Extraction d'informations tridimensionnelles d'images obtenues par microscopie électronique en vue de dessus

par Jordan Belissard

Thèse de doctorat en Mathématiques Appliquées

Sous la direction de Stéphane Labbé et de Faouzi Triki.


  • Résumé

    L'industrie de la microélectronique est animée par une croissance exponentielle ininterrompue depuis le milieu du XXème siècle. Cette croissance, longtemps soutenue par la réduction de la taille de grille des transistors, est aujourd'hui portée par les innovations sur les formes complexes des transistors de nouvelle génération (Fin-FET, etc…). Afin de contrôler les étapes de conception de ces transistors, l'industrie du semi-conducteur a besoin d'outils de métrologie adaptés à ces nouvelles architectures pour lesquelles les caractéristiques géométriques influent directement sur les performances. Depuis plusieurs décennies, le CD-SEM (Critical Dimension Scanning Electron Microscope) est l'outil de référence pour mesurer la taille des motifs dans un environnement de production. Cependant, le CD-SEM ne permet pas, aujourd'hui, d'obtenir des mesures tridimensionnelles et les équipements de métrologie spécialisés dans les mesures 3D (AFM, FIB-STEM, Scattérométrie) ne sont pas compatibles avec les contraintes de production (temps de mesure, coût, destructivité, etc…). Depuis plusieurs années, des travaux de recherche, à l'instar de cette thèse, ont pour objectif de déterminer une méthode de métrologie tridimensionnelle basée sur l'utilisation du microscope électronique à balayage. L'approche retenue dans le cadre de ces travaux de thèse est la reconstruction géométrique basée sur l'inversion d'un modèle de simulation d'images de microscopie électronique à balayage. Cette approche nécessite l'utilisation d'un modèle de simulation rapide, performant et avec un minimum d'information a priori sur la géométrie. Au cours de cette thèse, nous avons développé deux modèles de simulation d'images SEM : Synthsem2 et Synthsem3. Le premier est un modèle paramétrique, rapide et performant, mais pas suffisamment indépendant de la géométrie pour l'application visée. En revanche, ce modèle s'avère utile pour d'autres applications et a fait l'objet d'un transfert industriel à une entreprise partenaire. Le deuxième modèle développé, Synthsem3, est un modèle totalement indépendant de la géométrie et calibré à partir de données obtenues par simulation Monte-Carlo. Ce modèle a également fait l'objet d'un transfert industriel à une entreprise partenaire. Le modèle Synthsem3 nous a permis d'étudier la sensibilité du signal de microscopie électronique aux variations de paramètres géométriques d'intérêt. Plusieurs conditions d'acquisition (énergie, inclinaison du faisceau) ont été étudiées afin de construire des tables de sensibilité pour chaque paramètre en fonction des caractéristiques géométriques du motif. Il en ressort notamment que l'estimation de la hauteur d'un motif à partir d'un signal SEM formé par un faisceau non incliné, est hautement incertaine, alors que l'utilisation d'un faisceau incliné améliore nettement l'incertitude. Nous avons ensuite procédé à la résolution du problème inverse par la méthode de Gauss-Newton, en utilisant un calcul analytique du gradient du modèle Synthsem3. Nous avons montré la possibilité de reconstruire une géométrie, sans information a priori sur celle-ci, à partir d'une image de microscopie électronique à balayage sans bruit, avec un faisceau non incliné. En présence de bruit dans le signal, la résolution est instable, conformément aux résultats de l'analyse de sensibilité paramétrique. Enfin, nous avons montré que l'inclinaison du faisceau améliore nettement la stabilité de la résolution du problème inverse. Ces travaux sont le point de départ de plusieurs projets à l'étude au sein du laboratoire d'accueil (CEA Leti) et de l'entreprise partenaire à laquelle nous avons transféré la technologie, en vue d'une future commercialisation.

  • Titre traduit

    Extraction of three-dimensional information on image obtained by top view electron microscopy


  • Résumé

    The microelectronics industry has been driven by an uninterrupted exponential growth since the mid-twentieth century. This growth, long supported by the reduction of the transistors gate size, is now driven by innovations on the complex shapes of new-generation transistors (Fin-FET, etc ...). In order to control the design stages of these transistors, the semiconductor industry needs metrology tools adapted to these new architectures for which the geometric characteristics directly influence the performances. For several decades, the Critical Dimension Scanning Electron Microscope (CD-SEM) has been the reference tool for measuring pattern size in a production environment. However, the CD-SEM does not allow, today, to obtain three-dimensional measurements and metrology equipment specialized in 3D measurements (AFM, FIB-STEM, Scalerometry) are not compatible with the production constraints (measurement time, cost, destructiveness, etc ...). For several years, research studies, like this thesis, have aimed to determine a three-dimensional metrology method based on the use of the scanning electron microscope. The approach adopted in this thesis is the geometric reconstruction based on the inversion of a simulation model of scanning electron microscopy images. This approach requires the use of a fast simulation model, efficient and with a minimum of prior information on the geometry. During this thesis, we developed two SEM image simulation models: Synthsem2 and Synthsem3. The first is a parametric model, fast and efficient, but not sufficiently independent of the geometry for the intended application. On the other hand, this model is useful for other applications and has been the subject of an industrial transfer to a partner company. The second model developed, Synthsem3, is a model totally independent of geometry and calibrated from data obtained by Monte-Carlo simulations. This model has also been the subject of an industrial transfer to a partner company. The Synthsem3 model allowed us to study the sensitivity of the electron microscopy signal to the variations of geometric parameters of interest. Several acquisition conditions (energy, inclination of the beam) have been studied in order to build sensitivity tables for each parameter according to the geometrical characteristics of the pattern. In particular, the estimation of the height of a pattern from a SEM signal formed by a non-tilted beam is highly uncertain, while the use of a tilted beam greatly improves the uncertainty. We then proceeded to solve the inverse problem by the Gauss-Newton method, using an analytical calculation of the gradient of the Synthsem3 model. We have shown the possibility of reconstructing a geometry, without prior information on it, from a noiseless scanning electron microscopy image, with a non tilted beam. Using a noisy signal, the resolution is unstable, in accordance with the results of the parametric sensitivity analysis. Finally, we have shown that the inclination of the beam clearly improves the stability of the resolution of the inverse problem. This work is the starting point for several projects under study in the host laboratory (CEA Leti) and the partner company to which we transferred the technology for future commercialization.