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Trois solutions de métrologie pour la caractérisation 3D à l’échelle nanométrique

Avec des dispositifs à semi-conducteurs de plus en plus complexes d’une part et de plus en plus abordables d’autre part, les fabricants dépendent de plus en plus de l’optimisation métrologique, du laboratoire à la fabrication. Le projet METRO4-3D met à l’épreuve trois solutions prometteuses.

Technologies industrielles

La loi de Moore stipule que le nombre de transistors contenus dans un circuit intégré double environ tous les deux ans. Ce taux de croissance se traduit par des fonctionnalités améliorées des circuits, une réduction de la puissance de fonctionnement requise et, surtout, une réduction des coûts. Mais dans l’industrie des semi-conducteurs, les développements de matériaux et de processus, tout comme le contrôle de la productivité et de la production, reposent sur une métrologie précise afin d’optimiser les performances et de minimiser les problèmes. Le projet METRO4-3D, soutenu par l’UE, a évalué l’efficacité de trois outils métrologiques pour étudier les traitements en amont et en aval pour toute une variété de dispositifs à semi-conducteurs. Évaluer différentes technologies De plus en plus souvent, la métrologie doit être effectuée sur des dispositifs à l’échelle nanométrique. METRO4-3D ambitionne d’étudier des technologies dans les différents domaines de la métrologie: caractérisation (chimique) des matériaux, caractérisation électrique et caractérisation des défauts, grâce à l’analyse 3D. Pour ce faire, le projet a employé trois outils d’évaluation. Le premier outil utilisé est un spectromètre de masse des ions secondaires à temps de vol (ToF-SIMS) avec un microscope-sonde à balayage (SPM) intégré qui établit un profil (en 3D réelle) de la composition des matériaux et effectue une analyse des défaillances. Deuxièmement, ils ont utilisé un microHALL (un outil automatisé permettant de mesurer la résistance de couche), en échantillonnant les propriétés électriques. Troisièmement, ils ont utilisé un microscope acoustique fonctionnant dans une gamme de fréquences allant jusqu’à 2 gigahertz fabriqué par PVA TePla, pour rechercher des défauts tels que des fissures ou un délaminage dans les couches ultrafines des circuits intégrés. L’évaluation des techniques a commencé par la description des caractéristiques de base de ces outils, en se servant d’échantillons de référence, avant d’étudier les dispositifs les plus complexes afin d’estimer les performances finales des outils. «La théorie métrologique de base et la validation en laboratoire existaient déjà pour chacun de ces outils avant le projet METRO4-3D, mais il restait encore à évaluer si elles étaient applicables dans le contexte de l’industrie des semi-conducteurs», explique le Dr Thierry Conard, coordinateur du projet. Un certain nombre des résultats du projet sont remarquables. Pour prendre l’exemple des travaux portant sur microHALL, l’équipe a réussi à utiliser le système pour mesurer les caractéristiques électriques d’une ailette individuelle (il s’agit de structures 3D sur lesquelles les transistors modernes sont basés) jusqu’à 20 nanomètres. Ce résultat était inattendu car ces dimensions sont inférieures à celles des sondes. Les travaux de TOFSIMS-SPM ont permis la démonstration d’un profilage 3D de haute qualité sur des ailettes de 500 nanomètres ainsi qu’une meilleure compréhension du profil en profondeur de structures jusqu’à 20 nanomètres. Le microscope GHz acoustique a rendu possible un contrôle non destructif des liaisons hybrides avec des résolutions allant jusqu’au micromètre et une limite de détection atteignant quelques centaines de microns. «Grâce à ces outils, la combinaison de données électriques, chimiques et structurelles recueillies sur les mêmes appareils permet de mieux comprendre leurs relations», explique le Dr Conard. «En outre, comme il s’agit de techniques génériques, elles sont applicables à une grande variété de dispositifs et de systèmes, au-delà du seul domaine des semi-conducteurs. Ceci étant dit, certains protocoles restent spécifiques à chaque appareil». Bien plus que la somme des parties En fournissant des informations sur les technologies de processus avancées et en développant des outils innovants de détection des défaillances, METRO4-3D aide autant à réduire les coûts de fabrication des semi-conducteurs que le gaspillage des ressources et les délais de mise sur le marché pour les nouveaux produits. «Outre son utilité dans des appareils que nous utilisons quotidiennement, comme les téléphones mobiles, la technologie des semi-conducteurs joue également un rôle important dans les technologies des sciences de la vie et dans de nombreux autres domaines. Ce projet contribuera à un éventail d’applications très large», explique le Dr Conard. Les trois instruments étant maintenant disponibles sur le marché, l’équipe va à l’avenir se consacrer à des recherches visant à maximiser les résultats obtenus en combinant plusieurs méthodes de métrologie ainsi qu’à poursuivre l’amélioration des protocoles de mesure.

Mots‑clés

METRO4-3D, semi-conducteur, électronique, transistors, circuits, métrologie, spectrométrie, sondes, nanométrique, capteurs, téléphones mobiles

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