Brevet FR2558587A1 — publié le 19840726

PROCEDE ET APPAREIL DE MESURE D'EPAISSEUR D'UNE COUCHE PEU DOPEE DANS UNE TRANCHE SEMICONDUCTRICE Pour réaliser certains types de transistors, et notamment des transistors de puissance, un procédé de fabrication courant consiste à partir de tranches de silicium homogènes ayant un dopage uniforme de type N (dans toute la suite on considérera uniquement des transistors NPN mais l'invention est applicable aussi en inversant tous les types de conductivité).Cette tranche relativement epaisse (de l'ordre de 450 à 500 microns) est peu dopée initialement et la premiere étape consiste a la doper profondement sur les deux faces à la fois (dopage NA sur environ 200 microns de profondeur sur chaque face) ; on ne sait pas masquer convenablement un seul côté pour une diffusion très profonde.On obtient une structure en sandwich d'une couche N entre deux couches Nt nonon usine alors une face par enlevement de matière jusqu' retrouver en surface la couche initiale de type N, de sorte qu'il subsiste une tranche essentiellement de type N+ (par exemple 200 microns d'épaisseur de couche t recouverte d'une couche de type N (par exemple 50 microns de couche N). A partir de cette tranche, on diffuse une base de type P dans la face supérieure de type N, puis un émetteur de type N+ dans la region de base. La face inférieure de la tranche reçoit un contact de collecteur et la zone de collecteur proprement dite est constituée par la couche initiale de type N. La couche Ns sert à assurer un bon contact ohmique avec la métallisation de collecteur.L'épaisseur importante de cette couche N+ est nécessaire uniquement pour assurer la rigidité mécanique de la tranche. La tenue en tension du transistor, son aptitude à la commutation rapide, et les dissipations de puissance dépendent directement de l'épaisseur de couche N de collecteur entre la diffusion de base et la couche N+. Il est donc nécessaire de pouvoir contrôler précisément l'épaisseur de la couche N de collecteur et, en pratique, il faut effectuer ce contrôle avant les diffusions de base (et d'émetteur). On essaye donc de connaître l'épaisseur de la couche N lorsque la tranche se présente sous forme d'un substrat de type Nf surmonté d'une couche superficielle N plus mince ; cette épaisseur dépend directement de la profondeur de la diffusion de type mais cette profondeur n'est pas connue avec précision ; elle dépend aussi de l'épaisseur enlevée pendant l'usinage de la face supérieure ; cette épaisseur est également mal connue. La mesure d'épaisseur de la couche N après diffusion et usinage n'est pas facile. Jusqu' maintenant, les seuls procédés utilisés pour déterminer l'épaisseur de la couche N étaient les suivants - insertion dans un lot de tranches d1un substrat témoin de type P parmi les substrats de type N au moment d'effectuer la diffusion profonde de type N+ ; la différence brutale de concentration à la jonction N+p qui en résulte est facilement détectable et permet une mesure d'épaisseur par révélation chimique, - usinage de quelques tranches en biseau pour mesurer le profil de concentration par un microrésistivimètre à pointe. La première méthode donne une bonne précision pour la tranche témoin mais ne permet pas de connaître individuellement les épaisseurs pour chaque tranche d'un lot. Par conséquent, les inhomogénéités de profondeur de dopage ne peuvent être prises en compte, pas plus que la tolérance de l'ordre de la dizaine de microns sur la précision d'usinage d'une tranche à l'autre lors de la suppression de la couche Nf sur l'une des faces de la tranche. La deuxième méthode a les mêmes inconvénients et est en outre destructrice pour les plaquettes servant à la mesure. Ces méthodes ne permettent donc pas un tri individuel, tranche par tranche, pour répartir par catégories de tenue en tension les dispositifs réalisés. On peut au contraire réaliser un tri tranche par tranche, pour des tranches réalisées par un autre procédé qui est celui de l'épitaxie : sur un substrat de départ homogène de type N+, onfait croître par épitaxie une épaisseur désirée de couche N. Non seulement l'épaisseur d'épitaxie peut etre choisie à l'avance, mais en plus elle peut etre mesurée de maniere individuelle et non destructrice par spectromètrie infrarouge car il y a une réflexion optique nette à l'interface Nit+. Malheureusement, on ne peut pas utiliser cette méthode de mesure pour des tranches non épitaxiées car l'interface NIN+ n'est alors pas assez abrupt: la réflexion du rayonnement infrarouge ne s'effectue plus à une profondeur bien localisée, mais s'étale sur toute la zone N+, ce qui donne un interférogramme impossible à expioiter. La présente invention propose un nouveau procédé de mesure d'épaisseur de couche N sur substrat N+, valable aussi bien pour des structures diffusées que pour des structures épitaxies ; ce procédé se fonde sur l'exploitation des propriétés d'une jonction Schottky constituée par une goutte de mercure en contact avec la couche N peu dopée. Plus précisément, pour mesurer l'épaisseur d'une couche peu dopée dans une tranche semiconductrice comportant un substrat fortement dopé et une couche superficielle de même type peu dopée, on propose un procédé consistant à appliquer une tension variable entre la surface de la couche peu dopée et l'autre face du substrat par l'intermédiaire d'une goutte de mercure, de surface calibrée par une sonde, appliquée contre la surface de la couche peu dopée et ayant une surface de contact de valeur connue, et par l'intermédiaire d'un contact pris sur l'autre face, à faire varier la tension positivement et négativement, à mesurer la pente de variation du courant traversant la sonde en fonction de la tension positive appliquée, à mesurer la pente de variation de l'inverse du carré de la capacité présentée entre la face inférieure du substrat et la sonde capillaire en fonction de la tension négative appliquée, à déduire de ces pentes et de la surface de la sonde une valeur représentant l'épaisseur de la couche peu dopée, et à fournir une indication de cette valeur. L'appareil permettant d'exécuter ce procédé comprend une sonde capillaire, une pointe de contact, une source de tension variable positive et négative, un appareil de mesure de courant, un capacimètre, un moyen de calcul de la pente de variation du courant en fonction de la tension positive appliquée à la sonde, de la pente de variation de l'inverse du carré de la capacité en fonction de la tension négative appliquée à la sonde, et du produit de la deuxième pente par la première ; et un Doyen d'affichage d'une indication correspondant au résultat de ce calcul.Un microprocesseur convenablement programme peut servir b commander la variation de tension, b déterminer les pentes, b calculer leur produit et à commander l'affichage d'une indication d'épaisseur ou de catégorie de tranche correspondant à des gaizes d'épaisseurs choisies. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 représente une portion de coupe t?es agrandie d'une tranche semiconductrice avec son profil de concentration - la figure 2 représente schématiquement les moyens de mesure utilisés selon l'invention. La tranche dont l'épaisseur de couche N est à nesurer est désignée par la référence 10 sur la figure 1 ; la couche N+ formant l'essentiel du substrat est désignée par la référence 12 ; la couche N par 14. La tranche est donc représentée retournée par rapport aux représentations habituelles. On appellera ci-apres par commodité face arrière ou inférieure celle qui est en bas sur la figure 1. Le profil de concentration A en impuretés de type N est représenté sur la gauche de la figure 1 en fonction de la profondeur e dans la tranche à partir de la face arrière. Il s'agit ici d'un profil ob la couche N+ est obtenue par diffusion profonde et la variation de concentration à l'interface N/N+ n'est pas suffisamment brutale pour permettre une mesure précise d'épaisseur par interférométrie infrarouge. Pour mesurer l'épaisseur de la couche N, on procède de la manière suivante (voir figure 2) : la tranche 10 est posée par sa face inférieure (où affleure la couche N) sur une embase iso lante 16 dans laquelle est placée une sonde capillaire 18 à mercure possédant un tube capillaire dont l'extrémité vient alors en contact ponctuellement avec la couche N l4 sur une surface calibrée bien connue dépendant des caractéristiques du tube capillaire 20. De telles sondes sont connues et utilisées notamment pour la mesure de résistivités de tranches uniformément dopées ou de résistivités moyennes de tranches dopées de manière non homogène. On propose ici d'utiliser cette sonde comme moyen de formation d'une jonction Schottky pour la mesure d'épaisseur dans des cas ou on ne connaît ni la resistivité9 ni l'épaisseur de la couche analysée. La sonde 18 comporte essentiellement un tube fin 20 rempli de mercure qui affleure a l'extrémité du tube, une différence de pression adéquate entre l'intérieur de la sonde et l'extrémité étant éventuellement prévue pour que le mercure s'applique bien contre la surface de silicium sans etre éjecte de la sonde et sans se rétracter à l'intérieur du tube La surface d'application du mercure contre le silicium est connue s c'est celle du capillaire car le mercure mouille bien le silicium. Sur l'autre face du substrat (face dopée Nif), on applique une pointe de test 22 dont la surface de contact avec le substrat est beaucoup plus important que celle de la sonde 18, 20. On applique une tension variable V par une source 24 entre la sonde 18 et la pointe 22, la courbe de courant i (V) qu'on peut mesurer correspond à la caractéristique d'une diode Schottky (métal sur couche N peu dopée). Un appareil de mesure de courant 26 est prévu en série avec la sonde 18. Dans le sens passant (tension positive sur la sonde), au delà d'un certain seuil, la conduction s'effectue par porteurs majoritaires et la pente di/dV est égale à l'inverse de la résistance des couches N et Nf qui se trouvent en série dans le circuit . En fait, la résistance globale de la couche Ns est très faible et peut être négligée : elle introduit l'équivalent d'une épaisseur de quelques fractions de microns de plus de couche N. La pente diode est donc, pour une tension positive suffisamment élevée (quelques volts), inversement proportionnelle à la résistivité et à l'épaisseur de couche N, la section de passage de courant i étant celle de la goutte de mercure à l'extrémité du capillaire et étant donc constante et connue.Ceci est vrai à condition que le diamètre de cette goutte soit largement supérieur à l'épaisseur de la tranche. Deux points de mesure de courant suffisent pour déterminer cette pente. Un appareil de mesure de tension 28 peut fournir des mesures de la tension V si la source 24 ne la fournit pas directement. La pente de la courbe i (V) est égale à l'inverse de la résistance présentée par la couche dans le circuit de mesure. Pour avoir une mesure de l'épaisseur de couche N, il faut connaître la résistivité de la couche N, ce qu'on mesure toujours à l'aide de la sonde à mercure : on applique une tension V négative sur la sonde a partir de la source 24. ta diode Schottky se polarise donc en inverse et ne laisse pas passer de courant, mais on peut mesurer, grâce à un appareil de mesure de capacité 30, la capacité C entre la sonde et la pointe de test 22 > ce qui revient à la capacite entre la couche Ni et la goutte de mercure de section connue. On peut montrer que l'inverse du carré de cette capacité varie linéairement avec la tension négative appliquée. ra encore, trois points de mesure de la capacité en fonction de la tension négative permettent une détermination de la pente de variation de l'inverse du carré de la capacité. D'autre part, on peut montrer mathématiquement que la pente de variation de l'inverse du carre de la capacité en fonction de la tension négative appliquée est k'= 2/NlqES2 avec les notations suivantes : N concentration en impuretés de type N de la couche 14. q : charge de l'électron 1,6 x x:D-19 Coulomb. E : constante diélectrique absolue du silicium. s : surface de la sonde à mercure en contact avec la couche 14. On en déduit le dopage Nl dont on sait par ailleurs qu'il est proportionnel à l'inverse de la résistivité r selon la formule : r = l/qmNl où q est la charge de l'électron et a est la mobilité des électrons dans la couche 14, donnée par les abaques d'Irwin en fonction du dopage N1 qui a été calculé directement à partir de la mesure de la pente k'. Ayant la résistance en direct (1/R = di/d\) dans la zone linéaire de la caractéristique courant-tension de la diode Schottky et ayant la résistivité r de la couche N, on en déduit l'épaisseur e de la couche N car R = r.e/s Si s est la section du capillaire, e = s.R/r. Pratiquement, on peut prévoir un microprocesseur 32 qui reçoit des informations sur la valeur du courant i, de la tension V et de la capacité C, et qui, d'une part pilote la source 24 pour effectuer plusieurs points de mesure à tension V positive et plusieurs points de mesure à tension V négative, et d'autre part calcule l'épaisseur en fonction des indications ci-dessus et comr mande un dispositif d'affichage 34 pour afficher l'épaisseur e ou une indication de catégorie dans laquelle se situe la tranche analysée, les catégories correspondant à des gammes d'épaisseur choisies. Les valeurs de mobilité d'électrons peuvent être incluses dans une table de mémoire susceptible d'être lue par le microprocesseur en fonction- d'un calcul du dopage Nl effectué par ce microprocesseur. REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure de l'épaisseur (e) d'une couche peu dopée (14) dans une tranche semiconductrice (10) comportànt un substrat fortement dopé (12) et une couche superficielle de meme type peu dopée (14), consistant à appliquer une tension variable (V) entre la surface de la couche peu dopée et l'autre face du substrat, par l'intermédiaire d'une goutte de mercure de surface calibrée par une sonde (18), appliquée contre la surface de la couche peu dopée, et par l'intermédiaire d'un contact pris sur l'autre face de la tranche > procédé caractérisé en ce que il on fait varier la tension (V), on mesure le courant traversant la sonde (18) et la pente de variation de ce courant en fonction de la tension positive appliquée à la sonde (18) par rapport au contact pris sur l'autre face, on mesure la capacité existant entre la sonde appliquée sur la couche peu dopée et le contact pris sur l'autre face, et la pente de variation de l'inverse du carré de cette capacité en fonction de la tension négative appliquée, on déduit de ces pentes et de la surface de la sonde une valeur représentant l'épaisseur de -la couche peu dopée (14), et on fournit une indication de cette valeur. 2. Appareil de mesure de l'épaisseur (e) dune couche peu dopée (14) dans une tranche semiconductrice (10) comportant un substrat fortement dopé (12) et une couche superficielle peu dopée (14), caractérisé en ce qu'il comporte une sonde capillaire un appareil de mesure (26) du courant circulant dans la sonde, un appareil de mesure (30) de la capacité existant entre la sonde et la pointe de contact, un moyen (32) pour calculer a) la pente de variation du courant en fonction de la tension positive appliquée à la sonde par rapport à la pente ;; b) la pente de variation de l'inverse du carré de la capacité en fonction de la tension négative appliquée b la sonde ; c) notamment l'inverse du produit des deux pentes, l'appareil comprenant enfin un moyen (34) d'affichage d'un résultat représentant cet inverse ou la gamme dans laquelle se situe cet averse. 3. Appareil de mesure selon la revendication 2s earacterisé en ce que le moyen de calcul est un microprocesseur (32) qui commande la source de tension variable pour appliquer une succession de tensions positives et négatives entre la sonde et la pointe > ce microprocesseur recevant des informations de l'appareil de mesure de courant et de appareil de mesure de capacité9 et fournissant des informations au moyen dgaffichage.