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Dokumentenidentifikation DE10029286C2 02.10.2003
Titel Verfahren zur Überwachung von Stickstoffprozessen
Anmelder Infineon Technologies AG, 81669 München, DE
Erfinder Gärtner, Thomas, Dipl.-Ing., 01458 Ottendorf-Okrilla, DE;
Lamprecht, Alexandra, Dipl.-Ing., 01099 Dresden, DE;
Ottenwaelder, Dietmar, Dr., 01129 Dresden, DE;
Schulze, Jörg, Dipl.-Ing., 01465 Liegau-Augustusbad, DE
Vertreter Wilhelm & Beck, 80636 München
DE-Anmeldedatum 14.06.2000
DE-Aktenzeichen 10029286
Offenlegungstag 18.04.2002
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 02.10.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 02.10.2003
IPC-Hauptklasse H01L 21/318
IPC-Nebenklasse H01L 21/762   H01L 21/66   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung von Stickstoffprozessen. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zur Überwachung von Stickstoffprozessen in der Halbleiterfertigung.

In der Fertigung von integrierten Halbleiterbauelementen werden häufig Stickstoffprozesse zur Erzeugung von Nitridschichten und/oder Stickstoffprozesse zum Einbringen von Stickstoff in bereits vorhandene Materialschichten benötigt. Typische Beispiele für derartige Stickstoffprozesse sind die Erzeugung einer Siliziumnitridschicht als Speicherdielektrikum oder als Teils des Speicherdielektrikums in Speicherkondensatoren, die Erzeugung einer Siliziumnitridschicht als Maskenschicht für das LOCOS-Verfahren sowie die Erzeugung von Siliziumnitridschichten als sogenannte "Pad Nitride", die als Ätz- oder Polierstoppschichten verwendet werden. Darüber hinaus werden Nitridschichten bzw. Oxynitridschichten als Tunnelschichten an der Grenzfläche zwischen einem vergrabenen Kontakt und der leitenden Füllung eines Grabenkondensators eingesetzt. Eine derartige Tunnelschicht ist in der europäischen Patentanmeldung EP 0 977 266 A1 offenbart, auf die hiermit Bezug genommen wird. Insbesondere bei der zuletzt genannten Anwendung ist die Erzeugung einer genau definierten Nitrid- bzw. Oxynitridschicht von großer Bedeutung. Dementsprechend hohe Anforderungen müssen an die eingesetzten Stickstoffprozesse gestellt werden.

Zur Kontrolle der Stickstoffprozesse wurde bisher in der Regel die sogenannte "Sekundärionen-Massenspektroskopie" (SIMS) oder die sogenannte "Auger-Elektronen-Spektroskopie" (AES) eingesetzt. Bei der Sekundärionen-Massenspektroskopie wird die Probenoberfläche, in diesem Fall beispielsweise eine Nitrid- bzw. Oxynitridschicht, im Hochvakuum mit einem Primär- Ionenstrahl (O, Cl, Ar u. a. Gase) beschossen, wodurch ionisierte Teilchen aus der Oberfläche herausgeschlagen werden. Diese Sekundärionen werden dann in einem Massenspektrometer analysiert. Die Sekundärionen-Massenspektroskopie besitzt den Vorteil, dass bis in den ppb-Bereich fast alle Elemente (auch Isotope) nachgewiesen werden können. Auf diese Weise kann auf den Stickstoffgehalt der untersuchten Schicht und damit auf die Qualität des verwendeten Stickstoffprozesses geschlossen werden.

Bei der Auger-Elektronen-Spektroskopie wird die Probenoberfläche mit einem Primär-Elektronenstrahl beschossen, wodurch die Atome an der Probenoberfläche in einem tiefliegenden Energieniveau (K- oder L-Schale) ionisiert werden. Wird das so erzeugte Loch in dem tiefliegenden Energieniveau durch ein Elektron aus einem höheren Energieniveau wieder aufgefüllt, kann die dabei freiwerdende Energie strahlungslos auf ein weiteres Elektron eines höheren Energieniveaus übertragen werden, das dann als sogenanntes "Auger-Elektron" das Atom verläßt. Durch ein Ausmessen der kinetischen Energie der Auger-Elektronen kann die Atomart in der Probenoberfläche bestimmt werden. Da Auger-Elektronen nur aus einer geringen Tiefe einer Probenoberfläche austreten, ist die Auger-Elektronen-Spektroskopie eine sehr leistungsfähige Methode um dünnste Oberflächenschichten zu analysieren.

Leider handelt es sich sowohl bei der Sekundärionen-Massenspektroskopie als auch bei der Auger-Elektronen-Spektroskopie um sehr aufwendige und damit sehr teure Verfahren, die üblicherweise nicht in einer Produktionsumgebung eingesetzt werden können.

Aus der im Artikel "BERRUYER, P.; BRUEL, M.: Nitrogen implantation for local inhibition of oxidation; in: Appl. phys. lett., 1987, Vol. 50, No. 2, 89-91" ist ein Verfahren bekannt, bei dem die Qualität einer partiellen Nitridierung einer anoxidierten Siliziumoberfläche anhand eines Dickenunterschiedes der aufgebrachten Oxidschicht zwischen dem Stickstoff-Implantationsbereich und dem Nicht-Stickstoff-Implantationsbereich festgestellt wird. Um die Nitridierungsqualität anhand der Stufenhöhe zu bestimmen, wird eine zusätzliche Maskierung der Siliziumoberfläche vorgenommen, wodurch die Gebiete für die erforderliche Nitridimplantation festgelegt werden.

Aus der US 5 672 521 ist ein Verfahren bekannt, bei dem ein Oxidwachstum auf einer Siliziumscheibe durch eine Stickstoff-Implantation gesteuert wird, wobei die Stickstoff-Implantation überwacht wird.

Aus dem Artikel "KIM, M. J.; GHEZZZO, M.: Characterization of Implanted Nitride for VLSI Application; in: J. Electrochem. Soc., 1984, Vol. 131, No. 8, S. 1934-1941" sind Verfahren zum Charakterisieren von Stickstoff-Implantationen in Oxidschichten beschrieben.

Aus der EP 0 631 308 A2 ist ein Verfahren zum Steuern der Gateoxiddicke durch eine Stickstoff-Implantation bekannt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein vereinfachtes und kostengünstiges Verfahren zum Bestimmen der Qualität einer Nitridierung auf einer Siliziumoberfläche bereit zu stellen.

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

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Überwachung von Stickstoffprozessen bereit gestellt, das folgende Verfahrensschritte aufweist.

  • a) Bereitstellen einer Siliziumoberfläche,
  • b) Einbringen von Stickstoff in eine Siliziumoberflächensicht und/oder Erzeugen einer Nitridschicht an der Siliziumoberfläche durch Ausführen eines Stickstoffprozesses, der eine Wärmebehandlung in einer NH3 oder N2 Atmosphäre vorsieht,
  • c) Erzeugen einer Oxidschicht durch thermisches Oxidieren der mit dem Stickstoffprozess behandelten Siliziumoberflächen über einen vorgegebenen Zeitraum, und
  • d) Bestimmen der Dicke der Oxidschicht als inverses Maß für den Stickstoffgehalt an der mit dem Stickstoffprozess behandelten Siliziumoberfläche.

Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt die Tatsache, dass ein oberflächennaher Einbau von Stickstoff in das Silizium bzw. eine dünne Siliziumnitridschicht an der Siliziumoberfläche die Sauerstoffdiffusion während der nachfolgenden thermischen Oxidation behindert. Dementsprechend wird die Oxidationsrate der thermischen Oxidation verringert und das Wachstum der Oxidschicht auf der Siliziumoberfläche behindert. Die Dicke der Oxidschicht kann somit als inverses Maß für den Stickstoffgehalt bzw. die Qualität des Stickstoffprozesses verwendet werden.

Die bisher eingesetzten Verfahren zur Überwachung von Stickstoffprozessen (SIMS, AES) basieren auf einem direkten Nachweis der Stickstoffatome. Derartige direkte Nachweise einer Atomsorte sind jedoch sehr aufwendig. Das erfindungsgemäße Verfahren verzichtet auf einen direkten Nachweiß der Stickstoffatome wodurch sich die Überwachung von Stickstoffprozessen deutlich schneller und kostengünstiger durchführen läßt. Das erfindungsgemäße Verfahren besitzt darüber hinaus den Vorteil, dass der für die Überwachung in der Regel eingesetzte Testwafer bei dieser Überwachung nicht zerstört wird und damit als sogenannter "Dummy" in weiteren Prozessen eingesetzt werden kann.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die Oxidschicht durch eine thermische Oxidierung bei einer Temperatur zwischen 800° und 1100°C, bevorzugt 900°C, erzeugt. Weiterhin ist es bevorzugt, wenn die Oxidschicht durch eine thermische Oxidierung über einen Zeitraum von 10 bis 30 min, bevorzugt 20 min, erzeugt wird. Dabei ist es insbesondere bevorzugt, wenn die Oxidschicht als Naßoxid erzeugt wird.

Die Dicke der Oxidschicht kann mit einer Reihe von Verfahren bestimmt werden. Beispielsweise kann die Dicke der Oxidschicht durch Laserinterferometrie gemessen werden. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Dicke der Oxidschicht durch Ellipsometrie bestimmt. Weiterhin ist es bevorzugt, wenn die Siliziumoberfläche vor dem Stickstoffprozeß nasschemisch gereinigt wird und insbesondere das sogenannte "natürliche Oxid" von der Siliziumoberfläche entfernt wird.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1-3 eine schematischer Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, und

Fig. 4 einen Vergleich der Meßwerte des erfindungsgemäßen Verfahrens mit den Meßwerten der Auger-Elektronen-Spektroskopie.

Fig. 1 zeigt ein im wesentlichen monokristallines Siliziumsubstrat 1, von dessen Oberfläche 2 das sogenannte natürliche Oxid durch eine nasschemische Reinigung ("HF-Dip") entfernt wurde. Das Siliziumsubstrat 1 besitzt die Form eines Wafers und es wird als Testwafer mit weiteren Produktionswafer einem Stickstoffprozeß ausgesetzt.

Im vorliegenden Beispiel wird das Siliziumsubstrat 1 einer Wärmebehandlung in einer NH3 oder N2 Atmosphäre ausgesetzt. Zum Beispiel kann eine thermische Nitrid-Tunnelschicht in einem Vertikalofen für mehrere Wafer bei 780°C und 1 Torr unter NH3 Atmosphäre gebildet werden. Alternativ kann eine thermische Nitrid-Tunnelschicht in einem Einscheiben-Clustertool bei 800°C und 100 Torr unter NH3 Atmosphäre gebildet werden. Der Stickstoffprozeß führt zu einem Einbau von Stickstoffatomen in die Siliziumoberfläche 2 bzw. zur Bildung einer Siliziumnitridschicht (Oxynitridschicht) an der Siliziumoberfläche 2. Die sich daraus ergebende Situation ist in Fig. 2 gezeigt.

Zur Überwachung des Stickstoffprozesses wird im folgenden auf der Siliziumoberfläche 2 über einen vorgegebenen Zeitraum eine Oxidschicht 4 erzeugt. Dabei wird die Oxidschicht 4 durch eine thermische Oxidierung erzeugt. Im vorliegenden Beispiel wird die Oxidschicht 4 als sogenanntes Naßoxid erzeugt. Dazu werden für etwa 20 min bei einer Temperatur von etwa 900°C 8000 sccm Wasserstoff H2, 4800 sccm Sauerstoff O2 und 100 sccm HCl auf das Siliziumsubstrat 1 geführt. Aufgrund der thermischen Oxidation bildet sich an der Siliziumoberfläche 2 eine Oxidschicht 4 mit einer Dicke von etwa 25 nm. Wäre das Siliziumsubstrat nicht einem Stickstoffprozeß unterzogen worden, so würde die Dicke der Oxidschicht 4 etwa 30 nm betragen. Aus dieser Differenz kann auf die Stickstoffmenge und somit auf die Qualität des Stickstoffprozesses geschlossen werden. Die sich daraus ergebende Situation ist in Fig. 3 gezeigt.

Im vorliegenden Beispiel wird die Dicke der Oxidschicht 4 durch Ellipsometrie bestimmt. Dazu wird an mehreren Punkten linear polarisiertes Licht unter einem vorgegebenen Winkel auf die Oxidschicht 4 gestrahlt. Das von der Oberfläche reflektierte Licht ist im allgemeinen elliptisch polarisiert. Die Form und Ausrichtung der elliptischen Polarisation hängt dabei im wesentlichen von den Reflexionseigenschaften der bestrahlten Oberfläche ab. Diese Reflexionseigenschaften der bestrahlten Oberfläche hängen wiederum von der Dicke der Oberflächenschicht ab, wodurch sich dieses Verfahren zur Bestimmung der Schichtdicke einsetzen läßt.

Fig. 4 zeigt einen Vergleich der Meßwerte des erfindungsgemäßen Verfahrens mit den Meßwerten der Auger-Elektronen-Spektroskopie. Man erkennt, dass immer wenn Auger-Elektronen- Spektroskopie einen hohen Wert für das Stickstoffsignal liefert, die Oxidschicht 4 eine geringe Dicke aufweist. Dementsprechend beinhaltet das erfindungsgemäße Verfahren hinsichtlich des Stickstoffgehalts im wesentlichen die gleiche Information, wie die wesentlich aufwendigere Auger-Elektronen-Spektroskopie.

Durch die Verwendung einer relativ einfachen thermischen Oxidation und einer relativ einfachen Schichtdickenbestimmung kann mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens die Qualität des Stickstoffprozesses bestimmt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt somit eine einfache und kostengünstige Überwachung von Stickstoffprozessen, so dass es zur routinemäßigen Überwachung von Stickstoff in einer Produktionsumgebung eingesetzt werden kann. Bezugszeichenliste 1 Siliziumsubstrat

2 Oberfläche des Siliziumsubstrats

4 Oxidschicht


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Überwachung von Stickstoffprozessen mit den Schritten:
    1. a) Bereitstellen einer Siliziumoberfläche,
    2. b) Einbringen von Stickstoff in eine Siliziumoberflächenschicht und/oder Erzeugen einer Nitridschicht an der Siliziumoberfläche durch Ausführen eines Stickstoffprozesses, der eine Wärmebehandlung in einer NH3 oder N2 Atmosphäre vorsieht,
    3. c) Erzeugen einer Oxidschicht durch thermisches Oxidieren der mit dem Stickstoffprozess behandelten Siliziumoberfläche über einen vorgegebenen Zeitraum, und
    4. d) Bestimmen der Dicke der Oxidschicht als inverses Maß für den Stickstoffgehalt an der mit dem Stickstoffprozess behandelten Siliziumoberfläche.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Oxidschicht durch eine thermische Oxidierung bei einer Temperatur zwischen 800° und 1100°C, bevorzugt 900°C, erzeugt wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Oxidschicht durch ein thermisches Oxidieren über einen Zeitraum von 10 bis 30 min, bevorzugt 20 min. erzeugt wird.
  4. 4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Oxidschicht als Nassoxid erzeugt wird.
  5. 5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Dicke der Oxidschicht durch Ellipsometrie bestimmt wird.
  6. 6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Siliziumoberfläche vor dem Stickstoffprozess nasschemisch gereinigt wird.






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