DE69207213T2

DE69207213T2 - Verfahren zum Messen der Verschiebung eines Musters

Info

Publication number: DE69207213T2
Application number: DE1992607213
Authority: DE
Inventors: Takatoshi Nagoya
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 1991-01-10
Filing date: 1992-01-10
Publication date: 1996-05-15
Anticipated expiration: 2012-01-11
Also published as: EP0494685B1; DE69207213D1; EP0494685A2; EP0494685A3; JPH0724278B2; JPH04239150A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen der Musterverschiebung, die bein Epitaxialwachstum auf einer Halbleiteroberfläche mit darauf vorgesehenen Mustern auftritt, und insbesondere betrifft sie ein Verfahren zum Messen der Musterverschiebung mit hoher Genauigkeit in einer kurzen Zeitdauer.
Es ist wesentlich, die Verschiebung eines vergrabenen Diffusionsmusters nach dem Wachstum einer Epitaxialschicht in einem Bipolartransistor in einer integrierten Schaltung zu überwachen. Zu diesem Zweck sollten die Wachstumsbedingungen (wie die Reaktionstemperatur und die Reaktionsgeschwindigkeit) immer überwacht werden, um eine konstante Musterverschiebung sicherzustellen. Es ist jedoch sehr schwierig, die Wachstumsbedingungen ausreichend genau zu überwachen, um die Anforderungen für eine konstante Musterverschiebung einzuhalten, da eine häufige Messung der Musterverschiebung unvermeidbar ist.
Herkömmlicherweise wird zu diesem Zweck ein Winkelschleif- und Markierungsätzverfahren verwendet. Dieses Verfahren umfaßt: (1) Aufteilen der Chips in Proben, die eine vergrabene Schicht parallel und senkrecht zu der Ausrichtabflachung (orientation flat) aufweisen, unter Verwendung einer Konfektionierungssäge; (2) Winkelpolieren der neuen schmalen Oberflächen, die als Abschnitte des zerteilten Chips erzeugt wurden; (3) Ätzen der polierten Oberflächen (Sirtl, 2 bis 3 Sekunden); und (4) Messen der Verschiebung der Muster der vergrabenen Schichten unter Verwendung eines differentiellen Interferenzmikroskops.
Der Musterverschiebungsfaktor wird durch die folgende Gleichung erhalten:
Musterverschiebungsfaktor = Wert der Verschiebung (um) /Dicke der Epitaxialschicht (um)
Da es jedoch mehr als drei Stunden dauert, die Musterverschiebung zu messen, kann dieses herkömmliche Verfahren nicht so häufig angewendet werden und es ist ziemlich teuer.
Im Hinblick auf die vorhergehenden Nachteile des Standes der Technik ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, das in der Lage ist, die Musterverschiebung auf einem Halbleiterwafer in einer kurzen Zeitdauer mit äußerster Einfachheit zu messen, und das zugleich hochgenau und kostengünstig ist.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Messen einer Verschiebung von auf einem Halbleiterwafer ausgebildeten Mustern bei Durchführung eines Epitaxialwachstumsprozesses geschaffen, das die folgenden Schritte umfaßt: Bilden eines Hauptskalenmusters und eines Vernier-Skalenmusters in paralleler, beabstandeter und gegenüberliegender Beziehung auf dem Halbleiterwafer; Bilden einer Oxidfilmschicht, die entweder das Hauptskalenmuster oder das Vernier-Skalenmuster bedeckt; anschließendes Durchführen des Epitaxialwachstumsprozesses zum Bilden einer Epitaxialschicht über dem Halbleiterwafer; und Messen der Verschiebung des Hauptskalenmusters relativ zu dem Vernier-Skalenmuster.
Die Musterverschiebung PS auf dem Halbleiterwafer wird gemäß der folgenden Gleichung bestimmt:
PS = D/T
wobei D die die Verschiebung des Hauptskalenmusters relativ zu dem Vernier-Skalenmuster darstellende Messung ist, und T die Dicke der Epitaxialschicht.
Es ist vorteilhaft, daß gleichzeitig mit der Bildung des Hauptskalenmusters und des Vernier-Skalenmusters ein zweites Hauptskalenmuster und ein zweites Vernier-Skalenmuster in paralleler, beabstandeter und einander gegenüberliegender Beziehung auf dem Halbleiterwafer gebildet werden. Dabei erstrecken sich das Hauptskalenmuster und das Vernier- Skalenmuster in einer ersten Richtung, während das zweite Hauptskalenmuster und das zweite Vernier-Skalenmuster sich in einer zweiten Richtung senkrecht zu der ersten Richtung erstrecken. Im allgemeinen sind das Hauptskalenmuster und das zweite Hauptskalenmuster mit der Oxidfilmschicht bedeckt.
Viele andere Aufgaben, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung in Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen besser verstanden.
In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine diagrammartige Darstellung, die das Prinzip eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Messen der Musterverschiebung auf einem Halbleiterwafer veranschaulicht;
Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht eines Hauptteils der Fig. 1;
Fig. 3 eine diagrammartige Ansicht, die die Position der Objektivlinse eines Doppelobjektivmikroskops zeigt, das zur Messung der Verschiebung eines Hauptskalenmusters und eines Vernier-Skalenmusters verwendet wird; und
Fig. 4 eine Ansicht, die ein Sichtfeld des Doppelobjektivmikroskops veranschaulicht, wobei die Verschiebung des Hauptskalenmusters relativ zu dem Vernier-Skalenmuster angedeutet ist.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Messen einer Musterverschiebung eines Halbleiterwafers wird nachfolgend in größerem Detail in bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
Fig. 1 zeigt das Prinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Messen einer Musterverschiebung. In der Fig. 1 bezeichnet Bezugszeichen 2 einen Halbleiterwafer, der eine vergrabene Diffusionsschicht aus Antimon (Sb) aufweist. Der Halbleiterwafer 2 (im folgenden als Wafer mit vergrabener Diffusion bezeichnet) weist auf seiner Oberfläche ein Hauptskalenmuster 4 und ein Vernier-Skalenmuster 6 auf, die vorher in paralleler, beabstandeter und einander gegenüberliegender Beziehung mit einem dazwischenliegenden vorbestimmten Raum gebildet werden. Das Hauptskalenmuster 4 und das Vernier-Skalenmuster 6 werden mittels herkömmlicher Photolithographie gebildet, die an dem Halbleiterwafer in der folgenden Reihenfolge ausgeführt wird: Resistüberzug; Abbildung des Musters; Entwicklung; Ätzen; Resistentfernung; und Reinigung. Das Hauptskalenmuster 4 und das Vernier-Skalenmuster 6 sind paarweise vorgesehen, und vorzugsweise sind zwei solcher Paare eines Haupt- und Vernier-Skalenmusters 4 und 6 angebracht, wie in Fig. 1 gezeigt ist, um somit sicherzustellen, daß sowohl die Verschiebung auf dem Halbleiterwafer 2 in der X-Richtung und die Verschiebung auf dem Halbleiterwafer in der Y-Richtung meßbar ist. Nunmehr erstreckt sich eines der beiden Paare aus Haupt- und Vernier-Skalenmustern 4 und 6 in einer Richtung parallel zu der X-Achse, während das andere Paar sich in einer Richtung parallel zu der Y-Achse, die senkrecht zu der X-Achse steht, erstreckt.
Der Halbleiterwafer mit den derart ausgebildeten Skalenmustern 4 und 6 wird einer Diffusionsbehandlung mit Antimon (Sb) unterworfen, wobei der oben bezeichnete Wafer 2 mit vergrabener Diffusion hergestellt wird. Danach wird ein Oxidfilm des Wafers 2 mit vergrabener Diffusion durch Fluorwasserstoffsäure entfernt, und der Wafer 2 mit vergrabener Diffusionsschicht wird oxidiert, um einen Oxidfilm mit einer Dicke von nicht weniger als 200 nm (2000 Å) zu bilden. Der derart gebildete Oxidfilm wird selektiv mittels Photolithographie unter Verwendung eines geeigneten Maskenmusters derart entfernt, daß die Hauptskalenmuster 4 mit maskierenden Oxidfilmschichten 8 bedeckt sind. Die maskierenden Oxidfilmschichten 8 können anstatt der Hauptskalenmuster 4 auch zur Abdeckung der Vernier-Skalenmuster 6 ausgebildet sein, im allgemeinen sind sie jedoch über den Hauptskalenmustern 4 vorgesehen.
Der Wafer 2 mit vergrabener Diffusion, der teilweise mit den sich über die Hauptskalenmuster 4 erstreckenden maskierenden Oxidfilmschichten 8 bedeckt ist, wird dann einem Epitaxialwachstumsprozeß unterworfen, um eine Epitaxialschicht auf dem Wafer 2 mit vergrabener Diffusion zu bilden. Die hier verwendeten Skalenmuster 4, 6 sind für eine nachfolgende Messung einer Musterverschiebung vorteilhaft, da die maskierenden Oxidfilmschichten 8 in engem Kontakt mit einer Oberfläche des Halbleiterwafers sind und folglich eine Ablagerung von Silizium bis zu den Seitenkanten der maskierenden Oxidfilmschichten reicht.
Das Epitaxialwachstum tritt nicht an einem Abschnitt des Halbleiterwafers 2 auf, der mit den maskierenden Oxidfilmschichten 8 bedeckt ist. Das Epitaxialwachstum tritt an einem Teil des Halbleiterwafers 2 auf, der von den maskierenden Oxidfilmschichten 8 frei ist. Bei dem Epitaxialwachstumsprozeß dieser Art wird eine Epitaxialschicht 10, die in Fig. 1 gezeigt ist, gebildet.
Als Ergebnis der Bildung der Epitaxialschicht 10 ist ein Teil des Halbleiterwafers 2, der jedes der Vernier-Skalenmuster 6 enthält und keine Oxidfilmschicht 8 aufweist, in seiner Position versetzt oder verschoben, während ein Teil des Halbleiterwafers 2, der jedes der Hauptskalenmuster 4 enthält und mit den Oxidfilmschichten 8 bedeckt ist, keinen Versatz oder keine Verschiebung aufweist.
Eine Messung der Verschiebung, die durch Zählung der Einteilungen der Einteilungslinie des Vernier-Skalenmusters 6, die am nächsten einer angrenzenden Einteilungslinie des Hauptskalenmusters 4 sich befindet, berechnet wird, wird durch D dargestellt. Der Meßwert D der Verschiebung wird visuell bestimmt, während das Hauptskalenmuster 4 und das Vernier- Skalenmuster 6 innerhalb eines gemeinsamen Gesichtsfelds angeordnet sind. Genauer gesagt wird ein Doppelobjektivmikroskop als Meßvorrichtung oder für diesen Zweck geeignetes Gerät verwendet. Während einer solchen Messung muß ein Drehwinkel einer Probe so eingestellt werden, daß eine die jeweiligen Objektivachsen der rechten und linken Objektivlinse verbindende Linie sich senkrecht zu den Unterteilungslinien (Skalenmarkierungen) der Skalenmuster 4 und 6 erstreckt. Die Einstellung des Probendrehwinkels kann unter Verwendung der Einteilungslinien einer anderen Kombination der Haupt- und Vernier-Skalenmuster 4 und 6 erzielt werden. Im Falle der Verwendung des Doppelobjektivmikroskops, wie in Fig. 4 gezeigt, kann beispielsweise ein Meßwert D für die Verschiebung von 0,2 um innerhalb des Gesichtsfelds S des Mikroskops abgelesen werden.
Das Bezugszeichen C bezeichnet eine bei dem Epitaxialablagerungsprozeß an einem Grenzbereich zwischen der Oxidfilmschicht und dem Siliziumsubstrat gebildete Störung (crown). Die Störung wird in einem entlang der Oxidfilmschicht 8 sich erstreckenden Gebiet mit einer Breite von 300 bis 400 um gebildet, so daß eine genaue Messung der Musterverschiebung in diesem Gebiet nicht möglich ist. Unter Berücksichtigung der Bildung der Störung C sind das Hauptskalenmuster 4 und das Vernier-Skalenmuster 6 um wenigstens 400 um beabstandet.
Die Messung der Verschiebung zwischen dem Hauptskalenmuster 4 und dem Vernier-Skalenmuster 6 und die Dicke der Epitaxialschicht 10 werden dann verwendet, um die Musterverschiebung des Halbleiterwafers 2 zu bestimmen. Die Musterverschiebung PS wird durch die folgende Gleichung erhalten:
PS = D/T
wobei D die Messung der Verschiebung ist, die von einer Kombination aus Hauptskala und Vernier-Skala abgelesen wird, und wobei T die Dicke der Epitaxialschicht ist.
Eine Messung der Musterverschiebung wurde unter den folgenden Bedingungen durchgeführt.

(1) Verwendeter Halbleiterwafer:

p-Typ- CZ-Halbleiterwafer < 111>
Winkelabweichung in < 112> -Richtung von 3º 30'

(2) Zur Bildung der Skalenmuster verwendete Photomaske:

Eine Photomaske mit einer Reihe von identischen Mustern quadratischer Zellen von 5 mm, in denen eine Hauptskala mit einem Strichabstand von 10 um und eine Vernier-Skala mit einem Strichabstand von 9,9 um in paralleler, beabstandeter, gegenüberliegender Beziehung paarweise vorgesehen sind, und zwei solcher Haupt- und Vernier- Skalenpaare in senkrechter Beziehung zueinander wie in Fig. 1 gezeigt angeordnet sind. Die zum Darstellen der Haupt- und Vernierskalen verwendete Linienbreite betrug 3 um.

(3) Bildung der Skalenmuster:

Der in dem vorhergehenden Abschnitt (1) bezeichnete Halbleiterwafer wurde thermisch oxidiert, um darauf einen Oxidfilm mit einer Dicke von 1.000 nm (10.000 Å) zu bilden. Dann wurde durch herkömmliche Photolithographie unter Verwendung der im vorhergehenden Abschnitt (2) bezeichneten Photomaske der Oxidfilm teilweise entfernt, um lediglich die Einteilungslinien der jeweiligen Skalen freizulegen, und danach wurde ein Oxidfilm mit einer Dikke von ungefähr 300 nm (3.000 Å) durch thermische Oxidation auf dem Siliziumsubstrat gebildet, um die Einteilungslinien der Haupt- und Vernier-Skalen abzudecken. Als Ergebnis wurden Skalenmuster mit einer Linienbreite von 3 um und einer Dicke von ungefähr 150 nm (1.500 Å) in den Halbleiterwafer eingraviert.

(4) Photolithographie (die Hauptskalenmuster abdeckend):

Der Oxidfilm auf dem Substrat wurde durch gepufferte Fluorwasserstoffsäure entfernt und nachfolgend wurde ein Oxidfilm mit einer Dicke von 600 nm (6.000 Å) durch einen thermischen Oxidationsprozeß gebildet. Danach wurden unter Verwendung herkömmlicher Photolithographie Oxidfilmmuster, die das Hauptskalenmuster abdecken, gebildet.

(5) Epitaxialschichtwachstum:

10 um, 1,6 Ω-cm
verwendeter Reaktionsofen: zylindrischer Ofen
Reaktionstemperatur: 1.150 ºC
Reaktionsgeschwindigkeit: 0,3 um/min
Reaktionsdruck: 100 kPa (760 Torr)

(6) Messung:

Unter Verwendung eines Doppelobjektivmikroskops wurde eine linke Objektivlinse L des Mikroskops mit dem Hauptskalenmuster 4 ausgerichtet, während die rechte Objektivlinse R mit dem Vernier-Skalenmuster 6 ausgerichtet wurde (Fig. 3). Nunmehr wurden das in dem Gesichtsfeld S des Mikroskops beobachtbare Hauptskalenmuster 4 und das Vernier-Skalenmuster 6 in eine einander eng gegenüberliegende Position verschoben, wie in Fig. 4 gezeigt ist. Die Verschiebung des Hauptskalenmusters 4 relativ zu dem Vernier-Skalenmuster 6 wurde mittels Beobachtung durch das Gesichtsfeld 5 des Mikroskops gemessen. Wie in Fig. 4 gezeigt ist, betrug die somit gemessene Verschiebung (Musterverschiebung) 0,2 um. Die Messung wurde 75mal wiederholt und die dabei erhaltene Streuung der Meßwerte ergab eine Standardabweichung von 0,04 um.
Zu Vergleichszwecken wurde ein Halbleiterwafer der gleichen Art wie oben beschrieben zur Messung einer Musterverschiebung unter Verwendung eines herkömmlichen Verfahrens (Winkelläppungs- und Markierungsverfahren) verwendet. Eine Messung, die eine Musterverschiebung von 0,2 um betraf, zeigte bei 75maliger Wiederholung der Messungen zum Erhalt der Musterverschiebungsmeßwerte eine Standardabweichung von 0,41 um.
Aus den vorhergehenden experimentellen Ergebnissen ist offensichtlich, daß das erfindungsgemäße Verfahren in der Lage ist, die Musterverschiebung genau und auf beträchtlich vereinfachte Weise im Vergleich zu dem herkömmlichen Verfahren zu messen.
In der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Ausführungsform wurden die Skalenmuster durch teilweise Oxidation gebildet. Die Skalenmuster können jedoch durch Diffusion von Antimon (Sb), Bor (B), Phosphor (P) und Arsen (As) in einer oxidierenden Atmosphäre eingraviert werden.
Erfindungsgemäß ist es möglich, die Musterverschiebung eines Halbleiterwafers mit Epitaxialschicht in einer kurzen Zeitdauer mit äußerster Einfachheit und Genauigkeit und auf kostengünstige Weise zu messen.

Claims

1. Ein Verfahren zum Messen einer Musterverschiebung von auf einem Halbleiterwafer ausgebildeten Mustern, die bei Anwendung eines Epitaxialwachstumsprozesses auftritt,

gekennzeichnet durch:

Bilden eines Hauptskalenmusters (4) und eines Vernier-Skalenmusters (6) in paralleler, beabstandeter und einander gegenüberliegender Beziehung auf dem Halbleiterwafer (2);

Bilden eines Oxidfilms (8), der entweder das Hauptskalenmuster (4) oder das Vernier-Skalenmuster (6) abdeckt;

anschließendes Ausführen des Epitaxialwachstumsprozesses zum Bilden einer Epitaxialschicht (10) über dem Halbleiterwafer; und

Messen der Verschiebung des Hauptskalenmusters (4) relativ zu dem Vernier-Skalenmuster (6).

2. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Hauptskalenmuster (4) und das Vernier-Skalenmuster (6) einen Abstand von wenigstens 400 um aufweisen.

3. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Hauptskalenmuster (4) mit dem Oxidfilm (8) bedeckt ist.

4. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Musterverschiebung PS des Halbleiterwafers (2) gemäß der folgenden Gleichung bestimmt wird:

PS = D/T

wobei D die die Verschiebung des Hauptskalenmusters (4) relativ zu dem Vernier-Skalenmuster (6) darstellende Messung ist, und wobei T die Dicke der Epitaxialschicht (10) ist.

5. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei gleichzeitig mit der Bildung des Hauptskalenmusters (4) und des Vernier-Skalenmusters (6) ein zweites Hauptskalenmuster (4) und ein zweites Vernier-Skalenmuster (6) in paralleler, beabstandeter und einander gegenüberliegender Beziehung auf dem Halbleiterwafer (2) gebildet werden, wobei sich das Hauptskalenmuster (4) und das Vernier-Skalenmuster (6) in einer ersten Richtung (Y) erstrecken, und wobei sich das zweite Hauptskalenmuster (4) und das zweiter Vernier-Skalenmuster (6) in einer zweiten Richtung (X) senkrecht zu der ersten Richtung (Y) erstrecken.

6. Ein Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei das Hauptskalenmuster (4) und das zweite Hauptskalenmuster (4) jeweils von dem Vernier-Skalenmuster (6) und dem zweiten Vernier-Skalenmuster (6) einen Abstand von wenigstens 400 um aufweisen.

7. Ein Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei das Hauptskalenmuster (4) und das zweite Hauptskalenmuster (4) mit dem Oxidfilm (8) abgedeckt sind.

8. Ein Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei die Musterverschiebung PS des Halbleiterwafers (2) in den ersten und zweiten Richtungen (X, Y) gemäß der folgenden Gleichung bestimmt wird:

PS = D/T

wobei D die die Verschiebung in einer ersten Richtung (Y) des Hauptskalenmusters (4) relativ zu dem Vernier-Skalenmuster (6) darstellende Messung oder die die Verschiebung in der zweiten Richtung (X) des zweiten Hauptskalenmusters (4) relativ zu dem zweiten Vernier-Skalenmuster (6) darstellende Messung ist, und wobei T die Dicke der Epitaxialschicht (10) ist.