DE4221074C2 - Halbleiter-Wafer-Verarbeitung mit Überwachung kritischer Dimensionen auf dem Wafer unter Einsatz optischer Endpunktdetektion - Google Patents

Halbleiter-Wafer-Verarbeitung mit Überwachung kritischer Dimensionen auf dem Wafer unter Einsatz optischer Endpunktdetektion

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    • G01B11/0616—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material of coating
    • G01B11/0683—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material of coating measurement during deposition or removal of the layer

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen der Gleichmäßigkeit kritischer Dimensionen auf einem Wafer während der Waferbearbeitung unter Verwendung einer optischen Endpunktdetektion.
Bei der Herstellung von VLSI-Bauelementen ist die Gleich­ mäßigkeit kritischer Abmessungen bzw. Dimensionen wichtig für die elektrische Gesamtfunktion der elektrischen Bauele­ mente. Wenn die nominelle Leitungsbreite bzw. Kanalbreite eines Transistorgates o. ä. 0,5 Mikrometer ist, dann sollte die tatsächliche Leitungsweite bzw. -breite des hergestell­ ten Bauelements exakt dieser Abmessung entsprechen und soll­ te außerdem für alle Bauelemente auf einem Wafer und für alle Wafer innerhalb eines Fertigungsloses die gleiche Ab­ messung sein. Variationen der Gleichmäßigkeit kritischer Dimensionen sind Abweichungen von dem gewünschten Prozeß und verursachen eine Verminderung der Chip-Herstellungseffi­ zienz (Ausbeute) und der sich ergebenden Chip-Funktion bzw. Geschwindigkeit. Deshalb ist in der Halbleiterindustrie die Überwachung und Steuerung der Gleichmäßigkeit kritischer Dimensionen ein wichtiger Faktor.
Die Fähigkeit zur Bestimmung der Güte der Gleichmäßigkeit kritischer Dimensionen ist vor kurzem noch auf direkte Meß­ systeme beschränkt gewesen (d. h. Rasterelektronenmikroskope oder SEMs (scanning electron microscopes), optische Mikros­ kope, elektrische Meßfühler usw.), von denen alle eine sig­ nifikante zusätzliche Verarbeitungszeit erfordern. Wegen dieser zusätzlichen Verarbeitungszeit wurden nur eine Probe bzw. Stichprobe von Messungen durchgeführt (was immer noch der Fall ist), um die Güte der kritischen Dimensionen von Wafer zu Wafer bzw. Los zu Los oder auf dem Wafer bzw. quer über dem Wafer zu bestimmen. Als Ergebnis wurden die meisten Wafer verarbeitet und zum nächsten Verarbeitungsschritt transferiert, ohne daß ihre Güte bezüg­ lich kritischer Dimensionen ermittelt worden ist. Dieses Fehlen einer hundertprozentigen Ermittlung der kritischen Dimensionen bedingt, daß Wafer, die außerhalb der vorgesehenen Spezifikation liegen, weiter­ verarbeitet werden, um dann schließlich wegen schlechter elektrischer Güte bzw. Leistungsfähigkeit bei der abschließenden Waferüberprüfung als Ausschuß ausgesondert zu werden. Dies trägt signifikant zu mangelnder Effizienz und zu den Kosten der Chipherstellung bei.
Ein optischer Endpunktdetektor (OEPD = Optical end point detector) wurde entwickelt, um die Güte der Gleichmäßigkeit kritischer Dimensio­ nen von Wafer zu Wafer und von Los zu Los zu überwachen und zu steuern. Die Technologie der optischen Endpunktdetektoren wird in den folgenden Publikationen beschrieben: (1) S. Grindle und E. Pavelcheck, "Photo­ resist Characterization Using Interferanetry During Development", Pro­ ceedings of the 4th Annual Test and Measurement World Expo, San Jose, California, 14-16 Mai 1985; (2) M. Thomson "In-situ Develop End Point Control to Eliminate CD Variance", SPIE Proceedings of Integrated Cir­ cuit Metrology, Inspection and Process Control IV, San Jose, Califor­ nia, 5-6 März 1990; (3) K.M. Sautter, M. Ha. und T.Batchelder, "Develop­ ment Process Control and Optimization Utilizing an End Point Monitor", KAI Interface ′88 Proceedings; und (4) L.J. Uhler, "Automatic Linewidth Control System", SPIE Proceedings of Integrated Circuit Motrology, Inspection, and Process Control, San Jose, California, 1987. Die be­ schriebenen optischen Endpunktdetektoren arbeiten, indem sie eine Licht­ quelle auf einen einzelnen Bereich von zu entwickelnden Photoresist bzw. Photolack lenken und Interferenzmuster, die durch das von der Oberfläche des Photoresists und auch von dem Sub­ strat reflektierte Licht verursacht werden, beobachtet wer­ den. Diese Einrichtungen haben eine erheblich verbesserte Überwachung und Steuerung der Gleichmäßigkeit kritischer Dimensionen ermöglicht.
Aber auch unter Verwendung optischer Endpunktdetektoren ist die Güte der kritischen Dimensionen quer über den Wafer noch unbekannt, so daß direkte Meßsysteme immer noch erfor­ derlich sind.
Aus der US 4 998 021 ist ein Verfahren zum Detektieren eines Endpunktes einer Oberflächenbehandlung eines Wafers bekannt, wobei kohärentes Licht auf die Oberfläche eines Wafers, der mit einer zu behandelnden Schicht versehen ist, projiziert wird und das reflektierte Licht, das durch Interferenz des an der zu behandelnden Schicht reflektierten Lichts und des an der anderen Oberfläche reflektierten Lichts entsteht, ausgewertet wird.
Die EP 0 084 075 A1 betrifft ein interferometrisches Verfahren zur Endpunktbestimmung der Schichtabtragung beim Entwickeln oder Ätzen von Wafern. Hierbei wird das Interferenzbild von auf der abzutragenden Oberfläche und der Substratoberfläche reflektierten Strahlenbündeln monochromatischen Lichts von einem großflächigen Photodetektor ausgewertet, wobei das Entwickeln bzw. Ätzen mittels eines Sprühkopfes erfolgt der die Entwickler- bzw. Ätzlösung fein verteilt auf die Oberfläche des auf einem Drehteller rotierenden Substrats aufsprüht. In dem Sprühnebel erfolgt eine Streuung des Meßstrahles. Diese Teilmeßstrahlen werden in zwei Strahlenbündeln an der Substratoberfläche und an der dünner werdenden Photolackoberfläche während des Abtragens reflektiert und formen so zwei interferierende reflektierte Strahlenbündel, die ihrerseits im Sprühnebel weiter unterteilt und einem großflächigen Photodetektor zugeführt werden, der das Endsignal einer Auswerteinheit zu leitet.
Die EP 0 352 004 A2 betrifft ein Verfahren zur Endpunktbestimmung bei einem Wafer-Ätzsystem, wobei der Wafer mit einem engfokussierenden Laserstrahl gescannt wird, ein reflektierter Teil des Strahls analysiert wird, um einen bevorzugten Park-Fleck ("parking spot") auf einem bevorzugten flachen Bereich des Wafers zu bestimmen, der Strahl auf dem bevorzugten Park-Fleck geparkt wird, und der reflektierte Teil des Strahls analysiert wird, um zu bestimmen, wann der bevorzugte flache Bereich durchgeätzt worden ist.
Aufgabe der folgenden Erfindung ist es, einen weiteren Weg anzuge­ ben, durch den die Bestimmung der Güte der Gleichmäßigkeit kritischer Dimensionen auf dem Wafer während der tatsächli­ chen Verarbeitung bzw. Bearbeitung des Wafers ermöglicht wird, und nicht nachdem die Verarbeitung abgeschlossen wur­ de.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 bzw. durch die Vorrichtung nach Anspruch 5 gelöst.
Es wird deshalb hier vorgeschlagen, die Wafer-zu-Wafer- und Los-zu-Los-Technik zu verbessern, indem zum Überwachen der Güte der Gleichmäßigkeit kritischer Dimensionen auf dem Wafer simultan mehrere Stellen, quer auf dem Wafer ver­ teilt, für optische Endpunktdetektionen überwacht werden.
Wenn die Güte der Gleichmäßigkeit kritischer Dimensionen auf dem Wafer eingehalten wird, entsteht eine Anzahl von Vorteilen: (1) das Vermögen, die Güte der kritischen Dimen­ sionen auf dem Wafer vor Ort für alle bearbeiteten Wafer zu bestimmen, und nicht nur für einige Probenwafer; (2) die Verminderung oder Beseitigung von Wafern, die außerhalb der Spezifikation sind und nachfolgenden Prozeßschritten unent­ deckt zugeführt werden; (3) die Verminderung oder Beseiti­ gung von direkten Messungen der kritischen Dimensionen nach der Herstellung bzw. nach dem Prozeß unter Einsatz eines SEMS oder ähnlichem; (4) eine Erhöhung der Chipherstellungs­ effizienz bzw. -ausbeute und (5) eine Absenkung der Chipher­ stellungskosten.
Die Erfindung in ihrer breitesten Form besteht in einer Vorrichtung bzw. einem Verfahren zum Bestimmen der Gleichmä­ ßigkeit kritischer Dimensionen bei der Herstellung bzw. Verarbeitung von Halbleiterwafern bzw. Halbleiterscheiben, wobei die folgenden Schritte auftreten:
  • a) es wird das Fortschreiten des Entfernens einer Deck­ schicht auf einer Oberfläche eines Wafers mittels einer Vielzahl optischer Endpunktdetektoren an Stellen detek­ tiert, die auf der Oberfläche verteilt bzw. mit Abstand zueinander sind, wobei einer der Detektoren ein Steuerdetek­ tor ist und zumindest einer der Detektoren ein Überwachungs­ detektor ist.
  • b) es wird eine Endezeit zur Steuerung des Prozesses von einem Ausgang des Steuerdetektors bestimmt und die Entfer­ nung der Deckschicht zu dieser Endezeit abgebrochen;
  • c) es wird eine Endezeit aus einem Ausgang des Überwachungs­ detektors bestimmt; und
  • d) die Endezeit für die Überwachung des Prozesses wird mit der Endezeit für die Steuerung des Prozesses verglichen.
In Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung verwendet ein Verfahren zur Überwachung der Herstellung der Halbleiterbauelemente zur Überwachung der Güte der Gleichmä­ ßigkeit kritischer Dimensionen auf dem Wafer eine Anzahl von optischen Endpunktdetektoren an Stellen auf der Wafer­ oberfläche. Einer dieser optischen Endpunktdetektoren wird eingesetzt, um den Prozeß zu steuern, und wenn der Endpunkt an dieser Stelle erreicht worden ist, wird die Prozeß-Ende­ zeit berechnet und die Endezeit wird verwendet, um die Pro­ zeßeinrichtungen zu steuern. Wenn z. B. der Prozeßschritt, der überwacht werden soll, die Entwicklung des Photoresists ist, dann wird der Entwicklungsbetrieb in Abhängigkeit von dieser berechneten Ende-Zeit beendet, die aus dem detektier­ ten Endpunkt an der Kontrollstelle abgeleitet wurde. Die anderen Stellen werden verwendet, um die Güte quer über den Wafer zu überwachen. Der Ausgang jedes dieser optischen Detektoren wird eingesetzt, um den Endpunkt für jede Überwa­ chungsstelle zu bestimmen, und diese Endpunkte werden mit dem Steuerendpunkt verglichen, um die Güte der kritischen Dimensionen auf dem Wafer und die Einhaltung der Spezifika­ tion zu überprüfen. Die Wafer können dann, wenn sie außer­ halb der Grenzen liegen, gekennzeichnet werden und brauchen nicht durch nachfolgende Schritte bearbeitet werden.
Dies steigert die Gesamteffizienz der Waferverarbeitung, indem Gesamtüberprüfungszeit durch selektive Überprüfung gekennzeichneter Wafer eingespart werden kann und indem Messungen kritischer Dimensionen nach der Fertigstellung der Bauelemente reduziert oder ganz weggelassen werden kön­ nen. Dies ermöglicht auch eine Reduktion der Kosten für Meßsysteme kritischer Dimensionen.
Es wird darauf hingewiesen, daß vor der Erfindung die Mög­ lichkeiten zur Bestimmung der Güte der Gleichmäßigkeit kri­ tischer Dimensionen auf dem Wafer auf direkte Messungen nach Abschluß der Herstellung bzw. Prozeßverarbeitung be­ grenzt waren. Kein bis dahin bekanntes Gerät erlaubte die Bestimmung der Güte der Gleichmäßigkeit kritischer Dimensio­ nen auf dem Wafer während der Prozeßverarbeitung des Wafers. Außerdem ist anzumerken, daß, obwohl die optischen Endpunkt­ detektoren, die z. B. in den oben stehend aufgelisteten Pub­ likationen erläutert werden, die Fähigkeit haben, kritische Dimensionen von Wafer zu Wafer und von Los zu Los vorher zu­ sagen und zu steuern, aber nicht das Vermögen haben, die Güte der Gleichmäßigkeit kritischer Dimensionen auf dem Wafer vorherzusagen, deshalb war es mit der Technologie, die vor der Erfindung bekannt war, nicht möglich, mittels Einsatz optischer Endpunktdetektoren die Güte der Gleichmä­ ßigkeit kritischer Dimensionen auf dem Wafer zu bestimmen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Ausführungsformen der vorliegen­ den Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Diagramm eines optischen Endpunkt-Detektormecha­ nismus, der in dem Verfahren nach der Erfindung einge­ setzt werden kann;
Fig. 2a-2c sind Schnittansichten eines kleinen Ab­ schnitts eines Halbleiterwafers nach Fig. 1 an hintereinan­ der folgenden Stufen innerhalb eines Photoresist-Entwick­ lungsprozesses;
Fig. 3 ein Zeitdiagramm, das den Detektorausgang bzw. das Signal am Detektorausgang zeigt, das in der Vorrichtung nach Fig. 1 auftritt, wobei das Diagramm als Funktion der Zeit für eine beispielhafte Art eines Detektorausgangssig­ nals angegeben ist;
Fig. 4 eine Aufsicht auf einen Halbleiterwafer mit mehreren optischen Endpunktdetektoren entsprechend einer Ausführungs­ form der Erfindung, zum Überwachen quer über dem Wafer; und
Fig. 5 ein Flußdiagramm eines Verfahrens zum Verarbeiten von Halbleiterwafern gemäß einer Ausführungsform der Erfin­ dung.
In der Fig. 1 wird eine Vorrichtung mit optischer Endpunkt­ detektion angegeben, die im Verfahren gemäß der vorliegen­ den Erfindung eingesetzt werden kann. Ein kleiner Teil ei­ nes Halbleiterwafers 10 wird gezeigt, mit einer Deckschicht aus Photoresist 11, wobei anzumerken ist, daß diese allgemeine Struktur des Wafers mehrere hunderttausendfach auf einem Wafer mit mehreren Inch (2,54 cm) im Durchmesser wiederholt wird, wobei der Teil, der gezeigt wird, nur eini­ ge Mikrometer mißt. Diese Deckschicht 11 (coating) ist Licht durch eine Maske ausgesetzt worden, um gewünschte Muster zu bilden, wodurch unbelichtete Abschnitte 12 und ein belichteter Abschnitt 13 definiert werden. Nach dem Belichten wird der Resist entwickelt, indem der Wafer einer Entwicklungslösung ausgesetzt wird, die dazu dient, den belichteten Abschnitt 13 des Photoresists aufzulösen, wo­ durch die unbelichteten Photoresistabschnitte 12 stehenblei­ ben, um nachfolgend als Maske für einen Vorgang bzw. Be­ trieb, wie z. B. Ätzen einer darunterliegenden Schicht aus Oxid 5, Nitrid, Polysilicium oder z. B. aus Metall oder als Implantationsmaske verwendet zu werden. Die Belichtungsop­ tik durch Licht ist so, daß der Zentralabschnitt 14 des Abschnitts 13 stärker belichtet wird und deshalb schneller entwickelt wird als die Abschnitte 15, die eher an den Kanten des Abschnitts 13 liegen. Die nominelle Leitungsbrei­ te L beträgt z. B. 0,5 Mikrometer, aber die tatsächliche Lei­ tungsbreite der resultierenden Photoresist-Maske kann klei­ ner oder größer als 0,5 Mikrometer sein, was von der Belich­ tungsoptik, der Entwicklerrate, wie lang der Wafer dem Ent­ wickler ausgesetzt wird, und verschiedenen Prozeßparame­ tern abhängt. Wie in den Fig. 2a-2c illustriert wird, schreitet die Entwicklung (also die Entfernung) des Be­ reichs 13 des Photoresists zuerst in der Mitte fort, wo er am meisten belichtet wird, um schließlich das darunterliegen­ de Substrat gemäß Fig. 2b zu erreichen, und dann schreitet die Entwicklung damit fort, die Seitenwände fortschreitend in Richtung des Randes zu entfernen. Wenn der Wafer in dem Entwickler lang genug verbleibt, ist der Photoresist bis zur Kante und gerade über die Kante zwischen den belichte­ ten und nicht belichteten Abschnitten entfernt. Das Ziel besteht jedoch darin, eine gleichbleibende und vorhersagba­ re Linienbreite zu erreichen, wozu eben die optische End­ punktdetektion eingesetzt wird. Ohne Endpunktdetektion wür­ de es notwendig sein, die Entwicklungszeit auf der Basis empirischer Daten vorherzusagen und dann die Zeit für nach­ folgende Partien nach Beenden des Waferherstellungsprozes­ ses und dem Durchführen mechanischer Messungen der Linien­ breiten für bekannte Entwicklungszeiten einzustellen.
Die Vorrichtung für optische Endpunktdetektion nach Fig. 1 verwendet eine monochromatische Lichtquelle 17, die einen Strahl 18 erzeugt, der von der oberen Oberfläche bzw. Stirn­ seite des Photoresists 13 und auch von dem darunter liegen den Substrat reflektiert wird, um zwei interferierende Strahlen zu erzeugen, die den Photodetektor 19 erreichen. Ein Interferenzdiagramm wird damit durch einen Prozessor oder eine CPU aus dem Ausgangssignal des Detektors 20 er­ zeugt und dieses Interferenzdiagramm kann von der Gestalt nach Fig. 3 sein (was nur ein Beispiel des erzeugten Aus­ gangssignals ist), worin die detektierte Intensität als Funktion der Entwicklungszeit in einem Kurvenverlauf 21 ausgedruckt bzw. dargestellt ist. Es ist ersichtlich, daß das Interferenzmuster in diesem Beispiel sich ändert, wenn die Entwicklung durch die Dicke bzw. Formen des Abschnitts 13 der Fig. 1, 2a, 2b und 2c fortschreitet, bis der Ab­ schnitt 13 zum Substrat hinunter entfernt ist, wo eine kon­ stante Intensität erzeugt wird, wie es durch die Linie 22 angegeben ist. Durch Überwachen des Ausgangssignals des Photodetektors 19 während der Wafer dem Entwickler ausge­ setzt wird, wird eine Echtzeitmessung des tatsächlichen Entfernens des Photoresists erzeugt und so kann ein genau­ erer Endpunkt detektiert werden und dazu verwendet werden, um zu entscheiden, wann der Wafer aus dem Entwickler ent­ fernt werden muß, z. B. durch eine Prozeßsteuerungseinrich­ tung unter Steuerung der CPU.
Der Entwicklungsprozeß kann als in zwei Abschnitte bzw. Komponenten aufgeteilt betrachtet werden, wobei eine Kompo­ nente vertikal (tc) zu der Waferoberfläche und die andere Komponente lateral (αtc) zur Waferoberfläche verläuft. Die vertikale Zeit ist gegebene während der Zentralabschnitt 14 entfernt wird, wie es in Fig. 2a angegeben wird, und zwar bis der Photoresist aus dem Zentralbereich verschwunden ist, und die laterale Zeit ist gegeben, während die Seiten­ wände wie in Fig. 2c gezeigt entfernt werden. Die gesamte Entwicklungszeit td kann ausgedrückt werden durch
td = tc + αtc
Der Faktor α ist eine Funktion der Belichtungsänderung, von Beugungseigenschaften der Linse und der Reaktionsmecha­ niken des Entwicklungsprozesses. Die vertikale Komponente tc ist in Echtzeit, wie diskutiert, unter Einsatz des Detek­ tors nach Fig. 1 meßbar, wohingegen die laterale Komponente auf Basis von tc und empirischen Daten vorhersagbar ist. Deshalb wird eine Rückkoppelsteuerung bzw. -regelung in Echtzeit ermöglicht. Ein Algorithmus wird auf Basis dieser Beziehungen ausgewählt, um den Entwicklungszyklus zu stop­ pen, während der Wafer bearbeitet wird, wodurch eine viel bessere Linienbreitensteuerung als bisher möglich erreicht werden kann.
Eine optische Endpunktdetektion, wie sie in den Fig. 1 bis 3 erläutert wird, ist verwendet worden, um eine einzel­ ne Waferstelle zu überwachen, um einen Endpunkt des Pro­ zesses zu erkennen und zu bestimmen, um dadurch die Güte kritischer Dimensionen von Wafer zu Wafer und von Los zu Los vorherzusagen und zu steuern. Diese Anwendungen sind auf die Vorhersage der Prozeßgüte bezüglich dieser einzel­ nen Waferstelle begrenzt und können nicht die Güte quer auf dem Wafer vorhersagen. Da Prozeßreaktionsraten die Ei­ genschaft haben, innerhalb des gesamten Wafers bzw. auf der gesamten Waferfläche zu variieren und auch von Wafer zu Wafer und von Los zu Los, ist es deshalb von Vorteil, die Güte des Prozesses auf dem gesamten Wafer zu bestimmen (und möglicherweise zu steuern), um die Effektivität der Herstel­ lung zu verbessern. Gemäß der Erfindung wird die Güte der Gleichmäßigkeit kritischer Dimensionen über den gesamten Wafer durch Überwachen vieler Waferstellen bestimmt.
In Fig. 4 wird ein Wafer 24, der wie in Fig. 1 verarbeitet wird, an den Stellen 25, 26 und 27 überwacht, wobei jede Überwachungsstelle einen optischen Endpunktdetektor wie in der Fig. 1 mit einer Lichtquelle 17 und einem Fotodetektor 19 hat, der zusammen mit einer Detektoreinrichtung 20 die Eingangssignale der CPU zuführt. Eine dieser Stellen, z. B. die Mittenstelle 25 wird verwendet, um den Wafer-Prozeß unter Einsatz der Prozeßsteuerung, wie gerade oben erwähnt, zu überwachen und zu steuern. Die anderen bzw. übrigen Stel­ len 26 und 27 werden eingesetzt, die Güte der Gleichmäßig­ keit kritischer Dimensionen quer über den gesamten Wafer zu bestimmen. Fig. 5 zeigt ein Flußdiagramm, das die darge­ stellte Reihenfolge erläutert. Die zwei Wege der Fig. 5 sind parallele Wege, die zur gleichen Zeit verarbeitet wer­ den, und nicht unabhängig voneinander.
Die Verarbeitung des Wafers beginnt, wenn die Entwicklung des Photoresists gestartet wird, was durch den Block 28 der Fig. 5 angegeben wird, wobei die optischen Endpunktdetekto­ ren der Fig. 1 angesteuert werden, die Überwachung zu begin­ nen und die Ausgangssignale gemäß Fig. 3 zu erzeugen. Im Steuerweg wird der Endpunkt im Block 29 detektiert, d. h. der Photoresist ist auf dem gesamten Weg zum Substrat hin entfernt, was durch die flach verlaufende Linie in der Fig. 3, wenn sie erreicht worden ist, angegeben wird. Inzwischen werden die Endpunkte für die anderen Überwachungsstellen 26 und 27 detektiert, wie es durch den Block 30 angegeben wird. Diese können die gleichen Endpunkte wie beim Steuer­ weg aber auch früher oder spätere Endpunkte sein. Die gesam­ te Verarbeitungszeit wird für den Steuerweg berechnet, was durch den Block 31 angegeben wird, und zwar auf der Basis von Formen und Formeln, die im vorhinein unter Verwendung empirischer Daten berechnet wurden, wie z. B. für den Faktor α. Dann wird die Waferbearbeitung unter Verwendung des Ergebnisses des Blocks 31 gesteuert, um die gesamte Prozeß­ zeit zu bestimmen, d. h., wenn der Entwickler gestoppt wird, was durch den Block 32 angegeben wird. Im Überwachungspfad, wie durch den Block 33 angegeben, werden die Endpunkte der Überwachungsstellen 26 und 27 (vom Block 30) mit dem End­ punkt verglichen, der von der Kontrollstelle 25 (vom Block 29) stammt, um die Variationen des Prozesses über den Wafer zu bestimmen. Jede dieser Variationen auf dem Wafer wird dann mit vorher gesetzten Prozeßgrenzen, wie es durch den Block 34 angegeben ist, verglichen, und die Prozeßvariation wird für jeden Wafer angezeigt, und wenn Grenzen bzw. Werte noch zulässige Grenzwerte des Wafers überschritten haben, werden die jeweiligen Wafer gekennzeichnet, wie durch den Block 35 angegeben wird. Die Verarbeitung dieses Wafers ist damit abgeschlossen, wie beim Block 36 gezeigt wird.
Da die optische Endpunktdetektion ein genauer Prädiktor der letztendlichen kritischen Dimensionen des Wafers ist, kön­ nen die vielen Monitorstellen leicht mit der Kontrollstelle 25 von "bekannter kritischer Dimensionen" verglichen wer­ den, um eine Prozeßvariation oder die Güte der Gleichmäßig­ keit kritischer Dimensionen auf dem Wafer zu bestimmen. Diese Information wird dann (1) für die Waferunterscheidung während der Los-Verarbeitung verwendet, bei der Wafer gemäß ihren kritischen Dimensionen sortiert werden, (2) zum Über­ wachen der Prozeßstabilität verwendet, wobei die Güte des Prozesses mit der Zeit überwacht wird, (3) für das Ersetzen einiger oder aller direkter Messungen kritischer Dimensio­ nen, die vorher erforderlich waren, verwendet und (4) für die Entwicklung der Prozeßtechnologie verwendet, um Varia­ tionen auf dem Wafer zu stabilisieren bzw. zu vermindern.
Durch die Verwendung des Verfahrens der vorliegenden Erfin­ dung anstelle bekannter Technologien zum Bestimmen der Güte der Gleichmäßigkeit kritischer Dimensionen auf dem Wafer werden mehrere Vorteile erreicht. Erstens gibt es eine Be­ stimmung der Güte der Gleichmäßigkeit kritischer Dimensio­ nen für 100% der Wafer, und nicht nur für ausgewählte Test­ wafer, wodurch folglich der Waferausschuß bei der letztend­ lichen Waferüberprüfung reduziert wird, da Wafer, die außer­ halb der Grenzwerte liegen, nicht im verbleibenden Prozeß bearbeitet werden. Zweitens ergibt sich eine Reduktion (und möglicherweise die Beseitigung) von direkten Meßerfordernis­ sen wie z. B. SEMs usw. für die kritischen Dimensionen, so daß der Durchsatz bei der Waferverarbeitung erhöht wird, wobei gleichzeitig die Geldmittel, die für die Einrichtun­ gen zum direkten Messen der kritischen Dimensionen erforder­ lich sind, reduziert werden können. Drittens werden durch die Erfindung Diagnostiziermöglichkeiten für Prozeßva­ riationen auf dem Wafer vor Ort zur Verfügung gestellt, die die Zeit reduzieren, die für die Entwicklung der Prozeßtechnologie erforderlich sind, welche die Güte auf dem Wafer verbessert. Viertens wird eine Gesamtverbes­ serung bezüglich der Effektivität der Waferprozeßentwick­ lung und der Herstellung ermöglicht.
Obwohl oben die Verwendung bzw. der Einsatz der Erfindung mit Bezug auf die Entwicklung einer Photoresist-Schicht 11 beschrieben worden ist, ist es klar, daß die Eigenschaften der Erfindung auch genauso gut bei der Überwachung kriti­ scher Dimensionen auf dem Wafer bei anderen Schritten bzw. Materialien verwendet werden können, die bei der Halbleiter­ fertigung auftreten. Z.B. kann das Verfahren nach der Erfin­ dung beim Überwachen der Güte kritischer Dimensionen bei Oxid-Schichten, Polysilicium- oder Silicium-Schichten oder Silicium-Nitrid-Schichten oder Metallisationsschichten ver­ wendet werden. In diesen Situationen wird das Ätzen des Materials bezüglich des Endpunkts überwacht, und nicht das Entwickeln. Wenn das Material für den Strahl 18 nicht trans­ parent ist, kann der Endpunkt z. B. durch eine Spitze im Detektorausgangssignal detektiert werden. Der charakteristi­ sche Detektorausgang kann, wenn das Ätzen der Schicht fort­ schreitet, ein ansteigender oder abfallender Pegel gefolgt von einer Spitze oder einem flachen Bereich sein, wenn das darunterliegende Material erreicht wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Überwachen der Güte der Gleichmäßigkeit kritischer bzw. beliebiger Dimensionen auf einem Wafer bei der Herstellung von Halbleiterbauelemen­ ten wird eine Anzahl von optischen Endpunktdetektoren an Stellen an der Waferoberfläche verwendet, die auf der Waferoberfläche bzw. Waferstirnseite mit Abstand zueinander vorhanden sind. Jeder optische Endpunktdetektor ist dazu in der Lage, direkt den Endpunkt des Prozeßschrittes an der jeweiligen Stelle zu messen. Einer dieser optischen Endpunktdetektoren wird für die Steuerung des Prozesses verwendet, und wenn der Endpunkt an dieser Stelle erreicht wird, wird die Prozeß-Ende zeit vorhergesagt bzw. ermittelt und die Endezeit wird verwendet, um die Pro­ zeß-Einrichtungen zu steuern. Z.B., wenn der Prozeßschritt, der überwacht wird, das Entwickeln eines Photoresists ist, dann wird der Entwicklungsbetrieb in Abhängigkeit von die­ ser berechneten Ende-Zeit beendet, die aus dem detektierten Endpunkt an der Stelle für die Steuerung abgeleitet wurde. Die anderen Stellen werden eingesetzt, um die Güte auf dem Wafer zu überwachen. Der Ausgang jedes dieser anderen opti­ schen Detektoren wird verwendet, um die Endpunkte jeder Überwachungsstelle zu bestimmen und diese Endpunkte werden mit dem Endpunkt für die Steuerung verglichen, um die Güte der kritischen Dimensionen auf dem Wafer und die Überein­ stimmung bzw. Einhaltung der Spezifikation zu überprüfen. Die Wafer können somit gekennzeichnet werden, wenn sie au­ ßerhalb der zulässigen Grenzwerte liegen, und müssen nicht durch nachfolgende Schritte weiterverarbeitet werden.

Claims (7)

1. Verfahren zum Bestimmen der Gleichmäßigkeit kritischer Dimensionen beim Verarbeiten von Halbleiter-Wafern mit den nachfolgenden Schritten:
  • a)Detektieren des Fortschreitens des Entfernens einer Schicht (11) auf einer Oberfläche eines Wafers (10) mittels einer Vielzahl optischer Endpunktdetektoren an Stelle (25, 26, 27), die auf der Oberfläche verteilt sind bzw. Abstand zueinander haben, wobei einer der Detektoren ein Steuerdetektor und zumin­ dest einer der Detektoren ein Überwachungsdetektor ist;
  • b) Bestimmen einer Prozeß-Endezeit zum Steuern aus einem Ausgangssignal des Steuerdetektors und Abbrechen bzw. Been­ den des Entfernens der Schicht zu der Ende-Zeit;
  • c) Bestimmen einer Prozeß-Endezeit zum Überwachen aus einem Ausgangssignal jedes Detektors der Überwachungsdetektoren; und
  • d) Vergleichen der Prozeß-Endezeit für die Überwachung mit der Prozeß-Endezeit für die Steuerung.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den Schritt des Anzeigens von Unterschieden in den Prozeß-Ende­ zeiten, die durch den Vergleich bestimmt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es zumindest zwei Überwachungsdetektoren gibt, und daß der Schritt des Bestimmens einer Prozeß-Endezeit für Überwa­ chung für jeden dieser Überwachungsdetektoren vorgesehen ist und daß die Schicht aus Photoresist besteht und das Entfernen das Entwickeln des Photoresists ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Detektierens das Richten einer Quelle (17) mono­ chromatischen Lichts (18) auf einen Bereich des Photoresists (13), der entwickelt werden soll, und das Beobachten von Interfe­ renz-Mustern in Licht umfaßt, das von der Oberfläche des Photoresists und von der Oberfläche des Wafers unterhalb des Photoresists reflektiert wird.
5. Vorrichtung zum Bestimmen der Gleichmäßigkeit kritischer Dimensionen bei der Verarbeitung von Halbleiterwafern mit:
  • a) einer Vielzahl von optischen Endpunktdetektoren an Stel­ len (25, 26, 27), die auf der Oberfläche eines Halbleiterwafers (24) zum De­ tektieren des Fortschritts des Entfernens einer Schicht (11) auf einer Oberfläche vorhanden sind, wobei einer der Detektoren ein Steuerdetektor ist und zumindest einer der Detektoren ein Überwachungsdetektor ist;
  • b) eine Einrichtung zum Bestimmen einer Prozeß-Endezeit für die Steuerung aus einem Ausgangssignal des Steuerdetektors zum Entfernen der Schicht zu der Endezeit;
  • c) eine Einrichtung zum Bestimmen einer Prozeß-Endezeit für die Überwachung aus einem Ausgangssignal jedes der Überwachungs­ detektoren; und
  • d) eine Einrichtung zum Vergleichen der Prozeß-Endezeit für die Überwachung mit der Prozeß-Endezeit für die Steuerung.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Anzeigen von Unterschieden in den Prozeß Endezeiten die durch den Vergleich bestimmt werden, wobei es zumindest zwei Überwachungsdetektoren gibt, wobei eine Prozeß-Endezeit für jeden der Überwachungsdetektoren be­ stimmt wird und wobei weiterhin die Schicht aus Photoresist ist und das Entfernen das Entwickeln des Photoresists ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoren eine Einrichtung (17) zum Richten einer Quelle monochromatischen Lichtes auf einen Bereich aus Photoresist (13), der entwickelt werden soll, und eine Einrichtung (19) zum Beob­ achten von Interferenzmustern im Licht enthalten, das von der Oberfläche des Photoresists und von der Oberfläche des Wafers, unterhalb des Photoresists, reflektiert wird.
DE4221074A 1991-06-26 1992-06-26 Halbleiter-Wafer-Verarbeitung mit Überwachung kritischer Dimensionen auf dem Wafer unter Einsatz optischer Endpunktdetektion Expired - Fee Related DE4221074C2 (de)

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