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Dokumentenidentifikation DE102006002753A1 20.09.2007
Titel Verfahren und Anordnung zur Bewertung der Unterätzung von tiefen Grabenstrukturen in SOI-Scheiben
Anmelder X-FAB Semiconductor Foundries AG, 99097 Erfurt, DE
Erfinder Freywald, Karlheinz, 99086 Erfurt, DE;
Hölzer, Gisbert, Dr., 99089 Erfurt, DE
DE-Anmeldedatum 20.01.2006
DE-Aktenzeichen 102006002753
Offenlegungstag 20.09.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 20.09.2007
IPC-Hauptklasse H01L 21/66(2006.01)A, F, I, 20060120, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H01L 21/764(2006.01)A, L, I, 20060120, B, H, DE   H01L 23/544(2006.01)A, L, I, 20060120, B, H, DE   H01L 21/84(2006.01)A, L, I, 20060120, B, H, DE   
Zusammenfassung Es wird ein Verfahren angegeben, das die quantitative Bewertung der Unterätzung von tiefen Grabenstrukturen in SOI-Scheiben durch eine elektrische oder optische Messung ermöglicht. Dazu wird eine spezielle Kontrollstruktur mit definierter Stegbreite verwendet, die routinemäßig im Laufe des Fertigungsprozesses ausgemessen werden kann. Die Kontrollstruktur besteht aus jeweils zwei benachbarten Gräben, die durch einen Steg mit definierter Stegbreite getrennt sind. Durch Unterätzung der benachbarten Gräben können sich ab einer bestimmten minimalen Stegbreite die Bereiche der Unterätzung der benachbarten Gräben unterschneiden, was dazu führt, dass der Steg vom Boden losgelöst und damit beweglich ist. Die Beweglichkeit wird durch thermische Auslenkung des Steges vorzugsweise elektrisch nachgewiesen. Die Anordnung mehrerer Kontrollstrukturen mit verschiedenen Stegbreiten erlaubt die Bestimmung eines quantitativen Maßes der Unterätzung.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Bewertung der Unterätzung von tiefen Grabenstrukturen in SOI-Scheiben vorzugsweise auf elektrischem Weg, die zur Kontrolle von Halbleiterstrukturen unter Nutzung herkömmlicher Testsysteme eingesetzt werden kann.

Die bisher verwendeten Kontrollverfahren erfüllen nicht die Anforderungen an eine einfache und sichere Routinemessung im Rahmen der Prozesskontrolle innerhalb des Fertigungsprozesses. In der Praxis werden häufig Querschnitte angefertigt mit anschließender Ausmessung geometrischer Größen am Raster-Elektronenmikroskop. Entweder werden diese Querschnitte mit Ionenstrahlätzung angefertigt und wieder verfüllt (sehr hoher Aufwand für tiefe Gräben), oder es wird ein Bruch angefertigt, wobei die zu untersuchende Scheibe zerstört wird.

Herkömmliche optische Verfahren zur Bewertung von Unterätzungen setzen die Transparenz mindestens einer zur Bewertung benötigten Schicht voraus oder erfordern eine fensterartige Anordnung. Eine derartige Kontrollstruktur wird im Patent WO 00/17095 angegeben. Diese Methodik lässt sich nicht für tiefe Grabenstrukturen anwenden und entspricht nicht der zu lösenden Aufgabenstellung.

In weiteren Patenten werden Verfahren zur Erzeugung tiefer Grabenstrukturen angegeben, wobei keine Aussage zu deren Bewertung bzw. zur Bestimmung der Unterätzung enthalten ist, z.B. Patent US 6,770,506 B2, Patent US 6,887,391 B1 und Patent US 6,712,983 B2.

Im Patent US 6,211,598 B1 wird ein thermisch angeregter Aktuator beschrieben, der nicht zur Kontrolle der Unterätzung vorgesehen und auch nicht dazu geeignet ist, welcher eine Bewegung in der Ebene ermöglicht. Der Finger des Aktuators ist an einer Seite aufgehängt.

Im Patent DE 100 15 598 C2 wird ein Mikrorelais beschrieben, das thermisch angeregt wird. Die Anregung erfolgt sowohl parallel zur Oberfläche als auch senkrecht zur Oberfläche. Dieses Funktionsprinzip ist jedoch nicht für die Kontrolle der Unterätzung vorgesehen.

zum Antrieb eines Mikroventils wird im Patent US 5,909,078 ein thermisch angeregter gebogener Aktuator mit zweiseitiger Aufhängung beschrieben. Hinsichtlich des Einsatzes zur Bewertung der Unterätzung von Grabenstrukturen gibt es keine Hinweise in dieser Schrift.

Zweck der Erfindung ist die Verbesserung der Prozesskontrolle und -stabilität des Ätzprozeses bei der Isoliergrabenätzung von SOI-Scheiben zur Erhöhung der Ausbeute.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein rationelles, zerstörungsfreies, von subjektiven Einflüssen freies Verfahren zur routinemäßigen Bewertung der Unterätzung von tiefen Grabenstrukturen in SOI-Scheiben anzugeben, welches in der Prozeßkontrolle eingesetzt werden kann.

Gelöst wird die Aufgabe mit den in den Ansprüchen 1, 7, 8 und 9 angegebenen Merkmalen.

Der Gegenstände der Ansprüche 1, 2, 3, 6, 7, 8, 9 und 12 weisen die Vorteile auf, dass die Bewertung der Unterätzung von tiefen Grabenstrukturen in SOI-Scheiben im Halbleiterfertigungsprozess unter Nutzung von herkömmlichen elektrische Werte erfassenden Testsystemen möglich ist. Der Fortschritt besteht u.a. darin, Unterätzungen von tiefen Grabenstrukturen in SOI-Scheiben in feinen Stufen quantitativ elektrisch bestimmen zu können.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand von einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.

Es bedeuten:

1 eine schematische Darstellung des Layouts einer Kontrollstruktur für die thermoelektrische Kontrolle mit einer geschlossenen Grabenstruktur,

2 eine schematische Darstellung des Querschnitts A-A der Kontrollstruktur aus 1 mit einer geringeren Unterätzung (Winkel &bgr;1), wobei die unterätzten Gebiete am Grabenboden nicht ineinander übergehen,

3 eine schematische Darstellung des Querschnitts A-A der Kontrollstruktur aus 1 mit einer größeren Unterätzung (Winkel &bgr;2), so dass die unterätzten Gebiete am Grabenboden ineinander übergehen,

4 eine schematische Darstellung des Querschnitts A-A einer gleichartigen Kontrollstruktur wie in 1 mit definierter Stegbreite B, wobei die unterätzten Gebiete am Grabenboden nicht ineinander übergehen,

5 eine schematische Darstellung des Querschnitts A-A der Kontrollstruktur ähnlich der von 4, mit der gegenüber 4 verringerten Stegbreite C nach dem gleichen Ätzschritt wie in 4 (konstanter Winkel der Unterätzung: Winkel &bgr;3), wobei sich die unterätzten Gebiete am Boden gerade berühren,

6 eine schematische Darstellung des Querschnitts A-A der Kontrollstruktur ähnlich der von 4, mit einer gegenüber 5 verringerten Stegbreite D nach dem gleichen Ätzschritt wie in 4 und 5 (konstanter Winkel der Unterätzung: Winkel &bgr;3), wobei die unterätzten Gebiete am Grabenboden ineinander übergehen.

In 1 dienen die drei Antastflächen (1), (2), (3) zum Aufsetzen von Kontaktspitzen für die elektrische Aufheizung und Kontaktmessung. Der Steg (4) zwischen den benachbarten Gräben (5) der geschlossenen Grabenstruktur hat die Länge l (11) und einen Krümmungsradius r (12). Pfeil (10) zeigt die mögliche Bewegungsrichtung des Steges bei Erwärmung an. Zwischen den beiden Antastflächen (1) und (2) wird ein schrittweise ansteigender Strom eingespeist, der zu einer schrittweisen Erwärmung des Steges (4) der Kontrollstruktur führt. In dem Fall, in dem die unterätzten Gebiete am Grabenboden nicht ineinander übergehen (2), ist der Steg der Kontrollstruktur noch mechanisch am Grabenboden fixiert, d.h. unbeweglich. Durch die höhere Wärmeableitung ist die Temperaturerhöhung des Steges gering. Damit ist die mechanische Auslenkung des Steges zu gering, um die Seitenwand des umgebenden Siliziums (6) zu kontaktieren. Im Fall einer unbeweglichen Kontrollstruktur kann im umgebenden Silizium (6) mit Hilfe der Antastfläche (3) kein Stromfluss gemessen werden.

Im Fall eines beweglichen Steges (4), (3), ist dieser nicht mehr mechanisch am Grabenboden fixiert, da die unterätzten Gebiete am Grabenboden ineinander übergehen. Durch geringere Wärmeableitung wird eine solche Temperaturerhöhung erreicht, dass der mittlere Teil des Steges soweit in Richtung des Pfeiles (10) ausgelenkt wird, dass er an dieser Stelle die Seitenwand des umgebenden Siliziums (6) kontaktiert. Im Fall einer beweglichen Kontrollstruktur kann im umgebenden Silizium (6) mit Hilfe der Antastfläche (3) ein Stromfluß gemessen werden.

In 2 und 3 wird sichtbar, wie die Beweglichkeit der Kontrollstruktur durch unterschiedliche Unterätzungen entsteht, wobei die Stegbreite A konstant ist.

Die Winkel der Unterätzung 9a, &bgr;1 und 9b, &bgr;2 der Gräben der Kontrollstruktur bestimmen, ob die Kontrollstruktur beweglich wird oder nicht. Bei konstanter Grabentiefe entspricht dem kleineren Winkel der Unterätzung 9a, &bgr;1 (2) eine geringere Unterätzung als dem größeren Winkel der Unterätzung 9b, &bgr;2 (3). Somit wird nur die Kontrollstruktur mit dem größeren Winkel der Unterätzung 9b, &bgr;2 (3) beweglich.

Anhand von 4 bis 6 wird die Vorgehensweise zur Bestimmung eines in engen Grenzen abgestuften quantitativen Maßes der Unterätzung erläutert. Dazu wird eine konstante Unterätzungsrate, beschrieben durch einen konstanten Winkel der Unterätzung 9c, &bgr;3, vorausgesetzt. Damit wird das Erreichen der Beweglichkeit des Steges durch die definierte Stegbreite bestimmt. Die Kontrollstruktur in 4 mit definierter großer Stegbreite B bleibt unbeweglich, da die unterätzten Gebiete am Grabenboden nicht ineinander übergehen. In 5 mit definierter mittlerer Stegbreite C wird der Steg gerade beweglich, da sich die unterätzten Gebiete am Grabenboden gerade berühren. Der Steg der Kontrollstruktur in 6 mit definierter kleiner Stegbreite D ist bei geringerer Erwärmung als der in 5 dargestellte beweglich (stärker beweglich), da die unterätzten Gebiete am Grabenboden frei ineinander übergehen. Somit kann bei Vorhandensein von mehreren Kontrollstrukturen mit unterschiedlicher definierter Stegbreite nach der Ätzung aus der Messung der Beweglichkeit und der Kenntnis der definierten Stegbreite aller Kontrollstrukturen ein quantitatives Maß der Unterätzung bestimmt werden.

Fig. 1
1
Erste Antastfläche für den Steg der Kontrollstruktur
2
Zweite Antastfläche für den Steg der Kontrollstruktur
3
Antastfläche für das umgebende Silizium
4
Steg der Kontrollstruktur
5
Graben
6
Umgebendes Silizium (aktive Siliziumschicht)
10
Pfeil für mögliche Bewegungsrichtung
11
Länge l des Steges in der Kontrollstruktur
12
Radius r der Krümmung des Steges in der Kontrollstruktur
Fig. 2
4a
Steg einer unbeweglichen Kontrollstruktur, der noch am vergrabenen Oxid fixiert ist
5
Graben
6
Umgebendes Silizium (aktive Siliziumschicht)
7
Vergrabenes Oxid
8
Substratscheibe (Handle-Wafer)
9a
Winkel &bgr;1: Abweichung der Seitenwand von der Senkrechten, der die Unterätzung bestimmt.
Fig. 3
4b
Steg einer beweglichen Kontrollstruktur, der nicht mehr am vergrabenen Oxid fixiert ist
5
Graben
6
Umgebendes Silizium (aktive Siliziumschicht)
7
Vergrabenes Oxid
8
Substratscheibe (Handle-Wafer)
9b
Winkel &bgr;2: Abweichung der Seitenwand von der Senkrechten, der die Unterätzung bestimmt.
Fig. 4
4c
Steg einer unbeweglichen Kontrollstruktur, der noch am vergrabenen Oxid fixiert ist
5
Graben
6
Umgebendes Silizium (aktive Siliziumschicht)
7
Vergrabenes Oxid
8
Substratscheibe (Handle-Wafer)
9c
Winkel &bgr;3: Abweichung der Seitenwand von der Senkrechten, der die Unterätzung bestimmt.
Fig. 5
4d
Verbleibender schmaler Steg, gerade den Boden berührend
5
Grabenstruktur
6
Umgebendes Silizium (aktive Siliziumschicht)
7
Vergrabenes Oxid
8
Substratscheibe (Handle-Wafer)
9c
Winkel &bgr;3: Abweichung der Seitenwand von der Senkrechten, der die Unterätzung bestimmt.
Fig. 6
4e
Steg einer beweglichen Kontrollstruktur, der nicht mehr am vergrabenen Oxid fixiert ist
5
Graben
6
Umgebendes Silizium (aktive Siliziumschicht)
7
Vergrabenes Oxid
8
Substratscheibe (Handle-Wafer)
9c
Winkel &bgr;3: Abweichung der Seitenwand von der Senkrechten, der die Unterätzung bestimmt.


Anspruch[de]
Verfahren zur Bewertung der Unterätzung von tiefen Grabenstrukturen in SOI-Scheiben unter Verwendung einer auf den Halbleiterscheiben erzeugten Kontrollstruktur, welche so beschaffen ist, dass infolge der Grabenätzung sich ein Steg mit definierter Stegbreite zwischen zwei benachbarten parallel geführten Gräben ausbildet, der bei ineinander übergehenden Unterätzungen unterhöhlt wird, wobei nach der Grabenätzung der Steg erwärmt wird, wodurch der unterhöhlte Steg infolge Ausdehnung zu einer gegenüber dem nicht unterhöhlten zu einer deutlich registrierbaren Bewegung gebracht wird, wobei die Bewegung registriert wird und das Kriterium der Beweglichkeit zur Beurteilung des Maßes der Unterätzung dient. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung und die Registrierung der Stegbeweglichkeit elektrisch erfolgen. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung durch Laserstrahlung erfolgt und die Stegbeweglichkeit elektrisch registriert wird. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung durch Laserstrahlung und die Registrierung der Stegbeweglichkeit optisch erfolgen. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung elektrisch erfolgt und die Stegbeweglichkeit optisch registriert wird. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslenkung des Steges bis zur Berührung einer Grabenwand geführt wird, wodurch eine elektrische Kontaktgabe erfolgt, welche registriert wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Kontrollstrukturen mit verschiedenen definiert abgestuften Stegbreiten auf einer SOI-Scheibe angeordnet werden und nach der Grabenätzung aus der Registrierung der Beweglichkeit der Stege und der Kenntnis der jeweils definierten Stegbreite das Maß der Unterätzung bestimmt wird. Anordnung zur Bewertung der Unterätzung von tiefen Grabenstrukturen in SOI-Scheiben zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 2, 5 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrollstruktur einen das Steggebiet umschließenden, in sich geschlossenen Graben aufweist, der Steg an beiden Enden fixiert ist und dort jeweils eine Antastfläche aufweist, über die ein Stromfluß durch den Steg ermöglicht wird. Anordnung zur Bewertung der Unterätzung von tiefen Grabenstrukturen in SOI-Scheiben zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 2, 3, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens 1 zusätzliches Antastgebiet (3) auf der aktiven Siliziumschicht (6) vorhanden ist. Anordnung zur Bewertung der Unterätzung von tiefen Grabenstrukturen in SOI-Scheiben zur Ausführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege über eine die Bewegung bei Erwärmung unterstützende Form verfügen. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege eine durch einen Krümmungsradius zu beschreibende Krümmung aufweisen. Anordnung zur Bewertung der Unterätzung von tiefen Grabenstrukturen in SOI Scheiben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese aus mehreren Kontrollstrukturen mit definiert abgestuften Stegbreiten besteht, so dass nach der Grabenätzung aus der Registrierung der Beweglichkeit der Stege und der Kenntnis der definierten Stegbreiten der Kontrollstrukturen das Maß der Unterätzung bestimmt werden kann.






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