Brevet FR2872275A1 — publié le 20051230

Dispositif de calibration sur substrat en silicium La présente invention concerne un dispositif de calibration sur un substrat en silicium. Le domaine de l'invention est celui de la métrologie de très haute 5 précision dans le cadre de la caractérisation des états de surface et de l'analyse topographique. L'analyse de surface au sens large s'est énormément développée en parallèle avec l'évolution rapide des nanotechnologies. Elle a encore progressé suite à l'apparition d'appareils performants de caractérisation tel que le microscope à force atomique ou le microscope à balayage à effet tunnel. La métrologie optique fait elle aussi appel à des appareils sophistiqués notamment en interférométrie, en réflectométrie, en diffusométrie ou en ellipsométrie pour mesurer des dimensions infinitésimales. De tels appareils nécessitent une calibration extrêmement précise, notamment selon l'axe Oz perpendiculaire à la surface soumise à l'analyse. II est ainsi connu de réaliser cette calibration au moyen d'étalons dimensionnels souvent dénommés standards. Un tel standard peut être une bille calibrée, un réseau gravé ou tout autre objet dont une dimension au moins est connue avec exactitude. Les standards ci-dessus n'offrent pas selon l'axe Oz la précision maintenant requise qui doit être inférieure à 10 angstrôms. Ainsi, le document FR 2 703 448 propose un dispositif de calibration qui est réalisé à partir d'une solution de deux polymères dans un solvant, ce dispositif revêtant la forme d'un escalier. En premier lieu, la forme de l'escalier dépend des concentrations respectives du premier polymère, du second polymère et du solvant dans la solution. Or, ces concentrations sont difficiles à maîtriser, plus particulièrement celle du solvant. En effet, cette dernière ne manque pas d'évoluer dans le temps entre la préparation de la solution et son utilisation. En second lieu, il est délicat de contrôler l'épaisseur de solution qui est déposée sur un quelconque substrat. Or cette épaisseur conditionne directement la géométrie de l'escalier. En troisième lieu, l'élaboration du dispositif fait appel à une étape de fusion dont la durée et la température doivent être soigneusement vérifiées. Il s'ensuit que la hauteur des différentes marches de l'escalier dépend d'un grand nombre de paramètres qui ne sont pas toujours aisément reproductibles. Ainsi, le document US 5 665 905 enseigne un dispositif de calibration qui est obtenu par soudage de deux substrats en silicium face à face, l'un de ces substrats ayant été préalablement soumis à une oxydation thermique. Le sandwich ainsi réalisé est ensuite scié selon un plan qui est perpendiculaire à celui de la couche d'oxyde. Le plan de coupe est finalement poli. Un plateau est réalisé par gravure du silicium suite à un premier masquage partiel, après quoi une tranchée est réalisée par gravure de l'oxyde suite à un deuxième masquage partiel. On obtient donc, en sus du niveau de référence matérialisé par la surface de silicium sur la tranche du sandwich, deux autres niveaux distincts qui correspondent l'un au fond de la tranchée et l'autre au sommet du plateau. En premier lieu, les opérations mécaniques nécessaires à la définition du plan de coupe, à savoir sciage et polissage, sont des opérations très coûteuses dans le cadre général du processing en microélectronique de tranches de silicium. En second lieu, la hauteur du plateau et la profondeur de la tranchée par rapport au niveau de référence sont difficiles à connaître avec précision car chacune d'elles résulte d'une opération de gravure non sélective. Il n'y a pas de couche d'arrêt de gravure. En troisième lieu, la largeur du plateau et de la tranchée sont limitées à l'épaisseur de la couche d'oxyde thermique. Ainsi, le document EP 0 676 614 divulgue un dispositif de calibration également réalisé sur un substrat en silicium. Un masque qui se présente comme une succession de bandes parallèles est appliqué sur le substrat présentant une orientation 100, suite à quoi ce dernier est soumis à une gravure anisotrope selon les plans orientés 111. Il en résulte la formation de rainures en forme de V de largeur I et de profondeur p, ces deux dimensions étant liées par la relation p = 0,706.1. Ce dispositif comporte bien l'équivalent d'une couche d'arrêt de gravure puisque la gravure s'arrête pour une rainure lorsque sa largeur au niveau de la face supérieure du substrat est égale à l'intervalle séparant les deux bandes du masque qui la définissent. Il s'ensuit toutefois que la précision sur la profondeur de la rainure dépend directement de la précision du masque qui est dans le cas présent largement insuffisante. De plus, ce dispositif ne permet pas la réalisation de niveaux de mesure stricto sensu car le fond de chaque rainure est constitué par une ligne et non plus par un plan. La présente invention a ainsi pour objet un dispositif de calibration formé de plusieurs niveaux dont les dimensions selon l'axe Oz sont très précisément 35 définies. 2872275 3 Selon l'invention, un dispositif de calibration sur un substrat en silicium est formé, en sus d'un niveau de référence, par au moins deux niveaux distincts; de plus, ces niveaux présentent des dopages distincts. A titre optionnel, l'un de ces niveaux au moins est surmonté d'une 5 marche. Ainsi, cette marche consiste en une couche qui a été obtenue par croissance thermique sur le substrat. De préférence, cette couche est en dioxyde de silicium. La présente invention vise également un procédé de réalisation de ce dispositif de calibration, procédé comprenant une étape de définition pour définir au moins deux sections distinctes d'une section de référence sur un substrat en silicium; cette étape de définition consiste à doper à des taux différents les sections différentes de la section de référence. Avantageusement, cette étape de définition est précédée d'une étape de 15 protection consistant à recouvrir le substrat d'un écran. Il est alors souhaitable que l'étape de définition soit suivie d'une étape durant laquelle cet écran est enlevé. Suivant un mode de réalisation privilégié, le dopage des différentes sections est obtenu par implantation ionique. De plus, l'étape de définition est suivie d'une étape de croissance thermique pour produire une couche de revêtement sur le substrat. Eventuellement, l'étape de croissance thermique est suivie d'une étape durant laquelle cette couche de revêtement est enlevée. La présente invention apparaîtra maintenant avec plus de détails dans le 25 cadre de la description qui suit d'exemples de réalisation donnés à titre illustratif en se référant aux figures annexées qui représentent: la figure 1, un schéma de différentes variantes d'un dispositif de calibration, - la figure 2, différentes étapes d'un procédé réalisation d'un tel 30 dispositif, et - la figure 3, une étape additionnelle de ce procédé. Les éléments présents dans plusieurs figures sont affectés d'une seule et même référence. En référence à la figure la, le dispositif est réalisé sur la face supérieure 35 FS d'un substrat SU en silicium. Ce substrat comporte une section gauche Sg, une section centrale Sc et une section droite Sd. La section centrale Sc n'est pas dopée. La section gauche Sg présente ici un dopage en Phosphore de 1,5.1019 cm"3. La section droite Sd présente ici un dopage en Phosphore de 5 1, 5.1020 cm-3. Le substrat est soumis à une oxydation thermique. Or la vitesse de croissance de l'oxyde dépend du dopage du silicium, ceci d'autant plus que la température d'oxydation est basse. Cette dépendance est peu marquée au-delà de 1 100 C mais elle est conséquente entre 900 C et 1 000 C. 10 On présente ci-dessous l'épaisseur approximative d'oxyde obtenue en fonction du dopage en phosphore et du temps d'oxydation pour une température de 920 C: 16 -3 19 -3 20 -3 4,0.10 cm 3,7.10 cm 1,5.10 cm nm 170 nm 220 nm 230 nm 310 nm 340 nm 470 nm 530 nm 630 nm De même, on présente ci-dessous l'épaisseur approximative d'oxyde si 15 le dopant utilisé est du bore au lieu du phosphore, ce ceci toujours en fonction du dopage et du temps d'oxydation: - température de 920 C: 16 -3 20 -3 1,0.10 cm 2,5.10 cm mn 240 nm 280 nm mn 470 nm 530 nm - température de 1 000 C: 16 -3 20 -3 1,0.10 cm 2,5.10 cm mn 240 nm 280 nm 72 mn 470 nm 520 nm - température de 1 100 C: mn mn 150 mn 16 -3 20 -3 1,0.10 cm 2,5.10 cm 12 mn 240 nm 280 nm 32 mn 430 nm 500 nm - température de 1 200 C: 16 -3 20 -3 1,0.10 cm 2,5.10 cm 7 mn 270 nm 310 nm mn 490nm 510nm On remarque que la vitesse de croissance de l'oxyde est moins 5 dépendante du dopage et que cette dépendance est plus marquée au delà de 1 000 C que dans le cas où l'élément dopant est du phosphore. La formation du dioxyde de silicium se fait à partir du silicium du substrat et de l'oxygène présent dans l'atmosphère du four. En notant e l'épaisseur de la couche d'oxyde, l'interface Si-SiO2(silicium-dioxyde de silicium) présente un retrait par rapport à la face supérieure FS du substrat SU qui vaut sensiblement 0,44.e. En référence à la figure lb, la section gauche Sg présente une couche d'oxyde dont le sommet forme une marche gauche Mg et dont la base, l'interface Si-SiO2, forme un niveau gauche Ng. De même, la section centrale Sc présente une couche d'oxyde dont le sommet forme une marche centrale Mc et dont la base, l'interface Si-SiO2, forme un niveau central Nc. Enfin, la section droite Sd présente une couche d'oxyde dont le sommet forme une marche droite Md et dont la base, l'interface Si-SiO2, forme un niveau 20 droit Nd. En référence à la figure 1c, le dispositif de calibration peut être utilisé tel quel, les marches gauche Mg, centrale Mc et droite Md étant très précisément définies. En référence à la figure 1d, il est également possible de graver l'oxyde. Le substrat présente dans ce cas des niveaux gauche Ng, central Nc et droit Nd qui sont également très précisément définis car on sait graver le SiO2 avec une très grande sélectivité vis-à-vis du silicium. Il va sans dire que l'on ne sait pas doper un substrat de sorte que celuici possède une concentration uniforme de dopants sur une profondeur requise et que cette concentration soit nulle au delà de cette profondeur requise. En réalité, cette concentration est maximale à proximité de la face supérieure du substrat et décroît progressivement au fur et à mesure que l'on s'éloigne de cette face supérieure. Par conséquent, le silicium dopé conserve un dopage résiduel à l'interface Si-SiO2. Il s'ensuit que, si le silicium présente bien un dopage nul au droit du niveau central Nc, il présente un dopage résiduel au droit du niveau gauche Ng qui est différent du dopage résiduel au droit du niveau droit Nd. Le dopage des différentes sections Sg, Sd peut être réalisé par une quelconque technique connue, notamment par diffusion. Cependant, suivant un mode de réalisation privilégié, le dopage est réalisé par implantation ionique. En effet, cette technique permet de définir précisément la localisation et la profondeur de pénétration de l'élément dopant, profondeur pouvant s'étendre de quelques dizaines à quelques centaines de nanomètres. Par ailleurs, cette technique bénéficie maintenant d'une très grande précision sur les doses d'ions implantés, typiquement 1%. Il s'ensuit que l'on peut obtenir une très grande précision sur la vitesse de croissance de l'oxyde et surtout sur la vitesse différentielle de croissance entre deux zones dopées différemment, vitesse différentielle qui conditionne la différence d'épaisseur d'oxyde entre ces deux zones. En référence à la figure 2a, une première étape du procédé de réalisation d'un dispositif selon l'invention consiste à réaliser un premier masque El sur le substrat SU, ceci au moyen d'un procédé classique de photolithographie. Ce masque El qui a la forme d'une bande est en résine, en métal ou en tout autre matériau susceptible de constituer une barrière infranchissable pour les ions lors de l'implantation. Eventuellement, le masque peut être obtenu par un procédé d'écriture directe. Le substrat est soumis à une première implantation ionique, après quoi le premier masque El est enlevé. II s'ensuit que le substrat présente maintenant un premier canal C11 là où le premier masque El était présent et un second canal C12 là où il n'y avait pas de masque. La dose appliquée lors de la première implantation est telle que, si le premier canal C11 n'est pas dopé, le second canal C12 présente un dopage en phosphore de 1,5.102 cm"3. II faut savoir que l'implantation peut entraîner une détérioration de la face supérieure FS du substrat, ce d'autant plus que les ions implantés sont lourds et d'énergie relativement basse. De tels paramètres d'implantation entraînent une pulvérisation du substrat, c'est à dire à une ablation partielle de ses premières couches atomiques. Or l'énergie d'implantation conditionne directement la profondeur de pénétration des ions implantés, profondeur qui doit être adaptée à l'épaisseur souhaitée de l'oxyde thermique. Cette épaisseur est faible dans le cadre des applications en nanotechnologies. Si l'énergie d'implantation vaut de l'ordre de 40 keV, le phénomène de pulvérisation ne peut être négligé. II est donc préférable, avant de procéder à l'implantation, de disposer un écran sur le substrat tel qu'une couche mince d'oxyde thermique de quelques dizaines de nanomètres d'épaisseur, typiquement 30 nanomètres. Le substrat se trouve ainsi protégé car c'est l'oxyde qui est pulvérisé et non sa face supérieure FS. En référence à la figure 2b, suite à la première implantation, un deuxième masque E2 est réalisé sur le substrat SU. Ce masque E2 prend la forme de deux bandes, la première recouvrant la moitié gauche du premier canal C11 et la deuxième recouvrant la moitié gauche du deuxième canal C12. Le substrat est soumis à une deuxième implantation ionique, à la suite de quoi le deuxième masque E2 est enlevé. Il s'ensuit que le substrat présente maintenant successivement en partant de la gauche un premier sous-canal C101 là où les deux masques El, E2 ont été présents, un second sous-canal C102 là où seul le premier masque El était présent, un troisième sous-canal C103 là où seul le deuxième masque E2 était présent et un quatrième sous-canal C104 là où il n'y a eu aucun masque. La dose appliquée lors de la deuxième implantation est telle que le quatrième sous-canal C104 présente un dopage en phosphore de 1,65.102 cm3. Si un écran a été disposé sur le substrat avant la première implantation, il est préférable de l'enlever par gravure une fois que la deuxième implantation a été pratiquée. En référence à la figure 2c, le substrat SU est maintenant soumis à une oxydation thermique à 920 C pendant 90 minutes par exemple. Tout comme cela a été expliqué précédemment, cette oxydation produit successivement, en partant de la gauche du substrat, une première M1, une deuxième M2, une troisième M3 et une quatrième M4 marches qui forment un escalier montant si on l'emprunte de la première M1 à la dernière M4 marche. En vis-à-vis de ces marches, apparaissent respectivement un premier N1, un deuxième N2, un troisième N3 et une quatrième N4 niveaux qui figurent l'interface entre l'oxyde thermique et le silicium du substrat. Le dispositif de calibration peut être utilisé pourvu de l'oxyde thermique mais il est également possible de graver l'oxyde auquel cas les quatre niveaux NI, N2, N3, N4 forment un escalier descendant si on l'emprunte du premier NI au dernier N4 niveau. La gravure de l'oxyde peut être réalisée par voie humide ou par voie sèche. Dans le vocable voie sèche on englobe la gravure plasma, la gravure ionique réactive et la gravure par faisceau d'ions. La gravure humide est particulièrement recommandée dans le cas présent car elle offre une très grande sélectivité sur le dioxyde de silicium par rapport au silicium. II apparaît ainsi que la présente invention permet de réaliser un escalier en dioxyde de silicium ou en silicium. Si l'on procède à n étapes d'implantation distinctes, on peut obtenir un escalier de 2n marches ou 2n niveaux. En référence à la figure 3, à titre d'exemple, n vaut 3. Avant de procéder à l'oxydation qui suit la deuxième implantation dans le procédé décrit ci-dessus, un troisième masque E3 est réalisé sur le substrat SU. Ce masque E3 prend la forme de quatre rubans, le premier recouvrant la moitié gauche du premier sous-canal C101, le deuxième recouvrant la moitié gauche du deuxième sous-canal C102, le troisième recouvrant la moitié gauche du troisième sous-canal C103 et le quatrième recouvrant la moitié gauche du quatrième sous-canal C104. Le substrat est alors soumis à une troisième implantation ionique, à la suite de quoi le deuxième masque E3 est enlevé. Il s'ensuit que le substrat présente maintenant successivement en partant de la gauche une première section RI là où les trois masques El, E2, E3 ont été présents, une seconde section R2 là où seuls les premier El et deuxième E2 masques ont été présents, une troisième section R3 là où seuls le premier E1 et troisième E3 masques ont été présents, une quatrième section R4 là où seul le premier masque El a été présent, une cinquième R5, une sixième R6, une septième R7 et une huitième R8 section là où il n'y a eu aucun masque. Naturellement, si un écran a été disposé sur le substrat avant la première 30 implantation, il est préférable de ne pas l'enlever avant que la troisième implantation n'ait été pratiquée. Le substrat SU est maintenant soumis à une oxydation thermique. Jusqu'à présent, les marches ont été obtenues en faisant croître thermiquement du dioxyde de silicium sur le substrat en employant de l'oxygène dans le four de croissance. En effet, dans ce cas, la vitesse de croissance de la couche est fortement dépendante du dopage du silicium. Toutefois, l'invention serait encore applicable pour de faibles épaisseurs si au lieu du dioxyde de silicium on faisait croître de l'oxynitrure de silicium ou du nitrure de silicium. Le point important est de produire une couche par croissance thermique, couche dont la vitesse de croissance dépend du dopage du silicium. Pour terminer, il convient de préciser que le nombre maximum de marches de l'escalier est fixé par les limites des technologies employées. Les exemples de réalisation de l'invention présentés ci-dessus ont été choisis pour leur caractère concret. II ne serait cependant pas possible de répertorier de manière exhaustive tous les modes de réalisation que recouvre cette invention. En particulier, toute étape ou tout moyen décrit peut-être remplacé par une étape ou un moyen équivalent sans sortir du cadre de la présente invention. REVENDICATIONS 1) Dispositif de calibration sur un substrat SU en silicium formé, en sus d'un niveau de référence Nc, N4 par au moins deux niveaux distincts Ng-Nd, N1-N2-N3, caractérisé en ce que lesdits niveaux présentent des dopages distincts. 2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'un desdits niveaux Ng-Nc-Nd, N1-N2-N3-N4 au moins est surmonté d'une marche Mg-Mc-Md, M1-M2-M3-M4. 3) Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite marche Mg-Mc-Md, M1-M2-M3-M4 consiste en une couche qui a été obtenue par croissance thermique sur ledit substrat SU. 4) Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite couche est en dioxyde de silicium. 5) Procédé de réalisation d'un dispositif de calibration comprenant une étape de définition pour définir au moins deux sections distinctes Sg-Sd, C101-C102-C103, R1-R2-R3-R4-R5-R6-R7, d'une section de référence Sc, C104, R8 sur un substrat SU en silicium, caractérisé en ce que cette étape de définition consiste à doper à des taux différents lesdites sections différentes de ladite section de 25 référence. 6) Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite étape de définition est précédée d'une étape de protection consistant à recouvrir ledit substrat SU d'un écran. 7) Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite étape de définition est suivie d'une étape durant laquelle ledit écran est enlevé. 8) Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que le dopage des différentes sections est obtenu par implantation ionique. 9) Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que ladite étape de définition est suivie d'une étape de croissance thermique pour produire une couche de revêtement Mg-Mc-Md, M1-M2- M3-M4 sur ledit substrat. 10) Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que ladite étape de croissance thermique est suivie d'une étape durant laquelle ladite couche de revêtement Mg-Mc-Md, M1-M2-M3-M4 est enlevée. 11) Procédé selon l'une quelconque des revendication 9 ou 10, caractérisé en ce que ladite couche de revêtement Mg-Mc-Md, M1-M2-M3-M4 est en dioxyde de silicium.