DE19518238C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Erfassung und Überwachung des Reaktionsablaufs von Prozessen in der Halbleiterfertigung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vor­ richtung zur Erfassung und Überwachung des Reaktions­ ablaufs von Prozessen in der Halbleiterfertigung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs bzw. des nebenge­ ordneten Anspruchs 11.

Ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung sind beispielsweise aus der DE 34 16 599 A1 bekannt.

Ozon wird in der Fertigung von Halbleiterbauteilen in zunehmendem Maße eingesetzt. Beispielsweise können Halbleiterscheiben in Bädern gereinigt werden, wobei jedoch die Reinigungswirkung in Abhängigkeit vom Ozon nur empirisch festgestellt werden kann.

Es ist ein Verfahren zum Ätzen von Halbleiterscheiben bekannt, bei dem auf der Halbleiterscheibe aufge­ brachter Fotolack in einem Bad mit heißer Säure ent­ fernt wird. Dabei wird die Badflüssigkeit mehr oder weniger lange rezirkuliert und Ozon wird an einer oder mehreren Stellen in die umlaufende Flüssigkeit eindosiert (US 5 082 518). Dabei ist nicht bekannt, welche Konzentration von Ozon in der Badflüssigkeit vorhanden ist, und die Halbleiterscheiben werden so­ lange in dem Bad gehalten, bis eine Bedienperson vi­ suell feststellt, daß die aufgrund des gelösten Foto­ lacks erzeugte Verfärbung infolge der Oxidation des Fotolacks mit Ozon wieder zurückgeht und das Bad wie­ der entfärbt ist. Dabei ist offensichtlich, daß indi­ viduelle Unterschiede in der Beurteilung mit der Fol­ ge schwankender Behandlungsergebnisse auftreten kön­ nen. Andererseits könnte auch eine zu lange Behand­ lungsdauer gewählt werden, die die Durchlaufzeit un­ nötig verlängert.

Weiterhin sind Reinigungsvorgänge von Halbleiter­ scheiben in Lösungen bekannt, bei denen organische oder metallische Verunreinigungen auf atomarem/ioni­ schem oder molekularem Niveau entfernt werden.

Bei allen Behandlungsvorgängen werden die Betriebspa­ rameter im wesentlichen empirisch eingestellt, wo­ durch aufwendige Meß- und Bestimmungsverfahren vor dem eigentlichen Prozeß notwendig sind und wodurch das Behandlungsergebnis stark schwanken kann. Ganz allgemein hängt das erzielte Ergebnis eines physika­ lisch-chemischen Prozesses von der Qualität ab, mit der die Prozeßparameter kontrolliert werden können. Darüber hinaus kommt im Fall der Anwendung von Ozon im Vergleich zu anderen Gasen hinzu, daß Ozon durch die Rückreaktion zu Sauerstoff verbraucht werden kann, während bei der Anwendung anderer Gase die Konzentration am Reaktionsort durch den Verbrauch für die Reaktion bestimmt ist.

Aus der DE 34 16 599 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Endpunktkontrolle von Fotolack- Entwicklungsprozessen bei der Herstellung von inte­ grierten Halbleiterschaltungen bekannt, bei denen die Entwicklung von Halbleiterelementen in einem Bad vor­ genommen wird, das ständig im Durchflußprinzip erneu­ ert wird, oder es werden Halbleiterelemente nach dem Sprühentwick­ lungsprinzip bearbeitet, bei dem die Entwicklung auf einem Drehteller einer Zentrifuge vorgenommen wird und stets frischer Entwickler zugeführt und der abge­ schleuderte Entwickler registriert wird.

Dabei wird der spektrale Absorptionsverlauf des Foto­ lacks gemessen und abhängig von den gemessenen Werten wird die Entwicklerzufuhr gesteuert.

Ausgehend von dem Stand der Technik liegt der Erfin­ dung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung und Überwachung des Reak­ tionsablaufs von Prozessen zu schaffen, mit denen Betriebsparameter bei Naßprozessen mit Ozon gezielt eingestellt und gesteuert werden können und der Wir­ kungsgrad des Prozesses sowie die Qualität verbessert werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Hauptanspruchs und des ne­ bengeordneten Anspruchs gelöst. Dadurch, daß in min­ destens einem vorgegebenen Wellenlängenbereich die spektrale Absorption der Badlösung gemessen wird, können Aussagen über die Betriebsparameter wie Ozonkonzentration oder Konzentration von Kontamina­ tionen des Bades gemacht werden. Durch Vergleich der gemessenen Absorptionswerte mit vorgegebenen Werten kann der Prozeß gesteuert werden.

Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnah­ men sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesse­ rungen möglich. Die Messung der unmittelbar wirksamen Ozonkonzentration erlaubt eine gezielte Einstellung der Betriebsparameter, ohne neue Versuche mit aufwen­ digen Kontrollmessungen an Halbleiterscheiben durch­ führen zu müssen sowie eine unmittelbare Betriebskon­ trolle der wirksamen Ozonkonzentration. Mit dieser Information werden Betriebsstörungen sehr viel schneller erkannt als mit der konventionellen nach­ träglichen Kontrolle der Halbleiterscheiben.

Durch die unterschiedlichen spektralen Absorptions­ bereiche von Ozon und Fotolack bzw. Abbauprodukte von Fotolack bzw. anderen Kontaminationen kann parallel die Ozonkonzentration und die Konzentration von Foto­ lack bzw. Abbauprodukten bzw. Kontaminationen be­ stimmt werden. Der unmittelbare Einblick in den Reak­ tionsablauf über die wirksame Ozonkonzentration und die zeitliche Änderung des gelösten Fotolacks erlaubt eine schnelle Optimierung des Reinigungsvorganges sowie eine Erkennung des Endes des Abbauvorganges, zum Beispiel durch Konstanz der gemessenen Absorptio­ nen. Die Endpunktbestimmung ermöglicht eine genaue Anpassung der Behandlungsdauer während des Prozesses, so daß der Prozeß nicht unnötigerweise verlängert werden muß.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeich­ nung dargestellt und werden in der nachfolgenden Be­ schreibung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Entfernen von auf Halbleiterscheiben aufgebrachtem Foto­ lack entsprechend einem Ausführungs­ beispiel der Erfindung,

Fig. 2 die schematische Anordnung einer bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung vor­ gesehenen Meßeinrichtung zur Messung der Absorption,

Fig. 3 eine Darstellung von UV-Spektren von Ozon in Schwefelsäure bei unterschied­ licher Konzentration,

Fig. 4 Spektren von Schwefelsäure bei der Waferentlackung vor und während der Entlackung mit Ozon und nach Beendi­ gung der Ozonbehandlung,

Fig. 5 eine Darstellung der Fotolackkonzen­ tration über die Prozeßzeit, und

Fig. 6 die Abbaugeschwindigkeit des Fotolacks bzw. die Ozonkonzentration über die Prozeßzeit.

Das Verfahren und die Vorrichtung zur Erfassung und Überwachung des Reaktionsablaufs von Prozessen in der Halbleiterfertigung soll unter Zugrundelegung des Entfernens von Fotolack von Wafern in einem Bad mit heißer Säure beispielhaft beschrieben werden. In Fig. 1 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung dargestellt, die ein Becken 1 für die Aufnahme der Badlösung bei­ spielsweise aus Schwefelsäure aufweist. Die Badlösung wird in einem Kreislauf 2 rezirkuliert, wobei in dem Kreislauf 2 ein Vorratsbehälter 3 und eine Pumpe 4 vorgesehen sind. Ein Teilstrom wird über eine Rohr­ leitung aus dem Becken entnommen und dem Vorratsbe­ hälter zugeführt und gleichzeitig wird aus dem Vor­ ratsbehälter über die Pumpe 4 eine entsprechende Flüssigkeitsmenge in das Becken 1 zurückgeführt. Ein Ozongenerator 5 erzeugt Ozon, das an geeigneter Stel­ le dem Bad 1 zugeführt wird. Ein Teilstrom 6 der Bad­ lösung wird über eine Meßvorrichtung 7 geleitet, die eine Durchflußküvette zum Beispiel aus Quarz auf­ weist, über die die Absorption des an einem repräsen­ tativen Meßpunkt entnommenen Teilstroms gemessen wird. Das Material für die Durchflußküvette muß so gewählt werden, daß die Meßküvette und die übrigen Bestandteile der Meßvorrichtung nicht zur Kontamina­ tion des Bades durch Partikel oder ionisch/molekular gelöste Bestandteile beitragen und andererseits zu­ mindest die Küvettenfenster eine hinreichende Durch­ lässigkeit für den erforderlichen Spektralbereich haben. Für Reagenzien wie Reinstwasser, Schwefelsäu­ re, Salzsäure oder Salpetersäure ist Quarz ein geeig­ netes Material. Bei der Verwendung von Flußsäure sind Küvettenfenster aus Korund oder Diamant anwendbar, um zumindest aussagekräftige Teile des Spektrums zu er­ fassen.

Je nach Hauptreaktionsort im jeweiligen Prozeß kann die Messung mittels Meßvorrichtung 7 in einem Probe­ meßstrom aus dem Becken direkt entnommen werden, aber auch in einem anderen Ort in der Rezirkulationslei­ tung bzw. dem Kreislauf 2. Beispielsweise ist auch die Messung vor der Rückführung der Badlösung am Aus­ gang des Vorratsbehälters 3 möglich.

Die Entnahme und Rückführung des Teilstroms kann von einer nicht dargestellten Pumpe vorgenommen werden. Wegen der hohen Anforderung an das Material und der Forderung der Partikelfreiheit kann aber auch eine Entnahme entsprechend Fig. 2 mit einer Pumpe nach dem Venturi-Prinzip in einer Rohrleitung der ohnehin um­ gewälzten Flüssigkeit erfolgen. Dabei wird der Haupt­ strom 8 der Badflüssigkeit über eine Venturi-Düse 9 geführt und der Teilstrom über die Meßküvette 10 wird vor der Venturi-Düse 9 entnommen und in den Bereich der Venturi-Düse zurückgeleitet.

Die Meßvorrichtung 7 zur Messung der spektralen Ab­ sorption ist mit einer Auswerte- und Steuereinrich­ tung 11 verbunden, die ihrerseits den Ozongenerator 5 und eine Beschickungsvorrichtung 12 für die Beladung und Entladung des Beckens 1 mit Wafern steuert.

Mit der Meßvorrichtung wird vor und während des Ent­ lackungsprozesses die spektrale Absorption gemessen, wobei die Meßwerte in der Auswerte- und Steuerein­ richtung 11 ausgewertet werden. Die spektrale Absorp­ tion kann in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen vorgenommen werden, wodurch Aussagen über unter­ schiedliche Parameter getroffen werden können. In Fig. 3 sind beispielsweise UV-Spektren von Ozon in Schwefelsäure bei zwei unterschiedlichen Konzentra­ tionen dargestellt, wobei die Extinktion bzw. das spektrale Absorptionsmaß bzw. das dekadische Absorp­ tionsvermögen über die Wellenlänge aufgetragen ist. Die Absorptionsbande von Ozon liegt im wesentlichen zwischen 245 und 265 nm und, wie aus Fig. 3 zu erken­ nen ist, ergeben unterschiedliche Konzentrationen unterschiedliche Extinktionswerte. Somit kann eine Messung der Absorption in dem Wellenlängenbereich für Ozon über die Prozeßdauer hinsichtlich der Konzentra­ tion von Ozon ausgewertet werden, wobei eine quanti­ tative Aussage getroffen werden kann.

In Fig. 4 ist die Extinktion über den Wellenlängenbe­ reich von 200 bis 700 nm von Schwefelsäure bei der Waferentlackung dargestellt, wobei die dicke durch­ gezogene Linie zu einem Zeitpunkt während der Ent­ lackung mit Ozonzufuhr, die dünne durchgezogene Linie den Zustand vor dem Beginn des Prozesses und die ge­ strichelte Linie den Zustand der Schwefelsäure nach vollständiger Ozonbehandlung zeigt. Es ist zu erken­ nen, daß mit der Ozonbehandlung das Schwefelsäurebad vollständig auf den Zustand vor dem Beginn des Ent­ lackungszustandes gebracht werden kann.

Während der Entfernung des Fotolacks von Halbleiter­ scheiben in dem Becken 1 tritt zunächst ein relativ breites Absorptionsmaximum bis in den sichtbaren Be­ reich auf, das aus gelöster Organik resultiert. Durch die Ozonbehandlung verschwindet es, indem die organi­ schen Bestandteile des Bades bis hin zu CO₂ und Was­ ser oxidiert werden. In Fig. 5 ist die Konzentration des Fotolacks im Becken 1 während der Entlackung mit Schwefelsäure und Ozon bei 115°C über die Zeit für unterschiedliche Waferchargen, die nacheinander in das Becken 1 gebracht werden, dargestellt. Die Kurve ist bei einer Wellenlänge von 340 nm, die in der Ab­ sorptionsbande des Fotolacks liegt, gemessen worden. Die Konzentration kann abhängig von der Extinktion, der Schichtdicke und dem molaren Absorptionskoffi­ zienten bestimmt werden. Aus dieser Kurve ist zu er­ kennen, daß die Konzentration während des Entlac­ kungsvorganges erst zunimmt und dann aufgrund der Reinigungswirkung des Ozons auf fast den Anfangswert gebracht werden kann.

Fig. 6 zeigt die Regeneration belasteter Schwefelsäu­ re mit Ozon bei 95°C, wobei die eine Kurve die Ab­ baugeschwindigkeit des Fotolacks in der Badlösung in willkürlichen Einheiten bestimmt, während die andere Kurve die Ozonkonzentration in g/l darstellt.

Wie beispielhaft an den Darstellungen nach Fig. 3 bis 6 zu erkennen ist, ist es einerseits möglich, anhand der Spektralmessung der Absorption die Prozeß­ parameter zu überwachen und andererseits mit Hilfe der Auswerte- und Steuereinrichtung 11 den Prozeß zu steuern. Bei Verwendung einer Kurve nach Fig. 5 kann die Fotolackkonzentration über die spektrale Absorp­ tion kontinuierlich oder in zeitlichen Abständen über die Prozeßdauer gemessen werden und wenn der Meßwert einen bestimmten Wert unterschreitet, wird angenom­ men, daß die Halbleiterscheiben ausreichend gereinigt worden sind und die Auswerte- und Steuereinrichtung 11 steuert die Beschickungsvorrichtung 12 an, die die in dem Becken 1 eingetauchte Wafercharge entnimmt und eine neue Charge einbringt, worauf ein neuer Entlac­ kungsprozeß durchgeführt werden kann.

Um den Endpunkt der Reaktion in der Badlösung im Becken 1 zu bestimmen, ist es jedoch auch möglich, die Ozonkonzentration entsprechend Fig. 6 auszuwer­ ten, die bei vorgegebener konstanter Ozonzufuhr nach Beenden der Reaktion ansteigt. Auch hier kann ein Sollwert vorgegeben werden, mit dem die gemessene Ozonkonzentration verglichen wird, wobei bei Über­ schreiten des Sollwertes die Behandlung beendet ist.

Bei verschiedenen Prozessen in der Halbleiterferti­ gung, zum Beispiel bei der Abscheidung von Silizium­ oxidschichten mit anschließendem Abätzen von Silizi­ umdioxid mit Flußsäure, ist es sinnvoll, die Ozonkon­ zentration zu steuern, um konstante Reaktionsbedin­ gungen zu erreichen. Beispielsweise soll die Ozonkon­ zentration über den Prozeßverlauf konstant gehalten werden. Dazu wird wiederum über die spektrale Absorp­ tion im Wellenlängenbereich von 245 bis 265 nm die Ozonkonzentration über den Prozeßverlauf bestimmt und die Steuereinrichtung steuert bzw. regelt abhängig von dem gemessenen Wert der Konzentration den Ozonge­ nerator 5 derart an, daß die Konzentration den ge­ wünschten Sollwert erreicht.

Claims (13)

1. Verfahren zur Steuerung von Abläufen von Prozessen in der Halbleiterfertigung, bei dem Halbleiterele­ mente in einer Badlösung behandelt werden, wobei in mindestens einem vorgegebenen Wellenlängenbe­ reich die spektrale Absorption der Badlösung oder eines Teilstroms davon gemessen wird und abhängig von den gemessenen spektralen Absorbtionswerten oder davon abgeleiteten Größen die Abläufe gesteuert werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Badlösung durch Zuführen von Ozon während der Halbleiterelementebehandlung regeneriert wird und daß die spektrale Absorption im charakteristi­ schen Wellenlängenbereich des Ozons gemessen und die Ozonkonzentration bestimmt wird und daß abhän­ gig von der Ozonkonzentration die Abläufe gesteu­ ert bzw. geregelt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß abhängig von der Ozonkonzentration der End­ punkt der Regeneration der Badlösung bestimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Badlösung ein Ätzbad zum Entfer­ nen von Fotolack von den Halbleiterelementen ist, in das Ozon eingeleitet wird, und daß zusätzlich zur Ozonkonzentration die spektrale Absorption bzw. die Fotolackkonzentration im charakteristi­ schen Wellenlängenbereich des Fotolacks gemessen wird und daß der Prozeß beendet wird, wenn die spektrale Absorption bzw. die Fotolackkonzentra­ tion nach dem Abbau durch Ozon einen vorgegebenen Sollwert annimmt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die spektrale Absorp­ tion bzw. die Fotolackkonzentration bzw. die Ozonkonzentration kontinuierlich oder in zeitli­ chen Abständen über den Reaktionszeitraum gemes­ sen werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Ozonkonzentration in der Badlösung auf vorgegebene Werte gesteuert bzw. geregelt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Badlösung Sub­ stanzen zum Bilden von Siliziumoxid auf Halblei­ terscheiben, Ozon oder weitere Substanzen ent­ hält, wobei die Ozonkonzentration gemessen und so gesteuert wird, daß sie über den Reaktions­ zeitraum konstant gehalten wird oder entspre­ chend einem vorgegebenen Programm einstellbar ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die Ozonkonzentration in einer flußsäu­ rehaltigen Lösung gesteuert wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß die Messungen der spektralen Absorption bzw. der davon abgeleite­ ten Größen in einem Wellenlängenbereich von 220 bis 650 nm durchgeführt werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß die Messung der spek­ tralen Absorption in einem Wellenlängenbereich von 245 bis 265 nm durchgeführt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung der spektralen Absorption in einem Wellenlängenbe­ reich von 320 bis 360 nm durchgeführt wird.

11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem mit einer Badlösung ge­ füllten Becken, in das zu behandelnde Halblei­ terelemente getaucht werden, und mit einem Ozon­ generator und einer Vorrichtung zum Einleiten des erzeugten Ozons in die Badlösung, dadurch gekennzeichnet, daß eine Durchflußküvette für einen Teilstrom der Badlösung vorgesehen ist, der eine Vorrich­ tung (7) zur Messung der spektralen Absorption zugeordnet ist, und daß eine Auswerte- und Steu­ ereinrichtung (11) mit der Vorrichtung zum Mes­ sen der spektralen Absorption verbunden ist, die abhängig von den Meßergebnissen Steuersignale zur Steuerung des Prozesses abgibt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Beschickungsvorrichtung (12) für die Halbleiterelemente vorgesehen ist und daß die Steuereinrichtung die Beschickungsvor­ richtung (12) und/oder den Ozongenerator (5) ansteuert.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung von bewegten Teilen die Entnahme des Teilstroms über eine Venturi-Düse (9) gesteuert wird.