Brevet FR2473789A1 — publié le 19810717

2473?89 Description Domaine Technique La présente invention concerne le test et le contrôle des tranches semi-conductrices. Elle concerne plus particulièrement des procédés et des structures de test et de contrôle,permettant la détermination de certaines caractéristiques telles que les tolérances de dimensions d'images et de recouvrement, lors des étapes photolithographiques. Etat de la Technique Il est bien connu que parmi les très nombreuses étapes de fabrication de circuits intégrés à semi-conducteurs (diffusion, épitaxie, métallurgie, etc..) les étapes de lithographie sont les plus importantes: d'abord parce qu'elles sont très fréquentes, (environ 10 étapes de masquage pour un MOSFET, environ 15 étapes de masquage pour un transistor bipolaire), ensuite parce qu'elles déterminent finalement la densité des circuits. La recherche d'une densité accrue, a développé considérablement ce domaine de la lithographie de l'ex- position par radiations ultraviolettes, on est passé à l'exposition par faisceaux électroniques, et par des rayons X. En même temps que les procédés conduisaient à des résolutions de plus en plus fines (0,5 à 1 micron), ces étapes sont devenues plus critiques. En effet, il est bien connu que les couches de masquage (ou les masques) utilisés dans la fabrication des circuits intégrés, s'écartent des spécifications désirées par le concepteur de circuit, en raison de phénomènes non désirés, tels que la sur-exposition ou la sous-exposition des résines sensibles pendant la fabrication desdites couches de masquages (ou desdits masques). Egalement, on sait aussi que même si la couche de masquage (ou le masque) présente la largeur nominale d'une ligne désirée (W), un sur-décapage ou un sous-décapage de la couche isolante donne des régions diffu- sées qui sont soit trop fines, soit trop larges comparées à la largeur nominale (de conception). Des lignes réalisées avec des variations importantes de largeurs (AW) par rapport à la largeur nominale (W) peuvent poser des problèmes de fiabilité dus, à des court-circuits ou circuits ouverts - indésirables et doivent être par conséquent détectées aussitôt que possible durant le procédé de fabrication. Une autre caractéristique importante est que les régions diffusées (résistances, lignes, capacités,...) réalisées à travers une couche isolante gravée selon une configuration désirée susceptible de présenter des tolérances sur les dimensions, peuvent conduire à des composants de valeurs incorrectes et causer des problèmes lors du fonctionnement. Il est donc important de maîtriser les défauts d'alignement et autres qui conduisent à des déplacements des images, ces déplacements sont exprimés en tolérances de dimension: on recherche une gravure de largeur W, on obtient une gravure de largeur AW+W (AW étant positif ou négatif). La tolérance relative est définie par le rapport AW/W. Cette appréciation se faisait visuellement jusqu'à maintenant. Ce contrôle est très long, coûteux, et ne permet pas de constituer des bases de données significatives. Par ailleurs, il est souvent utile de connaître la tolérance de recouvrement de deux images superposées, cette tolérance est habituellement mesurée et contrôlée visuellement, avec les mêmes inconvénients que ceux indiqués ci-dessus. Exposé de l'Invention Un premier objet de l'invention est de fournir des structures de test et des procédés de test qui permettent la détermination directe des tolérances de dimensions d'image grâce à des mesures essentiellement électriques. Un autre objet de l'invention est de remplacer les procédés d'inspection visuelle, longs, coûteux et peu sûrs, par un procédé de test particulièrement approprié au test automatique qui permet de constituer très facilement des bases de données statistiques susceptibles de fournir, à la demande, des cartes de tranches mettant en évidence les blocs bons ou mauvais. Un autre objet de l'invention est de fournir des structures de test et un procédé de test qui permettent un contrôle précis et immédiat des étapes photolithographiques (notamment en ce qui concerne les géométries fines), essentielles pour la fabrication des dispositifs semi-conducteurs mais également souvent critiques, directement sur la ligne de fabrication. Encore un objet de l'invention est de fournir des structures de test et un procédé de test qui en combinaison avec les précédents permettent la détermination électrique de la tolérance de recouvrement ou d'alignement de deux images superposées. La présente invention concerne donc un procédé de test et ces structures de test comprenant deux ponts de résistances intégrées dans un substrat semi-conducteur typiquement en silicium, qui lorsqu'on injecte un courant selon une première diagonale permet de mesurer une différence de potentiel sur l'autre diagonale, respectivement AVl et AV2 pour chaque pont de résistances. Les dimensions des résistances sont choisies de telle sorte que, de préférence, la tolérance sur le dimensionnel soit reliée directement à ces tensions mesurées. Ainsi dans un mode de réalisation préféré, la tolérance sur le dimensionnel AW est reliée aux grandeurs électriques AVM et AV2 par une relation du genre AW 2 AV2 w AV1 - AV2 La présente invention concerne également l'application de ce procédé de test et de ces structures en combinaison avec une nouvelle structure constituée par une résistance intégrée (ou un pont de résistances), à la mesure des tolérances de recouvrement MA lors de la superposition de deux images. D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront mieux de l'exposé qui suit, fait en référence aux dessins annexés à ce texte, qui représentent un mode de réalisation préféré de celle-ci. Brève Description des Figures La figure 1 représente la topologie d'un premier pont de résistances constituant une partie de la structure de -test et de contrôle de la tolérance de dimension intégrée sur une tranche de silicium. La figure 2 représente la topologie d'un deuxième pont de résistances constituant une autre partie de la structure de test et de contrôle de la tolérance de dimension intégrée sur une tranche de silicium. La figure 3 représente une autre structure de test unique combinant en une seule topologie les deux ponts de résistance mentionnés précédemment. La figure 4 représente la topologie du masque destiné à permettre la mesure de la tolérance de recouvrement et comportant deux configurations distinctes pour permettre cette mesure selon deux axes perpendiculaires. La figure 5 représente la structure de test permettant de mesurer la tolérance de recouvrement, intégrée sur la tranché semi-conductrice après superposition des deux configurations montrées sur la figure 4. - Description de l'Invention La présente invention propose d'abord deux ponts de résistances qui permettent la détermination des tolérances sur les dimensions d'images qui sont dues aux étapes de lithographie, très nombreuses dans le cours du procédé de traitement des blocs semi-conducteurs. La dimension des résistances est choisie de telle sorte que la tolérance recherchée est une fonction directe des tensions qui sont effectivement mesurées. 24737B9 Sur la figure 1 on a représenté la topologie d'une première structure de test constituée par un premier pont de résistance 10. Cette figure peut être comprise comme montrant la forme des résistances implantées ou diffusées de type P dans un substrat de silicium de type N, ces résistances étant formées par l'introduction d'impuretés dopantes à travers une couche de masquage, par exemple en SiO2 selon des techniques parfai- tement connues et qui ne seront donc pas détaillées ici. Cette figure peut être aussi comprise comme montrant la forme de résistances déposées et gravées sur une couche isolante dans un matériau présentant une résistivité suffisante pour permettre une mesure du déséquilibre du pont par exemple du silicium polycristallin ou du métal. Dans un but de simplification de l'exposé on a choisi un pont de résistance symétrique. Sur les parties élargies (ou régions de contact) qui terminent les extrémités des quatre résistances on distingue deux régions lia et 12a, disposées selon une première diagonale et sont dans l'alignement du corps des résistances Rl et R2 et en outre munies de contacts llb et 12b, par exemple en aluminium. Le choix de cette forme de contact est préféré pour assurer que les lignes de courant soient parallèles au corps des résistances Rl et R2, et réduire les effets de résistance d'extrémité (REND). Sur ces contacts on appliquera respectivement un courant Il et la masse. Deux autres régions 13a et 14a sont disposées selon la seconde diagonale, elles sont également munies de contacts 13b et 14b par exemple en aluminium sur lesquels on viendra mesurer la différence de potentiel aux bornes de ce pont. Les régions de contact 13a et 14a sont de préférence alignées avec la seconde diagonale pour réduire les effets non désirés de résistances d'extrémité desdits contacts. La forme de ces régions de contact est de préférence celle représentée car, cette disposition est favorable à la mesure des potentiels (peu de courant en fait traverse les régions intermédiaires 13c et 14c). C'est donc sur les contacts 11b, 12b,..., que l'on viendra appliquer les sondes de test (non représentées) pour appliquer ou mesurer des courants ou des potentiels. Les résistances Rl et R2 présentent respectivement une longueur Ll et L2 et la même largeur W. La tolérance (ou erreur, ou variation) sur les dimensions pour l'étape de lithographie est donnée par AW en ce qui concerne la largeur. On comprend en effet que les masques utilisés pour réaliser la configuration résistive désirée sur la tranche de silicium sont généralement fabriqués à partir d'une couche de chrome déposée sur une plaque de verre en utilisant une couche de résine sensible et les techniques connues de lithographie. La sur-exposition (ou la sous-exposition) de la résine crée des variations de la largeur de ligne dans la configuration du masque par rapport à la valeur nominale désirée par le concepteur de circuit. En outre le sur-décapage (ou le sous- décapage) du chrome ajoute lui aussi ses propres variations. Enfin il y a les variations provoquées par le sur-décapage (ou le sousdécapage) de la couche de masquage. C'est l'ensemble de ces variations qui provoque finalement cette erreur AW par rapport à la largeur nominale désirée (W).. On peut écrire les équations suivantes, sachant que- les deux branches du pont ont la même résistance I VA - VB = 2 (R2-R1) en posant VA - VB AV1 on obtient AV1 = - (R2-R1) (1) on peut écrire également Rl = ps W 1 w+A). + REND et 24737B9 L2 + AL2 R2 ( +W) + REND relations dans lesquelles p. est la résistivité surfacique du lit des résistances R1 et R2 et AL1, AL2 et AW sont les tolérances d'alignement sur les longueurs L1, L2 et la largeur W (identique pour les deux résistances), et enfin REND qui est la résistance d'extrémité entre le lit de la résistance et le contact. Pratiquement AL1 # AL2 du moins en première approximation. On forme R1-R2 et en tenant compte de (1) on trouve 2AV1 1Ps -I1 (L2-L1) (W+AW)(2) Cette relation est insuffisante pour fournir le rapport AW/W recherché, pour cela il faut utiliser une seconde structure de test également constituée par un second pont de résistance symétrique 20. Cette structure est représentée sur la figure 2. La topologie est assez voisine de celle représentée sur la figure 1. Elle comporte deux parties élargies ou régions de contact 21a, 22a, selon une première diagonale, munie de contacts 21b, 22b, par exemple en aluminium auxquels on applique respectivement un courant I2 et la masse. Ces régions élargies ont, de préférence, une partie intermédiaire 21c, 22c, de la forme représentée, qui permet de réduire les effets des tolérances sur les longueurs et sur les largeurs ainsi que les effets de résistances d'extrémité. Les potentiels des régions 23a et 24a disposées sur l'autre diagonale sont mesurés de façon similaire à partir des contacts 23b et 24b. On peut ajouter des régions 25a et 26a symétriquement aux régions 23a et 24a par rapport à la seconde diagonale dans un but d'approcher la différence de potentiel AV2 de façon plus précise en formant la moyenne (VA,-VBI) + (VAt-VBs,) AV ()-. ú En fait on peut écrire -12 AV2 = 2 (Rt2-R'1) (3) On choisit pour simplifier W'1=W, L'2=L2 et L'1=L1. Avec cette topologie des régions intermédiaires on peut estimer qu'il n'y a pas d'erreur AL due à la gravure et que les erreurs AW et AW'2 sont voisines, c'est-à-dire AW'2 # AW. Par ailleurs, on peut écrire: L1 R1 Ps W+AW + REND = R et L2 R2 Ps W'2+AW REND en formant R'2-R'1 et en combinant avec (3) on trouve L _L AV p E W' 2 1 2 W 2+W+AW] = 2 i2 La relation ci-dessus peut s'écrire AV2 L 1 2 '2=p 1 1 1 1 P5sW- E AW 1 AW W'2 W AV2 L1 2 I = Ps W [ -WI2(W+AW) - W(W' 2-'-W) (W '2+AW) (W+AW) et en remplaçant p par sa valeur donnée dans la relation (2) 247378 9 ] 2 AVI I 1 (L2-L1) (W+LW) L1 W 247316 9 kW', (w+AW) - W (W'2+AW) (Wl+AW) (W+AW) -j qui se simplifie AV2 AV1 L1 _ 12 I1 W(L2-L1) W'2 (W+AW) - W (W'2+AW) (W'2 +AW) si on pose I1 _- = K' I2 et si le concepteur de circuit réalise la condition L2 W W'2 L1 W (4) AV2 1 1 W AW (K-) 1 AW AV1 - TK7' À W K--T [ (KW-AW)] ' (KW+AW) d'o AW K.K' W W AV1 QV -K' AV2 (5) Ainsi avec les deux structures de test qui sont montrées sur les figures 1 et 2 on peut obtenir la tolérance sur la dimension d'image (AW/W) à partir de simples mesures électri- ques. Le concepteur de circuit peut encore choisir des valeurs préférées pour les paramètres K et K'. Par exemple si K'=1, c'est-à-dire I1=I2, les deux structures peuvent très simplement AV2 12 = I2 ] 24737B9 se combiner en une seule structure 30 qui est représentée sur la figure 3 (les références identiques à celles des figures 1 et 2 ont été conservées) . Enfin on a choisi K=2, c'est-à-dire W'2=2W et L2=2L1, ce qui fait que la relation (5) devient _W 2AV2 (6) AV- AV (6 avec AV1 = VA - VB et V2 =VA, VB Outre l'intérêt que cette mesure (AW/W) présente en soit pour la détermination de la tolérance d'image, facteur important pour l'appréciation de la précision de la gravure, elle peut être également utile pour permettre la détermination des tolérances de recouvrement de deux images superposées. Les paramètres des différentes résistances constituant les ponts ont été choisis de façon à simplifier le calcul et permettre l'obtention de AW comme une fonction de AV1 et AV,. On doit cependant remarquer que le principe de l'invention reste applicable à des structures de ponts quelconques, auquel cas AW sera en outre fonction desdits paramètres (L1, W1,...). La figure 4 montre la topologie du masque correspondant à une structure de test qui permet la détermination électrique des tolérances de recouvrement. La topologie se caractérise par la présence d'une première image ou configuration 41 en forme de r composée de deux parties 41a et 41b et de sept régions élargies ou régions de contact 42 à 48 qui permettront de procéder à différentes mesures électriques ultérieurement. Un marqueur 40 est associé à cette région. La topologie comprend également une seconde configuration 50 composée de deux parties distintes 50a et 50b disposées en forme de r. Elle comporte également un marqueur 49. L'élément 50a sera aligné avec l'élément 41a mais légèrement décalé dans le sens de la direction des Y, quand les marqueurs 40 et 49 seront alignés et que les configurations 41 et 50 seront superposées. De même, l'élément 50b sera aligné avec l'élément 41b mais légèrement décalé de la direction des X. Les deux configurations ne sont donc nécessaires que si l'on souhaite connaître la tolérance d'alignement selon deux axes. La tranche de silicium qui est préalablement recouverte d'une couche isolante (ou résistive: métal ou polysilicium) et d'une couche de résine photosensible est exposée successivement à travers la configuration 41 puis la configuration 50. Ceci est obtenu simplement par la translation du masque portant ces configurations. Cette translation est faite dans les limites des dimensions du bloc semi-conducteur pour éliminer les défauts de biais (mask skew) et les tolérances de placement. Si on voulait inclure ces tolérances propres au masque dans la mesure il faudrait utiliser deux masques séparés l'un comportant la configuration 50 et l'autre la configuration 41. Ensuite de façon connue, on procéde à la gravure puis à l'élimination de la résine. La configuration finale ouverte dans la couche isolante correspond à la superposition des deux configurations. Après implantation d'une impureté dopante dans le substrat silicium on obtient une structure 52 composée de deux résistances 52a et 52b qui sont montrées sur la figure 5 en traits pleins. Dans le cas d'une couche résistive, ces résistances seraient obtenues directement après gravure de la couche résistive; les résistances 52a et 52b, serviront à déterminer respectivement les tolérances d'alignement en X et en Y. La largeur de ces résistances dépend des tolérances sur les dimensions des configurations 41 et 50 mais également du défaut d'alignement résultant de la superposition de ces deux configurations. Ce défaut d'alignement est mesuré par une tolérance dite d'alignement ou recouvrement LA. Quand on connaît les tolérances de dimensions des images, on peut déduire ïA de la façon suivante. La largeur finale W' dépend donc des tolérances de dimensions d'images sur les configura- tions 41: (AWA) et 50 (AWB) et de la tolérance d'alignement (LA) selon la relation :wA LwB W' = WA + WC + 2 + + LA (A, AWA et AWB peuvent être positifs ou négatifs). Or les erreurs sur les dimensionnels des configurations 41 et 50: AWA et AWB sont données grâce aux structures de test décrites à l'aide des figures 1 à 3. On admet que ce calcul est valable, les structures de test étant voisines sur la tranche de silicium. Elles sont en effet réalisées soit sur un bloc spécialisé (test site) soit sur le bord du bloc lui- même (kerf). On a d'après (6) AWA = mAWA et AWB =mBWB ':, ' ', WA et Wc sont les largeurs qui sont connues par le concepteur de circuit, avec un minimum d'erreur. On trouve donc mA mB LA = W' - [ (WA+Wc) + mA B Y- WA + 2- WB] et si on pose WA + WC WD m m LA = W' - WD D 2 2A 2 WB à l'aide des contacts métalliques 46a, 47a disposés sur les: régions élargies 46, 47 on peut mesurer la valeur des résistan- ces L;' R= ps -w w-i d'o W' = et MA mB AA p L w - -w7 - AR Ps R - D 2 WA Wb (7) o mA et mB caractérisent les erreurs dimensionnelles, P5 est la résistance de feuille de la région implantée ou diffusée WA, WC (donc sont respectivement des largeurs et une WD) et L longueur connues du concepteur. On a donc immédiatement à partir d'une simple mesure de résistance et d'un calcul élémentaire la détermination de l'erreur d'alignement. Enfin pour une meilleure précision et si le nombre de points de test n'est pas un facteur limitatif, les résistances 52a et 52b peuvent être remplacées par des ponts de résistances, ceux-ci pouvant être orientés différemment selon qu'il s'agit d'une mesure de désalignement en X ou en Y. Bien que l'on ait décrit dans ce qui précède et représenté sur les dessins les caractéristiques essentielles de l'in- vention appliquées à un mode de réalisation préféré de celle-ci, il est évident que l'homme de l'art peut y apporter toutes modifications de forme ou de détail qu'il juge utiles, sans pour autant sortir du cadre de ladite invention. 1 4 2 4737B89 REVEND ICAT IONS 1. Procédé pour le contrôle électrique de la tolérance de dimensions d'images (AW) d'une étape lithographique critique dans la séquence de traitement d'une tranche semi-conductrice, caractérisé en ce que l'on procède à la formation dans la tranche semi-conductrice (ou sur la tranche semi-conductrice) de deux ponts de résistances (10; 20) munis de régions de contact (11a,...; 21a,...) les résistances (R1, R2, "'.; R'1, R' 2,...) étant définies par leurs paramètres nominaux choisis par le concepteur de circuit (Lj, Wl,...; Ll', W'1,... l'application d'un courant (I 1;2) selon une première diagonale pour chaque pont de résistances, la mesure de la tension (AV1; AV2) selon la seconde diagonale pour chaque pont de résistances et le calcul de la tolérance ou variation de la largeur LW en fonction desdits paramètres et tensions. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'étape de formation desdits ponts comporte: la formation d'une couche de masquage selon une configu- ration désirée au-dessus de la tranche semi-conductrice, et l'introduction d'une impureté dopante d'un type de conductivité opposé à celui du substrat, dans la tranche. 3. Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce que la couche de masquage est une couche isolante. 4. Procédé selon la revendication 2 ou 3 caractérisé eii ce que l'introduction d'impuretés se fait par diffusion ou par implantation ionique. 5. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'étape de formation desdits ponts comporte: l'élaboration d'une couche isolante sur la surface de la tranche semi-conductrice et la formation d'une couche d'un matériau présentant une certaine résistivité selon une configuration désirée. 6. Procédé selon la revendication 5 caractérisé en ce que ledit matériau est du silicium polycristallin. 7. Procédé selon l'une des revendications ci-dessus carac- térisé en ce que chaque pont est symétrique. 8. Procédé selon la revendication 7 caractérisé en ce que l'étape de formation assure les régles topologiques suivantes W1 = W2 = W'1 = W et L1 = L'1, L2 = L 2 = 2L1, W'2 2W et que l'étape d'application de courant assure que I1 = 12= I, dans ces conditions la tolérance LW est donnée par la relation AW 2AV2 AV1 - AV2 9. Procédé pour le contrôle électrique de la tolérance d'alignement (AA) de deux images superposées caractérisé en ce que on procède aux étapes suivantes: formation dans la tranche semi-conductrice (ou sur la tranche semi-conductrice) d'au moins un élément résistif à l'aide d'une première étape lithographique selon une première configuration désirée (41a) et une première direction préférée (direction des X) avec des paramètres nominaux choisis (WA, modification de l'élément résistif à l'aide d'une seconde étape lithographique selon une seconde configu- ration désirée (50a) et la même direction, avec des paramètres nominaux (WB,...) qui vient en recouvrement (défini par Wc) pour fournir un élément résistif final, de paramètres nominaux choisis (W',...) et calcul de la tolérance d'alignement AA à l'aide de la relation LWA AWB W' = WA + +W + AA dans laquelle les tolérances sur le dimensionnel sont déterminées par application du procédé tel que défini par l'une quelconque des revendications ci-dessus. 10. Procédé selon la revendication 9 caractérisé en ce qu'aux premières configurations (41a, 50a) selon la direction des X on ajoute une seconde configuration (41b, 50b) selon l'axe des Y. 11. Procédé selon la revendication 9 caractérisé en ce que lesdites configurations sont en fait des ponts de résistances. 12. Procédé selon la revendication 11 caractérisé en ce que toutes lesdites configurations sont disposées sur un même masque, les deux étapes lithographiques s'obtenant par translation dudit masque. 13. Procédé selon l'une des revendications 9 à 12 caracté- risé en ce que l'étape de formation de l'élément résis- tif final comprend une étape d'introduction d'impuretés dopantes dans ladite tranche d'un type de conductivité opposé à celui du substrat. 14. Structure de test pour le contrôle de la tolérance de dimensions d'images (AW) d'une étape lithographique critique dans la séquence de traitement des blocs semi- conducteurs, caractérisée en ce qu'elle comprend: un premier pont de résistances (10) (R1, R2,...) définies par les paramètres nomiaux (L1, W1, .), des moyens pour injecter un courant (Il) selon une première diagonale et des moyens pour mesurer la différence de potentiel (AV1) le long de la seconde diagonale et un second pont de résistances (20) (R'1, R'2,...) définies par ses paramètres nominaux (L'1, W'1,...), des moyens pour injecter un courant (I2) selon une..CLMF: première diagonale et des moyens pour mesurer la diffé- rence de potentiel (LV2) le long de la seconde diagonale. 15. Structure selon la revendication 14 caractérisée en ce que lesdits ponts sont symétriques. 16. Structure selon la revendication 15 caractérisée en ce que la topologie des ponts assure que W1=W2 = W'1 = W et L2 = 2L1 = L12, LI1 L1 et W'2 = 2W. 17. Structure selon la revendication 16 caractérisée en ce que les régions de contact dans la première diagonale (11a, 21a,...) ont une forme appropriée vis-à-vis des lignes de courant pour réduire les résistances d'extré- mité (REND) et que les régions de contact (13a, 23a, ) selon une seconde diagonale ont également une forme appropriée pour réduire les effets de résistances d'extrémité. 18. Structure selon l'une des revendications 14 à 17 carac- térisée en ce que lesdits ponts de résistances sont assemblés en une seule structure (30). 19. Structure selon l'une des revendications 14 à 18 caracté- risée en ce que la structure de test est disposée soit à la périphérie du bloc (Kerf) soit dans un bloc spécia- lisé (test site).