PROCEDE DE CONTROLE DE L'UNIFORMITE DE TRAITEMENT D'UNE
SURFACE PAR UN FAISCEAU DE PARTICULES
ET EQUIPEMENT DE MISE EN OEUVRE.
L'invention concerne un procédé de contrôle de l'uniformité d'un traitement de surface par un faisceau de particules, de type implantation ionique, ainsi qu'un équipement permettant de mettre en œuvre un tel procédé
Par exemple, les traitements de surface de substrat, de type tranche de matériau semi-conducteur, par projection de faisceaux d'ions muiticharges peuvent intervenir dans de nombreuses applications, notamment pour former une couche d'oxyde de grille, pour nettoyer et préparer une surface, pour insoler un réticule et graver au moins une couche diélectrique en vue de réaliser des micromotifs de circuits intégrés, ou pour former des nano-points d'oxyde de silicium par insolation par « flash » d'ions muiticharges, afin de former des composants à effet quantique
Les ions utilisés sont par exemple produits par une source à Résonance Cyclotronique Electronique (en abrégé ECR) Ce sont des ions d'Argon ou d'autres gaz inertes ou tout type d'ions reactifs, comme des ions d'oxygène ou d'azote De tels traitements nécessitent une uniformité rigoureuse de l'interaction des particules sur la surface de la tranche pour obtenir une qualité de résultat optimale Le défaut d'uniformité actuellement acceptable en micro- électronique est généralement compris entre 1 % et 5% à 2 sigmas, qui représente le rapport égal à deux fois l'ecart-type de la distribution du paramètre qui doit être uniforme, divisé par l'amplitude de cette distribution La plupart des procèdes existants fournissent globalement un tel niveau de résultat Cependant, l'évolution de la micro-électronique vers des systèmes bien plus miniaturisés impose la recherche d'un faible défaut d'uniformité avec une précision de l'ordre du micromètre En pratique, sur une ligne de production, des tests sont effectues en cours de production en choisissant des échantillons de façon
aléatoire, mais ces tests sont souvent destructeurs Par exemple, dans le cas de formation de nano-points ou de micromotifs, il faudrait utiliser la microscopie électronique (ou la Microscopie à Force Atomique (en abrégé AFM) ou encore la Microscopie à Effet Tunnel (en abrégé STM)) pour mesurer la distribution des nano-points d'oxyde formé par les ions sur le substrat ou l'uniformité de la profondeur des tranchées gravées dans les diélectriques De même, il faudrait effectuer une coupe du substrat pour mesurer (par Microscopie Electronique en mode Transmission) l'uniformité d'une couche d'oxyde formée Toutes ces mesures sont longues et destructrices et ne permettent pas d'ajuster le traitement en temps réel en cas de détection de défaut d'uniformité
Afin d'obtenir une mesure d'uniformité non destructrice et immédiatement exploitable, l'invention propose d'effectuer un contrôle in situ du nombre de particules incidentes par unité de surface, pendant toute la période du traitement, en mesurant localement l'émission de photons provoquée par l'interaction de particules avec la surface
Plus précisément, l'invention a pour objet un procédé de contrôle de l'uniformité de traitement de surface d'un substrat par faisceau de particules, dans lequel une mesure instantanée du nombre de photons émis par l'interaction du faisceau de particules sur la surface est effectuée en liaison avec une détection par imagerie de l'émission photonique en chaque zone élémentaire de la surface définie à partir de la résolution de l'image formée, pendant toute la durée du traitement, une variation de cette mesure étant ensuite déterminée en fonction de la position des zones d'émission, afin de déterminer une moyenne de la distribution spatiale d'intensité d'émission et de mesurer un défaut d'uniformité de traitement proportionnellement à l'écart à cette moyenne
La détection instantanée de défauts présente, dans certaines situations, un avantage décisif du fait qu'il n'est pas toujours possible de détecter une anomalie avant que la puce ne soit terminée Or il peut s'écouler plusieurs mois entre l'étape de fabrication défectueuse et la sortie du produit
Cela signifie qu'en l'absence de mesures in situ, plusieurs mois de production peuvent être perdus avant que le système de traitement de surface ne soit réparé
Un tel contrôle permet de rendre compte de l'uniformité spatiale d'un traitement particulaire qui intervient en tout point de la surface du substrat, par exemple l'épaisseur de couche d'oxyde formée ou de diélectrique gravé, la densité des nano-points ou l'insolation du réticule
Selon un mode de réalisation particulier, le procédé comporte une étape de réglage ou d'arrêt du traitement lorsque le défaut d'uniformité est supérieur à une valeur critique prédéterminée
Dans un autre mode de réalisation, le procédé comporte une étape de mesure de l'énergie des photons détectés localement et, en option, du nombre de photons émis à au moins un niveau d'énergie donné, afin de suivre l'état d'avancement du traitement, et d'ajuster ou arrêter le traitement lorsque cette énergie ou ce nombre varie au-delà d'un écart prédéterminé sur une période de temps donnée Une telle variation traduit en effet un changement d'état de la surface, par exemple la fin de la gravure d'une couche superficielle de diélectrique dans le cas de la formation de micromotifs Par exemple, dans la gravure d'une couche de SιO2 sur un substrat de silicium, les photons émis lors de l'interaction des ions avec le SιO2 n'ont pas la même énergie que les photons émis lors de l'interaction avec le silicium II est donc possible de décider de n'arrêter la gravure que lorsqu'il n'y a plus aucun photon détecté dont l'énergie correspond à une interaction avec le SιO2, soit lorsque tout le SιO2 a été enlevé Cela évite de piloter la gravure "en aveugle"
Selon d'autres modes de réalisation particuliers - la mesure de l'uniformité du traitement du substrat est enregistrée pour tracer l'historique des paramètres des applications successives subis par chaque tranche passant sur la ligne de production , un tel enregistrement permet de contrôler la qualité de la production ,
- une analyse de la distribution spatiale de l'intensité émise détermine un défaut d'uniformité local et une modulation de balayage correspondante du faisceau de particules afin de corriger ce défaut ; cette analyse s'applique plus particulièrement dans le cas de gravure ou d'insolation de réticule ;
- des moyens de sélection de particules asservis à l'analyse précédente permet de corriger également le défaut d'uniformité ; une sélection fine des particules en vitesse et en direction peut en effet être réalisée par des moyens de filtrage ; les moyens de collimation sont constitués préférentiellement par une série de caches réglables, par exemple des diaphragmes, pour ajuster localement le flux de particules afin de compenser le défaut d'uniformité.
Lorsque le traitement par les particules a été rendu uniforme, le résultat obtenu par le traitement a la même uniformité. On dispose ainsi d'un paramètre significatif, qui est une mesure physique, alors qu'habituellement les paramètres enregistrés sont des paramètres "machine" (temps d'exposition, courant électrique, pression dans l'enceinte, pression partielle de certains contaminants, ...).
L'invention se rapporte également à un équipement de contrôle pour mettre en œuvre ce procédé. Un tel équipement peut comporter comme détecteur de photons au moins une caméra numérique ou appareil photonumérique, en particulier une caméra à capteurs à couplage de charges de type CCD (« charge coupled device » en terminologie anglo-saxonne), couplée à une unité de traitement du signal et de gestion des données. D'autres détecteurs de photons peuvent être utilisés, tels que les intensificateurs d'image pour vision nocturne, par exemple par décharge électronique (à chaneltron).
Pour améliorer la sensibilité du détecteur de photons, celui-ci peut être refroidi par divers moyens, tels qu'un dispositif à effet Peltier, c'est- à-dire thermo-électronique, ou une enceinte refroidie par un fluide cryogénique, par exemple de l'azote liquide ou tout fluide de refroidissement.
Un tel détecteur mesure l'intensité et la longueur d'onde de la lumière émise en chaque zone de la surface traitée correspondant à chacun de ses pixels, lorsqu'il est de type couleur Une caméra en noir et blanc ne permet de mesurer que l'intensité lumineuse mais peut présenter, à coût égal, une sensibilité supérieure
Le calibrage du détecteur permet de déterminer le rapport entre l'intensité lumineuse détectée et le nombre de photons reçus Ce rapport permet de déduire le nombre de photons émis dans chaque zone correspondante de la surface traitée L'unité de traitement des données détermine l'évolution de l'intensité des couleurs dominantes, ce qui permet de suivre l'évolution du traitement et d'ajuster ou arrêter ce traitement lorsque ce rapport varie sensiblement.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront ci-après à la lecture d'un mode de réalisation détaillé qui suit, en liaison avec les figures annexées qui représentent, respectivement
- la figure 1 , un schéma d'un exemple d'équipement de mise en œuvre du procédé de contrôle selon l'invention , et
- la figure 2, un diagramme de la courbe de variation 3D de l'intensité d'émission photonique, obtenue lors de la gravure d'un substrat, en fonction de la position de la zone d'émission
Comme illustré en figure 1 , un faisceau F d'ions Ar8+ est dirigé à l'aide d'un système de balayage (non représenté) sur un substrat semiconducteur formé d'une tranche 100 de silicium, comportant une couche superficielle de matériau diélectrique 101 à graver, en SιO2 dans l'exemple de réalisation, sur un substrat de silicium 102 pour réaliser des micromotifs de circuits intégrés Les ions Ar8+, générés par une source d'ions ECR (non représentée), sont d'abord sélectionnés en direction, densité et charge, par des moyens électromagnétiques adaptés et connus de l'homme de l'art, pour former un faisceau homogène et parallèle Ce faisceau est ensuite filtré à travers un masque ou un réticule pour ne conserver que les ions aptes à
former la gravure selon les micromotifs Le faisceau F ainsi filtré est ralenti par un champ électrique avant d'interagir avec la couche superficielle 101
Lorsqu'un ion Ar8+ interagit avec la couche 101 , c'est-à-dire pénètre dans une zone dite de capture électronique située à environ 2 nm au- dessus de la couche, cet ion commence à capturer les électrons du substrat Il y a émission de photons 1 dans cette zone de capture, provenant soit de la couche superficielle, soit de l'ion, soit du système quasi moléculaire formé par l'ion et les atomes de la couche, soit des particules arrachées à la surface Dans l'exemple illustré, l'interaction d'ions Ar8+ avec la couche de SιO2 101 produit des photons bleus
Une caméra à capteurs CCD 103 est placée a une dizaine de centimètres du substrat 100 et mesure, au travers d'une optique adaptée qui embrasse toute la surface du substrat, l'intensité lumineuse proportionnellement au nombre de photons 1 émis dans une bande de fréquences donnée, allant du visible au proche infrarouge C'est une mesure in situ, qui a lieu lors de l'interaction du faisceau d'ions avec le substrat
Le nombre de photons ainsi produit est mesuré, à un coefficient multiplicateur près, par le niveau de signal S obtenu en sortie de la caméra 103 La caméra fournit successivement le niveau de signal d'intensité lumineuse de chaque capteur photosensible formant un pixel d'image, et correspondant à une zone élémentaire de la surface visualisée localisée par ses coordonnées (X, Y) La dimension des zones élémentaires est déterminée par la résolution de la caméra
Le signal est traité par une unité de traitement et de gestion 104 qui commande la caméra, mémorise successivement le niveau du signal
S en fonction de sa localisation, et calcule le nombre de photons correspondant L'unité de gestion est programmée par des logiciels adaptés afin d'automatiser l'ensemble des mesures et des commandes
Comme illustre dans le repère X-Y-Z de la figure 2, les mesures d'intensité permettent d'obtenir la courbe représentative C du défaut d'uniformité en portant, sur l'axe Z, la variation du nombre de photons émis en
fonction de la position de la zone élémentaire d'émission, repérée dans le plan X-Y.
L'unité de gestion calcule la moyenne de la distribution spatiale d'intensité obtenue, l'écart - type σ à cette moyenne, et le défaut d'uniformité à 2, 3 ou 5 σ selon le degré d'uniformité que l'on souhaite atteindre.
Avec un capteur CCD de plusieurs millions de pixels situé à une dizaine de centimètres du substrat, il est possible d'obtenir une résolution, et donc un contrôle de la qualité de gravure, de l'ordre de quelques micromètres. Dans l'exemple, les résultats ont fourni un défaut d'uniformité de 5 %.
Dans un système de production micro-électronique, tel qu'une machine de gravure, cet équipement permet de détecter instantanément l'apparition d'une anomalie dans le fonctionnement de la machine, la mesure se faisant in situ, en cours de traitement. Lorsque le défaut d'uniformité instantanée est supérieur à un seuil fixé, par exemple à 5 %, l'unité de gestion intervient automatiquement sur le système de balayage du faisceau d'ions F pour corriger l'intensité du balayage de manière asservie à la valeur de ce défaut. Les logiciels d'asservissement sont connus de l'homme de l'art. L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés. Le procédé et l'équipement selon l'invention peuvent être appliqués au contrôle de l'uniformité de tout traitement de surface ou de matériau par des particules chargées, que ce soient des ions monochargés, muiticharges, ou des électrons. Afin d'augmenter la résolution de la détection, pour atteindre des valeurs micrométriques, la caméra peut focaliser en zoom sur une partie de la surface à traiter. Le balayage de cette surface par la caméra peut alors être synchronisé sur le balayage du faisceau de particules. Par exemple, dans le cas d'une insolation de substrat par unité de gravure, la caméra peut être montée sur un plateau motorisé et asservi aux zones successivement irradiées. Il est également possible d'utiliser plusieurs caméras
monochromatiques, équipées par exemple de filtres, et combinées à un prisme ou une lame séparatrice en longueurs d'onde.
L'équipement peut être utilisé avec tout type de substrat, car la majorité des interactions particules - surfaces produisent de la lumière. Le traitement de matériaux autres que SiO2 peut également être contrôlé par le procédé selon l'invention, par exemple tous les matériaux semi-conducteurs, tels que Si, Ge, AsGa, SiC, SiGe, ou d'autres matériaux conducteurs tels que Cu, C, Al, Ti, etc., ou des diélectriques tels que TiO2, Ta2O5, ZrO2, HfO2, etc., dans le domaine de la microélectronique, mais aussi la silice (le verre) ou les polymères (les plastiques) pour les prochaines générations de circuits intégrés, ainsi que pour la biologie.