La miniaturisation des composants impose à l’industrie de la micro-électronique de trouver des techniques de caractérisation fiables rapides et si possible à moindre coût. Les méthodes optiques telles que la scattérométrie se présentent aujourd’hui comme des alternatives prometteuses répondant à cette problématique de caractérisation. Toutefois, l’ensemble des méthodes scattérométriques nécessitent un certain nombre d’hypothèses pour assurer la résolution d’un problème inverse et notamment la connaissance de la forme géométrique de la structure à tester. Le modèle de structure supposé conditionne la qualité même de la caractérisation. Dans cette thèse, nous proposons l’utilisation des réseaux de neurones comme outils d’aide à la décision en amont de toute méthode de caractérisation. Nous avons validé l’utilisation des réseaux de neurones dans le cadre de la reconnaissance des formes géométriques de l’échantillon à tester par la signature optique utilisée dans toute étape de caractérisation scattérométrique. Tout d’abord, le cas d’un défaut lithographique particulier lié à la présence d’une couche résiduelle de résine au fond des sillons est étudié. Ensuite, nous effectuons une analyse de détection de défaut de modèle utilisé dans la résolution du problème inverse. Enfin nous relatons les résultats obtenus dans le cadre de la sélection de modèles géométriques par réseaux de neurones en amont d’un processus classique de caractérisation scattérométrique. Ce travail de thèse a montré que les réseaux de neurones peuvent bien répondre à la problématique de classification en scattérométrie ellipsométrique et que l’utilisation de ces derniers peut améliorer cette technique optique de caractérisation / The miniaturization of components in the micro-electronics industry involves the need of fast reliable technique of characterization with lower cost. Optical methods such as scatterometry are today promising alternative to this technological need. However, scatterometric method requires a certain number of hypothesis to ensure the resolution of an inverse problem, in particular the knowledge of the geometrical shape of the structure under test. The assumed model of the structure determines the quality of the characterization. In this thesis, we propose the use of neural networks as decision-making tools upstream of any characterization method. We validated the use of neural networks in the context of recognition of the geometrical shapes of the sample under testing by the use of optical signature in any scatterometric characterization process. First, the case of lithographic defect due to the presence of a resist residual layer at the bottom of the grooves is studied. Then, we carry out an analysis of model defect in the inverse problem resolution. Finally, we report results in the context of selection of geometric models by neural networks upstream of a classical scatterometric characterization process. This thesis has demonstrated that neural networks can well answer the problem of classification in ellipsometric scatterometry and their use can improve this optical characterization technique

Les dimensions critiques des circuits intégrés diminuent continuellement au coursdes ans selon la loi de Moore. Les valeurs typiques sont aujourd’hui de 28nm,et seront de 22nm dans 18 mois. La photo-lithographie optique demeure encore latechnique la plus économique pour la production de masse. L’ouverture numériquedes objectifs atteint 1.30, grâce à l’introduction d’eau entre la lentille et la plaquette.La conséquence directe de ces grandes ouvertures est la réduction de la profondeurde champs de l’ordre d’une centaine de nanomètres. Le procédé photo-lithographiqueperdant de la latitude, le contrôle dimensionnel intra-cellule devient une nécessité.La variation dimensionnelle provient au premier ordre à la fois de la variation duplan focal dans le champ image, et aussi de la non uniformité de l’illumination duréticule. Pour contrôler cette variation, une boucle de régulation a été mise en placepour ajuster uniquement l’énergie des lots de production. On corrige ainsi de fait unmauvais focus par une compensation en énergie.Pour ne pas altérer l’image dans la résine, il est important de pouvoir dissocierles deux effets et adresser les causes de dégradation de l’image séparément. Le sujetde cette thèse est précisément de trouver un moyen de décorréler les deux paramètresaffectant l’uniformité de la dimension critique. L’idée principale est de trouver à lafois les motifs et les modèles théoriques pouvant conduire à discriminer des imagesselon leur sensibilité, soit au focus, soit à la dose / Following the ITRS roadmap, the critical dimension of the circuits are continuouslynarrowing. Optical Lithography still remains the cheapest way forintegrated circuits mass production. If the resists properties and the exposure wavelengthreduction had an important contribution to this result, the lens numericalaperture increase had a decisive impact. The numerical aperture is currently reaching1,30 thanks to the usage of water as immersion fluid between the lens andthe wafer. Future lens are targeting in a near future a 1,70 numerical aperture withimmersion fluids at higher refractive index. A direct consequence of these wider numericalaperture’s is the reduction of the depth of focus to few tens of nanometers,reducing the process windows and then the integrated circuits manufacturability. Inaddition the pure numerical aperture effect on focus, off axis illumination is leadingto amplify the reticle critical dimension variations, and the intrafield focus controlbecomes more and more crucial.The last scanner generation provides some tools to adjust the intrafield energy.As the two effects appear to compensate each of them critical dimension variation,it becomes very important to be able to dissociate the effect of one from the otherin order to select the most efficient mean to get the greater process windows. Moreover, the average value compensations must feed accurately the Run to Run feedback loop for the next exposed wafers.The purpose of this thesis is to find a way to un-correlate the various parametersaffecting the critical dimension uniformity. Some researchers tried to design specificfeatures whose shape modifications due to focus offset could be detected as an overlayerror measured by the appropriate tool, but the limitations seem to be actuallyreached. New tools, as scatterometers, could provide a more precise information.The desire output of this thesis would be to provide a methodology to allow an inline intrafield focus follow up for the future technologies at 20nm half pitch

En microélectronique, l'augmentation de la densité des composants est la solution principale pour améliorer la performance des circuits. Ainsi, la taille des structures définies par la lithographie diminue à chaque changement de nœud technologique. A partir du nœud 14 nm, la lithographie optique est confrontée à la limite de résolution pour les niveaux métalliques. Pour surmonter cet obstacle, les niveaux métalliques sont conçus en deux étapes successives de patterning regroupant chacune une étape de lithographie et une étape de gravure. Cette technique, nommée double patterning, requiert une métrologie adaptée car l'alignement entre les deux étapes et les dimensions critiques sont alors directement liées. La méthode de mesure développée dans cette thèse repose sur la scattérométrie et la mesure de l'alignement par diffraction. Un code de simulation a permis d'optimiser la conception des mires de mesure. De plus, la méthode de mesure adoptée a pu être validée expérimentalement. / In microelectronics, the increase of component density is the main solution to improve circuit performance. The size of the patterns defined by lithography is reduced at each change of technology node. From the 14 nm node, optical lithography is facing the resolution limit for metal levels. In order to overcome this hurdle, metal levels are designed in two successive steps of patterning, which is composed of lithography followed by etching. This double patterning technique requires an appropriate metrology since overlay between the two steps and critical dimensions are directly linked. The developed method is based on scatterometry and overlay measurement by diffraction. Using a simulation code, the measurement targets have been designed optimally. Then the adopted method has been validated experimentally.

Avec une réduction de la taille des composants en constante progression, le domaine de la microélectronique, et d'une manière plus globale, le domaine de la nanofabrication se doit de posséder des outils de métrologie dimensionnelle performants. L'amélioration de points pertinents comme la rapidité, la précision et la répétabilité devrait permettre un suivi en temps réel de l'évolution des procédés et ainsi améliorer les rendements de production tout en limitant les pertes imputables aux dérives des procédés. Dans ce cadre, la scattérométrie, technique optique de métrologie dimensionnelle basée sur l'analyse de la lumière diffractée, a montré, suivant les cas, des capacités à répondre aux exigences des applications temps réel. Elle se décompose en une phase de mesure, effectuée par un dispositif expérimental (ellipsomètre dans notre cas) et une phase de résolution de problème inverse. La méthode utilisée pour traiter cette dernière phase conditionne la compatibilité avec le temps réel. La méthode des bibliothèques et une méthode utilisant des réseaux de neurones artificiels présentent les qualités requises. La première a déjà été validée pour le suivi d'un procédé de gravure en microélectronique et la seconde a été testée uniquement en statique à la suite d'une étape technologique. Cette thèse a pour but d'évaluer l'apport des réseaux de neurones en scattérométrie dynamique. Basée sur des critères qualitatifs et quantitatifs, cette étude souligne également la difficulté de comparer avec objectivité les différentes techniques de métrologie. Ces travaux dressent également une comparaison minutieuse de ces deux méthodes adaptées au temps réel afin d'en dégager les spécificités de fonctionnement. Enfin, la scattérométrie par l'approche des réseaux de neurones est étudiée dans le cas de la gravure de résine par plasma. En effet, il s'agit d'un procédé de fabrication en microélectronique pour lequel le contrôle in-situ est un enjeu important dans le futur. / The decrease of the components size has been widely witnessed in the past decades. Hence, microelectronic field, and more generally speaking, nanofabrication requires very efficient dimensional metrology tools. The improvement of relevant points like the speed, the accuracy and the repeatability of the tool will allow real time process monitoring and thus enhance the production yield while restricting the waste due to process drift. In this framework, scatterometry, an optical dimensional metrology technique based on the analysis of the diffracted light, has proven its ability to meet real time applications requirements. It is composed of a measuring phase, done by an experimental setup (ellipsometer in our case) and an inverse problem resolution phase. The chosen method used in order to process this last step determines the compatibility with real time. Library method and a method based on artificial neural networks possess the required qualifications. The first one has already been validated for etching process monitoring in microelectronics and the second one has been validated only on static cases after a technological step. This PhD involves assessing neural networks for dynamic scatterometry. Based on qualitative and quantitative criteria, this study underlines the difficulty of comparing different metrology techniques objectively. This work draws up a meticulous comparison of these two real time adapted methods in order to bring out their working specifications. Finally, scatterometry using neural networks is studied on a resist etching plasma case. In fact, this is a microelectronic fabrication process for which in-situ control is of an important concern in the future.

La miniaturisation des circuits intégrés permet à la fois d'augmenter les performances mais aussi de réduire leur coût. Cependant, cette réduction des dimensions provoque la prépondérance du temps de transit dans les interconnexions devant le temps de commutation des transistors. Ainsi, un matériau diélectrique de plus faible permittivité de type SiOCH poreux est intégré malgré une sensibilité plus élevée au plasma de gravure. Ce travail de recherche s'intéresse au développement de procédés plasmas in situ réalisés après la gravure de l'empreinte de la ligne métallique dans le diélectrique poreux. Ces traitements, utilisant des chimies réductrices, oxydantes et à base d'hydrocarbures, ont pour but de 1) limiter la croissance de résidus qui provoquent parfois des pertes de rendement dans le cas de l'utilisation d'un masque dur métallique et 2) limiter la diffusion de la barrière métallique en TaN/Ta. Cependant, ces traitements (NH3, O2, CH4, H2) ont été optimisés afin de ne pas augmenter la modification induite par l'étape de gravure seule. La caractérisation de la modification induite dans le diélectrique situé sur le fond et les flancs des lignes par les plasmas a été effectuée notamment en développant des techniques de caractérisation spécifiques. Ainsi, l'ensemble des traitements plasma induisent tous une couche modifiée dans le matériau avec des caractéristiques différentes sur le fond et les flancs (composition de surface, épaisseur, perméation...). Le traitement à base de méthane limite la croissance de résidus sans modifier le diélectrique plus que l'étape de gravure. Ce procédé a été implémenté en production par l'entreprise STMicroélectronics.

Le travail présenté dans ce mémoire traite du contrôle dimensionnel optique pour la microélectronique et de l'adaptation d'un instrument à cette application. Le premier point clé de cette technique de métrologie est la possibilité de calculer le champ diffracté par une structure périodique, associé aux méthodes de calcul inverse. Le second point clés est la solution technologique adoptée pour mesurer la signature de diffraction. Nous présentons ici un goniomètre bidimensionnel basé sur le principe de la Transformée de Fourier Optique. Cet appareil a été adapté à l'application métrologique et nous décrivons ici les différentes étapes qui nous permis aboutir. Ces étapes sont la description, la compréhension et l'analyse de l'instrument pour adapter les moyens numériques en notre possession aux spécificités du problème. Nous avons ensuite validé la fonction métrologique de l'instrument sur différentes structures comme des couches minces ou des réseaux. Nous avons comparé les résultats obtenus avec ceux obtenus en ellipsométrie spectroscopique ou en microscopie électronique à balayage. Nous avons pour chaque résultat, évalué les incertitudes et discuté de la validité du résultat. Enfin nous avons tiré partit des particularité de l'instrument pour réalisé des études plus qualitative sur des structures plus complexes comme des lignes rugueuses ou des structures superposées.