Brevet FR2792077A1 — publié le 20001013

La présente invention concerne une installation d'observation micro- scopique d'un circuit à semi-conducteur, du type comportant, dans une en- ceinte d'observation sous vide (12): - un microscope à interaction particulaire par réflexion; - des moyens de support du circuit en regard du microscope à inter- action particulaire par réflexion; et - des moyens pour provoquer un déplacement entre le circuit et le microscope à interaction particulaire par réflexion. Lors de la fabrication ou après l'achèvement d'un circuit à semi- conducteur, encore appelé communément circuit intégré, il est essentiel de s'assurer de sa qualité et de son bon fonctionnement. Ainsi, des observations des circuits intégrés sont effectuées, alors que ceux-ci sont encore assemblés les uns aux autres sur une galette de silicium ou d'autre composition dans laquelle ils ont été gravés cote à cote. Une observation initiale se fait par microscopie optique à réflexion afin de détecter des défauts de taille importante, tels que des particules pouvant souiller la surface des circuits. Du fait de l'augmentation de la complexité des circuits, et de la réduc- tion de la taille des éléments les constituant, il est nécessaire de recourir à la microscopie électronique à balayage, ou tout autre type de microscopie à interaction particulaire par réflexion afin de mettre en évidence des défauts non détectables par un microscope optique. Le microscope électronique à balayage, du fait de sa très grande ré- solution, permet d'assurer de manière satisfaisante, la détection éventuelle de défauts ou d'impuretés de petites tailles. En plus du recours à la microscopie électronique à balayage, il est possible, pour la détection de défauts, de stimuler électriquement, de ma- nière directe ou induite de circuit intégré, et d'observer localement une zone du circuit intégré de façon à détecter et donc mesurer les variations du si- gnal dans le temps. Dans le cas de la microscopie optique, il est possible d'observer et de mesurer le fonctionnement du circuit en analysant le signal réfléchi à travers le substrat (silicium par exemple) par le dessous du circuit ou à travers l'oxyde par le dessus du circuit. Dans le cas de la microscopie à interaction particulaire par réflexion, le signal réfléchi donne des informations sur les signaux électriques parcou- rant les pistes métalliques qui recouvrent la surface du circuit. Le microscope électronique à balayage a un champ de vision très réduit. Ainsi, son positionnement par rapport à la surface, extrêmement étendue du circuit électronique, est délicat. De même, la localisation exacte de la zone observée sur le circuit, par rapport à l'ensemble du circuit est dif- ficile à déterminer à cause de ce manque de visibilité. L'invention a pour but de permettre un repérage aisé de la zone d'ob- servation et la vérification d'un circuit, dans une installation d'observation microscopique permettant la détection de défauts de taille réduite, et l'ana- lyse de circuits constitués d'éléments de très petite taille. A cet effet, I'invention a pour objet une installation d'observation mi- croscopique d'un circuit à semi-conducteur, du type précité, caractérisée en ce qu'elle comporte, dans ladite enceinte, un microscope optique à réflexion comportant des moyens d'observation optique et des moyens d'illumination du circuit, les moyens d'illumination et les moyens d'observation optique étant disposés du même côté du circuit, le microscope optique à réflexion et le microscope à interaction particulaire par réflexion étant disposés en vis-a- vis suivant un même axe d'observation de part et d'autre du circuit porté par les moyens de support, et en ce qu'il comporte des moyens pour provoquer un déplacement entre le circuit et le microscope optique à réflexion, identi- que au déplacement entre le circuit et le microscope à interaction particulaire par réflexion, de sorte que les deux microscopes sont maintenus en regard suivant le même axe d'observation et observent la même région du circuit. Selon un mode particulier de réalisation, I'installation comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - les moyens d'illumination comportent une source de rayonnement dans le proche- infrarouge ou l'ultraviolet; - le microscope à interaction particulaire par réflexion est au moins l'un parmi un microscope électronique à balayage, un microscope à fais- ceaux d'ions, un testeur par faisceau d'électrons et un système à faisceau d'ions focalisé; - le microscope optique à réflexion est équipé d'un dispositif d'obser- vation et de mesure par faisceau laser; - les moyens de support de l'objet à observer comportent un cadre adapté pour positionner le circuit à semi-conducteur avec sa face gravée orientée vers le microscope à interaction particulaire par réflexion et sa face constituée de substrat non gravé orientée vers le microscope optique à ré- flexion; - les moyens pour provoquer un déplacement entre le circuit et cha- cun des deux microscopes comportent des moyens de déplacement du cir- cuit par rapport à l'enceinte dans un plan perpendiculaire à l'axe d'observa- tion commun des deux microscopes; - les moyens de support du circuit sont fixes par rapport à ladite en- ceinte et les moyens pour provoquer un déplacement entre le circuit et cha- cun des deux microscopes comportent, pour chaque microscope, des moyens de déplacement du microscope par rapport à ladite enceinte dans un plan perpendiculaire à l'axe d'observation commun des microscopes, et elle comporte en outre des moyens d'interférométrie laser disposés entre les deux microscopes, afin d'assurer leur alignement. L'invention a en outre pour objet un procédé d'observation microsco- pique d'un circuit électronique à semi-conducteur placé dans une enceinte d'observation sous vide, comportant les étapes de: - observer le circuit suivant une première face avec un microscope à interaction particulaire par réflexion; - provoquer un déplacement entre le circuit et le microscope à inter- action particulaire par réflexion; caractérisé en ce qu'il comporte en outre les étapes de: - observer le circuit suivant la face opposée à ladite première face avec un microscope optique par réflexion, qui est disposé en vis à vis du microscope à interaction particulaire par réflexion suivant un même axe d'observation, de l'autre côté du circuit, en illuminant la face opposée du cir- cuit depuis des moyens d'illumination disposés en regard de la face opposée du circuit; et - provoquer un déplacement entre le circuit et le microscope optique à réflexion, identique au déplacement entre le circuit et le microscope à inter- action particulaire par réflexion, de sorte que les deux microscopes sont maintenus en regard suivant le même axe d'observation et observent la même région du circuit. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux des- sins annexés, sur lesquels: - la Fig.1 est une vue schématique en perspective d'une installation d'observation selon l'invention; et - la Fig.2 est une vue schématique en élévation d'une variante de réa- lisation de l'installation de la figure 1. L'installation représentée sur la figure 1 est destinée à l'observation microscopique d'une galette ou tranche de silicium sur laquelle est gravé un ensemble de circuits à semi-conducteur. Cette observation peut se repré- senter sous forme de mesure en suivant dans le temps le signal détecté. L'installation d'observation comporte essentiellement une enceinte d'observation sous vide 12 de part et d'autre de laquelle sont disposés un microscope optique à réflexion 14 et un microscope à interaction particulaire par réflexion 16, tel qu'un microscope électronique à balayage. Le microscope optique 14 et le microscope électronique à balayage 16 sont disposés en vis à vis suivant un même axe d'observation X-X de part et d'autre du spécimen constitué de la galette portant les circuits à ob- server. Le spécimen est désigné dans la suite par la référence 18. L'enceinte d'observation 12 est définie par une cuve hermétique 20 sensiblement parallélépipédique. La cuve 20, ainsi que les microscopes 14 et 16 sont portés par un bâti 22. Les deux microscopes sont liés rigidement à la cuve 20 pour être maintenus avec leurs axes d'observation exactement coaxiaux. La cuve 20 s'ouvre à son extrémité supérieure. Elle est obturée par un couvercle hermétique 22. Dans la cuve 20, sont prévus des moyens 24 de déplacement du spécimen 18 dans un plan perpendiculaire à l'axe d'ob- servation commun X-X des deux microscopes. Ces moyens assurent no- tamment un déplacement suivant deux directions perpendiculaires du plan. Les moyens 24 comportent un cadre 26 réalisé en matériau conduc- teur à l'intérieur duquel est supporté le spécimen 18, de sorte que ses deux faces principales soient exposées. Le spécimen 18 est relié électriquement au cadre 26 pour permettre l'évacuation des charges en surface. Le couvercle 22 supporte le microscope optique à réflexion 14. Ce dernier est logé dans une chambre cylindrique étanche 28 débouchant en regard du spécimen 18. Il comporte des moyens d'observation optique et/ou de mesure 30, constitués par exemple d'une caméra associée à un objectif adapté. En ou- tre, le microscope optique 14 comporte des moyens 32 d'illumination du spécimen, disposés du même côté du spécimen 18 que les moyens d'ob- - servation 30. Ces moyens 32 comportent notamment une source de rayonnement adaptée au type d'observation voulu. Par exemple, pour l'observation et la mesure de signaux d'un circuit, une source lumineuse émettant dans le pro- che infrarouge est choisie. En effet, ce rayonnement permet de traverser le silicium et être ensuite réfléchi. Cela correspond généralement a une lon- gueur d'onde d'environ 1 pm. Les moyens d'observation 30 sont écartés de quelques millimètres de la face du circuit électronique a observer. Le microscope optique 14 est relié à une unité de traitement d'infor- mations 34 constituée d'un ordinateur mettant en oeuvre un programme adapté. Des moyens de visualisation 36, tels qu'un écran d'affichage et des moyens de commande 38 tels qu'un clavier, sont prévus pour la commande de l'unité de traitement d'informations 34 et le fonctionnement des deux mi- croscopes. Le microscope électronique à balayage 16 est fixé suivant l'axe X-X sous le fond de la cuve 20 opposé au couvercle 12. Il est reçu dans une chambre cylindrique 40 débouchant à l'intérieur de la cuve en regard du spécimen 18. Le microscope électronique à balayage 16 comporte comme connu en soi, un canon à électrons 42 à la sortie duquel est prévue une lentille électronique 44 de focalisation des électrons sur le spécimen 18. Il comporte en outre un détecteur d'électrons réfléchis par la surface du spécimen 18. Le canon à électrons 42 et le détecteur 46 sont reliés à l'unité de traitement d'informations 34 pour la génération d'une image sur l'écran 36 ou d'une mesure. Une système de mise vide 48 est connectée à la chambre 40 dans laquelle est logé le microscope électronique à balayage. Ce système est adapté pour créer un vide suffisant dans l'enceinte 12 et les chambres 28 et communiquant avec celle-ci. Avantageusement, le cadre 26 est adapté pour permettre le support du spécimen 18, avec une orientation telle que les circuits électroniques à semi-conducteur sont disposés en regard du microscope électronique à ba- - layage 16 et que leur face arrière, constituée essentiellement de silicium, est disposée en regard du microscope optique 14. On conçoit que, les deux microscopes 14 et 16 étant disposés coaxialement, il est possible, pour l'analyse d'une zone donnée d'un circuit électronique, de localiser cette zone par déplacement du spécimen 18 et d'observation de sa face arrière depuis le microscope optique 14. Une fois le spécimen 18 correctement positionné, l'observation précise de la zone con- sidérée du spécimen, peut être réalisée grâce au microscope électronique à balayage 16 observant, par l'autre face, la même zone du circuit électroni- que. Le champ de vison du microscope optique 14 étant de 10 à 100 fois plus grand que celui du microscope électronique à balayage, la localisation de la zone à observer est facilitée par rapport à la même localisation effec- tuée par un microscope électronique à balayage seul. L'image optique est effectuée depuis la face arrière du circuit électro- nique. Dans le cas du silicium par exemple, ceci est rendu possible par la longueur d'onde du rayonnement utilisé pour l'illumination. En effet, le rayon- nement dans le proche infrarouge pénètre au travers du silicium et se réflé- chit sur les pistes formées d'oxyde métallique. Un tel dispositif est aussi adapté à l'observation du fonctionnement d'un circuit, en mesurant les varia- tions du signal réfléchi. D'une manière similaire, si le circuit est retourné, une image optique de la face avant peut être obtenue avec une excellente résolution en choi- sissant un rayonnement dans l'ultra violet pour la source lumineuse. Sur la figure 2 est représentée une variante de réalisation d'une ins- tallation selon l'invention. Dans cette variante de réalisation, les mêmes éléments sont désignés par les mêmes numéros de références. Alors que dans le mode de réalisation de la figure 1, les microscopes 14 et 16 sont fixes par rapport à l'enceinte d'observation 12 et le spécimen 18 est mobile, dans le mode de réalisation de la figure 2, les microscopes 14 et 16 sont mobiles par rapport à l'enceinte 12, le spécimen 18 étant supporté par un support 50 fixe ou mobile par rapport à l'enceinte. Chaque microscope 14, 16 est ainsi associé à des moyens propres de déplacement dans un plan perpendiculaire à son axe d'observation, les axes d'observation des deux microscopes étant parallèles. Ces moyens sont notés respectivement 54 et 56. Les moyens 54, 56 de déplacement des deux microscopes sont syn- chronisés comme connu en soi, afin que les axes d'observation des deux microscopes soient confondues. Afin d'assurer un alignement correct des axes des deux microscopes, des moyens d'interférométrie laser 58 sont disposés entre les deux micro- scopes et le spécimen. Ces moyens d'interférométrie, comme connu en soi, permettent de mesurer le déplacement entre deux éléments avec une précision de mesure bien inférieure au micron. Ainsi, il est possible de connaître l'erreur de posi- tionnement mécanique entre les microscopes et avec le spécimen et de compenser ce décalage en modifiant la surface balayée par l'un ou et l'autre des microscopes. Dans une telle configuration, I'alignement entre les trois éléments constitués des deux microscopes et du spécimen peut être assuré avec une précision plus que satisfaisante. Comme connu en soi, ces moyens d'interférométrie 58 permettent de détecter un éventuel décalage entre les axes des microscopes. Ils comman- dent alors les moyens de déplacement 54, 56 afin de compenser le déca- lage détecté. Quelque soit le mode de réalisation, le microscope optique par ré- flexion est avantageusement équipé de moyens de mesure par faisceau laser. Ces moyens permettent l'observation du fonctionnement d'un circuit par la face arrière entre autres. Dans le cas du silicium par exemple, la source lumineuse choisie est dans le proche infrarouge. Le silicium étant transparent à un tel rayonnement, il sera possible d'observer le décalage de phase entre le rayonnement incident et le rayonnement réfléchi et de pou- voir ainsi observer dans le temps les variations et de représenter ces varia- tions sous forme de mesures correspondant au fonctionnement du circuit. De même, le microscope électronique à balayage est avantageuse- - ment équipé de moyens de test par faisceau d'électrons. Ces moyens per- mettent une analyse du circuit en fonctionnement, les électrons projetés sur le circuit étant réfléchis suivant des trajectoires différentes en fonction du potentiel de chacune des pistes du circuit. Dans ce cas, I'observation se fait localement et les variations du signal détectés sont observées dans le temps. Ainsi, il est possible de mesurer par exemple les variations de con- traste de potentiel pour une piste d'un circuit et de pouvoir tracer dans le temps l'évolution des niveaux de tensions. Les testeurs par faisceau d'électrons actuels atteignent des précisions bien inférieures au volt et à la microseconde. De plus, le microscope optique est avantageusement équipé d'un dispositif d'émission d'un faisceau laser pour la modification du circuit avec un effet ablatif ou de dépôt de matière en présence d'un gaz adapté. De même, en variante, le microscope électronique à balayage est remplacé par un système à faisceau d'ions focalisés. Dans ce cas, la source électronique est remplacée par une source ionique. Le faisceau d'ion pri- maire entraîne la ré-émission de particules secondaires (électrons ou ions) au niveau de la surface du spécimen. Tout comme pour le microscope élec- tronique à balayage, I'observation de la variation des électrons secondaires détectés permet de faire soit une image soit une mesure. Alternativement, le système à faisceau d'ions focalisé peut être équipé d'un système de détec- tion des ions secondaires, on parle alors de microscope à ions secondaires. Le système à faisceau d'ions focalisé est avantageusement équipé d'un dis- positif de traitement de circuit par faisceau d'ions focalisé, permettant au faisceau d'ions de couper certaines pistes du circuit, ou encore d'effectuer des dépôts sur celle-ci lorsque le faisceau d'ions est appliqué en présence d'un plasma généré par l'adjonction d'un gaz dans l'axe du balayage du faisceau. Le gaz subit directement l'effet du faisceau et se comporte comme un plasma localisé. Suivant la nature du gaz et l'énergie du faisceau d'ions, il est possible de creuser ou de couper la matière à la surface du circuit ou de déposer de la matière comme du métal par exemple. REVENDICATIONS 1. Installation (10) d'observation microscopique d'un circuit électroni- que à semi-conducteur (18), du type comportant, dans une enceinte d'ob- servation sous vide (12): - un microscope (16) à interaction particulaire par réflexion; - des moyens (26;50) de support du circuit (18) en regard du micro- scope (16) à interaction particulaire par réflexion, et - des moyens (24; 54) pour provoquer un déplacement entre le circuit (18) et le microscope (16) à interaction particulaire par réflexion, caractérisée en ce qu'elle comporte, dans ladite enceinte (12), un micro- scope optique à réflexion (14) comportant des moyens d'observation optique (30) et des moyens (32) d'illumination du circuit (18), les moyens d'illumina- tion (32) et les moyens d'observation optique (30) étant disposés du même côté du circuit (18), le microscope optique à réflexion (14) et le microscope à interaction particulaire par réflexion (16) étant disposés en vis-a-vis suivant un même axe d'observation de part et d'autre du circuit (18) porté par les moyens (26) de support, et en ce qu'il comporte des moyens (24;56) pour provoquer un déplacement entre le circuit (18) et le microscope optique à réflexion (14), identique au déplacement entre le circuit (18) et le microscope (16) à interaction particulaire par réflexion, de sorte que les deux microsco- pes sont maintenus en regard suivant le même axe d'observation et obser- vent la même région du circuit (18). 2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens d'illumination (32) comportent une source de rayonnement dans le proche-infrarouge ou l'ultraviolet. 3. Installation selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le microscope à interaction particulaire par réflexion (16) est au moins l'un parmi un microscope électronique à balayage, un microscope à faisceaux d'ions, un testeur par faisceau d'électrons et un système à faisceau d'ions focalisé. 4. Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le microscope optique à réflexion (14) est équipé d'un dispositif d'observation et de mesure par faisceau laser. 5. Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les moyens (26) de support de l'objet à observer, comportent un cadre (26) adapté pour positionner le circuit à semi- conducteur (18) avec sa face gravée orientée vers le microscope à interac- tion particulaire par réflexion (16) et sa face constituée de substrat non gravé orientée vers le microscope optique à réflexion (14). 6. Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les moyens pour provoquer un déplacement entre le circuit (18) et chacun des deux microscopes (14,16) comportent des moyens (24) de déplacement du circuit (18) par rapport à l'enceinte (12) dans un plan perpendiculaire à l'axe d'observation commun des deux microscopes (14, 16). 7. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, ca- ractérisée en ce que les moyens (50) de support du circuit (18) sont fixes par rapport à ladite enceinte (12) et les moyens pour provoquer un déplacement entre le circuit (18) et chacun des deux microscopes comportent, pour cha- que microscope, des moyens (54, 56) de déplacement du microscope (14, 16) par rapport à ladite enceinte (12) dans un plan perpendiculaire à l'axe d'observation commun des microscopes, et en ce qu'elle comporte en outre des moyens (58) d'interférométrie laser disposés entre les deux microsco- pes (14,16), afin d'assurer leur alignement. 8. Procédé d'observation microscopique d'un circuit électronique à semiconducteur (18) placé dans une enceinte d'observation sous vide (12), comportant les étapes de: - observer le circuit (18) suivant une première face avec un micro- scope (16) à interaction particulaire par réflexion; - provoquer un déplacement entre le circuit (18) et le microscope (16) à interaction particulaire par réflexion; caractérisé en ce qu'il comporte en outre les étapes de: - observer le circuit (18) suivant la face opposée à ladite première face avec un microscope optique par réflexion (14), qui est disposé en vis à vis du microscope (16) à interaction particulaire par réflexion suivant un même axe d'observation, de l'autre côté du circuit (18), en illuminant la face opposée du circuit (18) depuis des moyens d'illumination (32) disposés en regard de la face opposée du circuit (18); et - provoquer un déplacement entre le circuit (18) et le microscope op- tique à réflexion (14), identique au déplacement entre le circuit (18) et le mi- croscope (16) à interaction particulaire par réflexion, de sorte que les deux microscopes (14,16) sont maintenus en regard suivant le même axe d'ob- servation et observent la même région du circuit (18).