DE102004034448B4

DE102004034448B4 - Verfahren zum Messen einer Schichtdicke einer Schicht auf einem Siliziumsubstrat und Satz von mindestens zwei Halbleiterprodukten

Info

Publication number: DE102004034448B4
Application number: DE200410034448
Authority: DE
Inventors: Jörg Wiedemann; Peter Weidner
Original assignee: Qimonda AG
Current assignee: Qimonda AG
Priority date: 2004-07-16
Filing date: 2004-07-16
Publication date: 2008-08-14
Anticipated expiration: 2024-07-17
Also published as: DE102004034448A1

Abstract

Verfahren zum Messen einer Schichtdicke einer Schicht auf einem Siliziumsubstrat, wobei das Verfahren die folgende Reihenfolge von Schritten aufweist:
a) Bereitstellen eines Satzes (50) von Siliziumsubstraten (10, 20, 30, 40), wobei der Satz (50) von Siliziumsubstraten zumindest ein erstes (10) und ein zweites Siliziumsubstrat (20) aufweist,
b) Entnehmen des ersten Siliziumsubstrats (10) aus dem Satz (50) von Siliziumsubstraten,
c) epitaktisches Abscheiden einer Schicht (11) aus einem zweiten Material (2), das Silizium und zumindest Germanium enthält, auf das erste Siliziumsubstrat (10),
d) epitaktisches Abscheiden einer Siliziumschicht (12) auf die auf dem ersten Siliziumsubstrat (10) abgeschiedene Schicht (11) aus dem zweiten Material (2),
e) Messen der Schichtdicke (d1) der Siliziumschicht (12),
f) Überprüfen, ob die gemessene Schichtdicke (d1) der Siliziumschicht (12) innerhalb eines vorgegebenen Sollwertbereichs (d0) für die Schichtdicke liegt, und
g) epitaktisches Abscheiden einer Siliziumschicht (22) auf das zweite Siliziumsubstrat (20) mit einer Schichtdicke...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen einer Schichtdicke einer Schicht auf einem Siliziumsubstrat. In der Halbleiterfertigung werden Halbleitersubstrate verwendet, auf denen epitaktische Schichten ausgebildet werden, um auf ihnen integrierte Halbleiterschaltungen auszubilden. Die epitaktischen Schichten werden in der Regel aus demselben Material gebildet, aus dem auch die Halbleitersubstrate bestehen. Diese Materialien können beispielsweise Silizium oder III-V-Halbleiter sein. Die epitaktischen Schichten besitzen einen besonders hohen Reinheitsgrad und eine besonders niedrige Defektdichte. Dabei muss die vorgesehene Schichtdicke der epitaktisch gewachsenen Schichten genau eingehalten werden. Beispielsweise bei MOSFETs (metal oxide semiconductor field effect transistor), deren Source/Drain-Gebiete und Kanalgebiete innerhalb der epitaktisch gewachsenen Schicht anzuordnen sind, muss die Schichtdicke einer epitaktisch gewachsenen Schicht größer sein als die Tiefe der Source/Drain-Dotierungen und der Kanaldotierung.
Zur Schichtdickenbestimmung werden bislang verschiedene Messverfahren eingesetzt, die nur an epitaktischen Schichten einer bestimmten Mindestschichtdicke oder auf strukturierten Substraten an selektiv abgeschiedenen epitaktischen Schichten durchführbar sind.
Für epitaktische Schichten, die nicht selektiv abgeschieden werden, muss das Substrat vor der Abscheidung der epitaktischen Schicht mit einem Dotierstoff (z. B. Arsen) dotiert werden, welcher an der Substratoberfläche eine Konzentration von mindestens 10¹⁸ Dotierstoffatomen pro cm³ besitzt. Diese hohe Konzentration ist erforderlich, um die optischen Eigenschaften des Substrats ausreichend stark gegenüber denjenigen der abzuscheidenden Schicht aus undotiertem epitaktischen Material zu verändern. An der Grenzfläche zwischen Substrat und epitaktischer Schicht entsteht durch die Dotierung beispielsweise eine Veränderung im optischen Brechungsindex. Mithilfe einer ellipsometrischen Messung im Infrarotbereich, bei der ein Infrarotstrahl teilweise an der Außenfläche der epitaktischen Schicht und teilweise an der Grenzfläche zwischen der epitaktischen Schicht und dem Substrat reflektiert wird, kann aus dem Interferenzmuster der reflektierten Teilstrahlen die Schichtdicke der epitaktischen Schicht bestimmt werden.
Dieses Verfahren ist aufwendig und erfordert aufwendige Justierschritte. Das mit Strahlung im Infrarotbereich durchgeführte Messverfahren ist zudem nur für Schichtdicken epitaktischer Schichten oberhalb von 60 nm zuverlässig durchführbar, weil bei kleineren Schichtdicken das durch die Dotierung veränderte Abscheideverhalten, insbesondere die veränderte Wachstumsrate das Messergebnis verfälscht. Bei gleichen Abscheidungsbedingungen entsteht somit auf einem dotierten Substrat eine epitaktische Schicht einer anderen Schichtdicke als auf einem nur schwach dotierten oder undotierten Substrat.
Bei epitaktischen Schichten aus Materialien, die durch einen selektiven Wachstumsprozess abscheidbar sind, können vor der epitaktischen Abscheidung strukturierte Oxid- oder Nitridschichten auf dem Material ausgebildet werden. Durch einen AFM-Profiler (atomic force measurement) werden die Stufenhöhen von Strukturelementen der strukturierten Oxid- oder Nit ridschicht vor dem epitaktischen Abscheiden gemessen. Anschließend wird ein Material epitaktisch auf das Substrat abgeschieden, und zwar selektiv zu dem Oxid oder Nitrid, so dass die Zwischenräume zwischen den Strukturen der Oxid- oder Nitridschicht bis zu einer gewissen Höhe aufgefüllt werden. Durch eine nachfolgende zweite Messung der Stufenhöhen lässt sich die Schichtdicke der epitaktisch gewachsenen Schicht in den Zwischenräumen bestimmen. Dieses Verfahren ist jedoch besonders zeitaufwendig, da eine Oxid- oder Nitridschicht lithografisch strukturiert werden muss. Außerdem sind zwei verschiedene Messungen der Stufenhöhen erforderlich.
Bei einem anderen Verfahren („scatterometry") ist nur eine einzige Messung nach dem selektiven epitaktischen Abscheiden erforderlich. Hier wird das gestreute Licht (vorzugsweise im Wellenlängenbereich von 150 bis 900 nm) untersucht und die Struktur modelliert. Jedoch wird auch hier zunächst eine Schicht auf einem Oxid oder Nitrid aufgebracht und strukturiert, wofür wiederum ein Lithografieschritt erforderlich ist.
Somit ist kein einfaches und kostengünstiges Verfahren bekannt, um die Schichtdicke einer auf ein Substrat aufgewachsenen Schicht zu messen.
Aus der US 4,203,799 ist ein Verfahren zum Messen von Schichtdicken bekannt, bei dem ein Substrat mit einem Dotierstoff dotiert wird, um einen optischen oder anderweitigen Kontrast zwischen einer abzuscheidenden Schicht und dem Substrat zu ermöglichen. Es werden Ionen in das Substrat implantiert, um eine Kontrastschicht zu erzeugen. Die Kontrastschicht ist somit unterhalb der Substratoberfläche angeordnet.
Ein weiteres Verfahren zum Messen von Schichtdicken ist aus der US 5,793,479 bekannt.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem die Schichtdicke einer auf ein Siliziumsubstrat aufgewachsenen epitaktischen Schicht mit einem geringeren Zeit- und Kostenaufwand messbar ist. Das Messverfahren soll auch an Schichten aus solchen Materialien durchführbar sein, die nicht selektiv abgeschieden werden. Das Verfahren soll insbesondere an Schichten aus solchen Materialien durchführbar sein, die sich von dem Material des Siliziumsubstrats nicht oder nur geringfügig unterscheiden. Schließlich soll das bereitzustellende Messverfahren für eine Schichtdickenbestimmung unabhängig von der Schichtdicke der zu messenden Schicht, d. h. auch bei besonders kleinen Schichtdicken, zuverlässig durchführbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst.
Erfindungsgemäß wird zunächst ein Satz von identischen Siliziumsubstraten bereitgestellt, der zumindest ein erstes und ein zweites Siliziumsubstrat aufweist. Dann wird ein erstes Substrat aus dem Satz von Substraten entnommen, das für eine Schichtdickenmessung verwendet werden soll. Auf dem ersten Siliziumsubstrat wird eine Schicht aus einem zweiten Material epitaktisch abgeschieden, das Silizium und zumindest Germanium aufweist. Infolge der unterschiedlichen Zusammensetzung dieser Schicht gegenüber dem ersten Siliziumsubstrat sind auch die physikalischen Eigenschaften der Schicht gegenüber dem Substrat verändert. Beispielsweise besitzt die Schicht aus dem zweiten Material eine andere Elektronendichte oder einen anderen optischen Brechungsindex als das erste Substrat. Auf die Schicht aus dem zweiten Material, die auf dem ersten Siliziumsubstrat angeordnet ist, wird dann ein drittes Material epitaktisch abgeschieden. Das dritte Material wird dabei mit einer Schichtdicke abgeschieden, deren Wert zunächst nicht oder nicht genau genug bekannt ist. Somit kann die Schichtdicke des dritten Materials auf dem ersten Substrat innerhalb oder auch außerhalb eines vorgegebenen Soll wertbereichs liegen. Die Schichtdicke der abgeschiedenen Schicht aus dem dritten Material wird dann gemessen. Dann wird überprüft, ob die gemessene Schichtdicke der Schicht aus dem dritten Material innerhalb des vorgegebenen Sollwertbereichs für die Schichtdicke liegt. Schließlich wird eine Schicht aus dem dritten Material auf das zweite Substrat mit einer Schichtdicke abgeschieden, die innerhalb des vorgegebenen Sollwertbereichs für die Schichtdicke liegt. Dabei kann das Messergebnis der Schichtdickenmessung aus Schritt e) verwendet werden, um, falls erforderlich, den Abscheidungsprozess für die Abscheidung des dritten Materials auf dem zweiten Substrat und den weiteren Substraten zu optimieren, um eine Schichtdicke innerhalb des Sollwertbereichs zu erhalten, die eine Weiterverarbeitung dieser Substrate zu integrierten Halbleiterchips ermöglicht. Dazu kann die Schichtdicke des auf dem zweiten Substrat und den weiteren Substraten abzuscheidenden dritten Materials durch die Ab scheidungsdauer, die Konzentration und Zusammensetzung der beteiligten Prozessgasse und durch weitere Parameter wie beispielsweise Temperatur oder Druck beeinflußt werden.
Die Materialzusammensetzung der zu vermessenden Schicht kann mit der Zusammensetzung des Substrats identisch sein. Die zuerst abgeschiedene Schicht aus dem zweiten Material dient als Zwischenschicht oder Kontrastschicht, die mithilfe geeigneter Messverfahren deutlich von dem Material des Substrats und von dem dritten Material unterscheidbar ist.
Diese Kontrastschicht mit veränderten physikalischen Eigenschaften wird erfindungsgemäß zusätzlich zur Schicht aus dem dritten Material auf das erste Substrat abgeschieden; auf dem zweiten Substrat erfolgt keine Abscheidung einer solchen Schicht aus dem zweiten Material. Stattdessen wird das dritte Material unmittelbar auf das zweite Substrat abgeschieden und ist von dem zweiten Substrat somit nicht durch eine Zwischenschicht von dem Substratmaterial getrennt. Das zweite sowie jedes weitere Substrat des Satzes ist für die Herstellung integrierter Halbleiterschaltungen bestimmt. Das erste Substrat hingegen dient zur Durchführung der Schichtdickenmessung an derjenigen Schicht aus dem dritten Material, die auf der aus dem zweiten Material gebildeten Zwischenschicht auf dem ersten Substrat abgeschieden wurde.
Erfindungsgemäß wird auf dem zweiten Substrat die zur Fertiung von Halbleiterschaltungen verwendende Schicht abgeschieden, wohingegen auf dem ersten Substrat zunächst eine Zwischenschicht aus einem anderen Material und darauf eine Schicht aus dem dritten Material abgeschieden wird, die nur zur Schichtdickenmessung dient.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass in Schritt d) das dritte Material mit einer zunächst unbekannten Schichtdicke auf das erste Substrat abgeschieden wird. Da das erste Substrat nur zur Schichtdickenmessung dient und nicht weiterverarbeitet wird, braucht die Schichtdicke des dritten Materials auf dem ersten Substrat nicht innerhalb des Sollwertbereichs zu liegen. Das Messergebnis für die Schichtdicke auf dem ersten Substrat dient jedoch zur Kontrolle der Abscheidungsparameter, um anschliessend auf dem zweiten Substrat und auf den weiteren Substraten des Satzes das dritte Material mit der gewünschten Schichtdicke abzuscheiden.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass dann, wenn die Überprüfung in Schritt f) ergibt, dass die gemessene Schichtdicke nicht innerhalb des vorgegebenen Sollwertbereichs liegt, mindestens ein Parameter für die Abscheidung des dritten Materials so eingestellt wird, dass in Schritt g) die Abscheidung des dritten Materials voraussichtlich mit einer Schichtdicke erfolgt, die innerhalb des vorgegebenen Sollwertbereichs liegt. Hierbei wird ausgenutzt, dass durch eine Veränderung eines Parameters für die Abscheidung des dritten Materials die abzuscheidende Schichtdicke gezielt veränderbar ist, so dass eine erneute Schichtdickenmessung auf dem zweiten Substrat nicht erforderlich ist.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass in Schritt a) jeweils identische Substrate gemeinsam in einem Behälter bereitgestellt werden. Die Substrate des Satzes von Substraten sind zusammengehörige Substrate, die beispielsweise aus einer einzigen Packungseinheit gelieferter Substrate stammen. Während des Herstellungsverfahrens bilden zumindest das zweite Substrat und die weiteren Substrate eine weiterhin zusammengehörende Einheit. Das erste Substrat hingegen kann, nachdem auf ihm die Schichtdicke der Schicht aus dem dritten Material gemessen wurde, verworfen werden.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass nach dem Schritt g) auch auf alle weiteren Substrate des Satzes jeweils eine Schicht aus dem dritten Material mit derselben Schichtdicke wie in Schritt g) abgeschieden wird.
Ferner ist vorzugsweise vorgesehen, dass das zweite Substrat und alle weiteren Substrate des Satzes einzeln nacheinander mithilfe eines jeweils identischen Abscheidungsprozesses mit dem dritten Material beschichtet werden.
Insbesondere ist vorgesehen, dass das dritte Material in jeweils derselben Reaktionskammer nacheinander auf das zweite Substrat und auf alle weiteren Substrate des Satzes abgeschieden wird.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass in Schritt b) eine Schicht aus einem zweiten Material gebildet wird, die sich in mindestens einer Materialeigenschaft von dem ersten Material und dem dritten Material unterscheidet. Diese Materialeigenschaft kann etwa der optische Brechungsindex oder die Elektronendichte sein. Das in Schritt e) verwendete Messverfahren kann in Abhängigkeit von der jeweiligen Materialeigenschaft gewählt werden.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das zweite und das dritte Material so gewählt werden, dass der Betrag der Differenz zwischen dem optischen Brechungsindex des dritten Materials und dem optischen Brechungsindex des ersten Materials kleiner ist als der Betrag der Differenz zwischen dem optischen Brechungsindex des zweiten Materials und dem optischen Bre chungsindex des ersten Materials. Somit besitzt das dritte Material den gleichen oder einen ähnlichen optischen Brechungsindex wie das Substratmaterial, wohingegen das zweite Material, aus dem die Zwischenschicht auf dem ersten Substrat gebildet ist, einen deutlich abweichenden optischen Brechungsindex besitzt.
Dementsprechend ist vorzugsweise vorgesehen, dass in Schritt d) an dem ersten Substrat eine ellipsometrische Schichtdickenmessung durchgeführt wird. Dabei wird polarisiertes Licht, vorzugsweise mit einer Wellenlänge oder einem Wellenlängenbereich im optisch sichtbaren Teil des Spektrums, unter einem großen Einfallswinkel auf das mit dem zweiten und dem dritten Material bedeckte erste Substrat gerichtet. Aus dem Polarisationsgrad der an der Oberseite der äußersten Schicht und an den Grenzflächen reflektierten Teilstrahlen lässt sich die Schichtdicke der Schicht aus dem dritten Material bestimmen. Dabei kann eine Lichtquelle fester Wellenlänge verwendet und die reflektierte Strahlung unter variablem Reflexionswinkel erfasst werden. Alternativ dazu kann eine Breitbandlichtquelle verwendet werden und der Polarisationsgrad der unter vorgegebenem Reflexionswinkel reflektierten Strahlung in Abhängigkeit von der Wellenlänge erfasst werden. Beide Verfahren können beispielsweise in einem Wellenlängenbereich von 150 bis 900 nm durchgeführt werden. Aufgrund der unterschiedlichen Brechungsindizes erfolgt eine Reflexion an der Grenzfläche zwischen den aus dem zweiten und dem dritten Material gebildeten Schichten.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass in Schritt c) ein zweites Material abgeschieden wird, das eine andere Elektronendichte besitzt als das erste und das dritte Material. Ferner ist vorzugsweise vorgesehen, dass in Schritt d) an dem ersten Substrat eine röntgenreflektrometrische Schichtdickenmessung durchgeführt wird. Hierbei wird Röntgenstrahlung unter einem sehr großen Einfallswinkel von vorzugsweise zwischen 85° und 89° auf die auf dem ersten Substrat vorhandene Schichtenfolge gerichtet. Die Strahlung wird teilweise an der Oberfläche der aus dem dritten Material gebildeten Schicht reflektiert und dringt teilweise in sie ein. Aufgrund der unterschiedlichen Elektronendichte der äußeren Schicht aus dem dritten Material und der darunter gelegenen Schicht aus dem zweiten Material erfolgt auch an der Grenzfläche zwischen diesen beiden Schichten eine Teilreflektion. Die beiden reflektierten Strahlen ergeben ein winkelabhängiges Interferenzmuster, das Aufschluss über die Schichtdicke der Schicht aus dem dritten Material gibt.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass in den Schritten c), d) und g) die Schichten aus dem zweiten und dem dritten Material jeweils epitaktisch abgeschieden werden. Durch das epitaktische Wachstum kann die einkristalline Ordnung des Halbleitersubstrats bis in die Schichten aus den zweiten und dritten Material fortgesetzt werden.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass auf den auf dem zweiten Substrat und auf den weiteren Substraten abgeschiedenen Schichten aus dem dritten Material jeweils integrierte Halbleiterschaltungen hergestellt werden. Das erste Substrat hingegen kann nach der Schichtdickenmessung verworfen werden.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass als das dritte Material ein solches Material abgeschieden wird, dass mit dem ersten Material identisch ist. Hierbei ist die Schichtdicke der aufgewachsenen Schicht mithilfe herkömmlicher Messverfahren nur sehr aufwendig bestimmbar, da die Materialeigenschaften des Substrats und der aufgewachsenen Schicht identisch oder fast identisch sind. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens jedoch kann die Schichtdickenmessung ersatzweise an dem ersten Substrat durchgeführt werden, auf dem zunächst die Zwischenschicht und auf ihr dann die Schicht aus dem gleichen Material wie das Substratmaterial epitaktisch aufgewachsen wurde. Die Zwischenschicht aus den zweiten, anderen Material ermöglicht eine Schichtdickenmessung der äußeren Schicht, beispielsweise mit Hilfe der Röntgenreflektometrie oder der optischen Ellipsometrie. Da die äußere Schicht mit jeweils gleicher Schichtdicke auf das zweite Substrat und auf die auf dem ersten Substrat angeordnete Schicht aus dem zweiten Material aufgewachsen wird, erhält man durch die Schichtdickenmessung auf dem ersten Substrat zugleich das Messergebnis für die Schichtdicke der auf auf das zweite Substrat abgeschiedenen Schicht, die selbst für eine Messung weniger geeignet ist, da sie unmittelbar an das Substratmaterial des zweiten Substras angrenzt.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das erste und das dritte Material jeweils Silizium ist. Das zweite Material kann Silizium und mindestens einen anderen Bestandteil enthalten, beispielsweise Germanium. Das zweite Material kann etwa aus Silizium und Germanium bestehen. Ferner können auch weitere zusätzliche Bestandteile in der Schicht aus den zweiten Material enthalten sein.
Im Falle eines Siliziumsubstrats ist vorzugsweise vorgesehen, dass das zweite Material zu höchstens 90 Prozent Silizium enthält. Die weiteren Bestandteile bewirken eine ausreichende Abweichung des physikalischen Eigenschaften der Schicht aus dem zweiten Material gegenüber dem ersten und dem dritten Material. So kann beispielsweise eine ausreichend große Diffe renz der optischen Brechungsindizes oder der Elektronendichten durch Zugabe von mindestens 10% Germanium, vorzugsweise auch mindestens 15% Germanium erreicht werden. Je nach Messgenauigkeit jedoch kann auch ein Gehalt von mindestens einem Prozent des weiteren Bestandteils für eine ausreichend präzise Schichtdickenmessung ausreichen. In diesem Fall besteht das zweite Material zu höchstens 99% aus Silizium.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Schicht aus den zweiten Material auf das erste Substrat mit einer Schichtdicke von 5 nm abgeschieden wird. Eine Schichtdicke von 5 nm oder vorzugsweise 10 nm ist vorteilhaft, um ein ausreichend zuverlässiges Messergebnis für die Schichtdicke der Schicht aus dem dritten Material zu erhalten.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird ferner durch einen Satz von mindestens zwei Halbleiterprodukten gelöst, umfassend mindestens

– ein erstes Substrat aus einem ersten Material, auf dem eine Schicht aus einem anderen, zweiten Material angeordnet ist, auf welcher eine Schicht aus einem dritten Material angeordnet ist, und
– ein zweites Substrat aus dem ersten Material, wobei unmittelbar auf dem zweiten Substrat eine Schicht aus dem dritten Material angeordnet ist, die dieselbe Schichtdicke besitzt wie die auf der Schicht aus dem zweiten Material angeordnete Schicht aus dem dritten Material.

Der erfindungsgemäße Satz von Halbleiterprodukten umfasst somit mindestsn zwei Substrate, von denen eines mit einer Kontrastschicht aus dem zweiten Material bedeckt ist. Als oberste Schicht ist auf beiden Substraten jeweils eine Schicht aus dem dritten Material angeordnet, wobei die Schichtdicke bei den Schichten aus dem dritten Material identisch ist. Das erste Substrat mit der zusätzlichen Kontrastschicht dient zur leichteren Schichtdickenmessung; das zweite Substrat ohne die Zwischenschicht dient zur Herstellung integrierter Halbleiterschaltungen.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das dritte Material und das erste Material identisch sind. Ferner ist vorzugsweise vorgesehen, dass der Satz von Halbleiterprodukten nach einem der obengenannten Verfahren hergestellt ist.
Die Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die Figuren beschrieben. Es zeigen:
die 1 bis 3 Verfahrensschritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
4 eine vergrößerte Darstellung des ersten Substrats aus 3 mit weiteren Angaben zu den darauf abgeschiedenen Schichten, die 5 bis 7 weitere Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens,
8 ein erfindungsgemäss hergestelltes Halbleiterprodukt mit einer integrierten Halbleiterschaltung,
9 einen erfindungsgemässen Satz von Halbleiterprodukten und
10 ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Gemäß 1 wird ein Satz 50 von Substraten 10, 20, 30, 40 bereitgestellt. Alle Substrate bestehen aus dem gleichen Material 1, beispielsweise aus Silizium. Alternativ können auch Substrate aus III-V-Halbleitern bereitgestellt werden. Die Substrate 10, 20, 30, 40 können auch dotiert sein. Die Substrate des Satzes 50 von Substraten sind zusammengehörige Substrate, die beispielsweise aus einer einzigen Packungseinheit gelieferter Substrate stammen. Auch während des erfindungsgemässen Herstellungsverfahrens bilden die Substrate eine zusammengehörende Einheit, auch wenn die Substrate zeitweilig voneinander getrennt bearbeitet werden, um jeweils eine die Schicht aus dem dritten Material abzuscheiden. Die Substrate des Satzes 50 von Substraten bilden beispielsweise ein Los von Substraten oder eine Gruppe von Losen, die gemeinsam gehandhabt werden. In 1 werden alle Substrate 10, 20, 30, 40 des Satzes 50 von Substraten gemeinsam in einem Behälter 7 bereitgestellt. Dem Satz von Substraten wird dann das erste Substrat 10 entnommen und in eine Abscheidekammer 17 gebracht, wie in 1 angedeutet.
Gemäß 2 wird in der Abscheidekammer 17 auf dem ersten Substrat 10 eine Schicht 11 abgeschieden, die aus einem Material 2 besteht, das von dem Material des Substrats verschieden ist oder das anders zusammengesetzt ist als das Material des Substrats. Dieses zweite Material 2, aus dem die abgeschiedene Schicht 11 besteht, ist vorzugsweise Silizium-Germanium. Der Anteil von Germanium beträgt vorzugsweise mindestens 1%, insbesondere mehr als 10%. Die Schicht aus Silizium-Germanium wird vorzugsweise epitaktisch abgeschieden. Während der Abscheidung auf das erste Substrat 10 wird das zweite Substrat 20 vor einer Abscheidung geschützt, beispielsweise indem es außerhalb der Kammer für die Abscheidung der Schicht 11 angeordnet wird. Während der Abscheidung der Schicht 11 auf das erste Substrat 10 in der Abscheidekammer 17 verbleiben die übrigen Substrate 20, 30, 40 des Satzes 50 ausserhalb der Kammer.
Gemäß 3 wird eine Schicht 12 aus einem dritten Material auf das erste Substrat 10 abgeschieden. Die Abscheidung erfolgt so, dass das dritte Material überall mit der gleichen Schichtdicke abgeschieden wird. Das dritte Material kann dasselbe Material sein wie das erste Material, aus dem das Substrate 10 besteht. Die Abscheidung auf das Substrat 10 erfolgt vorzugsweise epitaktisch. Das Abscheiden der Schicht 12 aus dem dritten Material 3 geschieht in der Weise, dass diese Schicht nicht unmittelbar auf das erste Substrat 10, sondern auf die darauf bereits abgeschiedene Schicht 11 aus dem zweiten Material abgeschieden wird. Dadurch entsteht ein Halbleiterprodukt, das das erste Substrat, die Schicht 11 aus dem zweiten Material 2 und die Schicht 12 aus dem dritten Material 3 aufweist. Dieses Halbleiterprodukt ist nicht für die Fertigung von integrierten Halbleiterschaltung bestimmt. Es wird erfindungsgemäß hergestellt, um eine erleichterte und präzisere Schichtdickenmessung einer Schicht aus dem dritten Material zu ermöglichen.
Die auf das Substrat 10 abgeschiedene Schicht 12 besteht vorzugsweise aus Silizium. Die Schicht 11 aus dem zweiten Material 2 besteht vorzugsweise aus Silizium-Germanium. Die Schicht 11 dient als Kontrastschicht, um eine Grenzfläche zur Schicht 12 leichter erkennen und eine Schichtdicke der Schicht 12 besser bestimmen zu können.
Diese Schichtdicke kann jedoch mit herkömmlichen Methoden nicht oder nur mit großem Aufwand gemessen werden, da das Substrat, auf dem herkömmlich die Schichtdicke einer abge schiedenen Schicht angeordnet ist, keine Kontrastschicht aufweist. Erfindungsgemäß wird jedoch die Schichtdicke einer Schicht gemessen, die auf einer Kontrastschicht eines eigens zur Schichtdickenmessung bestimmten Substrats abgeschieden wurde.
In 4 ist das erste Substrat 10 mit der Zwischenschicht 11 und der darauf angeordneten Schicht 12 vergrößert dargestellt.
Die Zwischenschicht 11 besteht aus einem anderen Material oder aus einer anderen Materialzusammensetzung als das Substrat 10 und als die Schicht 12. Vorzugsweise besteht die Schicht 12 aus demselben Material 1 wie das Substrat 10. Die Zwischenschicht 11 wird nur auf dem ersten Substrat 10 abgeschieden und bildet dort eine Kontrastschicht, die ein Erkennen der Unterseite der Schicht 12 und eine Messung der Schichtdicke d1 der Schicht 12 erleichtert.
In 4 sind die optischen Brechungsindizes des Substrats 10, der Schicht 11 und der Schicht 12 mit n1, n2 und n3 bezeichnet. Ferner sind die Elektronendichten des Substrats 10 und der Schichten 11, 12 mit D1, D2 und D3 bezeichnet. Vorzugsweise besitzt die Schicht 12 dieselben Materialeigenschaften wie das Substrat 10, insbesondere denselben optischen Brechungsindex n1 und dieselbe Elektronendichte D1. Die Elektronendichte ist die Dichte der Elektronen in der Atomhülle des Materials der betreffenden Schicht 11, 12 oder des Substrats 10. Grenzflächen, an denen die Elektronendichte sich ändert, können mit Hilfe einer Röntgenreflektrometrischen Messung erkannt werden. Dort können Schichtdickenmessungen mit Hilfe der Röntgenreflektrometrie durchgeführt werden. Alternativ dazu ist eine Schichtdickenmessung auch mit Hilfe eines ellipsometrischen Verfahrens im Bereich optischer Wellenlängen möglich.
5 zeigt einen Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei den die Schichtdicke der Schicht 12 mit Hilfe eines solchenellipsometrischen Verfahrens bestimmt wird. Gemäß 5 wird die Schichtdicke der Schicht 12 auf dem ersten Substrat 10 gemessen. Bei dem ellipsometrischen Verfahren wird von einer Lichtquelle 4 ausgesandte elektromagnetische Strahlung 6 mit einer Wellenlänge λ1, die vorzugsweise im Bereich von 150 bis 900 nm liegt, auf die Oberfläche der Schicht 12 gerichtet. Die elektromagnetische Strahlung 6 trifft unter einem Winkel α auf. Das reflektierte Licht wird von einem Detektor 8 erfasst. Die von der Lichtquelle 4 ausgesendete elektromagnetische Strahlung ist linear polarisiert, wozu beispielsweise ein Polarisationsfilter eingesetzt werden kann. Die von dem Substrat 10 und den Schichten 11 und 12 reflektierte Strahlung hingegen ist im allgemeinen elliptisch polarisiert. Der Polarisationsgrad der reflektierten Strahlung wird durch den Detektor 8 erfasst, der dazu geeignete Polarisationsfilter enthalten kann. Die ellipsometrische Messung kann entweder in der Weise ausgeführt werden, dass bei einer konstanten Wellenlänge λ1 der Winkel verändert wird, unter dem der Detektor 8 die reflektierte Strahlung erfasst. Die dazu erforderliche Bewegung des Detektors 8 ist in 1 durch zwei Pfeile angedeutet. Der Detektor bewegt sich somit um den Auftreffpunkt der elektromagnetischen Strahlung 6 auf die Schicht 12. Aus der winkelabhängigen Messung des Polarisationsgrades der reflektierten Strahlung lässt sich die Schichtdicke der Schicht 12 aus dem dritten Material 3 bestimmen.
Die elliptische Polarisation des reflektierten Lichts kommt durch Interferenz der an der oberen und an der unteren Grenzfläche der Schicht 12 reflektierten Teilstrahlen zustande. Es wird ausgenutzt, dass die Schicht 11 aus dem zweiten Material einen anderen optischen Brechungsindex n2 als die Schicht 12 und das Substrat 10 besitzt.
Die ellipsometrische Messung kann auch in der Weise durchgeführt werden, dass elektromagnetische Strahlung 6 mit einem breiten Wellenlängenspektrum auf das Substrat 10 gerichtet wird. Der Detektor wird in diesem Fall nicht bewegt. Stattdessen wird der Polarisationsgrad des reflektierten Lichts in Abhängigkeit von der Wellenlänge gemessen. Aus der wellenlängenabhängigen Erfassung des Polarisationsgrades lässt sich ebenfalls die Schichtdicke der Schicht 12 bestimmen.
Gemäss 5 wird ferner überprüft, ob die gemessene Schichtdicke d1 innerhalb eines vorgegebenen Sollwertbereichs d0 liegt, der in 5 mit beispielsweise 25 bis 35 nm angegeben ist. Wird beispielsweise eine Schichtdicke von 23 nm gemessen, so wird ein Parameter für nachfolgende Abscheidvorgänge zum Abscheiden des dritten Materials auf anderen Substraten so verändert, dass bei den nachfolgenden Abscheidevorgängen voraussichtlich eine Schichtdicke d2 innerhalb des Sollwertbereichs, und zwar möglichst ein Idealwert der Schichtdicke erzielt wird.
6 zeigt ein alternatives Messverfahren zur Schichtdickenbestimmung gemäß Schritt d) des erfindungsgemäßen Verfahrens. Gemäß 6 wird eine röntgenreflektometrische Messung eingesetzt, bei der Röntgenstrahlung 16, die von einer Strahlungsquelle 14 ausgesandt wird, unter einem sehr kleinen Winkel β auf die Oberfläche der Schicht 12 gerichtet wird.
Der Winkel β ist ebenso wie der Winkel α in 5 der Glanzwinkel, d. h. der Winkel zwischen der Oberfläche der Schicht 12 und der Richtung der auftreffenden Strahlung. Ein kleiner Glanzwinkel entspricht einem großen Einfallswinkel, welcher üblicherweise zwischen der Richtung der auftreffenden Strahlung und dem Lot senkrecht zur Substratoberfläche gemessen wird. Die Wellenlänge λ2 der verwendeten Strahlung liegt im Röntgenbereich. Bei der röntgenreflektometrischen Messung wird eine Strahlungsquelle 14 mit fester Wellenlänge λ2 verwendet und die Intensität der reflektierten Röntgenstrahlung durch den Detektor 18 erfasst. Bei der Messung wird das Substrat 10 um den Auftreffpunkt der Röntgenstrahlung auf die Oberseite der Schicht 12 gedreht. Gleichzeitig wird der Detektor mit doppelter Geschwindigkeit um diesen Punkt gedreht, so dass er stets die maximale Intensität der reflektierten Röntgenstrahlung erfasst.
Gemäß 7 wird eine Schicht 22 aus einem dritten Material 3 auf das zweite Substrat 20 und danach auch auf die weiteren Substrate 30, 40 des Satzes 50 abgeschieden. Die Abscheidung erfolgt so, dass das dritte Material überall mit der gleichen Schichtdicke abgeschieden wird. Die Abscheidung auf erfolgt jeweils unmittelbar auf das jeweilige Substrat 20, 30, 40. Auf diese Substraten werden dann integrierte Halbleiterschaltungen hergestellt, wie in 8 dargestellt.
In 8 ist eine integrierte Halbleiterschaltung 25 abschnittweise durch zwei Transistoren 15, beispielsweise MOSFETs (metal oxide semiconductor field effect transistor) und eine Bitleitung 5 schematisch dargestellt. Eine Vielzahl integrierter Halbleiterschaltungen 25 wird auf dem zweiten Substrat 20 und auf jedem weiteren Substrat 30, 40 des Satzes 50 von Substraten ausgebildet, jedoch nicht auf dem ersten Substrat 10.
In 9 ist ein mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellter Satz 100 von Halbleiterprodukten dargestellt. Der Satz 100 umfasst mindestens ein Substrat 20; 30; 40, das mit einer Schicht 22; 32; 42 aus dem dritten Material 3 bedeckt ist. Der Satz 100 von Halbleiterprodukten umfasst ferner ein Substrat 10, das unter der Schicht 12 aus dem dritten Material 3 eine Kontrastschicht 11 aus dem zweiten Material 2 aufweist. Das erste Substrat 10 mit der Kontrastschicht 11 dient zur erleichterten Schichtdickenmessung für die Abscheidung des dritten Materials 3. Die übrigen Halbleiterprodukte des Satzes 100 weisen integrierte Halbleiterschaltungen auf.
10 zeigt ein erfindungsgemäßes Verfahren in Form eines Flussdiagramms. Zunächst wird ein Satz 50 von Halbleitersubstraten mit mindestens einem ersten 10 und einem zweiten Substrat 20 aus beispielsweise Silizium bereitgestellt. Dem Satz 50 von Substraten wird dann das erste Substrat 10, welches ein beliebiges Substrat des Satzes sein kann, entnommen. Danach wird eine Silizium-Germanium-Schicht 11 auf das erste Substrat 10 epitaktisch abgeschieden. Dann wird eine Siliziumschicht 12 auf das erste Substrat 10 in einer Abscheidekammer epitaktisch abgeschieden und die Schichtdicke d1 der Siliziumschicht 12 des ersten Substrats 10 gemessen. Die bis hierher durchgeführten Verfahrensschritte der 10 entsprechen den in den 1 bis 3 und 5 (bzw. 6) dargestellten Verfahrensschritten.
Gemäß 10 wird nach diesen Verfahrensschritten die gemessene Schichtdicke d1 mit einem vorgegebenen Sollwertbereich d0 für die Schichtdicke d2 der Siliziumschicht auf dem zweiten Substrat 20 verglichen. Wenn diese Überprüfung ergibt, dass die Schichtdicke d1 innerhalb des Sollwertbereichs d0 liegt, werden die übrigen Substrate 20, 30, 40 für die Herstellung integrierter Halbleiterschaltungen mit jeweils einer Schicht 22, 32, 42 aus dem dritten Material beschichtet. Die Parameter für die Abscheidung des dritten Material werden dann beibehalten. Sofern allerdings die Überprüfung ergibt, dass der gemessene Wert d1 für die Schichtdicke der Schicht 12 ausserhalb des vorgegebenen Sollwertbereichs d0 liegt, wird mindestens ein Parameter P so verändert, dass bei einer erneuten Abscheidung unmittelbar auf eines der übrigen Substrate 20, 30, 40 das dritte Material 3 mit einer Schichtdicke d2 abgeschieden wird, die innerhalb des Sollwertbereichs liegt und eine Herstellung integrierter Halbleiterschaltungen auf den Schichten 22, 32, 42 aus dem dritten Material 3 ermöglicht. Der veränderte Parameter kann etwa die Abscheidungsdauer, die Abscheidungstemperatur, der Druck in der Abscheidekammer, die Konzentration oder Zusammensetzung der bei der Abscheidung beteiligten Prozessgase oder ein sonstiger Parameter sein. Der mindestens eine Parameter kann auch dann verändert werden, wenn die gemessene Schichtdicke zwar innerhalb des Sollwertbereichs liegt, jedoch von einem Idealwert für die Schichtdicke abweicht.
Zusätzlich zu sämtlichen oben beschriebenen Vorgehensweisen können auch an mehreren Substraten, die mit jeweils einer Kontrastschicht aus dem zweiten Material und dann mit einer Schicht aus dem dritten Material versehen werden, weitere Schichtdickenmessungen durchgeführt werden, etwa in regelmässigen Zeitabständen von beispielsweise einer Woche, um das Abscheideverhalten in der Abscheidekammer nochmals zu überprüfen. Beispielsweise kann nach einem Beschichten einer ersten Anzahl von Substraten mit dem dritten Material und nach dem Herstellen intergrierter Halbleiterschaltungen auf diesen Substraten wieder ein Substrat mit einer Kontrastschicht aus dem zweiten Material hergestellt werden, auf welche dann das dritte Material abgeschieden wird. Danach wird auf diesem Substrat die Schichtdickenmessung wiederholt, um die Schichtdicke des dritten Materials zu überprüfen. Sofern die gemessene Schichtdicke innerhalb des vorgegebenen Sollwertbereichs liegt und sofern keine Schichtdickenkorrektur gewünscht ist, können die verbliebenen weiteren Substrate mit einer Schicht aus dem dritten Material versehen und darauf integrierte Halbleiterschaltungen hergestellt werden. Sofern die erneut gemessene Schichtdicke jedoch ausserhalb des Sollwertbereichs liegt oder von einem Idealwert für die Schichtdicke abweicht, kann zunächst wieder zumindest ein Parameter verändert werden, um bei der nachfolgenden Beschichtung der verbliebenen weiteren Substrate die gewünschte Schichtdicke des dritten Materials zu erhalten. Somit kann der Herstellungsprozess, bei dem Substrate zunächst mit einer Schicht aus dem dritten Material beschichtet und darauf dann integrierte Halbleiterschaltungen hergestellt werden, unterbrochen werden, vorzugsweise auch mehrfach und in regelmässigen Zeitabständen, um in den Verfahrensablauf eine Kontrollmessung an einem Testsubstrat durchzuführen, das eigens zur Schichtdickenmessung verwendet und hierfür zusätzlich mit einer Kontrastschicht aus dem zweiten Material beschichtet wird.

1: erstes Material
2: zweites Material
3: drittes Material
4, 14: Strahlungsquelle
5: Bitleitung
7: Behälter
6, 16: elektromagnetische Strahlung
8, 18: Detektor
10: erstes Substrat
11: Schicht aus dem zweiten Material
12, 22, 32, 42: Schicht aus dem dritten Material
15: Transistor
17: Reaktionskammer
20: zweites Substrat
25: integrierte Halbleiterschaltung
30, 40: weitere Substrate
50: Satz von Substraten
100: Satz von Halbleiterprodukten
α, β: Winkel
d0: Sollwertbereich für die Schichtdicke
d1, d2, d3: Schichtdicke
D1, D2, D3: Elektronendichte
n1, n2, n3: optischer Brechungsindex
λ1, λ2: Wellenlänge
P: Parameter

Claims

Verfahren zum Messen einer Schichtdicke einer Schicht auf einem Siliziumsubstrat, wobei das Verfahren die folgende Reihenfolge von Schritten aufweist: a) Bereitstellen eines Satzes (50) von Siliziumsubstraten (10, 20, 30, 40), wobei der Satz (50) von Siliziumsubstraten zumindest ein erstes (10) und ein zweites Siliziumsubstrat (20) aufweist, b) Entnehmen des ersten Siliziumsubstrats (10) aus dem Satz (50) von Siliziumsubstraten, c) epitaktisches Abscheiden einer Schicht (11) aus einem zweiten Material (2), das Silizium und zumindest Germanium enthält, auf das erste Siliziumsubstrat (10), d) epitaktisches Abscheiden einer Siliziumschicht (12) auf die auf dem ersten Siliziumsubstrat (10) abgeschiedene Schicht (11) aus dem zweiten Material (2), e) Messen der Schichtdicke (d1) der Siliziumschicht (12), f) Überprüfen, ob die gemessene Schichtdicke (d1) der Siliziumschicht (12) innerhalb eines vorgegebenen Sollwertbereichs (d0) für die Schichtdicke liegt, und g) epitaktisches Abscheiden einer Siliziumschicht (22) auf das zweite Siliziumsubstrat (20) mit einer Schichtdicke (d2), die innerhalb des vorgegebenen Sollwertbereichs (d0) für die Schichtdicke (d2) liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt d) die Siliziumschicht (12) mit einer zunächst unbekannten Schichtdicke (d1) auf das erste Siliziumsubstrat (10) abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn die Überprüfung in Schritt f) ergibt, dass die gemessene Schichtdicke (d1) nicht innerhalb des vorgegebenen Sollwertbereichs (d0) liegt, mindestens ein Parameter (P) für die Abscheidung der Siliziumschicht (22) so eingestellt wird, dass in Schritt g) die Abscheidung der Siliziumschicht (22) voraussichtlich mit einer Schichtdicke (d2) erfolgt, die innerhalb des vorgegebenen Sollwertbereichs (d0) liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a) jeweils identische Siliziumsubstrate (10, 20, 30, 40) gemeinsam in einem Behälter (7) bereitgestellt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Schritt g) auch auf alle weiteren Siliziumsubstrate (30, 40) des Satzes (50) jeweils eine Siliziumschicht (32, 42) mit derselben Schichtdicke (d2) wie in Schritt g) epitaktisch abgeschieden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Siliziumsubstrat (20) und alle weiteren Siliziumsubstrate (30, 40) des Satzes (50) einzeln nacheinander mithilfe eines jeweils identischen Abscheidungsprozesses mit einer Siliziumschicht (22) beschichtet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das die Siliziumschichten (22) in jeweils derselben Reaktionskammer (17) nacheinander auf das zweite Siliziumsubstrat (20) und auf alle weiteren Siliziumsubstrate (30, 40) des Satzes (50) abgeschieden werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt e) an dem ersten Siliziumsubstrat (10) eine ellipsometrische Schichtdickenmessung durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt e) an dem ersten Siliziumsubstrat (10) eine röntgenreflektometrische Schichtdickenmessung durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass auf den auf dem zweiten Siliziumsubstrat (20) und auf den weiteren Siliziumsubstraten (60, 70) abgeschiedenen Siliziumschichten (22, 32, 42) jeweils integrierte Halbleiterschaltungen (25) hergestellt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Material (2) höchstens zu 90 Prozent Silizium enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (11) aus dem zweiten Material (2) mit einer Schichtdicke (d3) von mindestens 5 nm auf das erste Siliziumsubstrat (1) abgeschieden wird.
Satz (100) von Halbleiterprodukten, umfassend mindestens – ein erstes Siliziumsubstrat (10), auf dem eine epitaktische Schicht (11) aus einem anderen, zweiten Material (2), das Silizium und zumindest Germanium enthält, angeordnet ist, auf welcher eine epitaktische Siliziumschicht (12) angeordnet ist, und – ein zweites Siliziumsubstrat (20), wobei unmittelbar auf dem zweiten Siliziumsubstrat (20) eine epitaktische Siliziumschicht (22) angeordnet ist, die dieselbe Schichtdicke (d1) besitzt wie die auf der Schicht (11) aus dem zweiten Material (2) angeordnete Siliziumschicht (12).
Satz von Halbleiterprodukten nach Anspruch 13, hergestellt durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12.