FR2776375A1

FR2776375A1 - Methode de caracterisation d'un processus d'implantation ionique

Info

Publication number: FR2776375A1
Application number: FR9803560A
Authority: FR
Inventors: Jacques Pinaton; Olivier Diop; Pascal Lambert
Original assignee: SGS Thomson Microelectronics SA
Current assignee: STMicroelectronics SA
Priority date: 1998-03-18
Filing date: 1998-03-18
Publication date: 1999-09-24
Anticipated expiration: 2018-03-18
Also published as: US6141103A; FR2776375B1

Abstract

Méthode de caractérisation d'un processus d'implantation ionique, comprenant une étape consistant à mesurer au moyen d'un spectro-ellipsomètre (20, 21, 26) les paramètres ellipsométriques (tan psi, cos delta) d'un film de résine organique (32, 12, 13) présent à la surface d'une plaquette (30) ayant reçu un bombardement ionique, le film de résine comportant au moins une couche supérieure (13) de résine carbonisée ou endommagée.

Description

MÉTHODE DE CARACTÉRISATION D'UN PROCESSUS D'IMPLANTATION
IONIQUE
La présente invention concerne la fabrication des circuits intégrés et plus particulièrement le contrôle d'un processus d'implantation ionique de plaquettes de silicium.

De façon générale, a fabrication des circuits intégrés repose sur diverses techniques comme la diffusion d'impuretés, la croissance de silicium par épitaxie et l'implantation ionique.

Comme illustré schématiquement par la figure 1, l'implantation ionique est faite au moyen de machines d'implantation 1 permettant d'introduire dans des plaquettes de silicium monocristallin 2, par bombardement ionique, des agents de dopage 3 ou espèces dopantes comme le bore, le phosphore et l'arsenic. Ces agents de dopage 3 modifient les propriétés électriques du silicium semiconducteur et permettent de réaliser des zones dopées 4 de type P ou N. Ces zones dopées 4, de faibles dimensions, sont délimitées pendant l'implantation grâce à un masque en résine organique 5 déposé à la surface des plaquettes de silicium. La combinaison de zones dopées P et N de faibles dimensions permet d'intégrer sur une surface de silicium réduite un grand nombre de composants électroniques élémentaires formant, ensemble, un circuit électronique complexe.

Ces dernières années, l'augmentation de la densité d'intégration et des cadences de fabrication des circuits intégrés est allée de pair avec la nécessité d'un contrôle de plus en plus rigoureux du processus d'implantation ionique. Ainsi, le souci premier des fabricants de circuits intégrés est de détecter rapidement les anomalies et dérives pouvant apparaître dans les machines d'implantation, pour éviter de gaspiller des plaquettes de silicium. En effet, un retard de quelques heures dans la constatation d'une anomalie peut entraîner la perte plusieurs dizaines voire plusieurs centaines de plaquettes de silicium, ce qui représente une somme considérable.

En pratique, les paramètres essentiels à contrôler d'un processus d'implantation ionique sont : l'énergie incidente des ions, exprimée en keV, et la dose, en ions/cm. L'énergie détermine la profondeur de pénétration des ions, de l'ordre de quelques nanomètres à quelques centaines de nanomètres. La dose, exprimée en ions/cm, est le nombre d'ions par unité de surface reçus par une plaquette implantée. La dose dépend de la durée du cycle d'implantation (en général choisi au plus court) et du débit ionique, qui peut être réglé par une mesure du courant ionique.

Bien que les machines d'implantation soient équipées de divers appareillages et instruments de contrôle, l'expérience montre que le bon réglage des paramètres énergie et dose n'est réellement vérifiable qu'avec une analyse du résultat obtenu. Ainsi, on a développé diverses méthodes de contrôle permettant de mesurer les caractéristiques des zones dopées et de corriger si nécessaire les réglages initiaux. Ces méthodes de contrôle nécessitent pour certaines la prévision de plaquettes de test, d'autres s'appliquent directement à des "plaquettes produits", c'est-à-dire des plaquettes de silicium contenant les circuits intégrés en cours de fabrication. Toutefois, à ce jour, aucune de ces méthodes n'est exempte d'inconvénients.

Ainsi, la mesure de la résistivité par unité de surface des zones dopées, au moyen de pointes métalliques, présente l'inconvénient d'être destructive.

Dans le cadre d'une production à grande échelle, cette méthode entraîne un gaspillage de plusieurs dizaines de plaquettes de silicium par semaine. D'autre part, cette méthode ne présente qu'une sensibilité moyenne à l'énergie, et ne permet, en pratique, qu'une vérification de la dose.

Une autre méthode classique, dénommée "SIMS" (Secondary Ion Mass Spectrometry), consiste à analyser les zones dopées par spectrométrie de masse. Cette méthode nécessite l'abrasion préalable des parties à analyser et est par conséquent destructive. Elle est en outre lente à mettre en oeuvre, et demeure réservée aux applications de laboratoire.

Encore une autre méthode, connue sous la dénomination THERMAWAVE , consiste à analyser la température d'une zone dopée excitée par un faisceau laser. Cette méthode nécessite un appareillage complexe et coûteux et ne fait pas l'objet d'un consensus général quant à son caractère non destructif, certains considérant que I'échauffement des zones testées provoque un recuit du silicium.

On connaît également une méthode commercialisée par la société IONSCAN, présentée dans l'article de Jack.J
Cheng et Gary R. Tripp paru dans la revue "Solid State Technology" de novembre 1983. Cette méthode repose sur la constatation selon laquelle les résines organiques des masques d'implantation subissent, en présence d'un bombardement ionique, un phénomène de carbonisation modifiant leurs propriétés optiques. On explique ce phénomène par le fait que le bombardement ionique provoque la scission des chaînes polymères, l'expulsion des espèces H, O, N puis l'évaporation des composants les plus volatiles, les atomes de carbones restant se recristallisant sous forme de graphite. En pratique, cette méthode est mise en oeuvre au moyen d'une plaquette de test comprenant un substrat de verre transparent aux rayonnements ultraviolets revêtu d'un film de résine organique. La plaquette de test est soumise à un cycle d'implantation ionique, et on mesure au moyen d'un appareil de marque IONSCAN les variations de la densité optique de la résine, ce qui donne une information sur la dose et l'énergie.

Cette méthodes présente l'avantage d'être non destructive, la plaquette de test pouvant être recyclée à volonté par retrait de la résine carbonisée et dépôt d'un nouveau film organique. Toutefois, elle n'offre qu'une sensibilité moyenne à la dose et à l'énergie, particulièrement à fortes doses où l'on constate un tassement des fluctuations de la densité optique de la résine en raison d'une carbonisation excessive. Pour fixer les idées, la sensibilité à la dose est de 0.9 pour des doses de phosphore de l'ordre de 1012 ions/cm2 et n'est plus que de 0.1 pour des doses de phosphore de 1015 ions/cm (soit une variation de 10 % de la densité optique pour une variation de 100 % de la dose). Par ailleurs, la plaquette de test en verre n'est pas détectée par les détecteurs optiques des systèmes de chargement automatique des machines d'implantation, de sorte que cette méthode nécessite une intervention manuelle comportant des risques de dégradation des machines d'implantation, notamment en cas de brisement de la plaquette de verre.

Enfin, l'article de Jan Vanhellemont et Philippe
Roussel "Characterization by spectroscopic ellipsometry of bu:cied layer structures in silicon formed by ions beam synthesis", Materials Science and Engineering, B12 (1992) 165-172, propose de caractériser les couches enterrées d'une plaquette de silicium par spectro-ellipsométrie.

L'ellipsométrie, dont les fondements théoriques sont assez anciens, a connu récemment un essor considérable grâce à la mise au point et la commercialisation de spectro-ellipsomètres dotés d'un logiciel puissant permettant de calculer l'épaisseur et l'indice de réfraction des couches d'une plaquette multicouche à couches minces à partir d'une mesure large bande des paramètres ellipsométriques cos5 et tanV de la plaquette.

Un tel logiciel exécute un algorithme de régression s'appuyant sur un modèle structurel de plaquette multicouche devant être fourni à la machine. En pratique, l'application de l'ellipsométrie à la caractérisation des couches enterrées d'une plaquette de silicium pour le contrôle d'un processus industriel se heurte à la nécessité d'élaborer un modèle structurel de la plaquette. Un tel modèle structurel est d'une complexité rédhibitoire en raison des diverses couches enterrées que peut comporter un circuit intégré.

En définitive, les méthodes classiques utilisées dans l'industrie1 ainsi que celles au stade expérimental, présentent tout ou partie des inconvénients qui viennent d'être cités, à savoir - d'être inapplicables à des plaquettes produits, - d'être destructives, - de nécessiter des plaquettes de test non recyclables, - de nécessiter des plaquettes de test incompatibles avec les systèmes de chargement automatique des machines d'implantation, - d'offrir une sensibilité moyenne aux paramètres dose et énergie dans une certaine gamme de valeurs, - d'être trop lentes ou d'un coût de mise en oeuvre élevé.

Ainsi, un objectif de la présente invention est de prévoir une méthode de contrôle d'une machine d'implantation ionique qui soit non destructive, qui offre une bonne sensibilité aux deux paramètres essentiels dose et énergie sur une large gamme de valeurs de ces paramètres, et qui puisse être mise en oeuvre au moyen de plaquettes de test recyclables.

La présente invention repose sur l'idée selon laquelle une mesure par spectro-ellipsométrie de l'épaisseur et de l'indice de réfraction d'une résine organique carbonisée pourrait peut-être permettre de caractériser un processus d'implantation ionique. Partant de cette idée, les inventeurs ont défini une structure de plaquette de test et un modèle ellipsométrique d'une telle plaquette de test, ont procédé à divers essais d'évaluation de la méthode, et ont obtenu des résultats allant au-delà de toute attente en ce qui concerne la sensibilité de la méthode aux paramètres dose et énergie pour une large gamme de valeurs de ces paramètres.

Ainsi, essentiellement, la présente invention prévoit une méthode de caractérisation d'un processus d'implantation ionique comprenant une étape consistant à mesurer au moyen d'un spectro-ellipsomètre les paramètres ellipsométriques d'un film de résine organique présent à la surface d'une plaquette ayant reçu un bombardement ionique, le film de résine comportant au moins une couche supérieure de résine carbonisée ou endommagée.

Selon un mode de réalisation, on mesure l'épaisseur de la couche de résine carbonisée ou endommagée d'une plaquette de test ou d'une zone de test d'une plaquette produit, et on compare l'épaisseur mesurée à une épaisses de référence.

Selon un mode de réalisation, on mesure l'indice de réfraction de la couche de résine carbonisée ou endommagée d'une plaquette de test ou d'une zone de test d'une plaquette produit, et on compare l'indice mesuré à un indice de référence.

Avantageusement, on détermine l'épaisseur ou l'indice de la couche de résine carbonisée ou endommagée de la plaquette de test ou de la zone de test à partir d'un modèle de référence de plaquette de test ou de zone de test comportant : 1) une couche supérieure de résine endommagée ou carbonisée, d'épaisseur et d'indice de réfraction de référence, 2) une couche inférieure de résine intacte, d'épaisseur et d'indice de réfraction déterminés, et 3) un substrat d'épaisseur et d'indice de réfraction déterminés.

Avantageusement, on prévoit un modèle de référence comportant une couche supérieure de résine carbonisée pour des doses implantées supérieures à un seuil de carbonisation de la résine, ou un modèle de référence comportant une couche supérieure de résine endommagée pour des doses implantées inférieures à un seuil de carbonisation de la résine. Dans ce dernier cas, l'indice de réfraction de la couche supérieure de résine endommagée du modèle de référence peut être déterminé par la somme pondérée de l'indice de réfraction d'une résine intacte et de l'indice de réfraction d'une resine carbonisée.

Selon un mode de réalisation, la plaquette de test ou la zone de test comprend un substrat en silicium monocristallin.

En pratique, la présente invention peut être appliquée au contrôle ou au réglage de la dose d'ions délivrée par une machine d'implantation ionique, ou au contrôle ou au réglage de l'énergie d'implantation des ions.

Selon un mode de réalisation particulièrement simple, la méthode selon l'invention est appliquée au contrôle d'une plaquette de silicium susceptible de présenter un défaut d'implantation, et comprend les étapes consistant à : mesurer dans une large bande de longueurs d'onde du faisceau lumineux incident du spectro-ellipsomètre les paramètres ellipsométriques d'un film de résine organique présent à la surface d'une plaquette de silicium de référence ; mesurer dans la large bande de longueurs d'onde les paramètres ellipsométriques d'un film de résine organique présent à la surface de la plaquette de silicium douteuse comparer les deux mesures, la plaquette de silicium douteuse étant considérée comme présentant effectivement un défaut d'implantation s'il existe au moins une sousbande de longueurs d'onde dans laquelle au moins l'un des paramètres ellipsométriques de la plaquette douteuse diverge sensiblement du paramètre correspondant de la plaquette de référence.

De préférence, la comparaison des deux mesures porte sur le paramètre ellipsométrique tan6.

Selon un mode de réalisation, l'invention est appliquée au tri d'un lot de plaquettes produits après apparition d'un dysfonctionnement dans une machine d'implantation.

Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés plus en détail dans la description suivante de la méthode selon l'invention et d'exemples de résultats expérimentaux, en relation avec les figures jointes parmi lesquelles - la figure 1 précédemment décrite représente de façon schématique un processus d'implantation ionique d'une plaquette de silicium, - la figure 2 représente de façon schématique un banc de contrôle selon l'invention, - la figure 3 représente des courbes donnant l'épaisseur d'une couche de résine organique carbonisée ou endommagée en fonction de l'énergie d'implantation, - la figure 4 représente des courbes donnant l'épaisseur d'une couche de résine organique carbonisée ou endommagée en fonction de la dose implantée, - les figures 5A, 5B, 6A, 6B, 7A, 7B représentent des courbes de paramètres ellipsométriques de plaquettes de silicium de référence et des courbes de paramètres ellipsométriques de plaquettes de silicium présentant un défaut d'implantation ionique.

Principe général de l'invention
De façon générale, la présente invention propose de mesurer au moyen d'un spectro-ellipsomètre les propriétés optiques d'un film de résine organique carbonisée ou simplement endommagé par un bombardement ionique, afin de caractériser un processus d'implantation ionique et modifier si nécessaire les réglages d'une machine d'implantation. Dans un souci de clarté de l'exposé, la description ci-après sera organisée selon les paragraphes suivants 1) rappels concernant la spectro-ellipsométrie 2) application à la caractérisation d'une résine organique carbonisée ou endommagée 3) évaluation et étalonnage de la méthode selon l'invention 4) application de la méthode selon l'invention au réglage et/au contrôle d'un processus d'implantation ionique 5) avantages de la méthode selon l'invention 6) perspectives offertes par la méthode selon l'invention 7) application de l'invention au contrôle de plaquettes produits ou au tri de plaquettes douteuses.

Rappels concernant la spectro-ellipsométrie
La figure 2 représente schématiquement la structure d'un spectro-ellipsomètre 20 de type classique.

L'appareil 20 comprend une partie instrumentation 21 et une unité de calcul 26. La partie instrumentation 21 comprend une source de lumière 22, un analyseur 23, un télescope d'alignement 24 et un spectromètre 25 couplé à l'analyseur 23. La source 22 délivre un faisceau incident de lumière polychromatique polarisé rectiligne, appliqué avec un angle d'attaque Vs sur une plaquette 30 comportant une pluralité de couches parallè]es superposées li dont les caractéristiques optiques doivent être déterminées. Le rayon réfléchi par la plaquette 30, polarisé elliptiquement, est reçu par l'analyseur 23. Le spectromètre 25 délivre les paramètres ellipsométriques classiques tanv et cos8 du rayon réfléchi pour diverses longueurs d'onde # du faisceau incident, et les envoie à l'unité de calcul 26. Pour mémoire, ces paramètres obéissent à la relation (1) ci-après, exprimée dans le plan des nombres complexes et applicable aux matériaux isotropes
(1) tanV exp (i6) = l'angle V étant fonction du module de l'onde réfléchie et l'angle 6 fonction du déphasage des deux composantes du champ électrique de l'onde réfléchie, rp et rS étant les coefficients de réflexion complexes du faisceau incident sur la plaquette 30.

L'unité de calcul 26 comprend un logiciel exécutant un algorithme de régression dont les fonctions sont représentées symboliquement par trois blocs 27, 28, 29.

Cet algorithme permet de définir par approximations successives les épaisseurs ei et les indices de réfraction complexes ni de chacune des couches li de la plaquette 30 à étudier. On fournit tout d'abord au bloc 27 les épaisseurs ei et les indices ni estimés des diverses couches li, l'ensemble formant un modèle structurel de la plaquette 30. Le bloc 28 calcule les paramètres ellipsométriques théoriques tan#m et cossm du modèle sur une large gamme de longueurs d'onde X, à partir des données ei et ni. Le bloc 29 compare les paramètres théoriques tanvm, cosAm aux paramètres réels tant, cosb mesurés par la partie instrumentation 21 et délivre un signal d'erreur sb sur l'angle 6 et un signal d'erreur EW sur l'angle V A partir de ces signaux d'erreur, le bloc 27 détermine de nouvelles valeurs d'épaisseur ei et d'indices ni. L'opération est réitérée jusqu'à ce que la courbe des paramètres théoriques tanwm, cossu correspondent sensiblement, et de préférence exactement, à la courbe des paramètres mesurés tant, cosy.

Application à la caractérisation d'une résine organique carbonisée ou endommagée
Selon l'invention, on propose d'utiliser le spectro-ellipsomètre qui vient d'être décrit pour analyser une plaquette de test 30 comprenant un substrat 31 revêtu d'un film de résine organique 32 ayant été soumis à un cycle d'implantation ionique.

Comme on l'a vu ci-dessus, une telle analyse n'est possible qu'en référence à un modèle qui doit être fourni à l'unité de calcul 26, conjointement à une mesure concrète des paramètres ellipsométriques tanw et cos8 de la plaquette de test 30. Ainsi, selon l'invention, on choisit tout d'abord un modèle de plaquette de test comportant 1) une couche inférieure li formée par le substrat 31, d'épaisseur el et d'indice de réfraction nl, 2) une couche intermédiaire 12 de résine organique intacte, d'épaisseur e2 et d'indice de réfraction n2, 3) une couche supérieure 13 de résine organique carbonisée ou endommagée, d'épaisseur e3 et d'indice de réfraction n3 (voir figure 2, bloc 27).

De préférence, on considère que la couche supérieure 13 est formée de résine carbonisée ou de résine endommagée selon que la dose D est supérieure ou inférieure à un seuil Dmin. Il est connu que ce seuil est généralement de 1014 ions/cm2. Dans le cas où la couche supérieure est simplement endommagée, la valeur initiale de l'indice n3 devant être fournie à l'unité de calcul 26 peut être choisie en faisant la somme pondérée de l'indice de la résine carbonisée et de l'indice de la résine intacte. Les coefficients de pondération sont choisis arbitrairement dans un premier temps, puis seront affinés par l'unité de calcul 26.

On réalise ensuite des plaquettes de test à partir d'un substrat 31 en silicium monocristallin d'une épaisseur de quelques dixièmes de millimètres, sur lequel on dépose un film 32 de résine organique, par exemple d'une épaisseur de l'ordre de 1,1 micromètres. Ces plaquettes de test vont être utilisées dans un premier temps pour évaluer la méthode selon l'invention puis, dans un second temps, pour régler ou contrôler des machines d'implantation.

Evaluation et étalonnage de la méthode selon l'invention
Cette étape préliminaire est essentielle en pratique pour paramétrer la méthode, et a par ailleurs permis de vérifier qu'une mesure de l'épaisseur de la couche carbonisée ou endommagée d'un film de résine organique donne une information sur les paramètres énergie et dose susceptible d'être exploitée industriellement pour le contrôle ou le réglage des machines d'implantation.

Cette étape consiste à déterminer, pour plusieurs couples de valeurs des paramètres énergie E et dose D, l'épaisseur de la couche 13 de résine carbonisée ou endommagée, en s'appuyant sur des plaquettes de test de référence ayant subi des cycles d'implantation ionique dans une machine d'implantation bien réglée. Le tableau 1 ci-après décrit en relation avec la figure 2 les diverses étapes permettant d'obtenir, pour un couple de valeurs E et D, trois valeurs d'épaisseurs eîr, e2r e3r et trois valeurs d'indices de réfraction nir n2rw n3r définissant un modèle de plaquette de test de référence. Les étapes décrites dans le tableau 1 sont répétées pour plusieurs couples de valeurs E, D jusqu'à l'obtention d'un ensemble de modèles de plaquettes de test de référence, à partir desquels on peut tracer des courbes du type représenté sur les figures 3 et 4.

Tableau 1 : caractérisation d'un modèle de plaquette test

<tb> <SEP> Étapes <SEP> préparatoires <SEP> Étapes <SEP> de <SEP> caractérisation <SEP> du
<tb> <SEP> modèle
<tb> <SEP> étape <SEP> 1.1 <SEP> étape <SEP> 1.4
<tb> <SEP> Choix <SEP> de <SEP> E <SEP> (énergie, <SEP> en <SEP> keV) <SEP> Mesure <SEP> des <SEP> paramètres <SEP> tan# <SEP> <SEP> cos#
<tb> <SEP> Choix <SEP> de <SEP> D <SEP> (dose, <SEP> en <SEP> ions/cm) <SEP> de <SEP> la <SEP> plaquette <SEP> de <SEP> test <SEP> de
<tb> <SEP> référence
<tb> <SEP> étape <SEP> 1.2 <SEP> étape <SEP> 1.5
<tb> <SEP> Choix <SEP> d'un <SEP> modèle <SEP> structurel <SEP> Calcul <SEP> des <SEP> paramètres
<tb> initial <SEP> de <SEP> plaquette <SEP> de <SEP> test <SEP> ayant <SEP> théoriques
<tb> <SEP> un <SEP> substrat <SEP> et <SEP> un <SEP> film <SEP> de <SEP> résine <SEP> tan#m <SEP> <SEP> et <SEP> cos#m
<tb> organique <SEP> comprenant <SEP> une <SEP> couche <SEP> de <SEP> du <SEP> modèle
<tb> résine <SEP> carbonisée <SEP> ou <SEP> endommagée <SEP> et <SEP> (bloc <SEP> 28)
<tb> <SEP> une <SEP> couche <SEP> de <SEP> résine <SEP> intacte
<tb> <SEP> étape <SEP> 1.@ <SEP> <SEP> étape <SEP> 1.6
<tb> <SEP> Fournir <SEP> à <SEP> l'unité <SEP> de <SEP> calcul <SEP> 26 <SEP> Calcul <SEP> des <SEP> erreurs <SEP> e <SEP> (#) <SEP> <SEP> et <SEP> e <SEP> (#)
<tb> <SEP> (bloc <SEP> 27) <SEP> des <SEP> valeurs <SEP> initiales <SEP> entre <SEP> les <SEP> paramètres <SEP> tan#m <SEP> <SEP> cos#m
<tb> <SEP> d'épaisseurs <SEP> e1, <SEP> e2 <SEP> e3 <SEP> et <SEP> du <SEP> modèle <SEP> et <SEP> les <SEP> paramètres
<tb> <SEP> d'indices <SEP> n1, <SEP> n2, <SEP> n3 <SEP> du <SEP> modèle <SEP> mesurés <SEP> tan# <SEP> <SEP> cos#
<tb> <SEP> initial <SEP> de <SEP> la <SEP> plaquette <SEP> de <SEP> test <SEP> de
<tb> <SEP> référence <SEP> (bloc <SEP> 29)
<tb> <SEP> étape <SEP> 1.3 <SEP> étape <SEP> 1.7
<tb> <SEP> Appliquer <SEP> un <SEP> cycle <SEP> d'implantation <SEP> Correction <SEP> du <SEP> modèle <SEP> de
<tb> ionique <SEP> à <SEP> une <SEP> plaquette <SEP> de <SEP> test <SEP> au <SEP> plaquette <SEP> de <SEP> test <SEP> (bloc <SEP> 27)
<tb> moyen <SEP> d'une <SEP> machine <SEP> d'implantation
<tb> de <SEP> référence <SEP> pour <SEP> les <SEP> valeurs <SEP> de <SEP> E <SEP> répétition <SEP> des <SEP> étapes <SEP> 1.5 <SEP> à <SEP> 1.7
<tb> <SEP> et <SEP> de <SEP> D <SEP> choisies <SEP> (itération)
<tb>
étape 1.8
Obtention d'un modèle définitif de plaquette de test de référence
épaisseurs e1r, e2r e3r, indices : nir n2r, n3r
tels que cosys, = cos# et tant, = tanW
Pour fixer les idées, les figures 3 et 4 illustrent schématiquement des résultats d'évaluation de la méthode pour une implantation au bore, réalisés au moyen d'une résine organique de type HIPR6512 commercialisée par la société OLIN et d'un spectro-ellipsomètre de marque
SOPRA. On trouve sur la figure 3 des courbes 40, 41, 42 donnant l'épaisseur e3 de résine carbonisée en fonction de la dose D, pour des énergies d'implantation de 30, 35 et 40 keV respectivement. Ces courbes ont un profil régulier et proportionnel qui montre que l'épaisseur de résine carbonisée calculée par spectro-ellipsométrie est un paramètre fiable pour évaluer la dose D. Par ailleurs, la figure 4 représente des courbes 43, 44, 45, 46 donnant l'épaisseur e3 de résine carbonisée en fonction de l'énergie E, pour des doses de 1015, 1,25 1015 1,5 1015 15 et 2 1015 ions/cm2 respectivement. Le profil régulier et proportionnel de ces courbes montre que l'épaisseur de résine carbonisée est. également un paramètre fiable pour contrôler l'énergie d'implantation ionique E.

Bien entendu, les valeurs numériques données par les figures 3 et 4 ne sont pas absolues et dépendent du modèle structurel retenu, qui est susceptible de diverses variantes. Ainsi, par exemple, pour des doses supérieures à 1014 ions/cm2, on pourrait choisir un modèle à quatre couches comprenant : le substrat 31, une couche profonde de résine non endommagée, une couche intermédiaire de résine endommagée et une couche supérieure de résine carbonisée. Avec un tel modèle, les valeurs calculées de ltépaisseur de la couche carbonisée seraient différentes.

Toutefois, le modèle à trois couches choisi par la demanderesse semble pleinement satisfaisant en ce qu'il a permis, après plusieurs itérations, de faire coïncider les paramètres ellipsométriques théoriques tant,, cor6, du modèle avec les paramètres mesurés tant, cos6, sur toute la plage des longueurs d'onde x offertes par le spectro-ellipsomètre.

Enfin, le choix d'un substrat 31 en silicium monocristallin n'est également pas impératif. Le substrat pourrait par exemple être en céramique et revêtu d'une fine couche de métallisation permettant de réfléchir le faisceau de lumière polarisée. Le dépôt d'une métallisation est également envisageable sur un substrat de silicium.

Applcation de la méthode selon l'invention au réglage et/au contrôle d'un processus d'implantation ionique
La méthode étant évaluée et étalonnée pour diverses espèces dopantes et divers couples énergie/dose, on va maintenant pouvoir l'appliquer au réglage ou au contrôle d'une machine d'implantation. Rappelons ici que le réglage d'une machine d'implantation est nécessaire au démarrage de la fabrication d'un nouveau lot de plaquettes produits, lorsque les paramètres E et D sont modifiés. Une fois réglée, la machine doit être contrôlée régulièrement afin de détecter une éventuelle dérive de ces paramètres.

On utilise maintenant une ou plusieurs plaquettes de test de même structure que les plaquettes de test de référence, auxquelles on applique un cycle d'implantation ionique. En pratique, la durée du cycle d'implantation ne représente que quelques minutes. De plus, les plaquettes de test sont recyclables car la résine organique carbonisée peut être retirée au moyen d'un solvant, d'un acide ou d'une machine de gravure à plasma. La méthode est donc rapide et peu coûteuse.

Le tableau 2 ci-après résume les diverses étapes de la méthode, jusqu'à la détermination de l'épaisseur e3t de la couche de résine carbonisée. Ici, on ne définit pas un nouveau modèle de plaquette mais on fournit à l'unité de calcul 26 les épaisseurs eîr, e2rl e3r et indices noir,
n2r, n3r des couches l1, 12, 13 du modèle de plaquette de
test de référence le plus proche, choisi en fonction des paramètres E et D à régler ou à contrôler. L'épaisseur e1r du substrat 31 est considérée comme infinie et les indices n1r du substrat et n2r de la résine intacte sont considérés comme invariants. L'unité de calcul 26 fait évoluer par itération les paramètres n3r, e2rl e3r à partir d'une mesure concrète des paramètres ellipsométriques tan#t, <RTI ID=
Par ailleurs, on voit dans le tableau 2 que deux variantes de réalisation peuvent être prévues. Selon la variante 1, on calcule à la fois l'épaisseur e3t et l'indice n3t de la couche de résine carbonisée de la plaquette de test. Selon la variante 2, on considère que l'indice n3t est constant et on détermine seulement l'épaisseur e3t. L'épaisseur mesurée est dans ce cas une "pseudo-épaisseur" mais cette approximation peut s'avérer suffisante pour détecter une dérive du processus c'implantation ionique ou pour obtenir le réglage recherché. Une fois l'épaisseur ou la pseudo-épaisseur e3t déterminée, on la compare à la valeur de référence e3r (on peut aussi se reporter aux courbes d'étalonnage) pour estimer les corrections à apporter aux réglages de l'énergie E ou de la dose D. On peut également travailler à partir de l'indice n3t, et le comparer à l'indice de référence n3r-
Avantages de la méthode selon l'invention
Dans un premier temps, et pour des raisons pratiques, la demanderesse a procédé à l'évaluation de la méthode avec un spectro-ellipsomètre de référence SOPRA
OMA ne permettant qu'une mesure de la pseudo-épaisseur e3t de résine carbonisée. Plus récemment, des essais d'évaluation ont été conduits avec un spectroellipsomètre de référence SOPRA-SCANNING, plus évolué, permettant à la fois une mesure de l'épaisseur e3t et de l'indice n3t de la résine carbonisée. Le tableau comparatif 3 ci-après résume les résultats obtenus en termes de sensibilité à la dose et compare la méthode selon l'invention à deux autres méthodes classiques. On voit que l'on obtient avec un spectro-ellipsomètre de qualité une excellente sensibilité aux faibles doses, et en moyenne une bonne sensibilité sur une large gamme de valeurs de la dose. De plus, la méthode selon l'invention n'est pas destructive et peut être mise en oeuvre au moyen de plaquettes de test recyclables.

Tableau 3 : sensibilité moyenne à la dose

<tb> <SEP> Méthode <SEP> Espèces <SEP> Sensibilité <SEP> Sensibilité
<tb> <SEP> dopantes <SEP> (doses <SEP> de <SEP> 1012 <SEP> à <SEP> (doses <SEP> de
<tb> <SEP> 1013 <SEP> ions/cm2) <SEP> 1015 <SEP> ions/cm2)
<tb> résistivité <SEP> Bore <SEP> 0.6 <SEP> 0.9
<tb> par <SEP> carré <SEP> Phosphore <SEP> 0.7 <SEP> 0.8
<tb> <SEP> méthode <SEP> Bore <SEP> 0.9 <SEP> 0.4
<tb> <SEP> IONSCANR <SEP> Phosphore <SEP> 0.9 <SEP> 0.1
<tb> <SEP> SOPRA <SEP> Bore <SEP> 0.7 <SEP> 0.4
<tb> <SEP> OMA <SEP> Phosphore <SEP> 0.7 <SEP> 0.3
<tb> <SEP> SOPRA <SEP> Bore <SEP> 1.6 <SEP> -*
<tb> SCANNING <SEP> Phosphore <SEP> 4.5 <SEP> -*
<tb> (* non déterminé)
Perspectives offertes par la méthode selon l'invention
De façon générale, et en l'état actuel de ses connaissances et expérimentations, la demanderesse considère que la méthode de l'invention est un moyen potentiellement puissant pour contrôler un processus d'implantation ionique, peu coûteux, rapide et couvrant à lui seul toutes les mesures que l'on fait habituellement au moyen de deux ou trois méthodes classiques. De plus, la possibilité de déterminer à la fois l'épaisseur e3t et l'indice n3t de la couche de résine carbonisée ou endommagée d'une plaquette de test permet d'évaluer séparément les deux paramètres dose et énergie. En effet, les expérimentations ont montré qu'une variation de la dose agit essentiellement sur l'indice n3t alors qu'une variation de l'énergie agit essentiellement sur l'épaisseur e3t (dans la mesure où l'on ne se limite pas à une évaluation de la pseudo-épaisseur) de telle sorte que le cumul des deux mesures peut permettre de contrôler distinctement les paramètres énergie et dose. Il convient de noter ici que la demanderesse considère qu'un contrôle de l'énergie vise plutôt à détecter une dispersion anormale de l'énergie incidente des ions, qui devrait se répercuter sur l'épaisseur ou l'indice de la couche de résine carbonisée ou endommagée, que l'énergie globale d'implantation, qui est généralement bien maîtrisée avec les machines d'implantation actuelles et peu susceptible de fluctuations.

Par ailleurs, un autre paramètre d'un processus d'implantation ionique devant également être surveillé est la neutralisation des charges électriques apportées par le bombardement ionique. Classiquement, la neutralisation des charges électriques est assurée par une douche d'électrons appliquée aux plaquettes de silicium pendant l'implantation. Un dysfonctionnement de la douche d'électrons conduit à une accumulation de charges ("wafer charging") pouvant endommager gravement des composants électroniques réalisés au cours d'étapes précédentes. A ce jour, un dysfonctionnement de la douche d'électrons n'est constaté qu'au stade final de la fabrication, lors du contrôle des caractéristiques électriques des circuits intégrés.

Or, et sous réserve d'études ultérieures, la demanderesse considère qu'une accumulation anormale de charges électriques devrait influencer le processus de carbonisation d'une résine organique et se répercuter sur l'indice n3t de la couche carbonisée. Ainsi, la méthode de l'invention est également susceptible d'être utilisée pour détecter une accumulation anormale de charges électriques pendant le bombardement ionique.

Application de l'invention au contrôle de plaquettes produits ou au tri de plaquettes douteuses
Outre le contrôle et le réglage d'une machine d'implantation ionique, la présente invention est également applicable au contrôle de plaquettes produits en cours de fabrication. Dans ce cas, une zone de test de faible surface est prévue sur les plaquettes produits. La zone de test a de préférence la même structure que la plaquette de test décrite plus haut, et est agencée à un endroit dédié des plaquettes produits, par exemple dans une zone de séparation de circuits intégrés fabriqués collectivement. Cette zone de test, dont on a préalablement déterminé le modèle ellipsométrique, permet de vérifier qu'une plaquette produit a subi une implantation ionique satisfaisante. Une telle vérification constitue une alternative ou un complément à l'utilisation de plaquettes de test, et peut par exemple être effectuée pendant la période séparant deux contrôles réalisés au moyen de plaquettes de test. Enfin, comme les plaquettes de test, la zone de test peut être régénérée par retrait de la résine carbonisée et application d'un nouveau film de résine organique.

On va maintenant décrire une application simple et avantageuse de la présente invention, permettant de procéder à un tri de plaquettes de silicium douteuses par une simple mesure comparative de paramètres ellipsométriques.

En pratique, un tel tri s'avère nécessaire lorsqu'un dysfonctionnement d'une machine d'implantation est détecté sans que le moment exact de son apparition ne soit connu. Dans ce cas, on dispose en effet d'un lot de plaquettes douteuses comprenant des plaquettes. "bonnes" et des plaquettes "mauvaises", les plaquettes "mauvaises" étant généralement des plaquettes non implantées en raison du dysfonctionnement.

La présente invention se fonde ici sur la constatation qu'une simple comparaison des paramètres ellipsométriques tanw et cos8 de la résine organique d'un masque d'implantation ionique, faite sur une large bande de longueurs d'onde X, peut permettre de distinguer des plaquettes implantées et non implantées.

A titre d'exemple, les figures 5A et 5B représentent respectivement les courbes 50a à 53a et 50b à 53b des paramètres cosb et tanV d'un lot de plaquettes de silicium douteuses comprenant deux plaquettes implantées au bore à 120 keV et 1,2 1013 ions/cm2 et deux plaquettes non implantées. Les courbes de la figure 5A sont pratiquement confondues et ne permettent pas de distinguer les plaquettes non implantées des plaquettes implantées. Par contre, sur la figure 5B, il existe une fenêtre hl-h2 de longueurs d'onde dans laquelle les courbes 52b, 53b des plaquettes non implantées se distinguent nettement des courbes 50b, 51b des plaquettes implantées, une telle fenêtre étant suffisante en pratique pour éliminer les plaquettes non implantées (sur les figures, les zones hachurées correspondent à des zones de bruit où la mesure ne permet pas de tracer une courbe lisse et homogène).

Un autre exemple est illustré par les figures 6A, 6B, qui représentent respectivement les courbes 60a à 63a et 60b à 63b des paramètres coso et tant d'un lot de plaquettes douteuses comprenant deux plaquettes implantées au phosphore à 80 keV et 5 1014 ions/cm2 et deux plaquettes non implantées. Ici, sur les deux figures 6A, 6B, les courbes 62 et 63 des plaquettes non implantées se distinguent nettement des courbes 60 et 61 des plaquettes implantées.

Comme autre exemple, les figures 7A, 7B représentent respectivement les courbes 70a à 73a et 70b à 73b des paramètres cos8 et tanw d'un lot de plaquettes douteuses comprenant deux plaquettes implantées avec une faible dose de phosphore de 8 1012 ions/cm2 et une énergie 160 keV, et deux plaquettes non implantées. Bien que ces diverses courbes soient pratiquement confondues en raison de la faible dose implantée, on voit néanmoins en figure 7B qu'il subsiste une fenêtre x 2 dans laquelle les courbes 72b, 73b des plaquettes non implantées se distinguent des courbes 70b, 71b des plaquettes implantées.

Il apparaît donc qu'une simple mesure comparative des paramètres ellipsométriques cos8 et tanV des masques d'implantation en résine organique, faite sur une gamme de longueurs d'onde allant sensiblement de l'infrarouge à l'ultraviolet, permet de trieur des plaquettes de silicium douteuses en référence à une plaquette de silicium réputée bonne. La méthode est simple, directe, ne nécessite pas d'étalonnage préalable ni l'élaboration d'un modèle structurel. De plus, la méthode étant purement comparative, la prévision d'une zone de test n'est pas indispensable. Il est bien évident toutefois que les paramètres ellipsométriques doivent être mesurés en un même point des plaquettes produits. Enfin, et contre toute attente, les exemples ci-dessus montrent que cette méthode est applicable à des plaquettes implantées à faible dose. En définitive, cet aspect de l'invention permet, au stade de la production, de récupérer dans un lot de plaquettes douteuses destiné à la destruction des plaquettes viables ayant été implantées avant l'apparition d'un dysfonctionnement. Cette méthode a déjà permis à la demanderesse de sauver des dizaines de plaquettes produits et de réaliser des économies substantielles sur la fabrication de ses circuits intégrés. De façon générale, cette méthode est applicable au tri de plaquettes produits présentant des défauts d'implantation, dans la mesure où de tels défauts se répercutent sur les paramètres ellipsométriques.

Claims

i. Méthode de caractérisation d'un processus d'implantation ionique, comprenant une étape consistant à mesurer au moyen d'un spectro-ellipsomètre (20, 21, 26) les paramètres ellipsométriques (tant, cos6) d'un film de résine organique (32, 12, 13) présent à la surface d'une plaquette (30) ayant reçu un bombardement ionique, le film de résine comportant au moins une couche supérieure (13) de résine carbonisée ou endommagée.

REVENDICATIONS
2. Méthode selon la revendication 1, dans laquelle on mesure l'épaisseur (e3t) de la couche de résine carbonisée ou endommagée (13) d'une plaquette de test ou d'une zone de test d'une plaquette produit, et on compare l'épaisseur mesurée à une épaisseur de référence (e3r).
3. Méthode selon l'une des revendications 1 et 2, dans laquelle on mesure l'indice de réfraction (n3t) de la couche de résine carbonisée ou endommagée (13) d'une plaquette de test ou d'une zone de test d'une plaquette produit, et on compare l'indice mesuré à un indice de référence (n3r).
4. Méthode selon l'une des revendications 2 ou 3, dans laquelle on détermine l'épaisseur (e3t) ou l'indice (n3t) de la couche de résine carbonisée ou endommagée de la plaquette de test ou de la zone de test à partir d'un modèle de référence de plaquette de test ou de zone de test comportant 1) une couche supérieure de résine endommagée ou carbonisée, d'épaisseur (e3r) et d'indice de réfraction (n3r) de référence, 2) une couche inférieure de résine intacte, d'épaisseur (ex,) et d'indice de réfraction (nu,) déterminés, et 3) un substrat (31) d'épaisseur (e1r) et d'indice de réfraction (noir) déterminés.
5. Méthode selon la revendication 4 dans laquelle, pour des doses implantées supérieures à un seuil (Dmin) de carbonisation de la résine, on prévoit un modèle de référence comportant une couche supérieure (13) de résine carbonisée.
6. Méthode selon la revendication 4 dans laquelle, pour des doses implantées inférieures à un seuil (Dmin) de carbonisation de la résine, on prévoit un modèle de référence comportant une couche supérieure (13) de résine endommagée.
7. Méthode selon la revendication 6, dans laquelle l'indice de réfraction (n3r) de la couche supérieure de résine endommagée du modèle de référence est déterminé par la somme pondérée de l'indice de réfraction d'une résine intacte et de l'indice de réfraction d'une résine carbonisée.
8. Méthode selon l'une des revendications 2 à 7, dans laquelle la plaquette de test ou la zone de test comprend un substrat (31) en silicium monocristallin.
9. Méthode selon l'une des revendications 1 à 8, appliquée au contrôle ou au réglage de la dose d'ions délivrée par une machine d'implantation ionique.
10. Méthode selon l'une des revendications 1 à 9, appliquée au contrôle ou au réglage de l'énergie d'implantation des ions.
11. Méthode selon la revendication 1, appliquée au contrôle d'une plaquette de silicium susceptible de présenter un défaut d'implantation, comprenant les étapes consistant à - mesurer dans une large bande de longueurs d'onde du faisceau lumineux incident du spectro-ellipsomètre les paramètres ellipsométriques (tan, cos6) d'un film de résine organique présent à la surface d'une plaquette de silicium de référence, - mesurer dans la large bande de longueurs d'onde les paramètres ellipsométriques (tant, cos6) d'un film de résine organique présent à la surface de la plaquette de silicium douteuse, - comparer les deux mesures, la plaquette de silicium douteuse étant considérée comme présentant effectivement un défaut d'implantation s'il existe au moins une sousbande de longueurs d'onde (Xl, 2) dans laquelle au moins l'un des paramètres ellipsométriques de la plaquette douteuse diverge sensiblement du paramètre correspondant de la plaquette de référence.
12. Méthode selon la revendication 11, dans laquelle la comparaison des deux mesures porte sur le paramètre ellipsométrique tan6.
13. Méthode selon l'une des revendications 11 et 12, appliquée au tri d'un lot de plaquettes produits après apparition d'un dysfonctionnement dans une machine d'implantation.