Dans un environnement industriel, les plaques sont généralement traités par lot de 25 dans les équipements de procédé. Pour cela, elles sont regroupés dans des boîtes appelées FOUP17. Plusieurs circuits sont ainsi réalisés en même temps sur un substrat, le plus souvent en silicium mono-cristallin. Le contrôle dimensionnel inclut les mesures suivantes :
– La mesure du CD lot à lot : Elle correspond à la mesure du CD, mesuré sur une même structure, d’un lot à un autre.
16. Capacité à graver dans une seule direction 17. Front Opening Unified Pod
– La mesure du CD plaque à plaque : Elle correspond à la mesure du CD, mesuré sur une même structure aux coordonnées (xplaque, yplaque), d’une plaque à une
autre sur un même lot.
– La mesure du CD intra-plaque : Elle correspond à la mesure du CD, mesuré sur une même structure aux coordonnées (xcellule, ycellule), d’une cellule à une
autre sur une même plaque.
– La mesure du CD intra-cellule : Elle correspond à la mesure du CD, mesuré sur une même structure, selon les coordonnées qu’elle occupe sur une même cellule. Elle est principalement liée à la lithographie.
Chaque cellule est développée suivant une technologie qui détermine les dimen- sions élémentaires du circuit. Plus de 400 étapes technologiques, regroupées en ni- veaux, sont aujourd’hui nécessaires à la conception d’un circuit intégré. Il existe 5 types de niveau :
– Niveau Active ACT : Cette étape consiste en la définition des zones actives c’est-à-dire des zones dopées qui correspondront soit aux drains soit les sources des transistors.
– Niveau Grille GATE : Ce niveau consiste en la réalisation de la grille des transistors en poly-silicium.
– Niveau Contact CNT : Ce niveau consiste en la réalisation des trous de contact, c’est-à-dire les zones de contact entre les régions dopées et le métal mais aussi le contact entre la liaison de grille en poly-silicium et le métal.
– Niveau Ligne LIN : Cette étape consiste en la réalisation des connexions métal. – Niveau Inter-connexion VIA : Ce niveau permet de relier les lignes de métaux
entres-elles par des trous d’inter-connexions.
Dans ce manuscrit, le développement des méthodes sera appliquée à un ensemble de produits logiques des technologies C040, C028 et C020 et des niveaux Active, Grille et Contact fabriqués sur le site de STMicroelectronics à Crolles. Les tests ex- périmentaux sont réalisés à la fois sur silicium nu, c’est-à-dire que les motifs de résine sont déposés directement sur le substrat, et sur niveaux, c’est-à-dire que les motifs de résine sont déposés sur des plaques ayant déjà subies des étapes technologiques. Les tests expérimentés sur niveaux sont les plus importants car ils sont réalisés sur des plaque de production.
1.5.1 Sources de variation de la dimension critique
Le contrôle effectif du CD suit la stratégie : diviser pour mieux contrôler. Cette stratégie, nécessite de décomposer les variations globales du CD en effets individuels physiques et de pouvoir classer les sources d’erreurs par ordre d’importances[47].
Cette décomposition est présentée dans le tableau 1.1. En effet, il existe beaucoup de facteurs qui contribuent à la variation finale de la dimension critique :
– Les imperfections des matériaux, des résines et des plaques.
– Les erreurs et les fluctuations des équipements et des instruments de mesures. – La qualité des réticules.
– L’environnement de la salle blanche.
Variation du CD
Lot à lot Plaque à plaque Cellule à cellule Motif
Equipement Equipement Dose Diffraction
Matériaux Non-uniformité Focus Effet de proximité
Déformation Intra-plaque Intra-cellule
Résine Erreur réticule
Aberration Dose Focus
Tableau 1.1 – Récapitulatif des effets globaux impactant le CD. Chaque type d’effet peut être repéré par un type de mesure précise. Les effets intra-plaque et intra-cellule sont incorporés respectivement dans les effets plaque à plaque et cellule à cellule.
Les variations du CD définies dans le tableau 1.2 sont produites spatialement au niveau de la plaque et au cours du temps. Les variations temporelles, regroupant les effets lot à lot, sont uniquement dues aux dérives des équipements et aux variabilité des matériaux[48]. Ces variations, peuvent être réduites en temps réel en utilisant des tests de surveillance, des boucles de régulations ou encore des contrôles des procédés statistiques. Les variations spatiales se manifestent au niveau des effets puce à puce et au niveau de l’intra-cellule ou de l’intra-plaque.
1.5.2 Métrologie de la dimension critique
Parallèlement aux étapes élémentaires de fabrication, sont intégrées des méthodes de caractérisation en ligne de différents paramètres physiques et géométriques as- sociés au produit[49]. Ces étapes de métrologie, permettent d’assurer un contrôle précis des procédés et des équipements. Parmi les méthodes de caractérisation en ligne, nous allons nous intéresser particulièrement à la caractérisation de la dimen- sion critique. Cette mesure alimentera les effets mentionnés dans la section 1.3.1. Pour obtenir une mesure précise et juste de la dimension critique, nous devons adapter l’outil de métrologie. La forme du motif étant tridimensionnelle, la scat-
Plaque Réticule Scanner Gravure
Planéité Erreur CD Aberrations Puissance
Réflectivité Défectivité Echauffement Pression
Topologie Effet de proximité Dose Vitesse
OPC Focus
Vibrations
Résine Four de piste Développeur Milieu
Epaisseur Temps Temps Humidité
Uniformité Uniformité Dispense Pression
Température Température Développeur Température
Température
Tableau 1.2 – Composantes des variations de CD dans l’atelier patterning. Chaque entité impacte de manière différente le CD. En utilisant un algorithme de métrologie précis, il est possible d’adresser un type de variation de CD à un équipement.
térométrie SCD18 sera la technique la plus à même à caractériser les dimensions de la résine avec précision[50]. La scatterométrie comporte de nombreux avantages pour la mesure d’un profil nanométrique en regard notamment des autres techniques utilisées aujourd’hui couramment par l’industrie : CDSEM19 ou AFM20 :
– La scatterométrie impose seulement la présence d’un rayon lumineux. Elle est donc particulièrement adaptée aux mesures in situ, c’est-à-dire à l’endroit même où se produit l’une des étapes de fabrication. Le CDSEM[51] ou l’AFM supposent au contraire que l’échantillon soit inséré dans leur propre environ- nement de mesure, et ne permettent donc au mieux que de la métrologie, en ligne, c’est-à-dire intégrée à la chaîne de fabrication.
– Pour une structure en poly-silicium en technologie 45nm, l’incertitude en scat- térométrie est 4 fois moins importante (3σ = 0.75nm) que celle du microscope à balayage électronique (3σ = 3.28nm) et 2 fois moins importante que l’AFM (3σ = 1.6nm).
Le tableau 1.3 réunit les principales caractéristiques des 3 appareils de métrolo- gie :
Le microscope à force atomique, référence métrologique en terme de mesure di- mensionnelle, sera principalement utilisé pour valider les résultats obtenus en scat- térométrie. Une description détaillée des principes de fonctionnement des outils de métrologie est disponible en annexe B.
18. Scatterometry for Critical Dimension / Scattérométrie pour Dimension Critique 19. CD Scanning Electron Microscopy / Microscopie Electronique à Balayage 20. Atomic Force Microscopy / Microscopie à Force Atomique
Outils SCD CDSEM AFM
Débit [Plaques / heure] 70 25 5
Mesure [/ heure] 900 300 30
Précision [nm] 1 5 à 10 1 à 5
Information sur le profil Oui Non Oui
Mire dédiée Oui Non Oui
Calibration Non Oui Oui
Mesure Destructive Non Semi Semi
Tableau 1.3 – Tableau récapitulatif des différences entre la scattérométrie, le microscope électronique à balayage et le microscope à force atomique.
Pour valider les mesures effectuées dans ce projet, une corrélation entre les 3 équipements de métrologie a été effectuée. La figure 1.10 représente la corrélation effectuée sur la dimension critique qui est une ligne de résine de 170nm.
Cette corrélation s’apparente à de la métrologie hybride[52] qui permet de valider les mesures effectués par scattérométrie par l’AFM, outil de référence métrologique.