PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE102004039763B4 19.07.2007
Titel Verfahren zum Bestimmen der Dicke einer Schicht
Anmelder Infineon Technologies AG, 81669 München, DE
Erfinder Blöss, Harald, 01127 Dresden, DE
Vertreter Wilhelm & Beck, 80639 München
DE-Anmeldedatum 17.08.2004
DE-Aktenzeichen 102004039763
Offenlegungstag 23.02.2006
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 19.07.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 19.07.2007
IPC-Hauptklasse G01N 23/227(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H01L 21/66(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   G03F 7/20(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   G01B 15/02(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestim- men der Dicke einer auf einem Träger angeordneten Schicht.

Mikroelektronische Halbleiterbauelemente mit integrierten Schaltkreisen dominieren heutzutage einen Großteil der Elektronik. Diese Bauelemente bestehen aus einer komplexen Anordnung elektronischer Strukturen, welche auf einem Trägersubstrat miteinander verschaltet sind.

Die gemeinsame Herstellung hochintegrierter Schaltkreise auf einer Halbleiter-Substratscheibe erfolgt in der Regel mithilfe von photolithographischen Strukturierungsverfahren. Hierbei wird zunächst eine Maske mit der gewünschten Struktur auf der Oberfläche der Substratscheibe ausgebildet, um in einem darauf folgenden Prozess, beispielsweise einem Ätzprozess oder einer Implantation, die Maskenstruktur in die darunter liegende Substratscheibe bzw. eine auf der Substratscheibe angeordnete Schicht zu übertragen.

Zur Herstellung der Maske wird üblicherweise eine dünne strahlungsempfindliche Photolackschicht auf die zu strukturierende Oberfläche der Substratscheibe aufgebracht, welche mittels elektromagnetischer Strahlung durch eine Belichtungsmaske belichtet wird. Bei dem Belichtungsvorgang werden auf der Belichtungsmaske angeordnete lithographische Strukturen auf die Photolackschicht abgebildet und mittels eines nachfolgenden Entwicklungsprozesses in die Photolackschicht übertragen. Die auf diese Weise strukturierte Photolackschicht kann direkt als Maske zur lokalen Veränderung des darunter liegenden Halbleitermaterials eingesetzt werden.

Für den Fall, dass in der Substratscheibe Ätzstrukturen ausgeführt werden sollen, wird als Ätzmaske überwiegend eine Hartmaske eingesetzt. Hierbei wird zwischen der Substratscheibe und der Photolackschicht eine in der Regel oxidische oder nitridische Hartmaskenschicht ausgebildet, auf die dann die in der Photolackschicht erzeugte Struktur mithilfe eines speziellen Ätzverfahrens übertragen wird. Die auf diese Weise strukturierte Hartmaskenschicht fungiert dann als eigentliche Maske für den darauf folgenden Ätzprozess zur Strukturierung der darunter liegenden Substratscheibe.

Eine der Hauptanforderungen der Halbleiterindustrie stellt die stetige Leistungssteigerung durch immer schnellere Schaltkreise dar, welche verknüpft ist mit einer Verkleinerung der elektronischen Strukturen. Infolgedessen steigen die Anforderungen an die Genauigkeit und die Zuverlässigkeit der eingesetzten Herstellungs- und Strukturierungsprozesse. Gleichzeitig ist man auf exakte Kontrollverfahren zum Überwachen der Herstellungsprozesse angewiesen.

Dies trifft in besonderem Maße auch auf die Strukturierung einer Hartmaskenschicht zu, welche in der Regel mithilfe eines Plasmaätzprozesses durchgeführt wird. Ein großes Problem stellt insbesondere eine zwischen den herzustellenden Strukturelementen der Hartmaske vorliegende Restschicht aufgrund einer ungenügenden Ätzung der zugrunde liegenden Hartmaskenschicht dar. Selbst eine Restschicht mit einer Dicke von nur wenigen Nanometern kann einen nachfolgenden Herstellungs- bzw. Ätzprozess sehr negativ beeinflussen, was eine Beeinträchtigung eines integrierten Schaltkreises und damit eine Verringerung der Ausbeute zur Folge haben kann.

Zur Kontrolle eines Plasmaätzprozesses einer Hartmaskenschicht werden derzeitig Endpunktverfahren wie die "optische Emissionsspektroskopie" (OES) eingesetzt, mit deren Hilfe der zeitliche Endpunkt eines Ätzprozesses festgestellt werden soll, an dem der Ätzvorgang gestoppt wird. Hierbei wird die optische Emission des eingesetzten reaktiven Ätzplasmas bei denjenigen Wellenlängen gemessen, welche dem abgetragenen gasförmigen Hartmaskenmaterial und gegebenenfalls dem darunter liegenden Schicht- bzw. Substratscheibenmaterial zuzuordnen ist. Sobald das von der Hartmaskenschicht herrührende Emissionssignal abfällt und verschwindet sowie gegebenenfalls ein Signal der darunter liegenden Schicht bzw. der Substratscheibe erscheint, wird der Ätzprozess gestoppt.

Ein großer Nachteil dieses Verfahrens besteht jedoch darin, dass der zeitliche Endpunkt des Ätzprozesses nur anhand der optischen Emission des Ätzplasmas und damit indirekt bestimmt wird, wodurch das Verfahren bei der Herstellung einer Hartmaske mit sehr kleinen Strukturelementen keine ausreichende Genauigkeit aufweist. Infolgedessen besteht die Gefahr, dass der Ätzvorgang gestoppt wird, obwohl eine dünne Restschicht von wenigen Nanometern zwischen den Strukturelementen der Hartmaske mit den oben beschriebenen Konsequenzen zurückbleibt.

Zur Bestimmung des zeitlichen Endpunkts eines Plasmaätzprozesses einer Hartmaskenschicht kann des weiteren das so genannte "wafer current measurement"-Verfahren (WCM) eingesetzt werden. Bei diesem Verfahren wird auf den zu untersuchenden Ätz- bzw. Strukturierungsbereich ein Elektronenstrahl gerichtet und der in die Substratscheibe fließende Strom gemessen. Die Randbedingungen des Verfahrens bestehen darin, dass das Hartmaskenmaterial elektrisch isolierend und das darunter liegende Schicht- bzw. Substratscheibenmaterial elektrisch leitend ist. Zu Beginn des Ätzvorgangs wird lediglich die Hartmaskenschicht und nicht die Substratscheibe von dem Elektronenstrahl getroffen, so dass in erster Näherung keine Aufladung der Substratscheibe stattfindet und dadurch auch kein Strom in die Substratscheibe fließt. Sobald sich der Ätzvorgang dem Ende nähert und zwischen den herzustellenden Strukturelementen die Substratoberfläche freilegende Bereiche vorliegen, wird auch die Substratscheibe von dem Elektronenstrahl getroffen und dabei elektrisch aufgeladen. Infolgedessen fließt ein Strom in die Substratscheibe, welcher zur Bestimmung des zeitlichen Endpunkts des Ätzvorgangs herangezogen werden kann. Ein Nachteil des Verfahrens ist allerdings eine Querempfindlichkeit des gemessenen Stromes zu Variationen lateraler Dimensionen der freigelegten Oberflächenbereiche, wodurch das Verfahren ungenau ist.

Zur Kontrolle eines Abtrag- bzw. Strukturierungsprozesses einer Hartmaskenschicht kann ferner ein Rasterelektronenmikroskop eingesetzt werden. Hierzu wird die betreffende Substratscheibe in dem interessierenden Strukturierungsbereich gebrochen, die Bruchkante mit einem Elektronenstrahl abgetastet (gerastert) sowie von der Bruchkante emittierte Sekundärelektronen aufgenommen, um ein Abbild der Bruchkante zu erhalten. Auf diese Weise kann nachträglich festgestellt werden, ob ein Ätzvorgang zum richtigen Zeitpunkt beendet wurde bzw. ob eine unerwünschte Restschicht zwischen Strukturelementen zurückgeblieben ist und welche Dicke diese Restschicht aufweist.

Durch das erforderliche Brechen wird die Substratscheibe bei diesem Verfahren jedoch zerstört, wodurch das Verfahren äußerst kostenintensiv ist. Darüber hinaus kann das Verfahren nur "offline" an wenigen und insbesondere nicht an den in die weiterführende Produktion gehenden Produktscheiben angewendet werden, wodurch die Messergebnisse gegebenenfalls nicht repräsentativ sind. Ferner ist das Auflösungsvermögen bekannter Rasterelektronenmikroskope zu gering, um besonders dünne Restschichtdicken im Bereich weniger Nanometer zu bestimmen.

Alternativ kann zur nachträglichen Kontrolle eines Ätzprozesses bzw. zum Bestimmen der Dicke einer Restschicht ein Transmissionselektronenmikroskop eingesetzt werden. Hierzu ist es erforderlich, einen Ultradünnschnitt der Substratscheibe in dem zu untersuchenden Strukturierungsbereich anzufertigen. Der Dünnschnitt wird anschließend mit einem Elektronenstrahl durchstrahlt, welcher auf einen fluoreszierenden Leuchtschirm gerichtet wird, um ein Abbild des Dünnschnitts zu erhalten.

Auf diese Weise ist es zwar möglich, sehr dünne Restschichten mit einer Dicke von bis zu 0,2 nm auszumessen. Das Anfertigen eines Ultradünnschnitts hat allerdings wiederum ein Zerstören der betreffenden Substratscheibe zur Folge, wodurch auch dieses Verfahren kostenintensiv ist und lediglich zur "offline"-Messung eines kleinen Teils der Substratscheiben herangezogen werden kann.

Aus der US 2004/0125913 A1 ist ein Verfahren zur Dickenbestimmung von Schichten mit Hilfe von Röntgenstrahlung bekannt, wobei die Schichtdickenbestimmung auf der Grundlage der Intensitätsverteilung der Photoelektronen, die den verschiedenen Materialien zugeordnet werden können, erfolgt. Das vorgestellte Verfahren dient zur Charakterisierung einheitlicher Schichtdicken.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes Verfahren bereitzustellen, mit dessen Hilfe die Dicke einer auf einem Träger angeordneten Schicht zerstörungsfrei und mit einer hohen Genauigkeit bestimmt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Bestimmen der Dicke einer auf einem Träger angeordneten Schicht vorgeschlagen, wobei sich das Schichtmaterial und das Trägermaterial unterscheiden. In einem ersten Verfahrensschritt wird die Schicht hierbei mit Röntgenstrahlung einer vorgegebenen Röntgenenergie bestrahlt. In einem zweiten Verfahrensschritt wird die Intensität der durch die Röntgenstrahlung erzeugten Photoelektronen in Abhängigkeit ihrer Energie aufgenommen, um aus der Intensität und der Energie der Photoelektronen die Dicke der Schicht zu bestimmen.

Das erfindungsgemäße Verfahren bietet eine Möglichkeit, die Dicke einer auf einem Träger angeordneten Schicht mit einer hohen Genauigkeit und ohne ein Zerstören des Trägers zu bestimmen. Bei dem Verfahren wird ausgenutzt, dass die Eindringtiefe der anregenden Röntgenstrahlung relativ groß ist gegenüber der Ausdringtiefe der erzeugten Photoelektronen. Die Eindringtiefe der Röntgenstrahlung beträgt hierbei einige Mikrometer, so dass Photoelektronen sowohl in der Schicht als auch in dem Träger erzeugt werden können. Die Ausdringtiefe der Photoelektronen, welche abhängig ist von der mittleren freien Weglänge der Photoelektronen in dem betreffenden Material, das die Photoelektronen durchdringen müssen, liegt hingegen in der Größenordnung von 5 bis 10 nm.

Dies hat zur Folge, dass in dem Träger erzeugte Photoelektronen nur dann die Schicht durchdringen und dadurch erfasst werden können, wenn die Dicke dieser Schicht unterhalb der Ausdringtiefe der Photoelektronen liegt. Da sich das Schichtmaterial und das Trägermaterial unterscheiden, weisen die in dem Träger und in der Schicht erzeugten Photoelektronen jeweils unterschiedliche (kinetische) Energien auf. Infolgedessen kann bereits lediglich anhand der aufgenommenen Energie der Photoelektronen beurteilt werden, ob die Dicke der Schicht unter- bzw. oberhalb der Ausdringtiefe der Photoelektronen liegt.

Zum genauen Bestimmen einer unterhalb der Ausdringtiefe liegenden Schichtdicke wird zusätzlich die Anzahl bzw. die Intensität der Photoelektronen berücksichtigt. Dabei wird ausgenutzt, dass sowohl die Intensität der in dem Träger erzeugten sowie die Schicht durchdringenden Photoelektronen als auch die Intensität der lediglich von der Schicht herrührenden Photoelektronen und damit das Intensitätsverhältnis der erfassten Photoelektronen der Schicht und des Trägers sensitiv von der Dicke der Schicht abhängig sind. Aus der Intensität und der Energie der Photoelektronen kann somit eine unterhalb der Ausdringtiefe der Photoelektronen liegende Schichtdicke genau bestimmt werden.

Da das Verfahren ohne ein Zerstören des Trägers auskommt, eignet sich das Verfahren in vorteilhafter Weise zumÜberwachen eines Abtragprozesses der Schicht. Daher werden die oben beschriebenen Verfahrensschritte im Verlauf des Abtragprozesses der Schicht mehrfach wiederholt. Üblicherweise wird der Abtragprozess hierbei jeweils unterbrochen, um die Verfahrensschritte durchzuführen.

Diese Vorgehensweise basiert darauf, dass sich die in dem Träger und die in der Schicht erzeugten Photoelektronen energetisch unterscheiden. Sobald im Verlauf des Abtragprozesses Photoelektronen des Trägers anhand ihrer Energie detektiert werden, liegt die Dicke der abzutragenden Schicht im Bereich der Ausdringtiefe der Photoelektronen. Mit Fortschreiten des Abtragprozesses einhergehend mit einer Verkleinerung der Schichtdicke wächst die jeweils aufgenommene Intensität der in dem Träger erzeugten sowie die Schicht durchdringenden Photoelektronen an, während die Intensität der lediglich von der Schicht herrührenden Photoelektronen sinkt, wodurch sich jeweils insgesamt das Intensitätsverhältnis der erfassten Photoelektronen der Schicht und des Trägers verändert. Aus den Intensitäten bzw. dem Intensitätsverhältnis von Photoelektronen des Trägers und der Schicht kann folglich jeweils die Dicke der Schicht mit einer hohen Genauigkeit berechnet werden, wodurch sich der Abtragprozess gut überwachen lässt.

Der Abtragprozess dient zum Strukturieren der Schicht, um Strukturelemente mit dazwischenliegenden freiliegenden Oberflächenbereichen herzustellen. Die Schicht wird hierbei jeweils in einem Strukturierungsbereich bestrahlt und es wird die Intensität der durch die Röntgenstrahlung in dem Strukturierungsbereich erzeugten Photoelektronen in Abhängigkeit ihrer Energie aufgenommen, um aus der Intensität und der Energie der Photoelektronen unter Berücksichtigung der mittleren freien Weglänge der Photoelektronen in dem Schichtmaterial die Dicke einer zwischen den Strukturelementen vorliegenden abzutragenden Restschicht in dem Strukturierungsbereich zu bestimmen.

Dabei wird ausgenutzt, dass sich die in dem Träger und die in der Schicht bzw. in den Strukturelementen und der Restschicht erzeugten Photoelektronen energetisch unterscheiden. Sobald im Verlauf des Strukturierungsprozesses Photoelektronen des Trägers anhand ihrer Energie detektiert werden, weist die abzutragende Restschicht eine Dicke im Bereich der Ausdringtiefe der Photoelektronen auf. Mit Fortschreiten des Strukturierungsprozesses kann aus den aufgenommenen Intensitäten bzw. dem Intensitätsverhältnis von Photoelektronen des Trägers und der Schicht unter Berücksichtigung der mittleren freien Weglänge der Photoelektronen und der geometrischen Abmessungen der herzustellenden Strukturelemente bzw. der freizulegenden Oberflächenbereiche jeweils die Dicke der Restschicht mit einer hohen Genauigkeit berechnet werden. Auf diese Weise kann der Strukturierungsprozess gut kontrolliert werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Schicht eine Hartmaskenschicht. Bei dem Träger handelt es sich beispielsweise um eine Halbleitersubstratscheibe bzw. eine mit einer Schicht oder einem Schichtstapel versehene Substratscheibe.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Intensität der im Wesentlichen senkrecht zur Schichtoberfläche emittierten Photoelektronen in Abhängigkeit ihrer Energie aufgenommen. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass lediglich Photoelektronen erfasst werden, welche die Schicht bzw. die Restschicht im Wesentlichen senkrecht zur Schichtoberfläche durchdringen, wodurch das Verfahren besonders genau wird. Auch werden keine Photoelektronen erfasst, welche die Restschicht unter einem Winkel verlassen und anschließend ein Strukturelement zum Teil durchdringen.

Bei dem Verfahren wird ein energieaufgelöstes Intensitätsspektrum der durch die Röntgenstrahlung erzeugten Photoelektronen aufgenommen. Die Dicke der Schicht wird dabei anhand des Verhältnisses der integralen Intensitäten charakteristischer Signale in den Intensitätsspektren bestimmt.

Dabei wird die Schicht großflächig mit Röntgenstrahlung bestrahlt. Auf diese Weise werden die in dem großflächig bestrahlten Bereich erzeugten Photoelektronen erfasst, wodurch eine relativ große statistische Genauigkeit erzielt wird.

Zur Durchführung des Verfahrens ist es vorzuziehen, den Träger in einer Vakuumumgebung, vorzugsweise in einer Ultrahochvakuumumgebung (UHV) anzuordnen. In einer derartigen Umgebung ist die mittlere freie Weglänge der Photoelektronen beliebig lang, wodurch die Photoelektronen gut erfasst werden können.

Für eine sehr genaue Bestimmung der Schichtdicke ist die exakte Kenntnis der materialspezifischen Ausdringtiefe bzw. der mittleren freien Weglänge der Photoelektronen erforderlich. Diese kann entweder berechnet oder durch zusätzliche Messungen ermittelt werden und wird vorzugsweise in einer zu erstellenden Bibliothek hinterlegt.

Das Verfahren läßt sich alternativ auch zum Überwachen eines Abscheideprozesses einer Schicht auf einem Träger einsetzen. Hierzu wird die Dicke der aufzubringenden Schicht im Verlauf des Abscheideprozesses mehrfach bestimmt. Gegebenfalls ist es hierbei wiederum entsprechend vorzuziehen, den Abscheideprozess für die Schichtdickenbestimmung jeweils zu unterbrechen.

Das Verfahren wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

1 und 2 schematische seitliche Schnittdarstellungen eines Ausschnitts einer auf einer Substratscheibe angeordneten Hartmaskenschicht zu verschiedenen Zeitpunkten bei einem Strukturierungsprozess, welche mit Röntgenstrahlung bestrahlt wird;

3 ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform der Verfahrens zum Bestimmen der Dicke einer Restschicht bei einem Strukturierungsprozess einer Hartmaskenschicht;

4 aufgenommene energieaufgelöste Intensitätsspektren bei Bestrahlen einer blanken Siliziumsubstratscheibe, einer mit einer dünnen Siliziumdioxidschicht und einer mit einer dicken Siliziumdioxidschicht beschichteten Siliziumsubstratscheibe mit Röntgenstrahlung; und

5 eine schematische Darstellung einer Durchführung des Verfahrens verwendeten zur Messvorrichtung.

Die 1 und 2 zeigen schematische seitliche Schnittdarstellungen eines Ausschnitts einer auf einer Substratscheibe 1 angeordneten Hartmaskenschicht 2 zu verschiedenen Zeitpunkten bei einem Strukturierungs- bzw. Ätzprozess, welche mit Röntgenstrahlung 3 einer vorgegebenen Röntgenenergie bestrahlt wird. Durch den Strukturierungsprozess wird auf der Oberfläche der Substratscheibe 1 eine Hartmaske mit Strukturelementen 21 und dazwischenliegenden freiliegenden Oberflächenbereichen hergestellt, welche als Ätzmaske zum Strukturieren der Substratscheibe 1 herangezogen wird. Die herzustellende Hartmaske kann dabei beispielsweise als Linien- oder Kontaktlochstruktur ausgeführt sein, deren Strukturelemente 21 im Wesentlichen senkrechte Seitenwände aufweisen. Die Substratscheibe 1 besteht beispielsweise aus Silizium. Bei der Hartmaskenschicht 2 handelt es sich beispielsweise um eine Siliziumdioxid- oder auch um eine Siliziumnitridschicht.

Im Verlauf des Strukturierungsprozesses wird in einem Strukturierungsbereich eine zwischen den Strukturelementen 21 vorliegende Restschicht 22 abgetragen. Dabei wird die Dicke D der Restschicht 22 wie in den 1 und 2 dargestellt kleiner. Grundsätzlich ist zum Durchführen eines derartigen Strukturierungsprozesses eine auf der Hartmaskenschicht 2 bzw. den Strukturelementen 21 angeordnete strukturierte Photolackschicht zum Maskieren der Strukturelemente 21 erforderlich. Zur Vereinfachung ist diese Photolackschicht in den 1 und 2 nicht dargestellt.

Bei Bestrahlen der Hartmaskenschicht 2 mit Röntgenstrahlung 3 werden aus den von der Röntgenstrahlung 3 getroffenen Atomen bzw. Ionen Photoelektronen 4 herausgeschlagen. Da die Röntgenstrahlung 3 eine relativ hohe Eindringtiefe von einigen Mikrometern aufweist, werden hierbei sowohl Photoelektronen 4 in der Hartmaskenschicht 2 als auch in der Substratscheibe 1 erzeugt. Ein Teil der Photoelektronen 4 verlässt dabei die Schichtoberfläche.

Sofern die Ausdringtiefe der Photoelektronen 4 wie in 1 dargestellt kleiner als die Dicke D der Restschicht 22 ist, können keine der in der Substratscheibe 1 erzeugten Photoelektronen 4 die Schichtoberfläche erreichen. Folglich werden an der Schichtoberfläche lediglich in der Hartmaskenschicht 2 erzeugte Photoelektronen emittiert (nicht dargestellt).

Die Ausdringtiefe der Photoelektronen 4 ist gekoppelt an die mittlere freie Weglänge der Photoelektronen 4 in dem betreffenden Material, das die Photoelektronen 4 durchdringen. Die Ausdringtiefe der Photoelektronen 4 liegt hierbei in der Größenordnung von 5 bis 10 nm.

Im Verlauf des Strukturierungsprozesses wird die Dicke D der Restschicht 22 stetig kleiner. Ab einer der Ausdringtiefe der Photoelektronen 4 entsprechenden Dicke D gelangen daher bei Bestrahlen der Hartmaskenschicht 2 mit Röntgenstrahlung 3 neben den in der Hartmaskenschicht 2 erzeugten Photoelektronen auch in der Substratscheibe 1 erzeugte Photoelektronen 4 wie in 2 dargestellt zur Schichtoberfläche und können diese verlassen. Mit Fortschreiten des Strukturierungsprozesses einhergehend mit einer zunehmenden Verkleinerung der Schichtdicke D steigt die Anzahl der von der Schichtoberfläche ausgesendeten Photoelektronen 4 der Substratscheibe 1 bei Bestrahlen der Hartmaskenschicht 2, während die Anzahl der lediglich von der Hartmaskenschicht 2 herrührenden Photoelektronen kleiner wird.

Da sich das Hartmaskenmaterial und das Substratmaterial unterscheiden, weisen auch die in den jeweiligen Atomen bzw. Ionen gebundenen Elektronen unterschiedliche Bindungsenergien auf. Infolgedessen besitzen die in der Hartmaskenschicht 2 und in der Substratscheibe 1 erzeugten und die Schichtoberfläche verlassenden Photoelektronen 4 unterschiedliche kinetische Energien. Die kinetische Energie eines Photoelektrons 4 ergibt sich hierbei aus der Differenz zwischen der eingestrahlten Röntgenenergie und der spezifischen Bindungsenergie des Photoelektrons in dem betreffenden Atom.

Das Vorliegen unterschiedlicher Energien der Photoelektronen 4 der Hartmaskenschicht 2 und der Substratscheibe 1 kann dazu ausgenutzt werden, die Dicke D der abzutragenden Restschicht 22 zu bestimmen und damit den Strukturierungsprozess zu überwachen. Erfindungsgemäß wird hierzu die Anzahl bzw. die Intensität der durch die Röntgenstrahlung 3 erzeugten Photoelektronen 4 in Abhängigkeit ihrer Energie aufgenommen. Hierbei ist es vorzuziehen, die Substratscheibe 1 mit der Hartmaskenschicht 2 in einer Ultrahochvakuumumgebung anzuordnen, in welcher die mittlere freie Weglänge der von der Schichtoberfläche ausgesendeten Photoelektronen 4 beliebig lang ist, um die Photoelektronen 4 gut erfassen zu können.

Aus einer energetischen Betrachtung der bei mehrfacher Bestrahlung der Hartmaskenschicht 2 im Verlauf des Strukturierungsprozesses erfassten Photoelektronen 4 allein lässt sich bereits eine wichtige Information gewinnen. Sobald in der Substratscheibe 1 erzeugte Photoelektronen 4 erfasst werden, welche wie oben beschrieben aufgrund ihrer Energie von den in der Hartmaskenschicht 2 erzeugten Photoelektronen 4 unterschieden werden können, hat die Restschicht 22 eine der Ausdringtiefe entsprechende Dicke D erreicht. Mit fortschreitendem Strukturierungsprozess lässt sich auf der Grundlage der aufgenommenen Intensitäten des weiteren jeweils die Dicke D der Restschicht 22 genau bestimmen.

Hierzu zeigt 3 ein Ablaufdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens zum Bestimmen der Dicke D der Restschicht 22 bei dem Strukturierungsprozesses der Hartmaskenschicht 2. In einem ersten Verfahrensschritt 11 wird die Hartmaskenschicht 2 in einem Strukturierungsbereich mit Röntgenstrahlung 3 einer vorgegebenen Röntgenenergie bestrahlt. Dabei werden wie oben beschrieben Photoelektronen 4 in der Hartmaskenschicht 2 und in der Substratscheibe 1 erzeugt, welche die Schichtoberfläche zum Teil verlassen.

Nachfolgend wird in einem Verfahrensschritt 12 ein energieaufgelöstes Intensitätsspektrum der im Wesentlichen senkrecht zur Schichtoberfläche emittierten Photoelektronen 4 aufgenommen. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass lediglich die Restschicht 22 im Wesentlichen senkrecht zur Schichtoberfläche durchdringende Photoelektronen 4 und keine schräg ausgesendeten Photoelektronen 4, welche zusätzlich die Strukturelemente 21 durchdringen und dabei einen Teil ihrer kinetischen Energie verlieren, erfasst werden, wodurch das Verfahren sehr genau wird.

In einem darauf folgenden Verfahrensschritt 13 wird die Dicke D der Restschicht 22 anhand des Verhältnisses der integralen Intensitäten charakteristischer Signale des Intensitätsspektrums bestimmt. Hierbei werden als zusätzliche Parameter die geometrischen Abmessungen der herzustellenden Hartmaske bzw. der Strukturelemente 21 und die von der Röntgenenergie und dem Hartmaskenmaterial abhängige Ausdringtiefe der Photoelektronen 4 berücksichtigt. Die materialspezifische Ausdringtiefe kann durch separate Messungen bestimmt oder auch berechnet werden und wird vorzugsweise in einer zu erstellenden Bibliothek hinterlegt. Mit Fortschreiten des Strukturierungsprozesses der Hartmaskenschicht 2 werden die Verfahrensschritte 11, 12 und 13 mehrmalig wiederholt, um den Strukturierungsprozess zu überwachen.

Zum Durchführen der vorstehend beschriebenen Verfahrensschritte 11, 12 wird der Strukturierungsprozess der Hartmaskenschicht 2 vorzugsweise unterbrochen und die Substratscheibe 1 mit der Hartmaskenschicht 2 wie oben beschrieben einem Vakuum bzw. einem Ultrahochvakuum ausgesetzt. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass die durch die Röntgenstrahlung 3 erzeugten Photoelektronen 4 gut erfasst werden können und nicht etwa in einem zur Strukturierung der Hartmaskenschicht 2 herangezogenen Ätzplasma oder in einer nasschemischen Ätzlösung absorbiert werden.

Bei der Durchführung des Verfahrens ist wird die Hartmaskenschicht 2 in dem Strukturierungsbereich großflächig mit Röntgenstrahlung 3 bestrahlt. Auf diese Weise wird die Anzahl der erzeugten, von der Schichtoberfläche ausgesendeten und erfassten Photoelektronen 4 erhöht, wodurch eine hohe statistische Genauigkeit erzielt wird.

Zur Erläuterung des Verfahrensschrittes 13 des in 3 dargestellten Verfahrens zeigt 4 aufgenommene energieaufgelöste Intensitätsspektren 31, 32, 33 bei Bestrahlen einer blanken Siliziumsubstratscheibe (Spektrum 33), einer mit einer relativ dünnen Siliziumdioxidschicht (Spektrum 32) und einer mit einer relativ dicken Siliziumdioxidschicht (Spektrum 31) beschichteten Siliziumsubstratscheibe mit Röntgenstrahlung. Als Röntgenenergie wurde beispielsweise die Aluminium K-Linie mit 1,4866 keV eingesetzt.

Bei den bestrahlten Proben handelt es sich zwar nicht um mit strukturierten (Hartmasken-)Schichten versehene Substratscheiben. Die folgenden Erläuterungen gelten jedoch analog auch für das Bestimmen der Dicke einer zwischen Strukturelementen angeordneten Restschicht.

Die in 4 dargestellten Spektren 31, 32, 33 zeigen jeweils die aufgenommene Intensität detektierter Elektronen in Abhängigkeit der Bindungsenergie EB. Die Bindungsenergie EB ergibt sich hierbei aus der Differenz der eingestrahlten Röntgenenergie und der kinetischen Energie der Elektronen.

Die Spektren 31, 32, 33 weisen deutlich ausgeprägte charakteristische Signale Si 2p, Si 2s, C 1s und O 1s auf, welche herausgeschlagenen Photoelektronen der 2p- und 2s-Schale von Silizium, der 1s-Schale von Kohlenstoff sowie der 1s-Schale von Sauerstoff zuzuordnen sind. Die Kohlenstoffsignale rühren dabei von Kohlenstoffkontaminationen der betreffenden Substratscheiben her. Darüber hinaus weisen die Spektren 31, 32, 33 charakteristische Signale von Augerelektronen des Sauerstoffs (OKLL) und des Kohlenstoffs (CKLL) auf.

Unterhalb der Intensitätsspektren 31, 32, 33 ist ein vergrößerter Ausschnitt der Silizium-2p-Signale des Spektrums 32 dargestellt, welches wie oben beschrieben durch Bestrahlen einer Siliziumsubstratscheibe mit einer relativ dünnen Siliziumdioxidschicht gewonnen wurde. Deutlich zu erkennen ist das Si4+-Intensitätssignal bei einer Bindungsenergie EB von etwa 104 eV, welches von 2p-Photoelektronen herrührt, die von in einem Oxidationszustand von 4+ vorliegenden Siliziumatomen herausgeschlagen wurden. Da Siliziumatome in Siliziumdioxid einen solchen Oxidationszustand aufweisen, beruht das Si4+-Intensitätssignal folglich auf Photoelektronen, welche in der Siliziumdioxidschicht erzeugt wurden.

Bei niedrigeren Bindungsenergien EB unterhalb von 100 eV lassen sich zwei Signale beobachten, welche aus Siliziumatomen mit der Oxidationsstufe 0 herausgeschlagen und damit in der Siliziumsubstratscheibe unterhalb der Siliziumdioxidschicht erzeugten Photoelektronen zuzuordnen sind. Die Ursache der Aufspaltung in die zwei dargestellten 2p1/2- und 2p3/2-Signale liegt in der so genannten Russell-Saunders-Kopplung, auf welche an dieser Stelle nicht näher eingegangen wird. Mittels einer Berechnung können die beiden getrennten Signale jedoch wie in 4 dargestellt zu einem gemeinsamen Si0-Signal zusammengefasst werden, so dass das gesamte Intensitätsspektrum 32 in dem betreffenden Ausschnitt durch die dargestellte &Sgr;-Kurve wiedergegeben wird.

Die integralen Intensitäten des Si0- und des Si4+-Signals, d.h. die von dem Si0- und dem Si4+-Signal eingenommenen Flächen und auch deren Verhältnis zueinander sind insbesondere von der Dicke der Siliziumdioxidschicht abhängig. Sofern die Siliziumdioxidschicht eine andere Dicke aufweist, liegt auch ein anderes Verhältnis der integralen Intensitäten des Si0- und des Si4+-Signals vor. Entsprechend kann aus den integralen Intensitäten des Si0- und des Si4+-Signals bzw. aus deren Verhältnis zueinander die Dicke der Siliziumdioxidschicht berechnet werden.

Möglich ist es auch, dass ein aufgenommenes Intensitätsspektrum nur eines der beiden Si0- und Si4+-Signale aufweist. In dem Intensitätsspektrum 31 der mit der relativ dicken Siliziumdioxidschicht versehenen Siliziumsubstratscheibe ist beispielsweise kein Si0-Signal zu beobachten, da die Ausdringtiefe der in der Substratscheibe erzeugten Photoelektronen kleiner ist als die Dicke der Siliziumdioxidschicht. In diesem Fall kann die Dicke der Siliziumdioxidschicht nicht berechnet werden, es lässt sich lediglich angeben, dass die Schichtdicke oberhalb der Ausdringtiefe der Photoelektronen liegt. Umgekehrt weist das Intensitätsspektrum 33 der blanken Siliziumsubstratscheibe kein Si4+-Signal auf, da keine Siliziumdioxidschicht vorhanden ist.

Derartige Zusammenhänge werden in entsprechender Weise bei dem in 3 dargestellten Verfahren zum Bestimmen der Dicke D der in den 1 und 2 dargestellten abzutragenden Restschicht 22 angewendet. Falls die zu strukturierende Hartmaskenschicht 2 ebenfalls aus Siliziumdioxid besteht, kann anhand des in einem aufgenommenen Intensitätsspektrum auftretenden Si4+-Signals und eines berechneten Si0-Signals die Dicke D der Restschicht 22 bestimmt werden.

Sofern die Dicke D der Restschicht 22 größer als die Ausdringtiefe der in der Siliziumsubstratscheibe 1 erzeugten Photoelektronen 4 ist, weist ein aufgenommenes Intensitätsspektrum lediglich ein Si4+-Signal und kein (berechnetes) Si0-Signal auf, da ausschließlich in der Hartmaskenschicht 2 erzeugte Photoelektronen die Schichtoberfläche verlassen können. Aus einem derartigen Spektrum lässt sich folglich die Information gewinnen, dass die Dicke D der Restschicht 22 Oberhalb der Ausdringtiefe der Photoelektronen 4 liegt.

Ab einer der Ausdringtiefe der Photoelektronen 4 entsprechenden Dicke D der Restschicht 22 taucht in den Intensitätsspektren zusätzlich ein (berechnetes) Si0-Signal auf, da in der Siliziumsubstratscheibe 1 erzeugte Photoelektronen 4 die Hartmaskenschicht 2 bzw. die Restschicht 22 durchdringen können. Bei weiterer Verkleinerung der Restschichtdicke D wird das Si0-Signal bzw. dessen integrale Intensität in den aufgenommenen Spektren größer, während das Si4+-Signal bzw. dessen integrale Intensität kleiner wird. Anhand des Verhältnisses der integralen Intensitäten der Si0- und Si4+-Signale kann jeweils die Dicke D der Restschicht 22 genau berechnet werden, wodurch sich der Strukturierungsprozess der Hartmaskenschicht 2 gut überwachen lässt.

Eine derartige Bestimmung der Restschichtdicke lässt sich in entsprechender Weise auch bei aus Siliziumnitrid bestehenden Hartmaskenschichten durchführen, da Siliziumatome des Siliziumnitrids ebenfalls einen Oxidationszustand 4+ aufweisen und daher aus diesen Siliziumatomen herausgeschlagene Photoelektronen ebenfalls ein Si4+-Signal hervorrufen können. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, im Falle oxidischer oder nitridischer Hartmaskenschichten die Signale anderer Elektronenniveaus des Siliziums zu berücksichtigen, sofern diese eine für die Berechnung der Restschichtdicke ausreichend hohe Intensität bzw. bei einer Veränderung der Restschichtdicke eine ausreichend hohe Intensitätsänderung aufweisen.

Ferner ist es möglich, die Signale von Photoelektronen anderer Elemente mit zu berücksichtigen. Beispielsweise können zur Bestimmung der Restschichtdicke bei einer aus Siliziumdioxid bestehenden Hartmaskenschicht Intensitätssignale von Photoelektronen der Sauerstoffatome sowie bei einer aus Siliziumnitrid bestehenden Hartmaskenschicht Intensitätssignale von Photoelektronen der Stickstoffatome einbezogen werden.

Das in 3 dargestellte erfindungsgemäße Verfahren ist ferner zur Bestimmung der Dicke einer abzutragenden Restschicht geeignet, bei welcher die zugrundeliegende Hartmaskenschicht neben dem angegebenen Siliziumdioxid und dem Siliziumnitrid aus anderen Materialien besteht. Auch kann es sich bei der Substratscheibe um einen aus anderen Materialien als Silizium bestehenden Träger sowie um eine beschichtete Siliziumsubstratscheibe handeln. Die Anwendung des Verfahrens setzt lediglich voraus, dass sich das Schicht- und das Träger- bzw. Substratmaterial unterscheiden, so dass sich die gewonnenen Intensitätssignale bedingt durch die chemische Spezies und/oder die Oxidationsstufe der die Photoelektronen liefernden Materialien unterscheiden und damit eine eindeutige Zuordnung der Photoelektronen zur (Hartmasken-)Schicht und zum darunter befindlichen Träger möglich ist.

Beim Durchführen des in 3 dargestellten Verfahrens kann es vorkommen, dass in der Hartmaskenschicht 2 bzw. in der Substratscheibe 1 erzeugte Photoelektronen 4, welche die Schichtoberfläche nicht durchdringen, eine elektrostatische Aufladung der Hartmaskenschicht 2 und/oder der Substratscheibe 1 hervorrufen. Derartige Aufladungseffekte können gegebenenfalls den Nullpunkt eines aufgenommenen Intensitätsspektrums verschieben. Diese Verschiebung kann durch eine gegengleiche Nullpunktverschiebung wieder korrigiert werden. Dies kann beispielsweise anhand einer energetischen Zuordnung charakteristischer Signale in einem Intensitätsspektrum durchgeführt werden.

5 zeigt eine schematische Darstellung einer Messvorrichtung 5, mit deren Hilfe der Strukturierungsprozess einer auf einer Substratscheibe 1 angeordneten Hartmaskenschicht 2 überwacht werden kann. Die Messvorrichtung 5 weist eine Röntgenstrahlungsquelle 6 zum Aussenden von Röntgenstrahlung 3 einer vorgegebenen Röntgenenergie auf, welche unter einem schrägen Einfallswinkel auf der Oberfläche der Hartmaskenschicht 2 auftrifft.

Weiter weist die Messvorrichtung 5 einen Analysator 7 zum Aufnehmen der Intensität der durch die Röntgenstrahlung 3 erzeugten und im Wesentlichen senkrecht zur Schichtoberfläche emittierten Photoelektronen 4 in Abhängigkeit ihrer Energie auf. Zu diesem Zweck ist die Messvorrichtung 5 ferner mit einer UHV-Kammer 9 (Ultrahochvakuum) versehen, innerhalb derer die Substratscheibe 1 angeordnet ist, damit die ausgesendeten Photoelektronen 4 den Analysator 7 erreichen können.

Des weiteren weist die Messvorrichtung 5 eine Auswerteeinrichtung 8 auf, mit deren Hilfe die Dicke D einer zwischen Strukturelementen 21 der Hartmaskenschicht 2 vorliegenden abzutragenden Restschicht 22 aus der jeweils aufgenommenen Intensität und/oder der Energie der Photoelektronen 4 bestimmt wird. Vorzugsweise wird mittels des Analysators 7 jeweils ein energieaufgelöstes Intensitätsspektrum der Photoelektronen 4 aufgenommen, welches gemäß dem in 3 dargestellten erfindungsgemäßen Verfahren mithilfe der Auswerteeinrichtung 8 ausgewertet wird.

Das in 3 dargestellte Verfahren sowie die in 5 abgebildete Messvorrichtung 5 sind nicht nur auf das Überwachen eines Strukturierungsprozesses einer auf einer Substratscheibe angeordneten Hartmaskenschicht eingeschränkt. Das Verfahren sowie die Messvorrichtung können grundsätzlich zum Bestimmen der Dicke einer auf einem Träger angeordneten Schicht bzw. einer zwischen Strukturelementen vorliegenden Restschicht herangezogen werden. Infolgedessen besteht die Möglichkeit, das Verfahren bzw. die Messvorrichtung 5 auch zum Überwachen eines Abscheideprozesses einer Schicht auf einem Träger einzusetzen und entsprechend die Dicke der Schicht im Verlauf des Abscheideprozesses mehrfach zu bestimmen.


Anspruch[de]
Verfahren zum Bestimmen der Dicke (D) einer auf einem Träger (1) angeordneten Schicht (2, 22) während eines Abtragprozesses zum Strukturieren der Schicht (2, 22), um Strukturelemente (21) mit dazwischenliegenden freiliegenden Oberflächenbereichen herzustellen, wobei sich das Schichtmaterial und das Trägermaterial unterscheiden, umfassend die Verfahrensschritte:

a) großflächiges Bestrahlen der Schicht (2, 22) mit Röntgenstrahlung (3) einer vorgegebenen Röntgenenergie;

b) Aufnehmen eines Intensitätsspektrums der durch die Röntgenstrahlung (3) erzeugten Photoelektronen (4) in Abhängigkeit ihrer Energie;

c) Ermitteln der integralen Intensität der Photoelektronen (4) für wenigstens einen ersten und einen zweiten Energiewert, wobei der erste Energiewert aus der Schicht (2, 22) abgegebene Photoelektronen und der zweite Energiewert aus dem Träger (1) abgegebene Photoelektronen kennzeichnet; und

d) Bestimmen der Dicke (D) der Restschicht (22) zwischen den Strukturelementen (21) aus dem Verhältnis der für den ersten und den zweiten Energiewert ermittelten integralen Intensitäten unter Berücksichtigung der mittleren freien Weglänge der Photoelektronen im Schichtmaterial und der geometrischen Abmessungen der Strukturelemente (21);

wobei zum Überwachen eines Abtragprozesses die vorstehenden Verfahrensschritte mehrfach durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Schicht eine Hartmaskenschicht (2) ist. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Intensitätsspektrum der im Wesentlichen senkrecht zur Schichtoberfläche emittierten Photoelektronen (4) in Abhängigkeit ihrer Energie aufgenommen wird.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com