Une reconstruction tridimensionnelle des caractéristiques de la puce à partir de mesures utilisant la méthode de bibliothèque de modèles du NIST.
Alors que les dimensions des caractéristiques de la micropuce approchent de l'échelle atomique, il devient redoutablement difficile de mesurer leur taille et leur forme. Selon la feuille de route technologique internationale pour les semi-conducteurs, au cours des deux prochaines années, la longueur typique de la "grille" d'un transistor - son interrupteur marche-arrêt - sera inférieure à 20 nanomètres.
Le respect des tolérances de production pour les appareils de ces dimensions nécessitera des mesures avec une incertitude minimale d'environ 0,3 nm. Et la tâche est sur le point de devenir plus difficile :d'ici 2020, les longueurs de grille devraient se réduire à environ 12,5 nm, exigeant des incertitudes de l'ordre de 0,2 nm – environ la largeur d'un atome de silicium.
Cela exerce une pression extraordinaire sur les fabricants de puces pour améliorer le contrôle des processus. En général, les fabricants mesurent les dimensions critiques d'une porte (ou de tout élément) en détectant ses bords, à l'aide d'un instrument appelé microscope électronique à balayage (MEB). Les SEM mesurent le nombre d'électrons de faible énergie éjectés d'un échantillon lorsqu'il est frappé par un faisceau d'électrons de haute énergie; ces montants sont les plus élevés sur les bords. L'imagerie SEM typique utilise des algorithmes d'approximation qui définissent la position du bord dans une plage possible d'un ou deux nanomètres.
Maintenant, les chercheurs du NIST ont déterminé qu'un élément important de cette incertitude est que, à l'échelle ultra-petite des dernières fonctionnalités de la puce, Les mesures SEM sont fortement affectées par les variations de la forme tridimensionnelle de la grille qui peuvent se produire au cours de la fabrication, y compris la largeur de ligne et la position centrale, l'angle formé par les parois latérales d'un relief, le rayon de courbure de la zone du bord supérieur, et l'effet des structures adjacentes. Les différences dans chaque paramètre modifient les chemins des électrons éjectés de l'échantillon, ce qui rend difficile la localisation précise des bords et ainsi la détermination de la largeur et de la forme réelles.
Maintenant, ces effets ne sont généralement pas pris en compte dans le cadre du contrôle des procédés. Les fabricants comparent généralement un cycle de production avec un autre, en supposant que toute variation entre les deux est le résultat d'une combinaison de différences réelles dans la dimension pertinente et d'erreurs de mesure aléatoires. Mais en fait, Les scientifiques du NIST disent, ces variations peuvent en fait être le résultat de différences dans la forme tridimensionnelle (dont certaines ne sont pas la dimension pertinente) des mêmes caractéristiques d'un passage à l'autre. , " dit John Villarrubia du NIST, auteur principal du rapport. "Le problème est que si le numéro de dimension critique que vous proposez est sensible non seulement à la largeur de votre ligne mais aussi à la forme de votre ligne, alors vous mesurez les deux d'une manière mal définie."
Les étapes de gravure successives utilisées pour réduire la taille des éléments peuvent entraîner une variation considérable de la forme et du pas – la distance entre les centres de deux éléments adjacents.
Pour réduire l'incertitude, Les scientifiques du NIST ont conçu un moyen de modéliser comment les chemins des électrons éjectés de la porte pendant le balayage SEM sont affectés par les variations de forme et les paramètres de l'instrument tels que l'inclinaison du faisceau, luminosité, décalage, taille du faisceau, et d'autres facteurs. Ils ont combiné la physique du transit des électrons avec des bases de données détaillées sur la transmission et la diffusion des électrons et ont utilisé des nombres aléatoires pour simuler la nature probabiliste de la diffusion des électrons. Ils ont ensuite répété le processus pour chacun des 27, 000 combinaisons différentes de paramètres. Le résultat est une bibliothèque de signatures SEM correspondant à différentes combinaisons de formes. Les signatures SEM mesurées peuvent être comparées à la bibliothèque pour déduire avec précision les paramètres de l'échantillon.
Les scientifiques du NIST se sont associés à Intel Corporation pour tester la méthode sur des échantillons spéciaux fabriqués par la société aux dimensions de nouvelle génération de 10 nm à 12 nm. Dans une publication récente, les collaborateurs rapportent que lorsqu'ils ont comparé les résultats des mesures de largeur et de forme à l'aide du système de bibliothèque de modèles avec les mesures des mêmes portes par deux technologies de haute précision complètement différentes, le modèle NIST était d'accord avec les méthodes indépendantes à mieux que 1 nm.
« Aucun fabricant de circuits intégrés n'utilise actuellement ce type de métrologie basée sur des modèles, " dit Villarrubia. " Mais ils pourraient adopter la technique si les fabricants de SEM commençaient à incorporer cette capacité dans leurs instruments. Cela pourrait augmenter considérablement la précision des mesures actuelles.
"Toutefois, répondre aux exigences de mesure d'une taille de caractéristique encore plus petite, avec des incertitudes sub-nanométriques, nécessitera des modèles plus précis, dont le développement nécessitera des capacités de mesure que nous ne possédons pas actuellement dans notre laboratoire de recherche - par exemple, la capacité de mesurer le rendement absolu (combien d'électrons de l'échantillon pour chaque électron que le SEM envoie) au lieu de rendements simplement relatifs (combien d'intensité d'un détecteur). Cela nécessitera probablement une instrumentation personnalisée, à un moment où le budget pour maintenir l'instrumentation existante est déjà un problème."
