DE10346850B4

DE10346850B4 - Verfahren zum Ermitteln einer Eigenschaft einer strukturierten Schicht

Info

Publication number: DE10346850B4
Application number: DE10346850A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Mantz; Peter Weidner; Ralph Wienhold; Pierre-Yves Guittet
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2003-10-09
Filing date: 2003-10-09
Publication date: 2005-12-15
Anticipated expiration: 2023-10-10
Also published as: US20050118735A1; DE10346850A1

Abstract

Verfahren zum Ermitteln einer lateralen Abmessung oder eines Volumens einer Ausnehmung in einer Schicht an einer Oberfläche eines Substrats oder einer Eigenschaft eines Materials, das in der Ausnehmung angeordnet ist, mit folgenden Schritten:
Bestrahlen (102) der Schicht (10) mit der Ausnehmung (16) mit einer elektromagnetischen Abtast-Strahlung mit einer Wellenlänge, die größer ist als eine laterale Abmessung der Ausnehmung (16);
Empfangen (104) einer elektromagnetischen Antwort-Strahlung, die aus einer Wechselwirkung zwischen der Abtast-Strahlung mit der Schicht (10) und der Ausnehmung (16) hervorgeht;
Bestimmen (106) von Charakterisierungsdaten, welche die Wechselwirkung zwischen der Schicht (10) mit der Ausnehmung (16) und der Abtast-Strahlung charakterisieren, aus der empfangenen elektromagnetischen Antwort-Strahlung, wobei die Charakterisierungsdaten die laterale Abmessung oder das Volumen der Ausnehmung (16) oder die Eigenschaft des in der Ausnehmung (16) angeordneten Materials abbilden; und
Ermitteln (108, 110, 112, 114) der lateralen Abmessung oder des Volumens der Ausnehmung (16) oder der Eigenschaft des...

Description

Verfahren zum Ermitteln einer Eigenschaft einer strukturierten Schicht
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Ermitteln einer Eigenschaft einer strukturierten Schicht an einer Oberfläche eines Substrats, insbesondere einer lateralen Abmessung oder eines Volumens einer Ausnehmung in der Schicht oder einer Eigenschaft eines Materials, das in der Ausnehmung angeordnet ist.
In integrierten Schaltungen werden Einzelbauelemente auf einem Chip in immer geringerem gegenseitigen Abstand angeordnet. Gegenwärtig beträgt der Standard bei der DRAM-Technologie wenige 10 nm. Es treten deshalb zunehmend elektrische Wechselwirkungen, Übersprechen und Leckagen von kritischen Strömen auf. Um solche elektrische Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Bauelementen zu verhindern, werden Isolationsgräben zwischen den einzelnen Bauelementen verwendet. Eine große Verbreitung haben dabei insbesondere flache Isolationsgräben bzw. Shallow Isolation Trenches gefunden. Die Shallow Trench Isolation (STI) ist eine weit verbreitete Technologie. Sie hat in den vergangenen Jahren an Komplexität gewonnen und erfüllt heute sowohl die Anforderungen, die in Zusammenhang mit Logik-Produkten gestellt werden, als auch die Anforderungen, die in Zusammenhang mit Speicherprodukten oder in Speicher eingebettete Produkte (memory-embedded products) gestellt werden. Die Überwachung und Vermessung von Isolationsgräben ist dabei ein kritischer Prozessschritt. Besonders in Logik-Produkten sind Isolationsgräben in der Regel nicht regelmäßig oder symmetrisch angeordnet, sondern quasizufällig über den Wafer verteilt.
Das STI-Verfahren zum Erzeugen einer elektrischen Isolation zwischen einzelnen Bauelementen einer integrierten Schaltung besteht im Grunde darin, einen Graben zwischen den Bauelemen ten zu bilden, ein Oxid oder auch einen anderen Isolator mit einer Schichtdicke abzuscheiden, die größer ist als die Tiefe des Grabens, und den Überstand mittels chemisch-mechanischen Polierens (CMP) zu entfernen. Durch den CMP-Schritt wird die Oberfläche näherungsweise eben, und es wird jedes darüber hinausragende Oxid entfernt. Der Isolationsgraben umgibt dabei das elektrische Bauelement vorzugsweise im Wesentlichen vollständig, um es von anderen aktiven elektrischen Bereichen, insbesondere anderen elektronischen Bauelementen zu isolieren.
Um das Füllen des Isolationsgrabens und den CMP-Schritt effizient steuern und durchführen zu können, sind die Ätztiefe und das Grabenprofil als für den STI-Prozess kritische Parameter erster Ordnung zu überwachen. Um das elektrische Verhalten eines Bauelements, das durch einen Isolationsgraben, insbesondere einen flachen Isolationsgraben bzw. eine STI im Wesentlichen oder vollständig umschlossen ist, zu modellieren oder vorherzusagen, ist jedoch eine darüber hinausgehende, genauere Analyse erforderlich. Zu den Parametern, die für diesen Zweck relevant sind, zählen die Dicken und die physikalischen Eigenschaften (beispielsweise Leitfähigkeit, Dotierstoffkonzentration und Widerstand) einzelner Schichten. Diese Parameter müssen überwacht und verfolgt werden, um das elektrische Verhalten in der Umgebung von STIs vorherzusagen.

Es existieren mehrere herkömmliche Verfahren zur gelegentlichen, periodischen oder quasi-kontinuierlichen Überwachung der genannten Parameter entlang einer Fertigungslinie. Ein wichtiges Verfahren ist die Rasterkraft-Mikroskopie (AFM; AFM = Atomic Force Microscopy), die die bevorzugte industrielle Lösung darstellt. Die Rasterkraft-Mikroskopie ist ein ausgereiftes Überwachungswerkzeug für die Produktion von Strukturgrößen bis herab zu ca. 70 nm. Sie liefert jedoch nur unvollständige Information über strukturierte Bereiche wie Löcher, Gräben, Isolationsgräben und insbesondere flache Isolationsgräben. Die Rasterkraft-Mikroskopie liefert lediglich eine gesamte Ätztiefe und ein Ätztiefenprofil. Für eine vollständige Charakterisierung der untersuchten Struktur sind komplementäre destruktive Verfahren erforderlich. Zu den Nachteilen und Beschränkungen der Rasterkraft-Mikroskopie zählen insbesondere folgende Punkte:

– Der Durchsatz eines Rasterkraft-Mikroskops ist mit gegenwärtig maximal ca. 7 Wafern pro Stunde niedrig.
– Tiefe Strukturen können mit Rasterkraft-Mikroskopie nur in beschränktem Umfang erfasst werden. Die Form der AFM-Spitze stellt insbesondere einen limitierenden Faktor für die Erfassung tiefer Gräben dar.
– Die Rasterkraft-Mikroskopie liefert nur globale geometrische Informationen (beispielsweise ein Oberflächenprofil und eine Gesamttiefe). Detaillierte Informationen bezüglich einzelner Schichten (Dicke, Materialeigenschaften etc.) werden nicht geliefert.
– Die Rasterkraft-Mikroskopie hängt von der zufällig gestreuten Qualität der speziell angefertigten AFM-Spitzen ab, die darüber hinaus teure Verbrauchs- bzw. Ersatzteile darstellen.
– Die Verwendung der Rasterkraft-Mikroskopie ist gegenwärtig durch die Strukturgrößen der Technologie begrenzt. Wenn die untersuchten Strukturen Löcher mit einem kleinen Durchmesser (beispielsweise < 70 nm) sind, kann die Rasterkraft-Mikroskopie keine genauen Messungen liefern, da die AFM-Spitzen nicht oder nicht vollständig in diese Löcher eindringen können. Dies stellt einen begrenzenden Faktor für den Einsatz bei zukünftigen Technologieschritten dar.
– Die Rasterkraft-Mikroskopie ist ein diskretes Messverfahren, da sie in einem Durchgang nur jeweils einen sehr be schränkten Bereich abtastet. Zur Erfassung statistischer Daten muss eine sehr große Anzahl von Messungen durchgeführt werden.
Im Fall ausgedehnter strukturierter Bereiche, beispielsweise im Fall von STI-Bereichen ist die Rasterkraft-Mikroskopie durch ihre maximale Abtastlänge und komplizierte Geometrien begrenzt. Die Rasterkraft-Mikroskopie kann insbesondere keine ausgedehnten Bereiche mit einer zufälligen oder quasi-zufälligen Struktur charakterisieren.
– Die Rasterkraft-Mikroskopie liefert keine Information über Füllfaktoren und eignet sich nicht für eine chemische Charakterisierung.

Verfahren und Vorrichtungen zur Erfassung von Oberflächenprofilen, insbesondere so genannte Surface Profiler, haben im Wesentlichen die gleichen Beschränkungen wie die Rasterkraft-Mikroskopie, wobei jedoch die Abtastlänge größer und die Empfindlichkeit geringer als die in der Rasterkraft-Mikroskopie sind.

Die Rasterelektronen-Mikroskopie stellt in diesem Zusammenhang ein destruktives Verfahren dar, da ein Wafer erst gebrochen werden muss, um an dem Bruch eine vertikale Struktur mittels Rasterelektronen-Mikroskopie erfassen zu können. Ferner leidet die Rasterelektronen-Mikroskopie unter einem sehr beschränkten Durchsatz und bietet keine Lösung für eine hohe Abtastrate an einer Fertigungslinie.

Die Vermessung durch eine Erfassung von Streulicht, die auch als Scatterometry bekannt ist, konkurriert hinsichtlich der Erfassung von strukturierten Bereichen (STI, Ausnehmungen, etc.) mit der Rasterelektronen-Mikroskopie und der Rasterkraft-Mikroskopie. Sie ist auch bei Strukturgrößen von 90 nm und 70 nm einsetzbar, weist jedoch ebenfalls eine Reihe von Nachteilen auf:

– Die Scatterometry ist derzeit nur auf periodische eindimensionale Teststrukturen (beispielsweise Gitter aus beabstandeten Linien) neben dem eigentlichen zu fertigenden Array anwendbar. Periodische oder zufällige bzw. quasi-zufällige zwei- oder dreidimensionale Merkmale in einem Array können nicht erfasst werden. Für eine Anwendung im Zusammenhang mit der STI muss für jedes neue Layout der integrierten Schaltung oder auch nur der Isolationsgräben eine Korrelation zwischen einer periodischen Teststruktur und den quasi-zufälligen Strukturen in dem eigentlichen Array gefunden werden.
– Statistische Daten an realen integrierten Schaltungen oder Bauelementen werden nicht geliefert.
– Die Grabentiefe ist auf ca. 1 μm beschränkt. Tiefe Gräben, beispielsweise mit einer Tiefe von 6 μm bis 8 μm, wie sie gegenwärtig zahlreiche Anwendungen finden, können nicht ausgemessen werden.

Ein Problem bzw. eine Aufgabenstellung, für die gegenwärtig überhaupt keine befriedigende Lösung vorhanden ist, stellt die Erfassung von Seitenwandschichten bzw. Seitenwandbeschichtungen in Ausnehmungen und von deren Schichtdicken dar. Beispielsweise werden Ausnehmungen mit TEOS-Siliciumoxidschichten ausgekleidet, die durch chemische Gasphasenabscheidung aus Tetraethyl-ortho-Silicat erzeugt werden. Für die Erfassung der Dicke eines solchen TEOS-Kragens bzw. -Randes ist derzeit kein befriedigendes Verfahren entwickelt. Für eine fortgeschrittene Prozesskontrolle bzw. Verfahrensüberwachung ist es jedoch erforderlich, die Dicke einer solchen TEOS-Schicht zu kennen.

Insbesondere ist die Rasterkraft-Mikroskopie kritischer Dimensionen, die prinzipiell für diese Anwendung geeignet sein könnte, für die gegenwärtig entwickelten Strukturgrößen von 90 nm und 70 nm nicht anwendbar. Auch die exakte Bestimmung der Form bzw. Gestalt der AFM-Spitze erzeugt Probleme, die die Genauigkeit der Messung größerer Masseleiter reduzieren. Ein weiteres Problem ist die begrenzte Tiefe, die abgetastet werden kann.

Auch die Scatterometry ist für die Erfassung der beschriebenen TEOS-Schichtdicken gegenwärtig noch nicht geeignet, da sie noch nicht weit genug entwickelt ist. Bei der Scatterometry wird die Entwicklung in Richtung auf kleine Masseleiter vorwärts getrieben, große Masseleiter (ca. 0,5 μm) liegen nicht im Zentrum des Interesses. Ferner weist die Scatterometry Limitierungen bezüglich tiefer Strukturen (beispielsweise 8 μm) auf.

Die US 4,278,353 beschreibt eine optische Untersuchung einer Goldoberfläche, bei der die Reflektivität der Goldoberfläche untersucht wird.

Die DE 198 52 323 A1 beschreibt ein Verfahren zum Bestimmen der Dicke von auf einem Substrat vorgesehenen Schichten, bei dem das gemessene Reflexionsvermögen mit einem aus einem vorgegebenen optischen Modell berechneten Reflexionsvermögen verglichen wird. Schichtdicken des Modells werden so lang variiert, bis eine minimale Abweichung zwischen dem gemessenen und dem berechneten Reflexionsvermögen vorliegt.

Die DE 199 50 559 A1 beschreibt ein Verfahren zum Bestimmen von geometrischen Strukturen auf oder in einem Substrat, sowie von Materialparametern, bei dem ein gemessenes Reflexionsvermögen mit einem aus einem optischen Modell berechneten Reflexionsvermögen verglichen wird. Parameter wie die Tiefe, die Breite, der Abstand von Substrat- und Schichtstrukturen und spektrale Materialparameter werden so lange variiert, bis die Abweichung zwischen berechnetem und gemessenem Reflexionsvermögen minimal ist.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Ermitteln oder Prüfen einer lateralen Abmessung oder eines Volumens einer Ausnehmung in einer Schicht an einer Oberfläche eines Substrats oder einer Eigenschaft eines Materials, das in der Ausnehmung angeordnet ist, und ein Verfahren zum Herstellen eines Bauelements mit einer Ausnehmung in einer Schicht zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch Verfahren gemäß Anspruch 1 bzw. 12 gelöst.

Bevorzugte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.

Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Ermitteln einer lateralen Abmessung oder eines Volumens einer Ausnehmung in einer Schicht an einer Oberfläche eines Substrats oder einer Eigenschaft eines Materials, das in der Ausnehmung angeordnet ist, bei dem die Schicht mit der Aus nehmung mit einer elektromagnetischen Abtast-Strahlung mit einer Wellenlänge, die größer als eine laterale Abmessung der Ausnehmung ist, bestrahlt wird. Aus einer Wechselwirkung zwischen der Abtast-Strahlung und der Schicht mit der Ausnehmung geht eine elektromagnetische Antwort-Strahlung hervor, die empfangen wird. Aus der empfangenen elektromagnetischen Antwort-Strahlung werden Charakterisierungsdaten bestimmt, welche die Wechselwirkung zwischen der Schicht mit der Ausnehmung und der Abtast-Strahlung charakterisieren, wobei die Charakterisierungsdaten die laterale Abmessung oder das Volumen der Ausnehmung oder die Eigenschaft des in der Ausnehmung angeordneten Materials abbilden. Die laterale Abmessung oder das Volumen der Ausnehmung oder die Eigenschaft des in der Ausnehmung angeordneten Materials wird anhand der Charakterisierungsdaten ermittelt.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine zerstörungsfreie Bestimmung einer lateralen Abmessung oder eines Volumens einer Ausnehmung in einer Schicht oder einer Eigenschaft eines Materials, das in der Ausnehmung angeordnet ist. Es kann somit zur Prozesskontrolle innerhalb der Produktionslinie eingesetzt werden. Ein Wafer oder ein anderes Substrat, an dem das erfindungsgemäße Verfahren angewendet wird, kann anschließend weiter prozessiert werden, da der Wafer bzw. das Substrat bei dem erfindungsgemäßen Verfahren weder zerstört noch beschädigt wird. Dies senkt einerseits in erheblichem Umfang die Kosten des erfindungsgemäßen Verfahrens und ermöglicht andererseits erforderlichenfalls auch eine Erfassung oder Prüfung jedes einzelnen Wafers vor einer Weiterverarbeitung. Das erfindungsgemäße Verfahren dient damit der Optimierung des Herstellungsverfahrens von Bauelementen mit Ausnehmungen in Schichten und insbesondere von integrierten Halbleiterschaltungen. Die vorliegende Erfindung ermöglicht damit eine wesentliche Verbesserung der Ausbeute der Herstellungsverfahren und damit eine Senkung der Herstellungskosten.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass es keine Probenpräparation erfordert und innerhalb einer sehr kurzen Zeit durchführbar ist. Es ermöglicht deshalb einen im Vergleich zu den oben beschriebenen herkömmlichen Verfahren hohen Durchsatz von bis zu 15 Wafern pro Stunde und darüber.

Ferner liefert das erfindungsgemäße Verfahren sowohl globale als auch detaillierte geometrische Informationen bzw. Dimensionen, beispielsweise die totale Ätztiefe und die Dicke einer einzelnen Schicht. Darüber hinaus ermöglicht es einen Zugriff auf physikalische Eigenschaften von Schichten, beispielsweise elektrische Eigenschaften, Dotierstoffpegel und Konzentrationen.

Die oben genannten Vorteile führen zu einer Reduzierung der physikalischen Ausfallanalyse (PFA, PFA = Physical Failure Analysis). Insbesondere ermöglicht die vorliegende Erfindung ein besseres Verständnis des elektrischen Verhaltens für Modellierungszwecke, und es werden mehr Parameter gleichzeitig erfasst.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass bei einer Wellenlänge, die größer als die typische Strukturgröße und damit insbesondere größer als eine laterale Abmessung einer Ausnehmung ist, keine Streueffekte auftreten. Dieser Vorteil tritt bei der bevorzugten Verwendung von Infrarotlicht besonders deutlich zutage, da dessen Wellenlänge typischerweise zehn bis hundert Mal so lange ist wie die kritische Dimension in modernen Halbleiterstrukturen. Die vorliegende Erfindung ist deshalb nicht auf einen bestimmten Technologieschritt beschränkt. Die vorliegende Erfindung ist auch nicht hinsichtlich der Strukturtiefe beschränkt. Tatsächlich kann Information von der Oberseite bis zur Unterseite eines Bauelements gewonnen werden.

Bei einer einzelnen Messung kann eine große Anzahl von Strukturen, insbesondere Gräben und anderen Ausnehmungen, vermessen werden. Das Messergebnis ist ein Mittelwert über eine große Zahl – bis zu einigen Tausend und darüber – von Strukturen.

Ein weiterer wichtiger Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Messungen an realen Bauelementen bzw. Substraten oder Wafern und nicht an Teststrukturen ausgeführt werden. Die bei Messungen an Teststrukturen kritische Äquivalenz derselben mit den realen bzw. eigentlich interessierenden Strukturen und somit die Übertragbarkeit der Messergebnisse von den Teststrukturen auf die realen Strukturen spielen somit keine Rolle.

Vorzugsweise umfasst bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die elektromagnetische Abtast-Strahlung gleichzeitig oder nacheinander mehrere diskrete Wellenlängen oder ein kontinuierliches Spektrum von Wellenlängen. Die Charakterisierungsdaten umfassen in diesem Fall insbesondere vorzugsweise ein Reflektivitätsspektrum.

Ferner wird vorzugsweise linear polarisierte Abtast-Strahlung verwendet, wobei der Schritt des Empfangens der elektromagnetischen Antwort-Strahlung ein Bestimmen der Polarisation der Antwort-Strahlung umfasst. Die vorliegende Erfindung verwendet somit vorzugsweise das Verfahren der Infrarot-spektroskopischen Ellipsometrie (IRSE). Alternativ wird das erfindungsgemäße Verfahren Infrarot-spektroskopisch ohne Erfassung der Polarisation (IRS) ausgeführt.

Sowohl die Infrarot-Spektroskopie IRS als auch die Infrarotspektroskopische Ellipsometrie IRSE ermöglichen eine einfache Prozesskontrolle durch einen Vergleich des jeweils erhaltenen Spektrums mit einem Referenz-Spektrum. Solange Unterschiede zwischen dem erfassten Spektrum und dem Referenz-Spektrum eine vorbestimmte Schwelle nicht überschreiten, weichen auch die Strukturen der untersuchten Schicht nicht wesentlich von denen einer Referenzschicht, an der das Referenz-Spektrum gewonnen wurde, ab.

Um genauere und potenziell sehr detaillierte Informationen über Strukturen in der Schicht, insbesondere über laterale Abmessungen oder Volumina von Ausnehmungen oder Eigenschaften von Materialien, die in den Ausnehmungen angeordnet sind, zu erhalten, wird die IRS oder die IRSE mit einer Modellbildung kombiniert. Dazu wird eine Modell-Schicht postuliert, für die Modell-Charakterisierungsdaten simuliert bzw. berechnet werden, welche die Wechselwirkung der Modell-Schicht mit der Abtast-Strahlung charakterisieren. Die Modell-Schicht bzw. ihre mathematische Beschreibung weist mindestens einen freien Parameter auf, von dem die Modell-Charakterisierungsdaten abhängen. Für diesem freien Parameter wird ein Wert bestimmt, für den die Modell-Charakterisierungsdaten und die Charakterisierungsdaten gleich sind oder eine maximale Ähnlichkeit aufweisen, d.h. die Modell-Charakterisierungsdaten werden an die empirisch für die untersuchte Schicht erfassten Charakterisierungsdaten gefittet.

Die laterale Abmessung oder das Volumen der Ausnehmung oder die Eigenschaft des in der Ausnehmung angeordneten Materials werden aus dem bestimmten Wert des freien Parameters bestimmt. Die Modell-Schicht ist lateral homogen, wobei der freie Parameter eine Materialzusammensetzung oder eine Dicke der Modell-Schicht beschreibt. Die laterale Abmessung oder das Volumen der Ausnehmung oder die Eigenschaft des in der Ausnehmung angeordneten Materials wird dann aus der Materialzusammensetzung und/oder der Dicke der lateral homogenen Modell-Schicht ermittelt.

Insbesondere wenn bei der vorliegenden Erfindung ein Modell verwendet wird, dessen Modell-Charakterisierungsdaten an die empirisch gewonnenen Charakterisierungsdaten gefittet wird, können mehrere Prozessparameter gleichzeitig überwacht wer den. Die vorliegende Erfindung geht somit weit über den Stand der Technik hinaus, bei dem beispielsweise eine AFM-Spitze ein Oberflächenprofil erfasst, aber keinerlei Information über das Material direkt unterhalb der Oberfläche liefert. Die vorliegende Erfindung liefert hingegen die totale Ätztiefe, einzelne Schichtdicken (Nitridflächen, Tiefen unterhalb des Siliciums), physikalische Eigenschaften einzelner Schichten, chemische Charakteristika, Grabenprofile, Materialkonzentrationen, Materialeigenschaften, Füllfaktoren, chemische Charakteristika etc.

Beim Übergang zu einem zukünftigen Technologieschritt (90 nm, 70 nm, 55 nm) müssen bei dem Modell bzw. bei der Modell-Schicht lediglich einige wohldefinierte Parameter verändert werden. Für die vorliegende Erfindung ist weder eine Entwicklung neuer Hardware noch eine Veränderung vorhandener erforderlich, viel mehr ist die für die IRSE bereits vorhandene ausgereifte Hardware verwendbar.

Die vorliegende Erfindung stellt in Kombination mit der IRSE und der leistungsfähigen Modellbildung eine hochflexible Lösung dar.

– Als optisches Verfahren stellt das erfindungsgemäße Verfahren, insbesondere auch in der Variante mit IRS oder IRSE eine kontaktfreie Messung dar. Das erfindungsgemäße Verfahren hat deshalb keine Zerstörung oder auch nur Beschädigung der Probe zur Folge und ist nicht auf teure Verschleißteile wie die AFM-Spitzen der Rasterkraft-Mikroskopie angewiesen. Anders beispielsweise als die genannte Rasterkraft-Mikroskopie ist das erfindungsgemäße Verfahren auch nicht in zufälliger Weise von der Qualität teurer Ersatz- oder Verschleißteile abhängig.
– Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich sowohl zur exsitu-Analyse von Bauteilen als auch zur in-situ-Überwachung von STI- und anderen Prozessen. Es ermöglicht eine in-situ-Überwachung von STI-Ätztiefen und – Ätzprofilen in Echtzeit. Es ermöglicht damit ein schnelleres Parameter-Feedback bzw. eine schnellere Rückmeldung von Parametern an Plasma-Ätz-Werkzeuge und ein schnelleres Parameter-Feedforward bzw. eine schnellere Weitergabe von Parametern zur Steuerung von CMP-Werkzeugen. Mittelfristig wird die gegenwärtige Erfindung sich zu einem integrierten Metrologie-Werkzeug entwickeln.
– Die Apparatekosten bzw. Anschaffungskosten eines Infrarot-spektroskopischen Ellipsometers sind denen eines Rasterkraft-Mikroskops ähnlich, wobei das Ellipsometer im Gegensatz zum Mikroskop auf dem Gebiet der Metrologie eine höhere Anzahl von Anwendungen aufweist. Die Betriebskosten eines IRSE sind nicht zuletzt aufgrund des bereits erwähnten Wegfalls von Verschleißteilen sehr niedrig.
– Mit einem Infrarot-spektroskopischen Ellipsometer bietet die vorliegende Erfindung alle Merkmale bzw. Features eines Rasterkraft-Mikroskops: Muster- bzw. Struktur-Erkennung, Erzeugen von Recipes bzw. Rezepten bzw. Handlungsanweisungen bzw. Ablaufprogrammen, Operator- und Ingenieur-Modes, eine automatische Wafer-Handhabung und eine automatische Echtzeitanalyse.
– In Kombination mit IRSE weist die vorliegende Erfindung die Vorteile der IRSE auf, die vor allem in der großen Wellenlänge und in der Größe des Messflecks bzw. Spots liegen. Die Wellenlänge beträgt typischerweise 1,2 μm bis 16 μm und ist damit größer oder wesentlich größer als gegenwärtige Strukturgrößen, insbesondere Abmessungen von flachen Isoliergräben oder anderen Isoliergräben. Eine Streuung des Lichts findet deshalb nicht statt. Das erfindungsgemäße Verfahren erfasst eine untersuchte Schicht mit Ausnehmungen und gegebenenfalls in denselben angeordneten Materialien als eine homogene dünne Schicht aus einer Mischung verschiedener Materialien. Bei einer Mess fleck-Größe von typischerweise mindestens 300 μm × 80 μm schafft die vorliegende Erfindung eine statistische Aussage über ein untersuchtes Array. Aufgrund der typischerweise großen Anzahl von STI-Gräben innerhalb eines typischen Messflecks stellt eine Messung gemäß der vorliegenden Erfindung immer einen Mittelwert dar. Praktisch jedes quasi-zufällige, periodische oder semi-periodische STI-Layout kann vermessen werden.
– Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine genaue Rückmeldung oder Vorwärtsmeldung von relevanten Parametern ohne einen Prozessablauf zu stören. Sie kann insbesondere in Kombination mit IRSE auf viele Strukturen angewendet werden, beispielsweise Mehrschicht-Stapel, tiefe Gräben bzw. Deep Trenches, flache Gräben bzw. Shallow Trenches, zweidimensional oder dreidimensional periodische oder quasizufällige Strukturen.

Vorzugsweise wird die vorliegende Erfindung zusammen oder aufbauend auf eine physikalische Auswahlanalyse (PFA; PFA = Physical Failure Analysis) angewandt, um die beste Modellierung zu bestimmen. Ferner wird die vorliegende Erfindung vorzugsweise nach einer Vorstudie angewandt, um die Korrelation ihrer Messergebnisse mit denen der herkömmlichen Rasterkraft-Mikroskopie zu untersuchen. Da Prozess- und Parameter-Variationen an tiefer liegenden Schichten ein IRSE-Spektrum ebenso beeinflussen wie Veränderungen an oberen bzw. oberflächennahen Schichten, können Veränderungen an tiefer liegenden Schichten die Aussagen und Ergebnisse eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung bezüglich einer oberen Schicht beeinflussen. Vorzugsweise wird deshalb die Robustheit der Modellierung bzw. Modellbildung oder auch die Robustheit eines konkreten Modells untersucht und optimiert, wofür verschiedene DOEs (DOE = Design of Experiment) und andere Technologien (beispielsweise genetische Algorithmen) verwendet werden.

Bevorzugte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.

Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die beiliegenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische perspektivische Darstellung zur Erläuterung der STI,
2 ein Bild eines flachen Isolationsgrabens, der einen aktiven Bereich umgibt,
3 schematische Darstellungen von vertikalen Schnitten durch eine reale Halbleiterstruktur und ein Modell derselben,
4 eine schematische Darstellung eines Infrarotspektroskopischen Ellipsometers zur Verwendung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren,
5 ein schematisches Diagramm, das die Korrelation von Messergebnissen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der herkömmlichen Rasterkraft-Mikroskopie darstellt,
6 ein schematisches Ablaufdiagramm der vorliegenden Erfindung,
7 ein schematisches Ablaufdiagramm eines anderen, nicht beanspruchten Verfahrens,
8 eine Darstellung eines erfassten Reflektivitätsspektrums, und
9 eine Darstellung von Referenz-Reflektivitätsspektren.
1 ist eine schematische perspektivische Darstellung einer Halbleiterschicht 10 an einer Oberfläche eines nicht dargestellten Substrats. Die Halbleiterschicht 10 weist aktive Bereiche 12, 14 auf, in denen beispielsweise einzelne Bauelemente wie Transistoren, Kondensatoren, Widerstände etc. angeordnet sind. Zwischen den aktiven Bereichen 12, 14 ist ein Graben 16 angeordnet, der mit einem isolierenden Material 18, beispielsweise einem Halbleiteroxid oder einem Halbleiternit rid, gefüllt ist. Der Graben 16 ist vorzugsweise so tief, dass er eine dotierte und damit elektrisch leitfähige Teilschicht der Halbleiterschicht 10 an deren Oberfläche vollständig unterbricht und die aktiven Bereiche 12, 14 somit elektrisch voneinander isoliert. Die Breite des Grabens 16 ist unter anderem von den elektrischen Eigenschaften, insbesondere den Isolationseigenschaften, des isolierenden Materials 18 abhängig.
2 ist eine schematische perspektivische Darstellung einer realen Struktur an einer Oberfläche einer Halbleiterschicht. Eine Darstellung dieser Art ist beispielsweise rasterelektronenmikroskopisch oder rasterkraftmikroskopisch erzeugbar. Ein aktiver Bereich 12 ist von einem noch nicht mit einem isolierenden Material gefüllten Graben 16 umgeben und durch diesen von einem benachbarten Bereich 14 elektrisch isoliert.
3 ist eine schematische Darstellung vertikaler Schnitte durch eine reale Halbleiterstruktur (links) und ein Modell (rechts), das im Gegensatz zu der realen Halbleiterstruktur lediglich lateral unstrukturierte oder lateral homogene Schichten aufweist. Bei der in 3 links dargestellten realen Halbleiterstruktur handelt es sich beispielsweise um einen Ausschnitt aus einer DRAM-Zellenstruktur, die in einem 0,14 μm-Prozess hergestellt wurde. Der flache Graben bzw. Shallow Trench 16 ist von Schichten 22, 24, 26 aus unterschiedlichen Materialien, beispielsweise kristallinem oder polykristallinem Silicium, Siliciumnitrid, Siliciumoxid, Borosilicatglas etc., umgeben. Unterhalb des Grabens 16 bilden weitere Strukturen 32, 34, 36, beispielsweise mit Polysilicium gefüllte tiefe Gräben, Ausdiffusionsbereiche und Seitenwandbeschichtungen, die eigentliche Speicherzelle.
Rechts neben der realen Struktur ist in 3 ein vorteilhaftes Modell dieser Struktur dargestellt, das lediglich aus lateral unstrukturierten oder lateral homogenen Modell- Schichten 42, 44, 46, 48, 50 besteht. Die Auswahl der relevanten Schichten ist ein Schlüsselfaktor bzw. ein wichtiger Schritt beim Modellieren. Der Prozessablauf wird deshalb vorzugsweise eingehend analysiert, um die relevanten Schichten zu bestimmen bzw. zu identifizieren bzw. auszuwählen. Mittels PFA-Daten, die beispielsweise destruktiv rasterelektronenmikroskopisch oder Sekundärionen-massenspektroskopisch gewonnen werden können, wird der Schichtstapel analysiert. Um ein effizientes Modell zu bilden, werden die realen Strukturen durch einen Stapel dünner Modell-Schichten modelliert. Die optischen Indizes und/oder berechnete Dispersionen (im Infrarotbereich) einzelner Materialien werden verwendet und in den Modell-Schichten "gemischt", um die reale, lateral inhomogene Struktur durch eine Folge lateral homogener Schichten zu beschreiben. Dieses "Mischen" erfolgt durch Berechnungen gemäß der Bruggeman-effektive-Medium-Approximation (BEMA).
Anders ausgedrückt modelliert jede einzelne Modell-Schicht 42, 44, 46, 48, 50 eine der Schichten 22, 24, 26 des realen Bauelements einschließlich der Materialien der Strukturen 32, 34, 36, die innerhalb der jeweiligen Schicht 22, 24, 26 angeordnet sind. Vorzugsweise weist jede einzelne Modell-Schicht die Dicke einer entsprechenden Schicht der realen Struktur auf, wobei das effektive Medium der Modell-Schicht eine Mischung gemäß BEMA aus dem Material der realen Schicht und dem oder den Materialien, die in Ausnehmungen in der realen Schicht angeordnet sind, darstellt.
Diese Modellierung basiert auf zwei Annahmen:
Eine große Anzahl von Strukturen bzw. Ausnehmungen bzw. Gräben wird gleichzeitig gemessen, befindet sich also gleichzeitig innerhalb des Messbereichs bzw. Mess-Spots, der erfasst wird. Die Messung bildet somit einen Mittelwert über eine sehr große Anzahl von Strukturen. Es wird angenommen, dass insbesondere STI-Bereiche homogene Schichten darstellen. Es wird kein Effekt bzw. keine Wirkung einzelner Isolationsgrä ben oder einzelner anderer Strukturen sondern ein global über den Messbereich gemittelter Effekt beobachtet.
Die zur Erfassung der realen Struktur verwendete Wellenlänge ist wesentlich größer als die kritische Dimension einer einzelnen der erfassten Strukturen. Dies ist für Infrarotlicht und eine Strukturgröße von einigen hundert nm der Fall, wobei die Wellenlänge 10–100 × größer ist als die kritische Dimension. Streueffekte werden in guter Näherung nicht berücksichtigt.
Basierend auf diesen Annahmen werden beispielsweise STI-Bereiche als homogene Mischungen von Materialien definiert, und der optische Index jeder Modell-Schicht ist eine Mischung von optischen Indizes der beteiligten Materialien. Die Indizes für jedes einzelne Material werden dabei aus IRSE-Messungen an Monitor-Wafern mit jeweils einer einzelnen Schicht oder mittels theoretischer Dispersionsgesetze (beispielsweise des Drude-Gesetzes für dotiertes Silicium) berechnet. Die Indizes oder die Dispersion-Gesetzmäßigkeiten werden dann in einer Datenbank gespeichert. Basierend auf den Flächendichten der Gräben, Ausnehmungen und anderer Strukturen und der Grabendimensionen, die aus einer PFA-Analyse bekannt sind, wird dann das gesamte Modell Schicht für Schicht aufgebaut.
Da gemäß der vorliegenden Erfindung vorzugsweise die jeweils oberste Schicht und die darin angeordneten Ausnehmungen untersucht werden, und da die Messungen vorzugsweise nach dem Ätzen von Gräben oder anderen Ausnehmungen und vor dem Füllen derselben mit anderen Materialien erfolgen, sind die Ausnehmungen in der obersten Schicht leer. Für die Modellierung wird deshalb angenommen, dass das Füllmaterial der Gräben oder anderen Ausnehmungen Luft oder Vakuum ist. Damit ist die oberste Modell-Schicht 42 eine Mischung des Materials der realen Schicht 22 und von Luft bzw. Vakuum, die bzw. das in dem Graben 16 angeordnet ist. Wenn man von einer über eine größere Fläche gemittelten Oberflächendichte Cx für die Gräben 16 ausgeht (0 < Cx < 1), weist das effektive Medium einen Anteil 1 – Cx des Materials der realen Schicht 22 und einen Anteil Cx Vakuum bzw. Luft auf. Der effektive optische Index N_eff des effektiven Mediums ist somit N_eff = (1 – C)·N_mat + C·N_void, wobei N_void der optische Index von Luft bzw. Vakuum ist. Gemäß dieser Prozedur wird die gesamte reale Struktur mit den Schichten 22, 24, 26 und den Strukturen 32, 34, 36 auf die lateral homogenen Modell-Schichten 42, 44, 46, 48, 50 abgebildet.
Anstelle einer BEMA-Berechnung wird für kompliziertere Schichten mit mehr als zwei bis drei Materialien alternativ und vorteilhaft die Dispersion bzw. das Dispersionsgesetz für eine reale Schicht unter Berücksichtigung aller verschiedenen Materialbeiträge entwickelt.
Die Anwendung und Anpassung bzw. das Fitten des Modells bzw. seiner optischen Eigenschaften bzw. seines Reflektivitätsspektrums an die gemessenen optischen Eigenschaften bzw. das gemessene Reflektivitätsspektrum einer realen Struktur erfolgen an einer Produktionslinie vorzugsweise in Echtzeit. Die interessierenden Parameter werden berechnet und auf die STI-Prozesseigenschaften bezogen.
4 ist eine schematische Darstellung eines Infrarotspektroskopischen Ellipsometers, mit dem das erfindungsgemäße Verfahren gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ausgeführt wird. Beispielhaft ist das Gerät IRSE 300 der Firma SOPRA SA dargestellt, das ein vollautomatisches System zur Wafer-Handhabung, für Messungen und zur Echtzeit-Datenanalyse darstellt. Das IRSE umfasst ein Fourier-Transform-Spektrometer (FTS) 60. Das FTS 60 umfasst eine breitbandige Lichtquelle 62, die Licht im erwünschten Spektralbereich, in diesem Fall im Infrarot, emittiert. Die Lichtquelle 62 ist im Fokus eines Parabolspiegels 64 angeordnet. Mittels eines halbdurchlässigen planen Spiegels 66 wird je ca. die Hälfte des von dem Parabolspiegel 64 reflektierten Lichts der Licht quelle 62 auf einen starr montierten Spiegel 68 und einen bewegbaren Spiegel 70 geleitet. Der bewegbare Spiegel 70 wird durch einen nicht dargestellten Antrieb periodisch oszillierend parallel zu seiner Flächennormale bewegt. Der durch den halbdurchlässigen Spiegel 66 transmittierte Anteil des von dem starr montierten Spiegel 68 reflektierten Lichts und der von dem halbdurchlässigen Spiegel 66 reflektierte Anteil des von dem bewegbaren Spiegel 70 reflektierten Lichts überlagern sich am Ausgang 72 des FTS 60. Beide Anteile interferieren, wobei konstruktive und destruktive Interferenz von der Wellenlänge und der momentanen Stellung des bewegbaren Spiegels 70 abhängig auftreten. Das FTS 60 emittiert somit Licht innerhalb eines breiten Spektralbereichs, dessen wellenlängenabhängige Intensität mit einer wellenlängenabhängigen Frequenz oszilliert.
Dieses Licht wird durch einen Umlenkspiegel 74 umgelenkt und durch einen feststehenden Polarisator 76 linear polarisiert. Ein weiterer Parabolspiegel 78 fokussiert das linear polarisierte Licht auf einen Messfleck bzw. Mess-Bereich bzw. Mess-Spot 80 an einem zu untersuchenden Wafer bzw. Substrat bzw. an einer zu untersuchenden Schicht 82, die von einem Träger 84 gehalten ist. Von der Schicht 82 reflektiertes Licht wird von einem Ellipsoidspiegel 86 auf einen Detektor 88, beispielsweise einen Quecksilber-Cadmium-Tellurid-Detektor (MCT-Detektor; MCT = Mercury Cadmium Telluride) fokussiert. Zwischen dem Ellipsoidspiegel 86 und dem Detektor 88 ist ein rotierbarer Polarisator 90 als Analysator angeordnet. Sowohl bei dem feststehenden Polarisator 76 als auch bei dem rotierbaren Polarisator 90 handelt es sich beispielsweise um Gitter-Polarisatoren. Im Falle eines MCT-Detektors wird dieser automatisch alle 12 Stunden mit flüssigem Stickstoff gekühlt.
Der Detektor 88 ist nicht wellenlängensensitiv. Jede von ihm empfangene Wellenlänge weist eine Intensität auf, die mit einer Frequenz oszilliert, die von der Wellenlänge, der momentanen linearen bzw. translatorischen Geschwindigkeit des be wegbaren Spiegels 70, der Reflektivität der Schicht 82 innerhalb des Mess-Spots 80 bei der gegebenen Wellenlänge, von dem Einfluss der Schicht 82 innerhalb des Mess-Spots 80 auf die Polarisation des reflektierten Lichts und von den Richtungen der Polarisationsebenen der Polarisatoren 76, 90 abhängt. Für jede Ausrichtung des rotierbaren Polarisators 90 wird während einer oder vorzugsweise während mehrerer Oszillationen des bewegbaren Spiegels 70 die von dem Detektor 88 empfangene Gesamtintensität als Funktion des momentanen Orts des bewegbaren Spiegels 70 erfasst. Im Falle der Messung mehrerer Oszillationen werden die Messergebnisse innerhalb der einzelnen Oszillationen übereinander gelegt bzw. addiert bzw. gemittelt. Durch Fourier-(Rück)-Transformation der Abhängigkeit des von dem Detektor 88 empfangenen Intensitätssignals vom Ort des bewegbaren Spiegels 70 wird die Wellenlängen- bzw. Frequenz-Abhängigkeit des reflektierten Lichts bestimmt. Aus dieser und der bekannten Frequenz-Abhängigkeit des eingestrahlten Lichts kann die frequenzabhängige Reflektivität der Schicht 82 innerhalb des Mess-Spots 80 berechnet werden.
Nach einer Durchführung dieser Messungen für mehrere Stellungen des rotierbaren Polarisators 90 ist der Einfluss der Schicht 82 innerhalb des Mess-Spots 80 auf die Polarisation reflektierten Lichts als Funktion der Wellenlänge bzw. Frequenz des Lichts berechenbar. Dieser wird gewöhnlich als Verhältnis ρ = R_p/R_s = tan(Ψ)e^iΔ dargestellt, wobei R_p und R_s die Reflektivitäten der Oberfläche für eine Polarisation parallel bzw. senkrecht zur Einfallsebene sind. Die so genannten ellipsometrischen Winkel Ψ und Δ stellen den Winkel, um den die Polarisationsebene bei der Reflexion gedreht wird sowie die Phasendifferenz zwischen parallel und senkrecht polarisierten Teilwellen dar. tan(Ψ) ist das Amplitudenverhältnis der parallel und senkrecht zur Einfallsebene polarisierten Teilwellen.
Die beschriebene Messung wird vorzugsweise zwischen einer Wellenzahl ṽ =1/λ von ca. 600 cm^–1 bzw. einer Wellenlänge λ von 16,6 μm und einer Wellenzahl ṽ von 7000 cm^–1 bzw. einer Wellenlänge λ von ca. 1,43 μm oder einer Wellenzahl ṽ von ca. 8300 cm^–1 bzw. einer Wellenlänge λ von ca. 1,2 μm ausgeführt.
Ergebnis der Messung ist der Parameter ρ(λ) oder ρ(ṽ) bzw. tan(Ψ(λ)) oder tan(Ψ(ṽ)) und cos(Δ(λ)) oder cos(Δ(ṽ)) als Funktion der Wellenlänge λ oder der Wellenzahl ṽ. Diese in Form von Spektren darstellbaren wellenlängenabhängigen Parameter und ihre Wellenlängenabhängigkeiten stehen in einem (theoretisch eindeutigen) Verhältnis zu den optischen Eigenschaften, insbesondere den optischen Indizes, der Materialien und der Organisation dieser Materialien innerhalb der Schichten (Gräben, Gemische von Materialien, Schichten).
Der Zusammenhang zwischen dem Parameter ρ(λ) und den Eigenschaften der untersuchten Struktur (als Funktion der Wellenlänge λ) ist durch 2 × 2 Jones-Matrizen beschreibbar. Zu den Eigenschaften der Struktur zählen insbesondere Dispersions-Gesetze bzw. Wellenlängenabhängigkeiten von optischen Eigenschaften der Materialien, die zu der Materialstruktur bzw. der Materialorganisation (Stapel, Mischung) kombiniert sind. Für jede Schicht sind die Dicke und die optischen Indizes oder Dispersionsgesetzmäßigkeiten Eingangsparameter. Dicke und Material jeder Schicht des Stapels sind durch die Prozessschritte des Herstellungsverfahrens wohl definiert.
Die Spektren ρ(λ) bzw. tan(Ψ(λ)) und cos(Δ(λ)) werden für die in 3 rechts dargestellte Modell-Struktur aus lateral homogenen Modell-Schichten simuliert bzw. berechnet. Durch Anpassen bzw. Fitten eines be rechneten an ein gemessenes Spektrum über einen oder mehrere der angesetzten Parameter können Werte für diese Parameter ermittelt werden. Je geringer die Anzahl der freien bzw. unbekannten Parameter ist, je genauer alle anderen Parameter bekannt sind und je einfacher die untersuchte Struktur ist, desto genauer ist dieser Fit und desto genauer sind der oder die Werte der Parameter ermittelbar.
Das beschriebene Verfahren ist ferner genauer, wenn an tief liegenden Strukturen oder an einer Rückseite eines Substrats reflektierte Strahlung nicht miterfasst wird. Dies wird bei dem in 4 dargestellten Infrarot-spektroskopischen Ellipsometer vorzugsweise durch die Größe des Mess-Spots 80 bestimmt. Das an der Rückseite des Substrats reflektierte Licht wird über den Ellipsoidspiegel 86 durch eine Blende ausgeblendet und somit nicht auf den Detektor 88 fokussiert. Vorzugsweise hat der Mess-Spot 80 eine Größe von ca. 80 μm × 300 μm.
Weitere die Qualität der Messung, die Aussagekraft und Genauigkeit der Messergebnisse beeinflussende Parameter sind die Auflösung des FTS 60, die Geschwindigkeit, mit der der bewegbare Spiegel 70 bewegt wird, die Trägheit bzw. Zeitauflösung des Detektors 88, die Anzahl der Oszillationen bzw. Durchgänge bzw. Scans, innerhalb derer bei jeder Stellung des rotierbaren Polarisators 90 gemessen wird, die Orientierung des feststehenden Polarisators 76, die Größe der Winkelschritte, mit denen der rotierbare Polarisator zeitdiskret bewegt wird oder auch der Geschwindigkeit, mit der der rotierbare Polarisator 90 kontinuierlich bewegt wird.
5 ist ein Diagramm, in dem die Korrelation zwischen Messergebnissen des erfindungsgemäßen Verfahrens und einer herkömmlichen Rasterkraft-mikroskopischen Messung dargestellt ist. Es ist erkennbar, dass die Ergebnisse des herkömmlichen und des erfindungsgemäßen Verfahrens innerhalb einer gewissen stochastischen Unsicherheit eindeutig aufeinander abbildbar sind. Die dargestellte Gerade 94 stellt einen linearen Fit dar, für den der Zusammenhang y = 4,6 + 0,96 x zwischen dem Ergebnis x der rasterkraftmikroskopischen Messung und dem Ergebnis y der erfindungsgemäßen Messung. Allgemein sind jedoch auch andere Korrelationen möglich, die durch andere mathematische Funktionen gefittet werden können.
6 ist ein schematisches Ablaufdiagramm, in dem das oben dargestellte erfindungsgemäße Verfahren schematisch wiedergegeben ist. Das Verfahren beginnt mit dem Bestrahlen 102 der zu untersuchenden Schicht, bzw. der Schicht mit der oder den Ausnehmungen mit einer elektromagnetischen Abtast-Strahlung, die, wie oben beschrieben, eine Wellenlänge aufweist, die größer ist als die Strukturgröße der lateralen Strukturen der Schicht. Vorzugsweise liegt die Wellenlänge der elektromagnetischen Abtast-Strahlung im Infrarotbereich. Diese Strahlung kann zu ein und demselben Zeitpunkt gleichzeitig mehrere Wellenlängen bzw. Frequenzen, d.h. ein diskretes oder kontinuierliches Spektrum aufweisen, wie es beispielsweise durch das oben anhand der 4 beschriebene Fourier-Transform-Spektrometer 60 erzeugt wird. Alternativ ist die elektromagnetische Abtast-Strahlung zu jedem Zeitpunkt (quasi) monochromatisch oder sogar kohärent, wie sie beispielsweise durch einen Gitter-, Prismen- oder anderen dispersiven Monochromator bzw. einen Laser erzeugt wird. Die Wellenlänge der elektromagnetischen Abtast-Strahlung wird in diesem Fall vorzugsweise zeitabhängig verändert, um nacheinander die Probe mit verschiedenen Wellenlängen zu bestrahlen.
Aus der Wechselwirkung zwischen der Abtast-Strahlung und der Probe, insbesondere deren (vorzugsweise oberflächennahen) Schicht oder Schichten, geht eine elektromagnetische Antwort-Strahlung hervor, die sich in der Regel in Richtung, Intensität und Polarisation von der Abtast-Strahlung unterscheidet. Diese Antwort-Strahlung wird empfangen 104, wobei vorzugsweise die Intensität oder die Polarisation oder – besonders bevorzugt – beide Parameter bestimmt werden.
Aus der empfangenen elektromagnetischen Antwort-Strahlung und der Kenntnis der elektromagnetischen Abtast-Strahlung bzw. deren Intensitäten und Polarisationen werden Charakterisierungsdaten bestimmt 106, welche die Wechselwirkung zwischen der Schicht mit der Ausnehmung und der Abtast-Strahlung charakterisieren. Die Charakterisierungsdaten bilden dabei in einer mehr oder weniger transparenten Weise die laterale Abmessung oder das Volumen der Ausnehmung in der Schicht oder Eigenschaften eines in der Ausnehmung angeordneten Materials ab. Diese Charakterisierungsdaten umfassen beispielsweise die Reflektivität oder Transmittivität der Schicht und vorzugsweise die Wellenlängen- oder Polarisations-Abhängigkeit dieser Größen.
Bei den folgenden Schritten wird anhand der Charakterisierungsdaten die laterale Abmessung oder das Volumen der Ausnehmung oder die Eigenschaft des in der Ausnehmung angeordneten Materials ermittelt oder geprüft. Dazu wird zunächst eine Modell-Schicht oder eine Struktur aus einem Stapel von Modell-Schichten postuliert, 108. Die Modell-Schicht bzw. die Modell-Schichten sind lateral homogen bzw. lateral unstrukturiert, wie dies oben anhand der 3 erläutert wurde.
Für die Modell-Schicht oder die Struktur aus dem Stapel von Modell-Schichten werden den oben genannten Charakterisierungsdaten entsprechende Modell-Charakterisierungsdaten berechnet. Die Modell-Schicht bzw. die Modell-Struktur aus der Mehrzahl von Modell-Schichten weist einen oder mehrere freie Parameter auf, sodass die Modell-Charakterisierungsdaten von diesem oder diesen freien Parametern abhängig sind.
Anschließend werden die Modell-Charakterisierungsdaten über den oder die freien Parameter an die im Schritt 106 bestimmten Charakterisierungsdaten gefittet 112. Dazu wird derjenige Wert des freien Parameters oder werden diejenigen Werte der freien Parameter bestimmt, für die die Modell-Charakterisierungsdaten und die Charakterisierungsdaten gleich sind oder eine maximale Ähnlichkeit aufweisen. Im Fall der lateral homogenen Modell-Schicht ist ein freier Parameter beispielsweise die Materialzusammensetzung oder die Dicke der Modell-Schicht.
In einem letzten Schritt wird aus dem Fit bzw. aus dem beim Fit 112 ermittelten Wert des freien Parameters die laterale Abmessung bzw. das Volumen der Ausnehmung bzw. die Eigenschaft des in der Ausnehmung angeordneten Materials ermittelt, 114.
Das anhand der 6 dargestellte erfindungsgemäße Verfahren ist, wie oben bereits erwähnt wurde, ohne weiteres auf Modelle mit mehreren Modell-Schichten und/oder mehreren freien Parametern und die Ermittlung mehrerer Größen aus dem Fit erweiterbar.
Soll lediglich eine laufende Produktion überwacht werden, kann auf die beschriebene Modellbildung verzichtet werden. In diesem Fall werden vorzugsweise lediglich die empirisch bestimmten Charakterisierungsdaten mit Referenz-Charakterisierungsdaten verglichen. Diese Referenz-Charakterisierungsdaten werden durch entsprechende Messung an einer Referenz-Schicht mit einer bekannten Ausnehmung oder allgemeiner an einer Referenz-Struktur mit einem bekannten Schichtstapel und bekannten Ausnehmungen in demselben gewonnen. Wenn die Abweichungen zwischen den empirisch gewonnenen Charakterisierungsdaten und den Referenz-Charakterisierungsdaten eine von der jeweiligen Anwendung und den resultierenden Anforderungen abhängig genau zu bestimmende Schwelle nicht überschreiten, kann davon ausgegangen werden, dass sich die untersuchte Schicht und die Referenz-Schicht nicht oder nicht wesentlich unterscheiden. In diesem Fall wird die Produktion fortgesetzt oder der un tersuchte Wafer oder das untersuchte Substrat weiter prozessiert.
7 ist ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens, bei dem auf eine Modellierung verzichtet wird und stattdessen lediglich durch Vergleich der empirisch gewonnen Charakterisierungsdaten mit Referenz-Charakterisierungsdaten die Übereinstimmung der Schicht mit einer Referenz-Schicht geprüft wird. Wie bei dem in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Schicht mit der Ausnehmung mit einer elektromagnetischen Abtast-Strahlung bestrahlt, 102. Die von der Schicht mit der Ausnehmung ausgehende elektromagnetische Antwort-Strahlung wird empfangen, 104, daraus werden die Charakterisierungsdaten bestimmt, 106. Durch entsprechende Schritte des Bestrahlens 122, Empfangens 124 und Bestimmens 126 an einer Referenz-Schicht mit einer bekannten Ausnehmung werden Referenz-Charakterisierungsdaten bestimmt. Die Referenz-Charakterisierungsdaten und die Charakterisierungsdaten werden mit einander verglichen 128, um eine Übereinstimmung zwischen der Schicht mit der Ausnehmung und der Referenz-Schicht mit der bekannten Ausnehmung zu verifizieren bzw. zu prüfen.
Dabei ist es unerheblich, ob die Referenz-Charakterisierungsdaten vor oder nach den Charakterisierungsdaten gewonnen werden, in der Praxis werden sie jedoch in der Regel bei Inbetriebnahme einer Produktionslinie oder bei einer Änderung von relevanten Parametern an derselben mittels der Schritte 122, 124, 126 gewonnen und anschließend zum Prüfen einer großen Anzahl von Schichten durch Vergleichen von deren Charakterisierungsdaten mit den Referenz-Charakterisierungsdaten angewendet.
Die beschriebenen Verfahren sowohl mit als auch ohne Modell-Bildung sind für eine einzige, mehrere diskrete oder ein kontinuierliches Spektrum von Wellenlängen, für eine einzige, mehrere diskrete oder ein kontinuierliches Spektrum von Polarisationen durchführbar, wobei die umfangreichsten Charakterisierungsdaten und deshalb die zuverlässigsten und genauesten Aussagen über die Schicht oder die Schichten und deren Ausnehmung oder Ausnehmungen bei der oben beschriebenen IRSE erhalten werden, bei der Messungen sowohl bei einer Vielzahl von Wellenlängen als auch bei mehreren Polarisationsrichtungen vorgenommen werden.
Im Folgenden wird anhand der 8 und 9 ein weiteres Verfahren beschrieben, bei dem im Gegensatz zu dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel einerseits anstelle einer Infrarot-spektroskopischen Ellipsometrie auch einfache Infrarot-Spektrometrie ausreichend ist und andererseits auch ohne eine Modell-Bildung eine ausreichend genaue und zuverlässige Aussage über einen fraglichen Parameter gewonnen wird. Hintergrund dieses Verfahrens ist das Problem der Überwachung bzw. des Monitorings der Dicke einer Seitenwandbeschichtung bzw. eines Randes bzw. Kragens, der beispielsweise aus TEOS-Siliciumoxid (mittels Tetraethyl-ortho-Silicat-CVD abgeschiedenes Siliciumoxid) in einer Ausnehmung gebildet ist. Dieses Problem tritt insbesondere beispielsweise in dem allgemein mit R1 bezeichneten Prozessschritt auf.
8 ist eine Darstellung eines mittels IRSE gewonnenen Spektrums tan(Ψ(ṽ)). Der Abszisse ist die Wellenzahl ṽ zugeordnet. Der Ordinate ist tan(Ψ(ṽ)) zugeordnet. In diesem Spektrum sind im Wesentlichen zwei Arten von Merkmalen erkennbar. Im Bereich 650 cm^–1 ≤ ṽ ≤ 1500 cm^–1 sind Peaks bzw. relativ schmale Spitzen sichtbar, welche in diesem Fall der Absorption durch SiO₂ in einem "Kragen" und einer oben liegenden SiN-Schicht zugeordnet werden können. Während die meisten Halbleitermaterialien, insbesondere Silicium, in diesem Wellenlängenbereich transparent ist, zeigen dielektrische Materialien wie Siliciumoxid SiO₂ und Siliciumnitrid SiN₂ in diesem Wellenlängenbereich wohl definierte Absorptionspeaks.
Im Wellenlängenbereich 1500 cm^–1 ≤ ṽ ≤ 7000 cm^–1 sind mehrere breite Oszillationen bzw. Maxima 134, 136, 138 beobachtbar. Die sichtbaren breiten Maxima 134, 136, 138 sind Teil eines so genannten Fringe, die nur teilweise im dargestellten Wellenlängenbereich liegt und in Zusammenhang mit der Strukturtiefe steht. Für sehr flache Strukturen kann ein Fringe zu einer mehr oder weniger flachen Flanke degenerieren.
Aus dem in 8 dargestellten Spektrum kann eine Seitenwandschichtdicke bestimmt werden, indem die Höhe und die Form, insbesondere die Breite und die Gesamtfläche des Peaks 132 ausgemessen werden. Je größer die Seitenwandschichtdicke ist, desto größer ist die Höhe des Peaks 132.
Alternativ kann aus dem in 8 dargestellten Spektrum auch durch eine Analyse der Fringes (insbesondere deren Position, Amplitude und Frequenz) oder der degenerierten Fringes (insbesondere aus deren Steigung) die Seitenwandschichtdicke bestimmt werden. Abhängig von der Seitenwandschichtdicke verschieben sich die Position und die Frequenz der Fringes in dem dargestellten Spektrum.
Im Falle jeder der beiden Alternativen wird die Seitenwandschichtdicke durch eine genaue Analyse des Spektrums berechnet. Ferner können gleichzeitig sowohl der Peak 132 als auch die Fringes bzw. deren breite Maxima 134, 136, 138 analysiert werden. Es stehen somit drei Grundformen von Analysealgorithmen zur Spektralanalyse zur Verfügung: Es können entweder nur der Peak 132 oder nur die Fringes bzw. deren breite Maxima 134, 136, 138 oder aber das gesamte Spektrum (Peak und Fringes) ausgewertet werden, wobei die letzte Option aufgrund der größeren Menge an verarbeiteter Information genauer ist als die alleinige Auswertung von entweder dem Peak 132 oder den Fringes. Alle drei Grundoptionen können wiederum an einer Probe lediglich nach der Erzeugung bzw. Prozessierung der Seitenwandschicht („Post") oder vor („Pre") und nach der Prozessierung der Seitenwandschicht („Pre/Post") ausgeführt werden. Ferner können die Algorithmen auf Spektren angewandt werden, die entweder mittels Infrarot-Spektroskopie (IRS) oder mittels Infrarot-spektroskopischer Ellipsometrie (IRSE) erfasst werden. Insgesamt ergeben sich somit zwölf Optionen, von denen sich bisher allerdings nicht alle als praktisch tauglich erwiesen haben. In der folgenden Tabelle sind diese Optionen matrixartig zusammengestellt. Für jede Option ist durch ein J die Verwendbarkeit dieser Option angezeigt und durch ein N die bis jetzt nicht ausreichende praktische Tauglichkeit oder prinzipielle Unmöglichkeit der Option angezeigt.
Zu der ausschließlichen Auswertung der Peaks im unteren Wellenzahlbereich nach der Erzeugung der Seitenwandschicht (^*1) ist anzumerken, dass diese nicht anwendbar ist, wenn das Material der Seitenwandschicht auch anderweitig in der Halbleiterstruktur vorhanden ist. In diesem Fall ist nur die Erfassung der Peaks sowohl vor als auch nach der Prozessierung der Seitenwandschicht und der Vergleich derselben möglich.
Zur ausschließlichen Auswertung der Fringes nach der Prozessierung der Seitenwandschicht mittels IRS (^*2) ist anzumerken, dass die IRS im Gegensatz zur IRSE keine Informationen über Materialzusammensetzungen liefert. Die Materialzusammensetzung muss bei der ausschließlichen Auswertung von Fringes nach der Prozessierung der Seitenwandschicht jedoch bekannt sein.
9 ist eine schematische Darstellung einer Mehrzahl von Spektren tan(Ψ(ṽ)), die für verschiedene R1-Kragen-Seitenwanddicken zwischen 0 und 20 nm simuliert wurden. Es ist erkennbar, dass für eine ansteigende Seitenwandschichtdicke eine deutliche und systematische Veränderung im Spektrum tan(Ψ(λ)) auftritt. Dadurch ist es möglich, entweder das berechnete Spektrum an ein empirisch erfasstes Spektrum zu fitten, um die Seitenwandschichtdicke als resultierenden Fit-Parameter zu gewinnen oder ein empirisch erfasstes Spektrum mit einem Referenz-Spektrum zu vergleichen, um im Rahmen einer Prozesskontrolle die Seitenwandschichtdicke zu prüfen. In beiden Varianten liefert das angegebene Verfahren ein genaues und zuverlässiges und damit aussagekräftiges Ergebnis.
Das beanspruchte Verfahren ist für eine große Bandbreite von Strukturen in Halbleitermaterialien und insbesondere Halbleiter-Volumen-Materialien anwendbar, beispielsweise Gräben, Leitungen, Abstände, Löcher unterschiedlicher Gestalt und alle Arten von geätzten Strukturen. Ferner ist das beanspruchte Verfahren mit einer großen Bandbreite von Seitenwandschichtmaterialien kompatibel. Es ist nicht hinsichtlich irgendwelcher Konstruktions-Grundregeln oder der Strukturtiefe limitiert.
Die vorliegende Erfindung ist vorzugsweise in ein Herstellungsverfahren integriert. Bei der Herstellung eines Bauelements wird zunächst ein teilfertiges Bauelement erzeugt, das die zu untersuchende Schicht mit der Ausnehmung an der Oberfläche eines Substrats aufweist. Eine laterale Abmessung oder ein Volumen der Ausnehmung in der Schicht oder eine Eigenschaft eines in der Ausnehmung angeordneten Materials nach einem der oben beschriebenen beanspruchten Verfahren bestimmt. Schließlich wird abhängig von einem Ergebnis des Bestimmens oder Prüfens das teilfertige Bauelement verworfen oder fertig gestellt, wobei gegebenenfalls Fertigungsparameter abhängig von dem Ergebnis eingestellt oder verändert werden. Alternativ werden abhängig von dem Ergebnis eines oder mehrere weitere teilfertige Bauelemente erzeugt, wobei das Ergebnis vorzugsweise Prozessierungsparameter beeinflusst.

10: Halbleiterschicht
12: aktiver Bereich
14: aktiver Bereich
16: Graben
18: isolierendes Material
22: Schicht
24: Schicht
26: Schicht
32: Struktur
34: Struktur
36: Struktur
42: Modell-Schicht
44: Modell-Schicht
46: Modell-Schicht
48: Modell-Schicht
50: Modell-Schicht
60: Fourier-Transform-Spektrometer
62: Lichtquelle
64: Parabolspiegel
66: halbdurchlässiger Spiegel
68: starr montierter Spiegel
70: bewegbarer Spiegel
72: Ausgang des FTS 60
74: Umlenkspiegel
76: feststehender Polarisator
78: weiterer Parabolspiegel
80: Mess-Spot
82: Wafer mit Schichten
84: Träger
86: Ellipsoidspiegel
88: Detektor
90: rotierbarer Polarisator
94: Gerade
102: Bestrahlen der Schicht
104: Empfangen einer Antwort-Strahlung
106: Bestimmen von Charakterisierungsdaten
108: Postulieren einer Modell-Schicht
110: Berechnen von Modell-
: Charakterisierungsdaten
112: Fit
114: Ermitteln der gesuchten Größe
122: Bestrahlen der Referenz-Schicht
124: Empfangen einer Antwort-Strahlung
126: Bestimmen von Referenz-
: Charakterisierungsdaten
128: Vergleichen
132: Peak
134: breites Maximum
136: breites Maximum
138: Breites Maximum

Claims

Verfahren zum Ermitteln einer lateralen Abmessung oder eines Volumens einer Ausnehmung in einer Schicht an einer Oberfläche eines Substrats oder einer Eigenschaft eines Materials, das in der Ausnehmung angeordnet ist, mit folgenden Schritten: Bestrahlen (102) der Schicht (10) mit der Ausnehmung (16) mit einer elektromagnetischen Abtast-Strahlung mit einer Wellenlänge, die größer ist als eine laterale Abmessung der Ausnehmung (16); Empfangen (104) einer elektromagnetischen Antwort-Strahlung, die aus einer Wechselwirkung zwischen der Abtast-Strahlung mit der Schicht (10) und der Ausnehmung (16) hervorgeht; Bestimmen (106) von Charakterisierungsdaten, welche die Wechselwirkung zwischen der Schicht (10) mit der Ausnehmung (16) und der Abtast-Strahlung charakterisieren, aus der empfangenen elektromagnetischen Antwort-Strahlung, wobei die Charakterisierungsdaten die laterale Abmessung oder das Volumen der Ausnehmung (16) oder die Eigenschaft des in der Ausnehmung (16) angeordneten Materials abbilden; und Ermitteln (108, 110, 112, 114) der lateralen Abmessung oder des Volumens der Ausnehmung (16) oder der Eigenschaft des in der Ausnehmung (16) angeordneten Materials anhand der Charakterisierungsdaten, wobei der Schritt des Ermittelns folgende Schritte umfasst: Postulieren (108) einer Modell-Schicht (42) mit einem freien Parameter; Berechnen (110) von Modell-Charakterisierungsdaten, welche die Wechselwirkung der Modell-Schicht (42) mit der Abtast- Strahlung charakterisieren, wobei die Modell-Charakterisierungsdaten von dem freien Parameter abhängig sind; Bestimmen (112) eines Werts des freien Parameters, für den die Modell-Charakterisierungsdaten und die Charakterisierungsdaten gleich sind oder eine maximale Ähnlichkeit aufweisen; und Ermitteln (114) der lateralen Abmessung oder des Volumens der Ausnehmung (16) oder der Eigenschaft des in der Ausnehmung (16) angeordneten Materials aus dem bestimmten Wert des freien Parameters, dadurch gekennzeichnet, dass die Modell-Schicht (42) lateral homogen ist, der freie Parameter eine Materialzusammensetzung der Modell-Schicht (42) oder eine Dicke der Modell-Schicht (42) beschreibt, und die laterale Abmessung oder das Volumen der Ausnehmung (16) oder die Eigenschaft des in der Ausnehmung (16) angeordneten Materials aus der Materialzusammensetzung oder der Dicke der Modell-Schicht (42) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Charakterisierungsdaten durch eine Höhe, eine Breite oder eine Fläche einer Absorptionslinie in einem Spektrum darstellbar sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Schritt des Bestrahlens (102) ein Bestrahlen der Schicht mit elektromagnetischer Abtast-Strahlung mit mehreren Wellenlängen umfasst, und bei dem die Charakterisierungsdaten ein Reflektivitätsspektrum umfassen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Abtast-Strahlung linear polarisiert ist und der Schritt des Empfangens (104) der elektromagnetischen Antwort-Strahlung ein Bestimmen der Polarisation der Antwort-Strahlung umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Dicke der Schicht (10) mit der Ausnehmung (16) geringer ist als die Wellenlänge der elektromagnetischen Abtast-Strahlung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Ausnehmung ein Isolationsgraben (16) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Eigenschaft des in der Ausnehmung (16) angeordneten Materials eine Materialzusammensetzung, eine Materialkonzentration oder ein Füllfaktor des Materials ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Eigenschaft des in der Ausnehmung (16) angeordneten Materials eine Dicke einer Seitenwandschicht aus dem Material ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Schicht (10) eine Halbleiterschicht oder das Substrat ein Halbleitersubstrat ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem der Schritt des Bestrahlens (102) ein Bestrahlen eines Bereichs (80) der Schicht (10) umfasst, der eine Mehrzahl von Ausnehmungen (16) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem die Wellenlänge zwischen 1,2 μm und 16,6 μm beträgt.
Verfahren zum Herstellen eines Bauelements mit einer Ausnehmung (16) in einer Schicht (10), mit folgenden Schritten: Erzeugen eines teilfertigen Bauelements mit der Schicht (10) mit der Ausnehmung (16), wobei die Schicht (10) an der Oberfläche eines Substrats angeordnet ist; Ermitteln (108, 110, 112, 114) einer lateralen Abmessung oder eines Volumens der Ausnehmung (16) in der Schicht (10) oder einer Eigenschaft eines in der Ausnehmung (16) angeordneten Materials nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11; und Bearbeiten des teilfertigen Bauelements oder Herstellen eines weiteren Bauelements abhängig von einem Ergebnis des Bestimmens, um das Bauelement zu erhalten.