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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Analyse einer vergrabenen Schicht
eines Bauteils gemäß Patentanspruch
1 und ein Bauteil mit einer Ausnehmung gemäß Patentanspruch 7.
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In
den verschiedensten technischen Bereichen und insbesondere in der
Halbleitertechnik ist es vorteilhaft, vergrabene Schichten zu vermessen.
In Abhängigkeit
vom Aufbau des Bauteils, insbesondere vom Aufbau eines Halbleiterbauteils
ist es relativ aufwändig,
eine vergrabene Schicht zu vermessen. Dies trifft insbesondere für die Herstellung
von DRAM-Speicherbausteinen
zu. Die Vermessung von physikalischen, geometrischen und chemischen
Eigenschaften der vergrabenen Schicht ist für eine präzise Steuerung des Herstellungsprozesses
oder eine schnellere Entwicklung vorteilhaft.
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Derzeit
werden zur Untersuchung von vergrabenen Schichten verschiedene Techniken
eingesetzt. Die Verwendung von Sekundärelektronenmikroskopen ermöglicht die
Untersuchung von chemischen Parametern einer vergrabenen Schicht.
Jedoch können
physikalische Parameter dadurch nicht untersucht werden. Weiterhin
werden optische Streuverfahren eingesetzt, um komplexe Strukturen zu
erfassen. Dabei ist jedoch die Eindringtiefe von sichtbarem und
ultraviolettem Licht relativ klein. Eine Alternative besteht in
der Verwendung von Infrarotstrahlung, welche eine größere Eindringtiefe,
in z. B. Silizium hat. Jedoch ist bei Verwendung von Infrarotstrahlung
die Auflösung
reduziert, so dass auch dieses Verfahren Nachteile aufweist.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein verbessertes Verfahren
zur Analyse einer vergrabenen Schicht und ein Bauteil bereitzustellen,
das sich für
die Analyse einer vergrabenen Schicht eignet.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird durch das Verfahren gemäß Patentanspruch
1 und durch das Bauteil gemäß Patentanspruch
7 gelöst.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
verwendet eine elektromagnetische Strahlung, die über eine erste
Ausnehmung der Oberfläche
in das Bauteil eingestrahlt und über
eine zweite Ausnehmung der Oberfläche aus dem Bauteil ausgestrahlt
wird. Die erste Ausnehmung weist eine Einstrahlfläche und
die zweite Ausnehmung weist eine Ausstrahlfläche auf. Die Strahlung wird über die
Einstrahlfläche
in das Bauteil eingestrahlt wird und nach Zurücklegung einer Messstrecke
in einer vergrabenen Schicht über die
Ausstrahlfläche
wieder aus dem Bauteil herausgeführt.
Die elektromagnetische Strahlung, die das Bauteil verlässt, wird
analysiert und aufgrund der Analyse eine Aussage über chemische
und physikalische Eigenschaften des Bauteils getroffen. Dabei werden
die Einflüsse
der vergrabenen Schicht auf die elektromagnetische Strahlung und
die Veränderung der
elektromagnetischen Strahlung beim Durchlaufen der vergrabenen Schicht
verwendet, um eine Aussage über
physikalische und/oder chemische Parameter der vergrabenen Schicht
treffen zu können. Durch
die Anordnung der Ausnehmungen auf der Oberfläche des Bauteils ist ein einfacher
Zugang zur vergrabenen Schicht gegeben.
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Das
vorgeschlagene Analyseverfahren ist für den gesamten Wafer zerstörungsfrei.
Es treten nur lokale Zerstörungen
im Bereich der Ausnehmungen auf.
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Das
erfindungsgemäße Bauteil
weist wenigstens zwei, im Allgemeinen mehrere Ausnehmungen in einer
Oberfläche
mit einer Einstrahl- bzw. Ausstrahlfläche auf, wobei zwischen der
Einstrahlfläche und
der Ausstrahlfläche
die zu untersuchende vergrabene Schicht angeordnet ist. Die Einstrahl-
und die Ausstrahlfläche
sind in der Weise ausgebildet, dass eine elektromagnetische Strahlung über die Einstrahlfläche in eine vergrabene
Schicht des Bauteils einstrahlbar ist und dass über die Ausstrahlfläche die
elektromagnetische Strahlung aus dem Bauteil wieder ausstrahlbar
ist. Auf diese Weise ist es möglich,
ohne eine Zerstörung
des Bauteils die vergrabene Schicht über das Einstrahlen und das
Ausstrahlen einer elektromagnetischen Strahlung zu untersuchen,
die von der Oberfläche
her ein- und über die
Oberfläche
ausgestrahlt wird.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen
der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen
angegeben.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird die elektromagnetische Strahlung in verschiedenen Tiefen durch
die vergrabene Schicht gesendet und die für jede Tiefe aus dem Bauteil
ausgestrahlte Strahlung ausgewertet. Auf diese Weise wird eine Information über chemische
und/oder physikalische Parameter der vergrabenen Schicht entlang
einer Tiefenachse erhalten.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird bei der Durchführung
des Verfahrens eine Einstrahl- und/oder eine Ausstrahlfläche verwendet,
die reflektierend ausgebildet ist und die elektromagnetische Strahlung
in die vergrabene Schicht einstrahlt bzw. aus der vergrabenen Schicht
zu einer Messapparatur zurückstrahlt.
Durch die Verwendung einer reflektierenden Einstrahl- und/oder Ausstrahlfläche ist
eine einfache und effiziente Durchführung des Verfahrens möglich. Als
reflektierende Schicht kann z. B. Platin oder Wolfram verwendet
werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird eine Einstrahl- und/oder eine Ausstrahlfläche verwendet, die eine brechende
Wirkung auf die elektromagnetische Strahlung ausübt und die elektromagnetische
Strahlung, die auf die Einstrahl- und/oder die Ausstrahlfläche auftrifft,
in das Bauteil einkoppelt bzw. aus dem Bauteil auskoppelt. Die Verwendung
einer brechenden Fläche
zum Ein- bzw.
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Auskoppeln
stellt eine weitere einfache Ausführungsform dar, mit der die
elektromagnetische Strahlung in das Bauteil ein- bzw. aus dem Bauteil ausgekoppelt werden
kann.
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In
einer vorteilhaften Ausführung
ist das Bauteil ein Halbleiterwafer, auf dem vergrabene Schichten
angeordnet sind, die über
Ausnehmungen in der Oberfläche
für elektromagnetische
Strahlen zugänglich
sind.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen
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1 eine
Ansicht auf eine Oberseite eines Halbleiterbauteils,
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2 einen
Querschnitt durch das Bauteil der 1,
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3 eine
schematische Darstellung einer Tiefenvermessung der vergrabenen
Schicht,
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4 eine
weitere Ausführungsform
eines Bauteils mit einer brechenden Einstrahl- bzw. Ausstrahlfläche.
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1 zeigt
in einer schematischen Darstellung eine Aufsicht auf ein Bauteil 1,
das in der gewählten
Ausführungsform
als Wafer mit einem Halbleiterbauteil ausgebildet ist. Der Wafer
ist beispielsweise als Siliciumwafer ausgebildet und weist eine Vielzahl
von Halbleiterbauteilen auf. Als Halbleiterbauteil können verschiedenste
einfache Strukturen aber auch komplexe Strukturen wie DRAM-Speicherbausteine
angeordnet sein. Das Bauteil 1 weist eine Oberfläche 2 auf,
unter der eine vergrabene Schicht 3 angeordnet ist. Die
vergrabene Schicht 3 kann sich bis zur Oberfläche 2 erstrecken
oder von einer weiteren Schicht abgedeckt sein. Die vergrabene Schicht 3 ist
zwischen einer ersten und einer zweiten Ausnehmung 4, 5 angeordnet.
Die erste und die zweite Ausnehmung 4, 5 sind
in das Halbleiterbauteil mithilfe einer Methode, welche glatte Oberflächen mit
definiertem Schnittwinkel erzeugt, eingebracht. Hierzu kann z. B.
eine fokussierte Ionenstrahl oder eine anisotrope Ätztechnik
unter Verwendung entsprechender Masken verwendet werden. Die erste
und die zweite Ausnehmung 4, 5 sind von der Oberfläche 2 her
für das
Einstrahlen und das Ausstrahlen einer elektromagnetischen Strahlung
zugänglich.
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Je
nach Ausführung
der Erfindung können auch
eine Vielzahl von Ausnehmungen zum Ein- und Ausstrahlen der elektromagnetischen
Strahlung verwendet werden.
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2 zeigt
einen Querschnitt durch das Bauteil 1 der 1. Über dem
Bauteil 1 ist eine Messanordnung vorgesehen, die eine Strahlquelle 6, eine
Steuereinheit 7 und eine Empfangseinheit 8 aufweist.
Die Steuereinheit 7 ist über eine Steuerleitung mit
der Strahlquelle 6 und über
eine Auswerteleitung mit der Empfangseinheit 8 verbunden.
Die Steuereinheit 7 steuert die Strahlquelle 6 in
der Weise an, dass eine elektromagnetische Strahlung 9 mit
festgelegten Parametern in die erste Ausnehmung 4 eingestrahlt wird.
Die verwendete elektromagnetische Strahlung kann eine Wellenlänge zwischen
dem Infrarotbereich und dem ultravioletten Bereich aufweisen. Vorzugsweise
wird die Wellenlänge
der Strahlung an das zu untersuchende Material angepasst, so dass
eine gewünschte
Auflösung
und eine ausreichende Durchstrahlung erreicht wird. Insbesondere
eignet sich auch sichtbares Licht für viele Materialien. Die elektromagnetische
Strahlung 9 trifft dabei auf eine Einstrahlfläche 10 des
Bauteils 1, die die elektromagnetische Strahlung 9 seitlich
in die vergrabene Schicht 3 reflektiert. Nach dem Durchstrahlen
der vergrabenen Schicht 3 verlässt die elektromagnetische
Strahlung 9 die vergrabene Schicht 3 und trifft
auf eine Ausstrahlfläche 11,
die in der zweiten Ausnehmung 5 an einer Fläche des
Bauteils 3 ausgebildet ist. Die Ausstrahlfläche 11 ist
in dem dargestellten Ausführungsbeispiel
ebenfalls als reflektierende Fläche
ausgebildet, die die elektromagnetische Strahlung 9 nach
oben aus dem Bauteil 1 herauslenkt und zu einer Empfangseinheit 8 führt. Die
reflektierende Fläche
der Einstrahl- und der Ausstrahfläche 10, 11 wird beispielsweise
durch eine Platinschicht oder Wolframschicht dargestellt, die z.
B. über
ein CVD-Abscheideverfahren aufgebracht wurde.
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In
der Empfangseinheit 8 wird die elektromagnetische Strahlung
empfangen und an die Steuereinheit 7 weitergeleitet. In
der Steuereinheit 7 werden verschiedene physikalische Parameter,
wie z.B. Wellenlänge,
Polarisationsrichtung, Amplitude der Strahlung usw. analysiert.
Die Steuereinheit 7 ermittelt aufgrund des Vergleichs der
physikalischen Parameter der von der Strahlenquelle 6 ausgesandten
elektromagnetischen Strahlung 9 und der von der Empfangseinheit 8 empfangenen
elektromagnetischen Strahlung 9 chemische und/oder physikalische und/oder
geometrische Parameter der vergrabenen Schicht 3. Dazu
ist die Steuereinheit 7 mit einem Datenspeicher 12 verbunden,
indem Referenzwerte für eine Änderung
der elektromagnetischen Strahlung in Abhängigkeit von verschiedenen
chemischen, geometrischen und physikalischen Parametern der vergrabenen
Schicht 3 abgelegt sind. Aus dem Vergleich mit den abgelegten
Referenzwerten ermittelt die Steuereinheit 7 chemische
und/oder physikalische und/oder geometrische Parameter der vergrabenen Schicht 3.
Die Vergleichswerte werden entweder nach entsprechenden Modellen
theoretisch berechnet oder über
Vergleichsmessungen ermittelt.
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3 zeigt
in einer schematischen Darstellung eine bevorzugte Ausführungsform
des Messverfahrens, bei dem verschiedene Tiefen der vergrabenen
Schicht 3 analysiert werden. Dabei werden elektromagnetische
Strahlungen 9 in unterschiedlichen Tiefen durch die vergrabene
Schicht 3 geführt
und analysiert. Aufgrund der in Form einer schräg angeordneten Einstrahlfläche 10 wird
die unterschiedliche Einstrahltiefe in die vergrabene Schicht 3 durch
eine horizontale Einstrahlposition festgelegt. Im dargestellten
Ausführungsbeispiel
wird die elektromagnetische Strahlung 9 umso tiefer in
die vergrabene Schicht 3 eingestrahlt, umso näher die
elektromagnetische Strahlung 9 an der vergrabenen Schicht 3 in die
erste Ausnehmung 4 eingestrahlt wird. Die verschiedenen
elektromagnetischen Strahlungen 9 können entweder nacheinander
oder gleichzeitig in die verschiedenen Tiefen der vergrabenen Schicht 3 eingestrahlt
werden. In entsprechender Art und Weise werden die von der Ausstrahlfläche 11 reflektierten elektromagnetischen
Strahlungen 9 von der Empfangseinheit 8 empfangen
und von der Steuereinheit 7 ausgewertet. Auf diese Weise
kann ein Tiefenprofil über
chemische und/oder physikalische und/oder geometrische Parameter
der vergrabenen Schicht 3 angefertigt werden. Versuche
haben gezeigt, dass mit einem fokussierten Lichtstrahl Auflösungen in
der Tiefe der vergrabenen Schicht 3 von bis zu 1 μm erreicht
werden.
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In
den 2 und 3 sind die Einstrahl- und Ausstrahlfläche 10, 11 in
einem 45°-Winkel
geneigt zur Oberfläche 2 angeordnet.
Zudem sind die Seitenflächen 12, 13, über die
die elektromagnetische Strahlung 9 in die vergrabene Schicht 3 eingestrahlt
bzw. ausgestrahlt wird, im 90°-Winkel
zur Oberfläche 2 angeordnet.
Auf diese Weise ist eine effiziente Einkopplung der elektromagnetischen
Strahlung 9 in die vergrabene Schicht 3 möglich.
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4 zeigt
eine weitere Ausführungsform
eines Bauteils, bei dem als Einstrahlfläche 10 und als Ausstrahlfläche 11 brechende
Flächen
verwendet werden. Beim Auftreffen der elektromagnetischen Strahlung 9 auf
die brechende Einstrahlfläche 10 wird die
elektromagnetische Strahlung 9 in die vergrabene Schicht 3 hineingelenkt.
Dazu ist die Einstrahlfläche 10 auf
einer Seitenfläche
der vergrabenen Schicht 3 ausgebildet. Ebenso wird die
durch die vergrabene Schicht 3 geführte elektromagnetische Strahlung 9 beim
Auftreffen auf die brechende Ausstrahlfläche 11 nach oben in
Richtung auf die Empfangseinheit 8 gebrochen und aus der
vergrabenen Schicht 3 herausgelenkt.
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In
Abhängigkeit
von der Ausführungsform kann
eine reflektierende Einstrahlfläche
mit einer brechenden Ausstrahlfläche
oder eine brechende Einstrahlfläche
mit einer reflektierenden Ausstrahlfläche kombiniert sein.
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Die
vergrabene Schicht 3 kann sowohl bei brechenden oder reflektierenden
Einstrahl- und Ausstrahlflächen
aus verschiedensten Materialien und Strukturen bestehen. Beispielsweise
kann die vergrabene Schicht 3 aus einer Vielzahl von parallel
angeordneten Leiterbahnen ausgebildet sein, die einen festgelegten
minimalen Abstand zueinander aufweisen. Die Leiterbahnen sind als
Gerade ausgebildet und zwischen der ersten und der zweiten Ausnehmung 4, 5 angeordnet.
Wird nun über
das beschriebene Verfahren über
die erste Ausnehmung 5 elektromagnetische Strahlung 9 in
Form von Licht in die Leiterbahnstruktur eingestrahlt und über die
zweite Ausnehmung 5 wieder herausgestrahlt und von der Empfangseinheit 8 empfangen,
so kann aufgrund der Unterschiede zwischen der eingestrahlten elektromagnetischen
Strahlung und der ausgestrahlten elektromagnetischen Strahlung ein
Rückschluss
auf die Abstände
der Leiterbahnen gezogen werden.
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Das
beschriebene Verfahren eignet sich zudem insbesondere dazu, um dielektrische
Strukturen als vergrabene Schichten zu analysieren. Dielektrische
Strukturen mit einer starken periodischen Variation im Brechungsindex,
beispielsweise Hohlräumen im
Silizium, stellen so genannte photonische Kristalle dar. In photonischen
Kristallen wird die Ausbreitung von elektromagnetischer Strahlung
für festgelegte Wellenlängen (Energien)
unterdrückt.
Die Unterdrückung
der festgelegten Wellenlängen
wird durch eine Photonenbandlücke
erzeugt, durch die eingestrahlte elektromagnetische Strahlung mit
der passenden Wellenlänge
absorbiert wird. Dies tritt typischerweise dann auf, wenn die Periodizität der Änderung
des Brechungsindex in der Größenordnung
der Wellenlänge
der elektromagnetischen Strahlung 9 liegt. Da die photonische
Bandlücke
von der Periodizität,
der Form und dem Füllfaktor
der dielektrischen Struktur abhängt,
kann das Messen der photonischen Bandlücke genutzt werden, um die
Geometrie der dielektrischen Struktur zu charakterisieren. Der für typische DRAM-Grabenstrukturen
interessante Wellenlängenbereich
liegt zwischen 200 und 400 nm Wellenlänge. Aufgrund einer starken
Lichtabsorption in Si licium kann diese Nachweismethode nicht für Siliciumwafer
in diesem Wellenlängenbereich
angewendet werden. Jedoch ist der Wellenlängenbereich und das beschriebene
Messverfahren interessant für
nicht absorbierende Materialien, wie z.B. Oxide und Nitride als
vergrabene Schichten 3. Größere periodische Strukturen,
die in Silicium ausgebildet sind, können mit elektromagnetischer
Strahlung analysiert werden, die eine nicht absorbierende Wellenlänge aufweisen,
wie beispielsweise Infrarotlicht.
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Das
Bauteil kann beispielsweise als mikro-elektro-mechanisches System
ausgebildet sein, insbesondere als Wafer mit einer Vielzahl von
mikro-elektro-mechanischen Systemen.
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In
mikro-elektro-mechanischen Systemen (MEMS), in Biochips oder in
sogenannten Lab-on-a-chip Bauelementen sind die Strukturen relativ
groß und
liegen im Bereich weniger μm
oder weniger 10 μm.
Bei der Verwendung von MEMS auf einem Siliciumsubstrat kann zur
Analyse Infrarotlicht verwendet werden. Das Siliciumsubstrat ist
bei Infrarotlicht transparent und das Infrarotlicht weist eine Wellenlänge auf,
die um Größenordnungen
größer ist als
die Größe der minimalen
Abstände
der periodisch angeordneten Strukturen des Siliciumwafers. Damit kann
mit dem beschriebenen Verfahren eine vergrabene Struktur eines MEMS-Wafers
effektiv analysiert werden.
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Ein
wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass optische
Parameter einer vergrabenen Schicht eines Bauteils, insbesondere
eines Halbleiterbauteils, wie z.B. einem DRAM, insbesondere eines
Siliciumwafers mit einer Vielzahl von Halbleiterbauteilen gemessen
werden, die mit physikalischen Parametern, wie Form, Größe und chemischen
Parametern, wie z.B. der Materialzusammensetzung des Bauteils, korrelieren.
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- 1
- Bauteil
- 2
- Oberfläche
- 3
- vergrabene
Schicht
- 4
- erste
Ausnehmung
- 5
- zweite
Ausnehmung
- 6
- Strahlquelle
- 7
- Steuereinheit
- 8
- Empfangseinheit
- 9
- Strahlung
- 10
- Einstrahlfläche
- 11
- Ausstrahlfläche
- 12
- Datenspeicher