Métrologie Optique pour les vias d'interconnection dans le silicium – OLOVIA

L'intégration 3D est une technologie d’intégration majeure et durable développée depuis le début du 21ème siècle par toutes les grandes compagnies du domaine des semiconducteurs, et par de grands instituts de recherche ,pour les systèmes miniaturisés électroniques, d’imagerie et de capteurs. Elle est fondée sur l’empilement et la soudure de puces/wafers de silicium amincis comprenant des vias électriques verticaux pour assurer les interconnexions entre puces. Ceci permet de bénéficier d’une réduction globale de taille, d’une large gamme de nouvelles fonctionnalités offertes par l’intégration hétérogène, et de nouvelles possibilités de conditionnement (packaging) avec une densité de contacts élevée. L’intégration 3D permet aussi de réduire les difficultés liées à l’intégration 2D et à la réduction de la taille des dispositifs en dessous de 14nm. Une des technologies clés des procédés d’intégration 3D ( ou 2,5D avec interposeurs) des circuits intégrés et de packaging 3D est la fabrication d’interconnexions verticales de rapport d’aspect élevé à travers le silicium (TSV : Though Silicon Vias). Cette technologie engendre de nouveaux besoins en métrologie qui sont des défis à relever.
La PME FOGALE nanotech est un des leaders industriels pour la métrologie des procédés d’intégration et des TSV, et beaucoup de compagnies majeures du domaine du semiconducteur et des fonderies dans le monde entier utilisent ou sont en train d’acquérir ses solutions métrologiques. Ces solutions répondent aux besoins courants mais doivent être sécurisées, améliorées et étendues pour les besoins futurs en métrologie des TSV prédits par la feuille de route internationale de la technologie semiconducteur (ITRS). Le projet OLOVIA combine les expertises de FOGALE nanotech, de l’IEF et de l’IOGS en instrumentation optique, techniques interférométriques et modélisation optique pour faire face à ces challenges. L’objectif général du projet sera donc de développer des appareils optiques non destructifs, quantitatifs, précis, faibles et rapides qui soient capables de satisfaire les exigences du contrôle en ligne de procédés industriels de fabrication deTSV. Ces instruments optiques adresseront deux problématiques principales de la métrologie des TSV : i) la mesures des paramètres géométriques de vias gravés (profondeur, diamètres supérieurs et inférieurs, forme, rugosité des flancs, épaisseur de silicium restante) , et ii) la cartographie du champ de contraintes mécaniques autours des vias à différents stades du procédé de fabrication. Plus précisément,
i) la géométrie des via sera fondée sur la conception et la mise en oeuvre de nouvelles procédures/versions de techniques de tomographie optique cohérente et de microscopie avancée
ii) la mesure du champ de contrainte reposera sur le développement d’un système plein champ de microphotoélasticité avec une modulation de phase rapide pouvant fonctionner à la fois en réflexion et en transmission.
Les deux systèmes optiques seront conçus pour être compatible avec un usage industriel. Ils s’appuieront sur des simulations avancées par élément finis des intéractions du faisceau lumineux à l’échelle nanométrique autour du via, sur des analyses en profondeur des performances des systèmes optiques et des techniques de démodulation de phase, et sur des tests extensifs réalisés sur échantillons dédiés.
De plus, un système de calibration des constantes photoélastiques sera construit et des mesures comparatives avec des techniques de référence (coupe MEB,/TEM, Spectrométrie Raman,…) seront effectuées pour assurer les performances des systèmes réalisés. Finalement les systèmes seront qualifiés sur des échantillons industriels avec différentes technologies de TSV. D’autres applications potentielles telles que l’inspection des défauts de procédés de scellement de de wafers, ainsi que des mesures locales de contraintes sur des MEMS ou des encapsulations au niveau du wafer seront explorées.