Brevet FR2656465A1 — publié le 19910628

PROCDÉ DE MESURE DES DIMENSICO D'UN ESPACEUR La présente invention conerne un procédé pour mesurer les dimensions caractéristiques d'un espaceur ou d'une structure analogue utilisé en particulier lors de la fabrication de cer- tains circuits intégrés. La présente invention s'applique notammnent au domaine des circuits intégrés o elle est utile pour certaines opérations de contrôle de qualité en cours de fabrication. Dans la réalisaticon de certains circuits intégrés, on est amené à constituer des structures particulières qui sont appelées des espaceurs. Un espaoeur est constitué d'un résidu d'un oertain matériau, localisé exclusiveent contre les bords latéraux verti- caux des structures présentes au moment de l'étape de réalisation de l'espaceur. Pour réaliser des espaceurs, on dépose une couche d'épaisseur uniforme d'un oertain matériau sur la plaquette en cours de traitement, puis on effectue une gravure anisotrope de oette couche L'opération de gravure de cette couche est arrêtée dès que les zones de cette couche situées sur des parties hori- zontales ou inclinées des structures sous-jacentes sont totale- ment enlevées Dans oes conditions, les parties de cette couche situées, très localement, contre les bords latéraux verticaux des structures sousjacentes ne sont que partiellement gravées et laissent donc subsister localement un bourrelet de très faible largeur qui cxnstitue l'espaceur Cette technique présente essen- tiellement l'avantage de pouvoir réaliser oertaiones microstruc- tures de façon autoalignée, sans operation de masquage et de photolithographie Les espaceurs ont trouvé en microëlectronique plusieurs applications, en particulier lors de la réalisation de drains faibhlement dopes, oorrexxqsdant à la technique appelée LUD (Lightly Doped Drain), lors du dépôt de siliciure sur les drains, les souroes et les grilles sans court-circuit entre oes dif- férentes parties, ou afin d'adoucir des marches pour permettre un meilleur passage des couches déposées par dessus. Dans tous les cas o l'on a ainsi recours à la coesti- tution d'espaceurs, il est rncessaire de contrôler, lors de la fabrication, les formes géométriques des espaoeurs et de pouvoir effectuer certaines mesures dimensionnelles Ces contrôles sont d'autant plus rnécessaires que les operations technologiques conduisant à la constitution des espaoeurs sont difficiles à maîtriser et sent sujettes à des dérives, en particulier du fait que l'opération de gravure doit être interioexpi brusquement Si l'on interrrompt la gravure trop tôt ou trop tard, si la vitesse de gravure est plus grande ou plus faible que celle prévue, l'espaceur qui en résulte ne présente plus la même forme ni les mêmes dimensions. Un procédé onnu pour contrôler la forme et les dimen- sions des espaceurs consiste à casser une plaquette transversa- lement aux espaceurs et à examiner la coupe transversale au travers d'un microscope électronique Cette méthode est chère, longue et délicate En plus, elle est destructive On ne connait pas à oe jour de procédé de oontrôle des espaoeurs fiable, non destructif et innédiat. Ainsi, un objet de la présente invention est de prévoir un procédé permettant la mesure des dimensions caractéristiques des espaceurs. Pour atteindre ces objets, la présente invention prévoit un procédé de mesure des dimensions d'un espaceur consis- tant à: former sur un substrat un réseau de bandes parallé- les, chaque bande ayant une section transversale rectniypllaire; réaliser des espaceurs sur les bords latéraux des bandes parallèles, ces espaceurs prsentant, selon une section transversale, une largeur t crrespdant à la distarnce séparant le bord de la bande et le bord extérieur de l'espaceur au niveau de leur contact avec le substrat, et un arngle e que forme, avec le plan du substrat, la tangente au bord extérieur de l'espaceur au niveau du substrat; au ours de l'étape de réalisation des espaceurs ou à la suite de celle-ci, éclairer le réseau par un faisceau lumineux nmonochromatique dont la lumière diffractée produit une figure de diffraction ccnposée d'une tache lumineuse principale orrespon- dant à la réflexion spéculaire et d'une nultitude de taches adja- centes alignées de diffraction dont l'enveloppe présente un lobe principal incluant la tache principale et des lobes secondaires parmi lesquels le premier lobe est adjacent au lobe principal; mesurer la somme des intensités lumineuses d'un nombre prédétermine de taches appartenant au premier lobe; et en déduire la largeur I et l'angle e de l'e spaeur par les formules suivantes: ú = kl x I Ll + k 2 e = k 3 x I Ll + k 4 dans lesquelles kl, k 2, k 3 et k 4 sont des coefficients déter- minés au préalable avec des espaoeurs de dimensions connues. L'espaceur présentant une hauteur h corespxondant, selon une section transversale, à la distance séparant le bord supérieur de l'espaceur en contact avec le bord latéral de la bande parallèle et la surface du substrat, et la valeur algé- brique d oerrespcodant à la différernce entre la hauteur h et l'épaisseur e de la bande parallèle, on déduit la valeur algé- brique d par la formule suivante: d = k 5 x I Ll + k 6, dans laquelle k 5, et k 6 sont des coefficients déterminés au préa- lable avec des espaceurs de dimensions connues. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposes plus en détail dans la description suivante d'un mode de réalisation particulier faite en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: la figure 1 A représente schéatiquement, en coupe transversale, les couches existantes avant la gravure destinée à la réalisation des espaoeurs; la figure l B représente schatiquement, en coupe transversale, la même strxucture que la figure 1 A mais à un stade intermédiaire de la gravure destirée à la réalisation des espaceurs; la figure 1 C représente schmatiquement, en coupe transversale, la mnme structure à un stade de gravure plus avancé; la figure ID représente sc atiquement, en coupe transversale, la mnme structure à un stade de gravure encore plus avancé, correspondant à l'élaboration correcte des espaceurs; la figure 1 E représente schématiquement, en coupe transversale, la même structure résultant d'une surgravure des espaceurs; la figure 2 représente le diagrame de diffraction obtenu lors de la mise en oeuvre de l'invention; la figure 3 représente la courbe établissant la rela- tion linéaire entre la largeur de l'espaoeur et la mesure d'intensité lumineuse selon l'invention; la figure 4 reprisente la courbe établissant la rela- tion linéaire entre l'angle e et la mesure d'intensité lumineuse selon l'invention; et la figure 5 représente la courbe établissant la rela- tion entre le décroehemnt d et la masure d'intensité lunineuse selon 1 'invention. La figure 1 illustre de façon schématique la striucture que l'cn doit réaliser avant l'opération de gravure destinée à la réalisation des espaceurs Sur un substrat 1, constitué gérnrale- ment d'une plaquette en matériau semiconducteur, on dépose une couche d'un premier matériau, sur une épaisseur e on effectue ensuite une opération, conrnue en soi, de phoolithographie et de gravure anisotrope conduisant à la réalisation, à partir de la couche déposée initialement, de motifs 2 présentant une section transversale rectanrjuleire On dépose ensuite sur toute la pla- quette une couche 3 d'un second matériau sur une épaisseur f La couche 3 peut être déposée par pulvérisation ou par un procède de dépôt chimique en phase vapeur La surface supérieure 4 de la couche 3 est horizontale dans les zones situées sur des zones sous-jaoentes elles-mêmes horizontales et est nettement inclinée dans les zones transitoires correspondant à un passage de marche. On effectue ensuite une opération de gravure anisotrope par un procédé quelcxonque connu de l'art antérieur Dans une première phase de oette gravure, comme oela est représenté en figure l B, la surface supérieure 4 de la couche 3 conersve sensi- blement le mme profil On dit que, dans cette phase de gravure, le profil est transféré On se retrouve alors avec un très net amincissement de l'épaisseur de la couche 3 dans les zones hori- zontales et une présenee relativement importante de matériau de la couche 3 au niveau 5 du passage de marche, c'est-à-dire dans les zones o la surface supérieure 4 de la couche 3 est fortement inclinée. En poursuivant encore la gravure, on obtient l'enlève- ment complet de la couche 3 dans toutes les zones horizontales, et il ne reste plus alors que des bandes étroites, indépeniantes, constituées du matériau de la couche 3, longeant les bords laté- raux verticaux 6 des motifs 2 Ces bandes étroites 7 sont appelées alors des espaceurs La figure l C représente ce stade de gravure au cours duquel on a réalisé les espaoeurs 7. On peut coxmpenser les inlhomegénités de dépôt et de gravure en poursuivant l'opération de gravure jusqu'au stade représenté en figure ID Si l'on poursuit encore la gravure, on obtient un amincissement de l'espaceur 7, sa hauteur h se trouve nettement réduite et sa largeur 1 est réduite également, comme cela est représenté en figure 1 E En poursuivant encore davantage la gravure, on peut obtenir l'élimination totale de l'espaoeur 7 (non representé) Il faut noter que oette poursuite de gravure s'accxipagne de la oomsommation du substrat 1. Lors de la fabrication de circuits intégrés, la dif- ficulté de réalisation des espaoeurs réside dans le fait qu'il faut arrêter à un instant précis l'opération de gravure pour obtenir un espaceur de forme voulue (tel que représenté en figure 1 D) En plus, de nombreux autres facteurs sont susceptibles de créer des disparités dans la constitution des espaceurs 7 En effet, si l'épaisseur initiale f de la couche 3 est légérement trop grande ou trop faible, l'espaceur 7 qui en résultera après l'opération de gravure ne sera pas conforme Si, par ailleurs, le matériau constituant la couche 3 présente des caractéristiques légèrement différentes de celles considérées comme normales, il peut entraîner une vitesse de gravure plus grande ou plus faible, conduisant également à la réalisation d'espeurs 7 non confor- mes Le procdé même de gravure peut également être soumis à des variationq non souhaitées résultant de certains déréglages des macehines ou des équipements on voit par conséquent l'intérêt d'un contrôle dimensionnel précis et fiable des espaceurs On comprend aussi qu'il est souhaitable que ce oentrôle dimensionnel des espaceurs 7 s'effectue très rapidement, pour éviter de fabri- quer un trop grand nombre de pièces mauvaises pendant le temps séparant la fabrication et les résultats du contrôle On voit également qu'il serait très avantageux de pouvoir onetrôler les dimensicns de l'espaceur 7 pendant l'opération de gravure elle- nmûe, c'est-à-dire de pouvoir opérer un contrôle in situ. L'invention, coanroe on va le voir dans la description détaillée qui va suivre, permet de répcnre à oes souhaits. Avant de décrire plus en détail le procédé selon l'in- vention, on va décrire préciséent les différentes grandeurs phy- siques représentatives de la forme de la section transversale de l'espaceur 7, en se référant à la figure 1 D La seaction transver- sale de l'espaceur 7 présente une forme génrale s'aprochant d'un triangle dont le côté opposé à l'arngle droit est légèreoent bombé Cette caractéristique n'est pas essentielle pour oeapren- dre l'objet de la présente invention D'ailleurs, dans certains procédés de réalisation d'espaceurs ceux-ci peuvent présenter des formes légèrent différentes Cependant, dans tous les espaeurs que l'on réalise actuellement, on retrouve cette forme génrrale approximative de triangle et l'on peut toujours définir les trois grandeurs caractéristiques h, t et e de la manière suivante: la hauteur h de l'espaceur 7 correspond à la distance séparant le bord supérieur 8 de l'espaoeur, en contact avec le bord latéral vertical 6 du motif 2, et la surface supérieure plane 9 du substrat 1; la largeur t est égale à la distance séparant le bord latéral 6 du motif 2, au niveau de son contact avec le substrat 1, et le bord extérieur 10 de l'espaoeur 7, au niveau de son contact avec le substrat 1; et l'angle E est l'arngle que forme la tangente 11 au bord extérieur 10 de l'espaoeur, au niveau de son contact avec le substrat 1. On définit en plus la différence de hauteur d selon la formule algébrique suivante: d=h-e. Qn se référera maintenant essentiellement aux figures 2, 3 et 4 pour décrire plus en détail le procédé de mesure selon la présente invention. Lorsque l'on effectue l' opération de réalisation d'espaoeurs sur des plaquettes destinres à constituer par la suite des circuits intégrés, on dispose toujours, sur certaines régions de oes plaquettes, d'espaces depourvus de circuits inté- grés, servant essentiellement à diverses opérations de test et de contrôle. Dans une de oes zones libres, il est toujours possible de ménager certaines stritures particulières qui sont réalisées simultanément avec des opérations correspondxantes destinées à la fabrication des circuits intégrés Dans au moins une de ces zones libres, on forme un réseau de bandes parallèles lors des mêmes étapes technologiques que celles destinées à constituer dans les circuits les microstructures aux bords 6 desquelles on envisage d'associer des espaoeurs On réalise donc un réseau de bandes parallèles 2 en un premier matériau corresponant à celui de oes microstructures Chaque bande parallèle présente une section tranversale approximativement rectnrkjllatp On peut considérer que les figures l A à 1 E représentent ou bien des microstructures de circuits intégrés auxquels on souhaite associer des espaoeurs 7 ou bien des bandes parallèles formant un réseau auquel on envi- sage également d'associer des espaceurs 7 destines au contrôle dimensionrel Selon la présente invention, on réalise ensuite des espaceurs sur les bords latéraux 6 des bandes parallèles 2 Pour cela, on procède aux étapes décrites en relation avec la figure 1 Au cours de l'opération de gravure anisotrope, ou après que cette opération de gravure soit terminée, on éclaire le réseau 2 par un faisceau lumineux munochromatique Caomme cela est repré- senté en figure 2, la lumière diffractée par le réseau produit une figure de diffraction conposée d'une tache lumineuse princi- pale 15 correspnant à la réflexion spéculaire et d'une multi- tude de taches adjacentes alignées de diffraction dont l'enve- loppe présente un lobe principal LO incluant la tache principale et des lobes secomaires parmi lesquels le premier lobe L 1 est adjacent au lobe principal L O Selon la présente invention, on effectue la mesure de l'intensité lumineuse de tacbes constituant le premier lobe LI On peut, soit mesurer i 'intensité lunmieuse de la tache la plus brillante 16 du premier lobe L 1, soit faire la somme des mesures des intensités lumioeuses d'un rhobre prédé- termirn de taches appartenant au premier lobe L 1, les taches ainsi prises en oompte ne oerrespcndant pas obligatoirement aux taches les plus lumineuses de ce premier lobe L 1 On peut égale- ment prendre en considération toutes les taches inrlucs dans le premier lobe L 1, c'est-à-dire mesurer l'intensité lumineuse glo- bale du premier lobe Lt 1 En fait, on sélectionnera de préférenxe un groupe de taches du lobe Lt dont l'intensité lumineuse varie notablement avec le degré de gravure de 1 'espaceur. La présente invention se base sur l'observation faite par la demanderesse selon laquelle on peut déduire oette oesure d'intensité lumineuse I Ll d'une ou plusieurs taches du premier lobe L 1, la largeur i, l'angle e ainsi que la différenhe de hau- teur d, par oemparaison avec des oourbes d'étalonnage. En effet, il a été oonstaté que l'intensité lumineuse I Ll du pranier lobe L 1 est en relatioa liraire, à la fois avec la largeur 1 de 1 ' espaoeur 7, 1 ' angle e de 1 'espaceur 7 et la différene de hauteur d lorsque oelle-ci est négative, c'est-à- dire lorsque la hauteur h de 1 'espaoeur 7 est inférieure à l'épaisseur e des bandes parallèles 2. La figure 3 représente la relation linéaire entre la mesure d' intensité lumineuse I Ll et la largeur ú de 1 'espaoeur. On voit que l'intensité lumineuse du lobe Lt croît lorsque la largeur ú de 1 'espaoeur 7 décroît On peut donc aisément, par un ensemble de mesures expérimentales préalables ou par une simula- tion, déterminer la fonction li'aire reliant úe et I Ll par une fcoetion du type: = kl x IL + k 2 dans laquelle kl et k 2 sont deux constantes. La figure 4 représente la relation lirnéire entre le paramètre I Ll et e On peut établir pareillement la formule suivante: e = k 3 x I Ll + k 4, dans laquelle k 3 et k 4 sont deux constantes. La figure 5 représente l'évolution de la valeur algé- brique d au ours de l'opération de gravure en fncotion de l'intensité lumineuse d'un groupe déterminé de taches appartsenant au premier lobe 1 Le tout début de l'opération de gravure, correspondant au repère A, correspond à la figure 1 A Le repère B de la figure 5 correspnod au niveau de gravure de la figure l B, et ainsi de suite pour les repères C, D et E De même, dans les figures 3 et 4, les repères C, D et E orrespoxndent respective- ment au niveau de gravure représenté dans les figures 1 C, 1 D et 1 E. En se reportant à nouveau à la figure 5, on remarque que, pour le groupe de taches choisi dans oet exemple parti- culier, au début de la gravure, correspondant au repère A, B et C, l'intensité lumineuse I Ll a cru jusqu'à oe que la gravure parvienne à l'état représenté en figure 1 C, c'est-à-dire au nmomnent o les zones horizontales de la couche 3 sont totalement enlevées Lorsque l'on a poursuivi la gravure, en passant succes- sivement dans les états représentés dans les figures 1 D et 1 E, on voit que l'intensité luminieuse IL a évolué linéairement en fonc- tian de la valeur algébrique d Par conséquent, dans la plage C, D et E, on a pu déterminer pareillement une fonction linéaire entre l'intensité lumineuse I Ll et la grandeur physique d, correspondant à la formule suivante: d = k 5 x I Ll + k 6, dans laquelle k 5 et k 6 sont des constantes. Pour déterminer les constantes kl à k 6, on p Grocdera à un étalonnage préalable sur des espaoeurs de forme et de dimen- sions connues, déterminées, par exemple, par microscopie électro- nique. On notera par ailleurs que, au moment o les zones horizontales de la couche 3 sont complètement gravées, c'est-à- dire quand on se trouve dans la configuration de la figure l C, l'intensité lumineuse I Ll passe par un maximum, facilement déce- lable par des moyens de mesure classiques on peut donc ais ment déterminer oet instant précis correspcndant au point C et effectuer de la sorte un système de détection de fin d'attaque. On notera que, pour obtenir une détection de fin d'attaque satisfaisante, il convient de choisir le groupe de taches du premier lobe L 1 tel que l'intensité IL 1 passe par un optimum pour le niveau de gravure orrespondaxxnt au point C. L'inventicon peut être aisément mise en oeuvre à l'aide d'un appareil approprié (non représenté). Cet appareil comporte essentiellement une source de lumière mcrrx) cranatique, en général une souroe laser, qui vient frapper selon un angle d'incidence déterminé, le réseau de bandes parallèles L'appareil cozmporte également un détecteur qui est situé au niveau des taches de diffraction et qui peut être cons- titué, par exeample d'une barrette de capteurs f CD L'appareil comporte ensuite, de façonx connrue en soi, un ensemble de dispo- sitifs électroniques permettant de repérer les différentes taches lumineuses, de repérer la tache 15 correspoxxdant à la réflexion spéculaire, de compter les différentes taches et de repérer le premier lobe LI et, dans ce lobe L 1, la tache 16 la plus lumi- neuse L'appareil peut alors effectuer les mesures d'intensité I Ll oorrespondant au procéd précédeoment décrit et effectuer les calculs forts simples pour éditer directement les valeurs des paramètres, e et d. REVENDICATIONS 1 Procédé de mesure des dimensions d'un espaceur consistant à: former sur un substrat ( 1) un réseau de bandes paral- lèles ( 2), chaque bande ( 2) ayant une section transversale rectangulaire; réaliser des espaceurs ( 7) sur les bords latéraux ( 6) des bandes parallèles ( 2), ces espaceurs présentant, selon une section transversale, une largeur I crrespondant à la distanoe séparant le bord ( 6) de la bande ( 2) et le bord extérieur ( 10) de l'espaceur ( 7) au niveau de leur contact avec le substrat, et un angle e que forme, avec le plan du substrat, la tangente ( 11) au bord extérieur ( 10) de l'espacsur au niveau du substrat; au cours de l'étape de réalisation des espaoeurs ou à la suite de oelle-ci, éclairer le réseau par un faisceau lumineux monochromatique dont la lumière diffractée produit une figure de diffraction onmposée d'une tache lumineuse principale ( 15) oerrespordant à la réflexion spéculaire et d'une multitude de taches adjaoentes alignées de diffraction dont l'enveloppe présente un lobe principal (LO) incluant la tache principale ( 15) et des lobes secondaires parmi lesquels le premier lobe (Lt) est adjacent au lobe principal (LO); caractérisé en oe qu'il comprend les étapes suivantes: mesurer la somme des intensités lumineuses (ILI) d'un rombre prédéterminé de taches appartenant au premier lobe (Lt); et en déduihre la largeur ú et l'angle e de l'espaoeur ( 7) par les formules suivantes: ú =kl x IL + k 2 e = k 3 x I Ll +k 4 dans lesquelles kl, k 2, k 3 et k 4 sont des coefficients déter- mirnes au préalable avec des espaoeurs de dimensions connues. 2 Procdé de moesure des dimiensions d'un espaeur selon la revendication 1, dans lequel l'espaeour présente en outre une hauteur h correspodant, selon une section transversale, à la distance séparant le bord supérieur ( 8) de l'espaceur en contact avec le bord lateéral ( 6) de la bande parallèle ( 2) et la surfaoe ( 9) du substrat ( 1), et dans lequel la valeur algbrique d correspond à la différence entre la hauteur h et l' épaisseur e de la bande parallèle ( 2), caractérisé en oe que l'on déduit la valeur algébrique d par la formule suivante: d = k 5 x I Ll + k 6, dans laquelle k 5, et k 6 sont des coefficients déterminis au préalable avec des espaceurs de dimensions connues.