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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Herstellung von Halbleiterbauelementen
und betrifft insbesondere Ätzprozesse
zum Bilden von Gräben
und Kontaktlöchern
in einem dielektrischen Material für die Herstellung von Metallisierungsschichten.
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Beschreibung des Stands der
Technik
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In
einer integrierten Schaltung werden eine große Anzahl an Schaltungselementen,
etwa Transistoren, Kondensatoren, Widerstände und dergleichen in oder
auf einem geeigneten Substrat in einer im Wesentlichen ebenen Konfiguration
hergestellt. Auf Grund der großen
Anzahl an Schaltungselementen und den erforderlichen komplexen Schaltungsaufbau
in modernen integrierten Schaltungen werden die elektrischen Verbindungen
der einzelnen Schaltungselemente im Wesentlichen nicht innerhalb
der gleichen Ebene hergestellt, auf der die Schaltungselemente ausgebildet
sind. Typischerweise werden derartige elektrische Verbindungen in einer
oder mehreren zusätzlichen „Verdrahtungs”-Schichten
gebildet, die auch als Metallisierungsschichten bezeichnet werden.
Diese Metallisierungsschichten beinhalten im Allgemeinen metallenthaltende
Leitungen, die die ebeneninterne elektrische Verbindung herstellen,
und enthalten ferner mehrere Zwischenebenenverbindungen, die auch
als Kontaktdurchführungen
bezeichnet werden, die mit einem geeigneten Metall gefüllt sind.
Die Kontaktdurchführungen
stellen die elektrische Verbindung zwischen zwei benachbarten gestapelten Metallisierungsschichten
her, wobei die metallenthaltenden Leitungen und die Kontaktdurchführungen
gemeinsam auch als Verbindungsstrukturen bezeichnet werden.
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Auf
Grund der zunehmenden Reduzierung der Strukturgrößen von Schaltungselementen
in modernen integrierten Schaltungen steigt auch die Anzahl der
Schaltungselemente für
eine vorgegebene Chipfläche,
d. h. die Packungsdichte, ebenso an, wodurch ein noch größerer Anstieg
der Anzahl der elektrischen Verbindungen erforderlich ist, um die
gewünschte
Schaltungsfunktion bereitzustellen. Daher kann die Anzahl der gestapelten
Metallisierungsschichten ansteigen und die Abmessungen der einzelnen
Leitungen und Kontakt durchführungen
kann sich verringern, wenn die Anzahl der Schaltungselemente pro
Chipfläche
größer wird.
Die Herstellung einer Vielzahl von Metallisierungsschichten zieht äußerst herausfordernde
Aufgaben nach sich, die es zu lösen
gilt, etwa die mechanische, thermische und elektrische Zuverlässigkeit
einer Vielzahl aus aufeinandergestapelten Metallisierungsschichten.
Mit zunehmender Komplexität
integrierter Schaltungen und auf Grund der Notwendigkeit für Leitungen,
die moderat hohen Stromdichten auszuhalten, gehen Halbleiterhersteller
zunehmend dazu über,
das gut bekannte Metallisierungsmetall Aluminium durch ein Metall
zu ersetzen, das höhere
Stromdichten ermöglicht
und damit eine Verringerung der Abmessungen der Verbindungsstrukturen
und damit der Anzahl der gestapelten Metallisierungsschichten ermöglicht.
Beispielsweise sind Kupfer und Legierungen davon Materialien, die
auf Grund ihrer besseren Eigenschaften im Hinblick auf einen höheren Widerstand
gegen Elektromigration und einen deutlich geringeren elektrischen
Widerstand im Vergleich zu Aluminium zunehmend als Ersatz für Aluminium
verwendet werden. Trotz dieser Vorteile weisen Kupfer und Kupferlegierungen
auch eine Reihe von Eigenheiten hinsichtlich der Bearbeitung und
Handhabung in einer Halbleiterherstellungsstätte auf. Beispielsweise kann
Kupfer nicht in effizienter Weise auf ein Substrat in größeren Mengen
durch gut etablierte Abscheideverfahren, etwa die chemische Dampfabscheidung
(CVD) aufgebracht werden, und Kupfer kann auch nicht durch die typischerweise
eingesetzten anisotropen Ätzverfahren
effizient strukturiert werden. Daher werden bei der Herstellung
von Metallisierungsschichten mit Kupfer vorzugsweise sogenannte
Einlege- oder Damaszener-Verfahren (einzeln oder dual) eingesetzt,
in denen eine dielektrische Schicht zunächst aufgebracht und anschließend strukturiert
wird, um Gräben
und/oder Kontaktlöcher
zu erhalten, die nachfolgend mit Kupfer oder Kupferlegierungen gefüllt werden.
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Es
erweist sich, dass der Vorgang des Strukturierens von Kontaktlöchern und
Gräben
in der dielektrischen Schicht, die häufig in Form eines dielektrischen
Materials mit kleinem ε vorgesehen
wird, deutlich den gesamten Damaszener-Prozessablauf beeinflussen
und auch einen Einfluss auf die schließlich erhaltene kupferbasierte
Verbindung ausüben
kann, da beispielsweise eine Schwankung der Grabenbreite und Tiefe
zu einer unterschiedlichen Leitfähigkeit
und damit einem unterschiedlichen elektrischen Verhalten des Bauelements
im Hinblick auf die Betriebsgeschwindigkeit und Zuverlässigkeit
führen
kann. Daher müssen
die diversen Fertigungsschritte einschließlich moderner Lithographie-
und Ätzverfahren
gründlich überwacht
werden. Idealerweise würde
die Auswirkung jedes einzelnes Prozessschrittes auf jedes Substrat
durch Messung erfasst und das betrachtete Substrat würde für die weitere
Bearbeitung lediglich dann freigegeben, wenn die erforderlichen
Spezifikationen erfüllt
sind. Jedoch ist eine derartige Prozesssteuerungsstrategie nicht
praktikabel, da das Messen der Auswirkungen gewisser Prozesse relativ
lange Messzeiten, häufig
außerhalb
der Prozesslinie, erfordern kann, oder selbst die Zerstörung der
Probe nach sich ziehen kann. Daher wäre ein extrem großer Aufwand
im Hinblick auf Arbeitszeit und Anlagen auf der Messseite zu treiben,
um die erforderlichen Messergebnisse bereitzustellen. Ferner würde die
Auslastung der Prozessanlage minimiert, da die Anlage lediglich
nach dem Erhalt des Messergebnisses und seiner Bewertung freigegeben
würde.
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Somit
wird der Lithographieprozess, der die erforderliche Ätzmaske
zur Strukturierung des dielektrischen Materials liefert, häufig auf
der Grundlage einer geeigneten APC-(fortschrittliche Prozesssteuerungs-)Strategie
gesteuert. Äußerst größenreduzierte
Halbleiterbauelemente mit kritischen Abmessungen von 100 nm und
deutlich weniger auf der Bauteilebene erfordern auch äußerst skalierte
Metallleitungen und Kontaktdurchführungen in der Verdrahtungsebene
des Bauelements. Folglich erfordert die Herstellung von Metallleitungen
und Kontaktdurchführungen
anspruchsvolle Lithographieprozesse. Jedoch können der Lithographie nachgeschaltete
Prozesse und insbesondere der Ätzprozess
zum eigentlichen Bilden der Kontaktdurchführungen und Gräben auf
der Grundlage der Lackmaske oder Hartmaske, die durch Lithographie
hergestellt wird, ebenso den Prozessausgang beeinflussen. Beispielsweise
kann ein Ätzprozess,
der typischerweise nach einem kritischen Lithographieprozess ausgeführt wird,
etwa der Strukturierung des dielektrischen Materials mit kleinem ε in der Metallisierungsschichten,
das in modernen Halbleiterbauelementen typischerweise eingesetzt wird,
einen deutlichen Einfluss auf die schließlich erreichte Abmessung der
Metallleitung oder der betrachteten Kontaktdurchführung ausüben. In
modernen Halbleiterfertigungsstätten
werden für
gewöhnlich
mehrere Ätzanlagen
oder zumindest mehrere unterschiedliche Prozesskammern zum Ausführen des
gleichen Prozessrezepts in Übereinstimmung
mit Verfügbarkeit
und der Prozessablaufverwaltung in der Fertigungsstätte eingesetzt.
Obwohl jede dieser unterschiedlichen Anlagen oder Prozesskammern
auf der Grundlage der gleichen Parametereinstellungen im Hinblick
auf beispielsweise die Plasmaleistung, den Druck, die Gasdurchflussraten und
dergleichen betrieben werden kann, wird eine Schwankung der kritischen
Abmessung beobachtet, obwohl fortschrittliche Steuerungsschemata
in dem vorhergehenden Lithographieprozess verwendet werden.
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Angesichts
der zuvor beschriebenen Situation besteht ein Bedarf für eine Technik,
die eine verbesserte Steuerungsstrategie für Ätzprozesse ermöglicht,
wobei eines oder mehrere der zuvor erkannten Probleme vermieden
werden oder deren Auswirkungen zumindest deutlich reduziert werden.
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Überblick über die Erfindung
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Im
Allgemeinen richtet sich die vorliegende Erfindung an eine Technik,
die eine verbesserte Steuerung von Ätzprozessen während der
Herstellung von beispielsweise Metallleitungen und Kontaktdurchführungen
ermöglicht,
indem der Einfluss der Zusammensetzung der Ätzumgebung auf die resultierende
Konfiguration des Grabens und/oder Kontaktloches berücksichtigt
wird. Zum Einrichten eines geeigneten Steuerungsschemas werden in
einigen anschaulichen Ausführungsformen
Messdaten, die eine signifikante Eigenschaft der geätzten Gräben und
Kontaktlöcher
angeben, zum Einstellen der Zusammensetzung der entsprechenden Ätzumgebung
verwendet. Auf diese Weise können
Strukturschwankungen, die durch Prozessschwankungen hervorgerufen
werden, deutlich reduziert werden, selbst wenn eine Vielzahl unterschiedlicher
Prozessanlagen eingesetzt werden.
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Diese
verbesserte Steuerung von Ätzprozessen
wird anhand eines Verfahrens gemäß Anspruch
1 und einer Vorrichtung gemäß Anspruch
8 erzielt.
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US 2004/0185584 A1 beschreibt
ein Verfahren zur Kompensation kritischer Abmessungsschwankungen
auf einer Halbleiterscheibenoberfläche während eines Plasmaätzprozesses.
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DE 102 96 328 T5 beschreibt
ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern der Äztselektivität. In dem
Verfahren wird die Dicke einer zweiten Schicht gemessen, ein Ätzselektivitätsparameter
auf Grundlage der gemessenen Dicke bestimmt, und ein Betriebsrezept
einer Ätzanlage
entsprechend modifiziert.
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WO 01/82365 A1 beschreibt
ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern kritischer Abmessungen. Das
Verfahren umfasst Herstellen einer Serie von Halbleiterbauteilen,
Messen und Analysen einer kritischen Abmessung eines Halbleiterbauteils,
und Ausführen
eines weiteren Ätzprozesses
in Erwiderung auf das Ergebnis der Analyse.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere
Vorteile, Aufgaben und Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung sind in den angefügten Patentansprüchen definiert
und gehen deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung
hervor, wenn diese mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen studiert
wird, in denen:
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1a bis 1d schematisch
Querschnittsansichten eines Halbleiterbauelements während der
Herstellung von Kontaktlöchern
und Gräben
in einer Metallisierungsschicht zeigen, wobei eine Ätzatmosphäre gemäß anschaulicher
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung gesteuert wird;
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2a schematisch
eine Fertigungsumgebung zur Strukturierung einer dielektrischen
Schicht zum Erhalten von Metallleitungen und Kontaktdurchführungen
darstellt, die mit einem Steuerungssystem zum Steuern des Ätzprozesses
gemäß noch weiterer
anschaulicher Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung gekoppelt ist;
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2b schematisch
ein Steuerungssystem, das mit einer Fertigungsumgebung verbunden
ist, die mehrere unterschiedliche Ätzanlagen gemäß weiterer
anschaulicher Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung enthält;
und
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2c und 2d schematisch
Messdaten zum Vergleichen eines konventionellen Ätzsystems mit einem anschaulichen
System gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigen.
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Detaillierte Beschreibung
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Es
ist zu beachten, dass obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug
zu den Ausführungsformen
beschrieben ist, wie sie in der folgenden detaillierten Beschreibung
dargestellt sind, die detaillierte Beschreibung nicht beabsichtigt,
die vorliegende Erfindung auf die speziellen offenbarten Ausführungsformen
einzuschränken,
sondern die beschriebenen Ausführungsformen
stellen lediglich beispielhaft die diversen Aspekte der vorliegenden
Erfindung dar, deren Schutzbereich durch die angefügten Patentansprüche definiert
ist.
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Im
Allgemeinen richtet sich die vorliegende Erfindung an eine Technik
zum Verbessern des Verhaltens von Metallisierungsschichten äußerst moderner
Halbleiterbauelemente. Wie zuvor erläutert ist, werden in der Einlege-
oder Damaszener-Technik Gräben
und Kontaktlöcher
in einem dielektrischen Material gebildet, wobei die entsprechende
Konfiguration dieser Gräben
und Kontaktlöcher
deutlich das schließlich
erreichte Leistungsverhalten des fertiggestellten Bauelements beeinflusst,
da der Widerstand der Metallleitungen und Kontaktdurchführungen
deutlich von der Gesamtquerschnittsfläche, die für den Ladungsträgertransport
verfügbar
ist, abhängt.
Da eine Reihe äußerst komplexer
Prozesse bei der Herstellung der Gräben und Kontaktdurchführungen
beteiligt sind, etwa moderne Lithographie, Abscheiden mehrerer Materialschichten
einschließlich
von Dielektrika mit kleinem ε in
Verbindung mit Deckschichten, Ätzstoppschichten,
ARC-(antireflektierende)Schichten, und dergleichen, die einen Einfluss
auf die Lithographie sowie auf die nachfolgenden Ätzprozesse
ausüben
können,
stellt die vorliegende Erfindung eine verbesserte Steuerung für den Gesamtprozessablauf
bereit, indem eine zusätzliche
Steuerungsstrategie beispielsweise zusätzlich zur APC-Steuerung der
Lithographie, im Hinblick auf den Ätzprozess auf der Grundlage
von Rückkopplungsdaten
bereitgestellt wird, etwa von Messdaten kritischer Abmessungen von
Gräben
und/oder Kontaktlöchern,
um einen Prozessausgang mit geringerer Schwankung zu erzeugen. Erfindungsgemäß wurde
erkannt, dass Prozessungleichförmigkeiten,
wie sie durch subtile Unterschiede in den Ätzanlagen oder Ätzprozesskammern
auftreten können,
wenn mehrere unterschiedliche Anlagen oder Kammern verwendet werden,
oder der die Ätzung
vorgeordnete oder nachgeordnete Behandlungen hervorgerufen werden,
in effizienter Weise kompensiert oder zumindest deutlich reduziert
werden, indem die Zusammensetzung der Ätzumgebung auf der Grundlage
von Messdaten eingestellt wird.
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Folglich
kann erfindungsgemäß eine fortschrittliche
Prozesssteuerung (APC) für
den Ätzprozess
angewendet werden, wodurch ein hohes Maß an Prozesssteuerung beispielsweise
auf einer Durchlauf-zu-Durchlauf-Basis ermöglicht wird, während lediglich
eine moderate Menge an Messdaten erforderlich ist. In APC-Strategien
wird ein Modell eines Prozesses oder einer Gruppe aus in Verbindung
stehender Prozesse, etwa eines oder mehrerer Ätzschritte, erstellt und in
einer geeignet ausgebildeten Prozesssteuerung eingerichtet. Die
Prozesssteuerung kann Informationen einschließlich von Information mindestens
hinsichtlich des Prozessausgangs des Ätzprozesses erhalten, während in
anderen anschaulichen Ausführungsformen
zusätzliche
dem Prozess vorgeordnete Messdaten oder andere damit in Bezug stehende
Informationen, etwa die Substratgeschichte, die Art des auszuführenden
Prozesses, die Produktart, die Kennzeichnung der Prozessanlage,
in der das Produkt zu bearbeiten ist oder in vorhergehenden Schritten
bearbeitet wurde, das entsprechende Prozessrezept, das anzuwenden
ist, und dergleichen, ebenso in Verbindung mit den Rückkopplungsdaten
verwendet werden. Aus dieser Information und dem Prozessmodell bestimmt
die Prozesssteuerung dann einen Steuerungszustand oder Prozesszustand
für den Ätzprozess,
der die Auswirkung des Ätzprozesses
auf den speziellen Graben oder die Kontaktdurchführung beschreibt, wobei eine
geeignete Parametereinstellung für
ein oder mehrere variable Parameter des Ätzprozesses in einigen anschaulichen
Ausführungsformen
in Form einer oder mehrerer Durchflussraten reaktiver oder anderer
Gaskomponenten der Ätzumgebung ermittelt
und entsprechend eingestellt werden, wobei anlagenspezifische interne
oder „untergeordnete” Steuerungseinheiten
im Wesentlichen bei den Parameterwerten halten, etwa den Durchflussraten,
die den Sollwerten entsprechen, wie sie von der APC-Steuerung vorgegeben
werden. Folglich sind die Verfahren und Systeme der vorliegenden
Erfindung äußerst vorteilhaft
für die
Strukturierung dielektrischer Materialien mit kleinem ε zum Bilden
von Gräben
und Kontaktlöchern
für die
Herstellung von Metallleitungen in modernen Halbleiterbauelementen
mit kritischen Abmessungen in der Bauteilebene von ungefähr 100 nm
oder sogar weniger, wobei es dann auch erforderlich ist, dass die
Metallgräben
und Kontaktdurchführungen
mit lateralen Abmessungen von einigen 100 nm und deutlich weniger
hergestellt werden, da in diesem Zusammenhang das Gesamtverhalten
des Bauelements im Hinblick auf die Arbeitsgeschwindigkeit, die
Widerstandsfähigkeit
gegen Elektromigration und dergleichen deutlich von den Eigenschaften
der Metallleitungen und Kontaktdurchführungen, deren Querschnittsfläche und
somit entsprechende Leitfähigkeit
deutlich durch den Strukturierungsprozess und damit durch den Ätzprozess
bestimmt ist, abhängen
kann.
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Mit
Bezug zu den 1a bis 1d und
den 2a bis 2d werden
nunmehr weitere anschauliche Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung detaillierter beschrieben.
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1a zeigt
schematisch eine Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements 100 mit
einem Substrat 101, das in Form eines Siliziumvollsubstrats,
eines SOI-(Silizium-auf-Isolator)Substrats,
oder in Form eines anderen geeigneten Trägermaterials zur Herstellung
und Schaltungselementen darauf, und dergleichen vorgesehen sein
kann, wobei das Substrat 101 auch eine Bauteilschicht (nicht
gezeigt) aufweist, in der einzelne Schaltungselemente, etwa Transistoren,
Kondensatoren, Leitungen, Kontaktbereiche, und dergleichen hergestellt
sind, wobei in einigen anschaulichen Ausführungsformen entsprechende
kritische Abmessungen dieser Schaltungselemente ungefähr 100 nm
oder sogar deutlich weniger betragen können. Das Bauelement 100 umfasst
ferner eine dielektrische Schicht 102, die über dem
Substrat 101 gebildet ist, wobei die Schicht 102 ein
dielektrisches Material repräsentieren
kann, das die einzelnen Schaltungselemente einschließt, oder
die Schicht 102 kann einen Teil einer tieferliegenden Metallisierungsschicht
repräsentieren.
Abhängig
von der speziellen Gestaltung des Bauelements 100 oder
der Funktion der Schicht 102 kann diese aus einem konventionellen
dielektrischen Material, etwa Siliziumdioxid, Siliziumnitrid hergestellt
sein, oder kann ein dielektrisches Material mit kleinem ε aufweisen.
In dieser Hinsicht ist ein dielektrisches Material mit kleinem ε als ein
Dielektrikum zu verstehen, das eine relative Permittivität von 3,0
oder weniger aufweist. Des weiteren umfasst das Bauelement 100 ein
Metallgebiet oder Kontaktgebiet 103, das über dem
Substrat 101 und zumindest teilweise in der Schicht 102 gebildet
ist. Das Metallgebiet 103 kann, wenn es eine Metallleitung
einer tieferliegenden Metallisierungsschicht repräsentiert,
ein kupferenthaltendes Metall mit leitenden Barrierenschichten (nicht
gezeigt) aufweisen, um damit die Haftung der Metallleitung 103 an
dem umgebenden Material zu erhöhen
und eine Diffusion von Kupfer in empfindliche Bauteilgebiete zu
reduzieren. Eine Ätzstoppschicht 104 kann
auf der dielektrischen Schicht 102 und dem Metallgebiet 103 ausgebildet
sein, wobei die Ätzstoppschicht 104 aus
einem Material aufgebaut ist, das eine hohe Ätzselektivität zu dem
Material einer dielektrischen Schicht 105 aufweist, das
in einigen anschaulichen Ausführungsformen
ein dielektrisches Material mit kleinem ε ist, das auf der Ätzstoppschicht 104 gebildet
ist. Des weiteren kann die Ätzstoppschicht 104 typischerweise
als eine Diffusionsbarriere zwischen dem Metallgebiet 103 und
benachbarten Materialien dienen, um damit die Diffusion von Metall,
etwa von Kupfer, in andere Materialien zu reduzieren und um die Diffusion
dielektrischen Materials oder anderer reaktiver Komponenten, etwa
Sauerstoff, Fluor, und dergleichen, in das Metallgebiet 103 zu
verringern. Beispielsweise sind Siliziumnitrid, Siliziumkarbid,
stickstoffangereichertes Siliziumkarbid und dergleichen Materialien,
die für
die Ätzstoppschicht 104 geeignet
sind. Auf der dielektrischen Schicht 105 ist eine ARC-Schicht
oder Deckschicht 106 ausgebildet, die aus zwei oder mehreren
Teilschichten aufgebaut sein kann, um das gewünschte Verhalten im Hinblick
auf das optische Verhalten, mechanische Festigkeits- und Maskierungseigenschaften
zu erhalten. Beispielsweise kann die Deckschicht 106 eine
Siliziumdioxidschicht aufweisen, die so agiert, um der Schicht 105 eine
erhöhte
mechanische Festigkeit zu verleihen, wenn diese Schicht als ein
dielektrisches Material mit kleinem ε aufgebaut ist, woran sich eine
Siliziumoxinitridschicht zum Anpassen des optischen Verhaltens der
Schicht 106 anschließen
kann, wobei eine weitere dünne
Siliziumdioxidschicht vorgesehen sein kann, um als eine Stickstoffbarriere
für eine
Lackmaske 107 zu dienen, die auf der Deckschicht 106 gebildet
ist. Es sollte beachtet werden, dass die Konfiguration des Halbleiterbauelements 100,
wie sie zuvor beschrieben ist, lediglich anschaulicher Natur ist
und eine typische Konfiguration repräsentieren soll, die in modernen
Halbleiterbauelementen angetroffen wird, wobei die Schicht 105 so
zu strukturieren ist, dass diese Gräben und/oder Kontaktlöcher erhält, die
nachfolgend mit einem geeigneten Metall, etwa Kupfer oder Kupferlegierungen
zur Herstellung einer Metallisierungsschicht mit Metallleitungen
und Kontaktdurchführungen
gemäß einer
speziellen Gestaltung gefüllt
werden. Beispielsweise kann das Metallgebiet 103 eine entsprechende
Metallleitung einer tieferliegenden Metallisierungsschicht repräsentieren,
für die
im Wesentlichen die gleichen Kriterien gelten, wie sie auf die Herstellung
entsprechender Gräben
in einer dielektrischen Schicht anzuwenden sind, etwa die Schicht 102,
wie dies später
in Bezug auf die Schicht 105 erläutert ist, die auf der Grundlage
der Lackmaske 107 zu strukturieren ist. Folglich sollte
die vorliegende Erfindung nicht auf die spezielle Konfiguration
des Bauelements 100 oder auf einen speziellen Prozessablauf,
der später
zur Strukturierung der Schicht 105 beschrieben wird, eingeschränkt erachtet
werden, sofern derartige Einschränkungen
nicht explizit in der folgenden detaillierten Beschreibung sowie
in den angefügten
Patentansprüchen dargelegt
sind.
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Ein
typischer Prozessablauf zur Herstellung des Halbleiterbauelements 100,
wie es in 1a gezeigt ist, kann die folgenden
Prozesse umfassen. Nach der Fertigstellung von Schaltungselementen
innerhalb des Substrats 101 wird die dielektrische Schicht 102 durch
gut etablierte Abscheideverfahren auf der Grundlage plasmaunterstützter CVD
(chemische Dampfabscheidung) aufgebracht. Beispielsweise ist die
Schicht 102 aus Siliziumdioxid, fluordotiertem Siliziumdioxid,
stickstoffangereichertem Siliziumoxikarbid (SiCOH) aufgebaut, und
somit können
Abscheiderezepte auf der Grundlage geeigneter Vorstufenmaterialien
zur Herstellung der Schicht 102 eingesetzt werden. Danach
wird das Metallgebiet 103 gemäß gut bekannter Prozesse hergestellt. Nach
der Strukturierung der Schicht 102 wird ein geeignetes
Metall abgeschieden, um die Metallleitung 103 zu bilden.
Das Einfüllen
des Metalls kann das Abscheiden von Barrierenschichten und eines
kupferbasierten Metalls mit einem nachfolgenden Abtragen von überschüssigen Material
durch gut etablierte Prozesse, etwa CMP (chemisch-mechanisches Polieren)
und dergleichen beinhalten. Danach kann die Ätzstoppschicht 104 beispielsweise
durch gut etablierte plasmaunterstützte CVD-Verfahren mit einer Dicke abgeschieden
werden, die ausreichend ist, um einen Kontaktlochätzprozess,
der später
auszuführen
ist, zuverlässig
zu stoppen. Als nächstes
wird die Schicht 105 beispielsweise in Form einer dielektrischen
Schicht mit kleinem ε durch
CVD oder Aufschleudern, abhängig
von dem angewendeten Material, gebildet. Anschließend wird
die Deckschicht 106 durch plasmaunterstützte CVD-Verfahren auf der
Grundlage gut etablierter Rezepte gebildet, um damit die gewünschten
Eigenschaften für
die weitere Strukturierung der Schicht 105 zu erhalten.
Schließlich
wird die Lackmaske 107 durch moderne Photolithographie
gebildet, um eine entsprechende Öffnung 107a herzustellen,
die im Wesentlichen den Entwurfsabmessungen eines Kontaktloches
oder eines Grabens entspricht, die in der Schicht 105 herzustellen
sind, da dies abhängig
von der Qualität
des Lithographieprozesses ist. Im Folgenden kann angenommen werden,
dass ein Kontaktloch in der Schicht 105 herzustellen ist,
das sich zu dem Metallgebiet 103 erstreckt und schließlich eine
Verbindung damit herstellt, während
zusätzlich
ein Graben nachfolgend in einen oberen Bereich der Schicht 105 gebildet
werden kann, um damit eine Verbindung zu dem entsprechenden Kontaktloch
herzustellen.
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1b zeigt
das Halbleiterbauelement 100 in einem weiter fortgeschrittenen
Herstellungsstadium. Hier unterliegt das Bauelement 100 einem Ätzprozess 108 zur
Bildung einer Öffnung 105a in
der Schicht 106 und der dielektrischen Schicht 105 und
teilweise in der Ätzstoppschicht 104.
Der anisotrope Ätzprozess 108 weist
eine anfängliche
Phase zum Ätzen
durch die Schicht 106 auf der Grundlage einer geeigneten Ätzchemie zum
Einrichten einer geeigneten Ätzatmosphäre auf der
Basis entsprechender Prozessparameter auf, etwa die Plasmaleistung,
der Druck, die Zusammensetzung der Gasatmosphäre, und dergleichen. Danach
wird eine weitere Phase des Ätzprozesses 108,
die auch als Hauptätzschritt
be zeichnet werden kann, auf der Grundlage einer Ätzatmosphäre ausgeführt, die eine geeignete Mischung
aus Träger-
und reaktiven Gasen aufweist, wobei beispielsweise ein auf Kohlenstoff
und Fluor basierendes Gas eingeführt
wird, um durch die Schicht 105 zu ätzen. Beispielsweise kann C4F8 als ein reaktives
Gas verwendet werden, wobei das Vorhandensein entsprechender Gase
in der Atmosphäre
auf der Grundlage eines Zufuhrparameters gesteuert werden kann,
etwa der Gasdurchflussrate einer oder mehrerer der entsprechenden
gasförmigen
Komponenten. Während
des Ätzens
durch die Schicht 105 auf der Grundlage eines spezifizierten
Prozessrezepts, das die eigentlichen Werte der Zufuhrparameter der
diversen Gaskomponenten bestimmt, kann eine gewisse Verschiebung
eines oder mehrerer Parameter vor dem Bearbeiten des Bauelements 100 aufgetreten
sein, wodurch möglicherweise
ein Prozessausgang hervorgerufen wird, der eine deutliche Abweichung
von einem spezifizierten Sollwert besitzt. Beispielsweise können während des Ätzprozesses
eine Vielzahl von fluorenthaltenden Polymeren auf Grund des Vorhandenseins
von Kohlenstoff und Fluor in der Ätzatmosphäre erzeugt werden, wobei die
entsprechenden Polymermaterialien an Wänden einer Ätzkammer, auf dem Substrat
und dergleichen abgeschieden werden können. Somit kann in Abhängigkeit
der Anzahl der in einer speziellen Ätzanlage ausgeführten Ätzprozesse,
deren Konfiguration unterschiedlich sein und somit kann der Ätzprozess 108 im
zeitlichen Verlauf unterschiedlich laufen und kann sich auch in
den unterschiedlichen Ätzkammern
unterschiedlich verhalten. Obwohl ferner die Prozessparameter des
Prozesses 108 an sich in äußerst zuverlässiger Weise
auf der Grundlage der anlageninternen Steuerungsmechanismen, etwa
PID-(proportional, integral, differential)Steuerungen eingerichtet
werden können,
kann eine allgemeine Verschiebung im zeitlichen Verlauf zwischen
unterschiedlichen Ätzkammern
auf Grund systematischer Abweichungen von Maschinenkonstanten oder
Kammerbedingungen, wie sie zuvor beschrieben sind, oder dergleichen
auftreten.
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Des
weiteren kann eine Änderung
in einer oder mehreren der Gaskomponenten der Ätzumgebung des Prozessors 108 zu
einem anderen Ätzverhalten
führen
und damit zu einer anderen Konfiguration der Öffnung 105a betragen.
Beispielsweise kann das Variieren des Zuführens einer oder mehrerer gasförmiger Komponenten,
etwa dem oben genannten C4F8,
zu einer Änderung
der lateralen Abmessung 105c der Schicht 105 führen, wenn
diese beispielsweise an der Unterseite der Öffnung 105a gemessen
wird. Durch Variieren der Gasdurchflussrate oder eines anderen Parameters,
der das Vorhandensein einer gasförmigen
Komponente in der Atmosphäre
des Prozessors 108 bestimmt, kann eine mehr oder weniger
sich verjüngende
Konfiguration der Öffnung 105 erreicht
werden, wodurch auch das effektive Volumen variiert wird, das für ein nachfolgendes
Einfügen
von Metall verfügbar
ist. Daher kann die Zuführung
einer oder mehrerer gasförmiger
Komponenten des Prozesses 108 einen geeigneten Parameter
repräsentieren,
der geändert
werden kann, um die laterale Abmessung 105c gemäß den Prozesserfordernissen
einzustellen, wodurch eine effiziente Kompensation für ätzspezifische
Schwankungen und/oder Prozessschwankungen von dem Ätzen vorgeschalteter
und/oder nachgeschalteter Prozesse erreicht wird.
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Folglich
kann gemäß anschaulicher
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung der Ätzprozess 108 auf
der Grundlage von Messdaten gesteuert werden, die die Öffnung 105a betreffen,
beispielsweise die laterale Abmessung 105c, die für ein oder
mehrere Bauelemente ermittelt werden kann, etwa das Bauelement 100,
die unter spezifischen Bedingungen des Ätzprozesses 108 bearbeitet
werden, um die Ätzatmosphäre des Prozesses 108 bei
der Bearbeitung eines nachfolgenden Bauelements geeignet einzustellen.
In der in 1b gezeigten Ausführungsform
kann der zuvor beschriebene Steuerungsmechanismus effizient auf
die Herstellung von Kontaktlochöffnungen
angewendet werden, d. h. wenn die Öffnung 105a eine Öffnung für eine Kontaktdurchführung repräsentiert,
die mit dem Metallgebiet 103 eine Verbindung herstellt.
In anderen anschaulichen Ausführungsformen
kann zusätzlich
oder alternativ ein entsprechender Steuerungsmechanismus auf die Herstellung
eines Grabens in der Schicht 105 angewendet werden, wie
dies mit Bezug zu den 1c und 1d beschrieben
ist. Folglich kann eine effiziente Rückkopplungssteuerung eingerichtet
werden, in der die effektive Größe der Öffnung 105a gemäß dem gewünschten
Prozessergebnis angepasst wird. Dazu werden in anschaulichen Ausführungsformen
modellgestützte
Steuerungsstrategien verwendet, wie dies später beschrieben ist.
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1c zeigt
schematisch das Bauelement 100 in einem weiter fortgeschrittenen
Herstellungsstadium, wobei ein Prozessschema angenommen wird, in
welchem ein Graben über
der Öffnung 105a vor
dem Füllen der Öffnung 105a gebildet
wird, ohne dass eine zusätzliche Ätzstoppschicht
in der Schicht 105 verwendet wird, wie dies auch als Vorgehensweise
mit „Kontaktloch
zuerst, Graben zuletzt” bezeichnet
ist. Es sollte jedoch beachtet werden, dass die vorliegende Erfindung
auch auf ein anderes Regime, das als „Graben zuerst, Kontaktloch
zuletzt” bekannt
ist oder auf eine Einzel-Einlege-Technik anwendbar ist, in der die Kontaktdurchführungen und
Gräben
strukturiert und mit Metall in separaten Prozessen gefüllt werden.
Das Bauelement 100 umfasst eine Lackmaske 109 mit
einem darin gebildeten Graben 109a über der Öffnung 105a mit Abmessungen,
die im Wesentlichen den Entwurfsabmessungen des um die Kontaktlochöffnung 105a herum
zu bildenden Grabens entsprechen. Ferner kann ein Füllmaterial 109b unterhalb
der Lackmaske 109 ausgebildet sein, das auch in der Öffnung 105a vorgesehen
ist, wobei das Füllmaterial
aus Photolack einer unterschiedlichen Art im Vergleich zu der Lackmaske 109 aufgebaut
ist, oder dieses kann ein anderes Polymermaterial repräsentieren,
das in einem Zustand mit geringer Viskosität zum Füllen der Öffnung 105a und zum
Bereitstellen einer im Wesentlichen ebenen Oberfläche aufgebracht
werden kann. Das Füllmaterial 109b kann
als eine ARC-Schicht während
des Strukturierens der Lackmaske 109 dienen. Die Lackmaske 109 kann
gebildet werden, indem zunächst
das Füllmaterial 109b durch
beispielsweise Aufschleudern eines Lackes oder eines Polymermaterials und
anschließendes
Aufbringen eines Photolacks durch Aufschleudern und Ausführen einer
gut etablierten Photolithographie und Strukturieren oder Ätzen des
Füllmaterials 109b auf
der Grundlage der Lackmaske 109 gebildet werden. Danach
wird das Bauelement 109 einem weiteren anisotropen Ätzprozess 110 unterzogen, in
welchem in einer anfänglichen
Phase durch die Schicht 106 geätzt wird, und anschließend wird
eine geeignete Ätzumgebung
eingerichtet, beispielsweise auf der Grundlage von Kohlenstoff und
Fluor, um eine Teil der Schicht 105 zu entfernen. Ähnlich wie
dies mit Bezug zu dem Prozess 108 beschrieben ist, kann
auch in dem Prozess 110 die entsprechende Ätzumgebung
des Prozesses 110 auf der Grundlage zuvor erzeugter Messdaten
gesteuert werden, um in geeigneter Weise die Zufuhr eines oder mehrerer
gasförmiger
Komponenten, etwa der kohlenstoff- und fluorenthaltenden gasförmigen Komponenten,
einzustellen, um damit eine laterale Abmessung des Grabens entsprechend
einem spezifizierten Sollwert zu erreichen.
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1d zeigt
schematisch das Bauelement 100 nach dem Ende des gesteuerten Ätzprozesses 110, wobei
ein Graben 111 in der Schicht 106 und der dielektrischen
Schicht 105 um die Kontaktlochöffnung 105a herum
gebildet ist. Der Graben 111 besitzt eine tatsächliche
laterale Abmessung 111c, die durch geeignetes Steuern der Ätzumgebung
auf der Grundlage von Messdaten erreicht wird, wie dies zuvor erläutert ist,
die sich von einer lateralen Abmessung 111r unterscheidet,
die auf der Grundlage der Parameterwerte die in dem entsprechenden
Prozessrezept des Prozesses 110 spezifiziert sind, erhalten
würde.
Somit kann durch geeignetes erneutes Einstellen eines oder mehrerer
Zufuhrparameterwerte während
des Ätzprozesses 110 die
laterale Abmessung 111c näher an dem Sollwert gehalten
werden, wodurch Prozessschwankungen zur Strukturierung von Kontaktdurchführungen deutlich
reduziert werden. Danach kann die weitere Bearbeitung auf der Grundlage
gut etablierter Prozessstrategien fortgesetzt werden, etwa der Herstellung
von Barrieren- und Saatschichten und dem Füllen der Kontaktlochöffnung 105a des
Grabens 111 mit einem geeigneten Material, etwa Kupfer, Kupferlegierungen,
und dergleichen. Auf Grund der verbesserten Steuerungsstrategie
während
der Ätzprozesse 108 und/oder 110 kann
eine geringere Schwankung des elektrischen Verhaltens der resultierenden
Leitungen und Kontaktdurchführungen
erreicht werden.
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Mit
Bezug zu den 2a bis 2d wird
die in den Prozessen 108 und/oder 110 angewandte
Steuerungsstrategie detaillierter beschrieben.
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2a zeigt
schematisch eine Fertigungsumgebung 250 mit einem Ätzsystem 260,
das funktionsmäßig mit
einem Steuerungssystem 270 zum Steuern eines anisotropen Ätzprozesses,
etwa der Prozesse 108, 110, wie sie zuvor beschrieben
sind, auf der Grundlage von Messdaten, die von einem Messsystem 280 erhalten
werden, verbunden ist. Ferner kann in einigen Ausführungsformen
die Umgebung 250 ein Messsystem 290 aufweisen,
das ausgebildet ist, elektrische Messdaten bereitzustellen, die
eine oder mehrere elektrische Eigenschaften von Metallleitungen
und Kontaktdurchführungen
kennzeichnen, die auf der Grundlage der entsprechenden durch das Ätzsystem 260 erzeugten Öffnungen
gebildet sind. Somit ist in einer anschaulichen Ausführungsform
das Steuerungssystem 270 ausgebildet, auch Messdaten von
dem System 290 empfangen, die zum Steuern des Ätzsystems 260 zusätzlich auf
der Grundlage elektrischer Messdaten verwendet werden. Das Steuerungssystem 270 ist
in einer anschaulichen Ausführungsform
als eine modellgestützte
Steuerung ausgebildet, in der aktualisierte Werte für ein oder
mehrere manipulierte Variablen, d. h. die einzustellenden Parameter,
um die Umgebung in dem Ätzsystem 270 zum
Erzeugen eines gewünschten
Ausgangs festzulegen, auf der Grundlage einer gewissen Menge an
Rückkopplungsmessdaten
bestimmt werden, die von dem Messsystem 280 und auf der
Grundlage eines geeignet ausgewählten
Modells bereitgestellt werden. Wie zuvor erläutert ist, kann das Vorhandensein
einer oder mehrerer gasförmiger
Komponenten in der Ätzumgebung deutlich
die schließlich
erreichte laterale Abmessung der entsprechenden Öffnung, die in einem dielektrischen Material
zu bilden ist, beeinflussen. Somit wird in einer anschaulichen Ausführungsform
die Gaszufuhr mindestens einer gasförmigen Komponente als ein geeigneter
Parameter ausgewählt,
der als manipulierte Variable verwendet wird, da die Zufuhr von
gasförmigen
Komponenten zumindest über
einen Prozessdurchlauf hinweg in zuverlässiger und präziser Weise
durch interne Steuerungsmechanismen auf der Grundlage geeigneter Steuerungssignale
gesteuert werden kann, die von dem Steuerungssystem 270 bereitgestellt
werden.
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Während des
Betriebs der Fertigungsumgebung 250 werden strukturierte
Substrate 200 dem Ätzsystem 260 von
vorhergehenden Prozessen zugeführt,
etwa einem Lithographieprozess, in einem Zustand, wie dies beispielsweise
in den 1a oder 1c gezeigt
ist. Während
des Einrichtens einer entsprechenden Ätzumgebung in dem System 260 berechnet
das Steuerungssystem 270 einen speziellen Wert für die manipulierte
Variable oder die Variablen, etwa entsprechende Werte für die internen
Steuerungseinrichtungen, die in anschaulichen Ausführungsformen
die Gasdurchflussrate bzw. Raten auf einen Wert halten, wie dies
durch das Steuerungssystem 270 vorgegeben ist. In einer
anschaulichen Ausführungsform
umfasst das Steuerungssystem 270 ein Modell für den Ätzprozess
in dem System 260, das die Durchflussrate mindestens einer
gasförmigen
Komponente mit dem Prozessausgang verknüpft, d. h. eine Messung, die
die laterale Abmessung eines geätzten
Strukturelements, etwa eines Grabens, einer Kontaktdurchführung, und
dergleichen, angibt, wie dies durch ein Substrat 200a gekennzeichnet
ist, das in dem System 280 einer Messung unterzogen wird. Folglich
kann das entsprechende Modell die Änderung in der entsprechenden
lateralen Abmessung vorhersagen, wenn die entsprechende manipulierte
Variable erneut eingestellt wird, wodurch das System 270 in
die Lage versetzt wird, auf eine Abweichung der entsprechenden Abmessung
von einem speziellen Sollwert zu reagieren. Beispielsweise können Messdaten
von dem System 280 einen gewissen Betrag an Abweichung von
dem Sollwert für
zuvor bearbeitete Substrate 200a angeben. Diese Messdaten
können
dann von der Steuerung 270 verwendet werden, um eine aktualisierten
Wert für
die Gasdurchflussrate auf der Grundlage des Modells und des Betrags
der Abweichung zu berechnen. Abhängig
von den Gegebenheiten des eingerichteten Modells kann die Steuerung 270 die
aktualisierte manipulierte Variable in einer mehr oder weniger vorhersagenden
Weise bereitstellen, indem zusätzliche
Prozessinformationen, etwa der Anlagenstatus des Systems 260,
eine Verzögerung
von dem System 280 erhaltenen Messdaten, und dergleichen
mit eingeschlossen werden. Wie beispielsweise zuvor erläutert ist,
kann sich der Hardwarezustand der Ätzkammer 260 im Lauf
der Zeit in Abhängigkeit
der Anzahl der bearbeiteten Substrate auf Grund von beispielsweise
einer zunehmenden Polymerabscheidung auf Kammerwänden, und dergleichen ändern. Folglich
kann das Steuerungssystem 270 einen geeigneten Wert für die manipulierte
Variable, etwa der Gasdurchflussrate, auf der Grundlage der tatsächlich bestimmten
Abweichung von dem Sollwert vorhersagen, der durch die Messdaten
von dem System 280 angegeben wird, und kann auch die Verzögerung der
Messdaten berücksichtigen,
indem Information über den
aktuellen Anlagenzustand verwendet wird, d. h. die Anzahl der Substrate,
die in mehreren speziellen Substraten bearbeitet wurden, von denen
die Messdaten erhalten werden.
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In
einer anschaulichen Ausführungsform
besitzt das Steuerungssystem 270 darin eingerichtet ein
Modell, das eine laterale Abmessung, die auch als CD bezeichnet
ist, einer entsprechenden Öffnung,
etwa eine Grabenbreite, einen Kontaktlochdurchmesser, und dergleichen,
mittels der Gasdurchflussrate und einem Sensitivitätsfaktor
vorhersagt, wobei der Sensitivitätsfaktor
prozessspezifische, anlagenspezifische und substratspezifische Einflüsse enthalten
kann. Somit kann die kritische Abmessung CD proportional zum Sensitivitätsfaktor
und der Gasdurchflussrate gesetzt werden, wobei in einigen Ausführungsformen
der Sensitivitätsfaktor
als konstant angenommen werden kann, zumindest über eine gewisse Zeitdauer
hinweg. CD ∝ S*·F ⇒ CD = S·F (1)
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Wie
in Gleichung 1 gezeigt ist, kann die kritische Abmessung CD proportional
zum Produkt aus dem Sensitivitätsfaktor
und der Durchflussrate sein, und mit einer geeignet gewählten Normierung
ist die kritische Abmessung CD gleich dem Sensitivitätsfaktor
S mal der Gasdurchflussrate F, wobei beachtet werden sollte, dass
eine entsprechende Gleichung für
jede Gaskomponente erstellt werden kann, wenn mehrerer Gaskomponenten
gleichzeitig in der Ätzumgebung
zu steuern sind. Des weiteren sollte beachtet werden, dass der Sensitivitätsfaktor
eine Normierungskonstante enthalten kann, wie sie gemäß den anwendungsspezifischen
Randbedingungen erforderlich ist. Somit kann der Sensitivitätsfaktor
die Änderung
der kritischen Abmessung in geeigneten Einheiten, etwa Nanometern,
mit einer entsprechenden Änderung
der Durchflussraten in entsprechenden Einheiten, etwa sccm (Standardkubikzentimenter
pro Minute) angeben. Auf der Grundlage dieses Sensitivitätsfaktors
bestimmt das Steuerungssystem 270 eine aktualisierte Durchflussrate
F, um eine erfasste Abweichung der tatsächlich gemessenen kritischen
Abmessung CD im Hinblick auf einen spezifizierten Sollwert für die kritische
Abmessung zu kompensieren. Der Sensitivitätsfaktor S, wie er zuvor erläutert ist,
kann von diversen Faktoren abhängen,
die als zeitlich konstant betrachtet werden können, zumindest für eine gewisse
Zeitdauer, so dass eine effiziente Steuerungsaktivität für eine gewisse
Zeitdauer erreicht werden kann, sobald der Sensitivitätsfaktor
bestimmt ist. Es sollte beachtet werden, dass die Sensitivität von der
speziellen Ätzanlage,
die in dem System 260 verwendet ist, dem allgemeinen Prozessrezept,
das auszuführen
ist, und dergleichen abhängen
kann. Somit wird in einigen anschaulichen Ausführungsformen der Sensitivitätsfaktor auf
der Grundlage von Messdaten bestimmt, die aus Produkten und/oder
Testsubstraten gewonnen werden, in denen kritische Abmessungen für variierende
Durchflussraten für
ansonsten konstante Prozessbedingungen bestimmt werden.
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Beispielsweise
können
in der Fertigungsumgebung 250 mehrere Testsubstrate gemäß einem
spezifizierten Prozessablauf bearbeitet werden, wobei eine oder
mehrere Gasdurchflussraten in dem System 260 variiert werden,
um ein Verhältnis
der kritischen Abmessungen und der zugeordneten Durchflussraten
gemäß der Gleichung
2 zu bestimmen, S = CD/F (2)wobei abhängig von
den Ergebnissen ein im Wesentlichen konstanter Wert für den Sensitivitätsfaktor
S abgeleitet werden kann oder in anderen anschaulichen Ausführungsformen
eine entsprechend ausgewählte
Funktion für
den Sensitivitätsfaktor
S bestimmt werden kann. Sobald ein geeigneter Sensitivitätsfaktor
oder eine Funktion bestimmt ist, kann der Steuerungsvorgang auf
der Grundlage eines Modells der Gleichung 1 oder eines anderen geeigneten
Modells stattfinden, um einen aktualisierten Wert für die Durchflussrate
auf der Grundlage einer Abweichung vorherzusagen, die von den entsprechenden
Messdaten angegeben wird. In einer anschaulichen Ausführungsform
wird die aktualisierte manipulierte Variable, etwa die Durchflussrate
F für ein
Substrat oder eine Gruppe aus Substraten, die in dem System 260 zu
bearbeiten sind, etwa das Substrat 200 auf der Grundlage
der manipulierten Variable bestimmt, die in dem vorhergehenden Prozessablauf,
beispielsweise in dem Substrat 200a verwendet wird, plus
einem entsprechenden Korrekturfaktor, der durch das Modell gemäß der Gleichung
1 erhalten wird, verwendet. Gleichung 3 beschreibt anschaulich die
neue Durchflussrate F (n + 1) in Abhängigkeit der vorhergehenden
Durchflussrate F (n) und der entsprechenden Abweichung der Messdaten
CD (n) von dem Sollwert CDtarget.
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Gemäß Gleichung
3 wird ein geeigneter Betrag an „Durchflussrate” zu der
zuvor angewendeten Durchflussrate addiert oder von dieser subtrahiert,
um die aktuell verwendete Durchflussrate auf einem Niveau zu halten,
das zu einer besseren Übereinstimmung
mit dem gewünschten
Sollwert für
die kritische Abmessung führt.
Um die Steuerungsfunktion zu stabilisieren, kann die aktualisierte
manipulierte Variable, d. h. F(n + 1), auf der Grundlage eines geeigneten
Durchschnitts bestimmt werden, um damit die „historische” Entwicklung der
manipulierte Variablen zu berücksichtigen,
wobei in einer anschaulichen Ausführungsform ein exponentiell gewichteter
gleitender Durchschnitt (EWMA) gemäß Gleichung 4 verwendet wird. F*(n + 1) = λF(n
+ 1) + (λ – 1)F*(n) (4)
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Somit
ist die manipulierte Variable, die nunmehr als F*(n + 1) bezeichnet
ist, die Überlagerung
der jüngst
verwendeten manipulierten Variablen und des Durchschnitts der vorhergehenden
manipulierten Variablen, wobei der Faktor λ aus dem Intervall (0,1) ausgewählt wird.
D. h., ein Wert nahe an 1 führt
zu einer im Wesentlichen unmittelbaren Reaktion auf eine Abweichung,
wie dies für
den Fall der Gleichung 3 gültig
ist, während
ein Wert nahe an 0 zu einer stark gedämpften Steuerungsaktivität in Reaktion
auf eine deutliche Abweichung von dem Sollwert führt. Ein geeigneter Wert für λ kann zwischen
ungefähr
0,3 und 0,7 gewählt
werden.
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Auf
der Grundlage des obigen Modells und der Steuerungsstrategie kann
eine deutliche Reduzierung von Prozessschwankungen in der Fertigungsumgebung 250 erreicht
werden, selbst wenn eine Vielzahl an Ätzkammern und Ätzanlagen
in dem System 260 vorhanden sind.
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2b zeigt
schematisch die Umgebung 250, wobei das System 260 nunmehr
mehrere äquivalente Ätzanlagen
oder Prozesskammern 260a, ..., 260n aufweist.
In diesem Falle ist das Steuerungssystem 270 mit jeder
der einzelnen Anlagen 260a, ..., 260n verbunden,
um damit individuell einen oder mehrere Zufuhrparameterwerte einzustellen,
um damit eine Prozessausgabe für
jede der Einheiten 260a, ..., 260n mit geringerer Abweichung
von einem spezifizierten Sollwert zu erhalten. Folglich weist die
Steuerung 270 gemäß 2b darin
eingerichtet mehrere Prozessmodelle auf, die auf der gleichen Abhängigkeit
basieren können,
wie dies beispielsweise in Gleichung 1 dargestellt ist, wobei jedoch
unterschiedli che Sensitivitätsfaktoren
bestimmt sein können,
um damit die Unterschiede in der Hardware der diversen Einheiten 260a,
..., 260n zu berücksichtigen. D.
h., es können
entsprechende Sensitivitätsfaktoren
oder Funktionen ermittelt werden, wie dies zuvor erläutert ist,
wobei entsprechende Testmessungen für jede der Anlagen 260a,
..., 260n durchgeführt
werden. Ferner kann, wie zuvor erläutert ist, die Umgebung 250 zum
Bearbeiten mehrerer unterschiedlicher Produktarten verwendet werden,
wodurch unterschiedliche Prozessrezepte erforderlich sein können, wobei
beispielsweise unterschiedliche Produktarten und Prozessrezepte
unterschiedliche Sensitivitäten
aufweisen können,
d. h., abhängig
von der Produktart, dem Prozessrezept, und dergleichen kann der
Betrag der Änderung
der kritischen Abmessung für
eine gegebene Änderung
in der Durchflussrate unterschiedlich sein. Somit wird in einigen
anschaulichen Ausführungsformen
der Sensitivitätsfaktor
oder die Funktion auf der Grundlage entsprechender Messdaten bestimmt,
die eine spezielle Kategorie repräsentieren. D. h., das Steuerungssystem 270 kann
auf der Grundlage kategorisierter Daten arbeiten, wobei eine geeignete
Kategorisierung auf der Grundlage von Parametern erstellt werden
kann, etwa der Produktart, dem Prozessrezept, der Anlagenkennzeichnung,
und dergleichen. Somit können
Messdaten, die von dem Bauteil erhalten werden, das zu einer spezifischen
Produktart gehört,
die beispielsweise die Herstellung von Gräben mit ungefähr 200 nm
an kritischer Abmessung erfordern, die in einer speziellen Anlage,
etwa der Anlage 260a, bearbeitet wurden, somit ein Element
einer spezifischen Datenkategorie repräsentieren. Ein anderes Bauteil,
das eine andere Produktart repräsentiert,
in der beispielsweise eine andere kritische Abmessung erforderlich
ist, da eine unterschiedliche Metallisierungsschicht betrachtet
wird, die aber in der gleichen Prozessanlage 260a bearbeitet
wird, kann daher zu einer anderen Datenkategorie gehören. Somit
wird in einigen anschaulichen Ausführungsformen ein spezieller
Sensitivitätsfaktor
oder eine Funktion für
jede Kategorie bestimmt, wodurch die Steuerungseffizienz des Systems 270 verbessert
wird. In anderen anschaulichen Ausführungsformen werden die entsprechenden
Messdaten kategorisiert, wobei jedoch zumindest in einigen Kategorien
ein gemeinsamer Sensitivitätsfaktor
definiert wird, zumindest für
ein gewisses Prozessintervall, etwa eine Initialisierungsphase,
in der Messdaten für
jede Kategorie noch nicht in geeigneter Menge verfügbar sind.
Folglich kann die Steuerung des Ätzsystems 260 effizient in
Gang gesetzt werden, selbst wenn in einigen Kategorien Messdaten
nicht verfügbar
oder noch nicht ausreichend sind, indem zumindest vorläufig eine
gemeinsam definierte Sensitivität
verwendet wird. In noch anderen Ausführungsformen wird die Sensitivität individuell
in jeder Kategorie definiert, während
die Messdaten für
zumindest einige Kategorien gemeinsam für unterschiedliche Steuerungser eignisse
unterschiedlicher Kategorien zumindest in einer Anfangsphase verwendet
werden, wenn für
gewisse Kategorien Messdaten noch nicht verfügbar sind. Auch in diesem Falle
wird eine hohe Steuerungseffizienz erreicht, während später, wenn eine ausreichende
Anzahl an Messdatensätzen
für jede
Kategorie verfügbar
ist, die Prozesssteuerung auf der Grundlage der kategorisierten
Daten stattfinden kann.
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Es
sei wieder auf 2a verwiesen; in einigen anschaulichen
Ausführungsformen
kann die Steuerungsfunktion des Systems 270 auch auf Vorwärtskopplungsdaten
beruhen, die beispielsweise durch Inspizieren des Substrats 200 nach
einem Lithographieprozess gewonnen werden. Folglich kann dann auf
der Grundlage der entsprechenden Messdaten, die beispielsweise eine
Abweichung von einem Sollwert für
entsprechend ausgebildete Lackstrukturelemente angeben können, das
Steuerungssystem 270 dann auf der Grundlage der Rückkopplungsdaten
aus dem Messsystem 280 in Verbindung mit den Vorwärtskopplungsdaten
arbeiten, um das Substrat 200a nahe an dem gewünschten
Sollwert zu halten. Beispielsweise können in diesem Falle die Vorwärtskopplungsdaten
verwendet werden, um den Sollwert CDtarget in
Gleichung 3 geeignet neu einzustellen, um Schwankungen, die vor
dem Ätzen
hervorgerufen werden, zu kompensieren. In anderen anschaulichen
Ausführungsformen
können
elektrische Messdaten, die von dem System 290 erhalten
werden, ebenso zum Steuern des Systems 260 verwendet werden,
beispielsweise durch Bereitstellen eines Korrekturterms in Gleichung
3, um eine Korrelation zwischen der kritischen Abmessung und deren
tatsächlichen
Einfluss auf die elektrischen Eigenschaften des Bauelements zu berücksichtigen.
Beispielsweise kann der Schichtwiderstand entsprechender Metallleitungen
bestimmt angewendet werden, um das Antwortverhalten des Steuerungssystems 270 „bereitzustellen”, d. h.
einen Korrekturterm einzustellen, der eine Korrelation zwischen
den eigentlich verwendeten Rückkopplungsdaten
und den elektrischen Daten wiedergibt, die tatsächlich das Bauteilverhalten
repräsentieren.
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2c zeigt
schematisch einen Graphen, der Messwerte für Substrate repräsentiert,
die gemäß einer konventionellen Ätzstrategie
gebildet wurden, d. h. ohne das Steuerungssystem 270 im
Vergleich mit einer APC-Steuerung, etwa dem System 270,
das auf der Grundlage von Messdaten aus dem System 280 zum Steuern
der Gasdurchflussrate von C4F8 während eines Ätzprozesses
zur Herstellung von Gräben
mit einer kritischen Sollabmessung am Grabenboden von 195 nm betrieben
wird. Die Kurve A in 2c repräsentiert eine angepasste Kurve,
die die Verteilung der entsprechenden konventionell erhaltenen Mess daten
darstellt, wobei ein Ort des Maximus der Kurve A, d. h. der Anzahl
der Beobachtungen für
einen speziellen Messwert bei ungefähr 191 nm liegt. Im Gegensatz
dazu repräsentiert
die Kurve B die entsprechenden Messergebnisse gemäß der vorliegenden
Erfindung. Wie ersichtlich ist, ist das Maximum der Kurve B nahe
an dem Sollwert angeordnet und die Verteilung um den Sollwert ist
deutlich kleiner im Vergleich zur Breite der Kurve A, wodurch eine
deutlich verbesserte Prozessstabilität angedeutet wird.
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2d zeigt
schematisch einen entsprechenden Vergleich von Messdaten, die mit
einem System entsprechend dem System 260 erhalten wurden,
wie es in 2b gezeigt ist, wobei mehrere
unterschiedliche Ätzanlagen,
etwa die Anlagen 260a, ..., 260n für einen
Prozessablauf gemäß einer
spezifizierten Kategorie verwendet wurden, d. h. zum Bearbeiten
von Substraten, die der gleichen Technologie angehören, entsprechend
dem gleichen Prozessrezept, wobei die kritische Sollabmessung ebenso
195 nm beträgt.
Wie ersichtlich ist, bleiben die Messergebnisse, die von Substraten
erhalten wurden, die in der Umgebung 250 gemäß 2b bearbeitet
wurden, nahe an dem Sollwert, selbst für Prozessanlagen, wie dies
durch den Kreis C angedeutet ist, in denen bei Betrieb in konventioneller
Weise eine deutliche Abweichung von dem Sollwert in Verbindung mit
einer deutlichen Varianz beobachtet werden kann.
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Es
gilt also: die vorliegende Erfindung stellt eine neue Steuerungsstrategie
zum Bilden von Öffnungen in
einer dielektrischen Schicht, beispielsweise in einer dielektrischen
Schicht mit kleinem ε bereit,
die nachfolgend mit einem äußerst leitenden
Metall gefüllt
wird, indem die Zufuhr einer oder mehrerer gasförmiger Komponenten der Ätzumgebung
auf der Grundlage von Rückkopplungsmessdaten
gesteuert wird, die die kritische Abmessung der Öffnungen kennzeichnen. Zu diesem
Zweck wird eine modellgestützte
Steuerung eingerichtet, wobei ein geeigneter Sensitivitätsfaktor
definiert werden kann, der die Prozessempfindlichkeit, d. h. das
Maß der Änderung
der kritischen Abmessung bei einer Änderung der entsprechenden
einen oder mehreren Durchflussraten, wiedergibt. Die Steuerungsstrategie
gemäß der vorliegenden
Erfindung kann erfolgreich auf Systeme angewendet werden, die mehrere
unterschiedliche Ätzanlagen
oder Prozesskammer enthalten, indem kategorisierte Messdaten verwendet
werden, wobei eine deutlich erhöhte
Gleichförmigkeit
selbst für
eine Vielzahl unterschiedlicher Ätzanlagen
erreicht werden kann. Folglich können
Schwankungen im elektrischen Verhalten von Metallisierungsschichten
deutlich reduziert werden, wodurch e benso zu einer verbesserten
Zuverlässigkeit
im Hinblick auf die Elektromigration und der gleichen beigetragen
wird.
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Weitere
Modifizierungen und Variationen der vorliegenden Erfindung werden
für den
Fachmann angesichts dieser Beschreibung offenkundig. Daher ist diese
Beschreibung als lediglich für
die Zwecke gedacht, dem Fachmann die allgemeine Art und Weise des
Ausführens
der vorliegenden Erfindung zu vermitteln. Selbstverständlich sind
die hierin gezeigten und beschriebenen Formen der Erfindung als
die gegenwärtig
bevorzugten Ausführungsformen
zu betrachten.
