DE60111652T2 - Automatisierte überwachung der dicke einer metallschicht während der auftragung - Google Patents

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Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft die Halbleiterherstellung und betrifft insbesondere die automatische Steuerung der Metalldicke während der Filmabscheidung, wobei Röntgenfluoreszenz- (XRF) Detektion verwendet wird.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • ÜBERLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 zeigt schematisch ein beispielhaftes Steuerungssystem zum Einrichten der vorliegenden Erfindung.
  • 2 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum automatischen Steuern der Metalldicke gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • ARTEN ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (5)

  1. Verfahren zum Steuern der Dicke einer Metallschicht beim Abscheiden auf einer Halbleiterscheibe (16), wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Erzeugen eines Röntgenstrahles, der auf die Metallschicht während der Abscheidung der Metallschicht auf der Scheibe (16) in einer Abscheidekammer (14) gerichtet ist; Bestimmen der Dicke der Metallschicht auf der Grundlage einer erfassten Röntgenstrahlenfluoreszenz der Metallschicht; und Vergleichen der bestimmten Dicke der Metallschicht mit einem vorgegebenen Wert, um die Abscheidung der Metallschicht fortzusetzen, wenn die bestimmte Dicke kleiner als der vorgegebene Wert ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Abscheidung der Metallschicht beendet wird, wenn die vorbestimmte Dicke mit dem vorgegebenen Wert übereinstimmt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Abscheidung der Metallschicht unter Anwendung einer Sputter-Abscheidung ausgeführt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Abscheidung der Metallschicht ausgeführt wird unter Verwendung von: physikalischer Dampfabscheidung oder chemischer Dampfabscheidung oder plasmaunterstützter chemischer Dampfabscheidung.
  5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Metall eines der folgenden ist: Ni, Co, Al, Ti, TiN, W, Cu.
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