Real time scatterometry: a new metrology for in situ microelectronics process control

In situ and real time control of the different process steps in semiconductor device manufacturing becomes a critical challenge, especially for the lithography and plasma etching processes. Real time scatterometry is among the few solutions able to meet the requirement for in line monitoring. In this paper we demonstrate that real time scatterometry can be used as a real time monitoring technique during the resist trimming process. For validation purposes the real time scatterometry measurements are compared with 3D Atomic Force Microscopy measurements made in the same process conditions. The agreement between both is excellent

Développement des techniques de scatterométrie en temps réel pour le suivi des procédés de gravure plasma

The miniaturization of the semiconductor devices is made possible by the improvemen of technological processing steps (such as lithography, etching, etc.). This progress goes with the need of fast reliable characterization techniques. Optical metrology based on the analysis of light diffracted by a periodic pattern, namely scatterometry, positions itself as a very promising technique for monitoring in situ and real-time manufacturing processes. In this work, we validated scatterometry for the real-time monitoring of manufacturing processes; such as the resist trimming. First, the technique was successfully validated on 248nm photo resist, under various experimental conditions, then on 193nm photo resist. The latter case is more interesting for semiconductor manufacturing application, but it is more difficult to address because the optical properties of the materials used change during the course of the process as a result of the plasma impact. These optical properties must be considered as variable parameters in the model used for solving the inverse problem. We have also contributed to the extension of the method to innovative applications such as porosimetry. This technique known as scatterometric porosimetry allows determining porosity as well as permeability of the surface and the thickness of the hydrophilic layer on pattern sidewalls.La miniaturisation progressive de la taille des composantes est rendue possible grâce aux progrès technologique des étapes de fabrication (lithographie, gravure, etc.). Ce progrès technologique crée un besoin de technique de caractérisation fiable rapide et si possible à moindre coût. La technique de caractérisation optique basée sur l'analyse de la lumière diffractée par un objet périodique, la scatterométrie, se positionne comme étant une technique très prometteuse pour le suivi in situ et en temps réel des étapes de fabrication dans l'industrie de la microélectronique. Au cours de cette thèse, nous avons validé l'utilisation de la scatterométrie en temps réel pour le suivi d'une étape de fabrication, il s'agit du procédé de réduction de cote résine. La technique a d'abord été validée avec succès sur des résines 248nm dans différentes conditions expérimentales. Puis sur des résines 193nm. Le cas de ces résines est plus intéressant d'un point de vue industriel, mais il est plus délicat à mettre en oeuvre puisque les indices des matériaux mis en jeu change sous l'effet du plasma. Ces indices doivent donc être considérés comme des paramètres variables dans le modèle utilisé pour la résolution du problème inverse. Les travaux de cette thèse ont également permet l'extension de la technique à des applications originales telles que la porosimétrie. Cette technique appelée scatterométrie porosimétrique permet à la fois de déterminer la porosité, la perméation de la surface et l'épaisseur de la couche hydrophile sur les flancs

Développement des techniques de scatterométrie en temps réel pour le suivi des procédés de gravure plasma

The miniaturization of the semiconductor devices is made possible by the improvemen of technological processing steps (such as lithography, etching, etc.). This progress goes with the need of fast reliable characterization techniques. Optical metrology based on the analysis of light diffracted by a periodic pattern, namely scatterometry, positions itself as a very promising technique for monitoring in situ and real-time manufacturing processes. In this work, we validated scatterometry for the real-time monitoring of manufacturing processes; such as the resist trimming. First, the technique was successfully validated on 248nm photo resist, under various experimental conditions, then on 193nm photo resist. The latter case is more interesting for semiconductor manufacturing application, but it is more difficult to address because the optical properties of the materials used change during the course of the process as a result of the plasma impact. These optical properties must be considered as variable parameters in the model used for solving the inverse problem. We have also contributed to the extension of the method to innovative applications such as porosimetry. This technique known as scatterometric porosimetry allows determining porosity as well as permeability of the surface and the thickness of the hydrophilic layer on pattern sidewalls.La miniaturisation progressive de la taille des composantes est rendue possible grâce aux progrès technologique des étapes de fabrication (lithographie, gravure, etc.). Ce progrès technologique crée un besoin de technique de caractérisation fiable rapide et si possible à moindre coût. La technique de caractérisation optique basée sur l'analyse de la lumière diffractée par un objet périodique, la scatterométrie, se positionne comme étant une technique très prometteuse pour le suivi in situ et en temps réel des étapes de fabrication dans l'industrie de la microélectronique. Au cours de cette thèse, nous avons validé l'utilisation de la scatterométrie en temps réel pour le suivi d'une étape de fabrication, il s'agit du procédé de réduction de cote résine. La technique a d'abord été validée avec succès sur des résines 248nm dans différentes conditions expérimentales. Puis sur des résines 193nm. Le cas de ces résines est plus intéressant d'un point de vue industriel, mais il est plus délicat à mettre en oeuvre puisque les indices des matériaux mis en jeu change sous l'effet du plasma. Ces indices doivent donc être considérés comme des paramètres variables dans le modèle utilisé pour la résolution du problème inverse. Les travaux de cette thèse ont également permet l'extension de la technique à des applications originales telles que la porosimétrie. Cette technique appelée scatterométrie porosimétrique permet à la fois de déterminer la porosité, la perméation de la surface et l'épaisseur de la couche hydrophile sur les flancs

Développement des techniques de scatteromètrie en temps réel pour le suivi des procédés de gravure plasma

La scatterométrie dynamique est une technique de métrologie optique basée sur une analyse de la lumière diffractée par un objet, elle fait preuve d'un potentiel remarquable, il s'agit d'une technique non-destructive applicable au contrôle in-situ en temps réel. L'article présente des résultats de l'application de la scatterometrie dynamique pour le contrôle d'un procédé de « resist trimming ». Les mesures obtenues par scatteromètrie sont comparées avec des mesures 3D-AFM obtenues dans les mêmes conditions

Dynamic scatterometry for profile control during resist trimming process

During the micro and nanofabrication processes more particularly for lithography or plasma etching, the CD (Critical Dimension) metrology is a key point to guarantee and secure the performance of the fabricated devices. In-line process control requires real-time, non-destructive and non-invasive monitoring techniques. The conventional CD metrology techniques such as AFM (Atomic Force Microscopy) and CD-SEM (Secondary Electron Emission based technique) are not well suited for real time monitoring. Optical measurements are among the few solutions able to meet the requirements for in line monitoring. Scatterometry belongs to the optical strategies, it uses the analysis of the signature of the light scattered by a periodic structure to infer the shape of a feature (for example using spectroscopic ellipsometry). In our laboratory, we have developed specific software and hardware tools to perform dynamic scatterometry, using in situ spectroscopic multi-wavelength ellipsometer. The paper present the results of the application of dynamic scatterometry for the monitoring of two different resist trimming processes HBr/O2 and Ar/O2 plasma. A Jobin-Yvon ellipsometer, capable of real time acquisition of sixteen wavelengths, is plugged onto chamber of a Decoupled Plasma Source (DPS) from Applied Materials. The measurements are made in real time.For validation purposes, the same process has been interrupted at several different times and the trimmed feature profiles have been measured using a 3D AFM from Veeco Instruments. Figure 3 how that the dynamic scatterometry provides reliable results and shows a great potential as a real time monitoring technique for etch process control. It can see that the dynamic scatterometry profile matches well the AFM data, both for CD and heightIn this article, first we show that the dynamic scatterometry can be used for real time process monitoring during resist trimming process for different process parameters such as chemistries and power bias, then we discuss the influence of these different parameters on the measurement, more results at different experimental conditions, will be represented, with a comparison between dynamics scatterometry profile shape (CD, height) and 3D AFM measurements made in the same condition

Resist trimming etch process control using dynamic scatterometry

International audienceDynamic scatterometry is an optical metrology technique designed for the in-situ real time process control in the production of microelectronics devices. This technique has many advantages; however the main limitation in the real time context comes from the short data acquisition time for the needed wavelength range. We present here the different tools to perform dynamic scatterometry, such as specific software and hardware tools. We show how these tools can successfully be used to monitor the resist etch process in an industrial etch chamber from Applied Materials equipped with an in-situ ellipsometer. Results from determining CD and thickness shows excellent agreement between the scatterometry measurements and measurements made with a 3D AF