Systèmes de détection de fin d’attaque (DFA) 44

Compte tenu des critères très sévères de sélectivité des procédés de gravure, notre réacteur est équipé d’un système de détection de fin d’attaque puissant, appelé EyeD de Verity Instrument qui combine les techniques d’émission optique et d’interférométrie pour contrôler en temps réel la gravure et arrêter le plasma à la fin de la gravure de la couche mince.

Figure II-5 : Principe de fonctionnement de l’EyeD

La DFA est constituée de deux fibres optiques, l’une véhiculant le signal de l’émission optique, l’autre celui de l’interférométrie, qui sont toutes les deux reliées au même spectromètre (voir Figure II-5). Le spectromètre est équipé de deux canaux permettant l’acquisition simultanée des signaux de l’émission et de l’interférométrie. Sur chaque canal, le signal lumineux passe par un réseau de diffraction qui disperse les différentes longueurs d’onde du signal lumineux sur une caméra CCD (Charged Coupled Device) constituée de 1024*62 pixels. Les 1024 colonnes représentent chacune une longueur d’onde, et l’intensité lumineuse pour chaque longueur d’onde est comptabilisée sur les 62 pixels correspondant. Le spectromètre peut détecter simultanément des longueurs d’onde allant de 200 à 800 nm, avec une résolution optique inférieure à 1,7 nm (=1024/ (800-200)).

a) L’émission optique du plasma

Le plasma émet de la lumière du fait des désexcitations radiatives des atomes ou molécules présentes dans la phase gazeuse. Grâce au logiciel associé au spectromètre, il est possible de sélectionner une raie d’émission atomique ou moléculaire n’existant que durant la gravure de la couche voulue et de suivre l’évolution dans le temps de l’intensité de cette raie.

Par exemple, pendant la gravure silicium, on peut suivre la raie d’émission du silicium à 288 nm et pendant la gravure TiN, on peut suivre la raie d’émission de TiN à 400nm. Lorsque la couche de TiN gravée a été entièrement éliminée, l’intensité lumineuse de cette raie chute significativement : le diélectrique de grille est atteint et la gravure est terminée. Lors de la gravure du masque dur (en SiO2) à partir d’une chimie fluorocarbonée, la raie d’émission du

produit de gravure CO à 483 nm peut être suivie : lorsque celle-ci chute, la gravure est terminée.

L’inconvénient de l’émission optique comme système de détection de fin d’attaque est qu’elle manque de précision : elle nous permet de déterminer quand la gravure est terminée mais elle ne permet pas de savoir en temps réel l’épaisseur qu’il reste à graver. Cette méthode doit donc être employée en complément de l’interférométrie.

b) L’interférométrie

La DFA par interférométrie est intéressante pour connaître en temps réel l’épaisseur restante d’une couche à graver.

Cette technique consiste à envoyer une lumière en incidence normale au 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. Le choix de la longueur d’onde dont le signal est suivi pendant la gravure est fonction des propriétés optiques du matériau gravé.

Considérons l’empilement de deux matériaux A et B (voir Figure II-6), 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. 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-6 : Réflexion d’une onde lumineuse en incidence normale sur un empilement de deux matériaux A et B.

La différence de phase entre les deux ondes réfléchies vaut : λ δ π 2 = ∆Φ 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 par : I=4I0cos2 (∆φ /2)=4I0cos2 (2πnd/λ) (cf. interféromètre de Michelson12). 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 :

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 de matériau gravée en comptant le nombre d’arches. Quand le signal ne fluctue plus, c’est que la gravure est terminée.

La lumière incidente est produite par une lampe à xénon dont la plage spectrale est continue et comprise entre 225 nm et 800 nm. Selon le matériau gravé, on choisit de suivre dans le temps les interférences créées pour une longueur d’onde qui n’est pas absorbée par le matériau en cours de gravure. Par exemple, pour le silicium polycristallin, il faut choisir des longueurs d’ondes supérieures à 500 nm.

L’avantage de la DFA est qu’elle permet de suivre en temps réel l’épaisseur gravée, lorsque le matériau gravé est suffisamment épais. En effet elle est inutilisable pour le suivi de la gravure d’une couche mince comme le TiN dont l’épaisseur est de 10 nm ou le HfO2 dont l’épaisseur

est de 3.5 nm. Ces épaisseurs sont en effet inférieures à une période du signal d’intensité quelque soit la longueur d’onde de la lumière dont nous disposons avec notre interféromètre. En pratique cela se traduit par un signal monotone au cours de la gravure et donc une absence d’arches, et il est impossible d’estimer l’épaisseur restante de matériau à graver.

Dans l’empilement de la grille métallique Poly-Si / TiN / HfO2, nous utilisons

l’interférométrie au cours de la gravure du silicium dont l’épaisseur de 50 nm est suffisante pour anticiper la fin de gravure silicium et l’arrivée sur la surface de TiN. Nous utilisons ensuite la raie d’émission lumineuse du titane à 400 nm pour déterminer la fin de gravure de TiN et l’arrivée sur HfO2.