DE10029286C2 - Verfahren zur Überwachung von Stickstoffprozessen - Google Patents

Verfahren zur Überwachung von Stickstoffprozessen

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwa­ chung von Stickstoffprozessen. Die vorliegende Erfindung be­ trifft insbesondere ein Verfahren zur Überwachung von Stick­ stoffprozessen in der Halbleiterfertigung.
In der Fertigung von integrierten Halbleiterbauelementen wer­ den häufig Stickstoffprozesse zur Erzeugung von Nitridschich­ ten und/oder Stickstoffprozesse zum Einbringen von Stickstoff in bereits vorhandene Materialschichten benötigt. Typische Beispiele für derartige Stickstoffprozesse sind die Erzeugung einer Siliziumnitridschicht als Speicherdielektrikum oder als Teils des Speicherdielektrikums in Speicherkondensatoren, die Erzeugung einer Siliziumnitridschicht als Maskenschicht für das LOCOS-Verfahren sowie die Erzeugung von Siliziumnitrid­ schichten als sogenannte "Pad Nitride", die als Ätz- oder Po­ lierstoppschichten verwendet werden. Darüber hinaus werden Nitridschichten bzw. Oxynitridschichten als Tunnelschichten an der Grenzfläche zwischen einem vergrabenen Kontakt und der leitenden Füllung eines Grabenkondensators eingesetzt. Eine derartige Tunnelschicht ist in der europäischen Patentanmel­ dung EP 0 977 266 A1 offenbart, auf die hiermit Bezug genom­ men wird. Insbesondere bei der zuletzt genannten Anwendung ist die Erzeugung einer genau definierten Nitrid- bzw. Oxyni­ tridschicht von großer Bedeutung. Dementsprechend hohe Anfor­ derungen müssen an die eingesetzten Stickstoffprozesse ge­ stellt werden.
Zur Kontrolle der Stickstoffprozesse wurde bisher in der Re­ gel die sogenannte "Sekundärionen-Massenspektroskopie" (SIMS) oder die sogenannte "Auger-Elektronen-Spektroskopie" (AES) eingesetzt. Bei der Sekundärionen-Massenspektroskopie wird die Probenoberfläche, in diesem Fall beispielsweise eine Ni­ trid- bzw. Oxynitridschicht, im Hochvakuum mit einem Primär- Ionenstrahl (O, Cl, Ar u. a. Gase) beschossen, wodurch ioni­ sierte Teilchen aus der Oberfläche herausgeschlagen werden. Diese Sekundärionen werden dann in einem Massenspektrometer analysiert. Die Sekundärionen-Massenspektroskopie besitzt den Vorteil, dass bis in den ppb-Bereich fast alle Elemente (auch Isotope) nachgewiesen werden können. Auf diese Weise kann auf den Stickstoffgehalt der untersuchten Schicht und damit auf die Qualität des verwendeten Stickstoffprozesses geschlossen werden.
Bei der Auger-Elektronen-Spektroskopie wird die Probenober­ fläche mit einem Primär-Elektronenstrahl beschossen, wodurch die Atome an der Probenoberfläche in einem tiefliegenden Energieniveau (K- oder L-Schale) ionisiert werden. Wird das so erzeugte Loch in dem tiefliegenden Energieniveau durch ein Elektron aus einem höheren Energieniveau wieder aufgefüllt, kann die dabei freiwerdende Energie strahlungslos auf ein weiteres Elektron eines höheren Energieniveaus übertragen werden, das dann als sogenanntes "Auger-Elektron" das Atom verläßt. Durch ein Ausmessen der kinetischen Energie der Au­ ger-Elektronen kann die Atomart in der Probenoberfläche be­ stimmt werden. Da Auger-Elektronen nur aus einer geringen Tiefe einer Probenoberfläche austreten, ist die Auger-Elek­ tronen-Spektroskopie eine sehr leistungsfähige Methode um dünnste Oberflächenschichten zu analysieren.
Leider handelt es sich sowohl bei der Sekundärionen-Massen­ spektroskopie als auch bei der Auger-Elektronen-Spektroskopie um sehr aufwendige und damit sehr teure Verfahren, die übli­ cherweise nicht in einer Produktionsumgebung eingesetzt wer­ den können.
Aus der im Artikel "BERRUYER, P.; BRUEL, M.: Nitrogen implan­ tation for local inhibition of oxidation; in: Appl. phys. lett., 1987, Vol. 50, No. 2, 89-91" ist ein Verfahren bekannt, bei dem die Qualität einer partiellen Nitridierung einer anoxidierten Siliziumoberfläche anhand ei­ nes Dickenunterschiedes der aufgebrachten Oxidschicht zwi­ schen dem Stickstoff-Implantationsbereich und dem Nicht-Stickstoff-Im­ plantationsbereich festgestellt wird. Um die Nitridierungs­ qualität anhand der Stufenhöhe zu bestimmen, wird eine zu­ sätzliche Maskierung der Siliziumoberfläche vorgenommen, wodurch die Gebiete für die erforderliche Nitridimplantation festgelegt werden.
Aus der US 5 672 521 ist ein Verfahren bekannt, bei dem ein Oxidwachstum auf einer Siliziumscheibe durch eine Stickstoff-Implanta­ tion gesteuert wird, wobei die Stickstoff-Implantation überwacht wird.
Aus dem Artikel "KIM, M. J.; GHEZZZO, M.: Characterization of Implanted Nitride for VLSI Application; in: J. Electrochem. Soc., 1984, Vol. 131, No. 8, S. 1934-1941" sind Verfahren zum Charakterisieren von Stickstoff-Implantationen in Oxidschichten beschrieben.
Aus der EP 0 631 308 A2 ist ein Verfahren zum Steuern der Gateoxiddicke durch eine Stickstoff-Implantation bekannt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein vereinfachtes und kostengünstiges Verfahren zum Bestimmen der Qualität ei­ ner Nitridierung auf einer Siliziumoberfläche bereit zu stel­ len.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 ge­ löst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den abhängigen An­ sprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Überwachung von Stick­ stoffprozessen bereit gestellt, das folgende Verfahrens­ schritte aufweist.
  • a) Bereitstellen einer Siliziumoberfläche,
  • b) Einbringen von Stickstoff in eine Siliziumoberflächen­ sicht und/oder Erzeugen einer Nitridschicht an der Si­ liziumoberfläche durch Ausführen eines Stickstoffpro­ zesses, der eine Wärmebehandlung in einer NH3 oder N2 Atmosphäre vorsieht,
  • c) Erzeugen einer Oxidschicht durch thermisches Oxidieren der mit dem Stickstoffprozess behandelten Siliziumober­ flächen über einen vorgegebenen Zeitraum, und
  • d) Bestimmen der Dicke der Oxidschicht als inverses Maß für den Stickstoffgehalt an der mit dem Stickstoffpro­ zess behandelten Siliziumoberfläche.
Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt die Tatsache, dass ein oberflächennaher Einbau von Stickstoff in das Silizium bzw. eine dünne Siliziumnitridschicht an der Siliziumoberfläche die Sauerstoffdiffusion während der nachfolgenden thermischen Oxidation behindert. Dementsprechend wird die Oxidationsrate der thermischen Oxidation verringert und das Wachstum der Oxidschicht auf der Siliziumoberfläche behindert. Die Dicke der Oxidschicht kann somit als inverses Maß für den Stickstoffgehalt bzw. die Qualität des Stickstoffprozesses verwendet werden.
Die bisher eingesetzten Verfahren zur Überwachung von Stick­ stoffprozessen (SIMS, AES) basieren auf einem direkten Nach­ weis der Stickstoffatome. Derartige direkte Nachweise einer Atomsorte sind jedoch sehr aufwendig. Das erfindungsgemäße Verfahren verzichtet auf einen direkten Nachweiß der Stick­ stoffatome wodurch sich die Überwachung von Stickstoffprozes­ sen deutlich schneller und kostengünstiger durchführen läßt. Das erfindungsgemäße Verfahren besitzt darüber hinaus den Vorteil, dass der für die Überwachung in der Regel einge­ setzte Testwafer bei dieser Überwachung nicht zerstört wird und damit als sogenannter "Dummy" in weiteren Prozessen ein­ gesetzt werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die Oxidschicht durch eine thermische Oxidierung bei einer Temperatur zwi­ schen 800° und 1100°C, bevorzugt 900°C, erzeugt. Weiterhin ist es bevorzugt, wenn die Oxidschicht durch eine thermische Oxidierung über einen Zeitraum von 10 bis 30 min, bevorzugt 20 min, erzeugt wird. Dabei ist es insbesondere bevorzugt, wenn die Oxidschicht als Naßoxid erzeugt wird.
Die Dicke der Oxidschicht kann mit einer Reihe von Verfahren bestimmt werden. Beispielsweise kann die Dicke der Oxid­ schicht durch Laserinterferometrie gemessen werden. Gemäß ei­ ner weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Dicke der Oxidschicht durch Ellipsometrie bestimmt. Weiterhin ist es bevorzugt, wenn die Siliziumoberfläche vor dem Stickstoffpro­ zeß nasschemisch gereinigt wird und insbesondere das sogenannte "natürliche Oxid" von der Siliziumoberfläche entfernt wird.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1-3 eine schematischer Darstellung einer Ausfüh­ rungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, und
Fig. 4 einen Vergleich der Meßwerte des erfindungs­ gemäßen Verfahrens mit den Meßwerten der Au­ ger-Elektronen-Spektroskopie.
Fig. 1 zeigt ein im wesentlichen monokristallines Silizium­ substrat 1, von dessen Oberfläche 2 das sogenannte natürliche Oxid durch eine nasschemische Reinigung ("HF-Dip") entfernt wurde. Das Siliziumsubstrat 1 besitzt die Form eines Wafers und es wird als Testwafer mit weiteren Produktionswafer einem Stickstoffprozeß ausgesetzt.
Im vorliegenden Beispiel wird das Siliziumsubstrat 1 einer Wärmebehandlung in einer NH3 oder N2 Atmosphäre ausgesetzt. Zum Beispiel kann eine thermische Nitrid-Tunnelschicht in ei­ nem Vertikalofen für mehrere Wafer bei 780°C und 1 Torr unter NH3 Atmosphäre gebildet werden. Alternativ kann eine thermi­ sche Nitrid-Tunnelschicht in einem Einscheiben-Clustertool bei 800°C und 100 Torr unter NH3 Atmosphäre gebildet werden. Der Stickstoffprozeß führt zu einem Einbau von Stickstoffatomen in die Siliziumoberfläche 2 bzw. zur Bildung einer Sili­ ziumnitridschicht (Oxynitridschicht) an der Siliziumoberflä­ che 2. Die sich daraus ergebende Situation ist in Fig. 2 ge­ zeigt.
Zur Überwachung des Stickstoffprozesses wird im folgenden auf der Siliziumoberfläche 2 über einen vorgegebenen Zeitraum eine Oxidschicht 4 erzeugt. Dabei wird die Oxidschicht 4 durch eine thermische Oxidierung erzeugt. Im vorliegenden Beispiel wird die Oxidschicht 4 als sogenanntes Naßoxid er­ zeugt. Dazu werden für etwa 20 min bei einer Temperatur von etwa 900°C 8000 sccm Wasserstoff H2, 4800 sccm Sauerstoff O2 und 100 sccm HCl auf das Siliziumsubstrat 1 geführt. Aufgrund der thermischen Oxidation bildet sich an der Siliziumoberflä­ che 2 eine Oxidschicht 4 mit einer Dicke von etwa 25 nm. Wäre das Siliziumsubstrat nicht einem Stickstoffprozeß unterzogen worden, so würde die Dicke der Oxidschicht 4 etwa 30 nm be­ tragen. Aus dieser Differenz kann auf die Stickstoffmenge und somit auf die Qualität des Stickstoffprozesses geschlossen werden. Die sich daraus ergebende Situation ist in Fig. 3 gezeigt.
Im vorliegenden Beispiel wird die Dicke der Oxidschicht 4 durch Ellipsometrie bestimmt. Dazu wird an mehreren Punkten linear polarisiertes Licht unter einem vorgegebenen Winkel auf die Oxidschicht 4 gestrahlt. Das von der Oberfläche re­ flektierte Licht ist im allgemeinen elliptisch polarisiert. Die Form und Ausrichtung der elliptischen Polarisation hängt dabei im wesentlichen von den Reflexionseigenschaften der be­ strahlten Oberfläche ab. Diese Reflexionseigenschaften der bestrahlten Oberfläche hängen wiederum von der Dicke der Oberflächenschicht ab, wodurch sich dieses Verfahren zur Be­ stimmung der Schichtdicke einsetzen läßt.
Fig. 4 zeigt einen Vergleich der Meßwerte des erfindungsgemä­ ßen Verfahrens mit den Meßwerten der Auger-Elektronen-Spek­ troskopie. Man erkennt, dass immer wenn Auger-Elektronen- Spektroskopie einen hohen Wert für das Stickstoffsignal lie­ fert, die Oxidschicht 4 eine geringe Dicke aufweist. Dementsprechend beinhaltet das erfindungsgemäße Verfahren hinsicht­ lich des Stickstoffgehalts im wesentlichen die gleiche Informa­ tion, wie die wesentlich aufwendigere Auger-Elektronen-Spek­ troskopie.
Durch die Verwendung einer relativ einfachen thermischen Oxi­ dation und einer relativ einfachen Schichtdickenbestimmung kann mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens die Qualität des Stickstoffprozesses bestimmt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt somit eine einfache und kostengünstige Überwachung von Stickstoffprozessen, so dass es zur routine­ mäßigen Überwachung von Stickstoff in einer Produktionsumge­ bung eingesetzt werden kann.
Bezugszeichenliste
1
Siliziumsubstrat
2
Oberfläche des Siliziumsubstrats
4
Oxidschicht

Claims (6)

1. Verfahren zur Überwachung von Stickstoffprozessen mit den Schritten:
  • a) Bereitstellen einer Siliziumoberfläche,
  • b) Einbringen von Stickstoff in eine Siliziumoberflächenschicht und/oder Erzeugen einer Nitridschicht an der Siliziumoberfläche durch Ausführen eines Stickstoffprozesses, der eine Wärmebehandlung in einer NH3 oder N2 Atmosphäre vorsieht,
  • c) Erzeugen einer Oxidschicht durch thermisches Oxidieren der mit dem Stickstoffprozess behandelten Siliziumoberfläche über einen vorgegebenen Zeitraum, und
  • d) Bestimmen der Dicke der Oxidschicht als inverses Maß für den Stickstoffgehalt an der mit dem Stickstoffprozess behandelten Siliziumoberfläche.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Oxidschicht durch eine thermische Oxidierung bei einer Temperatur zwischen 800° und 1100°C, bevorzugt 900°C, erzeugt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Oxidschicht durch ein thermisches Oxidieren über einen Zeitraum von 10 bis 30 min, bevorzugt 20 min. erzeugt wird.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Oxidschicht als Nassoxid erzeugt wird.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Dicke der Oxidschicht durch Ellipsometrie bestimmt wird.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Siliziumoberfläche vor dem Stickstoffprozess nasschemisch gereinigt wird.
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