Brevet FR2985066A1 — publié le 20130628

Procédé de caractérisation La présente invention concerne le domaine de la métrologie et a pour objet un procédé de caractérisation d'un motif. Le procédé selon l'invention est plus particulièrement adapté à la caractérisation des motifs utilisés dans les circuits intégrés microélectroniques obtenus dans l'industrie de la mi- croélectronique. En microélectronique, les progrès de la technologie s'accompagnent de besoins en instruments de caractérisation. Pour chaque noeud technologique, les outils de métrologie doivent être de plus en plus performants en étant capables d'assurer le contrôle dimensionnel des dispositifs fabriqués. Pour ce faire, l'industrie des semi-conducteurs définit et suit les di- mensions des produits fabriqués à l'aide de ce que l'on appelle le CD (« Cri-tical Dimension » en anglais) ou Dimension Critique. La diminution permanente de la dimension critique des circuits implique l'adaptation correspondante des méthodes de mesure. Simultanément, l'augmentation de la taille des galettes (ou wafer en anglais) et les coûts représentés par chacune d'elles impliquent le contrôle et la détection des défauts, dès que possible et, en fait, à chaque étape du processus de fabrication, tant pendant le processus de recherche et développement qu'en production. L'un des problèmes de cette notion de Dimension Critique CD réside dans sa définition même qui peut varier selon le type de motifs étudiés ; ain- si, dans le cas de trous ou de plots, le CD sera le diamètre ; s'il s'agit d'une ligne ou d'une tranchée, le CD sera la largeur de la ligne ou de la tranchée. Outre la définition même du CD, la position verticale de sa mesure varie selon les motifs à caractériser. Ainsi, le CD d'une grille de transistor sera plutôt mesuré le plus bas possible tandis que les CD d'un contact de grille ou d'une ligne d'interconnexion seront plutôt mesurés le plus haut possible. De surcroit, l'exigence de précision sur la caractérisation des motifs oblige les industriels à utiliser d'autres paramètres dimensionnels que le CD. Ainsi, comme l'illustre la figure 1, il peut s'avérer utile d'avoir accès non seu- lement au CD du motif M mais également à l'angle 0 formé entre les flancs du motif M et le substrat S ou à la hauteur h du motif M. Ainsi, on s'oriente progressivement vers une maîtrise dimensionnelle la plus globale possible du motif. Par ailleurs, la mesure du CD reste très locale ; or la localisation, no- tamment verticale, n'est pas très bien contrôlée selon les techniques utili- sées en production, par exemple la microscopie électronique à force atomique à balayage (ou CD-SEM pour « Critical Dimension - Scanning Electron Microscope » en anglais), la scattérométrie ou la microscopie à force atomique en trois dimensions (ou CD-AFM pour « Critical Dimension - Ato- mic Force Microscopy » en anglais). Chaque technique (Scatterométrie, CD- SEM, CD-AFM) mesure indépendamment les dimensions critiques et/ou les angles des motifs et/ou la hauteur. Ainsi, au fils des étapes technologiques il n'y a pas de liant entre les différentes mesures effectuées à chaque niveau de fabrication d'un circuit intégré. On comprend également que la valeur du CD dépend du calibrage de la machine utilisée et peut donc varier non seu- lement d'une technologie de mesure à l'autre mais aussi sur une même technologie. On assiste enfin à une diminution constante des noeuds technolo- giques de sorte que les défauts de gravure sont de plus en plus critiques. Ainsi, dans des procédés à exposition multiple, par exemple pour la réalisa- tion d'espaceurs en nitrure selon la technique de « double patterning », on utilise des étapes de gravure plasma isotrope sur des dépôts conformes de nitrure entraînant la présence de motifs qui ne sont plus parfaitement rectangulaires comme pourraient l'être les motifs obtenus par une lithographie optique. La figure 2 illustre ce phénomène et représente un motif réel MR représenté en trait plein (par exemple un espaceur en nitrure obtenu par des techniques d'expositions multiples) superposé sur un motif idéal MI représenté par des tirets ayant la forme du motif parfait attendu. Dans le cas idéal, la forme du motif MI attendue est celle d'une ligne faite par lithogra- phie optique, proche d'un rectangle parfait. Or les problèmes inhérents au dépôt conforme du nitrure conduisent à la formation d'une géométrie sensiblement différente. Dans ce cas précis, on voit clairement qu'il y a un écart non négligeable entre le résultat et l'idéalité définie par un rectangle parfait : le motif réel MR présente ainsi un flanc F-I proche de celui du motif idéal MI et un second flanc F2 très arrondi éloigné du flanc correspondant du motif MI. On comprend aisément qu'une approche basée uniquement sur le CD à mi-hauteur (et encore davantage en bas du motif) serait insuffisante pour rendre compte de l'écart à la réalité. La connaissance de cet écart est pour- tant importante dans la mesure où ce dernier peut avoir une influence sur les résultats obtenus en métrologie CD classique. On notera également que les différences entre le motif réel et le motif idéal ne se retrouvent pas nécessairement de façon symétrique de part et d'autre de l'axe XX' de symé- trie du motif idéal ; ainsi, dans le cas illustré en figure 2, seul le flanc F2 est impacté tandis que le flanc F-I reste quasi identique au flanc du motif idéal. Dans ce contexte, la présente invention a pour but de fournir un procédé de caractérisation utilisable en production (afin de faire ressortir des problèmes de fabrication) ou en recherche et développement (pour le déve- loppement ou l'optimisation de procédés technologiques), permettant de donner une image précise du motif indépendamment du calibrage des machines de métrologie utilisées et pertinent quel que soit le niveau de fabrication à caractériser (par exemple niveau lithographie ou niveau gravure). A cette fin, l'invention propose un procédé de caractérisation d'un mo- tif comportant les étapes de : - détermination d'une image du contour du motif à caractériser au moyen d'une instrumentation d'imagerie ; - traitement de ladite image incluant la détermination d'une pluralité de points localisés le long dudit contour et échantillonnés selon un pas d'échantillonnage donné ; - pour chaque point, identification d'un point localisé sur un contour de référence et correspondant au même numéro de pas d'échantillonnage et détermination d'un coefficient intermédiaire sans dimension représentatif de l'écart entre ledit point et le point corres- pondant sur ledit contour de référence ; - détermination d'un coefficient final sans dimension à partir de l'ensemble des coefficients intermédiaires correspondant à ladite plu- ralité de points, ledit coefficient final étant représentatif de l'écart entre le contour du motif à caractériser et le contour de référence. Grâce à l'invention, on utilise avantageusement, à partir d'une image du motif, un paramètre de mesure sans unité permettant de donner une image précise dudit motif. Ce paramètre étant sans unité, il est décorrélé du calibrage des instrumentations de mesure. Le procédé selon l'invention propose de déterminer un paramètre qui soit un estimateur d'écart par rapport à un contour idéal ; contrairement à la métrologie CD actuelle (éventuellement complétée par l'obtention d'autres mesures angulaires ou de hauteurs), cet estimateur donne une image glo- bale du contour et permet donc de palier les problèmes liés à la présence de défauts non détectés par la seule mesure du CD et/ou à la géométrie complexe des motifs. Il convient de noter que le procédé selon l'invention sera d'autant plus précis que le pas d'échantillonnage sera faible, étant entendu que ce dernier sera dépendant du noeud technologique correspondant au motif. Selon que l'estimateur sans dimension est plus ou moins éloigné d'une valeur seuil, le procédé selon l'invention permet de déterminer la conformité du motif par rapport au motif de référence. Le procédé selon l'invention peut également présenter une ou plu- sieurs des caractéristiques ci-dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : - le nombre de points déterminés le long du contour est supérieur ou égal au ratio entre la longueur du contour et une valeur de résolution prédéterminée ; - chaque point échantillonné est identifié par un couple de coordonnées dans un système de coordonnées à deux dimensions, Xi représentant l'abscisse du point et Yi représentant l'ordonnée du point avec i variant de 1 à N où N est le nombre de points d'échantillonnage, ladite détermination du coefficient intermédiaire du point d'abscisse Xi étant réalisée en comparant son ordonnée Yi avec l'ordonnée Ymi du contour de référence ayant la même abscisse Xi ; - ledit coefficient intermédiaire Ci du point d'abscisse Xi est donné par l'une des deux formules suivantes : (Ymi-Yi)*100 Yi*100 est donné par la formule Ci(%) = OU Ci(%) - - - Ymi Ymi ' - ledit coefficient final sans dimension Cfjnal suivante : e ci Cf inal(%) = EN ; - ladite étape de détermination d'une image du contour du motif à caractériser est réalisée au moyen d'une instrumentation d'imagerie mettant en oeuvre l'une des techniques suivantes : o microscopie à force atomique en trois dimensions ; o microscopie à force atomique à balayage ; o microscopie électronique en transmission ; - le procédé selon l'invention comporte une étape de détermination de la partie du contour sur laquelle l'échantillonnage est réalisé ; - seule une moitié dudit contour est échantillonnée lorsque ledit contour présente un axe de symétrie. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clai- rement de la description qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles : - la figure 1 illustre différents paramètres dimensionnels connus de l'état de la technique ; - la figure 2 illustre schématiquement les différences entre un motif réel et un motif idéal ; - la figure 3 représente les différentes étapes du procédé selon l'invention ; - la figure 4 illustre le principe de l'étape de détermination des points du contour selon le procédé de la figure 3 ; - la figure 5 illustre le principe de l'étape de détermination des coefficients intermédiaires selon le procédé de la figure 3 ; - la figure 6 illustre le principe de l'étape de détermination d'un point de référence selon le procédé de la figure 3 ; - Les figures 7 et 8 représentent chacune une image d'un motif obtenue par microscopie électronique à balayage. La figure 3 illustre schématiquement les différentes étapes du procédé 100 selon l'invention. Le procédé de caractérisation 100 selon l'invention vise à caractériser un motif quelconque (trous, plots, ligne, tranchée,..) appartenant à un circuit microélectronique. Le matériau du motif peut également être quelconque. Ce motif peut être par exemple un motif isolé ou appartenant à un réseau de motifs répétés périodiquement. Il peut s'agir d'un motif obtenu après n'importe quelle étape (lithographie, gravure,...) d'un procédé de fabrication. Nous illustrerons la mise en oeuvre du procédé 100 dans le cas d'un motif tel que le motif MR représenté en figure 1. Ce procédé 100 comporte : - une étape 101 de réalisation d'une image du contour du motif MR à caractériser ; - une étape 102 de détermination d'une pluralité de points situés le long du contour imagé à l'étape 101 ; - une étape 103 de détermination d'un point de référence selon que le motif présente ou non un axe de symétrie ; on notera que cette étape est facultative ; - une étape 104 de détermination d'une pluralité de coefficients, dits coefficients intermédiaires Ci avec i variant de 1 à N où N est le nombre de points déterminés lors de l'étape 102 ; chaque coefficient intermédiaire est un coefficient sans dimension correspondant à un point déterminé lors de l'étape 102 et représente l'écart entre ce point et le point correspondant d'un contour idéal, dit contour de référence, tel que le contour MI de la figure 2 ; - une étape 105 de détermination d'un coefficient final Cfjnal sans dimension à partir de l'ensemble des coefficients intermédiaires Ci dé- terminés lors de l'étape 104 ; - une étape 106 de comparaison du coefficient final Cfinal avec une valeur seuil de façon à déterminer si le motif à caractériser MR est suffisamment proche du motif de référence MI. L'étape 101 consiste à réaliser une image du contour du motif MR. Cette image peut être obtenue par tout type de techniques d'imagerie, par exemple la microscopie à force atomique en trois dimensions AFM-3D (ou CD-AFM pour « Critical Dimension - Atomic Force Microscopy » en anglais), la microscopie électronique à balayage (ou CD-SEM pour « Critical Dimen- sion - Scanning Electron Microscope » en anglais) ou la microscopie électronique en transmission (ou TEM pour «Transmission Electron Microscopy » en anglais). Cette étape 101 va permettre de fournir une image en coupe du motif à caractériser. L'étape 102 est une étape de traitement de l'image telle que réalisée lors de l'étape 101 et consiste à échantillonner N points appartenant au contour du motif à caractériser. La figure 4 illustre le principe de cette étape 102 lors du traitement du motif MR tel que représenté en figure 2. Il convient tout d'abord de déterminer le nombre N de points nécessaires au traitement. Ce nombre N de points dépend de la résolution recherchée qui dépend elle- même du noeud technologique. Par exemple, pour un noeud technologique de 45 nm avec une erreur de mesure acceptable de 10%, la résolution R du procédé selon l'invention doit être inférieure ou égale à 4,5 nm. En désignant par L la longueur du contour reliant les flancs F1 et F2, il convient d'avoir un nombre de points N au moins égal au ratio L/R. Le procédé selon l'invention peut ainsi être mis en oeuvre selon différents modes : un premier mode standard dans lequel le nombre N est sensiblement égal à L/R, un deuxième mode plus fin dans lequel N est strictement supérieur à L/R et un troisième mode très fin dans lequel N est très supérieur à L/R. Plus on des- cend dans les noeuds technologiques, plus le nombre de points traités sera important. A titre purement illustratif et pour simplifier la figure 4, nous allons considérer dans ce qui suit que N=5 ; en d'autres termes, nous supposerons que 5 points suffisent à permettre de caractériser le motif MR avec une réso- lution suffisante. Le motif MR est représenté dans un système de coordonnées à deux dimensions, ici un repère orthonormé formé par deux axes, (OX) et (OY), 2 9 85066 8 gradués avec la même unité (01 = OJ = 1 unité), perpendiculaires et ayant la même origine 0. L'origine O est ici placée au pied du premier flanc vertical F1 de sorte que l'on va pouvoir couvrir, à partir de O, l'ensemble du contour de longueur 5 L reliant les deux flancs F1 et F2 (nous verrons par la suite que la situation pourra être différente dans le cas d'un motif présentant un axe de symétrie). On va alors échantillonner le contour situé entre les flancs, en définissant des points échantillonnés (Xi, Yi) localisés sur le contour avec i variant de 1 à N, Xi et Yi étant respectivement l'abscisse et l'ordonnée du point. La 10 résolution est donnée par le pas d'échantillonnage correspondant à l'écart entre les abscisses de deux points consécutifs (Xi+1 - Xi). Selon l'étape 103, le motif MR ne présentant pas d'axe de symétrie, le point O est considéré comme le point de référence de sorte que l'on couvre l'ensemble du contour à caractériser. On notera que le premier point 15 (X1, Y1) échantillonné correspond au point O dans le cas de la figure 4. L'étape 104 de détermination d'une pluralité de coefficients est illustrée en référence à la figure 5. Une fois les points (Xi, Yi) déterminés, l'étape 104 va consister à comparer chacun de ces points (Xi, Yi) d'abscisse Xi avec un point corres- 20 pondant (Xi, Ymi) d'abscisse Xi appartenant au contour du motif de réfé- rence MI. Comme évoqué précédemment, dans le cas idéal, la forme du motif de référence MI attendue est celle d'une ligne faite par lithographie optique, proche d'un rectangle parfait. Ainsi, dans le cas illustré en figure 5, les ordonnées des points (Xi, Ymi) sont tous égaux entre eux (et égaux à 25 l'ordonnée Y1 du premier point (X1, Y1) du contour du motif MR). L'écart à l'idéalité entre les contours des motifs MR et MI est représenté par la zone Z hachurée. Pour chaque couple de points (Xi, Yi) et (Xi, Ymi), l'étape 104 va con- sister à calculer un coefficient intermédiaire Ci (avec i variant de 1 à N où N 30 est le nombre de points déterminés lors de l'étape 102) ; ce coefficient est un coefficient de corrélation sans dimension représentatif de l'écart entre les deux points ; le coefficient Ci peut par exemple être donné par la formule suivante : Ci(%) = Ymi Ce coefficient intermédiaire Ci est ici exprimé en %. Plus Ci est proche de 0%, plus le point (Xi, Yi) est proche du point idéal (Xi, Ymi). On notera qu'il serait également possible de considérer un coefficient complémentaire (dans ce cas, plus le coefficient C'i est proche de 100% plus le point (Xi, Yi) est proche du point idéal (Xi, Ymi)): C'i(%) = Yi * 100 Selon l'étape 105, on détermine un coefficient final Cfinal sans dimen- sion à partir de l'ensemble des coefficients intermédiaires Ci déterminés lors de l'étape 104. Ce coefficient final peut par exemple être la moyenne des coefficients Ci donnée par la formule suivante : Eii:1;1 Ci C f inal(%) = Ce paramètre Cfjnal sans dimension est représentatif de l'écart du contour global du motif MR par rapport au contour global du motif de référence MI. Ce nouveau paramètre présente deux avantages majeurs par rapport aux dimensions habituellement utilisées en métrologie CD. Il s'agit tout d'abord d'un coefficient représentatif du contour global (il n'est donc pas lo- cal contrairement aux mesures de CD) : il permet donc de donner une image précise et globale du motif fabriqué quel que soit le niveau mesuré. Il s'agit en outre d'un coefficient sans dimension (i.e. sans unité) qui est donc décorrélé du calibrage des machines de mesure. On notera que ce coefficient Cfinal peut également être normalisé en le divisant par 100. Le calcul de la moyenne des coefficients Ci pour la détermination de Cfinal n'est qu'un exemple ; le procédé selon l'invention s'applique également à d'autres types de paramètres sans dimension, par exemple la médiane des échantillons Ci ; on conçoit aisément que, selon que les ordonnées Yi des points (Xi, Yi) sont plus ou moins proches, on choisira la méthode de calcul du coefficient Cfjnal la plus adaptée (typiquement la moyenne lorsque (Ymi - Yi) * 100 Ymi les Yi sont proches et la médiane pour une répartition de type gaussienne par exemple). L'étape 106 consiste alors à comparer la valeur du coefficient final Cf;_ nal à une valeur seuil prédéterminée de façon à déterminer si le motif MR est acceptable (i.e. suffisamment proche) du motif de référence. Les critères de détermination de cette valeur seuil peuvent bien entendu varier selon le type de motif et les exigences de fabrication (production ou R&D par exemple). Comme nous l'avons expliqué précédemment, l'étape 103 consiste à fixer un point de référence à partir duquel va débuter l'échantillonnage des points du profil à caractériser. Si le motif MR ne présente pas d'axe de symétrie (cas des figures 4 et 5), le point O est choisi de sorte que l'on couvre l'ensemble du contour à caractériser. La figure 6 représente un motif MR' dont le contour présente un axe de symétrie YY' de sorte que le contour présente deux demi-contours MR1 et MR2 symétrique par rapport à l'axe YY'. Les deux demi-contours MR1 et MR2 étant sensiblement identiques, il n'est pas utile d'échantillonner l'ensemble de l'image : il suffit d'échantillonner une moitié de contour, par exemple MR2 (les points d'échantillonnage M1 à M5 sont représentés en figure 6). Dès lors, le point de référence qui constitue à la fois l'origine du repère orthonormé (O,i,j) et le point de départ de l'échantillonnage est choisi de sorte que l'échantillonnage ne soit réalisé que sur une moitié du contour. Le fait d'utiliser avantageusement la symétrie du contour permet soit de gagner du temps de calcul pour une même résolution soit d'obtenir une meilleure résolution pour un même temps de calcul. Les figures 7 et 8 représentent chacune une image d'un motif obte- nue par microscopie électronique à balayage avec une résolution de 1nm, les images des figures 7 et 8 étant des images de motifs différents: les contours obtenus après échantillonnage des motifs respectifs des figures 7 et 8 sont représentés en traits plein. Le motif idéal (identique pour les deux images des figures 7 et 8) est représenté en pointillés. On constate que le motif de la figure 8 présente des flancs rentrant qui s'écartent sensiblement du motif idéal, le motif de la figure 7 étant en revanche beaucoup plus proche du motif idéal. Le procédé selon l'invention permet, par la détermina- tion du coefficient final pour chacun des motifs (figures 7 et 8), de donner une image précise de l'écart par rapport au motif idéal. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation qui vient d'être décrit. Ainsi, même si l'invention a été plus spécifiquement décrite dans le cas d'un repérage des points échantillonnés dans un repère orthonormé, il est entendu que le procédé selon l'invention s'applique tout autant à d'autres types de repères (orthogonaux ou non, normés ou non, repères à coordonnées polaires,...).