DE69837033T2 - Gerät und Verfahren zur Messung der Tiefe einer vertieften Grenzschicht - Google Patents
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein nicht zerstörendes Verfahren zum Messen der Tiefe einer vergrabenen Grenzschicht unter der Oberfläche in einem Halbleitersubstrat.
- Die hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit in den derzeit verfügbaren Datenprozessoren muss von großen Kapazitäten an Hochgeschwindigkeits-Direktzugriffsspeicher unterstützt werden. Aufgrund der verringerten Anzahl von Bauelementen je Speicherzelle wird eine große Menge der benötigten Speicherkapazität durch dynamische Direktzugriffsspeicher (DRAMs) bereitgestellt, so dass eine deutlich größere Anzahl an Speicherzellen auf einem einzelnen Chip mit integrierten Schaltungen bereitgestellt werden kann. In solchen Bauelementen ist die Packungsdichte der Speicherzellen, welche vornehmlich einen Speicherkondensator je Speicherzelle umfasst, von großer Wichtigkeit. Die Kapazität jedes Kondensators ist aufgrund der kleinen Größe sehr begrenzt, obwohl die Kapazität im Vergleich zu der Kapazität der Wortleitung und der Bitleitung groß sein muss, um geeignete Arbeitsspielräume für die Leseverstärker zu erreichen, welche benutzt werden, um das Vorliegen oder die Abwesenheit einer gespeicherten Ladung zu ermitteln. Deswegen werden die Gräben mit relativ großen Tiefen gebildet, während sie einen sehr engen Abstand voneinander aufweisen. Diese gleichen Geometrien sind auch für andere Grabenstrukturen wichtig, wie z.B. Isolierungsgräben.
- In den letzten Jahren ist es auch Praxis gewesen, eine vergrabene Platte innerhalb des Halbleitersubstrats bereitzustellen, in welchem die Grabenkondensatoren gebildet werden. Die vergrabene Platte ist ein Bereich, welcher die Seiten und den Boden eines Speicherknotengrabens in der Speicherzelle des dynamischen Direktzugriffsspeichers umgibt, welcher für den Speicherkondensator als der Anschluss mit festem Potential fungiert. Die vergrabene Platte reicht an den Seiten des Speicherknotengrabens typischerweise etwa 6 Mikrometer herab. Die Tiefe, in welcher sich die obere Fläche der vergrabenen Platte befindet, sollte ein eingestellter Abstand von 1,5 ± 0,15 Mikrometer unterhalb der Oberfläche des Halbleitersubstrats sein. Diese Tiefe der vergrabenen Platte wird typischerweise als DBP bezeichnet.
- Die vergrabene Platte kann unter Anwendung der Resistausnehmungsverarbeitung zusammen mit dem Ausdiffundieren eines Dotierstoffs wie Arsen aus dem unteren Teil eines Grabens hergestellt werden. In der US-Patentschrift 5 618 751 an Golden u.a., übertragen auf die International Business Machines Corporation, ist ein solches Verfahren beschrieben. Die Resistausnehmungstiefe und die Tiefe der vergrabenen Platte sind entscheidende Parameter für den Grabenkondensator.
- Die Messung der Tiefe der vergrabenen Platte ebenso wie derjenigen für andere vergrabene Grenzschichtstrukturen kann durch Querschnitts- und mikroskopische Bilderfassung statistischer Proben zerstörend durchgeführt werden.
- Ferner sind nicht zerstörende Techniken bekannt, wie sie in US-A-5 229 304, US-A-5 587 792 und US-A-4 555 767 beschrieben sind.
- Die Erfindung stellt ein nicht zerstörendes Verfahren zur Messung der Tiefe des Oberteils einer vergrabenen Grenzschicht bereit, wie es in Patentanspruch 1 definiert ist.
- Die vorliegende Erfindung stellt ein nicht zerstörendes Verfahren zum Messen der Tiefe bereit, in welcher sich die obere Fläche einer vergrabenen Grenzschicht in einem Halbleitersubstrat befindet. Die Tiefe der vergrabenen Grenzschicht kann ohne zerstörende Querschnittserfassung ermittelt werden. Bei dem Verfahren wird eine Fouriertransformations-Infrarotmessung (FTIR) angewendet. Dies umfasst das Bestrahlen des Halbleitersubstrats, welches die vergrabene Grenzschicht enthält, mit einem Infrarotlichtstrahl und dann das Erfassen und Analysieren des Spektrums eines Rücksignals durch eine Fourier-Analyse. Das durch die Fourier-Analyse analysierte Spektrum wird dann mit Eichspektren verglichen, um dadurch die Tiefe der oberen Fläche der vergrabenen Grenzschicht zu ermitteln.
- Die Erfindung stellt auch eine Vorrichtung zum Ermitteln der Tiefe einer vergrabenen Grenzschicht unter der Oberfläche eines Halbleitersubstrats bereit, wie sie in Patentanspruch 7 definiert ist. Die Vorrichtung umfasst ein FTIR-Spektrophotometer, welches das Substrat mit einer Infrarot-Strahlungsquelle bestrahlt, und welches eine Fouriertransformation eines Rücksignals erzeugt, welches von dem Substrat reflektiert wird. Die Vorrichtung umfasst auch eine Bibliothek gespeicherter Eichspektren, zusammen mit einem Mittel zum Vergleichen des Fouriertransformations-Rücksignals mit den Eichspektren, um die Tiefe der vergrabenen Grenzschicht zu ermitteln.
- In einem nicht zerstörenden Verfahren werden somit Fouriertransformations-Infrarotmessungen (FTIR) angewendet, um die Tiefe einer vergrabenen Grenzschicht unter der Oberfläche in einem Halbleitersubstrat zu ermitteln; um also die Tiefe zu messen, in welcher sich die obere Fläche der vergrabenen Grenzschicht befindet. Außerdem wird eine Vorrichtung zum Messen der Tiefe einer vergrabenen Grenzschicht bereitgestellt.
- Nun wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung lediglich beispielhaft unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen detailliert beschrieben:
-
1 bis4 sind schematische Diagramme, welche ein Verfahren des Standes der Technik zur Bereitstellung einer vergrabenen Grenzschicht veranschaulichen. -
5 ist ein schematisches Diagramm der Anordnung, welche benutzt wird, um die FTIR-Messungen in einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durchzuführen. - In
6 sind Kurven dargestellt, welche den Spektralinhalt bekannter und unbekannter Proben mit verschiedenen Messungen der Tiefe der vergrabenen Platte zeigen. -
7 ist eine graphische Darstellung, welche die Messungen, die durch die bevorzugte Ausführungsform erhalten wurden, durch Vergleich mit einer REM-Querschnittserfassung bestätigen. - Bezug nehmend nun auf die Zeichnungen, insbesondere
1 bis4 , ist dort als Hintergrundinformation ein typisches Verfahren zur Bereitstellung einer vergrabenen Grenzschicht und insbesondere einer vergrabenen leitenden Platte veranschaulicht. Aus Gründen der Einfachheit betrifft die folgende Beschreibung eine vergrabene leitende Platte als vergrabene Grenzschicht, wobei es sich natürlich versteht, dass derselbe allgemeine Ansatz auch für die Messung der Tiefe anderer vergrabener Grenzschichtstrukturen anwendbar ist, welche die Grenze zwischen Bereichen deutlich unterschiedlicher Dotierstoffe oder zwischen Bereichen deutlich unterschiedlicher Dotierungskonzentrationen kennzeichnen, wobei jedoch die Messung der Tiefe solcher anderer vergrabener Grenzschichten nicht unter den Umfang der vorliegenden Erfindung fällt. Ein Beispiel für eine solche vergrabene Grenzfläche außer einer vergrabenen leitenden Platte ist ein unter der Oberfläche dotierter Bereich aus Silicium, welcher einen Source/Drain-Anschluss oder einen Gate-Anschluss eines vertikalen FET-Transistors innerhalb eines Grabens bildet, wie sie sich in Speicherfeldern finden, welche solche vertikalen Transistoren aufweisen. -
1 veranschaulicht ein Halbleitersubstrat1 wie Silicium, welches einen Graben2 enthält. Bezugsziffer3 bezeichnet ein dünnes Siliciumnitridfeld, welches von einer relativ dicken Schicht4 aus Tetraethylorthosilicat (TEOS) bedeckt ist. Bezugsziffer5 bezeichnet eine Schicht aus arsendotiertem Silikatglas (ASG), welches innerhalb des Grabens2 abgeschieden ist. Ein Photoresist6 ist über und innerhalb des Grabens2 bereitgestellt. Bei dem Photoresist kann es sich um einen positiven Photoresist wie jene auf Novolakharzbasis handeln. Wie in2 veranschaulicht, wird der Photoresist6 durch Bestrahlung und Entwicklung oder durch Trockenätzen bis zu etwa 1,5 Mikrometer unter der Substratoberfläche ausgenommen. Die Schicht5 (ASG) wird gemäß der Resistausnehmung6 zurückgeätzt, z.B. unter Verwendung einer gepufferten Fluorwasserstoffsäure (BHF). Die Schicht5 wird typischerweise bis wenig unterhalb der Resistausnehmung geätzt (siehe3 ). Die verbleibende Resistfüllung6 in den Gräben wird dann entfernt, und im Folgenden wird eine Fremdstoffdiffusion oder eine Rückdiffusion von dem ASG in das Substrat1 oder die p-Wanne darin vorgenommen, um die vergrabene Platte7 im Wesentlichen gemäß der Stelle des verbleibenden ASG zu bilden. Typische Zeiten und Temperaturen für die Rückdiffusion sind 3 Stunden bei 1050 °C oder 1 Stunde bei 1100 °C. - Es wurden Proben mit unterschiedlichem DBP vorbereitet und mit einem Infrarotstrahl eines FTIR-Systems bestrahlt. Ein typisches FTIR-System ist von Bio-Rad Laboratories unter der Handelsbezeichnung Bio-Rad QS500 erhältlich. In
5 ist ein Schema des FTIR-Aufbaus dargestellt. Im Einzelnen ist ein FTIR-System ein Instrument, welches ein kontrolliertes Infrarotspektrum emittiert und den Spektralinhalt eines Rücksignals durch Fourier-Analyse ermittelt und analysiert. Wie in5 veranschaulicht, wird eine IR-Quelle20 , wie z.B. eine Globar-IR-Quelle, bereitgestellt, um Breitband-IR-Energie zu emittieren, zum Beispiel mit Wellenzahlen zwischen 400 und 4500 (einem Wellenlängenbereich von etwa 25 Mikrometer bis etwa 2 Mikrometer). Ein Interferometer, wie z.B. ein Michelson-Interferometer, ist in dem Weg von der IR-Quelle20 zu der Probe22 angeordnet. Das Interferometer beinhaltet einen sich bewegenden Spiegel24 , einen festen Spiegel26 und einen Strahlteiler21 . Das Interferometer verwendet einen sich bewegenden Spiegel24 , um an dem Detektor25 konstruktive und destruktive Interferenzmuster zu erzeugen. Diese Muster hängen ebenso von der Frequenz oder Wellenzahl des erfassten Lichts wie von den Eigenschaften der Probe ab. Die Spiegel26 und27 lenken den Weg des Lichts von der Quelle zu der Probe. Zur Durchführung einer Fouriertransformation des Rücksignals, welches an dem Detektor25 ankommt, ist ein (nicht dargestelltes) Schaltungssystem bereitgestellt. (Ein Fachmann ist mit geeigneten Schaltungssystemen zur Durchführung einer solchen Fouriertransformation vertraut.) - Im Fall von Arsen als Dotierstoff zur Erzeugung der vergrabenen Platte hat sich herausgestellt, dass der Teil des Spektrums zwischen 400 und 1500 Wellenzahlen eine spezielle Absorptionsbande zeigt, von welcher angenommen wird, dass sie auf eine Schwingung der As-O-Bindung zurückzuführen ist. Diese Absorptionsbande ist durch zwei Absorptionsspitzen gekennzeichnet, eine um 1020 Wellenzahlen herum und eine andere zwischen 700 und 800 Wellenzahlen. Das Muster dieser Absorptionsbande und das Verhältnis der Höhen dieser beiden Spitzen verändert sich deutlich mit steigendem DBP. In der Tat führt jede Tiefe DBP zu einem sehr verschiedenen Muster in diesem Teil des Spektrums, welcher wie hier beschrieben zur nicht zerstörenden Messung der Tiefe der vergrabenen Platte mittels Mustervergleich verwendet werden kann.
- Im Einzelnen wird der Spektralinhalt des Rücksignals für mehrere Proben einer bekannten Tiefe der vergrabenen Platte analysiert, um einen Grundstock oder eine Bibliothek von Bezugs- oder Eichspektren zu erzeugen. Wenn erwünscht, kann die Bibliothek verschiedene Gruppen von Eichspektren beinhalten, zum Beispiel eine Gruppe für jede DRAM-Generation, so dass die Vorrichtung bei der Verwendung das Rücksignal nur mit der richtigen Spektrengruppe vergleicht, welche zu den Eigenschaften des untersuchten Wafers passt. Die bekannte Tiefe der vergrabenen Platte der analysierten Proben wird durch querschnittsmarkiertes oder Kontrast-Ätzen des ausdiffundierten Bereichs und durch rasterelektronenmikroskopische (REM) Messungen ermittelt. Die unbekannte Probe wird mit dem IR-Licht bestrahlt, und der Spektralinhalt des Rücksignals wird analysiert, um zu ermitteln, mit welchem der Bezugs- oder Eichspektren das unbekannte Spektrum am besten übereinstimmt. Das Bezugsspektrum, welches am besten mit dem unbekannten Spektrum übereinstimmt, bestimmt die Tiefe des Oberteils der vergrabenen Platte.
- Gemäß bevorzugter Erscheinungsformen der vorliegenden Erfindung werden die Eichspektren zur Vergleichsmaximierung bei 440 cm–1 und bei 1180 cm–1 abgeschnitten, und die Intensität wird auf Werte zwischen 0 und 1 normiert. In ähnlicher Weise wird das Spektrum der unbekannten Probe, deren DBP ermittelt werden soll, ebenfalls bei 440 cm–1 und bei 1180 cm–1 abgeschnitten, und die Intensität wird auf Werte zwischen 0 und 1 normiert.
- Das Verfahren des Findens des passenden bekannten Spektrums kann durch einen Vergleich des unbekannten Spektrums mit einigen oder allen der bekannten Spektren nach der Methode der kleinsten Quadrate durchgeführt werden. Zum Beispiel wird die SUMME i = 1 bis i = n der entsprechenden Punkte (ai-bi)2 entlang jeder Kurve verwendet, um die minimale Summe zu finden. Mit anderen Worten beinhaltet das Anpassungsverfahren nach der Methode der kleinsten Quadrate die Berechnung der Differenz für jede Wellenzahl und jedes Eichspektrum; das Quadrieren der Differenz für jede Wellenzahl und jedes Eichspektrum; das Aufsummieren der Quadrate für alle Wellenzahlen und jedes Eichspektrum und das Ermitteln der minimalen aller Summen. Das Minimum wird für das am besten passende Eichspektrum gefunden, und der DBP der Probe ist derselbe wie der des Eichspektrums. Natürlich können andere Korrelationsverfahren angewendet werden, wenn erwünscht, wie z.B. durch Berechnen der Kovarianz „COV" oder des Korrelationskoeffizienten ρxy, wie im User's Guide von Microsoft® Excel beschrieben.
- Das Werkzeug der Kovarianz gibt den Mittelwert des Produktes der Abweichungen der Datenpunkte von ihren entsprechenden Mittelwerten wieder. Die Kovarianz ist ein Maß für das Verhältnis zwischen zwei Datenbereichen.wobei μx der Mittelwert des x-Datensatzes und μy der Mittelwert des y-Datensatzes ist.
- Das Werkzeug der Korrelation misst das Verhältnis zwischen zwei Datensätzen, welche skaliert sind, um unabhängig von der Maßeinheit zu sein. Die Populationskorrelationsberechnung gibt die Kovarianz der beiden Datensätze, geteilt durch das Produkt ihrer Standardabweichungen, wieder.wobei σy die Standardabweichung des y-Datensatzes ist;
wobei σx die Standardabweichung des x-Datensatzes ist; wobei
-
6 enthält Kurven, welche den Spektralinhalt von bekannten und unbekannten Proben mit verschiedenen Messungen der Tiefe der vergrabenen Platte zeigen.6 ist die graphische Darstellung, nachdem sie in der Intensität normiert wurde und für den Vergleich, z.B. durch die Methode der kleinsten Quadrate, mit der unbekannten Probe, welche auf der graphischen Darstellung erscheint, bereit ist. Die unbekannte Probe in6 passt am besten zu der Kurve, welche für eine Tiefe von 1,53 μm steht. Es sollte sich auch verstehen, dass eine Erhöhung der Zahl der Korrelationskurven die Genauigkeit der Messung erhöht. -
7 ist eine graphische Darstellung, welche die durch FTIR erhaltenen Tiefenmessungen durch REM-Querschnittserfassung bestätigt. Die Werte auf der x-Achse stammen aus der FTIR- Spektroskopie. Die Werte auf der y-Achse stammen aus der REM-Untersuchung.
Claims (13)
- Verfahren zum Messen der Tiefe einer vergrabenen Grenzschicht unter der Oberfläche in einem Halbleitersubstrat, wobei die Grenzschicht das Oberteil einer vergrabenen leitenden Platte ist und die vergrabene leitende Platte Arsen enthält, wobei das Verfahren das Folgende umfasst: Bestrahlen des Halbleitersubstrats, welches die zu messende vergrabene Grenzschicht enthält, mit Infrarotlicht; Erfassen und Analysieren des Spektralinhalts eines Rücksignals durch Fourier-Analyse; und Vergleichen des Spektralinhalts des Rücksignals mit Eichspektren, um dadurch die Tiefe der vergrabenen Grenzschicht zu ermitteln, wobei der Schritt des Vergleichens das Folgende umfasst: Suchen nach einer Absorptionsbande im Spektralinhalt des Rücksignals, welche durch zwei Absorptionsspitzen gekennzeichnet ist, von denen die erste bei ungefähr 1020 Wellenzahlen und die zweite zwischen 700 und 800 Wellenzahlen liegt; Verwenden des Musters dieser Absorptionsbande, um die Tiefe der vergrabenen Grenzschicht zu ermitteln.
- Verfahren nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem Infrarotlicht um Breitband-IR-Strahlung handelt.
- Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Wellenlänge der IR-Strahlung 2 bis 25 Mikrometer beträgt.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Tiefe des Oberteils der vergrabenen leitenden Platte etwa 1,5 ± 0,15 Mikrometer unter der Oberfläche des Halbleitersubstrats beträgt.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei dem Schritt des Vergleichens ein Vergleich der Spektren der Probe mit den Eichspektren nach der Methode der kleinsten Quadrate angewendet wird.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Intensität der Werte vor dem Vergleich zwischen 0 und 1 normiert wird.
- Vorrichtung zum Ermitteln der Tiefe einer vergrabenen Grenzschicht unter der Oberfläche eines Halbleitersubstrats, wobei die Grenzschicht das Oberteil einer vergrabenen leitenden Platte ist und die vergrabene leitende Platte Arsen enthält, wobei die Vorrichtung das Folgende umfasst: ein FTIR-Spektrophotometer, welches das Substrat mit einer Infrarot-Strahlungsquelle bestrahlt, und welches eine Fourier-Transformation eines Rücksignals erzeugt, welches von dem Substrat reflektiert wird; eine Bibliothek gespeicherter Eichspektren, welche Eichspektren für die vergrabene Arsen enthaltende leitende Platte umfasst; und ein Mittel zum Vergleichen des Fouriertransformations-Rücksignals mit den Eichspektren, um die Tiefe der vergrabenen Grenzschicht zu ermitteln, wobei das Mittel zum Vergleichen das Folgende umfasst: ein Mittel, welches dafür eingerichtet ist, im Spektralinhalt des Rücksignals nach einer Absorptionsbande zu suchen, welche durch zwei Absorptionsspitzen gekennzeichnet ist, von denen die erste bei ungefähr 1020 Wellenzahlen und die zweite zwischen 700 und 800 Wellenzahlen liegt; und ein Mittel, welches dafür eingerichtet ist, das Muster dieser Absorptionsbande zu verwenden, um die Tiefe der vergrabenen Grenzschicht zu ermitteln.
- Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei es sich bei der Infrarotquelle um eine Breitband-IR-Strahlungsquelle handelt.
- Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Wellenlänge der IR-Strahlung 2 bis 25 Mikrometer beträgt.
- Vorrichtung nach Anspruch 7, 8 oder 9, wobei das Mittel zum Vergleichen ein Mittel zum Vergleichen der Spektren des Substrats mit den Eichspektren nach der Methode der kleinsten Quadrate umfasst.
- Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, welches ferner ein Mittel zum Normieren der Intensität des Rücksignals zwischen 0 und 1 umfasst.
- Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei die Bibliothek verschiedene Gruppen von Eichspektren enthält.
- Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die verschiedenen Gruppen eine Gruppe von Eichspektren für jede DRAM-Generation beinhalten.
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