DE102004004406A1

DE102004004406A1 - Determining the volume of an etched structure, comprises weighing the substrate, etching by targeted removal of material, and then weighing the substrate

Info

Publication number: DE102004004406A1
Application number: DE102004004406A
Authority: DE
Inventors: Peter Dr. Weidner; Ulrich Dr. Mantz; Pierre-Yves Guittet; Harald Dr. Bloeß
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Qimonda AG
Priority date: 2004-01-29
Filing date: 2004-01-29
Publication date: 2005-08-25

Abstract

Determining the volume of an etched structure in a semiconductor substrate, comprises weighing the substrate, etching the substrate by targeted material removal, and weighing the substrate. The volume of the etched structure is calculated by taking into account the weight loss and the material density.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen des Volumen einer Ätzstruktur in einem Halbleitersubstrat. Die Elektronik wird heute von mikroelektronischen Bauelementen mit integrierten Schaltkreisen dominiert. Solche integrierten Schaltkreise bestehen aus einer komplexen Anordnung elektronischer Strukturen, die in mehreren, übereinander angeordneten Ebenen auf einem Halbleitersubstrat, auch Chip bezeichnet, miteinander verschaltet sind. Die elektrischen Schaltkreise werden auf dem Chip in der Regel mithilfe der sogenannten Planartechnik realisiert. Diese beinhaltet eine komplizierte Abfolge von jeweils ganzflächig an der Scheibenoberfläche wirkenden Einzelprozessen, die über geeignete Maskierungsschichten gezielt zur lokalen Veränderung des Halbleitermaterials führen. Einen der wesentlichsten Bearbeitungsschritte stellt dabei der Ätzprozess dar, der vor allem dazu eingesetzt wird, lithografisch auf dem Halbleitersubstrat erzeugte Lackmuster in die darunter liegende Schicht auf dem Halbleitersubstrat zu übertragen.The The present invention relates to a method for determining the volume an etched structure in a semiconductor substrate. The electronics today are of microelectronic Components dominated by integrated circuits. Such integrated circuits consist of a complex arrangement of electronic structures, in several, one above the other arranged levels on a semiconductor substrate, also called chip, interconnected with each other. The electrical circuits will be on the chip usually using the so-called planar technology realized. This involves a complicated sequence of each the whole area at the disk surface acting single processes that over suitable masking layers targeted for local change lead the semiconductor material. a the most important processing steps is the etching process which is mainly used lithographically on the semiconductor substrate generated resist pattern in the underlying layer on the semiconductor substrate transferred to.

Hauptzielsetzung der Mikroelektronik ist eine stetige Leistungssteigerung durch immer schnellere Schaltkreise bei gleichzeitig weiterer Miniaturisierung der elektronischen Strukturen. Im Zuge dieser Entwicklung werden verstärkt dreidimensionale Strukturen bei der Fertigung der Chips auf einer Halbleiterscheibe, im weiteren auch Halbleiterwafer genannt, eingesetzt, um den Platzbedarf der Strukturen auf der Oberfläche des Halbleiterwafers zu reduzieren. Ein Schwerpunkt bei der Technologieentwicklung von dreidimensionalen Strukturen ist dabei der Speicherkondensator in DRAMs. Um bei Speicherkondensatoren ein ausreichendes Lesesignal zu erhalten, ist eine Speicherkapazität von 20 bis 40 fF erforderlich. Um für eine solche ausreichende Speicherkapazität bei der von Technologieschritt zu Technologieschritt ständig abnehmenden Zellenfläche pro DRAM-Zelle auf dem Halbleiterwafer zu sorgen, wurden dreidimensionale Speicherkondensatoren entwickelt, die in der Regel entweder als Stapelkondensator oder als Grabenkondensator ausgeführt werden.The main objective Microelectronics is a steady increase in performance through always faster circuits with further miniaturization of the electronic structures. In the course of this development are increasingly three-dimensional Structures in the manufacture of the chips on a semiconductor wafer, also called semiconductor wafer in the following, used to save space the structures on the surface to reduce the semiconductor wafer. A focus in technology development of three-dimensional structures is the storage capacitor in DRAMs. To memory capacitors sufficient reading signal to obtain a storage capacity of 20 to 40 fF is required. Around for one Such sufficient storage capacity at the technology step to technology step constantly decreasing cell area To provide for each DRAM cell on the semiconductor wafer, were three-dimensional Storage capacitors are usually designed either as a Stack capacitor or trench capacitor.

Grabenkondensatoren werden üblicherweise so hergestellt, dass zuerst in das Halbleitersubstrat tiefe Gräben geätzt werden, die dann mit einer dielektrischen Schicht ausgekleidet und anschließend mit einer Kondensatorelektrode aufgefüllt werden. Im Halbleitersubstrat wird außerdem eine zweite Kondensatorelektrode, vorzugsweise durch Diffusion, im Bereich um den unteren Abschnitt des Grabens herum erzeugt. Aufgrund der weiterhin zunehmenden Verkleinerung der DRAM-Zellen auf dem Halbleiterchip nimmt aber der Grabendurchmesser von DRAM-Generation zu DRAM-Generation ab. Um bei verkleinerten Grabenkondensator-Durchmessern noch für eine ausreichende Kondensatorkapazität zu sorgen, besteht die Möglichkeit, die Tiefe der Gräben zu erhöhen, wobei dies jedoch an technologische wie auch wirtschaftliche Grenzen stößt. Alternativ zu einer weiteren Vertiefung der Kondensatorgräben kommen deshalb verstärkt Verfahren zum Einsatz, die es erlauben, die Oberfläche innerhalb des Grabenkondensators zu vergrößern, um hierdurch für eine ausreichende Speicherkapazität zu sorgen. So wird insbesondere der für den Speicherkondensator vorgesehene Graben in einem unteren Bereich durch einen zusätzlichen Ätzschritt ausgeweitet, wodurch sich die Kondensatorfläche des Grabenkondensators vergrößern lässt.grave capacitors become common fabricated such that deep trenches are first etched into the semiconductor substrate, then lined with a dielectric layer and then with a capacitor electrode are filled. In the semiconductor substrate will also a second capacitor electrode, preferably by diffusion, generated in the area around the lower portion of the trench. by virtue of the continuing increase in size of DRAM cells on the However, semiconductor chip adopts the trench diameter of DRAM generation to DRAM generation from. For smaller trench capacitor diameters still for a sufficient capacitor capacitance it is possible to the depth of the trenches too increase, However, this is due to technological as well as economic limits encounters. alternative For a further deepening of the capacitor trenches are therefore increasingly methods used, which allow the surface within the trench capacitor to enlarge, to for this to provide sufficient storage capacity. This is how it works the for the storage capacitor provided trench in a lower region by an additional etching step extended, which can increase the capacitor area of the trench capacitor.

Mit der Miniaturisierung der elektronischen Strukturen steigen aber auch die Anforderungen an die Präzision der eingesetzten Herstellungstechniken. Gleichzeitig sind hochpräzise Messverfahren erforderlich, um die exakte Lage sowie die genaue geometrische Ausdehnung der erzeugten Strukturen bestimmen zu können. Bei dreidimensionalen Speicherkondensatoren kommt insbesondere der genauen Bestimmung des Volumens der Gräben eine große Bedeutung zu, da dieser Parameter einen wesentlichen Einfluss auf die Speicherkapazität und damit auf die Funktionalität der DRAM-Schaltkreise ausübt. Eine Volumenbestimmung bei flaschenförmig im unteren Bereich erweiterten Gräben ist jedoch nur sehr aufwändig und kostenintensiv möglich. So besteht die Möglichkeit, mit einem Infrarotmessgerät die Tiefe der geätzten Grabenstruktur sowie des oberen nicht verbreiterten Bereiches zu messen. Um eine genaue Aussage über die durch die zusätzliche Ätzung erreichte Verbreiterung im unteren Bereich des Grabens und damit für das Volumen der Ätzstruktur zu erhalten, ist es jedoch erforderlich, den Halbleiterwafer im Bereich der verbreiterten Grabenstruktur aufzubrechen, um die Bruchkante mithilfe eines Rasterelektronenmikroskops untersuchen zu können. Anhand der Bruchkantenaufnahme kann dann die Verbreiterung der Grabenstruktur ermittelt werden. Dieses herkömmliche Messverfahren ist jedoch sehr zeitaufwändig. Darüber hinaus wird der Halbleiter-Wafer aufgrund des für die Aufnahme erforderlichen Brechvorgangs zerstört, was das Messverfahren sehr teuer werden lässt.With But the miniaturization of electronic structures is increasing also the requirements for precision the production techniques used. At the same time are high-precision measuring methods required to the exact location as well as the exact geometric extension determine the generated structures. In three-dimensional Storage capacitors comes in particular the exact destination the volume of the trenches a big Meaning too, since this parameter has a significant impact on the storage capacity and thus on the functionality DRAM circuits. A Volume determination in bottle-shaped However, extended trenches in the lower area is very complex and difficult costly possible. So there is the possibility with an infrared measuring device the depth of the etched Trench structure as well as the upper non-widened area measure up. To get an accurate statement about which reached through the additional etching Broadening in the lower part of the trench and thus for the volume the etched structure too However, it is necessary to keep the semiconductor wafer in the range break up the widened trench structure to the breaking edge to investigate using a scanning electron microscope. Based the break edge pickup can then broaden the trench structure be determined. This conventional Measuring method is very time consuming. In addition, the semiconductor wafer is due to the for the Recording destroyed breaking process, causing the measurement process very expensive.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein zerstörungsfreies, kostengünstiges und schnelles Verfahren zum Bestimmen des Volumens einer Ätzstruktur in einem Halbleitersubstrat bereitzustellen.The The object of the present invention is therefore to provide a nondestructive, cost-effective and a fast method for determining the volume of an etched structure in a semiconductor substrate.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1, 2 oder 3 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.These Task is according to the invention with a Method according to one the claims 1, 2 or 3 solved. Preferred developments are specified in the dependent claims.

Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird zum Bestimmen des Volumens einer Ätzstruktur in einem Halbleitersubstrat das Halbleitersubstrat vor dem Ätzvorgang gewogen, dann die Struktur in das Halbleitersubstrat durch gezielten Materialabtrag geätzt und anschließend das Halbleitersubstrat wieder gewogen, um dann das Volumen der Ätzstruktur aus der Gewichtsabnahme unter Berücksichtigung der Dichte des entfernten Materials zu berechnen. Durch das Messen des Gewichtsunterschiedes vor und nach dem Ätzprozess bei gleich zeitiger Kenntnis der Materialeigenschaften des abgetragenen Materials ist eine zerstörungsfreie Bestimmung der durch den Ätzprozess hervorgerufenen Volumenänderung und damit des Volumens der geätzten Struktur möglich. Der Wiegevorgang stellt darüber hinaus einen einfachen Messprozess dar und ermöglicht einen hohen Durchsatz bei den zu messenden Halbleitersubstraten bei gleichzeitig geringem apparativen Aufwand.According to one first embodiment The invention is used to determine the volume of an etched structure in a semiconductor substrate, the semiconductor substrate before the etching process weighed, then the structure in the semiconductor substrate through targeted Etched material removal and subsequently the semiconductor substrate weighed again, then the volume of the etched structure from the weight loss taking into account the density of to calculate the removed material. By measuring the difference in weight before and after the etching process at the same time knowledge of the material properties of the ablated Material is a non-destructive Determination of the etching process caused volume change and therefore the volume of the etched Structure possible. The weighing process puts over it It also provides a simple measurement process and enables high throughput in the semiconductor substrates to be measured at the same time low apparatus Effort.

Alternativ besteht gemäß einer zweiten Ausführungsform die Möglichkeit, zuerst die Struktur in das Halbleitersubstrat durch gezielten Materialabtrag zu ätzen, dann das Halbleitersubstrat zu wiegen, anschließend homogen eine dünne Opferschicht auf dem Halbleitersubstrat mit einer definierten Schichtdicke aufzubringen und dann das Halbleitersubstrat nochmals zu wiegen, um das Volumen der Ätzstruktur aus der Gewichtszunahme der Opferschicht unter Berücksichtigung der Dichte der Opferschicht und deren Schichtdicke und die Größe der Halbleitersubstratoberfläche vor dem Ätzen zu berechnen.alternative exists according to a second embodiment the possibility, first etch the structure into the semiconductor substrate by targeted material removal, then to weigh the semiconductor substrate, then homogeneously a thin sacrificial layer on the semiconductor substrate with a defined layer thickness and then weigh the semiconductor substrate again to the volume the etched structure taking into account the weight gain of the sacrificial layer the density of the sacrificial layer and its layer thickness and the size of the semiconductor substrate surface before the etching to calculate.

Gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform besteht die Möglichkeit, zuerst eine Opferschicht auf das Halbleitersubstrat aufzubringen und anschließend das Halbleitersubstrat zu wiegen, nach dem Ätzvorgang dann die Opferschicht ein zweites Mal auf dem Halbleitersubstrat aufzubringen und das Halbleitersubstrat dann nochmals wiegen, um das Volumen der Ätzstruktur aus der Gewichtszunahme unter Berücksichtigung der Dichte des Materials der Opferschicht und deren Schichtdicke zu berechnen.According to one further alternative embodiment it is possible, first apply a sacrificial layer to the semiconductor substrate and subsequently to weigh the semiconductor substrate, then the sacrificial layer after the etching process a second time on the semiconductor substrate and the semiconductor substrate then weigh again to reduce the volume of the etched structure from the weight gain consideration the density of the material of the sacrificial layer and its layer thickness to calculate.

Diese alternativen erfindungsgemäßen Prozessabläufe ermöglichen es, durch die Bestimmung der Gewichtszunahme einer zusätzliche eingesetzten Opferschicht, deren Zusammensetzung und Dicke bekannt ist, zerstörungsfrei die durch eine Ätzung hervorgerufene Volumenänderung zu ermitteln. Vorteilhaft an dieser Ausgestaltung ist, dass die Volumenänderung in einer geschlossenen Prozessfolge getrennt vom Ätzprozess selbst ermittelt werden kann.These allow alternative processes according to the invention It, by determining the weight gain of an additional used sacrificial layer, its composition and thickness known is, non-destructive by an etching caused volume change to investigate. An advantage of this design is that the volume change in a closed process sequence separate from the etching process itself can be determined.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung lässt sich mithilfe der Gewichtsmessung die Verbreiterung von Ätzgräben zum Ausbilden von flaschenförmigen Speicherkondensatorgräben schnell und insbesondere zerstörungsfrei ermitteln.According to one preferred training leaves using the weight measurement widening of etch trenches for Forming bottle-shaped Storage capacitor trenches fast and in particular non-destructive determine.

Um eine hochexakte Bestimmung der beim Ätzvorgang erzeugten Volumenänderung zu erzielen, werden bei der Berechnung der Gewichtsänderung alle Veränderungen am Halbleitersubstrat zwischen dem ersten und dem zweiten Wiegevorgang mit einbezogen. Weiterhin wird vorzugsweise vor jedem Wiegevorgang ein zusätzlicher Reinigungsschritt durchgeführt.Around a highly accurate determination of the volume change generated during the etching process to be achieved when calculating the weight change all changes on the semiconductor substrate between the first and the second weighing process included. Furthermore, preferably before each weighing a additional Cleaning step performed.

Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:The Invention will become apparent from the accompanying drawings explained in more detail. It shows:

1 eine mögliche Graben-Ätzstruktur, deren Volumen zerstörungsfrei mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelt werden kann, und 1 a possible trench etching structure whose volume can be determined non-destructively with the method according to the invention, and

2 schematisch einen Messaufbau zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens. 2 schematically a measurement setup for carrying out the method according to the invention.

Die Erfindung wird anhand der Ätzung einer flaschenförmigen Verbreiterung eines Grabens zu Ausbilden eines Speicherkondensators im Rahmen einer Prozessfolge zum Herstellen von DRAM-Speicherzellen auf Siliziumbasis erläutert.The Invention is based on the etching a bottle-shaped Broadening a trench to form a storage capacitor as part of a process sequence for producing DRAM memory cells explained on silicon basis.

1 zeigt stark schematisch in einer gemeinsamen Darstellung einem Graben zum Ausbilden eine Speicherkondensators vor und nach der Grabenerweiterung im unteren Grabenbereich zur Vergrößerung der Kondensatorfläche. Der flaschenförmige Graben für den Speicherkondensator wird dabei in einem zweistufigen Ätzprozess erzeugt, wobei mit einem Lithografieprozess zuerst im Wesentlichen zylinderförmige Gräben für die Speicherkondensatoren in das Siliziumsubstrat 1 eingeätzt werden. Hierzu werden nacheinander vorzugsweise eine Oxidschicht 2 und eine Nitridschicht 3 auf der Siliziumoberfläche erzeugt. Anschließend werden mit einer Maskenschicht die Bereiche der Grabenkondensatoren auf der Siliziumoberfläche festgelegt und durch eine anisotrope Ätzung dann die Gräben 4 mit einer Tiefe von in der Regel 5 bis 10 μm erzeugt. In einem nächsten Schritt wird dann im oberen Bereich 41 der Gräben, der nicht erweitert werden soll, eine Deckschicht 5, vorzugsweise eine Aluminiumoxidschicht, aufgebracht. Dies kann so erfolgen, dass die Gräben zuerst mit einer Füllschicht, z.B. Polysilizium, aufgefüllt werden. Die Füllschicht wird dann wieder zurückgeätzt, so dass sie nur in für die Grabenerweiterung vorgesehenen unteren Bereich 42 in den Gräben verbleibt. Dann wird als Schutzschicht die Deckschicht 5 abgeschieden. Diese Deckschicht wird im Bereich der Füllschicht in den Gräben wieder entfernt und anschließend die Füllschicht aus den Gräben komplett herausgeätzt. Es ergibt sich dann eine Grabenstruktur mit einem zylinderförmigen Graben 4 und einer Aluminiumoxidschicht als Deckschicht 5 im oberen Bereich 41, wie sie in 1 auf der linken Seite gezeigt ist. Es besteht auch die Möglichkeit mithilfe spezieller Abscheidetechniken die Deckschicht 5 nur im oberen Bereich 41 der Graben aufzubringen. Die Abscheidung erfolgt dabei selbst aufbrauchend, so dass sich die Deckschicht so tief ausbildet, wie sie benötigt wird. Mit einer zweiten, im wesentlichen isotropen Ätzung werden dann die Gräben im unteren Bereich 42 durch Abtrag von Siliziummaterial von den Grabenwänden erweitert. 1 zeigt auf der rechten Seite einen Graben nach einem solchen zweiten Ätzprozess. Der Graben 4 hat dann im Wesentlichen Flaschenform mit einem ersten schmäleren oberen Bereich 41 und einem verbreiterten unteren Bereich 43. 1 shows very schematically in a common representation of a trench for forming a storage capacitor before and after the trench extension in the lower trench region to increase the capacitor area. The bottle-shaped trench for the storage capacitor is thereby produced in a two-stage etching process, wherein with a lithographic process first substantially cylindrical trenches for the storage capacitors in the silicon substrate 1 be etched. For this purpose, one oxide layer is successively preferably 2 and a nitride layer 3 generated on the silicon surface. Subsequently, the regions of the trench capacitors on the silicon surface are fixed with a mask layer, and then the trenches are determined by an anisotropic etching 4 produced with a depth of usually 5 to 10 microns. In a next step is then in the upper range 41 the trenches, which should not be extended, a cover layer 5 , preferably an aluminum oxide layer applied. This can be done so that the trenches are filled first with a filling layer, eg polysilicon. The filling layer is then etched back so that they only in lower portion provided for the trench extension 42 remains in the trenches. Then, as a protective layer, the cover layer 5 deposited. This cover layer is removed again in the region of the filling layer in the trenches and then the filler layer is etched out completely from the trenches. This results in a trench structure with a cylindrical trench 4 and an aluminum oxide layer as a cover layer 5 in the upper area 41 as they are in 1 on the left Side is shown. There is also the possibility of using special deposition techniques, the top layer 5 only in the upper area 41 to raise the ditch. The deposition occurs self-consuming, so that the top layer forms as deep as it is needed. With a second, essentially isotropic etching then the trenches in the lower region 42 expanded by removal of silicon material from the trench walls. 1 shows on the right side a trench after such a second etching process. The ditch 4 then has substantially bottle shape with a first narrower upper area 41 and a widened lower area 43 ,

Um das Volumen der Ätzverbreiterung schnell und zerstörungsfrei ermitteln zu können, wird erfindungsgemäß so vorgegangen, dass mithilfe eines bekannten, in der Regel optischen Messverfahrens, die Höhe des verbreiterten unteren Grabenbereiches 43 bestimmt wird. Die eingesetzten optischen Messverfahren, im allgemeinen Infrarotmessverfahren, nutzen dabei die regelmäßige Anordnung der Gräben für die Speicherkondensatoren bei der Ausbildung der einzelnen DRAM-Speicherzellen auf dem Halbleitersubstrat. Die bei der Messung auf das Halbleitersubstrat eingestrahlte elektromagnetische Strahlung wird dabei unterschiedlich beeinflusst, je nachdem, ob die Gräben verbreitert sind oder nicht. Es besteht dann die Möglichkeit, aus der als reflektierte Strahlung aufgenommenen Messsignatur die durchschnittliche Höhe des verbreiterten Grabenbereiches zu bestimmen.In order to be able to determine the volume of etch broadening quickly and non-destructively, the procedure according to the invention is such that the height of the widened lower trench region is determined by means of a known, generally optical measuring method 43 is determined. The optical measuring methods used, generally infrared measuring methods, use the regular arrangement of the trenches for the storage capacitors in the formation of the individual DRAM memory cells on the semiconductor substrate. The electromagnetic radiation radiated into the semiconductor substrate during the measurement is influenced differently depending on whether the trenches are broadened or not. It is then possible to determine the average height of the widened trench region from the measurement signature recorded as reflected radiation.

Um die durch den zweiten Ätzprozess erfolgte Verbreiterung des Grabens im unteren Bereich genau bestimmen zu können, wird erfindungsgemäß ein durch die Volumenänderung hervorgerufener Gewichtsunterschied des Halbleiterwafers mithilfe einer hochauflösenden Waage 7 wie sie in 2 gezeigt ist, gemessen. Die Messergebnisse werden dabei von der Waage 7 an eine an die Waage angeschlossene Auswerteeinheit 8 übertragen und ausgewertet. Um die durch die zweite Ätzung zur Grabenverbreiterung hervorgerufene Gewichtsänderung ermitteln zu können, sind erfindungsgemäß verschiedene Vorgehensweisen möglich.In order to be able to precisely determine the broadening of the trench in the lower region, which is carried out by the second etching process, a weight difference of the semiconductor wafer caused by the volume change is achieved by means of a high-resolution balance 7 as they are in 2 shown is measured. The measurement results are from the balance 7 to an evaluation unit connected to the scale 8th transmitted and evaluated. In order to be able to determine the change in weight caused by the second etching for trench broadening, various approaches are possible according to the invention.

Gemäß einer ersten Variante wird der Halbleiterwafer zuerst vor dem zweiten Ätzprozess zur Verbreiterung der Gräben für die Speicherkondensatoren gewogen. Dann wird der zweite Ätzprozess zur Verbreiterung des unteren Grabenbereiches durch gezielten Materialabtrag ausgeführt und anschließend wird der Halbleiter-Wafer nochmals gewogen. Die an die Waage 7 angeschlossene Auswerteeinheit 8 ermittelt dann aus den beiden erfassten Messwerten des Halbleiterwafers 1 vor dem Ätzprozess und nach dem Ätzprozess die sich ergebende Gewichtsänderung und berechnet unter Berücksichtigung der Dichte des beim Ätzprozess entfernten Materials – hier Silizium – dann die durch den zweiten Ätzprozess hervorgerufene Volumenänderung. Aus der durch die zusätzliche optische Messung bekannten mittleren Höhe des Verbreiterungsbereiches im Graben ermittelt die Auswerteeinheit 8 dann weiter die sich durch den zweiten Ätzprozess ergebende Breite des unteren verbreiterten Grabenbereiches. Hierbei wird ein Wert für die mittlere Verbreiterung der Grabenstruktur bestimmt, der sich daraus ergibt, dass die aus der Gewichtsänderung bestimmte Volumenänderung durch die Anzahl der geätzten Graben-Strukturen geteilt wird.According to a first variant, the semiconductor wafer is first weighed before the second etching process for broadening the trenches for the storage capacitors. Then, the second etching process for broadening the lower trench region is carried out by targeted removal of material, and then the semiconductor wafer is weighed again. The to the Libra 7 connected evaluation unit 8th then determines from the two acquired measured values of the semiconductor wafer 1 before the etching process and after the etching process, the resulting change in weight and calculated taking into account the density of the removed during the etching process material - here silicon - then the volume change caused by the second etching process. From the known by the additional optical measurement mean height of the broadening range in the trench determines the evaluation 8th then the width of the lower widened trench area resulting from the second etching process. Here, a value for the average broadening of the trench structure is determined, which results from the fact that the volume change determined from the change in weight is divided by the number of etched trench structures.

Werden zwischen dem ersten und zweiten Wiegevorgang neben dem Ätzschritt zur Grabenverbreiterung noch weitere Strukturänderungen, z.B. Änderungen der Schichtdicken außerhalb oder innerhalb der geätzten Graben-Struktur vorgenommen, so werden diese Veränderungen bei der Berechnung der Gewichtsabnahme durch den Ätzvorgang mit einbezogen, um die Messgenauigkeit zu erhöhen. Diese zusätzlichen Änderungen werden dadurch berücksichtigt, dass z.B. aus der sich ergebenden Änderung der Schichtdicke, der Dichte des veränderten Materials und dessen belegter Fläche die zusätzliche Gewichtsänderung ermittelt wird. Um die Messgenauigkeit weiter zu erhöhen, kann zusätzlich vor jeder Messung der Halbleiterwafer gereinigt werden, um eine Verfälschung des Messergebnisses durch sich auf dem Halbleiterwafer befindlichen Verunreinigungen zu vermeiden. Hierzu wird insbesondere mit einem zusätzlichen Ätzschritt die sich bei Kontakt mit Luft auf dem Halbleiterwafer bildende Oxidschicht abgenommen.Become between the first and second weighing processes in addition to the etching step for trench broadening, further structural changes, e.g. amendments the layer thickness outside or within the etched Trench structure, so these changes in the calculation of the Weight loss by the etching process included in order to increase the measuring accuracy. These additional changes are taken into account that e.g. from the resulting change in layer thickness, the Density of the changed Material and its occupied area the extra weight change is determined. To further increase the measurement accuracy, can additionally Before each measurement, the semiconductor wafers are cleaned to a adulteration of the measurement result by being on the semiconductor wafer To avoid contamination. This is done in particular with a additional etching step the oxide layer formed on contact with air on the semiconductor wafer decreases.

Als Beispiel für die Messempfindlichkeit soll angenommen werden, dass die Waage eine Auflösung von 0,01 mg und eine 1 sigma Wiederholbarkeit von 0,08 mg besitzt. Unter der Annahme, dass die mittlere Höhe des verbreiterten Grabenbereiches 5 μm ist und als Halbleitersubstrat Silizium mit einer Dichte von 2,33 g/cm³ verwendet wird, wobei die durch die ersten Ätzung erzeugten Gräben die Form eines Hohlzylinders besitzen, ergibt sich bei einer Verbreiterung des unteren Grabenbereiches um ein 0,1 nm eine Gewichtsänderung von 0,05 mg. Unter Berücksichtigung der oben angegebenen Auflösung der Waage kann dann eine Grabenverbreiterung um 0,5 nm zuverlässig be stimmt werden, wie sich gemäß der Formel ergibt: 0,05 mg × 5 = 0,25 mg > 0,24 mg (3 sigma Wiederholbarkeit).As an example of the measurement sensitivity, it should be assumed that the scale has a resolution of 0.01 mg and a 1 sigma repeatability of 0.08 mg. Assuming that the mean height of the widened trench region is 5 μm and silicon having a density of 2.33 g / cm ^{3 is} used as the semiconductor substrate, with the trenches produced by the first etching being in the form of a hollow cylinder, this results in a Widening of the lower trench area by a 0.1 nm a weight change of 0.05 mg. Taking into account the above-mentioned resolution of the balance, a trench broadening of 0.5 nm can then be reliably determined, as is the result according to the formula: 0.05 mg × 5 = 0.25 mg> 0.24 mg (3 sigma repeatability) ,

Mit der erfindungsgemäßen Vorgehensweise, die Grabenverbreiterung über die Gewichtsabnahme durch den zweiten Ätzprozess zu bestimmen, besteht auch die Möglichkeit, Ätzdefekte zu überwachen. Solche Ätzdefekte treten dann auf, wenn die als regelmäßiges Muster auf dem Halbleiterwafer ausgeführten Gräben zur Ausbildung der Speicherkondensatoren aufgrund der zur Grabenverbreiterung eingesetzten Zusatzätzung durchbrechen und sich dann eine ungewünschte zusätzliche Materialabtragung ergibt. Dieser unerwünschte Materialabtrag kann als über den Erwartungsrahmen hinausgehende Gewichtsabnahme beim Wiegeprozess festgestellt und dann mithilfe weiterer bekannter Messverfahren der entsprechende Defektbereich ermittelt werden. Auch besteht die Möglichkeit, durch eine kontinuierliche Überwachung der Gewichtsabnahme während des Ätzprozesses die sich fortlaufend ergebende Verbreiterung zu ermitteln, um so dann z.B. den Zeitpunkt für einen Stop der Verbreiterungsätzung festzulegen.With the procedure according to the invention of determining the trench broadening via the weight decrease by the second etching process, it is also possible to monitor etching defects. Such etch defects occur when the trenches, designed as a regular pattern on the semiconductor wafer, form the memory Capacitors break due to the additional etching used for trench broadening and then results in an unwanted additional material removal. This unwanted removal of material can be detected as beyond the expectations of weight loss in the weighing process and then determined using other known measurement methods of the corresponding defect area. It is also possible, by continuously monitoring the weight loss during the etching process, to determine the consecutive broadening in order then, for example, to determine the time for stopping the broadening etch.

Alternativ zur dargestellten Vorgehensweise, das Gewicht des Halbleiterwafers vor und nach dem Ätzprozess zu bestimmen, besteht die Möglichkeit, die durch den Ätzprozess erfolgte Volumenänderung unabhängig vom Ätzprozess selbst zu ermitteln. Hierzu wird nach erfolgter Verbreiterungsätzung der Gräben eine zusätzliche Opferschicht, z.B. einen dünne Oxidschicht mit einer definierten Dicke auf den Halbleiterwafer aufgebracht. Der Halbleiterwafer wird dabei jeweils vor und nach Erzeugung der Opferschicht gewogen. Aus der sich ergebenden Gewichtszunahme unter Berücksichtigung der Dichte des als Opferschicht eingesetzten Materials und deren Schichtdicke wird dann die Größe der Oberfläche des Halbleiterwafers berechnet. Dieser Größenwert wird dann mit z.B. aus dem Schaltungsdesign der bekannten Oberflächenausdehnung des Halbleiterwafers vor der Verbreiterungsätzung der Gräben korreliert, um die durch die Verbreiterungsätzung hervorgerufene Volumenänderung bestimmen zu können. Aus dieser wird in der vorbeschriebenen Weise durch die an die Waage 7 angeschlossene Auswerteeinheit 8 unter Berücksichtigung der mittleren Höhe des verbreiten Grabenbereichs dann die durch die Ätzung erzielte mittlere Breite des unteren Grabenbereiches berechnet.As an alternative to the procedure described, to determine the weight of the semiconductor wafer before and after the etching process, it is possible to determine the volume change made by the etching process independently of the etching process itself. For this purpose, after the widening etching of the trenches, an additional sacrificial layer, for example a thin oxide layer having a defined thickness, is applied to the semiconductor wafer. The semiconductor wafer is weighed in each case before and after generation of the sacrificial layer. From the resulting increase in weight, taking into account the density of the material used as a sacrificial layer and the layer thickness, the size of the surface of the semiconductor wafer is then calculated. This magnitude value is then correlated with, eg, the circuit design of the known surface area of the semiconductor wafer prior to the widening etch of the trenches to determine the volume change caused by the widening etch. From this is in the manner described by the to the scale 7 connected evaluation unit 8th taking into account the mean height of the propagated trench region, then the mean width of the lower trench region obtained by the etching is calculated.

Um die Oberflächenausdehnung des Halbleiterwafers vor der Verbreiterungsätzung der Gräben direkt zu bestimmen, besteht gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Vorgehensweise die Möglichkeit, vor dem Ätzprozess zur Grabenverbreiterung eine Opferschicht in homogener Weise mit einer vorgegebenen Schichtdicke auf dem Halbleiterwafer aufzutragen und das Gewicht des Halbleiterwafers mit dieser Opferschicht zu messen. Die Opferschicht wird dann anschließend wieder entfernt und die Verbreiterungsätzung zur Ausbildung der flaschenförmigen Grabenstruktur durchgeführt. Dann wird nochmals eine Opferschicht mit derselben Schichtdicke wie vor der Ätzung auf den Halbleiterwafer aufgebracht und der Halbleiterwafer erneut gewogen. Aus dem Gewichtsunterschied sowie der Kenntnis der Dichte des Materials der Opferschicht und dessen Schichtdicke lässt sich die durch die Verbreiterungsätzung hervorgerufene Flächenvergrößerung und damit Volumenänderung bestimmen, aus der sich wiederum dann die Grabenverbreiterung unter Berücksichtigung der Höhe des Verbreiterungsabschnitts im Graben berechnen lässt.Around the surface area of the semiconductor wafer before the trench widening etch directly to determine, according to one another approach according to the invention the possibility, before the etching process for trench broadening a sacrificial layer in a homogeneous manner with Apply a predetermined layer thickness on the semiconductor wafer and the weight of the semiconductor wafer with this sacrificial layer measure up. The sacrificial layer is then removed and the Verbreiterungsätzung for the formation of the bottle-shaped Trench structure performed. Then again a sacrificial layer with the same layer thickness as before the etching applied to the semiconductor wafer and the semiconductor wafer again weighed. From the weight difference as well as the knowledge of the density the material of the sacrificial layer and its layer thickness can be by the broadening etch caused surface enlargement and thus volume change determine, in turn, then the trench broadening below consideration the height of the widening section in the trench.

Mit der erfindungsgemäßen Vorgehensweise besteht die Möglichkeit, auf einfache Weise und zerstörungsfrei über die Erfassung einer durch eine Ätzung erzeugten Gewichtsänderung das erzeugte Ätzvolumen bestimmen zu können. Diese Vorgehensweise kann für beliebige Ätzstrukturen eingesetzt werden.With the procedure according to the invention exists the possibility, easily and non-destructively over the Detecting a by an etching generated weight change the generated etching volume to be able to determine. This procedure can be for any etching structures be used.

Claims

Method for determining the volume of an etched structure in a semiconductor substrate with the method steps: To weigh the semiconductor substrate; etching a structure in the semiconductor substrate by targeted material removal; To weigh the semiconductor substrate; and Calculating the volume of the etched structure from the weight loss taking into account the density of removed material.

Method for determining the volume of an etched structure in a semiconductor substrate with the method steps: Etching one Structure in the semiconductor substrate by targeted removal of material; To weigh the semiconductor substrate; homogeneous deposition of a thin sacrificial layer the semiconductor substrate having a defined layer thickness; To weigh the semiconductor substrate; and Calculating the volume of the etched structure from the weight gain taking into account the density of Material of the sacrificial layer and its layer thickness and the size of the semiconductor substrate surface before the etching.

A method of determining the volume of an etch structure in a semiconductor substrate comprising the steps of: homogeneously depositing a first sacrificial thin film on the semiconductor substrate having a defined layer thickness; Weighing the semiconductor substrate; Removing the first sacrificial thin film from the semiconductor substrate; Weighing the semiconductor substrate; Etching a structure in the semiconductor substrate by targeted material removal; homogeneously depositing a second thin sacrificial layer on the semiconductor substrate having the defined layer thickness; Weighing the semiconductor substrate; Removing the second thin sacrificial layer from the Semiconductor substrate; Calculate the volume of the etched structure from the weight gain taking into account the density of the material of the sacrificial layer and its layer thickness.

A method according to any one of claims 1 to 3, wherein the etched structure a cylindrical Trench structure is and the etching process a spreading of a lower portion of the cylindrical trench structure causes, and wherein a depth of the non-widening area the trench structure and a depth of the trench structure determined to get out of the determined weight change the width of the widening to determine.

Method according to one of claims 1 to 4, wherein all change on the semiconductor substrate between the first and second weighing processes the calculation of the weight change be included in order to increase the accuracy of measurement.

Method according to one of claims 1 to 5, wherein before each Weighing a cleaning step is performed.