Systèmes de détection de fin d’attaque (DFA)

Deux systèmes commercialisés par la société Applied Materials, basés sur l’analyse de la lumière émise par le plasma, gérés par ordinateur et installés sur le réacteur de gravure, permettent de détecter la fin de gravure du diélectrique ou du retrait de la résine, à savoir :

un système d’émission optique OES (“Optical Emission Spectroscopy”) ;

un système d’interférométrie iRM (“Integrated Rate Monitor”).

Système OES :

Le plasma émet de la lumière du fait des désexcitations radiatives des atomes ou molécules présentes dans la phase gazeuse. Cette lumière émise par le plasma permet d’identifier les espèces présentes dans la décharge. En effet, les espèces atomiques ou moléculaires sont détectées par l’intermédiaire du rayonnement mis en jeu lors de leur désexcitation. La lumière du plasma est transmise à l’extérieur du réacteur par l’intermédiaire d’un hublot et le transport du rayonnement est effectué par une fibre optique. Le système permet à l’aide de deux filtres optiques de suivre l’évolution des raies d’émission des molécules CO et CN localisées respectivement à 483,5 nm et 386,5 nm.

Lors d’un procédé plasma, la détection de fin d’attaque peut être détectée en enregistrant l’émission associée à l’un des effluents de gravure. Par exemple, lors d’une étape de retrait de

CO pour déterminer la fin d’attaque. La Figure II. 7 représente l’évolution temporelle de l’émission de la raie CO au cours de cette étape.

Figure II. 7: Spectre d'émission de la raie CO lors de l'étape de retrait résine.

Système « iRM »

Le module iRM Endpoint d’Applied Materials est un système interferométrique permettant de suivre en temps réel la gravure. Cette technique consiste à envoyer une lumière en incidence normale sur le substrat et le spectromètre enregistre un signal sinusoïdal représentant les interférences entre le faisceau réfléchi à la surface du matériau à graver et celui réfléchi à la surface du matériau sous-jacent.

Considérons l’empilement de deux matériaux A et B, avec A le matériau à graver ayant un indice optique n, et une épaisseur d et B le matériau sous-jacent sur lequel la gravure doit être arrêtée (Figure II.8). Si l’on envoie une lumière monochromatique, λ en incidence normale sur cet empilement, la lumière va être réfléchie par la surface de A et l’interface entre A et B.

Figure II. 8: Schéma de principe de l’interférométrie.

Toute la résine est enlevée Début du retrait de la résine Temps (s) Intensité (u.a.) d n λ A B

La différence de phase entre les deux ondes réfléchies vaut : =2 avec δ qui représente la différence de chemin optique entre les deux faisceaux réfléchis et qui vaut δ =2nd (car le faisceau réfléchi à l’interface parcourt deux fois la distance d (aller-retour) à travers le matériau A d’indice optique n).

L’intensité lumineuse détectée et combinant les deux faisceaux réfléchis peut s’exprimer

sous la forme : I= 4I0cos2 (∆φ /2) = 4I0cos2 (2πnd/λ)

Cette intensité lumineuse peut être tracée en fonction de l’épaisseur d du matériau A qui varie dans le temps au cours de la gravure (Figure II.9).

Figure II. 9: Tracée de l’intensité lumineuse en fonction de l’épaisseur du matériau.

La période de cette fonction est D=λ/2n, ce qui veut dire qu’à chaque arche de cette fonction, on a gravé une épaisseur du matériau A égale à λ/2n. Ainsi on peut savoir à tout moment, l’épaisseur gravée du matériau en comptant le nombre d’arches.

Dans notre étude, l’iRM est étalonné de façon à utiliser le plasma comme source de lumière dans une large bande UV-visible. Les procédés fluorocarbonés, traditionnellement utilisés pour la gravure des matériaux SiOCH présentent une large bande d’émission comprise entre 200 nm et 400 nm. La sélection d’une longueur d’onde appropriée pour l’analyse peut être réalisée en utilisant le filtre optique adéquat. Le signal d’interférence réfléchi par le substrat est alors collecté en temps réel par un l’iRM monté sur le couvercle de la chambre de gravure, juste au dessus du substrat gravé (Figue II.3). Deux photo-détecteurs sont utilisés pour enregistrer l’intensité de la lumière, polarisée en deux plans orthogonaux. Le signal analogique des détecteurs est ensuite numérisé. Les informations sont traitées par un système où le rapport des deux signaux provenant des polariseurs est effectué.

La Figure II. 10 représente le signal en temps réel reçu par l’iRM (traditionnellement reçu lors de la gravure de structures avec motifs) constitué de trois composantes attribuées à la résine, au film diélectrique et à la modulation du champ magnétique. Avant de pouvoir obtenir le signal adéquat pour estimer la vitesse de gravure du diélectrique, il est nécessaire d’utiliser différents filtres permettant de pallier aux contributions de la résine et du champ magnétique.

In te n si té d u s ig a l Temps (s) Temps (s) Temps (s) (a) (b) (c)

Figure II. 10 : a) signal en temps réel composé de trois composantes attribuées à la résine (ϖϖϖϖpr), au film diélectrique (ϖϖϖϖox)et à la modulation du champs magnétique (ϖϖϖϖmag),

b) après filtrage de la contribution champ magnétique, c) après filtrage de la composante résine.

Pour notre étude, le module iRM est configuré pour n’utiliser qu’un seul détecteur enregistrant la lumière réfléchie à 214 nm. En effet, à cette longueur d’onde la résine est absorbante et par conséquent l’utilisation de deux détecteurs n’est plus nécessaire.

Le calibrage de l’iRM est réalisé sur des tranches sans motifs. L’indice du matériau à graver est dans un premier temps estimé à partir de l’épaisseur du film restant après gravure. En supposant une vitesse de gravure constante et l’intensité de la lumière réfléchie comme étant approximativement un signal sinusoïdal (comme le montre la Figure II. 11), l’épaisseur totale du film gravé d peut-être donnée par la formule précédemment détaillée:

T n t E d × × = × = 2

λ

Avec d l’épaisseur du film gravé, t temps total de la gravure, λ la longueur d’onde de la lumière (ici 214 nm, la résine est absorbante pour cette longueur d’onde), n l’indice de

Figure II. 11 : Intensité de la lumière réfléchie enregistrée au cours de la gravure d’un film SiOCH non poreux pendant 60 s.

L’épaisseur du film restant après gravure est dans un premier temps estimée par ellipsométrie, permettant ainsi de remonter à l’indice de réfraction (à 214 nm) du matériau gravé. Le Tableau II. 2 montre les indices de réfraction ainsi obtenus pour les différents films étudiés.

Tableau II. 2 : Indice de réfraction (214 nm) estimé à partir des franges d’interférence obtenues au cours de la gravure de matériaux pleines plaques.

Film USG BDTM LKD5109TM

n 1,49 1,55 1,39

Une fois l’indice de réfraction du matériau gravé et la valeur de la période du signal sinusoïdal connus, celles-ci ont ensuite été insérées dans les algorithmes du module iRM. Ils serviront de référence pour l’estimation de l’épaisseur de gravure des différents matériaux en temps réel.

II.4.1.2 La spectroscopie de photoélectrons X