2.5
La mesure de l’overlay par diffraction
Bien que la mesure de l’overlay par imagerie sur les mires AIM reste satisfaisante dans la plupart des cas, une méthode basée sur la diffraction est de plus en plus utilisée dans l’industrie. Le principe repose sur la relation entre l’overlay et l’intensité de la lumière diffractée sur une mire spécifique.
2.5.1
Réponse optique d’une mire de diffraction
Les mires de la mesure par diffraction sont composées de réseaux empilés. Un réseau de résine est empilé sur un réseau de la couche inférieure gravée. Ces deux réseaux empilés ont la même période. Une vue schématique de l’empilement de ces mires est représentée dans la figure 2.15.
Figure 2.15 – Empilement d’une mire de mesure d’overlay par diffraction
En notant ∆ le décalage entre les deux réseaux empilés et p leur période commune, l’intensité du signal de diffraction à l’ordre n s’écrit selon la formule 2.50 [46].
I(n)=
∞
k=0
A(n)k cos (2πk∆/p) + Bk(n)sin (2πk∆/p) (2.50)
A l’ordre zéro, l’intensité du signal est égale pour des angles opposés, d’après le principe de réciprocité. Cela signifie que cette intensité dépend seulement de la valeur absolue de ∆.
L’intensité s’écrit donc uniquement à l’aide de cosinus :
I(0) =
∞
k=0
A(0)k cos (2πk∆/p) (2.51)
Pour des ordres non nuls, le principe de réciprocité ne s’applique pas. Néanmoins, la mesure de la différence entre les ordres +n et -n dans le cas d’une incidence normale revient à considérer des signaux diffractés à des angles opposés. Dans ce cas, le décalage ∆ considéré est de sens opposé avec la même valeur absolue. Les cosinus sont donc égaux et les sinus sont opposés. On obtient alors la formule 2.52 en cherchant à soustraire des signaux d’ordres de diffraction opposés.
I(+n)− I(−n) = ∞ k=1 Ck(n)sin (2πk∆/p) (2.52)
2.5.2
Principe de la mesure d’overlay par diffraction
La mesure par diffraction tend à devenir la nouvelle référence pour les nœuds technologiques avancés [47]. La valeur de l’overlay est déduite d’une mesure de l’intensité d’un signal dit d’asymétrie.
Ce signal, noté As, est obtenu en soustrayant l’intensité du faisceau de diffraction de l’ordre -1 à celle du faisceau d’ordre +1 pour un faisceau incident selon la normale :
As = I(+1)− I(−1)
(2.53) Comme cela a été montré dans le paragraphe précédent, ce signal est une fonction impaire du décalage entre les deux réseaux empilés et donc de l’overlay. C’est une fonction sinusoïdale à l’ordre 1.
Il a été montré que ce signal d’asymétrie est proportionnel à l’overlay dans une gamme réduite aux faibles valeurs de l’overlay, c’est-à-dire dans une fenêtre de quelques dizaines de nanomètres centrée en zéro [48]. Cette valeur dépend de la période des réseaux choisie. La valeur d’une trentaine de nanomètres est valable pour des périodes comprises entre 400 et 600 nm.
Dans une gamme d’overlay allant de -15 nm à 15 nm, on peut donc lier le signal d’asymétrie et l’overlay par la loi de proportionnalité 2.54.
As = K × OV L (2.54)
Une illustration de la relation entre l’overlay et le signal d’asymétrie est proposée dans la figure 2.16.
Figure 2.16 – Signal d’asymétrie lié au décalage entre les réseaux
Le coefficient de proportionnalité K , liant le signal d’asymétrie et l’overlay, peut être éliminé en concevant deux mires voisines avec des réseaux empilés décalés de la même valeur absolue, positive pour l’une et négative pour l’autre. Ce décalage volontaire est conçu directement sur le masque. Les valeurs de décalage choisies sont de vingt nanomètres. En combinant les deux mesures du signal d’asymétrie, la valeur de l’overlay se déduit selon la formule 2.55 [49].
Overlay = d As+d+ As−d As+d − As−d
(2.55) Les signaux d’asymétries sont définis par les approximations suivantes : As+d =
K (OV L + d) et As−d = K (OV L − d).
Afin de connaître l’overlay dans les deux directions avec cette méthode, il faut mesurer quatre mires : deux pour chaque direction. Cette contrainte est significative car elle a
2.5. LA MESURE DE L’OVERLAY PAR DIFFRACTION 57
longtemps nécessité de réserver une place importante pour ces mires : trente microns par soixante microns.
Désormais, des mires, nommées µDBO, d’une taille de dix microns par dix microns, peuvent être mesurées, suite à l’amélioration de l’équipement YieldStar conçu par ASML [50].
2.5.3
Fonctionnement de l’équipement de mesure
Le schéma de la figure 2.17 illustre le principe de fonctionnement de l’équipement YieldStar conçu par l’entreprise ASML pour la mesure d’une mire µDBO de dix microns par dix microns. Cette figure est extraite d’un brevet d’ASML [51].
Les éléments-clés de l’équipement permettant la mesure d’une mire de taille réduite sont les obturateurs 13 et 21. Leur rôle est de filtrer les faisceaux selon leur utilité dans le processus de la mesure. L’élément 13 permet de sélectionner un faisceau annulaire de la source 11. Ce faisceau est incident au wafer W au niveau de la cible de mesure qui est un ensemble de quatre réseaux. Afin de mesurer l’overlay, on utilise une variante de l’élément 13 qui est une combinaison des éléments 13N et 13E et des éléments 13S et 13W. L’élément 21 permet de ne sélectionner que le signal issu des premiers ordres de diffraction qui est le signal utilisé pour déduire l’overlay. La deuxième branche du système optique permet d’acquérir un signal de référence contenant les ordres zéro diffractés par la mire.
Figure 2.17 – Schéma de principe de l’équipement YieldStar permettant la mesure µDBO Notons que KLA-Tencor propose aussi une méthode de mesure de diffraction appelée SCOL. Une étude [52] a montré que cette méthode permet théoriquement de mesurer des mires de quatre microns par quatre microns grâce à une source à amplification laser qui focalise le faisceau sur une zone de cette taille. Le site de STMicroelectronics de Crolles ne disposant pas de cet équipement, cette méthode n’a pu être étudiée.