Brevet FR2592477A1 — publié le 19870703

PROCEDE ET APPAREIL DE MESURE NON DESTRUCTIVE DE L'EPAISSEUR DE COUCHES MINCES La présente invention concerne un procédé et un appareil de mesure de ltepaisseur de couches minces. Elle s'applique notamment dans le domaine du contrôle non destructif de couches minces isolantes ou conductrices déposées lors de la fabrication de dispositifs semiconducteurs et, d'une façon générale, dans tout procédé de fabrication faisant intervenir un dépôt de couches minces sur un substrat conducteur, semiconducteur ou isolant. La mesure des épaisseurs de couches minces, notamment dans le domaine de la fabrication de semiconducteurs, est difficile du fait des contraintes imposées par les conditions dans lesquelles doit entre effectuée la mesure. En particulier, il faut éviter toute altération ou modification de ces couches. Il faut donc effectuer une mesure non destructive et si possible sans contact avec les matériaux déposes. Or, ltepaisseur des couches minces est, avec la dimension des motifs que l'on y grave, un paramètre de fabrication primordial qui doit être contrôle avec précision et en permanence. Dans l'art antérieur, les moyens de mesure non destructive de ltepaisseur de couches minces sont essentiellement optiques, c'est- -dire qu'ils ne peuvent s'appliquer au cas de matériaux opaques aux rayonnements optiques tels que les métaux ou alliage de métaux qui sont couramment utilisés en microélectronique.Actuellement, le contrôle des métallisations connatt une importance de plus en plus grande compte tenu de lwaugmenta- tion du nombre de niveaux d'interconnexions dans les circuits intégrés. La réduction spectaculaire des dimensions des motifs elementaires (grilles, contacts et interconnexions) réalises a l'aide de materiaux nouveaux (siliciures) remplaçant le silicium polycristallin traditionnellement utilise accrott encore la nécessite de tels contrôles. Un autre procède de mesure non destructive de llart anterieur utilise des courants de Foucault. Ce procédé présente l'inconvenient de nécessiter la connaissance préalable de la resistivité de la couche à mesurer ; or, cette caractéristique constitue l'un des paramètres de fabrication sur lequel des variations notables sont le plus susceptible de se produire, ce qui rend la mesure très imprécise. Ainsi, la présente invention prévoit un nouveau procédé de mesure non destructive de l'épaisseur de couches minces déposées sur un substrat, ce procédé permettant de mesurer l'épaisseur de couches optiquements opaques. Pour atteindre cet objet ainsi que d'autres, la présente invention prévoit un procédé de mesure non destructive de ltepaisseur d'une couche mince de nature connue formée'sur un substrat de nature connue, consistant à : placer un microscope acoustique en regard d'une zone de la couche mince où l'on veut effectuer la mesure ; deplacer le microscope perpendiculairement à la surface de la couche mince ; déterminer les écarts entre des positions relatives successives microscope/couche mince pour lesquelles le signal du microscope passe par un minimum ; et calculer à partir de ces écarts l'épaisseur de la couche mince. Selon un aspect de la présente invention, il est prévu de refroidir le substrat mesure. Selon un autre aspect de la pressente invention la lentille acoustique du microscope est une calotte sphérique d'ouverture 20 et de rayon R ménagée dans un bloc de matériau transmettant les ondes acoustiques de hauteur D et dans lequel la longueur d'onde des ondes acoustiques est > ,, le rayon de la couche piezoelectrique sur la surface supérieure de la lentille étant egal à r ; ces paramètres sont choisis pour satisfaire aux équations suivantes #RM D peu supérieur a r/X 1 La présente invention prévoit également un appareil commandé par un microprocesseur pour mettre en oeuvre le procéda ci-dessus. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés plus en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite en relation avec les figures jointes parmi lesquelles la figure 1 représente schématiquement et sous forme de blocs un apareil selon la présente invention ; la figure 2 represente une lentille acoustique en regard d'un substrat pour mieux souligner les phénomènes physiques mis en oeuvre dans l'appareil selon la présente invention ; et la figure 3 est un graphique représentant les variations de l'onde acoustique reçue en fonction des variations de distance (z) entre le substrat et l'objectif acoustique, pour deux températures différentes. L'appareil selon la présente invention consiste en une modification et une utilisation particulière d'un microscope acoustique. En relation avec la figure 1, on va d'abord décrire de façon générale un microscope acoustique classique et ensuite l'adaptation d'un tel microscope selon la présente invention. Comme le représente la figure 1, un microscope acoustique classique comprend des circuits électroniques pour fournir un signal à fréquence stable enlevée (par exemple dans la gamme de 10 à 1000 MHz) pendant des créneaux temporels d'une durée de 10 ns à 500 ns par exemple, ces créneaux étant sépares par un signal nul pendant un laps de temps compris par exemple entre 500 et 2000 ns. Un tel circuit électronique comprend, dans un mode de réalisation, un oscillateur 10, une porte ll laissant passer les signaux de l'oscillateur seulement pendant la durée de créneau choisie, et un amplificateur 12. Les signaux de sortie de cet amplificateur 12 sont transmis, par l'intermediaire d'un circulateur 13 et d'un adaptateur d'impédance 14, à un transducteur électroacoustique 15 lié rigidement à la face plane supérieure d'une lentille acoustique 16 dont la face inférieure est concave. Un echantillon à observer 17, placé sur une table de déplacement 18, est dispose en regard de la face inférieure de la lentille, les ondes acoustiques se propageant par l'intermediaire d'une goutte de liquide 19 placée à l'interface entre la lentille et I'échantillon. Les signaux renvoyés par ltechantillon 17 sont retransformés en signaux électriques par le transducteur piezo- électrique 15 et sont dirigés par le circulateur 13 vers un circuit électronique comprenant une porte 20 éliminant par une fenêtre temporelle les signaux d'excitation et les signaux d'échos parasites afin de ne conserver que le signal d'écho recherché.Les signaux de sortie de la porte 20 peuvent être amplifies par un amplificateur 21 et intègres sur la durée du créneau temporel que laisse passer la porte 20 par un intégrateur 22. La sortie de cet intégrateur constitue la sortie classique d'un microscope acoustique. On y adjoint parfois un convertisseur analogique/numerique 23 piloté par un microprocesseur comportant des mémoires 24 qui permet un affichage sur un dispositif de sortie 25 sous forme graphique (image) ou sous forme de tableau de données (imprimante). Quand on utilise un microscope acoustique classique, la table de déplacement 18 déplace horizontalement le substrat en x-y de façon relativement rapide pour obtenir en sortie un signal semblable à un signal vidéo qui est transformé en une image microscopique correspondant à un plan image horizontal passant à l'interieur de ltechantillon à une cote de profondeur z déterminée par le lieu des points de focalisation de l'onde acoustique émise par la lentille. La table de déplacement 18 comprend généralement aussi un réglage en hauteur selon la cote z pour permettre la mise au point de l'image. Avec un tel appareil, on obtient typiquement une résolution en x-y de l'ordre du micromètre. De même, si l'on essaye de detecter la profondeur d'une interface à l'interieur d'un matériau, en jouant sur les mises au point et sur la cote z, on obtiendra également une précision qui ne sera pas meilleure que le micromètre. Or, on désire connaitre à mieux que plus ou moins 5 %, l'epaisseur d'une couche mince dont l'epaisseur peut etre inférieure à 50 nm, ce qui, on le voit, est complètement en dehors du domaine d'application possible d'un microscope acoustique utilise de façon classique. Ainsi la présente invention prévoit d'utiliser comme table de deplacement 18 une table qui est essentiellement une table z assurant un déplacement de ltechantillon 17 par rapport a la lentille 16 dans le sens d'un rapprochement ou d'un eloignement et non plus d'un balayage horizontal. L'ensemble 24 de microprofesseur et de mémoire permet de commander par une connexion 30 ce dSplacement selon l'axe Z et d'assurer la relation en vue des calculs ultérieurs entre ce déplacement et la sortie du convertisseur analogique/numerique 23 également contrôlé par ce microprocesseur. La présente invention prévoit également selon l'un de ses aspects de disposer l'échantillon 17 à mesurer sur une plaque de refroidissement 31 également contrôlez par le microprocesseur 24 par l'intermediaire d'une connexion 32. Cette plaque de refroidissement peut par exemple être une plaque à effet Peltier. Comme on le verra ci-apras, le refroidissement assuré par cette plaque est tel qu'il abaisse autant que possible la température de l'échantillon 17 tout en maintenant la goutte de liaison 19 a une température supérieure a sa température de gel ou de solidification. Ces caractéristiques de l'appareil selon la présente invention seront exposées plus en détail en relation avec la figure 2 qui illustre le processus mis en oeuvre selon la présente invention On peut voir en figure 2 une lentille acoustique 40 en un matériau bon conducteur d'ondes acoustiques, par exemple du saphir. Les vibrations acoustiques sont introduites dans ce matériau par application sur sa face supérieure plane d'une couche de métallisation 41, d'une couche de transducteur piezoelectrique 42 et d'une deuxième couche de métallisation 43 recevant le signal électrique haute fréquence. Le matériau piezoelectrique peut par exemple être de l'oxyde de zinc, ZnO. A sa partie inferieure, la lentille comprend une partie concave, par exemple une calotte sphérique 44 et est disposée en face d'un échantillon a analyser comprenant une couche mince 45, dont on veut mesurer ltepaisseur, formée sur un substrat 46. Une goutte d'un liquide de liaison 19 est prévue entre la face inférieure de la lentille et la face supérieure du substrat. Ce liquide de liaison est couramment de l'eau. On notera que la metallisation superieure 43 sur le transducteur piezoelectrique 42 a une surface qui correspond sensiblement en projection à celle de la partie concave 44 à la partie inférieure de la lentille, pour limiter à cette partie concave l'émission d'ondes acoustiques. Si l'on considère un pinceau acoustique 50 émis dans la partie proche de l'axe de la lentille acoustique, il pénètre dans le substrat 46 selon un angle d'incidence faible et est renvoyé sous forme d'un pinceau 51. On appellera les ondes renvoyées de cette façon écho géometrique . Si on considère maintenant un pinceau émis 52 voisin de la périphérie de la lentille acoustique, ce pinceau frappera la surface du substrat 46 sous un angle d'incidence plus important que le pinceau 50.Si cette valeur est supérieure à une valeur déterminée pour un matériau donné, dite "angle de Rayleigh", au lieu que le retour soit du type "écho géométrique decrit précédemment, le pinceau acoustique ne pénètre pas dans le volume du substrat 46 mais se propage le long de sa surface sous forme d'une onde acoustique de surface 53 avant d'etre renvoyé en un pinceau 54. On appellera les ondes renvoyées de ce type "écho de Rayleigh". Si la distance z entre la lentille acoustique et la surface de la couche mince 45 sur le substrat 46 varie, les différences de longueur de chemin acoustique parcourues.par les retours du type écho geométrique" et les retours du type "écho de Rayleigh varient. On voit en effet simplement que la longueur de parcours de l'onde de surface 53 varie beaucoup plus vite que la longueur de parcours de l'onde géométrique. I1 en résultera un phénomène d'interférence, du meme type que les interférences optiques dans le cas ofl deux pinceaux optiques issus d'une même source se rejoignent après avoir parcouru des distances différentes, Ainsi, si l'on effectue un balayage selon l'axe Z, on obtiendra une variation d'intensité de ltecho d'ensemble combinant ltécho géométrique et l'écho de Rayleigh qui aura l'allure de franges d'interference passant par des minima et des maxima successifs. Dans un microscope acoustique classique, on tente de s'affranchir de ce problème en maintenant rigoureusement constante la cote z tandis que l'on effectue un balayage horizontal et en limitant l'ouverture de la lentille acoustique pouréviter que l'on puisse obtenir en retour des ondes du type écho de Rayleigh . Au contraire, selon la présente invention, on essaiera, pour maximiser le contraste de la courbe d'interférence, de faire que l'intensite résultant des échos de Rayleigh et celle des échos géométriques aient-sensiblement la même valeur. Pour cela, tout d'abord, on choisira une lentille acoustique d'ouverture adéquate. Des considerations théoriques montrent que le phenomène est optimisé si on satisfait aux relations D = r2/ > e peu supérieur a BRM, D/R proche de 1, avec D : hauteur de la lentille acoustique, R : rayon de la calotte sphérique 44, 29 : angle d'ouverture de la calotte sphérique, # : longueur d'onde de l'onde acoustique dans la lentille acoustique, r : rayon du transducteur piezoelectrique, ERM : angle d'ouverture correspondant å l'angle de Rayleigh maximal possible pour les matériaux considérés. En fait, ces équations sont impossibles à satisfaire strictement et l'on choisira des compromis pour St en rapprocher le plus possible. La figure 3 représente les variations d'intensité de l'onde acoustique reçue, par exemple à la sortie de l'integrateur 22 pour des variations de la distance z pour deux températures différentes. La courbe marquée T1 correspond a- une température de 400C et la courbe marquée T2 a une température de 100C. On voit que les pics sont beaucoup plus marqués quand la température s'abaisse.Cela est de au fait que, quand la température diminue, l'intensite totale résultante de l'onde de Rayleigh se rapproche, pour de faibles distances entre le microscope et la plaquette a étudier de l'intensite totale de l'onde geometrique. Ainsi, selon un aspect de la présente invention, on prévoira un moyen de refroidissement 31 du substrat comme cela a été exposé precedemment. On notera qu'un tel refroidissement du substrat est exactement inverse de ce qui était fait dans l'art antérieur pour les microscopes acoustiques pour lesquels, au contraire, on tendait à augmenter la température du substrat pour minimiser les échos de Rayleigh et également parce que, pour de plus faibles temperatures de substrat, l'absorbtion dans le liquide d'adaptation augmente, ce qui augmente les pertes. En l'occurence, il est peu genant selon la pressente invention d'augmenter les pertes d'ensemble, l'important étant d'accrottre le contraste des franges. Comme on le voit à partir de la figure 3, la distance entre les minima de la courbe d'interférence est facilement mesurable avec une précision élevée. Cette distance correspond sensiblement à la valeur > R de la longueur d'onde de l'onde acoustique de surface à la surface du substrat. Cette longueur d'onde étant bien supérieure a ltepaisseur de la couche mince disposée à la surface du substrat. Des caluls théoriques et des expérimentations permettent de déterminer pour tout couple de matériaux (substrat/couche mince) quelle est cette valeur de au en fonction de l'epaisseur de la couche mince sur le substrat. Ainsi, z R étant connu, on peut, au moyen de données préenregistrées dans les mémoires du microprocesseur 24, déterminer l'epaisseur de la couche mince. En figure 3, les abscisses sur l'axe Z sont indiquées dans un cas particulier en micromètres et vont de -200 a -20. Ceci correspond a un rapprochement du substrat vers la lentille acoustique allant de 20 a 200 microns par rapport a une position pour laquelle le foyer de la lentille acoustique est placé au niveau de la surface de la couche mince sur le substrat. REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure non destructive de ltepaisseur d'une couche mince de nature connue formée sur un substrat de nature connue, caracterise en ce qutil consite a - placer un microscope acoustique en regard d'une zone de la couche mince où l'on veut effectuer la mesure, - déplacer le microscope perpendiculairement a la surface de la couche mince, - déterminer les écarts entre des positions relatives successives microscope/couche mince pour lesquelles le signal du microscope passe par un minimum, et - calculer a partir de ces écarts ltepaisseur de la couche mince. 2. Procédé de mesure non destructive de lépaisseur d'une couche mince selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste en outre a refroidir le substrat. 3. Procédé de mesure non destructive de l'épaisseur d'une couche mince selon la revendication 2, caractérisé en ce que la température du substrat est comprise entre O et 100 C. 4. Procédé de mesure non destructive de l'épaisseur d'une couche mince selon la revendication 1, dans lequel la lentille acoustique du microscope est une calotte sphérique d'ouverture 2e, et de rayon R ménagée dans un bloc de materiau transmettant les ondes acoustiques de hauteur D et dans lequel la longueur d'onde des ondes acoustiques est z , le rayon de la couche piezoelectrique sur la surface supérieure de la lentille étant égal à r , caracterise en ce que ces parametres satisfont aux relations suivantes #RM D peu supérieur a r2/ > 1 5. Appareil de mesure non destructive de l'epaisseur d'une couche mince de nature connue formée sur un substrat de nature connue comprenant un microscope acoustique, caractérisé en ce qu'il comprend en outre - des moyens pour deplacer la lentille (16), le microscope par rapport au substrat (17) perpendiculairement à la surface de ce substrat - des moyens C2O à 24) d'analyse des variations d'amplitude du signal acoustique de sortie du microscope et de détection des minima de ce signal tandis que la distance relative substrat/microscope varie ; et - des moyens (24) de calcul tenant compte des caracte- ristiques du substrat et de la couche mince ainsi que des distances entre minima pour fournir ltepaisseur de la couche mince. 6. Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que le substrat est monté sur un support réfrigérant (31). 7. Dispositif selon la revendication 6, caracterise en ce que le support réfrigérant (31) est un support à effet Peltier. 8. Appareil selon la revendication 5, dans lequel la lentille acoustique du microscope est une calotte sphérique d'ouverture 2, et de rayon R ménagée dans un bloc de matériau transmettant les ondes acoustiques de hauteur D et dans lequel la longueur d'onde des ondes acoustiques est z , le rayon de la couche piézoélectrique sur la surface supérieure de la lentille étant égal à r , caractérisé en ce que ces paramètres satisfont aux relations suivantes eRM D peu supérieur à r2/X 1 9. Appareil selon l'une quelconque des revendications 4 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend un microprocesseur (24) muni de moyens de memoire pour contrôler le déplacement relatif substrat/ microscope, contrôler la température du support de substrat, et effectuer les calculs nécessaires et en fournir les résultats a un moyen d'affichage (25).