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

L'industrie de la microelectronique est animee par une croissance exponentielle ininterrompue depuis le milieu du XXeme siecle. Cette croissance, longtemps soutenue par la reduction de la taille de grille des transistors, est aujourd'hui portee par les innovations sur les formes complexes des transistors de nouvelle generation (Fin-FET, etc…). Afin de controler les etapes de conception de ces transistors, l'industrie du semi-conducteur a besoin d'outils de metrologie adaptes a ces nouvelles architectures pour lesquelles les caracteristiques geometriques influent directement sur les performances. Depuis plusieurs decennies, le CD-SEM (Critical Dimension Scanning Electron Microscope) est l'outil de reference 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 equipements de metrologie specialises dans les mesures 3D (AFM, FIB-STEM, Scatterometrie) ne sont pas compatibles avec les contraintes de production (temps de mesure, cout, destructivite, etc…). Depuis plusieurs annees, des travaux de recherche, a l'instar de cette these, ont pour objectif de determiner une methode de metrologie tridimensionnelle basee sur l'utilisation du microscope electronique a balayage. L'approche retenue dans le cadre de ces travaux de these est la reconstruction geometrique basee sur l'inversion d'un modele de simulation d'images de microscopie electronique a balayage. Cette approche necessite l'utilisation d'un modele de simulation rapide, performant et avec un minimum d'information a priori sur la geometrie. Au cours de cette these, nous avons developpe deux modeles de simulation d'images SEM : Synthsem2 et Synthsem3. Le premier est un modele parametrique, rapide et performant, mais pas suffisamment independant de la geometrie pour l'application visee. En revanche, ce modele s'avere utile pour d'autres applications et a fait l'objet d'un transfert industriel a une entreprise partenaire. Le deuxieme modele developpe, Synthsem3, est un modele totalement independant de la geometrie et calibre a partir de donnees obtenues par simulation Monte-Carlo. Ce modele a egalement fait l'objet d'un transfert industriel a une entreprise partenaire. Le modele Synthsem3 nous a permis d'etudier la sensibilite du signal de microscopie electronique aux variations de parametres geometriques d'interet. Plusieurs conditions d'acquisition (energie, inclinaison du faisceau) ont ete etudiees afin de construire des tables de sensibilite pour chaque parametre en fonction des caracteristiques geometriques du motif. Il en ressort notamment que l'estimation de la hauteur d'un motif a partir d'un signal SEM forme par un faisceau non incline, est hautement incertaine, alors que l'utilisation d'un faisceau incline ameliore nettement l'incertitude. Nous avons ensuite procede a la resolution du probleme inverse par la methode de Gauss-Newton, en utilisant un calcul analytique du gradient du modele Synthsem3. Nous avons montre la possibilite de reconstruire une geometrie, sans information a priori sur celle-ci, a partir d'une image de microscopie electronique a balayage sans bruit, avec un faisceau non incline. En presence de bruit dans le signal, la resolution est instable, conformement aux resultats de l'analyse de sensibilite parametrique. Enfin, nous avons montre que l'inclinaison du faisceau ameliore nettement la stabilite de la resolution du probleme inverse. Ces travaux sont le point de depart de plusieurs projets a l'etude au sein du laboratoire d'accueil (CEA Leti) et de l'entreprise partenaire a laquelle nous avons transfere la technologie, en vue d'une future commercialisation.