&mode=

view.

[14] STMicroelectronics (intranet).MODE OPERATOIRE SUR KLA7700.url:http://mdmsviewer.

tou.st.com/dmsdownloader/downloadServlet/N058193_6_0?docname=N058193&mode=view.

[15] STMicroelectronics (intranet). MODE OPERATOIRE SUR LAM TCP9600. url : http : / / mdmsviewer.tou.st.com/dmsdownloader/downloadServlet/N043616_6_0?docname=N043616&mode=

view.

[16] StéphaneVivier.Méthode des plans d’expériences.

Résumé

Ce stage de six mois chez STMicroelectronics Tours a pour but de tenter d’éradiquer des défauts générés par une opération de gravure sèche lors de la réalisation d’une capacité en filière produit IPD.

La fabrication de composants pour le développement de la 5G pour la téléphonie mobile est un processus long et coûteux. L’adaptation de la capacité du composant utilisé en 4G pour l’application 5G a nécessité d’ajouter une couche supérieure sur la top électrode, la nouvelle capacité ainsi définie comprend 4 couches.

La gravure de cette capacité a été définie avec 2 niveaux de photo-gravure afin de conserver un second niveau de gravure standard et d’éviter tout problème de fiabilité lié à une gravure avec un seul niveau et une seule chimie. Le premier niveau de gravure ne posant pas de problème, nous nous sommes penchés sur le second niveau de gravure sèche laissant des résidus à la surface du wafer. Ces résidus, se composant des couches

La gravure de cette capacité a été définie avec 2 niveaux de photo-gravure afin de conserver un second niveau de gravure standard et d’éviter tout problème de fiabilité lié à une gravure avec un seul niveau et une seule chimie. Le premier niveau de gravure ne posant pas de problème, nous nous sommes penchés sur le second niveau de gravure sèche laissant des résidus à la surface du wafer. Ces résidus, se composant des couches

Dans le document Tentative d’éradication de défauts générés par gravure sèche lors de la réalisation (Page 49-67)