DE4136089C2

DE4136089C2 -

Info

Publication number: DE4136089C2
Application number: DE19914136089
Authority: DE
Inventors: Arno Dr.Rer.Nat. 1000 Berlin De Steckenborn; Thoralf 8000 Muenchen De Winkler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1991-10-30
Filing date: 1991-10-30
Publication date: 1993-09-23
Also published as: DE4136089A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bestimmen der Kristallorientierung in einem Wafer aus einem Kristall mit einer Zinkblende-Kristallstruktur. Eine derartige Struktur weist bei spielsweise Silizium oder Germanium oder Gallium-Arsenid auf.

Bei einem bekannten Verfahren dieser Art (Buch von H. Beneking "Halbleiter-Technologie", 1991, Seiten 69 und 70) wird die räum liche Kristallorientierung mit Hilfe von Röntgenuntersuchungen festgestellt, beispielsweise an Hand von Laue-Aufnahmen. Die Durchführung dieses Verfahrens bedingt jedoch einen großen Auf wand hinsichtlich der zu seiner Durchführung erforderlichen An ordnung; außerdem sind aufwendige Arbeitsschutzeinrichtungen erforderlich.

Ferner ist in der in der DE 40 22 904 A1 veröffentlichten älte ren Anmeldung ein Verfahren beschrieben, bei dem zur Ermitt lung des Winkels zwischen einem Wafer-Flat und der (110)-Ebene der Wafer in senkrechter Einfallrichtung mit Röntgenstrahlung oder an einer aufgerauhten, kleinen Stelle in senkrechter Ein fallrichtung mit Strahlung eines Orientierungslasers beauf schlagt wird. Die vom Wafer reflektierte Strahlung wird von einer Video-Kamera erfaßt, deren Ausgangssignale in einem Rech ner in entsprechende elektrische Betätigungssignale umgesetzt werden. Entsprechend den Betätigungssignalen wird eine Markierungseinrichtung in bezug auf den Wafer in ihrer Ausrich tung derart verändert, daß die Markierungseinrichtung ent sprechend der festgestellten Orientierung des Kristallgitters ausgerichtet ist; in der ausgerichteten Lage wird eine Mar kierung auf der Kristallscheibe angebracht. Die räumliche Kristallorientierung ist mit diesem Verfahren nicht feststellbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Bestimmen der Kristallorientierung in einem Wafer vorzuschlagen, mit dem sich nicht nur die Kristallorientierung in bezug auf eine vorgegebene Markierung (Flat) auf der Wafer-Oberfläche ermitteln, sondern auch die räumliche Kristallorientierung feststellen läßt, wobei das Verfahren mit vergleichsweise geringem Aufwand durchführbar sein soll.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäß auf den Wafer eine Ätzmaske mit einer streifenförmigen Maskenöffnung mit jeweils einem spitzen Ansatz an den Längsseiten in einer Ausrichtung entlang einer vorgegebenen Markierung des Wafers aufgebracht und der Wafer anisotrop unter Gewinnung einer ausgeätzten Rinne geätzt; die Winkel zwischen den Rändern der ausgeätzten Rinne und den Längsseiten der Maskenöffnung werden unter Vermessen der unterätzten Ätzmaskenbereiche ermittelt, und es wird an hand der ermittelten Winkel die Kristallorientierung rechne risch bestimmt.

Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens be steht darin, daß es mit vergleichsweise einfachen Mitteln und damit kostengünstig durchgeführt werden kann. Dies ist zu nächst darauf zurückzuführen, daß das Aufbringen einer Ätz maske mit einer streifenförmigen Maskenöffnung auf den zu untersuchenden Wafer sowie das anisotrope Ätzen gängige Ver fahrensschritte sind. Auch die Ermittlung der Winkel zwischen den Rändern der ausgeätzten Rinne und den Längsseiten der Maskenöffnung ist beispielsweise mittels gängiger mikrosko pischer Untersuchungen mit wenig Aufwand durchführbar; Entsprechendes gilt für die rechnerische Bestimmung der Kristallorientierung anhand der ermittelten Winkel, wozu es wegen der Einfachheit der Rechnung im Prinzip einer Datenver arbeitungsanlage nicht bedarf.

Das Ermitteln der Winkel zwischen den Rändern der ausgeätzten Rinne und den Längsseiten der Maskenöffnung unter Vermessen der unterätzten Ätzmaskenbereiche kann in unterschiedlicher Weise vorgenommen werden. Als besonders vorteilhaft wird es jedoch im Hinblick auf die vergleichsweise einfache Durch führbarkeit und die erzielbare Genauigkeit angesehen, wenn zum Ermitteln der Winkel mehrfach entlang der ausgeätzten Rinne die Intensitätsverteilung reflektierten Lichts quer zur Rinne erfaßt wird und aus den Verläufen der Intensitätsver teilung an verschiedenen Erfassungsstellen und aus den je weiligen Abständen der Erfassungsstellen voneinander die Winkel rechnerisch bestimmt werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können im Hinblick auf die Lage der spitzen Ansätze unterschiedlich gestaltete Maskenöffnungen verwendet werden. So wird es als vorteilhaft ange sehen, eine Ätzmaske mit einer streifenförmigen Maskenöffnung zu verwenden, die jeweils etwa in der Mitte ihrer Längsseiten den spitzen Ansatz aufweist. Bei einer derartigen Maskenöff nung werden jeweils beiderseits der spitzen Ansätze zwei Winkel zwischen den Rändern der ausgeätzten Rinne und den Längsseiten der streifenförmigen Maskenöffnung ermittelt, also insgesamt vier Winkel bestimmt, und daraus die Fehlorientierung F der streifenförmigen Maskenöffnung im Hinblick auf den Kristall, die Neigung N der Oberfläche des Wafers in Richtung der streifenförmigen Maskenöffnung in bezug auf die Kristall orientierung und die sogenannte Selektivität S ermittelt, die den Umstand berücksichtigt, daß beim anisotropen Ätzen zum Freilegen der (111)-Ebenen auch ein Abtragen quer dazu erfolgt.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann auch eine Ätzmaske mit einer streifenförmigen Maskenöffnung verwendet werden, die an einem Ende einer Längsseite und am anderen Ende der gegen überliegenden Längsseite der Maskenöffnung jeweils den spitzen Ansatz aufweist. Bei Verwendung einer derartigen Ätzmaske läßt sich die Neigung N durch Bestimmen von nur zwei Winkeln errechnen, die sich jeweils zwischen den Rändern der ausgeätzten Rinne und den Längsseiten der streifenförmigen Maskenöffnung ergeben. Eine Selektivität sowie eine Fehl orientierung sind hier nicht zu berücksichtigen.

Zur Erläuterung der Erfindung ist in

Fig. 1 in verschiedenen Darstellungen jeweils eine Draufsicht auf einen Ausschnitt aus einem zu untersuchenden Wafer in unterschiedlichen Stadien des Ätzvorganges, in

Fig. 2 der Verlauf der ausgeätzten Rinne in bezug auf die Maskenöffnung bei vorliegender Fehlorientierung, in

Fig. 3 der Verlauf der ausgeätzten Rinne bei einer Neigung der Oberfläche des Wafers in Richtung der streifen förmigen Maskenöffnung zur Kristallorientierung, in

Fig. 4 ein Schnitt durch den Wafer gemäß Fig. 2 entlang der Linie IV-IV, in

Fig. 5 die Lichtintensitätsverteilung an der Schnittstelle IV-IV der Fig. 2 und in

Fig. 6 in zwei Darstellungen der Verlauf der ausgeätzten Rinne bei einer weiteren Ausführungsform der Maskenöffnung wiedergegeben.

Die Darstellung A der Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf einen Ausschnitt 1 eines zu untersuchenden Wafers, auf den eine Ätz maske 2 (Schraffur mit durchgehenden Linien) aufgebracht ist. Diese Ätzmaske, die aus Siliziumnitrid bestehen kann, weist eine streifenförmige Maskenöffnung 3 (Schraffur mit strich lierten Linien) auf, die etwa in der Mitte ihrer Längsseiten 4 und 5 mit spitzen Ansätzen 6 und 7 versehen ist. Der Ätz vorgang hat noch nicht begonnen.

Wird der mit einer Ätzmaske 2 gemäß Darstellung A der Fig. 1 versehene Wafer anisotrop geätzt, dann wird dabei eine Rinne 8 ausgeätzt, deren Flanken 9 und 10 jeweils in der (111)-Ebene liegen, also in der Darstellung B keilförmig von außen nach innen verlaufen. Die Bildung der Rinne 8 erfolgt von beiden Seiten der spitzen Ansätze 6 bzw. 7 fortschreitend entlang der streifenförmigen Maskenöffnung 3, wobei unterätzte Bereiche 11 und 12 sowie 13 und 14 der Ätzmaske 2 gebildet werden, die in der Darstellung B weiß belassen sind. Die Ausrichtung der ausgeätzten Rinne 8 verläuft streng entsprechend der Kristall orientierung im Wafer; entsprechend verlaufen die Ränder 15 und 16 der Rinne 8. In der Darstellung B der Fig. 1 ist angenommen, daß die Maskenöffnung 3 genau parallel zur Kristall orientierung des Wafers ausgerichtet ist, die Fehlorientierung F also Null ist, so daß die Ränder 15 und 16 der ausgeätzten Rinne 8 genau parallel zu den Längsseiten 4 und 5 der Maskenöffnung 3 verlaufen müßten. Dies ist tatsächlich aber nicht der Fall, weil beim anisotropen Ätzen auch ein Materialabtrag in Richtung der Pfeile 17 und 18 erfolgt; dieser Vorgang wird als Selektivität S bezeichnet.

Die Darstellung C der Fig. 1 zeigt den zu untersuchenden Wafer 1 im Bereich der streifenförmigen Maskenöffnung 3 un mittelbar vor Abschluß des anisotropen Ätzvorganges. Die unterätzten Bereiche 11 und 12 bzw. 13 und 14 verlaufen nun von den spitzen Ansätzen 6 bzw. 7 bis zu den Enden der streifenförmigen Maskenöffnung 3. Die Ränder 15 und 16 der ausgeätzten Rinne 8 verlaufen im wesentlichen parallel zu den Längsseiten 4 und 5 der streifenförmigen Maskenöffnung 3, wenn man von der Selektivität S absieht. Ein derartiger Verlauf der Rinne 8 bzw. eine derartige Ausgestaltung der Bereiche 11 bis 14 gibt an, daß die streifenförmige Ätzmaske 3 in ihrer Lage genau zur Kristallorientierung des Wafers (F = 0 und N = 0). ausgerichtet ist.

In Fig. 2 ist eine Draufsicht auf einen Ausschnitt aus einem zu untersuchenden Wafer 20 dargestellt, bei dem der anisotrope Ätzvorgang bereits abgeschlossen ist. Die Figur zeigt, daß bei einer streifenförmigen Maskenöffnung 3 in der angegebenen Lage in den Wafer 20 eine Rinne 21 geätzt worden ist, deren Ränder 22 und 23 stark geneigt zu den Längsseiten 24 und 25 der Maskenöffnung 3 verlaufen. Die Ätzmaske 26 ist außerhalb der Maskenöffnung 3 voll erhalten und ist in Fig. 2 schraffiert mit durchgehenden Linien dargestellt, um die weiß gelassenen unterätzten Bereiche 27 bis 30 der Ätzmaske 26 von den nicht unterätzten Bereichen unterscheiden zu können. Ein derartiger Verlauf der ausgeätzten Rinne 21 in bezug auf die Lage der Maskenöffnung 3 ergibt sich dann, wenn nur eine Fehlorientierung F des Wafers 20 vorliegt. Der einfachen Darstellung halber ist in der Fig. 2 übrigens die Selektivität S vernachlässigt.

In Fig. 3 ist mit denselben Darstellungsmitteln wie in den vorangehenden Figuren der Verlauf einer ausgeätzten Rinne 31 in einem zu untersuchenden Wafer 32 für den Fall dargestellt, daß die Oberfläche des Wafers 32 eine Neigung N zur Kristall orientierung aufweist. In diesem Falle ergibt sich aufgrund des anisotropen Ätzvorganges bei einer Maske mit einer Maskenöffnung 3 eine ausgeätzte Rinne 31, deren Ränder 33 und 34 gleiche Winkel mit den Längsseiten 35 und 36 der Maskenöffnung 3 einschließen. Der Einfluß der Selektivität S ist hier ebenfalls nicht dargestellt.

Um eine mögliche Neigung der Oberfläche des zu untersuchenden Wafers 32 auch in einer zu untersuchten Richtung gemäß Fig. 3 senkrechten Richtung erfassen zu können, kann in nicht darge stellter Weise auf dem Wafer 32 eine weitere streifenförmige Maskenöffnung in einem rechten Winkel zu der Maskenöffnung 3 nach Fig. 3 aufgebracht und auch hier eine Winkelbestimmung vorgenommen werden.

In Fig. 4 ist zur weiteren Veranschaulichung des erfindungs gemäßen Verfahrens ein Schnitt durch den Wafer 20 entlang der Schnittlinie IV-IV der Fig. 2 dargestellt; es ist zu erkennen, daß die ausgeätzte Rinne 21 im Winkel zur Maskenöffnung 3 aus gerichtet ist.

Der den Fig. 1 bis 3 entnehmbare optische Eindruck von dem jeweils zu untersuchenden Wafer ergibt sich, wenn der jeweilige Wafer unter einem Mikroskop betrachtet wird. Das von dem Wafer reflektierte Licht markiert dann die unterätzten Bereiche der Ätzmaske als besonders helle Stellen, während die Bereiche der streifenförmigen Maskenöffnung mit ihren spitzen Ansätzen dunkel erscheinen, weil in diesen Bereichen wenig Licht reflektiert wird. Dunkel bleiben auch die weiteren Bereiche (schräg durchgehend schraffiert) der Ätzmaske. Dies eröffnet die Möglichkeit, durch Messung der Intensitätsver teilung des in der ausgeätzten Rinne reflektierten Lichtes quer über die Rinne die unterätzten Bereiche der Ätzmaske zu vermessen. Fig. 5 gibt den Intensitätsverlauf des Lichtes an der Schnittstelle IV-IV der Fig. 2 wieder und zeigt, daß ein erster Abschnitt a relativ dunkel ist, also kaum Licht re flektiert. An diesen Abschnitt a schließt sich ein Abschnitt b an, der aufgrund des reflektierten Lichtes unterhalb des unterätzten Ätzmaskenbereiches 30 durch eine relativ hohe Licht intensität gekennzeichnet ist. Im Bereich c (Maskenöffnung) wird relativ wenig Licht reflektiert, so daß hier die Licht intensität gering ist. Der sich anschließende Bereich d ist da gegen wieder durch eine hohe Lichtintensität gekennzeichnet; es handelt sich hier um den weiteren unterätzten Bereich 29 der Ätzmaske 26. Daran schließt sich ein weiterer Bereich e an, der vergleichsweise dunkel ist. Da sich die Veränderung der Lichtintensität an den Übergängen zwischen den einzelnen Bereichen a bis e nicht sprungartig vollzieht, sondern mit endlicher Steigung erfolgt, wird zur Erzielung einer hohen Auswertegenauigkeit zur Vermessung der unterätzten Bereiche 29 und 30 jeweils etwa in der Mitte der ansteigenden Flanke I und der ansteigenden Flanke II der Abstand D1 gemessen, aus dem sich in Kenntnis der Breite der streifenförmigen Maskenöffnung 3 ohne weiteres mit großer Genauigkeit die Größe des Bereichs b errechnen läßt. Entsprechend ist zur genauen Bestimmung des Abschnitts d der Abstand zwischen der abfallenden Flanke III und der abfallenden Flanke IV bestimmt und daraus wiederum unter Berücksichtigung der Breite der streifenförmigen Maskenöffnung 3 genau die Größe d feststellbar.

Wird eine derartige Auswertung an jeweils zwei Erfassungsstellen E1 und E2 bzw. E3 und E4 vorgenommen, wie dies die Darstellung C der Fig. 1 zeigt, und ist der Abstand der Erfassungsstellen E1 und E2 bzw. E3 und E4 voneinander bekannt, dann lassen sich daraus die Winkel α₁ und α₂ bzw. β₁ und β₂ zwischen den Rändern 22 und 23 der ausgeätzten Rinne 21 und den Längsseiten 24 und 25 der Maskenöffnung 3 gemäß Fig. 2 ermitteln.

Berücksichtigt man, daß in der Regel bei einem zu untersuchen den Wafer sowohl eine Fehlorientierung F, eine Neigung N sowie eine Selektivität S gegeben ist, dann ist der für diesen Fall ermittelte Winkel α₁ durch die Gleichung (1) gegeben:

α₁ = S - F - N (1)

Der Winkel α ist durch die Gleichung (2) definiert:

α₂ = S - F + N (2)

Für die Winkel β₁ und β₂ gelten die weiteren Beziehungen (3) und (4)

β₁ = S + F - N (3)

β₂ = S + F + N (4)

Daraus ergeben sich für die Fehlorientierung F, die Neigung N und die Selektivität S folgende Beziehungen (5) bis (7)

Äquivalente Ergebnisse lassen sich unter Berücksichtigung der äquivalenten Winkel erreichen. Damit ist die räumliche Kristall orientierung eines zu untersuchenden Wafers festgestellt.

Für die Praxis bedeutet dies, daß nach Feststellung der Fehl orientierung F eines untersuchten Wafers bei der Bearbeitung gleichartig aufgebauter Wafer - beispielsweise zur Herstellung mikromechanischer Bauteile - dabei aufzubringende Ätzmasken unter Berücksichtigung der ermittelten Fehlorientierung F zum Wafer-Flat ausgerichtet werden können, um den mikromechani schen Bauelementen die gewünschte Präzision verleihen zu können. Wird eine Neigung N bei einem zu untersuchten Wafer festgestellt, dann kann auch dies bei der Orientierung einer Ätzmaske berücksichtigt werden; ggf. kann es notwendig sein, die gesamte Wafer-Charge auszusondern.

In Fig. 6 ist in ähnlicher Darstellung wie in den Fig. 1 bis 3 ein Wafer 60 dargestellt, der mit einer Ätzmaske 61 mit einer streifenförmigen Maskenöffnung 62 versehen ist. Die Maskenöffnung 62 ist am Ende einer Längsseite 63 mit einem spitzen Ansatz 64 und am von diesem einen Ende abgewandten anderen Ende der anderen Längsseite 65 der Maskenöffnung 62 mit einem weiteren spitzen Ansatz 66 versehen. Wird der so vorbereitete, zu untersuchende Wafer 60 anisotrop geätzt, dann ergeben sich unterätzte Maskenbereiche 67 und 68, wie sie in der Darstellung A der Fig. 6 als weiße Bereiche gekennzeichnet sind. Die Ränder 69 und 70 der ausgeätzten Rinne verlaufen parallel zu den Längsseiten 63 und 65 der streifenförmigen Maskenöffnung 62. Dies ist ein Zeichen dafür, daß sowohl die Fehlorientierung F als auch die Neigung N Null ist.

Andere Verhältnisse liegen bei einem zu untersuchenden Wafer 80 gemäß der Darstellung B vor. Hier verlaufen die Ränder 81 und 82 einer ausgeätzten Rinne unter Winkeln γ₁ und γ₂ in bezug auf die Längsseiten 83 und 84 einer streifenförmigen Masken öffnung 85. Die Winkel γ₁ und γ₂, die in entsprechender Weise wie im Zusammenhang mit der Fig. 5 erläutert ermittelt werden können, gestatten hier in einfacher Weise die Fest stellung der Neigung N, da die Selektivität S und die Fehl orientierung F hier keine Rolle spielt. Die Neigung N ist gegeben durch folgende Beziehung (8):

Die Ätzmaske nach Fig. 6 wird in vorteilhafter Weise kombi niert mit der Ätzmaske nach den Fig. 1 bis 3 angewendet, und zwar in einer kristallabhängigen Winkelstellung zueinander.

Claims

1. Verfahren zum Bestimmen der Kristallorientierung in einem Wafer aus einem Kristall mit einer Zinkblende-Kristall struktur, dadurch gekennzeichnet, daß

a) auf den Wafer (1) eine Ätzmaske (2) mit einer streifen förmigen Maskenöffnung (3) mit jeweils einem spitzen Ansatz (6, 7) an den Längsseiten (4, 5) in einer Ausrichtung entlang einer vorgegebenen Markierung des Wafers (1) aufgebracht wird,
b) der Wafer (1) anisotrop unter Gewinnung einer ausgeätzten Rinne (8) geätzt wird,
c) die Winkel (α₁, α₂, β₁, β₂) zwischen den Rändern der ausgeätzten Rinne (8) und den Längsseiten (4, 5) der Masken öffnung (3) unter Vermessen der unterätzten Ätzmaskenbe reiche (11, 12, 13, 14) ermittelt werden und
d) anhand der ermittelten Winkel (α₁, α₂, β₁, β₂) die Kristall orientierung rechnerisch bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

e) zum Ermitteln der Winkel (α₁, α₂, β₁, β₂) mehrfach entlang der ausgeätzten Rinne (8) die Intensitätsverteilung reflektierten Lichts quer zur Rinne (8) erfaßt wird und
f) aus den Verläufen der Intensitätsverteilung an verschiede nen Erfassungsstellen (E1, E2, E3, E4) und den jeweiligen Abständen der Erfassungsstellen voneinander die Winkel (α₁, α₂, β₁, β₂) rechnerisch bestimmt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

g) eine Ätzmaske (3) mit einer streifenförmigen Maskenöffnung (3) verwendet wird, die jeweils etwa in der Mitte ihrer Längs seiten (4, 5) den spitzen Ansatz (6, 7) aufweist.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

h) eine Ätzmaske (61) mit einer streifenförmigen Maskenöffnung (62) verwendet wird, die an einem Ende einer Längsseite (63) und am anderen Ende der gegenüberliegenden Längsseite (65) der Maskenöffnung (62) jeweils den spitzen Ansatz (64, 66) aufweist.