Brevet FR2902575A1 — publié le 20071221

Appareil de caractérisation optique du dopage d'un substrat La présente invention concerne un appareil de caractérisation optique du dopage d'un substrat. En microélectronique, une opération courante consiste à doper avec une espèce active certaines zones d'un substrat, du silicium par exemple. Le problème se pose alors de maîtriser la concentration de l'espèce active dans la zone dopée. Le dopage est couramment réalisé au moyen d'un implanteur ionique à faisceau d'ions et une technique récente qui permet de doper le substrat sur une profondeur très faible fait appel à l'implantation ionique en mode immersion plasma. Selon cette technique, l'implantation d'un substrat consiste à l'immerger dans un plasma et à le polariser en tension négative, de quelques dizaines de Volts à quelques dizaines de kilovolts (généralement moins de 100 kV), ceci de façon à créer un champ électrique capable d'accélérer les ions du plasma vers le substrat. II va sans dire que la caractérisation du dopage en cours d'implantation ne peut être accomplie par une mesure électrique car le substrat est polarisé et le plasma est une source d'électrons secondaires dont l'effet sur la mesure n'est pas quantifiable. Plusieurs solutions ont été proposées pour estimer la concentration du 20 dopant. Une première solution consiste à mesurer la résistance carrée de la zone en utilisant la méthode connue de l'homme du métier comme méthode des quatre pointes. La mesure n'est possible qu'après un recuit du substrat si le dopage a été réalisé par implantation ionique. De plus, cette solution est 25 inapplicable lorsque la couche présente une très faible épaisseur ; les pointes traversant la couche, ce n'est plus la résistance de la zone dopée mais celle du substrat qui est mesurée. Une deuxième solution abordée dans le document US 2005 / 0 140 976 consiste à étudier la propagation d'une onde thermique générée optiquement 30 dans la zone dopée. Cette solution n'est pratiquement pas exploitable lorsque la zone est très mince du fait d'une sensibilité extrêmement limitée. Une troisième solution fait appel à l'ellipsométrie et, bien qu'elle présente certains avantages par rapport aux solutions précédentes, elle est très complexe à mettre en oeuvre. 35 Une quatrième solution permet d'estimer le dosage en tirant parti du fait que l'indice de réfraction d'un échantillon, autrement dit son coefficient de 2 réflexion, est fonction de sa concentration en dopant. Ainsi, le document US 2002 / 0 080 356 propose d'éclairer un échantillon en lumière polychromatique avec un faisceau présentant une incidence normale et de mesurer le faisceau réfléchi. La mesure est faite non pas sur le substrat mais sur un échantillon recouvert d'une résine dont l'indice varie fortement en fonction de la concentration de départ. Il s'agit donc là d'une méthode indirecte qui supporte toutes les limitations inhérentes à ce type de méthode. Le document US 2005 / 0 140 976 déjà cité combine donc une méthode de type thermique avec une mesure de réflectométrie en lumière polychromatique. Or si l'indice de réfraction dépend bien de la concentration en dopant, il dépend également de la longueur d'onde. Il s'ensuit que la précision de la mesure en est affectée. Ainsi, le document US 6,417,515 propose d'illuminer le substrat en lumière monochromatique et d'effectuer une mesure différentielle de réflectivité en utilisant un détecteur recevant une partie du faisceau incident et un détecteur recevant le faisceau réfléchi. On s'affranchit donc ici des variations de l'indice de réfraction en fonction de la longueur d'onde. Toutefois, la zone dopée n'étant pas optiquement isotrope, il en résulte une relative incertitude sur l'estimation de l'indice de réfraction. La présente invention a ainsi pour objet un appareil de caractérisation optique du dopage d'un substrat sensiblement amélioré tant au niveau de la précision qu'à celui de la sensibilité. Selon l'invention, un appareil de caractérisation optique du dopage d'un substrat comporte : - une source lumineuse monochromatique pour produire un faisceau incident selon un axe d'incidence, un détecteur pour mesurer la puissance d'un faisceau réfléchi selon un axe de réflexion, ces axes d'incidence et de réflexion se croisant en un point de mesure et formant 30 un angle de mesure non nul ; de plus, l'appareil comporte un polariseur disposé sur le trajet du faisceau incident. Le polariseur permet d'effectuer la mesure de réflectivité sur un axe optique identifié du substrat. 3 De préférence, le polariseur est ainsi agencé que le faisceau incident soit en mode transverse magnétique dans le plan d'incidence défini par les faisceaux incident et réfléchi. Dans cette configuration, la sensibilité de l'appareil de mesure est 5 optimale. Par ailleurs, l'appareil comporte un amplificateur différentiel recevant en entrées un signal de détection issu du détecteur et un signal de référence pour produire un signal de mesure. Avantageusement, le signal de référence est issu d'une alimentation de 10 référence délivrant une tension prédéterminée. En effet, lorsque la source lumineuse est suffisamment stable, il n'est pas nécessaire de recourir à une technique de mesure différentielle entre le faisceau réfléchi et le faisceau incident. Alternativement, l'appareil comportant un deuxième détecteur pour 15 mesurer la puissance du faisceau incident, le signal de référence est issu de ce deuxième détecteur. Selon une caractéristique additionnelle de l'invention, l'appareil étant adapté à un substrat en silicium prévu pour présenter un dopage nominal, la longueur d'onde de la source lumineuse correspond à un maximum relatif d'écart 20 de réflectivité entre le substrat non dopé et le substrat présentant le dopage nominal. A titre d'exemple, la longueur d'onde est comprise entre 400 et 450 nanomètres. En outre, l'angle d'incidence étant égal à la moitié de l'angle de mesure, 25 cet angle d'incidence vaut l'incidence de Brewster à plus ou moins 5 degrés près. Là encore, il s'agit de maximaliser la sensibilité de l'appareil. L'invention vise également un implanteur ionique comportant un appareil de caractérisation optique tel que spécifié ci-dessus. La présente invention apparaîtra maintenant avec plus de détails dans le 30 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 principe d'un premier mode de réalisation d'un appareil de caractérisation optique, et la figure 2, un schéma de principe d'un deuxième mode de réalisation 35 d'un appareil de caractérisation optique. 4 Les éléments présents dans les deux figures sont affectés d'une seule et même référence. En référence à la figure 1, selon un premier mode de réalisation, un appareil prévu pour caractériser optiquement un substrat SUB comporte une source lumineuse monochromatique LAS suivie d'un polariseur POL duquel est issu un faisceau incident I qui illumine ce substrat avec un angle d'incidence 0. Ce faisceau incident I atteint le substrat SUB en un point de mesure pour engendrer un faisceau réfléchi R. L'angle de mesure formé par les faisceaux incident I et réfléchi R vaut le double de l'angle d'incidence 0, étant entendu que la bissectrice de cet angle de mesure est perpendiculaire au plan du substrat SUB. Un détecteur DET est disposé sur le trajet du faisceau réfléchi R afin d'en restituer la puissance en produisant un signal de détection Vd. Un amplificateur différentiel AMP reçoit sur ses entrées d'une part ce 15 signal de détection Vd et d'autre part un signal de référence Vp pour produire sur sa sortie un signal de mesure Vm. L'origine de ce signal de référence sera explicitée plus loin. Le polariseur POL permet de solliciter le substrat selon un axe optique identifié. Il est cependant préférable d'orienter ce polariseur de sorte que le 20 faisceau incident 1 soit en mode transverse magnétique dans le plan d'incidence défini par les faisceaux incident 1 et réflechi R. Dans ce mode, à l'incidence dite de Brewster , la réflexion du faisceau incident I est minimale. Cet angle d'incidence particulier est défini par l'expression suivante où ni et n2 figurent respectivement l'indice de réfraction du milieu de transmission du faisceau 25 incident I et celui du substrat et où Re signifie partie réelle : tg0 = Re(n2) / Re(ni) Il convient de rappeler maintenant que l'indice du substrat n2 varie avec son niveau de dopage, si bien que l'incidence de Brewster n'est pas la même pour un substrat dopé et pour un substrat non dopé. 30 Ainsi, en adoptant un angle d'incidence voisin de l'incidence de Brewster, la puissance du faisceau réfléchi R est très faible mais, par contre, les variations du coefficient de réflexion du substrat SUB en fonction de l'indice de réfraction sont maximales. Il est donc souhaitable de fixer la valeur de l'angle d'incidence dans une 35 plage centrée sur la valeur de l'incidence de Brewster soit pour un substrat non dopé soit pour un substrat présentant le dopage maximal qu'il s'agit de caractériser. Pour du silicium non dopé à la longueur d'onde de 405 nanomètres, l'incidence de Brewster vaut 79,5 degrés. Dans ce cas, la plage recommandée s'étend de 74 à 84 degrés, soit une excursion de 5 degrés de part et d'autre de 5 la valeur centrale. Il convient aussi de rappeler que, pour un angle d'incidence donné, la réflectivité d'un substrat dopé rapportée à celle du substrat non dopé en fonction de la longueur d'onde de la source lumineuse a une allure pseudo-périodique présentant une succession de maximums relatifs. II est donc préférable de sélectionner une source qui corresponde à l'un de ces maximums, si ce n'est le plus élevé d'entre eux. A titre d'exemple, pour du silicium implanté, la longueur d'onde de la source devrait être comprise entre 400 et 450 nanomètres. Certains lasers présentent maintenant une très grande stabilité dans le temps. II s'ensuit que la puissance du faisceau incident I varie très peu. Dans ce cas, le signal de référence VO fourni à l'amplificateur AMP sera une tension de référence dérivée d'une alimentation stabilisée (non représentée sur la figure). Cette tension de référence V0 prendra avantageusement la valeur du signal de détection Vd obtenu suite à l'illumination d'un substrat non dopé. Il peut toutefois s'avérer nécessaire de s'affranchir d'éventuelles variations de puissance de la source lumineuse. Ainsi, en référence à la figure 2, selon un deuxième mode de réalisation, l'appareil de caractérisation optique comporte toujours une source lumineuse monochromatique LAS suivie d'un polariseur POL duquel est issu un faisceau incident I qui illumine ce substrat avec un angle d'incidence O. Comme auparavant, un premier détecteur DET1 est disposé sur le trajet du faisceau réfléchi R afin d'en restituer la puissance en produisant le signal de détection Vd. De même, l'amplificateur différentiel AMP reçoit sur ses entrées d'une 30 part ce signal de détection Vd et d'autre part un signal de référence V0 pour produire sur sa sortie un signal de mesure Vm. Ici, l'origine du signal de référence est différente. En effet, un séparateur optique SPL est interposé sur le trajet du faisceau incident I entre le polariseur POL et le substrat SUB pour dévier une 35 partie de ce faisceau en direction d'un deuxième détecteur DET2. De plus, un 6 atténuateur AU est disposé entre ce séparateur SPL et le deuxième détecteur DET2 qui produit maintenant le signal de référence Vo. L'atténuateur AU présente un coefficient d'atténuation tel que le signal de référence Vp corresponde sensiblement au signal de détection Vd obtenu suite à l'illumination d'un substrat non dopé. De la sorte, les deux détecteurs DET1, DET2 analysent des flux lumineux présentant des caractéristiques similaires. Il serait cependant envisageable de remplacer l'atténuateur optique AU par un atténuateur électronique agencé en aval du deuxième détecteur. L'appareil décrit ci-dessus peut être utilisé pour effectuer une caractérisation d'un substrat dopé, notamment pour réaliser une cartographie de ce substrat. II peut également être installé in situ, dans un implanteur ionique, pour contrôler le dopage en cours d'implantation. Les aménagements requis de l'implanteur ne sont pas plus détaillés car ils sont à la portée de l'homme du métier. Les exemples de réalisation de l'invention présentés ci-dessus ont été choisi eu égard à leur caractère concret. Il ne serait cependant pas possible de répertorier de manière exhaustive tous les modes de réalisation que recouvre cette invention. En particulier, tout moyen décrit peut être remplacé par un moyen équivalent sans sortir du cadre de la présente invention. REVENDICATIONS 1) Appareil de caractérisation optique du dopage d'un substrat (SUB) comportant : - une source lumineuse monochromatique (LAS) pour produire un faisceau incident (I) selon un axe d'incidence, - un premier détecteur (DET, DET1) pour mesurer la puissance d'un faisceau réfléchi (R) selon un axe de réflexion, lesdits axes d'incidence et de réflexion se croisant en un point de mesure i0 et formant un angle de mesure (20) non nul, caractérisé en ce qu'il comporte de plus un polariseur (POL) disposé sur le trajet dudit faisceau incident (I). 2) Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit polariseur 15 (POL) est ainsi agencé que ledit faisceau incident (I) soit en mode transverse magnétique dans le plan d'incidence défini par lesdits faisceaux incident (I) et réfléchi (R). 3) Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en 20 ce qu'il comporte un amplificateur différentiel (AMP) recevant en entrées un signal de détection (Vd) issu dudit premier détecteur (DET, DET1) et un signal de référence (Vo) pour produire un signal de mesure (Vm). 4) Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit signal de 25 référence (Vo) est issu d'une alimentation de référence délivrant une tension prédéterminée. 5) Appareil selon la revendication 3 caractérisé en ce que, comportant un deuxième détecteur (DET2) pour mesurer la puissance dudit faisceau 30 incident (I), ledit signal de référence (Vo) est issu de ce deuxième détecteur (DET2). 6) Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que, adapté à un substrat (SUB) en silicium prévu pour 35 présenter un dopage nominal, la longueur d'onde de ladite source 7lumineuse (LAS) correspond à un maximum relatif d'écart de réflectivité entre le substrat non dopé et le substrat présentant ledit dopage nominal. 7) Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite longueur 5 d'onde est comprise entre 400 et 450 nanomètres. 8) Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que, l'angle d'incidence (0) étant égal à la moitié dudit angle de mesure, cet angle d'incidence vaut l'incidence de Brewster plus io ou moins 5 degrés. 9) Implanteur ionique caractérisé en ce qu'il comporte un appareil conforme à l'une quelconque des revendications précédentes.