Brevet FR2961010A1 — publié le 20111209

Dispositif de mesure de dose pour l'implantation ionique en mode immersion plasma La présente invention concerne un dispositif de mesure de dose pour l'implantation ionique en mode immersion plasma. Le domaine de l'invention est celui des implanteurs ioniques opérant mode immersion plasma. Ainsi, l'implantation ionique 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 de sorte qu'ils s'y implantent. Les atomes ainsi implantés sont dénommés dopants. La profondeur de pénétration des ions est déterminée par leur énergie d'accélération. Elle dépend d'une part de la tension appliquée au substrat et d'autre part de la nature respective des ions et du substrat. La concentration d'atomes implantés dépend de la dose qui s'exprime en nombre d'ions par cm' et de la profondeur d'implantation. Un des paramètres essentiels lors de l'implantation est la dose des dopants implantés. Cette dose doit être connue avec précision. Elle est obtenue par intégration des charges positives atteignant le substrat. Ainsi, le document US 6,050,218 décrit un collecteur de charges pour estimer la dose d'implantation en immersion plasma. Le collecteur placé sous le substrat est une cage de Faraday qui collecte une partie des ions du plasma. On en déduit le courant d'implantation. Seules les ions positifs sont pris en compte. Les documents WO 01 41183 et WO 00 08670 traitent également de la dosimétrie en implantation ionique. C'est encore un collecteur du type cage de Faraday qui est utilisé pour récupérer une partie des ions positifs. Ce collecteur jouxte le substrat. Le document WO 2005 / 104175 propose de limiter le biais de cette estimation en disposant une pluralité de collecteurs sur des rayons différents par rapport au centre du substrat. L'estimation est améliorée car la mesure se fait tout autour du substrat. Cependant, elle ne prend pas en compte les inhomogénéités radiales du plasma qui sont conséquentes. II convient toutefois de remarquer que les charges positives ne sont pas dues seulement aux ions positifs atteignant le substrat, maïs qu'elles proviennent 35 aussi de la génération d'électrons secondaires libérés à la surface du substrat. Sur les implanteurs par faisceau d'ions, les électrons secondaires sont peu énergétiques, si bien qu'on peut les ramener vers le substrat au moyen d'une cage de Faraday qui entoure ce dernier, cette cage est fermée optiquement par une barrière de potentiel négatif. Sur un implanteur fonctionnant en mode immersion plasma, les électrons secondaires sont accélérés avec une énergie sensiblement identique à celle des ions positifs du plasma, si bien qu'il est beaucoup plus difficile de les ramener vers le substrat. Tous les dispositifs connus jusqu'à présent considèrent donc uniquement 10 les charges positives. L'invention se propose d'apporter une amélioration à cette situation. Selon l'invention, un dispositif de mesure de dose comporte un module d'estimation du courant d'implantation et, de plus, il comporte un détecteur d'électrons secondaires ainsi qu'un un circuit de contrôle pour estimer le courant 15 ionique par différentiation du courant d'implantation et du courant issu du détecteur d'électrons secondaires. Ce détecteur d'électrons secondaires fournit une indication en temps réel sur l'émission d'électrons par le substrat. Suivant un mode de mise en oeuvre privilégié de l'invention, le détecteur 20 d'électrons secondaires comporte un collecteur supportant exclusivement trois électrodes isolées les unes des autres : - une première électrode de répulsion pour repousser les charges à écarter d'un signe prédéterminé, cette électrode étant munie d'au moins une ouverture pour permettre le passage des électrons, 25 une deuxième électrode de répulsion pour repousser les charges à écarter du signe opposé, cette électrode étant aussi munie d'au moins une ouverture pour permettre le passage des électrons, - une électrode de sélection, cette électrode étant également munie d'au moins une ouverture pour permettre le passage des électrons, 30 les ouvertures de ces électrodes s'appuyant sur un cylindre de conduction. D'autre part, le collecteur se présente comme une coupelle. Suivant une caractéristique additionnelle de l'invention, les électrodes sont en aluminium. 35 De préférence, l'espacement entre deux électrodes consécutives est compris entre 6 et 10 mm. Idéalement, les ouvertures desdites électrodes ont une surface comprise entre 15 et 30 mm2. Suivant un premier mode de réalisation du détecteur d'électrons secondaires, les électrodes sont constituées par des grilles. Avantageusement, la transparence de ces grilles est supérieure à 50%. Il est de plus souhaitable que, la distance entre deux grilles consécutives étant notée h, le diamètre des orifices de ces grilles étant noté D, le rapport h/D soit supérieur à 1. Suivant un second mode de réalisation du détecteur d'électrons secondaires, les électrodes sont constituées par des par des anneaux. De même, la distance entre deux anneaux consécutifs étant notée h, le diamètre du cylindre de conduction étant noté D, le rapport h/D est supérieur à 1. On améliore encore la mesure si le dispositif comporte de plus un spectromètre pour estimer la proportion d'une espèce ionique prédéterminée, le circuit de contrôle comprenant des moyens pour affecter cette proportion au courant ionique. II peut être par ailleurs souhaitable de prévoir au moins un détecteur d'électrons secondaires additionnel. La présente invention apparaîtra maintenant avec plus de détails dans le 20 cadre de la description qui suit d'exemples de réalisation donnés à titre illustratif en se référant aux figures jointes parmi lesquelles - la figure 1 représente un implanteur en coupe schématique verticale, - la figure 2 représente une vue en coupe schématique d'un premier mode de réalisation d'un détecteur selon l'invention, 25 - la figure 3 représente une vue en coupe schématique d'un second mode de réalisation d'un détecteur, plus particulièrement - la figure 3a, une première variante de ce second mode de réalisation, et - la figure 3b, une seconde variante de ce second mode de 30 réalisation. Les éléments présents sur plusieurs figures sont affectés d'une seule et même référence. Tel que représenté sur la figure 1, un implanteur ionique comporte plusieurs éléments agencés à l'intérieur et à l'extérieur d'une enceinte à vide 35 ENV. Pour les applications microélectroniques, il est préconisé d'utiliser une enceinte en alliage d'aluminium si l'on souhaite limiter la contamination en éléments métalliques tels que Fer, Chrome, Nickel ou Cobalt. Un revêtement en silicium ou en carbure de Silicium peut aussi être utilisé. Un plateau porte substrat PPS, se présentant sous la forme d'un disque à plan horizontal, mobile autour de son axe vertical AXT, reçoit le substrat SUB devant subir l'implantation ionique. Il est relié à une alimentation électrique haute tension HT raccordée d'autre part à la masse. La partie supérieure de l'enceinte ENV reçoit le corps de source CS, cylindrique, d'axe vertical AXP. Ce corps est en quartz. Il est extérieurement entouré, d'une part par des bobines de confinement BOCi, BOCj, et d'autre part par une antenne radiofréquence ANT extérieure. L'entrée de gaz plasmagène ING est coaxiale à l'axe vertical AXP du corps de source CS. Cet axe vertical AXP rencontre la surface du plateau porte substrat PPS sur lequel est disposé le substrat à implanter SUB. Il est possible d'utiliser tout type de source plasma pulsée : décharge, ICP (pour « Inductively Coupled Plasma » en anglais) , Helicon, micro-ondes, arc. Ces sources doivent travailler à des niveaux de pression suffisamment faibles pour que le champ électrique créé entre le plateau PPS à haute tension et l'enceinte ENV à la masse n'allume pas un plasma de décharge qui vienne perturber le fonctionnement pulsé de la source. Plus précisément, le dispositif de mesure de dose comporte un module d'estimation du courant d'implantation CUR qui joue le rôle d'un ampèremètre connecté entre le porte-substrat PPS et la masse. Le courant d'implantation peut d'ailleurs être délivré directement par l'alimentation haute tension HT qui polarise le substrat SUB. II comporte également un détecteur d'électrons secondaires DSE et il comporte encore un circuit de contrôle CC pour estimer la densité surfacique du courant ionique par différentiation de la densité surfacique du courant d'implantation et de celle du courant issu du détecteur d'électrons secondaires. Le détecteur d'électrons secondaires DSE est disposé face au substrat SUB. On peut améliorer sensiblement la mesure de dose d'une espèce ionique donnée en disposant un spectromètre SPC, par exemple un spectromètre de masse ou un spectromètre optique, dans l'enceinte ENV . Ce spectromètre identifie la proportion de cette espèce dans le plasma et la fournît au circuit de contrôle CC qui la prend en compte. A titre d'exemple, la dose est estimée en multipliant le courant ionique par cette proportion. On améliore encore le dispositif si l'on prévoit plusieurs détecteurs d'électrons secondaires répartis au-dessus du substrat. Il est ainsi possible de contrôler l'homogénéité d'implantation. En référence à la figure 2, selon un premier mode de réalisation, ce 5 détecteur DSE comprend un collecteur COL en forme de coupelle ou de cloche. Ce collecteur COL est relié à la masse par l'intermédiaire d'un ampèremètre AMP qui mesure le courant d'électrons secondaires. Le collecteur COL est surmonté d'un premier isolateur D2 lui-même surmonté d'une première grille G2 électriquement conductrice. ~o La première grille G2 est surmontée d'un deuxième isolateur D3 lui- même surmonté d'une deuxième grille G3 électriquement conductrice. La deuxième grille G3 est surmontée d'un troisième isolateur D4 lui- même surmonté d'une troisième grille G4 électriquement conductrice. L'espacement entre les grilles G2-G3, G3-G4 est de préférence compris 15 entre 6 et 10 mm. Il vaut typiquement 8 mm. La transparence, pour mémoire, se définit comme le rapport de la surface des ouvertures d'une grille à la surface totale de cette grille. Dans le cas présent, la transparence doit être très élevée, de préférence supérieure à 50%. Ces ouvertures doivent par ailleurs présenter une surface relativement 20 importante de sorte qu'elles ne captent pas les espèces chargées qui doivent atteindre le collecteur. Avantageusement, cette surface est comprise entre 15 et 30 mm2. A titre d'exemple, une ouverture circulaire présente un diamètre de l'ordre de 5 mm. Le détecteur doit remplir les fonctions suivantes 25 - récupérer les électrons secondaires énergétiques sur le collecteur COL, - récupérer les électrons secondaires faiblement énergétiques sur le collecteur lorsqu'ils résultent de l'impact des électrons énergétiques, - repousser les ions et les électrons faiblement énergétiques du plasma. Il convient également d'éviter la création d'un plasma ou d'un arc au sein 30 du détecteur du fait des tensions de polarisation appliquées sur les grilles G2, G3, G4. Pour ce faire, on pourra se référer à la loi de Paschen. Le détecteur ne doit pas apporter des espèces contaminantes pour le plasma. Pour les applications du domaine de la microélectronique, le choix de l'aluminium pour les conducteurs et de l'alumine pour les isolants est avantageux. 35 ll faut également éviter de perturber le plasma engendré au sein de l'implanteur ionique. La première grille G2 est polarisée au moyen d'un premier câble L2 à une tension négative inférieure à 120 volts, typiquement 100 volts, par référence au collecteur COL. La deuxième grille G3 est polarisée au moyen d'un deuxième câble L3 à 5 une tension positive inférieure à 120 volts, typiquement 100 volts, par référence au collecteur COL. La troisième grille G4 est polarisée au moyen d'un troisième câble L4 à une tension négative inférieure à 60 volts, typiquement 50 volts, par référence au collecteur COL. En fait, selon ce premier mode de réalisation, le détecteur comporte une pluralité d'ouvertures, les ouvertures correspondant aux orifices alignés des trois grilles. Ainsi, ces ouvertures sont alignées sur un cylindre de conduction de diamètre D. 15 En notant donc D le diamètre de ces ouvertures et h la distance qui sépare deux grilles, le rapport h/D a un ordre de grandeur de l'ordre de 1,5 et est en tout cas de préférence supérieur à 1. Selon un second mode de réalisation, le détecteur ne présente plus une pluralité d'ouvertures mais il présente une structure tubulaire présentant une 20 seule ouverture. En référence à la figure 3a, selon une première variante, le collecteur P se présente maintenant comme un plateau. Ce collecteur est surmonté d'un premier anneau isolant 12, lui-même surmonté d'un premier anneau conducteur A2. Le diamètre interne de ces deux premiers anneaux vaut D. L'épaisseur du 25 premier anneau isolant 12 est sensiblement plus importante que celle du premier anneau conducteur A2 et la somme de ces deux épaisseurs vaut h. Le premier anneau conducteur A2 est surmonté d'un deuxième anneau isolant 13, lui-même surmonté d'un deuxième anneau conducteur A3. Ces deuxièmes anneaux 13, A3 ont la même géométrie que les premiers 30 anneaux 12, A2. Le deuxième anneau conducteur A3 est surmonté d'un troisième anneau isolant 14, lui-même surmonté d'un troisième anneau conducteur A4. Ces troisièmes anneaux 14, A4 ont eux aussi la même géométrie que les premiers anneaux 12, A2. 35 Le collecteur P est ici encore raccordé à la masse par un ampèremètre AMP, 2961010 T La géométrie reproduit celle des ouvertures du premier mode de réalisation. Ainsi, le rapport h/D est de préférence supérieur à 1. Le premier A2, le second A3, respectivement le troisième anneau conducteur A4 sont polarisés comme la première G2, la deuxième G3, respectivement la troisième grille G4 du premier mode de réalisation. En référence à la figure 3b, selon une deuxième variante, le collecteur P se présente toujours comme un plateau. Ce collecteur est surmonté d'une première bague isolante S2, elle-même surmontée d'une première bague conductrice T2. Le diamètre interne de ces deux premières bagues vaut encore lo D. L'épaisseur de la première bague isolante S2 est par contre sensiblement plus faible que celle de la première bague conductrice T2 et la somme de ces deux épaisseurs vaut toujours h. La première bague conductrice T2 est surmontée d'une deuxième bague isolante S3, elle-même surmontée d'une deuxième bague conductrice T3. 15 Ces deuxièmes bagues S3, T3 ont la même géométrie que les premières bagues S2, T2. De même, la deuxième bague conductrice T3 est surmontée d'une troisième bague isolante S4, elle-même surmontée d'une troisième bague conductrice T4. Ces troisièmes bagues S4, T4 ont elles aussi la même géométrie 20 que les premières bagues S2, T2. Ici encore, la géométrie reproduit celle des ouvertures du premier mode de réalisation. Ainsi, le rapport h/D est de préférence supérieur à 1. En fait, selon cette seconde variante, les bagues sont analogues aux anneaux de la première variante, mais les épaisseurs des éléments isolants et 25 conducteurs sont inversées. Les exemples de réalisation de l'invention présentés ci-dessus ont été choisis eu égard à leurs caractères concrets. 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 30 équivalent sans sortir du cadre de la présente invention. REVENDICATIONS1) Dispositif de mesure de dose pour l'implantation ionique, dispositif comportant un module d'estimation du courant d'implantation (CUR), 5 caractérisé en ce que, comportant un détecteur d'électrons secondaires (DSE), il comporte encore un circuit de contrôle (CC) pour estimer le courant ionique par différentiation dudit courant d'implantation et du courant issu dudit détecteur d'électrons secondaires. 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que, ledit détecteur d'électrons secondaires énergétiques comportant un collecteur (COL, P) supportant exclusivement trois électrodes isolées les unes des autres : - une première électrode de répulsion (G2, A2, T2) pour repousser les 15 charges à écarter d'un signe prédéterminé, cette électrode étant munie d'au moins une ouverture pour permettre le passage des électrons, - une deuxième électrode de répulsion (G3, A3, T3) pour repousser les charges à écarter du signe opposé, cette électrode étant aussi munie 20 d'au moins une ouverture pour permettre le passage des électrons, - une électrode de sélection (G4, A4, T4), cette électrode étant également munie d'au moins une ouverture pour permettre le passage des électrons, les ouvertures desdites électrodes s'appuient sur un cylindre de 25 conduction (D). 3) Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit collecteur (COL) se présente comme une coupelle. 30 4) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que lesdites électrodes (G2-A2-T2, G3-A3-T3, G4-A4-T4) sont en aluminium. 5) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en 35 ce que l'espacement entre deux électrodes (G2-G3, G3-G4) consécutives est compris entre 6 et 10 mm. i0 15 6) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que les ouvertures desdites électrodes (G2-A2-T2, G3-A3-T3, G4-A4-T4) ont une surface comprise entre 15 et 30 mm2. 7) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que lesdites électrodes sont constituées par des grilles (G2, G3, G4). 8) Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que la transparence desdites grilles (G2, G3, G4) est supérieure à 50%. 9) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 ou 8 caractérisé en ce que, la distance entre deux grilles consécutives étant notée h, le diamètre des orifices desdites grilles étant noté D, le rapport h/D est supérieur à 1. 10) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que lesdites électrodes sont constituées par des anneaux (A2-T2, A3-T3, A4-T4). 20 11) Dispositif selon la revendication 10 caractérisé en ce que, la distance entre deux anneaux consécutifs étant notée h, le diamètre dudit cylindre de conduction étant noté D, le rapport h/D est supérieur à 1. 12) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes 25 caractérisé en ce que, comportant de plus un spectromètre pour estimer la proportion d'une espèce ionique prédéterminée, ledit circuit de contrôle (CC) comprend des moyens pour affecter ladite proportion audit courant ionique. 30 13) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un détecteur d'électrons secondaires additionnel.