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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Halbleiterherstellung und betrifft
insbesondere die automatische Steuerung der Metalldicke während der
Filmabscheidung, wobei Röntgenfluoreszenz-
(XRF) Detektion verwendet wird.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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US-A-4
169 228 offenbart die Verwendung der Röntgenfluoreszenz zur Analyse
und/oder Bestimmung von Tiefen von flachen Oberflächenschichten
auf einem Siliziumsubstrat. Die Technik beinhaltet das Einstrahlen
eines Röntgenstrahles
auf die geschichtete Struktur auf dem Siliziumsubstrat und das Verwenden
eines Weitwinkelstrahldetektors, um Fluoreszenz zu erfassen. Das
resultierende Spektrogramm wird analysiert, um die Tiefe der Schichten
zu bestimmen.
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Die
Forschungsoffenlegungsdatenbanknummer 432122 (International Business
Machines Corporation) vom 10. April 2000 offenbart ein Verfahren zum
Steuern der Zusammensetzung einer Legierungsschicht auf einer Scheibe.
Die Zusammensetzung einer Legierungsschicht ändert sich von der Mitte zum
Rand der Scheibe. Beispielsweise ist für eine PtMn-Schicht die Mn-Komponente
am Scheibenrand bei einem Haltewinkel von 70° höher. Das Verfahren beinhaltet
das Neigen der Halterung, die die Scheibe während der Filmabscheidung hält, um eine
Gleichförmigkeit
der Komponenten der abgeschiedenen Legierungsschicht zu erreichen.
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US-A-5
657 363 offenbart das Bestimmen der Zusammensetzung und der Dicke
von Mehrschichtstrukturen, die auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet
sind, indem charakteristische Energieniveaus von Röntgenstrahlenphotonen
analysiert werden.
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US-A-5
113 421 offenbart ein Verfahren zur gleichzeitigen Messung der Dicke
und der Zusammensetzung einer Beschichtung auf einem Metallsubstrat.
Das Verfahren beinhaltet das Einstrahlen eines ersten und eines
zweiten Röntgenstrahles
mit unterschiedlichen Winkeln auf die Oberfläche der Beschichtung und das
Erfassen der Intensität
von Photonen, die unterschiedliche Energieniveaus besitzen.
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Während der
Halbleiterfertigung werden dünne
Metallschichten auf Halbleiterscheiben abgeschieden, um Kontaktdurchführungen,
Leitungen und diverse Schichten, etwa Diffusionsbarrieren, Haft- oder
Saatschichten, primäre
Leiter, antireflektierende Beschichtungen und Ätzstoppschichten zu bilden. Beispielsweise
wird die Sputter-Abscheidung,
die auch als physikalische Dampfabscheidung (PVD) bekannt ist, häufig für die Herstellung
von Metalldünnschichtstrukturen
auf Halbleiterscheiben verwendet. Das Sputtern beinhaltet das Ablösen von
Atomen aus einem festen Material und dann das Abscheiden des sich
ergebenden Dampfes auf einem in der Nähe gelegenen Substrat.
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Die
Sputter-Abscheidung wird typischerweise in Diodenplasmasystemen
ausgeführt,
die als Magnetron bekannt sind, in denen die Kathode durch Ionenbeschuss
abgetragen wird und damit Atome aussendet, die dann auf der Scheibe
in Form einer dünnen
Schicht abgeschieden werden. Abhängig
von dem Lithographieschema werden diese Schichten dann durch reaktive
Ionenätzung
(RIE) geätzt
oder unter Einsatz des chemisch-mechanischen Polierens (CMP) poliert,
um damit Schaltungselemente abzugrenzen.
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Die
vorherrschende Systemart, die gegenwärtig für das Abscheiden von Metallen,
Legierungen und Verbindungen mit hoher Rate verwendet wird, ist als
das Magnetronkathodensystem bekannt. Diese Anlagenart verwendet
den magnetischen Einschluss von Elektronen in dem Plasma, was zu
einer höheren Plasmadichte
führt im
Vergleich zu Radiofrequenz- (RF) oder Gleichstrom- (DC) Diodensystemen.
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Die
höhere
Plasmadichte verringert den Widerstand der Entladungswolke und führt zu einer
wesentlich höheren
Entladung bei höherem
Strom und geringerer Spannung. Als grobes Beispiel sei genannt eine
RF-Diodenanlage, die bei 2 kW arbeitet und eine RF-Spannung über 2000
Volt Spitze zu Spitze aufweist. Ein konventionelles Magnetronsystem, das
bei 2 kW arbeitet, kann eine DC-Entladungsspannung von 400 Volt
und einen Ionenstrom von 5 Ampere zu der Kathode aufweisen.
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Gegenwärtige Magnetronsysteme
für die Fertigung
sind aus rostfreiem Stahl aufgebaut. Sie sind typischerweise mit
Kryogenpumpen ausgestattet, die direkt mit den entsprechenden Abscheidekammern
mittels Ventileinheiten mit großem
Durchmesser verbunden sind, und der resultierende Basisdruck liegt
typischerweise im unteren 10–8- Torrbereich für die meisten Kathoden und
im Bereich von 10–9-Torr für Ti, bei
dem die chemisch aktive Natur der abgeschiedenen Schichten merklich
zu der erreichten Pumpgeschwindigkeit des Systems beitragen kann.
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Der
Arbeitsdruck während
der Sputterns liegt typischerweise bei 0,5 bis 30 Millitorr, wofür ein Gasdurchfluss
von einigen 10 Standardkubikzentimeter pro Minute (sccm) erforderlich
ist. Auf Grund der Anforderungen des Basisdruckes sind Systeme für die Fertigung
nicht abgeschirmt und behalten damit näherungsweise den wahren Basisdruck
der Kammer während
des Abscheidens bei. In Magnetronkammern, die für Halbleiteranwendungen im
großen
Stile verwendet werden, sind Ladebereiche in einer geschlossenen
Anlage für
integrierte Bearbeitung ausgebildet, und Scheiben werden in die
Abscheidekammer über
einen gasdichten Ladebereich eingeführt.
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Die
Sputterabscheidung wird über
die Abscheidezeit gesteuert. Die Rate wird gegenüber der Zeit kalibriert und
es werden dann Schichten entsprechend einer fixierten Zeitdauer
abgeschieden. Auf Grund von Prozessvariationen ist jedoch die Dicke der
abgeschiedenen Schicht für
spezielle Scheiben oder Lose während
der Schichtabscheidung nur schwer steuerbar. Typischerweise wird
die Metallschichtdicke nach dem Abscheiden auf gewissen Probenscheiben
gemessen.
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Jedoch
hängen
mechanische und elektrische Eigenschaften hergestellter Halbleiterbauelemente
stark von der Metallschichtdicke ab. Schichtdickenvariationen beeinflussen
damit das Bauteilverhalten merklich. Daher ist es wünschenswert,
die Metallschichtdicke auf jeder Scheibe während der Schichtabscheidung
zu steuern.
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ÜBERLICK ÜBER DIE
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein neuartiges Verfahren zum Überwachen
eines Parameters einer Metallschicht bereit, die auf einer Scheibe
während
der Halbleiterbauteilfertigung abgeschieden wird. Das Verfahren
beinhaltet das Erzeugen eines Röntgenstrahles,
der auf eine Metallschicht während des
Abscheidens der Metallschicht auf der Scheibe in einer Abscheidekammer
gelenkt wird, und das Erfassen der Röntgenstrahlenfluoreszenz der
Metallschicht, um den erforderlichen Parameter der Schicht zu bestimmen.
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Der
bestimmte Parameter kann mit einem vorgegebenen Wert verglichen
werden, um die Abscheidung der Metallschicht fortzusetzen, wenn
der bestimmte Parameter sich von dem vorgegebenen Wert unterscheidet.
Das Abscheiden der Metallschicht kann beendet werden, wenn der vorbestimmte
Parameter mit dem vorgegebenen Wert übereinstimmt.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Dicke einer Metallschicht,
die auf einer Scheibe abgeschieden wird, automatisch während der
Schichtabscheidung gesteuert, indem ein Röntgenstrahl, der auf die Metallschicht
gerichtet wird, erzeugt wird und indem die Röntgenfluoreszenz der Schicht
erfasst wird.
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Die
Dicke der Metallschicht, die auf der Grundlage der erfassten Röntgenfluoreszenz
bestimmt wird, kann mit einem vorgegebenen Wert verglichen werden,
um die Abscheidung fortzusetzen, wenn die bestimmte Dicke kleiner
als der vorgegebene Wert ist. Die Abscheidung kann beendet werden, wenn
die bestimmte Dicke den vorgegebenen Wert erreicht.
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Weitere
Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann
aus der folgenden detaillierten Beschreibung ersichtlich, wobei lediglich
die bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung gezeigt und beschrieben ist, wobei beispielhaft die
Art und Weise zum Ausführen
der Erfindung beschrieben ist, die als die beste Ausführungsform
erachtet wird. Wie man erkennen kann, kann die Erfindung andere
und unterschiedliche Ausführungsformen
aufweisen und deren diverse Details können in diversen offenkundigen
Aspekten modifiziert werden, ohne von der Erfindung abzuweichen.
Daher sind die Zeichnungen und die Beschreibung lediglich als anschaulich
und nicht einschränkend
zu betrachten.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
schematisch ein beispielhaftes Steuerungssystem zum Einrichten der
vorliegenden Erfindung.
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2 ist
ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum automatischen Steuern der
Metalldicke gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt.
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ARTEN ZUM AUSFÜHREN DER
ERFINDUNG
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Obwohl
die Erfindung generell zum Steuern der Metalldicke während diverser
Abscheideverfahren, etwa CVD, PVD, PECVD, etc. angewendet werden
kann, wird dennoch eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung im
Zusammenhang mit dem Beispiel einer Sputter-Abscheidung von Metallschichten
beschrieben. 1 zeigt schematisch ein beispielhaftes
automatisiertes System 10 zum Steuern der Metalldicke gemäß der vorliegenden
Erfindung. Das System 10 ermöglicht das Steuern des Abscheidens
von Metallen, etwa von Ni, Co, Al, Ti, TiN, W und Cu auf einer Scheibe,
die in einer Abscheidekammer angeordnet ist.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Dicke einer Metallschicht,
die auf einer Scheibe abgeschieden wird, unter Verwendung der Röntgenfluoreszenz
(CRF) gesteuert. Der XRF-Effekt basiert darauf, dass eine Probe
mit einem ungefilterten Strahl aus Röntgenstrahlung beschossen wird.
Wenn ein Strahl aus Röntgenstrahlung
mit ausreichend kleiner Wellenlänge
verwendet wird, kann ein charakteristisches Röntgenspektrum von der angeregten
Probe beobachtet werden. Die Röntgenfluoreszenz
tritt auf, wenn Elektronen Röntgenstrahlen
absorbieren, und dabei auf eine höhere Schale gehoben werden,
und wobei die angeregten Elektronen dann über eine Reihe von Schritten
auf niedrigere Energiezustände übergehen.
Dieser Prozess führt
bei Zuständen
mit geringerer Energie zum Freisetzen von Photonen. Die resultierenden
Intensitäten
der fluoreszenten Röntgenstrahlen
sind um einen Faktor von nahezu 1000 kleiner als die Intensitäten der
Röntgenstrahlung,
die durch direkte Anregung mit einem Elektronenstrahl erhalten werden.
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Das
System 10 umfasst eine Röntgenquelle 12, die
einen Strahl an Röntgenstrahlung
aussendet, der für
die XRF-Detektion geeignet ist. Es kann eine Röntgenröhre als Röntgenquelle 12 verwendet
werden. Eine typische Röntgenröhre umfasst
einen Schwennetallkopf, der die Röntgenstrahlung einschließt, ein
dünnes
Berylliumfenster und eine Wiedereintrittsglasumhüllung, die das Vakuum aufrecht erhält. Der
Kopf beinhaltet den Wolframdraht, der mittels elektrischen Stroms
bis zum Glühen
aufgeheizt wird, um Elektronen auszusenden, die an einer konkaven
fokussierenden Elektrode fokussiert und zu einer Anode beschleunigt
werden, die auf einem hohen positiven Potential liegt. Die Anode
besteht aus einer dünnen
Beschichtung des Metalls, das auf einem schweren Kupferblock aufgebracht
ist, der die Hitze von dem Brennpunkt wegleitet. Dieser Brennpunkt
wird durch die Glühdrahtelektronen
beschossen und ist die Quelle der Röntgenstrahlung. Die Röntgenstrahlen
werden in allen Richtungen ausgesandt, treten aber durch das Berylliumfenster
aus dem Metallkopf aus.
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Die
Röntgenquelle 12 ist
in der Nähe
oder innerhalb einer Sputterkammer 14 angeordnet, die zum
Ausführen
des Abscheidens einer Metallschicht auf einer Scheibe 16 verwendet
wird. Beispielsweise kann die PVD-Abscheidung eingesetzt werden.
Ein Sputter-Material bzw. Target 18, das in der Sputter-Kammer 14 angeordnet
ist, wird mit Argonionen beschossen, die Atome aus dem festen Material
des Targets 18 herauslösen.
Der sich ergebende Dampf wird auf der Scheibe 16 abgeschieden.
Zusätzlich
zu dem Targetmaterial kann das Target 18 die Kupferrückplatte
aufweisen. Eine Magnetronkathode, die aus einem Array aus kräftigen Permanentmagneten aufgebaut
ist, kann hinter dem Target 18 angeordnet sein. Die Magnete
erzeugen ein magnetisches Feld über
die Fläche
des Targets hinweg, um Elektronen einzufangen.
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Die
für die
Abtragung des Targetmaterials verantwortlichen Argonionen können durch
einen Glimmentladungsplasmagenerator erzeugt werden, der das Target
als die Kathode und die Sputter-Kammerwand oder andere Elektroden
als die Anode verwendet. Es wird eine Spannung an diesen Elektroden angelegt,
um freie Elektronen zu beschleunigen, die auf Gasmoleküle treffen,
um Ionen, noch mehr freie Elektronen, frei Radikale oder Moleküle im angeregten
Zustand zu erzeugen. Die zuletzt genannten können spontan in ihren Grundzustand übergehen
und dabei Photonen erzeugen. Sobald diese Teilchen erzeugt sind,
verteilen sie sich aus dem Plasma heraus und in Richtung auf das
Target zu.
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Die
Röntgenquelle 12 ist
so installiert, dass der Röntgenstrahl
in Richtung auf die abzuscheidende Metallschicht gerichtet ist.
Der Röntgenstrahl
bewirkt, dass die Metallschicht charakteristische Fluoreszenzlinien
aussendet. Ein XRF-Detektor 20 ist in oder in der Nähe der Sputter-Kammer 14 angeordnet,
um die Röntgenfluorenszenz
zu detektieren. Es können
Kollimatoren verwendet werden, um die divergente Röntgenstrahlen
zu blockieren und um einen parallelen Strahl zu dem Fenster des
Detektors zu führen.
Wenn die Röntgenquelle 12 und
der XRF-Detektor 20 außerhalb
der Sputter-Kammer 14 angeordnet sind, können für Röntgenstrahlung durchlässige Fenster
in der Sputter-Kammer 14 vorgesehen sein, um zu ermöglichen,
dass Röntgenstrahlen,
die von der Röntgenquelle 12 erzeugt
werden, zu der Metallschicht gelangen und dass Röntgenstrahlenfluoreszenz, die
von der Metallschicht ausgesendet wird, zu dem XRF-Detektor 20 gelangt.
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Beispielsweise
kann ein Festkörperhalbleiter-
XRF-Detektor zum Erfassen der Röntgenfluoreszenz,
die von der auf der Scheibe abzuscheidenden Metallschicht ausgesendet
wird, verwendet werden. Der Halnleiter-XRF-Detektor 20 kann
ein lithiumgedrifteter Detektor sein, der aus einem Siliziumeinkristallhalbleiter
besteht, der ein Gebiet aufweist, das durch Diffusion von Lithium
in Silizium oder Germanium gebildet ist. Das Gebiet ist zwischen
einem p- und einem n-Gebiet eingeschlossen. Der lithiumgedriftete XRF-Detektor
muss auf Flüssigstickstofftemperatur auf
Grund der äußerst hohen
Diffusionsrate des Lithiums gehalten werden.
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Es
werden eine große
Anzahl von Elektron-Loch-Paare in dem Halbleiter erzeugt, wenn ein eintreffendes
Röntgenphoton
absorbiert wird. Es kann ein rauscharmer Vorverstärker mit
hoher Verstärkung
verwendet werden, um das von dem Detektor erzeugte Detektionssignal
zu verstärken.
Der Fachmann erkennt, dass ein gasgefüllter XRF-Detektor oder ein photoelektrischer
XRF-Detektor ebenso als der XRF-Detektor 20 verwendet werden
kann.
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Die
Röntgenfluoreszenz
der Metallschicht kennzeichnet diverse Parameter der Metallschicht einschließlich der
Metalldicke an. Der XRF-Detektor 20 erzeugt ein Ausgangssignal,
das die Röntgenfluoreszenz
der Metallschicht repräsentiert.
Beispielsweise kann der XRF-Detektor 20 so vorkalibriert
sein, um vorbestimmte Ausgangswerte in Reaktion auf die vorgegebenen
Werte der Schichtdicke für
spezielle abzuscheidende Metalle zu erzeugen. Das Ausgangssignal
des XRF-Detektors 20 wird einer Prozesssteuerung 20 zugeleitet,
die die Sputter-Abscheidung der dünnen Metallschicht steuert.
Die Steuerung 20 kann als ein speziell aufgebauter Chip mit
Logikschaltungen und anderen Komponenten zum Ausführen der
nachfolgend beschriebenen Funktionen vorgesehen sein. Alternativ
kann die Steuerung 20 unter Anwendung eines digitalen Signalprozessors
für allgemeine
Anwendungen und einer geeigneten Programmierung eingerichtet sein.
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Ein
Flussdiagramm in 2 zeigt das Verfahren zum Steuern
der Metallschichtdicke gemäß der vorliegenden
Erfindung. Während
der Sputter-Abscheidung einer Metallschicht auf einer Scheibe, die
in der Sputter-Kammer 14 angeordnet ist (Block 32),
sendet die Röntgenquelle 12 einen
Röntgenstrahl
aus, der auf die Metallschicht gerichtet ist. Der XRF-Detektor 20 erfasst
die Röntgenfluoreszenz,
die von der mit dem Röntgenstrahl
bestrahlten Metallschicht ausgesendet wird (Block 34).
Das Ausgangssignal des XRF-Detektors 20, das die Dicke der
Metallschicht repräsentiert, wird
der Steuerung 22 zugeleitet, die die Dicke der Metallschicht
bestimmt und die erfasste Dicke mit einem vorgegebenen Wert vergleicht.
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Wenn
die Steuerung 22 bestimmt, dass die Dicke der Metallschicht
kleiner als ein vorgegebener Wert ist (Block 36), steuert
sie den Sputter-Abscheideprozess so, dass die Metallschichtabscheidung fortgesetzt
wird. Wenn die Steuerung 22 bestimmt, dass die Dicke der
Metallschicht den vorgegebenen Wert erreicht hat, beendet sie den
Abscheideprozess.
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Folglich
ermöglicht
die vorliegende Erfindung eine automatische in-situ-Steuerung einer
Metallschichtdicke auf jeder Scheibe während des Filmabscheidens,
um eine Metallschicht mit der erforderlichen Dicke abzuscheiden.
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Der
Fachmann erkennt, dass die vorliegende Erfindung eine Reihe von
Modifizierungen innerhalb des Grundgedankens und des Schutzbereichs
der erfindungsgemäßen Konzepte
zulässt.
Beispielsweise können,
wie zuvor erläutert
ist, die Röntgenquelle 12,
der XRF-Detektor 20 und die Prozesssteuerung 22 auf
zahlreiche unterschiedliche Weisen eingerichtet sein. Die Kammer 14 kann
eine beliebige Kammer oder ein Ofen zum Ausführen einer beliebigen Art an Schichtabscheidung
sein, etwa PVD, CVD oder PECVD, um Metalle, etwa Ni, Cu, Al, Ti,
TiN, W und Cu, abzuscheiden.