SA251_44-48 - Spectra Analyse

TECHNIQUE INSTRUMENTALE
M. FESER1, S. SESHADRI1, Y. WANG1, W. YUN1
Traduction et adaptation : P. ROLLAND2
Cartographie élémentaire haute
résolution en microscopie à
balayage
RÉSUMÉ
L’imagerie en fluorescence X est une nouvelle méthode non destructive permettant d’obtenir
des répartitions d’éléments avec une résolution inférieure à 100 nm et en des temps
d’acquisition courts. Cette méthode présente un fort potentiel d’application dans le domaine de
la fabrication des semi-conducteurs et d’analyse de leur fiabilité. L’imagerie des interconnexions
de cuivre pour localiser les courts circuits et les interruptions est particulièrement intéressante
en analyse des défauts et inspection en tant que contrôle non destructif.
MOTS-CLÉS
fluorescence X, imagerie, réseau zoné de Fresnel, semi-conducteur
X-ray fluorescence imaging for high resolution elemental mapping
SUMMARY
X-ray fluorescence imaging is a novel non-destructive method to obtain sub-100nm spatial resolution elemental
maps with short data acquisition times. The method has a wide range of applicability in the field of semiconductor
manufacturing and semiconductor failure analysis. Imaging of copper interconnects on ICs for the location of voids
and shorts is one particular application that is relevant for current and future needs of non-destructive inspection
and failure analysis of backend processes.
KEYWORDS
Outils
X ray flurorescence, imaging, Fresnel zone plate, semiconductor
I - Introduction
La fluorescence X est largement utilisée dans le
domaine des semi-conducteurs pour caractériser
les films minces. La mesure de l’épaisseur avec une
précision nanométrique et la détermination de la
composition des films est possible sur les appareils commerciaux disponibles sur le marché de
l’instrumentation.
Toutefois, il n’existe pas d’appareil pour visualiser
ces paramètres avec une résolution spatiale élevée
sur des échantillons massifs. La résolution spatiale
est actuellement limitée, sur les instruments classiquement utilisés, par le volume de la zone excitée : elle peut être d’une taille de quelques dizaines
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de microns pour une excitation par des rayons X
ou de l’ordre du micron pour une excitation par
des électrons.
Des efforts sont faits pour diminuer la taille du
spot d’excitation en diminuant la tension d’accélération des électrons (1), mais ceci limite l’analyse
aux rayons X de très basse énergie et la résolution
reste supérieure à 300 nm.
Une autre approche pour améliorer la résolution
consiste à réaliser des échantillons minces (de
l’ordre de 100 nm) ce qui réduit le volume de diffusion. Toutefois, elle nécessite la préparation de
films minces autoportants et ne peut être véritablement utilisée que dans le domaine de la recherche.
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SPECTRA ANALYSE n° 251 • Septembre - Octobre 2006
Technique instrumentale
Cartographie élémentaire haute résolution en microscopie à balayage
II - Imagerie par réseau
zoné de Fresnel
Figure 1
Schéma montrant le
principe d’un réseau
de Fresnel. Les rayons
X passent par les zones
ouvertes et sont en
interférence constructive
au point focal. La
résolution spatiale est
pratiquement égale
à la distance ∆Rn de
l’ouverture la plus externe
Pour atteindre des résolutions inférieures à 100 nm
dans le domaine de l’analyse en fluorescence X, il faut
disposer d’un système d’imagerie dont la résolution
propre est très inférieure à la taille du spot d’excitation. Ceci peut être réalisé en utilisant un réseau zoné
de Fresnel comme système optique. Dans ce cas, un
faisceau d’électrons de diamètre plus large peut-être
utilisé, sans compromettre la résolution du système
d’imagerie et en préservant tous les avantages de
l’imagerie en fluorescence X comme une très grande
sensibilité aux faibles concentrations d’éléments et la
mesure quantitative des films fins.
Figure 2
Vue au MEB d’un réseau
zoné de Fresnel en or
fabriqué par Xradia
Inc. L’espace entre les
colonnes externes est de
100 nm et la hauteur du
réseau de 1600 nm.
Le système d’imagerie décrit ci-dessous peut être
utilisé sur un microscope électronique à balayage
(MEB) ou sur un système de fluorescence X. Sur un
MEB, son utilisation est similaire à celle d’un système
de microanalyse en dispersion d’énergie (EDS) ou de
longueur d’onde (WDS).
Le système d’imagerie de cet instrument est basé sur
une lentille de haute résolution ou réseau zoné de
Fresnel. Un réseau zoné est un système optique qui a
la forme d’un réseau circulaire (figure 1) qui diffracte
le rayonnement transmis. Il consiste en une série
d’anneaux concentriques faits de métal et de vide. Le
support de ce réseau est constitué d’une membrane
très mince qui absorbe très peu les rayons X. L’épaisseur de la partie métallique est choisie pour absorber
(réseau absorbant) ou pour réaliser un déphasage de
180 degrés (réseau en phase).
L’utilisation des réseaux de Fresnel dans le domaine
de l’imagerie X est bien établie et la théorie des réseaux zonés de Fresnel est bien comprise (2, 3). Leur
résolution a été constamment améliorée et se trouve
directement liée avec les améliorations de la technologie de nanofabrication. Une résolution inférieure à
20 nm a déjà été démontrée (4) et des avancées sont
encore attendues.
Si la diffraction de premier ordre est arrêtée en utilisant un masque central, le système fonctionne
essentiellement comme une lentille mince et suit
l’Equation 1.
1 1 1
+ =
i o f'
où i et o sont les distances respectivement à l’objet
et à la l’image et f la distance focale. L’agrandissement géométrique M est alors donné par l’Equation 2.
M=
Figure 3
Schéma montrant la nature chromatique d’un réseau zoné de Fresnel. A) le réseau focalise la longueur
d’onde λ0 . B) le réseau est approché de la source de telle façon que la longueur d’onde λ1 soit
focalisée. On note que dans l’un ou l’autre des cas une seule longueur d’onde est focalisée sur le
détecteur.
Equation 1
i
o
Equation 2
Une micrographie MEB d’un réseau zoné est présentée dans la Figure 2.
Contrairement aux lentilles réfractives, les lentilles
zonées sont hautement chromatiques et leur distance focale est inversement proportionnelle à la longueur d’onde de la radiation. L’utilisation d’un réseau
zoné en imagerie de fluorescence X nécessite ainsi
que le réseau respecte l’Equation 1 pour la longueur
d’onde précise utilisée. Les autres longueurs d’onde
ne sont pas focalisées. La Figure 3 illustre ceci pour
deux longueurs d’onde λ1 > λ0 . Une zone obturée
au centre est ajoutée pour disposer d’une zone libre
de bruit de fond sur le détecteur. Les distances entre la source et le réseau (L1) et le détecteur (L2) sont
ajustées pour réaliser l’image à la longueur d’onde
désirée. Les deux longueurs d’onde peuvent être par
exemple celles du cuivre et du silicium comme dans
l’exemple décrit plus loin (voir III – Résultats expérimentaux et discussion).
SPECTRA ANALYSE n° 251 • Septembre - Octobre 2006
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TECHNIQUE INSTRUMENTALE
Il est important de noter que la résolution spatiale
de l’image sur le détecteur n’est pas limitée par la
taille du spot d’excitation. En fait, on emploie généralement une taille de spot supérieure au champ
visualisé pour avoir une vue globale.
III - Implantation du système
d’imagerie de rayons X
Le système présenté dans cet article a été implanté sur une colonne standard d’une microsonde JEOL-8600. Le système a simplement
utilisé un port de spectromètre de longueur
d’onde disponible sans aucune modification
de l’instrument. Il utilise l’angle d’émergence
de 40 degrés standard sur ce MEB. La Figure 4
présente le système d’imagerie tel qu’il est installé sur le JEOL-8600.
Le MEB apporte tous ses avantages dans cette
installation car il permet de localiser le point
d’intérêt à imager et de choisir les paramètres
d’excitation. Dans ce cas, un microscope classique à filament de tungstène est recommandé
pour pouvoir disposer d’un faisceau de courant
intense. Ce niveau de courant n’est pas incompatible avec la résolution spatiale élevée car la
résolution de la répartition des éléments est
dans ce cas un paramètre intrinsèque du système d’imagerie et non pas de la taille de spot.
Les paramètres typiques utilisés en imagerie
de rayons X sont une tension d’accélération de
2 à 25kV, des courants de 50 nA à 5μA et des
tailles de spot de quelques μm à 40 μm.
Le système d’imagerie de rayons X est équipé d’une lentille de distance focale de 2 mm
à 930 eV (longueur d’onde 1,33 nm) et d’une
résolution de 50 nm fabriquée par Xradia Inc.
Il est utilisé avec un grandissement x400 (à
930 eV). L’image de fluorescence est formée
sur un détecteur CCD qui est efficace à quasiment 100% jusqu’à une énergie de 5 keV. Le
système dispose d’ajustements pour aligner le
système optique sur le faisceau et d’une motorisation de l’axe de focalisation pour sélectionner la longueur d’onde de différents éléments.
Figure 5
Image de fluorescence
X d’un réseau de cuivre.
Les lignes ont 120 nm
de large et des défauts
inférieurs à 100 nm sont
clairement visibles.
Figure 6
Image d’un réseau de
cuivre. La largeur des
lignes varie de 60 à 70
nm.
Figure 7
Image d’un circuit
multicouche Cu. Les
régions de Cu sont
brillantes, les régions Si
sombres. Les lignes de
Cu ont une largeur de
250 nm.
Figure 4
Photographie du système expérimental. La portion mise en évidence
dans l’image est le système d’imagerie nanoXFi de Xradia installé sur une
microsonde standard JEOL-8600
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Cartographie élémentaire haute résolution en microscopie à balayage
IV - Résultats expérimentaux
et discussion.
Une utilisation spécifique du système d’imagerie est
la visualisation haute résolution de défauts d’interconnections de cuivre. La résolution inférieure à 100
nm permet de détecter des ruptures et des courts circuits après le polissage chimique et mécanique.
Cette perte de résolution se comprend très bien
car l’image de répartition des éléments en EDS/
WDS est limitée par le volume d’émission dans
l’échantillon. La résolution du système d’imagerie
est déterminée par la résolution de la lentille zonée. La taille du spot fixe seulement la largeur du
champ visualisé.
Figure 8
Dans les exemples suivants, le système a été utilisé
pour réaliser les images des raies de Cu Lα1 (930 eV)
et Si Kα1 (1,74 KeV). En règle générale, le système
fonctionne mieux pour les énergies inférieures à
5 kV. Ces conditions fournissent le meilleur rendement et le meilleur rapport pic sur fond.
Pour démontrer la résolution spatiale, une structure de lignes de cuivre de largeurs variables et
d’une épaisseur de 50 nm a été fabriquée. La Figure 5 montre l’image du cuivre dans une zone défectueuse (mise en évidence dans le cercle blanc).
Elle présente des objets de cuivre de taille et de
distribution variables. Le pas du réseau varie de
180 à 240 nm, des regroupements inférieurs à 100
nm sont clairement résolus. Le MEB était utilisé à
10 kV et une taille de spot de 8 μm, pour un courant de 0,5 μA. La taille de pixel est de 30 nm. Le
temps de pause était de 10 minutes.
Pendant l’acquisition de l’image, une légère dérive
de l’image électronique a été observée, mais étant
donné la nature du procédé utilisé pour acquérir
l’image, cette dérive n’affecte pas la résolution de
l’image en fluorescence X.
La Figure 6 montre une région où les lignes du réseau sont encore plus fines. Les conditions expérimentales sont les mêmes que précédemment. Le
pas du réseau varie de 120 à 140 nm.
Ensuite, le réseau de cuivre a été remplacé par un
échantillon multicouche. Les conditions étaient les
suivantes : tension 25 kV, courant 0,4 μA. La Figure
7 présente l’image de fluorescence de la raie Cu Lα.
La Figure 8 montre un agrandissement de la zone
mise en évidence dans la Figure 7.
Dans les Figures 7 et 8, trois couches de cuivre
peuvent être vues. Le nombre de couches visibles
dépend de la tension d’accélération des électrons
qui détermine le volume d’émission des rayons X.
Pour la raie Cu Lα, profondeur d’émission maximale est de 1,5 μm et se trouve limitée par l’absorption de cette raie dans l’échantillon.
La valeur exacte dépend de la structure spécifique
de l’échantillon. Pour avoir une information plus
profonde que 2 μm, il faut à la fois appliquer une
tension supérieure et choisir de réaliser l’image
avec les raies Cu Kα.
La résolution spatiale obtenue peut être comparée à
la résolution obtenue en utilisant le système EDS ou
WDS. Pour ce faire, une image a été calculée en supposant une résolution spatiale de 1 μm pour une tension de 10 à 25 kV. La convolution de la Figure 7 est
présentée dans la Figure 9. L’information fine disponible dans la Figure 7 est complètement absente dans
la Figure 9.
Zone agrandie de la zone
mise en évidence dans la
Figure 7.
Figure 9
Convolution de la Figure
7 avec une résolution de
1.0 μm et une taille de
pixel de 0.5 μm.
Figure 10
Image de la même région
que celle présentée sur la
Figure 7 en utilisant la raie
Si Kα Ici les zones riches
en Si apparaissent en clair
car les zones de cuivre
absorbent les rayons X
produits par le silicium.
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En prenant le même échantillon, le système d’imagerie a été réglé sur la raie Si Kα à 1,74keV. Dans ce
mode, le constituant principal de l’échantillon, le
silicium, a été visualisé. Etant donné que les rayons
X générés par Si sont absorbés par les lignes de cuivre, cette image est décrite comme une image en
rétro éclairage. Le résultat présenté dans la Figure
10 (voir page précédente) est exactement le même
que celui obtenu en direct dans la Figure 7, les
conditions opératoires sont également les mêmes.
V - Conclusion et perspectives
Ces résultats expérimentaux montrent les performances d’un système d’imagerie en fluorescence X en termes de résolution spatiale comparée à une cartographie par un système EDS/WDS. Il est important de
remarquer que le gain de résolution spatiale est d’une
décade. Autre caractéristique essentielle : cette technique d’imagerie non destructive peut être appliquée un
échantillon massif tel qu’un wafer entier. Cette résolution ouvre un nouveau domaine d’application dans
les domaines de l’industrie des semi-conducteurs et de
la nanotechnologie : la distribution élémentaire avec
une résolution meilleure que 100 nm de films minces
structurés de toutes sortes.
Au-delà de l’imagerie des interconnexions de cuivre
présentée dans cet article, cette technologie ouvre de
nouvelles possibilités dans la visualisation des films
minces et leur taux de couverture, la répartition des
contaminants et plus globalement tout autre type
d’application nécessitant une résolution meilleure que
100 nm.
Des couches multiples peuvent être facilement observées et l’utilisation d’une calibration appropriée
permet d’obtenir des informations de profondeur non
accessibles par les techniques conventionnelles. Les
temps d’acquisition sont le plus souvent de l’ordre de
quelques minutes alors qu’en comparaison les techniques traditionnelles nécessitent plusieurs heures. Des
cartes spécifiques de chaque élément peuvent être obtenues une par une et ensuite superposées afin d’obtenir une vue complète de la distribution des éléments
sélectionnés dans l’échantillon.
L’intégration d’un tel système sur une colonne de MEB
est particulièrement intéressante car elle rend inutile
l’investissement dans un système dédié dispendieux.
Les progrès dans le domaine de la fabrication des lentilles zonées pousseront encore les limites de résolution vers des objets de plus en plus petits, comme ceux
prévus sur les « Roadmap » de l’industrie des semiconducteurs (voir à ce sujet le site de www.itrs.net).
Ces progrès devrait donc contribuer à positionner
l’imagerie de fluorescence X comme une technique
essentielle pour la métrologie de fabrication et l’analyse de défauts.
BIBLIOGRAPHIE
(1) SPARKS C. J., “X-Ray Fluorescence Microprobe for Chemical Analysis.” Synchrotron Radiation Research, H. Winick &S.
Doniach, Eds., Plenum, New York, 1980, pp. 459-512.
(2) SPILLER E., Soft X-Ray Optics, SPIE, Washington, 1994, 81-97.
(3) ERKO, A. I. et al, Diffraction X-Ray Optics, IOP Publishing, Philadelphia, 1996, 16-43.
(4) CHAO, W. et al, “Soft X-ray Microscopy at a spatial resolution better than 15nm,” Nature, 2005, 435, 1210-1213.
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