Brevet FR3060751A1 — publié le 20180622

PROCEDE DE CARACTERISATION PAR MICROSCOPIE ELECTRONIQUE A BALAYAGE CDSEM DOMAINE DE l'INVENTION Le domaine de l'invention concerne un procédé de mise en oeuvre d'une technique de caractérisation par microscopie électronique à balayage (Scanning Electron Microscopy ou SEM en anglais). A cet effet, l'invention porte sur des applications en métrologie dimensionnelle notamment pour l'industrie du semiconducteur. Le domaine de l'invention concerne aussi la détermination d'une dimension critique (Critical dimension Scanning electron microscopy ou CDSEM en anglais) de la topographie d'un échantillon de semiconducteurs, par exemple un circuit imprimé en microélectronique. ETAT DE L'ART La caractérisation de structures de taille micrométrique ou nanométrique est aujourd'hui d'importance primordiale dans l'industrie des semiconducteurs, notamment en microélectronique, et plus généralement dans le domaine des nanotechnologies. Si l'on considère le cas de la microélectronique, la mesure précise et fiable des dimensions caractéristiques des nanostructures se rend nécessaire tout au long des différentes étapes du processus de production, à partir de la phase de zo recherche et développement jusqu'à la phase de production. De plus, la miniaturisation des composantes microélectroniques demande des outils de caractérisation toujours plus performants. L'industrie des semiconducteurs définit la taille de ses produits en termes d'une taille caractéristique appelée dimension critique ou « critical dimension » (CD) 25 en anglais. On entend par dimension critique la ou les dimensions critiques d'un motif représentant une ou plusieurs longueurs caractéristiques du motif qui s'avèrent critiques soit pour la maitrise du procédé de fabrication soit pour garantir les performances électriques du dispositif électronique final constitué desdits motifs. La mesure fiable de cette dimension critique est aujourd'hui l'un des enjeux principaux 30 pour la microscopie électronique à balayage. Lors de l'acquisition d'une image par microscopie électronique à balayage, un faisceau d'électrons, dit faisceau d'électrons primaires, balaye la surface d'un 1 3060751 échantillon d'intérêt. Chaque point de la surface est identifié par un couple de cordonnées spatiales appelées (x,y) dans la suite. Les collisions entre électrons primaires et les atomes de l'échantillon produisent plusieurs phénomènes physiques qui peuvent être très complexes. Parmi ces phénomènes il y a l'émission d'électrons 5 secondaires et l'émission d'électrons rétrodiffusés. Ces électrons sont captés par des détecteurs sélectifs à proximité de l'échantillon. En balayant point par point l'échantillon on parvient à la formation d'une image électronique reflétant les différentes formes et différents matériaux de l'échantillon. Dans ce qui suit on se réfèrera aux différentes formes de l'échantillon et leurs différents matériaux comme à 10 la structure de l'échantillon. L'image SEM ainsi obtenue est une image en niveau de gris et les mesures géométriques des objets sont déterminées par une analyse des contours des objets obtenus après le choix d'un ou plusieurs seuils par exemple. On peut par exemple reconstruire un graphique comme illustré sur la figure 1 représentant un profil 15 d'intensité d'électrons secondaires PI comportant en ordonnées un pourcentage d'électrons secondaires recueillis et en abscisse une dimension en nm représentative de la position de balayage. Mais un des problèmes majeurs est l'interprétation des images par des algorithmes à seuillage : c'est en effet le choix de ce seuil qui va déterminer la valeur de la taille caractéristique, ou dimension critique, d'intérêt. Or le choix du seuil est souvent arbitraire et le choix optimal est différent pour chaque objet, notamment en fonction de la hauteur des motifs, des matériaux en jeu, des dimensions des objets, de la densité de motifs, etc. D'autres types d'algorithmes sont basés non pas directement sur le niveau de gris mais sur l'analyse de la forme des pics d'intensité et le choix d'un seuil relatif à l'amplitude des pics. Là encore, le choix du seuil relatif à l'analyse du pic est empirique. Actuellement il est connu que les techniques CD-SEM donnent des mesures peu fiables pour des objets de taille inférieure à 100 nm (écart à la réalité du nanomètre à plusieurs nanomètres). Un seuil fixe empirique appliqué à tout type de motif est d'autant moins satisfaisant qu'il n'y a aucun lien physique direct entre le pourcentage d'électrons secondaires recueillis et la hauteur réelle du motif à laquelle on cherche à déterminer la dimension critique. En d'autres termes, si une mesure à 80% d'électrons secondaires est réalisée, ce n'est pas pour autant que l'on mesure une dimension critique à 80% de la hauteur du motif. Une analyse des images SEM avec un 2 3060751 algorithme de seuillage peut donc très facilement fausser les mesures des dimensions critiques. Pour remédier à ce problème, deux approches ont été envisagées. La première est basée sur des simulations physiques de type Monte Carlo. La mise en 5 oeuvre de cette méthode requiert la simulation des processus physiques d'interaction entre les électrons primaires du faisceau incident sur l'échantillon et l'échantillon lui-même. La réalisation de ces simulations très complexes demande une grande puissance de calcul et des temps d'exécution très longs. Ces caractéristiques rendent les simulations physiques de type Monte Carlo généralement peu 10 accessibles et très peu adaptées au traitement d'un grand nombre d'images CD-SEM. La seconde solution consiste à réaliser une modélisation mathématique paramétrique des images ; une telle solution est notamment décrite dans l'article « CD characterization of nanostructures in SEM metrology » (C. G. Frase, E. Buhr, et K. Dirscherl, Meas. Sci. Technol., vol. 18, n° 2, p. 510, février. 2007). Un exemple de 15 telles fonctions est illustré en figure 2b pour un motif ayant un profil selon la direction x trapézoïdale, représenté en figure 2a. Ces fonctions peuvent être choisies selon un modèle phénoménologique simple ou bien par l'analyse de modélisations Monte-Carlo préliminaires décrivant la formation des images SEM (plus complexes et précises mais nécessitant des temps de calcul longs). Selon l'exemple de la figure 2, 20 le motif est décomposé suivant des sections selon la direction x (ici six sections), chaque section correspondant à une fonction de forme particulière. La fonction M(x) peut ainsi se décomposer comme suit (en six fonctions selon chacune des sections) : 3 3060751 Chacune des six fonctions paramétriques reproduit la hauteur du profil de l'échantillon en fonction de la cordonnée x dans une certaine gamme de valeurs de x. Le modèle présenté ci-dessus comporte donc une pluralité de paramètres : x1, x2, x3, x4, x5, So, S1, S2, S3, LI t1, t2, t3, t4, t5, A, B, C, D. L'existence de ce jeu de 5 paramètres justifie l'appellation de fonction mathématique paramétrique. Souvent, pour des applications en métrologie dimensionnelle, les paramètres les plus intéressants sont ceux relatifs aux dimensions latérales du motif à savoir : x1, x2, x4 et X5. Une autre méthode de modélisation paramétrique des images CD-SEM est décrite dans l'article « Analytical Linescan Model for SEM Metrology » (C. A. Mack et B.D. Bunday, Metrology, Inspection and Process Control for Microlitography XXIX, Proc. SPIE Vol. 9424 2015). Selon ce modèle la fonction M(x) peut se décomposer comme suit : 1 15 Dans ce modèle les paramètres sont So, Si, S2, a f , ab, a e,av, Gf Gb, Ge, Gy, d1, d2,X2. De plus, pour tenir compte de la taille du faisceau d'électrons primaires, qui n'est pas nulle, il convient d'associer au profil décrit par M(x) un produit de convolution incluant dans le modèle les paramètres décrivant la taille et la forme 20 du faisceau. Le plus souvent le profil du faisceau d'électrons primaires est caractérisé à l'aide d'un profil gaussien (« point spread fonction » ou PSF en anglais), le paramètre apsF étant proportionnel à la largeur à mi-hauteur de la gaussienne. Le modèle paramétrique ainsi modifié est calculé à l'aide de la formule suivante : 25 (x-x')2 M(x) =e 2upsF2 * M(x')dx' -00 4 3060751 Dans la suite l'expression « jeu de paramètres du modèle théorique » se réfèrera à l'ensemble des paramètres utilisés dans la formulation mathématique du modèle théorique. Parmi ces paramètres, certains sont utilisés dans la description géométrique de la structure de l'échantillon, d'autres décrivent la réponse 5 instrumentale. Une fonction paramétrique telle que la fonction M(x) sera appelée dans la suite profil modèle ou profil paramétrique. Un autre type de modélisation consiste à modéliser la probabilité d'émission d'un électron secondaire en fonction du matériau et la propagation de ces électrons vers les détecteurs en fonction de l'angle des détecteurs (voir publication SEM Simulation Io for 2D and 3D Inspection Metrology and Defect Review de Shimon Levia, Ishai Schwarzbanda, Sergey Khristoa, Yan Ivanchenkoa, Ofer Adana, PDC business group, Applied Materials, Rehovot 76705, Israel). Des modèles plus simples ou plus complexes peuvent être élaborés en fonction du type d'échantillon, de la qualité des images, ou bien des informations a 15 priori sur les matériaux ou les profils. Une fois la modélisation terminée, il faut résoudre un problème inverse, à savoir l'ajustement des données expérimentales au modèle en faisant varier les paramètres. Une des limitations majeures de ces techniques est dans leur incapacité à prendre en compte et à reproduire certains artefacts observés sur les images CD- 20 SEM. C'est par exemple le cas des images acquises en mode de balayage dit TV (ou « raster scan » en anglais). Ces images montrent des marques sombres dans les régions de la surface de l'échantillon comprises entre deux ou plusieurs structures voisines, comme les plots carrés ou rectangulaires de la figure 3a. Sur cette figure des directions x et y sont indiquées, la direction x étant celle de balayage et la 25 direction y étant perpendiculaire à la direction x. Plus précisément ces marques sombres peuvent être classées suivant deux types : - des marques plutôt linéaires en gris foncé ou en noir dans le prolongement des arêtes horizontales alignées avec la direction de balayage et indiquées par le repère 1 de la figure 3a 30 - des marques surfaciques en gris moins foncé le long des motifs, toujours dans la direction de balayage et indiquées par le repère 2 de la figure 3a. 5 3060751 Ces marques sombres sont des artefacts créés pendant le processus de formation de l'image. On peut remarquer que la méthode des profils paramétriques ne rend compte que d'une modélisation des profils suivant la direction perpendiculaire aux arêtes et 5 n'est donc pas en mesure de reproduire les effets de traînées noires présentes dans le prolongement des arêtes mêmes. Il est intéressant de noter que, comme illustré sur les figures 3b, 3c et 3d, la présence des traînées noires augmente quand plusieurs structures rapprochées sont présentes. Plus précisément, la figure 3b montre une structure carrée isolée. Des traces sombres sont visibles à gauche et à 10 droite de la structure, indiquées par le repère li, avec des traînées noires dans le prolongement des arêtes horizontales. La figure 3c montre une image SEM de trois structures carrées rapprochées et alignées suivant la direction horizontale. Les marques sombres, indiquées par 12, sont plus intenses que sur la figure 3b. La figure 3d montre une image SEM d'une série de plusieurs structures carrées. Les artéfacts 15 de type marques sombres selon la direction de balayage, indiquées par 13, sont cette fois plus intenses que sur les images 3b et 3c. Ces altérations ne peuvent pas être décrites suivant une vision purement locale comme celle des profils paramétriques. De plus, la méthode des profils paramétriques ne prend pas en compte les effets liés à l'accumulation de charges électriques déposées par le faisceau 20 d'électrons primaires lors du balayage. Ces charges en excès peuvent dévier les électrons mesurés par les détecteurs sélectifs à proximité de l'échantillon, ce qui comporte l'apparition d'artefacts dans les images expérimentales. Par ailleurs, le chargement en électrons de la matière lors de l'exposition au faisceau d'électrons primaires n'est pas constant dans le temps. Au contraire la 25 charge en excès peut diminuer au cours du temps à cause des processus dits d'évacuation des charges. La dépendance temporelle des phénomènes de charging complique le traitement des images CD-SEM pour l'élimination de ces artefacts. PROBLEME TECHNIQUE Dans ce contexte, la présente invention a pour but d'améliorer l'exploitation 30 des images CD-SEM obtenues expérimentalement par une technique CDSEM paramétrique, notamment en prenant en compte à la fois les effets de « charging » spatial et ceux de « charging » temporel. 6 3060751 RESUME DE L'INVENTION A cette fin, un objet de l'invention est un procédé de mise en oeuvre d'une technique de caractérisation par microscopie électronique à balayage pour la détermination d'au moins une dimension critique de la structure d'un échantillon dans le domaine 5 de la métrologie dimensionnelle, dite technique CD-SEM, ledit procédé comportant les étapes suivantes : réalisation d'une image expérimentale représentative de la structure de l'échantillon et issue d'un microscope électronique à balayage ; à partir d'un premier modèle théorique basé sur des fonctions mathématiques 10 paramétriques, calcul d'un second modèle théorique U(Pi,ti) décrivant le signal mesuré à la position Pi à l'instant ti, ledit second modèle U(Pi,ti) étant obtenu par somme algébrique d'un terme correctif S(Pi,ti), ledit second modèle théorique comportant un jeu de paramètres à déterminer ; détermination du jeu de paramètres présents dans le second modèle 15 théorique au moyen d'un ajustement entre ledit second modèle théorique et ladite image expérimentale ; ledit procédé étant caractérisé en ce que ledit terme correctif S(Pi,ti) est calculé en sommant le signal provenant des charges électriques déposées par le faisceau d'électrons primaires lors d'une pluralité d'instants t inférieurs ou égaux 20 à ti. On entend par dimension critique (« critical dimension » en anglais) la ou les dimensions critiques d'un motif représentant une ou plusieurs longueurs caractéristiques du motif qui s'avèrent critiques soit pour la maitrise du procédé de fabrication soit pour garantir les performances électriques du dispositif électronique 25 final constitué desdits motifs. On entend par modèle théorique basé sur des fonctions paramétriques mathématiques une représentation mathématique de la structure de l'échantillon, par exemple par une des fonctions M(x) définies précédemment et décrites en détail dans les articles « CD characterization of nanostructures in SEM metrology » (C. G. 30 Frase, E. Buhr, et K. Dirscherl, Meas. Sci. Technol., vol. 18, n° 2, p. 510, février. 2007) ou « Analytical Linescan Model for SEM Metrology » (C. A. Mack et B.D. 7 3060751 Bunday, Metrology, Inspection and Process Control for Microlitography XXIX, Proc. SPIE Vol. 9424 2015) ou AMAT par exemple. On entend par jeu de paramètres présents dans le second modèle théorique l'ensemble des paramètres utilisés dans la formulation mathématique du second 5 modèle théorique. Ce jeu de paramètres inclut à la fois les paramètres présents dans le premier modèle théorique paramétrique et les paramètres présents dans le terme correctif ajouté lors du calcul du second modèle théorique. Dans ce jeu de paramètres on aura certains paramètres décrivant la géométrie de la structure de l'échantillon, d'autres décrivant la réponse instrumentale. 10 On entend par ajustement entre le second modèle théorique et l'image expérimentale un procédé de calcul itératif visant à trouver le jeu de paramètres qui minimise l'écart entre ledit modèle et ladite image expérimentale. Dans la pratique, ce procédé de calcul est par exemple mis en oeuvre par calculateur en choisissant un des algorithmes connus pour minimiser l'écart entre l'image expérimentale et le 15 modèle théorique, suivant par exemple la méthode dite des moindres carrées. De façon générale, l'invention consiste à obtenir les dimensions critiques de la structure de l'échantillon au moyen d'un ajustement entre une image expérimentale représentative de la structure de l'échantillon et un modèle théorique, ledit modèle théorique étant calculé de façon à prendre en compte les artefacts présents sur les 20 images expérimentales. Le but de l'invention est l'obtention plus efficace et plus précise des dimensions critiques. Le signal mesuré à la position Pi correspond au signal enregistré dans le pixel Pi du détecteur. 25 De plus, l'invention consiste à associer aux approches paramétriques un terme correctif temporel S(Pi,ti) qui tient compte du temps de passage du faisceau électronique lors du balayage de la surface de l'échantillon. Cela revient à prendre en compte le parcours du faisceau d'électrons primaires. Autrement dit, le terme correctif temporel S(Pi,ti) explicite la notion de causalité : le signal mesuré à la 30 position Pi à l'instant ti dépend du parcours du faisceau d'électrons primaires, c'est- à-dire des positions Pi occupées aux instants t précédant l'instant ti. 8 3060751 Le terme correctif S(Pi,ti) est obtenu en sommant le signal provenant des charges en excès présentes aux positions Pi précédemment balayées par le faisceau d'électrons primaires. Chaque terme de la somme comprend une fonction de dispersion temporelle pour prendre en compte les mécanismes d'évacuation des 5 charges et une fonction de dispersion spatiale pour prendre en compte la topographie de l'échantillon. Autrement dit, le terme correctif S(Pi,ti) est obtenu comme un produit de convolution entre le premier modèle paramétrique et un noyau de convolution donné. Le produit de convolution est calculé sur les positions balayées par le faisceau 10 d'électrons primaires avant d'arriver à la position Pi à l'instant ti. La prise en compte des positions balayées par le faisceau avant d'arriver à la position Pi permet d'introduire la notion de causalité dans le second modèle théorique. Grâce au noyau de convolution donné, qui contient une fonction de dispersion temporelle et une fonction de dispersion spatiale, les effets de charging 15 temporel sont pris en compte. L'effet à la position Pi de la charge déposée à la position Pi dépend de la distance entre les deux positions mais aussi du temps qui s'est écoulé entre le passage du faisceau d'électrons primaires en Pi et le passage en Pi. Par exemple, si l'écart temporel entre l'instant ti auquel la charge a été 20 déposée à la position Pi et l'instant ti auquel le faisceau se trouve à la position Pi est beaucoup plus grand que le temps caractéristique des mécanismes d'évacuation des charges, le second modèle théorique ne prend pas en compte l'effet de la charge à la position Pi. Le procédé selon l'invention peut également présenter une ou plusieurs des 25 caractéristiques ci-dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : - le second modèle théorique est calculé selon la formule suivante : [i U(Pi,ti)= Q1Ri8(Pi- Pi) - S(Pi,ti) i=i 9 3060751 dans laquelle : U(Pi,ti) est le second modèle théorique calculé en correspondance de la position Pi sur la surface de l'échantillon à l'instant ti ; l'indice j i balaye la séquence de positions Pi du faisceau d'électrons 5 primaires éclairées aux instants jusqu'à la position Pi éclairée à l'instant ti, le faisceau d'électrons primaires pouvant éclairer la même position à des instants différents ; Qi est la charge électrique déposée par le faisceau d'électrons primaires lorsque le faisceau éclaire la position Pi ; 10 Ri est la fonction mathématique paramétrique contenant les paramètres décrivant la topographie de l'échantillon et le rendement de création de charge à la position Pi ; - Pi) est un delta de Kronecker, qui est égal à un quand Pi = Pi et zéro ailleurs ; 15 Eii=1 QiRiô(Pi - Pi) est le premier modèle théorique du signal mesuré à la position Pi à l'instant ti et prend en compte la topographie de l'échantillon, la charge électrique déposée, le rendement de charge et les passages multiples du faisceau d'électrons primaires lors du balayage ; 20 s(pi, ti) = Ei=18(pi - pj[Elk=lckQkRkFs(p; - pk)Ft(t; - ta est le terme correctif ; Fs(Pi - Pi) est une fonction de dispersion spatiale prenant en compte la distance entre la charge électrique à la position Pi et la position Pi ; Ft(ti - t1) est une fonction de dispersion temporelle prenant en compte 25 l'écart temporel entre le dépôt de la charge électrique à la position Pi à l'instant t1 et la mesure du signal à la position Pi à l'instant ti ; Ci est coefficient effectif d'accumulation de charges à la position Pi. le courant d'électrons primaires est constant et égale à Q0, le faisceau 30 d'électrons primaires éclaire chaque position Pi une seule fois et le second modèle théorique est calculé selon la formule suivante : 10 3060751 U (Pi, ti) = Uo(Pi,ti) - Qo RjC1 Fei - P1). Ft(ti - t1) i=i dans laquelle Uo(Pi, ti) = Q0Ri. la réponse de l'échantillon en absence de topographie est Ro et l'intensité de fond Ub(Pi, ti) due à l'excès de charge est soustraite au second modèle 5 théorique pour éliminer l'émission des régions non structurées de l'échantillon, l'intensité de fond étant calculée selon la formule suivante U(Pi,ti) - Ub(Pi, ti) = Qo Ri - Ro - - RoC0) Fei - Pi). Ft(ti - t1) i=i Dans laquelle U b t QoR0[1 - Pi)FT(ti le faisceau d'électrons primaires balaye la surface de l'échantillon suivant la 10 méthode de balayage dite TV ou « raster scan » en anglais, la direction de balayage étant la direction horizontale ou axe x, la vitesse de balayage vx étant constante, le second modèle théorique est calculé selon la formule suivante : 15 U(x) - U b (X) OC [R (x) - Ro - f (C(x')R(x') - CoRo)vxF(x - 0 dans laquelle : x est la cordonnée spatiale dans la direction de balayage du faisceau d'électrons primaires ; 20 U b (X) est l'intensité de fond à la position x ; Q0(x) est la charge déposée par le faisceau d'électrons primaires en correspondance de la position x ; 11 3060751 F(x - x') = Fs(x - x')FtM) contient la fonction de dispersion vx spatiale et la fonction de dispersion temporelle exprimée en fonction de la cordonné x, la vitesse de balayage vx étant constante. - la fonction de dispersion temporelle est une fonction exponentielle avec 5 constante de temps T : Ft(t) = e 4- - la fonction de dispersion temporelle est une fonction de type distribution de Cauchy : Ft(t) = 1 1 + (-t\2 Tl 10 - la fonction de dispersion spatiale est de la forme IIr112 FS(r) = e 20-2 Un autre objet de l'invention est un procédé de calibration d'une technique de caractérisation CD-SEM, ladite calibration comportant les étapes suivantes : - réalisation d'une image expérimentale représentative de la structure d'un 15 échantillon de référence dont les dimensions géométriques sont connues, ladite image étant issue d'un microscope électronique à balayage - à partir d'un premier modèle théorique basé sur des fonctions mathématiques paramétriques, calcul d'un second modèle théorique obtenu par somme algébrique d'un terme correctif, ledit second modèle théorique comportant un 20 jeu de paramètres, ledit jeu de paramètres comprenant à la fois les paramètres connus qui décrivent la structure géométrique de l'échantillon de référence et les paramètres à déterminer qui décrivent la réponse instrumentale ; - détermination des paramètres présents dans le second modèle théorique et 25 décrivant la réponse instrumentale au moyen d'un ajustement entre ledit 12 3060751 second modèle théorique et ladite image expérimentale représentative de la structure de l'échantillon de référence. Un autre objet de l'invention est la mise en oeuvre d'une technique CD-SEM 5 calibrée, ledit procédé comportant les étapes suivantes : - réalisation d'une image expérimentale représentative de la structure de l'échantillon et issue d'un microscope électronique à balayage ; - à partir d'un premier modèle théorique basé sur des fonctions mathématiques paramétriques, calcul d'un second modèle théorique obtenu par somme 10 algébrique d'un terme correctif, ledit second modèle théorique comportant un jeu de paramètres, ledit jeu de paramètres comprenant à la fois les paramètres à déterminer qui décrivent la structure géométrique de l'échantillon d'intérêt et les paramètres déterminés selon la calibration décrite ci-dessus qui décrivent la réponse instrumentale ; 15 - détermination des paramètres présents dans le second modèle théorique et décrivant la structure de l'échantillon d'intérêt au moyen d'un ajustement entre ledit second modèle théorique et ladite image expérimentale. LISTE DES FIGURES D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la 20 description qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles : - la figure 1 illustre schématiquement un profil d'intensité d'électrons secondaires en fonction du profil d'un motif obtenu via une instrumentation de type CD-SEM ; 25 - les figures 2a et 2b illustrent un exemple de modélisation mathématique paramétrique d'une image CD-SEM ; - les figures 3a, 3b, 3c et 3d illustrent des exemples d'artefacts de type marques sombres observées sur des images CD-SEM expérimentales ; - la figure 4 montre plusieurs images CD-SEM acquises sur le même 30 échantillon mais avec un angle de balayage différent ; - la figure 5 représente les différentes étapes du procédé selon l'invention ; - la figure 6 illustre la méthode de balayage dite raster scan ou balayage TV. 13 3060751 DESCRIPTION DETAILLEE La figure 4 montre une série d'images CDSEM prises sur un même échantillon. Chaque image a été acquise en balayant la surface de l'échantillon suivant un angle 5 différent. Il est évident qu'en variant l'angle de balayage, les images obtenues changent. Cela montre clairement que le parcours du faisceau a une influence sur le processus de formation de l'image : le signal mesuré à une position donnée sur l'échantillon change selon le parcours suivi par le faisceau d'électrons primaires. Ces observations peuvent être expliquées en évoquant les effets de charging décrits 10 plus haut, y compris les effets temporels. Il apparaît nécessaire de modéliser le signal mesuré à une position donnée sur la surface de l'échantillon en prenant en compte les positions balayées par le faisceau d'électrons primaires avant d'arriver à la position donnée. 15 Lors de l'avancement du faisceau incident d'électrons primaires au point r sur l'échantillon, des électrons secondaires sont générés avec un rendement p(r). Ce rendement est lié à la nature des matériaux présents au point r mais aussi à son voisinage et à la géométrie de la structure considérée. 20 De plus, le faisceau d'électrons primaires n'est pas ponctuel mais possède une distribution spatiale de densité de courant incident. Le rendement effectif lorsque le faisceau est centré sur le point P est :ff R(P) = p(r) x f (r - P)dr Où f (r) est la distribution spatiale d'électrons normalisée. Cette fonction de 25 distribution suit une loi décroissante, par exemple composée par des fonctions gaussiennes. Dans ce qui suit on considère que la contribution au point P est la contribution intégrée spatialement de la réponse sur l'extension spatiale du faisceau. La réponse instantanée au point P est donc une résultante de plusieurs facteurs complexes. Lorsque les électrons rétrodiffusés et secondaires sont générés, ils 30 créent une distribution de charges conduisant à l'apparition d'un champ électrostatique qui va modifier le signal détecté lors du déplacement du faisceau incident. Ces champs générés décroissent généralement si des processus de 14 3060751 déchargement existent (champs électrostatiques extérieurs, évacuation de charges par l'échantillon, etc.). Cependant ce temps de déchargement est souvent plus grand que le temps caractéristique entre deux points de mesure du microscope, ce qui perturbe la formation de l'image. 5 La présente invention modélise l'effet de ces charges à l'aide d'un terme correctif S. Le rendement de création des charges est proportionnel à R(r) et est fonction du matériau éclairé et de sa géométrie (et donc de la position). L'effet immédiat en r au temps t sur le signal est appelé T(r, t) = I(t)R(r)C(r). Avec C(r) traduisant un 10 coefficient de charging effectif, où /(t) est le courant lorsque le faisceau incident est en r. L'effet des charges est dispersé spatialement avec une fonction de distribution F,(r). Cette distribution est maximale en r=0 et décroît avec la distance r. 15 L'effet des charges décroît avec le temps puisqu'on peut supposer qu'il existe des processus d'évacuation des charges qui ont une constante de temps caractéristique T. On prendra Ft(t). On considère en toute généralité que le faisceau incident suit une séquence de positions rp en fonction du temps tp, où p est un indice de position. 20 Le modèle tient compte du fait qu'il peut exister plusieurs temps tels que P(t) = P(t') avec t # t'. Le balayage peut donc comporter des points redondants, ce qui existe, notamment lorsque les images sont accumulées sur plusieurs passes (frames). La figure 5 illustre les différentes étapes du procédé 100 selon l'invention. La première étape IMAGE du procédé 100 selon l'invention comprend l'acquisition 25 d'une image expérimentale représentative de la surface de l'échantillon et issue d'un microscope électronique à balayage. Cette étape comprend par exemple le balayage de la portion d'échantillon d'intérêt avec le faisceau d'électrons primaires et la formation d'une image obtenue en mesurant les électrons secondaires émis. 15 3060751 La deuxième étape MODEL du procédé 100 selon l'invention comprend la modélisation du signal mesuré à l'aide d'un second modèle théorique U(Pi,ti) obtenu à partir d'un premier modèle paramétrique par somme d'un terme correctif S(Pi,ti). Le modèle U(Pi,ti) donne l'intensité du signal d'électrons secondaires à la position Pi 5 à l'instant ti. Le premier modèle théorique est construit à partir de fonctions mathématiques paramétriques et contient un jeu de paramètres décrivant la structure de l'échantillon ainsi que la réponse instrumentale. On peut considérer que le premier modèle théorique prend en compte la topographie de l'échantillon, la charge électrique 10 déposée, le rendement de charge et les passages multiples du faisceau d'électrons primaires lors du balayage. Le terme correctif prend en compte les charges en excès déposées par le faisceau d'électrons primaires lors du balayage. Ce terme correctif est construit en sommant les contributions provenant des charges déposées à chaque position lors du 15 balayage du faisceau d'électrons primaires. Le terme correctif comprend une fonction de dispersion spatiale pour prendre en compte la topographie de l'échantillon. Le terme correctif comprend également une fonction de dispersion temporelle pour la prise en compte des phénomènes d'évacuation des charges. Le terme correctif prend en compte les éventuels passages multiples du faisceau d'électrons primaires. 20 La troisième étape FIT du procédé 100 selon l'invention comprend l'ajustement du modèle U(Pi,ti) sur l'image expérimentale acquise à la première étape. L'étape d'ajustement permet de trouver les valeurs des paramètres décrivant la géométrie de l'échantillon après avoir pris en compte les artefacts liés par exemple aux effets de charging. 25 Le terme correctif peut s'écrire au point Pi à l'instant ti comme: S(Pi, ti) = ô(Pi - P.) CkQkRkFs(Pi - Pk)Ft(ti - tk) j=1 k=1 L'indice j i balaye la séquence de positions Pi du faisceau d'électrons primaires éclairées aux instants tj, jusqu'à la position Pi éclairé à l'instant ti, le faisceau d'électrons primaires pouvant éclairer la même position à des instants différents. 16 3060751 La somme sur l'indice j relatif à la fonction delta de Kronecker prend en compte la possibilité de plusieurs passages du faisceau d'électrons primaires au point Pt éclairé à l'instant ti. La somme sur l'indice k permet de calculer le terme correctif pour chaque passage 5 du faisceau d'électrons primaires à la position Pi. Cette somme prend en compte les points Pk balayés par le faisceau d'électrons primaires aux instants tk précédant l'instant Qk est la charge déposée lorsque le faisceau est à la position Pk. Cette charge est fonction du courant mais aussi du temps pendant lequel on peut considérer que le 10 faisceau est à la position Pk, c'est-à-dire de la vitesse de balayage. La quantité Rk apparaît également dans le premier modèle théorique de la surface de l'échantillon et contient les paramètres décrivant la géométrie de l'échantillon ainsi que les paramètres décrivant la réponse instrumentale et le rendement de création de charge. 15 Le paramètre Ck est un coefficient de charging effectif. La fonction F.,(r - Pk) est une fonction de dispersion spatiale et la fonction Ft(t - tk) est une fonction de dispersion temporelle. Lorsque les phénomènes de charging sont négligés, le signal mesuré pendant la séquence est : ti U(Pt,tt) = QiRi8(Pt - Pi) i=i 20 Le signal mesuré est une somme sur toutes les positions balayées par le faisceau d'électrons primaires. Le delta de Kronecker «Pi - Pi) est égal à un quand Pi = Pi et zéro ailleurs. En effet, lorsque le faisceau éclaire la position Pi, le signal est enregistré dans le pixel Pi du détecteur. Si le faisceau repasse sur le même point, le signal sera intégré (ajouté au précédent). Le détecteur a donc une mémoire. 25 Selon un mode de réalisation le second modèle théorique est obtenu selon la formule suivante : 17 3060751 [i U(Pi,ti) = QiRi x - Pi) - S(Pi,ti) i=i Le signe moins devant le terme correctif S vient du fait que le charging se traduit souvent par des zones plus sombres sur les images CDSEM, soit une atténuation du signal hors charging. Dans certains cas cependant, l'impact du charging peut être au contraire positif, selon le signe du coefficient effectif de charging. 5 Un avantage de ce mode de réalisation est de prendre en compte les effets de charging à la fois spatiaux et temporels. De plus, ce mode de réalisation prend en compte le fait que le faisceau d'électrons primaires peut passer plusieurs fois par la même position. Le deuxième modèle théorique peut donc être mis sous la forme suivante : U(Pi,ti) = - Pi) QiRi - QkRkCk Fei - Px). Ft(ti tk) i=i k=1 10 La fonction de dispersion Ft(ti - tk) prend en compte les phénomènes d'évacuation des charges qui causent une diminution des charges en excès déposées lors du passage du faisceau d'électrons primaires. Selon un mode de réalisation, la fonction de dispersion temporelle prend la forme : t Ft(t) = OÙ T est le temps caractéristique d'évacuation des charges. 15 Selon un autre mode de réalisation des décroissances plus lentes peuvent être prises en compte en utilisant une fonction de type distribution de Cauchy : 1 Ft(t) = t 2 1 + () La fonction de dispersion spatiale permet de prendre en compte la distance entre la position Pi à laquelle le second modèle théorique est calculé et la charge Qi à la position Pi. 18 3060751 Selon un mode de réalisation la fonction de dispersion spatiale peut avoir une forme en cloche de type gaussien : 11r112 Fs(r) = e 20-2 D'autres fonctions de distribution spatiale peuvent être utilisées suivant par exemple le mode de balayage de la surface choisi. Des fonctions de distribution spatiale 5 asymétriques peuvent également être choisies. Dans la plupart des images CDSEM deux hypothèses simplificatrices peuvent être appliquées. La première hypothèse est que le courant d'électrons primaires est constant pendant le balayage et égal à Q0. La deuxième hypothèse est que la surface de l'échantillon est balayée une seule fois, sans passages multiples du 10 faisceau d'électrons primaires. La deuxième hypothèse correspond à l'absence de points redondants : la condition P(t) = P(t') avec t # t' n'est jamais vérifiée. Le deuxième modèle théorique peut alors être calculé suivant la formule suivante : U (Pi, ti) = Uo(Pi,ti) - Qo RiC1 Fs(Pi - Pi). Ft(ti - ti) i=i dans laquelle Uo(Pi, ti) = Q0Ri est le signal obtenu à la position Pi à l'instant ti sans prendre en compte les effets de charging. 15 Un avantage de ce mode de réalisation est d'obtenir une formule plus simple à implémenter au cours de l'étape FIT du procédé selon l'invention. A cause des effets de charging, une image CDSEM acquise sur un échantillon sans topographie et avec un seul matériau n'est pas plate mais aura une intensité ub(Pi,ti) donnée par la formule suivante : [i Ub(13i,t1) = Q0R0 x 1 -ICi Fs(Pi - Pi). Ft(ti - ti) j=1 o zo Où Ro est la réponse du substrat. SI l'on soustrait ce terme à l'image calculée selon le deuxième modèle théorique on obtient : u(Pi, ti) - ub (Pi, ti) Ri - Ro - - RoC0) Fs (pi - Pi). Ft(ti - ti) i=i 19 3060751 Si les phénomènes de charging sont homogènes à la surface de l'échantillon on peut considérer que le paramètre effectif de charging a la même valeur à tout point de la surface de l'échantillon c, co et on obtient : U(Pi,ti) - Ub(Pi,ti) oc Ai - Co Ai - Pi). Fei - t1) 1=1 Où Ai = Ri- Ro. 5 Un avantage de ce mode de mode de réalisation est d'obtenir une modélisation dans laquelle le fond a une réponse nulle et que seules les parties contrastées, c'est-à-dire donnant lieu à Rp - Ro # 0 induisent le phénomène de charging. Un avantage de ce mode de réalisation est que le fond peut être soustrait par traitement d'images et le calcul du charging ne se fait que sur les parties structurées Io de l'échantillon. Le balayage de la surface de l'échantillon pour l'acquisition d'une image CDSEM peut être réalisé suivant plusieurs méthodes. Une technique souvent utilisée est le balayage dit raster scan ou balayage TV illustré à la figure 6. Selon ce mode de balayage on peut identifier une direction de balayage rapide selon la direction x 15 indiquée sur la figure 6 et une direction de balayage lente selon la direction y indiquée sur la figure 6. Selon cette méthode de balayage, l'acquisition des données a lieu seulement en correspondance des traits horizontaux, indiqués (1) sur la figure 6. Dans ce qui suit on se référera à la direction de balayage rapide, x sur la figure 6, comme à la direction de balayage du faisceau d'électrons primaires. 20 Quand cette méthode de balayage est utilisée, chaque ligne de l'image est balayée à vitesse constante et on a que : - xi J tI tJ- = VX Cela revient à écrire le second modèle théorique selon la formule suivante : (xi - xi\ U(xi,ti) = QtRi - Ci Fs(xi - xi). Ft Si l'on exclut les passages multiples du faisceau d'électrons primaires, le calcul du second modèle théorique se résume à : 20 3060751 ti U(Xi, ti) = QiRi - Qi Ri. Ci F(Xi - xi) j=1 Où F(x) = Fs(x). Ft (M. Cette formule correspond à un terme correctif de type produit vx de convolution tronqué avec la réponse instantanée T. En d'autres termes, le terme correctif est un produit de convolution entre le premier modèle paramétrique et un noyau de convolution donné. Le produit de convolution 5 est calculé sur les positions balayées par le faisceau d'électrons primaires avant d'arriver à la position Pi à l'instant ti et permet de prendre en compte les charges déposées par le faisceau. Le second modèle théorique peut être calculé aussi en variables continues utilisant la formule suivante : U(x) - U0(x) oc R(x) - Ro - f vxdx' X [C(x')R(x') - CoR0] F(x - x') 10 Un avantage de ce mode de réalisation est la simplification des étapes de calcul, l'intégration étant réalisée exclusivement sur une seule variable spatiale. Un autre objet de l'invention est la réalisation d'une étape de calibration d'une technique CDSEM. Cette étape de calibration est réalisée afin de déterminer les paramètres présents dans le modèle et liés à la réponse instrumentale. Ces 15 paramètres font partie du jeu de paramètres déjà présents dans le premier modèle théorique et ils prennent en compte, par exemple, le fait que le faisceau d'électrons primaires a une taille non nulle. Souvent la forme du faisceau d'électrons primaires est décrite comme un profil gaussien. Cette fonction gaussienne prenant en compte les caractéristiques du faisceau d'électrons primaires est appelée « point spread 20 function » en anglais ou PSF. Les paramètres décrivant la réponse instrumentale, par exemple les paramètres de la fonction PSF, peuvent avantageusement être déterminés lors d'une étape préliminaire de calibration. La calibration est obtenue en réalisant un ajustement entre le second modèle théorique et l'image expérimentale d'un échantillon dont la structure est connue. Cela permet de fixer les paramètres 25 géométriques lors de l'étape de calibration et d'obtenir de façon plus fiable les paramètres décrivant la réponse instrumentale. Les valeurs des paramètres 21 3060751 décrivant la réponse instrumentale seront ensuite fixées lors de la mise en oeuvre de la technique CD-SEM pour la caractérisation d'une image expérimentale d'intérêt. Un avantage de la réalisation de l'étape de calibration est de pouvoir déterminer de façon plus précise et fiable les paramètres décrivant la réponse instrumentale. 5 Ensuite ces paramètres décrivant la réponse instrumentale seront fixés lors de la mise en oeuvre de la technique CD-SEM pour la caractérisation d'une image expérimentale d'intérêt, ce qui permet d'atteindre une détermination plus précise et fiable des paramètres décrivant la structure de l'échantillon et donc des dimensions critiques d'intérêt 10 Un autre objet de l'invention est un procédé de mise en oeuvre d'une technique de caractérisation CD-SEM comportant les étapes suivantes : - réalisation d'une image expérimentale représentative de la structure de l'échantillon et issue d'un microscope électronique à balayage ; - à partir d'un premier modèle théorique basé sur des fonctions mathématiques 15 paramétriques, calcul d'un second modèle théorique obtenu par somme algébrique d'un terme correctif, ledit second modèle théorique comportant un jeu de paramètres, ledit jeu de paramètres comprenant à la fois les paramètres à déterminer qui décrivent la structure géométrique de l'échantillon d'intérêt et les paramètres déterminés selon la calibration ci- 20 dessus qui décrivent la réponse instrumentale ; - détermination des paramètres présents dans le second modèle théorique et décrivant la structure de l'échantillon d'intérêt au moyen d'un ajustement entre ledit second modèle théorique et ladite image expérimentale. Avantageusement, ce procédé de mise en oeuvre d'une technique de caractérisation 25 CD-SEM est particulièrement efficace. Grâce à ce procédé il est possible de réaliser une image CD-SEM d'un échantillon d'intérêt et de mesurer au moins une dimension critique de cet échantillon tout en prenant en compte la réponse instrumentale et les effets de charging. 30 22 REVENDICATIONS1. Procédé (100) de mise en oeuvre d'une technique de caractérisation par microscopie électronique à balayage pour la détermination d'au moins une dimension critique de la structure d'un échantillon dans le domaine de la métrologie dimensionnelle, dite technique CD-SEM, ledit procédé comportant les étapes suivantes : - réalisation (IMAGE) d'une image expérimentale représentative de la structure de l'échantillon et issue d'un microscope électronique à balayage ; - à partir d'un premier modèle théorique basé sur des fonctions mathématiques paramétriques, calcul (MODEL) d'un second modèle théorique U(Pi,ti) décrivant le signal mesuré à la position Pi à l'instant ti, ledit second modèle U(Pi,ti) étant obtenu par somme algébrique d'un terme correctif S(Pi,ti), ledit second modèle théorique comportant un jeu de paramètres à déterminer ; - détermination (FIT) du jeu de paramètres présents dans le second modèle théorique au moyen d'un ajustement entre ledit second modèle théorique et ladite image expérimentale ; ledit procédé étant caractérisé en ce que ledit terme correctif S(Pi,ti) est calculé en sommant le signal provenant des charges électriques déposées par le faisceau d'électrons primaires lors d'une pluralité d'instants t inférieurs ou égaux à ti. 2. Procédé (100) selon la revendication précédente caractérisé en ce que le second modèle théorique est calculé selon la formule suivante : [i U(Pi,ti) = Q1Ri8(Pi- Pi) - S(Pi,ti) i=i dans laquelle : U(Pi,ti) est le second modèle théorique calculé en correspondance de la position Pi sur la surface de l'échantillon à l'instant ti ; 23 3060751 l'indice j i balaye la séquence de positions Pi du faisceau d'électrons primaires éclairées aux instants jusqu'à la position Pt éclairée à l'instant ti, le faisceau d'électrons primaires pouvant éclairer la même position à des instants différents ; 5 Qi est la charge électrique déposée par le faisceau d'électrons primaires lorsque le faisceau éclaire la position Pi ; Ri est la fonction mathématique paramétrique contenant les paramètres décrivant la topographie de l'échantillon et le rendement de création de charge à la position Pi ; 10 - Pi) est un delta de Kronecker, qui est égal à un quand Pt = Pi et zéro ailleurs ; Eii=1QiRi8(Pi - Pi) est le premier modèle théorique du signal mesuré à la position Pi à l'instant ti et prend en compte la topographie de l'échantillon, la charge électrique déposée, le rendement de charge et 15 les passages multiples du faisceau d'électrons primaires lors du balayage; s(pi, ti) = Ei=18(pi - pj[Elk=lckQkRkFs(p; - pk)Ft(t; - ta est le terme correctif ; Fs(Pt - Pi) est une fonction de dispersion spatiale prenant en compte la 20 distance entre la charge électrique à la position Pi et la position Pt ; Ft(tt - t1) est une fonction de dispersion temporelle prenant en compte l'écart temporel entre le dépôt de la charge électrique à la position Pi à l'instant ti et la mesure du signal à la position Pi à l'instant ti ; Ci est coefficient effectif d'accumulation de charges à la position Pi. 25 3. Procédé (100) selon la revendication précédente caractérisé en ce que le courant d'électrons primaires est constant et égale à Q0, le faisceau d'électrons primaires éclaire chaque position Pi une seule fois et le second modèle théorique est calculé selon la formule suivante : U(Pt,tt) = Uo(Pt,tt) - Qo RjCj F,(Pt - P1). Ft(tt - t1) i=i 24 3060751 dans laquelle Uo(Pi, ti) = Q0Ri. 4. Procédé (100) selon la revendication précédente caractérisé en ce que la réponse de l'échantillon en absence de topographie est Ro et l'intensité de 5 fond Ub(Pi, ti) due à l'excès de charge est soustraite au second modèle théorique pour éliminer l'émission des régions non structurées de l'échantillon, l'intensité de fond étant calculée selon la formule suivante U (Pi, ti) - Ub(13i,ti) Ri - Ro - - RoC0) F., (pi - Pi). Ft(ti - t1) i=i Dans laquelle U b (13 t = (2oR0[1 - 13i)FT (ti 10 5. Procédé (100) selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le faisceau d'électrons primaires balaye la surface de l'échantillon suivant la méthode de balayage dite TV ou « raster scan » en anglais, la direction de balayage étant la direction horizontale ou axe x, la vitesse de balayage 'Px 15 étant constante. 6. Procédé selon la revendication précédente (100) caractérisé en ce que le second modèle théorique est calculé selon la formule suivante : 20 U(x) - U b (X) OC [R (x) - Ro - f (C(x')R(x') - CoRo)vxF (x - 0 dans laquelle : x est la cordonnée spatiale dans la direction de balayage du faisceau d'électrons primaires ; 25 U b (X) est l'intensité de fond à la position x ; 25 3060751 Q0(x) est la charge déposée par le faisceau d'électrons primaires en correspondance de la position x ; 5 F(x - x') = Fs(x - x')Ft M) contient la fonction de dispersion spatiale et la vx fonction de dispersion temporelle exprimée en fonction de la cordonné x, la vitesse de balayage vx étant constante. 7. Procédé (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la fonction de dispersion temporelle est une fonction exponentielle avec constante de temps T : t Ft(t) = e4- 10 8. Procédé (100) selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que la fonction de dispersion temporelle est une fonction de type distribution de Cauchy : 1 Ft (t)= 1+ (-t 2 Tl 9. Procédé (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes 15 caractérisé en ce que la fonction de dispersion spatiale est de la forme Jr112 FS(r) = e 20-2 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, ledit procédé étant mis en oeuvre pour une calibration de la technique de caractérisation CD-SEM, ladite calibration comportant les étapes suivantes : 20 - réalisation d'une image expérimentale représentative de la structure d'un échantillon de référence dont les dimensions géométriques sont connues, ladite image étant issue d'un microscope électronique à balayage - à partir d'un premier modèle théorique basé sur des fonctions mathématiques paramétriques, calcul d'un second modèle théorique obtenu par somme 25 algébrique d'un terme correctif, ledit second modèle théorique comportant un jeu de paramètres, ledit jeu de paramètres comprenant à la fois les paramètres connus qui décrivent la structure géométrique de l'échantillon de 26 3060751 référence et les paramètres à déterminer qui décrivent la réponse instrumentale ; - détermination des paramètres présents dans le second modèle théorique et décrivant la réponse instrumentale au moyen d'un ajustement entre ledit 5 second modèle théorique et ladite image expérimentale représentative de la structure de l'échantillon de référence. 11. Procédé de mise en oeuvre d'une technique de caractérisation CD-SEM selon l'une des revendications 1 à 9 et la revendication précédente, ledit procédé comportant les étapes suivantes : 10 - réalisation d'une image expérimentale représentative de la structure de l'échantillon et issue d'un microscope électronique à balayage ; - à partir d'un premier modèle théorique basé sur des fonctions mathématiques paramétriques, calcul d'un second modèle théorique obtenu par somme algébrique d'un terme correctif, ledit second modèle théorique comportant un 15 jeu de paramètres, ledit jeu de paramètres comprenant à la fois les paramètres à déterminer qui décrivent la structure géométrique de l'échantillon d'intérêt et les paramètres déterminés selon la calibration selon la revendication précédente qui décrivent la réponse instrumentale ; - détermination des paramètres présents dans le second modèle théorique et 20 décrivant la structure de l'échantillon d'intérêt au moyen d'un ajustement entre ledit second modèle théorique et ladite image expérimentale. 27