Brevet FR2713826A1 — publié le 19950616

La présente invention concerne un procédé d'éva- luation et un dispositif de mesure de la durée de vie d'un matériau semiconducteur qui, lors du procédé de fabrication d'un dispositif à semiconducteurs, permettent de mesurer la durée de vie de porteurs produits par injection d'une énergie dans le matériau semiconducteur devant être mesuré, de sorte que la qualité est évaluée sans contact et d'une manière non destructive. Dans le procédé de fabrication de dispositifs à semiconducteurs, on fabrique des circuits intégrés IC, LSI, etc. à haute densité d'intégration en utilisant des matériaux à base de silicium ou analogues. D'une manière générale, un tel matériau à base de silicium se présente sous la forme d'un disque mince (d'une épaisseur inférieure à 900 pm) connu sous le terme pastille de silicium, et possède une section en coupe transversale, dans laquelle des défauts sont distribués, comme cela est représenté sur la figure 6A, annexée à la présente demande, (les défauts sont représentés par des points). Dans le procédé de fabrication de ces dispositifs, le dispositif désiré est fabriqué sur la surface ou dans une couche proche de la surface d'une telle pastille. C'est pourquoi, l'épaisseur de la pastille, qui est habituellement utilisée, se situe dans les limites de seulement quelques pm à partir de la surface, et le reste de l'épaisseur de la pastille, qui s'élève à quelques centaines de pm, est utilisé pour impartir une résistance mécanique au dispositif fabriqué sur la pastille, et pour produire l'application d'un getter de manière à supprimer les défauts du cristal de silicium dans la partie o le dispositif est fabriqué, comme cela est représenté sur la figure 6B, annexée à la présente demande. Ces dernières années, compte tenu du fait que l'épaisseur actuellement utilisée d'un matériau en silicium est faible et en vue d'améliorer le degré de suppression des défauts de la couche superficielle, on a fabriqué des pastilles possédant des structures épitaxiales, en des quantités importantes. En outre, on a développé différentes structures épitaxiales, telles que celles représentées sur les figures 7A à 7E, annexées à la présente demande, et on les a utilisées dans la pratique en vue d'obtenir de minces couches possédant une pureté supérieure et une qualité supérieure. La figure 7A représente une structure d'une pastille désignée d'une manière générale comme étant une pastille épitaxiale. La figure 7B représente une structure désignée comme étant une structure SOS, la figure 7C représente une structure désignée comme étant une structure SOI, la figure 7D représente une structure désignée comme étant une pastille liée, et la figure 7E représente une structure définie comme étant une structure SIMOX. Ces strutures sont désignées d'une manière générale comme étant des structures épitaxiales. Ces dernières années, étant donné que la densité des dispositifs de mémoire a augmenté de plus en plus, l'épaisseur du matériau de formation du dispositif réel a été fortement réduite. Dans le cas de cette tendance de réduction de l'épaisseur des couches, il est devenu nécessaire de pouvoir évaluer des parties de couches superficielles minces de matériaux semiconducteurs possédant une qualité nettement plus élevée. Pour permettre l'évaluation d'un cristal au niveau de la surface d'un tel matériau semiconducteur et d'un cristal situé dans la masse de la pastille de silicium (la couche située a une profondeur suffisamment plus grande que la couche superficielle), qui constitue une base pour la surface, et permette une évaluation non destructive dans le procédé de fabrication, les auteurs à la base de l'in- vention ont développé antérieurement des dispositifs de mesure de la durée de vie sans contact et non destructifs, qui utilisent un laser et une micro-onde (par exemple demandes de brevets japonais mises à l'inspection publique N 248061-1990 et 248062-1990, et la demande de brevet japonais N 211122-1990). Dans de tels systèmes, on applique une micro-onde (de 10 GHz ou moins) sur une pastille de silicium au niveau de sa surface, et on mesure la réflexion de la micro-onde par des porteurs produits par un faisceau laser, afin de mesurer la durée de vie sur la base de la courbe d'évanouissement des porteurs. En outre, la durée de vie de la surface ou d'une couche au voisinage de la surface et la durée de vie d'une partie plus profonde (la masse) sont séparées l'une de l'autre de manière à permettre l'évaluation de la surface et du corps ou de la masse du cristal d'une manière sans contact et non destructive. Cependant, avec de tels systèmes, il était impossible d'évaluer une couche mince d'une structure épitaxiale, comme celle décrite précédemment, en d'autres termes, il était impossible de mesurer la durée de vie d'une couche mince. La mesure de la durée de vie est impossible en particulier dans le cas d'une pastille épitaxiale telle que celle représentée sur la figure 7A. Dans ce cas, étant donné qu'un dispositif est fabriqué dans une couche (désignée sous l'expression couche épitaxiale), qui est située à la surface et qui possède une épaisseur de quelques pm à quelques dizaines de pm, il est nécessaire d'évaluer la durée de vie de la couche épitaxiale. Cependant, la partie de base de la pastille (désignée d'une manière générale comme étant une sous-couche épitaxiale) possède une faible résistivité comprise entre 0,1 et 0,001 n.cm, qui conduit au fait que 100 % de la micro-onde sont réfléchis, ce qui permet de façon extrême le rapport signal/bruit d'un signal de durée de vie obtenu à partir de la couche épitaxiale. Dans le cas d'une structure SOS, telle que celle représentée sur la figure 7B, le rapport signal/bruit est extrêmement faible en raison d'une faible quantité de réflexion d'un micro-onde et de l'influence de la recombinaison en surface dans la partie formant couche mince (ce qui peut également apparaître dans le cas d'une pastille épitaxiale), qui rend impossible une mesure de la durée de vie comme dans le cas d'une pastille épitaxiale. Dans le cas d'une structure SOI, d'une structure SIMOX et d'une pastille liée, telles que représentées respectivement sur les figures 7C, 7E et 7D, bien que ces structures n'em- pêchent pas l'obtention d'un signal de durée de vie par un système classique utilisant un laser et une micro-onde, il est impossible de séparer de façon précise le signal de durée de vie concernant la partie formant couche mince superficielle, dont l'évaluation est en particulier requise. Par conséquent, avec les systèmes indiqués précédemment, il était impossible de mesurer la durée de vie en particulier d'une mince couche superficielle dans le cas de pastilles possédant la structure représentée sur les figures 7A à 7E. L'invention a été mise au point en tenant compte des conditions indiquées précédemment. Le but de la présente invention est de fournir un procédé et un dispositif permettant d'évaluer la durée de vie d'un matériau semiconducteur et qui permettent de mesurer la durée de vie d'une partie formant couche superficielle mince, d'une manière sans contact et non destructive, afin d'évaluer la qualité d'un dispositif à semiconducteurs formé d'un matériau d'une pastille ayant une structure épitaxiale ou d'un matériau formant un dispositif à couche mince. Ce problème est résolu conformément à l'inven- tion, du point de vue du procédé, à l'aide d'un procédé pour évaluer la durée de vie d'un matériau semiconducteur, dans lequel la durée de vie de porteurs produits au moyen d'une injection d'énergie dans le matériau semiconducteur, est mesurée pour évaluer la qualité, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à: envoyer une lumière située dans une gamme de courtes longueurs d'onde pendant un bref intervalle de temps sur la surface d'un matériau semiconducteur devant être évalué, ce qui entraîne la production de porteurs; projeter une onde électromagnétique se situant dans une gamme de longueurs d'onde comprise entre le millimètre, et une valeur inférieure au millimètre, sur ladite surface; mesurer l'onde réfléchie par ladite surface pour obtenir une courbe d'évanouissement desdits porteurs; et évaluer la durée de vie de ladite surface ainsi qu'une partie formant couche superficielle mince dudit matériau semiconducteur sur la base de ladite courbe d'évanouissement. Ce problème est résolu conformément à l'inven- tion, du point de vue du dispositif, à l'aide d'un disposi- tif pour évaluer la durée de vie d'un matériau semiconduc- teur, dans lequel on mesure la durée de vie de porteurs produits par injection d'une énergie dans le matériau à semiconducteurs pour évaluer la qualité, caractérisé en ce qu'il comporte: une source de lumière d'excitation de porteurs servant à produire une lumière pulsée dans une gamme de courtes longueurs d'onde; un système optique convergent pour condenser la lumière provenant de ladite source de lumière et former un trajet optique, dans lequel la lumière est projeté sur la surface d'un matériau semiconducteur à mesurer; un guide d'ondes pour des ondes d'une taille située entre un millimètre et à une valeur inférieure à un millimètre pour appliquer à ladite surface ladite onde électromagnétique produite par un oscillateur produisant des ondes d'une taille comprise entre un millimètre et une valeur inférieure à un millimètre, et pour guider l'onde réfléchie par ladite surface en direction d'un détecteur d'onde réfléchie; un circuit de traitement de signaux pour le traitement d'un signal de détection délivré par ledit détecteur, et pour évaluer la durée de vie de ladite surface ainsi qu'une partie formant couche mince superficielle dudit matériau semiconducteur sur la base de la courbe d'évanouissement desdits porteurs. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à l'évidence à la lecture de la description qui va suivre, prise en référence aux dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est un schéma permettant d'expliquer l'agencement fondamental de la présente invention; - la figure 2 est un graphique montrant une courbe de durée de vie obtenue conformément à la présente invention; - la figure 3 est un graphique montrant un autre exemple d'une courbe de durée de vie obtenue conformément à la présente invention; - la figure 4 est un graphique montrant un autre exemple d'une courbe de durée de vie obtenue conformément à la présente invention; - la figure 5 est une vue montrant un exemple d'agencement d'un dispositif d'évaluation de la durée de vie, conforme à la présente invention; - les figures 6A et 6B, dont il a déjà été fait mention, sont des vues permettant d'expliquer une structure en coupe transversale d'une pastille de silicium de type général; - les figures 7A à 7E, dont il a déjà été fait mention, sont des vues montrant des structures en coupe transversales de pastilles ayant différentes structures épitaxiales. L'agencement fondamental d'un système d'évalua- tion de durée de vie conforme à la présente invention est représenté sur la figure 1. Une source de lumière d'excita- tion de porteurs 1 envoie une lumière pulsée dans une gamme de courtes longueurs d'onde pendant un intervalle de temps non supérieur à 1 ns. La lumière traverse un système optique convergent 3 et un miroir réfléchissant 2 pour tomber sur la surface d'un matériau semiconducteur 6 devant être mesuré. L'énergie de la lumière de courte longueur d'onde, qui a été ainsi injectée pendant un bref intervalle de temps, excite des porteurs à la surface ainsi que dans une partie formant couche superficielle mince du matériau semiconducteur 6. D'autre part, un guide d'ondes 4 réalisant le guidage d'ondes d'une taille comprise entre un millimètre et moins d'un millimètre, envoie une onde élec- tromagnétique d'une taille comprise entre un millimètre et moins d'un millimètre (ce qui correspond à 30 à 3000 GHz) produite par un oscillateur (non représenté), sur la surface du matériau semiconducteur 6. L'onde électro- magnétique ainsi projetée est réfléchie par cette surface en une quantité qui varie proportionnellement à la densité des porteurs. L'onde électromagnétique réfléchie est détectée par un détecteur formé dans le guide d'ondes 4 servant à guider des ondes d'une taille comprise entre un millimètre et moins d'un millimètre. Le signal de l'onde électromagnétique détectée est traité par un circuit de traitement de signaux 5 et est délivré par ce circuit. On comprendra que le signal ainsi obtenu indique le processus d'évanouissement de porteurs à la surface du matériau semiconducteur devant être mesuré ou dans une couche mince très proche de la surface étant donné que les porteurs sont effectivement produits sur la surface et dans la couche mince superficielle du matériau semiconducteur par une lumière pulsée possédant une courte longueur d'onde, qui a été émise pendant un bref intervalle de temps, étant donné que l'onde électromagnétique utilisée est une onde d'une taille comprise entre un millimètre et moins d'un millimètre, cette onde électromagnétique pénètre au moins dans la partie formant couche mince superficielle. Lorsque la source de lumière d'excitation servant à émettre une lumière pulsée pendant un très bref intervalle de temps est constituée par exemple par un laser au N2, des porteurs ainsi produits se situe à une profondeur allant de quelques centaines de A à partir de la surface et sont confinés dans la partie formant couche superficielle mince en raison de l'existence d'un porteur dans une pastille épitaxiale ou une couche de SiO2. La formation concernant la réflexion de l'onde électromagnétique, qui a été obtenue au moyen de l'utilisation de porteurs produits en surface et d'une onde électromagnétique d'une taille comprise entre un millimètre et moins d'un millimètre, indique le comportement de porteurs à la surface ou dans une partie formant couche superficielle mince d'un matériau semiconducteur à mesurer. Un tel comportement des porteurs fournit une durée de vie ou une valeur d'évaluation de qualité du matériau, qui est le but d'utilisation du système selon la présente invention. La figure 2 représente un exemple d'une courbe d'évanouissement de porteurs (courbe de durée de vie) d'une pastille épitaxiale (voir figure 7A), qui a été obtenue au moyen du procédé décrit précédemment. La pastille épitaxiale utilisée dans cet exemple est constituée par une pastille épitaxiale de type p/p+ possédant une couche épitaxiale d'une épaisseur d'environ 18 pm, une résistivité d'environ 30 O.cm et une sous-couche épitaxiale ayant une résistivité égale à environ 0,008 Q.cm. Les figures 3 et 4 montrent d'autres exemples d'une courbe de durée de vie, qui ont été obtenus au moyen du système décrit précédemment selon la présente invention moyennant l'utilisation respectivement d'un échantillon SOS (voir figure 7B) et d'un échantillon SOI (voir figure 7C). Conformément à la présente invention, il est possible de mesurer la durée de vie des parties formant couches superficielles minces (désignées d'une manière générale sous le terme de "couches épitaxiales") de pastilles possédant des structures épitaxiales, comme par exemple celles représentées sur les figures 7A à 7E, dont la mesure de la durée de vie était jusqu'alors impossible au moyen d'un procédé classique utilisant un laser et des micro-ondes. Conformément à l'invention, les défauts du cristal et le niveau de contamination peuvent être évalués sans contact et d'une manière non destructive, sans l'uti- lisation d'une pastille fictive telle qu'elle est utilisée dans la pratique courante. Un exemple de réalisation d'un dispositif d'éva- luation de la durée de vie selon la présente invention est représenté sur la figure 5. Comme représenté sur la figure , ce dispositif comprend: un plateau porte-échantillon 11, sur lequel un matériau semiconducteur 6 devant être mesuré est placé; une source 1 de lumière d'excitation de porteurs servant à émettre une lumière pulsée ayant une courte longueur d'onde; un système optique convergent 3 servant à condenser la lumière pulsée; des miroirs réfléchissants 21, 22 et 23 servant à réfléchir la lumière condensée sur la surface du matériau semiconducteur 6 devant être irradiée; un guide d'ondes 4 servant à produire une onde d'une taille comprise entre un millimètre et d'moins d'un millimètre et servant à projeter l'onde sur la surface du matériau semiconducteur 6, et à guider l'onde réfléchie par cette surface en direction d'un détecteur 7; des moyens de conversion de signaux 8 servant à convertir une valeur de détection du détecteur 7 en un signal électrique; et une unité CPU 10 servant à introduire le signal converti et à exécuter le traitement des données. Bien que, dans l'exemple représenté, le porte-échantillon 11 soit constitué par une table X-Y, le porte-échantillon 11 peut naturellement comporter une table mobile le long de l'axe X et apte à tourner suivant un angle 8. Lorsqu'un matériau semiconducteur 6 devant être mesuré (désigné ci-après sous le terme "échantillon") placé sur le porte-échantillon 11 est constitué par exemple par une pastille épitaxiale telle que celle représentée sur la figure 7A, une pastille SOI telle que celle représentée sur la figure 7C, une pastille liée telle que celle représentée sur la figure 7D ou une pastille SIMOX telle que celle représentée sur la figure 7E, la couche superficielle mince devant être mesurée est située sur la surface supérieure de l'échantillon. C'est pourquoi, la lumière produite par la source 1 de lumière d'excitation de porteurs est envoyée par l'intermédiaire du système optique convergent 3 sur la surface de l'échantillon après avoir été réfléchie par les miroirs réfléchissants 21 et 23. C'est-à-dire que, lorsque la couche mince devant être mesurée est basée sur une partie en silicium destinée à servir de substrat, étant donné que la lumière ne peut pas être émise par le côté de la partie formant substrat en silicium (à partir de la surface inférieure de l'échantillon) une lumière est émise pour une injection d'énergie à partir de la surface supérieure de la partie formant substrat en silicium, moyennant l'utilisation des miroirs 21 et 23. D'autre part, lorsqu'un échantillon devant être mesuré comporte un échantillon SOS tel que celui représenté sur la figure 7B, étant donné qu'une couche mince en silicium est formée sur une partie en saphir destinée à servir de substrat, l'énergie de la lumière peut être soit injectée à partir de la surface supérieure de l'échantillon, soit injectée dans la couche en silicium par l'intermédiaire de la partie formant substrat en saphir, qui est transparente, moyennant l'utilisation du miroir 22, et ce sans l'utilisation du miroir 21. Des porteurs sont produits d'une manière efficace dans la couche mince superficielle dans l'échantillon, sous l'effet d'une telle excitation optique. D'autre part, la surface de l'échantillon reçoit toujours une onde d'une taille comprise entre un millimètre et moins d'un millimètre et qui est projetée sur cette surface par le guide d'ondes 4 qui guide l'onde d'une taille comprise entre un millimètre et moins d'un millimètre. L'onde projetée est réfléchie en une quantité proportionnelle à une densité de porteurs. Étant donné que l'onde d'une taille comprise entre un millimètre et moins d'un millimètre pénètre seulement sur une faible profondeur, le signal réfléchi obtenu à partir de l'onde réfléchie fournit une information concernant une partie très proche de la surface. Ainsi, il devient possible d'évaluer un cristal dans la couche superficielle mince, ce qui est le but de la présente invention. Le dispositif représenté sur la figure 5 comporte également des moyens 9 servant à limiter la recombinaison en surface, qui sert à limiter une recombinaison à la surface du matériau semiconducteur, recombinaison qui est l'un des facteurs les plus importants influençant le processus d'évanouissement de porteurs produits. De façon spécifique, les moyens 9 de limitation de la recombinaison en surface comprennent des moyens d'application d'une polarisation négative servant à produire des ions négatifs sur la surface ou au voisinage de la surface d'une partie de l'échantillon, o les porteurs doivent être produits, ou des moyens d'alimentation en énergie formant un champ électrique intense, moyennant l'utilisation d'une pellicule d'oxyde naturel sur la surface de l'échantillon. De cette manière, il est possible d'empêcher les porteurs de s'éva- nouir sous l'effet d'une recombinaison en surface, ce qui permet d'obtenir un signal qui est stable et possède un rapport signal/bruit élevé. Comme cela a été décrit précédemment, un procédé et un dispositif permettant d'évaluer la durée de vie d'un matériau semiconducteur selon la présente invention permettent le type de mesure, qu'il était impossible d'ef- fecteur avec un système classique d'évaluation de la durée de vie du type sans contact et non destructif, en raison des particularités des structures épitaxiales par rapport à une pastille de silicium monocristallin, et compte tenu des principes du système classique (c'està-dire l'utilisation d'un laser et d'une micro-onde) en raison de l'adoption d'une source de lumière de courte longueur d'onde et de grande luminosité (y compris un laser) et une onde d'une taille comprise entre un millimètre et moins d'un millimètre. En outre, la présente invention permet de contrôler la recombinaison en surface, qui posait un problème dans le système classique de mesure de la durée de vie du type à excitation optique. En outre, le système selon la présente invention peut être appliqué à l'exécu- tion de mesure d'une manière semblable à celle d'un système classique même dans le cas de la mesure de pastilles de silicium monocristallin habituellement disponibles, et est suffisamment utilisable pour évaluer des couches superficielles minces, dont on suppose que la qualité et le degré d'absence de défaut seront de plus en plus élevés à l'avenir, comme cela est requis par les processus de fabrication de dispositifs, dont on considère qu'ils s'amé- liorent continûment pour atteindre des niveaux plus élevés d'intégration et de densité. En outre, le système selon la présente invention convient comme suffisamment apte à être utilisé pour de nouveaux matériaux de l'avenir, par exemple des semiconducteurs composites. Par conséquent, le procédé et le dispositif selon la présente invention présentent de nombreux avantages technologiques. REVENDICATIONS 1. Procédé pour évaluer la durée de vie d'un matériau semiconducteur (6), dans lequel la durée de vie de porteurs produits au moyen d'une injection d'énergie dans le matériau semiconducteur, est mesurée pour évaluer la qualité, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à: envoyer une lumière située dans une gamme de courtes longueurs d'onde pendant un bref intervalle de temps sur la surface d'un matériau semiconducteur (6) devant être évalué, ce qui entraîne la production de porteurs; projeter une onde électromagnétique se situant dans une gamme de longueurs d'onde comprise entre le millimètre et une valeur inférieure au millimètre, sur ladite surface; mesurer l'onde réfléchie par ladite surface pour obtenir une courbe d'évanouissement desdits porteurs; et évaluer la durée de vie de ladite surface ainsi qu'une partie formant couche superficielle mince dudit matériau semiconducteur (6) sur la base de ladite courbe d'évanouis- sement. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la longueur d'onde de l'onde électromagnétique envoyée sur la surface dudit matériau semiconducteur (6) se situe dans une gamme correspondant à 30 à 3000 GHz. 3. Procédé selon la revendication 1, comportant en outre l'étape consistant à appliquer une polarisation négative à la surface à une zone située au voisinage de la surface et dans laquelle des porteurs sont produits. 4. Dispositif pour évaluer la durée de vie d'un matériau semiconducteur (6), dans lequel on mesure la durée de vie de porteurs produits par injection d'une énergie dans le matériau semiconducteur pour évaluer la qualité, caractérisé en ce qu'il comporte: une source de lumière (1) d'excitation de porteurs servant à produire une lumière pulsée dans une gamme de courtes longueurs d'onde; un système optique convergent (3) pour condenser la lumière provenant de ladite source de lumière (1) et former un trajet optique, dans lequel la lumière est projeté sur la surface d'un matériau semiconducteur à mesurer (6); un guide d'ondes pour des ondes d'une taille située entre un millimètre et à une valeur inférieure à un millimètre pour appliquer à ladite surface ladite onde électromagnétique produite par un oscillateur produisant des ondes d'une taille comprise entre un millimètre et une valeur inférieure à un millimètre, et pour guider l'onde réfléchie par ladite surface en direction d'un détecteur d'onde réfléchie; un circuit (5) de traitement de signaux pour le traitement d'un signal de détection délivré par ledit détecteur, et pour évaluer la durée de vie de ladite surface ainsi qu'une partie formant couche mince superficielle dudit matériau semiconducteur sur la base de la courbe d'évanouissement desdits porteurs. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'application d'une polarisation négative servant à produire des ions négatifs sur la surface ou au voisinage de la surface dudit matériau semiconducteur (6). 6. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens d'ali- mentation en énergie formant un champ électrique intense, servant à limiter la recombinaison en surface moyennant l'utilisation d'une pellicule d'oxyde naturel sur la surface dudit matériau semiconducteur (6). 7. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit système optique convergent (3) comprend une première section de trajet optique pour l'émission d'une lumière à partir d'une surface supérieure dudit matériau semiconducteur (6), et une seconde section de trajet optique pour l'émission d'une lumière à partir de la surface inférieure dudit matériau semiconducteur (6).