Étude du problème inversé en diffractométrie spectroscopique : application à la métrologie dimensionnelle en microélectronique

Study of the inverse problem in scatterometry : application to dimensional measurements in microelectronic

• Auteur / Autrice : Richard Quintanilha
• Direction : Antonello De Martino, Philippe Thony
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro et nanoélectronique
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Grenoble INPG

Résumé

La métrologie dimensionnelle est un outil essentiel de la microélectronique permettant l'optimisation des procédés. La scattérométrie est une nouvelle méthode de mesure rapide et non destructive basée sur la mesure et l'interprétation des phénomènes de diffraction des structures périodiques. Le traitement des données et l'extraction des paramètres géométriques des structures étudiées constituent le problème inverse à résoudre. L'examen du problème met en jeu des méthodes de calcul électromagnétique rigoureuses (MMFE) et un cadre statistique bien défini. L'utilisation de la méthode des moindres carrés associée à des algorithmes de minimisation locale permet d'effectuer l'ajustement des données expérimentales sous certaines hypothèses statistiques. Nous proposons ici une étude du problème inverse recentrée sur des considérations statistiques ainsi que les faiblesses et les points forts de cette formulation. L'ensemble des études théoriques et expérimentales a mis en évidence que la scattérométrie permet de mesurer les profils de réseaux mono- et bi-périodiques de périodes d'une centaine de nanomètres et en deçà, compatibles avec les spécifications des futures noeuds technologiques. Néanmoins, nous avons mis en évidence que seuls certains paramètres géométriques de la structure sont susceptibles d'être mesurés (paramètres de premier et second ordre) dans des conditions expérimentales standard. De plus, cette méthode de mesure apparaît très robuste vis-à-vis des défauts et des inhomogénéités du réseau. Les applications de la scattérométrie à l'analyse de réseau mono- et bi-périodiques donne une bonne corrélation avec les autres méthodes de mesure (CDSEM et AFM).

Dimensional metrology, which ensures process optimization, is an essential tool in microelectronics. The scatterometry is a new rapid and non destructive method of measurement based on the measurement and the interpretation of the diffraction phenomena of periodic structures. It uses current instruments such as spectroscopie ellipsometry with a spectra range from Ultra-Violet to near Infra Red. Data processing and extraction of geometrical parameters constitutes the inverse problem which has to be solved. This problem brings into play rigorous methods of electromagnetic calculation (MMFE) and a specifie statistical framework. The use of the non-linear least squares method under specifie statistical assumptions, associated with local minimization algorithms, allows experimental data fitting. The inverse problem study expounded here is based on the Maximum Likelihood Theory. Weak and strong points of this formulation are highlighted. Ali theoretical and experimental studies highlighted that scatterometry allows to measure profiles of mono- and bi-periodic structures of hundred-nanometers-period and below with futures technologies nodes specifications. Nevertheless, we highlighted the fact that only sorne geometrical parameters of the structure can be measured (the first and second order parameters). Moreover, this method of measurement appears to be very robust in relation to the defects and inhomogeneity of the gratings. Scatterometry applied to the measurement of mono and bi-periodical structures gives a good correlation with the other methods of measurement (CDSEM and AFM). A key of the reliability of the measurement lies on the optical indices precision of the materia