DE10317748B4

DE10317748B4 - Verfahren zur Überprüfung von Isoliergrabenätzungen in SOI-Scheiben mittels einer Teststruktur

Info

Publication number: DE10317748B4
Application number: DE2003117748
Authority: DE
Inventors: Ralf Lerner
Original assignee: X Fab Semiconductor Foundries GmbH
Current assignee: X Fab Semiconductor Foundries GmbH
Priority date: 2003-04-17
Filing date: 2003-04-17
Publication date: 2008-10-30
Anticipated expiration: 2023-04-18
Also published as: DE10317748A1

Abstract

Verfahren zur Überprüfung von Isoliergrabenätzungen in SOI-Scheiben mittels einer auf eine SOI-Scheibe aufgebrachten Teststruktur, mit den Schritten:
Aufbringen der Teststruktur auf die SOI-Scheibe mittels Isoliergrabenätzung, die zu einer Reihe zusammenhängender Inseln (A-E) führt, von der jede mit einem Graben unterschiedlicher, in Stufen von Insel zu Insel zunehmender Breite umgeben ist, wobei die in der aktiven Schaltung vorkommende relevante Isoliergrabenbreite als Breite eingeschlossen ist, und ein Teil des umgebenden Grabens jeder Insel mit Ausnahme derjenigen mit dem breitesten Isoliergraben, ein gemeinsame Stück mit dem Graben der benachbarten Insel bildet, derart, dass dieses Teil die größere Breite des benachbarten Grabens mit dem nächst größeren Breitenmaß in der Reihe hat; und Überprüfung der Isoliergrabenätzungen nach Abschluss des Ätzvorganges durch eine Überprüfung des elektrischen Widerstandes sukzessive zwischen jeweils zwei benachbarten Inseln oder zwischen einer Insel und der Umgebung der Insel außerhalb der Teststruktur; und Beurteilung der hinreichenden Tiefe der geätzten Isoliergräben mittels der...

Description

Es wird ein Verfahren mit einer einfachen Teststruktur zur Überprüfung von Isoliergrabenätzungen in SOI-Scheiben beschrieben. Die Teststruktur ist so aufgebaut, daß nach der Ätzung eine Reihe von durch unterschiedlich breite zusammenhängende Gräben voneinander getrennte Inseln entsteht. Durch Messungen des elektrischen Widerstandes zwischen je zwei benachbarten Inseln oder zwischen den einzelnen Inseln und dem umgebenden Scheibenmaterial kann die Ätztiefe schnell kontrolliert werden.
Zur Integration von Niederspannungslogikelementen und Hochspannungsleistungselementen in ein und demselben Siliziumschaltkreis ist es nötig, Chipbereiche mit unterschiedlichen Potentialen voneinander zu isolieren. Eine Möglichkeit dazu ist die dielektrische Isolation mittels geätzter und wieder aufgefüllter Gräben (Trench-Isolation). Dabei wird eine vertikal wirkende Isolation zwischen Bauelement und Substrat durch eine vergrabene isolierende Schicht (üblicherweise Siliziumdioxid; prinzipiell sind aber auch andere Schichten denkbar) realisiert. Eine lateral wirkende Isolation wird erreicht durch das Ätzen eines Grabens (Trench) bis auf die vergrabene isolierende Schicht (Isoliergraben) und ein anschließendes Wiederauffüllen dieses tiefen Grabens mit isolierenden Schichten. Dabei kann auch nur ein Teil des geätzten Grabens durch isolierende Materialien aufgefüllt werden; das restliche Auffüllen des Grabens kann dann auch durch leitende Füllschichten (z. B. Polysilizium) erfolgen. Durch sogenannte Planarisierungsschritte, z. B. geignete Ätzverfahren oder chemisch-mechanisches Polieren, wird eine Einebnung der Oberfläche erreicht. Der Stand der Technik ist z. B. in den Patentschriften EP 1 184 902 A1 und EP 1 220 312 A1 dargestellt.
Bezüglich der Tiefe der zu ätzenden Gräben treten verschiedene Probleme auf:
Um die elektrische Isolation in lateraler Richtung, d. h. von einer zu isolierenden „Insel" zu einer benachbarten zu gewährleisten, muß ein Durchgreifen des Isoliergrabens bis auf das vergrabene Oxid sichergestellt werden. Übliche Verfahren stoßen hierbei an ihre physikalischen Grenzen: Die übliche Endpunkterkennung anhand der geänderten Zusammensetzung des Ätzplasmas (Sauerstoffionen im Ätzplasma vorhanden, wenn die vergrabene Oxidschicht erreicht ist) versagt, wenn der Anteil der zu ätzenden Flächen zu gering wird. Optische Verfahren gestalten, sich zunehmend schwierig, wenn das Aspektverhältnis (d. h. Verhältnis Breite zu Tiefe) zu klein wird. Ein zu langes Ätzen wiederum bewirkt aufgrund einer Rückstreuung der Ätzionen einen Ätzangriff auf die unteren Seitenwände der geätzten Gräben und muß nach Möglichkeit vermieden werden. Zusätzlich ist natürlich im Sinne eines möglichst hohen Anlagendurchsatzes die Ätzzeit nicht übertrieben lange zu wählen.
Kontrollmethoden zur Überprüfung von Grabenätzungen sind aus der Patentliteratur bekannt. In der US 6 071 822 A zur Kontrolle des Unterschneidens der Grabenseitenwände eine Test-Ätzmaske verwendet, welche streifenartig mit unterschiedlicher Streifenbreite in Reihe parallel nebeneinander liegende einfache Gräben entstehen läßt. Durch einen Schliff senkrecht zur Scheibenoberfläche und zur Grabenlängsausdehnung kann dieses Unterätzen in Abhängigkeit von der Streifenbreite optisch erfaßt werden. Diese Methode ist nicht zerstörungsfrei und daher wegen der Beschädigung der Prozeßscheiben (Strukturdefekte und Verunreinigungen) für die Scheibenkontrolle im SOI-Prozeß nicht geeignet.
Um die genaue Einstellung einer Tiefenätzung in einem Widerstandsmaterial geht es in der US 6 342 401 B1 . Die Teststruktur ist so aufgebaut, daß zwischen zwei Kontakten ein langgestreckter Graben liegt. Der Wert des Widerstandes zwischen den beiden Kontakten wird exakt gemessen und ist ein Maß für die Grabentiefe. Herbei geht es um die Einstellung eines bestimmten Widerstandes zwischen zwei Kontaktpunkten, indem der elektrisch leitende Kristallbereich teilweise weggeätzt wird. Diese Verfahren ist zur einfachen Überprüfung der vollen Isolationswirkung von ringförmigen Isoliergräben nicht geeignet.
Um ein Tiefenmeßverfahren von Gräben, insbesondere von solchen, die auf unterschiedlichen Schichten enden, geht es in der US 6 275 297 B1 . Das eingesetzte optische Verfahren ist apparativ aufwendig. Es ist für die für SOI-Isoliergrabenätzkontrolle im SOI-Fertigungsprozeß nicht nur wegen des hohen Aufwandes sondern auch für die Einsenkungen mit sehr kleinem Aspektverhältnis nicht geeignet.
Die genaue Kontrolle des Ätzprozesses zur Erzeugung von Gräben in Halbleiterscheiben unter Zuhilfenahme von pn-Übergängen (Ätzung bis zum pn-Übergang) durch gleichzeitige Registratur des Sperrstromes des sperrgespannten pn-Überganges während der Ätzung ist der Gegenstand der US 6 127 237 A Dieses Verfahren ist für die Kontrolle der Ätzung von ringförmigen Isoliergräben der SOI-Technologie nicht geeignet.
Zweck der Erfindung ist es, die technologische Sicherheit bei der Ätzung von Isoliergräben zu erhöhen, um Ausschuß zu vermeiden bzw. Kosten zu sparen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfach zu handhabende und sichere Methode zur Erkennung des Zeitpunktes der Durchätzung der Isoliergräben auf die vergrabene Isolierschicht anzugeben.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Verwendung einer Teststruktur gelöst, mit eine Reihe zusammenhängender Inseln, von der jede nach der Ätzung mit einem Graben unterschiedlicher, in Stufen von Insel zu Insel zunehmender Breite unter Einschluß der in der aktiven Schaltung vorkommenden Breite umgeben ist, wobei ein Teil des umgebenden Grabens jeder Insel, mit Ausnahme derjenigen mit dem breitesten Isoliergraben, ein gemeinsames Stück mit der benachbarten Insel bildet, derart, daß dieses Teil eine größere Breite, nämlich die des Grabens mit dem nächst breiteren Maß in der Reihe hat.
Unter den meisten Randbedingungen ist die Ätzrate zu einem gewissen Maß von der Breite der zu ätzenden Gräben abhängig, d. h. je breiter der Graben, umso besser findet ein Austausch der Ätzspezies statt und umso größer wird die Ätzrate. So werden bei geeigneter Prozeßführung bzw. geeignetem Layout der Breiten die breiteren Gräben bereits durchgeätzt sein, während die schmalen Gräben noch nicht vollständig bis auf das vergrabene Oxid ausgeätzt sind.
Durch eine elektrische Messung der Leitfähigkeit jeweils zwischen zwei benachbarten Inseln über den gemeinsamen Isolationsgraben hinweg, kann eine ausreichend tiefe Ätzung überprüft und kontrolliert werden. Bei unzureichender Tiefe des Ätzprozesses, d. h. der betreffende Isolationsgraben reicht nicht bis auf das vergrabene Oxid, kann ein um Größenordnungen höherer Stromfluß bzw. kleinerer Widerstand festgestellt werden als bei ausreichender Tiefe des geätzten Grabens. Zweckmäßigerweise mißt man die Leitfähigkeit bzw. den Widerstand sukzessive zwischen den einzelnen Inseln, z. B. beginnend mit der Insel des schmalsten Grabens oder/und zwischen jeweils einer der Inseln und dem umliegenden Scheibengebiet, womit festgestellt werden kann, welche der Isolationsgräben bereits durchgeätzt sind und welche nicht. Anhand einer solchen Teststruktur kann sowohl eine ausreichend tiefe Ätzung geprüft werden (alle breiteren Gräben als der in der aktiven Schaltung verwendete Bezugsgraben und der Bezugsgraben sind durchgeätzt und die restlichen mit geringeren Breiten nicht) als auch eine unnötig lange Ätzzeit (die schmaleren Gräben als der betreffende Bezugsgraben sind durchgeätzt) festgestellt werden.
Beispielhaft ist eine erfindungsgemäße Teststruktur schematisch in 1 abgebildet.
1 zeigt eine Reihe von zusammenhängenden quadratischen Inselgebieten. Die Umrandungen der Inselgebiete kennzeichnen die nach der Ätzung unterschiedlich breiten Isoliergrabengebiete. Die Grabenbreiten der einzelnen Inseln nehmen von A nach E zu.
1a ist die Draufsicht, 1b eine Schnittdarstellung der Isoliergräben nach einer bestimmten Ätzzeit.

1

1: isolierende Schicht, z. B. SiO₂
2: aktive Si-Schicht
A-E: Inseln, umgeben von Gräben unterschiedlicher Breite

Claims

Verfahren zur Überprüfung von Isoliergrabenätzungen in SOI-Scheiben mittels einer auf eine SOI-Scheibe aufgebrachten Teststruktur, mit den Schritten: Aufbringen der Teststruktur auf die SOI-Scheibe mittels Isoliergrabenätzung, die zu einer Reihe zusammenhängender Inseln (A-E) führt, von der jede mit einem Graben unterschiedlicher, in Stufen von Insel zu Insel zunehmender Breite umgeben ist, wobei die in der aktiven Schaltung vorkommende relevante Isoliergrabenbreite als Breite eingeschlossen ist, und ein Teil des umgebenden Grabens jeder Insel mit Ausnahme derjenigen mit dem breitesten Isoliergraben, ein gemeinsame Stück mit dem Graben der benachbarten Insel bildet, derart, dass dieses Teil die größere Breite des benachbarten Grabens mit dem nächst größeren Breitenmaß in der Reihe hat; und Überprüfung der Isoliergrabenätzungen nach Abschluss des Ätzvorganges durch eine Überprüfung des elektrischen Widerstandes sukzessive zwischen jeweils zwei benachbarten Inseln oder zwischen einer Insel und der Umgebung der Insel außerhalb der Teststruktur; und Beurteilung der hinreichenden Tiefe der geätzten Isoliergräben mittels der Größe des Widerstandes.