CH652237A5

CH652237A5 - Verfahren zum bestimmen des endpunktes eines physikalischen aetzprozesses und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens.

Info

Publication number: CH652237A5
Application number: CH3196/81A
Authority: CH
Inventors: Daniel Francis Downey; George Thomas Lecouras
Original assignee: Varian Associates
Priority date: 1980-05-16
Filing date: 1981-05-15
Publication date: 1985-10-31
Also published as: NL8102402A; GB2076330A; US4358338A; JPS579877A; FR2482783A1; DE3118834A1; GB2076330B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und auf eine Vorrichtung gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 8.

Beim selektiven Entfernen von Materialien zur Bildung eines Musters auf einer Oberfläche wurde üblicherweise ein Ab-tragungsprozess mittels harter Werkstücke mit oder ohne Abtragungsmittel oder ein nasses Ätzen mit einem chemischen Vorgang angewandt.

In der Halbleiterindustrie, wo Photowiderstände, Isolatoren, leitende Schichten oder Halbleitermaterialien bei der Herstellung integrierter Schaltkreise mit einem Muster versehen werden, war es nicht möglich, Abtragungsmittel zu verwenden. Der Grund hierfür liegt in den sehr feinen bzw. diffizilen betroffenen Geometrien und darin, dass Rückstände des Abtragungsmittels die hergestellten Schaltkreise verunreinigen würden. Obwohl nasse chemische Ätzvorgänge in der Halbleiterindustrie angewandt wurden, wurden sie in zunehmendem Masse aufgrund ihrer Kosten, des Zeitbedarfs, der Randbedingungen beim Anwenden dieses Verfahrens und aufgrund des Erfordernisses, giftige chemische Abfallprodukte zu beseitigen, als nicht wünschenswert angesehen.

Im Hinblick auf die oben angegebenen Gründe entstand ein Trend zu einem physikalischen Ätzen, bei dem Plasmabestandteile verwendet werden, um Substratmaterial selektiv zu entfernen. Bei einem «Ionen-Fräsen» oder einem reaktiven Ionenätzen werden energiehaltige Ionenstrahlen, die entweder in Richtung auf ein Target beschleunigt werden, oder die in einer Ionen-Sprüh-Entladung mit ausreichender Wucht erzeugt werden, angewandt. Dies entspricht im wesentlichen einem atomaren oder molekularen «Sandstrahlen», mit dem sehr feine Muster erhalten werden können und bei dem nur sehr geringe Rückstände verbleiben. Dieses Verfahren ist vorteilhaft auch deswegen, weil Rückstände sehr leicht abgeführt werden können und da keine toxischen Abfälle erzeugt werden. Beim «Ionen-Fräsen» wird die kinetische Energie von mcht-reagierenden atomaren oder molekularen Arten zum Ätzen verwendet. Es wurden auch chemisch reagierende Ionen von chemisch reagierenden Molekülen zum Ätzen verwendet, um die kinetischen Effekte mit den chemischen Effekten zu kombinieren, um die Ätzgeschwindigkeit zu erhöhen und eine Selektivität vorzusehen.

Als sich die Halbleitertechnik zur Fertigung von zunehmend komplexeren Strukturen entwickelte, wurde es zunehmend wichtiger, effektivere Ätztechniken zu entwickeln und einen höheren Durchsatz zu erhalten. Insbesondere war es wichtig, Hinterschneidungen und Überätzen zu vermeiden. Bei «LSI»-Strukturen (hochintegrierte Schaltkreise) ist es wünschenswert, mit einer feinen Steuerung hinsichtlich der Ätztiefe zu ätzen, d.h. man will vermeiden, tieferliegende Schichten zu zerstören. Folglich ist es in hohem Masse wünschenswert, in der Lage zu sein, zu bestimmen, wie tief man in ein vorgegebenes Material eingedrungen ist und zu bestimmen, wann man eine Grenzschicht zwischen unterschiedlichen Materialien erreicht hat. Diese Information wurde früher durch Messung der Intensität des Ionenstrahles und der Anwendungszeit gewonnen. Allerdings ist es bei den grösseren Strahl-Intensitäten, die für einen grösseren Durchsatz angewandt werden mussten, möglich, in kurzen Zeitperioden Grenzen zu überschreiten und kritische Gebiete der herzustellenden integrierten Schaltkreise zu zerstören. Folglich ist es in hohem Masse wünschenswert, eine sofortige Anzeige zu erhalten, wenn man mit einem Ionenstrahl durch eine Grenzschicht zwischen unterschiedlichen Materialien hindurch ätzt,

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d.h. eine Grenzschicht zwischen einem Leiter und einem Iso- zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung;

lator oder einem Isolator und einem Halbleitersubstrat. Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer Platte und einer

Bei den bekannten Ionenätzsystemen wurden mehrere Maske, die bei der Vorrichtung nach Fig. 1 angewandt verschiedene Techniken zur Bestimmung des Endpunktes ver- werden;

wendet. Es wurden Quarzkristall-Mikrowaagen verwendet, 5 Fig. 3 ein Blockschaltbild eines Schaltkreises zur elektri-um das Gewicht eines Gegenstandes während dessen Ätzen zu sehen Bestimmung eines Stromes durch den zu ätzenden Gemessen. Wenn der Gegenstand geätzt wird, so verliert er an genstand;

Gewicht; kennt man die zu ätzende Fläche und die Dichte Fig. 4 ein schematisches Schaltbild eines Differentiators (bzw. das spezifische Gewicht) des Materials, so kann man die der Figur 3;

Ätztiefe bestimmen. io Fig. 5 ein schematisches Schaltbild eines Zeit-Diskrimina-

Eine andere Lösung verwendet ein Quadrupol-Gasanaly- tors der Figur 3;

siergerät, das die Anwesenheit bestimmter gasförmiger Stoffe Fig. 6 ein schematisches Schaltbild einer Steuerlogik der in dem System erfasst. Wenn ein bestimmter Stoff detektiert Figur 3;

wird, so wird daraus geschlossen, dass eine Grenze zwischen Fig. 7a-7d eine Serie von Zeitverläufen eines Ionenstrahl-unterschiedlichen Materialien erreicht wurde. Diese Lösung 15 stromes durch ein Plättchen hindurch für verschiedene Matekann bestimmen, ob eine bestimmte Schicht erreicht wurde, rialkombinationen.

jedoch ist sie nicht besonders gut dafür geeignet, die Ätztiefe Erfindungsgemäss wird der Endpunkt eines physikali-

zu messen. sehen Ätzprozesses dadurch bestimmt, dass der Strom durch

Die vorherrschende Technik besteht darin, die Länge des den zu ätzenden Gegenstand gemessen wird und dass Ände-

Ätzens, bezogen auf geeichte Ätzgeschwindigkeiten zu über- 20 rangen des gemessenen Stromes erfasst werden. Änderungen wachen. Diese Lösung ist dann nützlich, wenn man selektive dieses Stromes zeigen Übergänge zwischen unterschiedlichen

Ätzmittel benutzt, d.h. Ätzmittel, die das betroffene darüber- Materialien an oder die Eindringtiefe bei einem bestimmten liegende Material mit weitaus höherer Geschwindigkeit ätzen Material. Momentane Änderungen des Ätzflusses, d.h. eines als das darunterliegende Material. Die Anwendung von Ätz- Ionenstrahles, können dadurch ausgeklammert werden, dass verfahren mit überwachter Zeit ist bei selektiven Ätzmitteln 25 der Strom einer Maske gemessen wird, die in der Nähe des zu zufriedenstellend, wenn das selektive Ätzmittel ein Ätzver- ätzenden Gegenstandes angeordnet ist und dadurch, dass der hältnis in der Grössenordnung von 30:1 oder grösser hat (das Maskenstrom von dem gemessenen Strom durch den zu ät-

Ätzverhältnis ist die Ätzgeschwindigkeit des zu ätzenden Ma- zenden Gegenstand subtrahiert wird.

terials, bezogen auf die Ätzgeschwindigkeit des darunterlie- Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel genden Materials). Hat man ein zu niedriges Ätzgeschwindig- 30 der Erfindung beschrieben. Bei der nachfolgenden Beschrei-keitsverhältnis, beispielsweise von 10:1 oder niedriger, so bung wird der Ausdruck «darüberliegende Schicht» zur Bedringt man leicht zu tief in das Substrat ein oder man kann Schreibung der zu ätzenden Schicht verwendet. Der Ausdruck das betreffende Material hinterschneiden. Das Verfahren, das «Basisschicht» bezeichnet diejenige Schicht, die als nächste eine Zeitüberwachung zur Bestimmung des Endpunktes an- unter der «darüberliegenden Schicht» liegt. Die Ausdrücke wendet, ist daher insbesondere bei reaktiven Ionenätzsyste- 35 «zu ätzender Gegenstand», «Substrat» oder «Target» bezeich-men ungeeignet, da das reaktive Ionenätzen die Ätzwirkung nen die Gesamtheit der «darüberliegenden Schichten» und der kinetischen Energie des Ionenstrahles und die der chemi- der «Basisschichten». Der Ausdruck «Endpunkt» bezeichnet sehen Eigenschaften kombiniert. Dies bedeutet: da die Selek- den Zeitpunkt, bei dem eine bestimmte Änderung des gemes-tivität auf einem chemischen Vorgang beruht, kann man ein senen Stromes durch das «Target» hindurch beobachtet wird. Ätzmittel haben, das chemisch durchaus selektiv ist; dieses 40 Der Ausdruck «durch das Target hindurch» oder «Strom Ätzmittel ätzt jedoch auch die tieferliegende Schicht mit einer durch den zu ätzenden Gegenstand» ist in allgemeinem Sinne Geschwindigkeit, die der Geschwindigkeit für die darüberlie- verwendet und umschliesst einen gemessenen Strom an ir-gende Schicht vergleichbar ist und zwar aufgrund der kineti- gendeinem Punkt des Substrates; dieser Ausdruck umschliesst sehen Energie des Ionenstrahls. Wie oben erwähnt, ist es bei daher auch einen Strom, der auf der Rückseite eines Substra-höherkomplexen oder Mehrschichtschaltkreisen oder insbe- 45 tes gemessen wird, oder den Strom der auf der Oberfläche des sondere bei dünnen tieferliegenden Schichten, wie z.B. Gate- Subtrates rings um seinen Umfang gemessen wird. Durch die-Oxiden bei MOS-Schaltkreisen wünschenswert, die Ätz- sen Ausdruck werden daher sowohl Bahn- bzw. Restwiderschritte bis zu einer spezifischen Tiefe bis zu 100 nm durchzu- standseffekte (bulk résistance) und Oberflächenschichtwider-führen. Eine Beendigung des Ätzens innerhalb derart kurzer standseffekte abgedeckt. In physikalischer Hinsicht wird anDistanzen kann mit den oben beschriebenen Techniken u.U. so genommen, dass die beobachteten Änderungen des Stromes nicht erreicht werden. mit dem Zeitpunkt übereinstimmen oder nahe bei ihm hegen,

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Ver- zu dem ein gewisser Teil der darüberliegenden Schicht vollfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Endpunk- ständig entfernt wurde und die Basisschicht teilweise bloss-tes eines physikalischen Atzprozesses zu schaffen, mit dem liegt. Es ist derjenige Punkt, zu dem Effekte differentieller se-auch bei sehr geringen Ätztiefen die Beendigung des Ätzvor- 55 kundärer Elektronen oder Leitfähigkeitseffekte in der Basisganges sehr genau festgestellt werden kann. Insbesondere soll schicht im Vergleich zu den Effekten in der darüberliegenden die Erfindung bei einem reaktiven Ionenätzen anwendbar Schicht beobachtbar werden. Von diesem Punkt an, bis die sein. gesamte darüberliegende Schicht vollständig entfernt wurde, Das erfindungsgemässe Verfahren ist durch die im kenn- wird der vorherrschende Effekt stetig den gemessenen Strom zeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angeführten Merk- 60 durch das Target oder das Substrat ändern, bis die Stromcha-male gekennzeichnet. rakteristik der Grundschicht feststellbar ist. Da der Endpunkt

Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist durch die im als der Punkt definiert ist, zu dem die Basisschicht anfängt,

kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 8 angeführten frei zu liegen, muss der Ätzprozess für eine ausreichende Zeit

Merkmale gekennzeichnet. fortgesetzt werden, um die Basisschicht vollständig bloss zu

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausfüh- « legen. Diese weiter dauernde Zeit wird als «Überätzzeit» be-

rungsbeispieles im Zusammenhang mit den Figuren ausführ- zeichnet. In der Technik wird sie als Prozentsatz der Zeit ge-

licher erläutert. Es zeigt: wählt, die zum Ätzen der darüberliegenden Schicht benötigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung wurde, wobei die Ionenstrahlbedingungen und die physikali-

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sehen Randbedingungen gleich bleiben. Die Mechanismen, denen der gemessene Strom durch ein Targetmaterial, das einer Ionenbombardierung ausgesetzt ist, unterliegen, sind allgemein bekannt. Sie umfassen den effektiven Widerstand des Targets und irgendeiner Halterung, wobei hier ein Effekt der Kombination der Widerstände aller Schichten zugrundeliegt. Weiterhin umfassen diese Mechanismen die Emission von Sekundärelektronen von der bombardierten Oberflächenschicht, sowie auch die Emission von Sekundärionen von der bombardierten Oberflächenschicht. Weiterhin auch das Einfangen von Ladungen in den Schichten des Halbleitermaterials und schliesslich tertiäre Effekte, durch welche die von dem Substrat emittierten Sekundärelektronen zu ihm zurückkehren (in manchen Fällen können diese Ladungen bewusst wieder zurückgeführt werden, beispielsweise durch eine Neutralisieranordnung).

Diese Effekte hängen von dem betreffenden Material ab und beeinflussen den gemessenen Strom durch ein von einem Ionenstrahl bombardiertes Target direkt. Sie tragen wirksam zu dem realen Ionenstrahlstrom bei oder sind von ihm abzuziehen. Folglich sollte berücksichtigt werden, dass der gemessene Strom durch das Target, welches im folgenden als Halb-leiterplättchen bezeichnet wird, eine Kombination eines tatsächlichen Ionenstroms von einem auftreffenden Strahl und dieser weiteren Effekte darstellt. Diese Effekte hängen von den Charakteristiken der zu irgendeinem Zeitpunkt bestrahlten bzw. beschossenen Schicht (die über einer Basisschicht liegt) ab und erlauben zu folgern, welche Schicht tatsächlich bestrahlt bzw. bombardiert ist. Diese Effekte ermöglichen einen primären Weg zur Definition eines Endpunktes, der nicht von Gesamtstrompegeln sondern lediglich von Änderungen des Stromes abhängt.

Sehr oft, wie auch bei der nachfolgenden Beschreibung, wird das Substrat in einer Platte gehalten, so dass Messungen sehr bequem an der Platte durchgeführt werden können. Folglich gilt dann:

Ip = Ir ~ Ii + Ise wobei

Ip = Strom von der Platte zu Masse IR = Strom der realen Ionen des auftreffenden Strahles Ix = Strom aufgrund sekundärer positiver Ionen ISE = Strom aufgrund sekundärer Elektronen.

Bei Fällen, bei denen die Leitfähigkeitsmechanismen nicht dominant sind, kann IR als konstant angesehen werden und ausgeklammert werden, indem eine Maske angewandt wird, um dieses Glied zu messen und zu subtrahieren, wie nachfolgend beschrieben. In vielen Fällen kann die Sekundäremission von Ionen ignoriert werden. Folglich gilt, wenn die Emission von Sekundärelektronen prädominant ist:

dlp = +dISE

Man kann dann Übergänge zwischen unterschiedlichen Materialien beobachten, da diese Materialien unterschiedliche Elektronenemissionscharakteristiken haben (vgl. G. Carter, et al., Ion Bombardent in Solids, Kap. 3, «Secondary Electron Emission» (1968); D. E. Gray, Hrsg. American Institute of Physics Handbook, «Secondary Emission», S. 9-183 ff., 3. Auflage (1972).

Es sei daraufhingewiesen, dass ISE über eine Vorspannung an einer Maske gesteuert werden kann, welche über dem Substrat und der Platte liegt, so dass dieser Wert wahlweise vergrössert oder verkleinert werden kann. Eine positive Vorspannung wird zusätzliche Elektronen aus der Oberfläche herausziehen, während eine negative Vorspannung Emissionen unterdrücken wird, emittierte Elektronen zurückstossen wird und sie als Tertiärelektronen zurück zu dem Substrat senden wird.

Wenn die Leitfähigkeitseffekte prädominant sind, d.h. wenn die Charakteristiken der Sekundärelektronen ähnlich sind, die Widerstandseigenschaften jedoch unterschiedlich, so kann ISe als konstant bzw. als klein angesehen werden, so dass gilt:

dlp = — dIR.

Folglich wird dieser Ausdruck abnehmen, wenn man durch eine leitfähige darüberliegende Schicht in eine isolierende Basisschicht hineinätzt und er wird anwachsen, wenn man durch eine isolierende Schicht hindurch in eine leitfähige Schicht ätzt. Der vorgenannte Effekt wird eine Stromkurve erzeugen, die dazu verwendet werden kann, die Eindringtiefe in eine darüberliegende leitfähige Schicht zu bestimmen.

Bei den meisten Kombinationen aus einer darüberliegenden Schicht und einer Basisschicht kann der vorherrschende Effekt vorherbestimmt werden und/oder empirisch ermittelt werden. Die übrigen Effekte können zwar anwesend sein, sie werden jedoch durch den feststellbaren vorherrschenden Effekt im wesentlichen überdeckt. Die vorhersagbare Prädominanz eines bestimmten Effektes ermöglicht die Anwendung der vorliegenden Erfindung zur Bestimmung eines Überganges zwischen verschiedenen Materialien und in bestimmten Fällen zur Bestimmung der Eindringtiefe in ein bestimmtes Material.

Figur 1 zeigt den grundlegenden Aufbau einer Vorrichtung zur Durchführung der vorhegenden Erfindung. Diese Vorrichtung enthält einen reaktiven Ionenstrahlätzer des Typs RE-580 der Firma Varian/Extrion. Sie enthält eine Be-schickungs- und Entnahmevorrichtung für den zu ätzenden Gegenstand entsprechend der US-Patentschrift 3 901 183. Die in Figur 1 gezeigte Vorrichtung ist ein Beispiel für viele mögliche Konfigurationen, mit denen das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden kann. Eine Ionenquelle 10 erzeugt eine Ionenart oder eine Gruppe von Ionenarten, die extrahiert werden und längs eines geradlinigen Weges in Richtung auf ein Substrat 11, das auf einer Platte 12 angeordnet ist, durch Spannungen an Extraktionsplatten 8 und Beschleunigungsplatten 9 beschleunigt wird. Normalerweise ist der Ionenstrahl nicht analysiert, so dass eine Ionenquelle mit breitem Strahl des Typs «Kaufmann» verwendet werden kann (f. 15 cm Kaufmann Quelle von Ion Tech., Fort Collins, Colorado). Diese Quellenart ermöglicht auch die Abdeckung einer grösseren Fläche mit einer weniger komplizierten Ausrüstung. Solche Breitstrahlquellen werden aufgrund der Zuverlässigkeit und der Präzision des End-punkt-Bestimmungsverfahrens der vorliegenden Erfindung in grösserem Umfange anwendbar, da grössere Ungleichförmig-keiten des Ionenstrahles bei äquivalenten Ätztoleranzen zugelassen werden können, sofern es direkt und mit grosser Präzision bekannt ist, wann Materialübergänge auftreten.

Ein Ionenstrahl 14 wird auf ein Halbleiter substrat 11 auftreffen, das eine bestrahlte bzw. bombardierte Oberfläche 15 besitzt. Normalerweise wird die bombardierte Oberfläche 15 ein Muster aufweisen, das durch Photowiderstandstechnik bestimmt ist. Gebiete der bombardierten Oberfläche werden mit einer Geschwindigkeit geätzt, die von der bestimmten Art des Strahles, der Strahlenergie, den Charakteristiken des Materials der bombardierten Schicht, einschliesslich deren chemischer Reaktivität mit der Ionenart und der Dichte oder der Kristallstruktur abhängt. Das durch das Muster abgegrenzte Material, das geätzt werden soll, wird normalerweise erheblich schneller geätzt als das Photowiderstandsmaterial. Auf

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alle Fälle kann die Dicke des Photowiderstandsmaterials so rangen der Quelle und nicht durch Änderungen des Substra-ausgewählt werden, dass sie gross genug ist, eine ausreichende tes verursacht sind. Folglich wird auch kein Endpunkt ange-

Sicherheitsspanne vorzusehen, so dass alles bestrahlte Mate- zeigt. Später, wenn der Plattenstrom an der Stelle 38 anzustei-

rial geätzt ist, bevor das Photowiderstandsmaterial abgenutzt gen beginnt, wird ein Endpunkt signalisiert, da die Änderung wird. 5 nur bei dem Plattenstrom auftritt, so dass sie auf physikali-

Das Halbleitersubstrat 11 ist auf einer Platte 12 montiert sehen Änderungen in dem Substrat beruht.

und steht mit dieser in elektrisch leitendem Kontakt. Vor- Ein für die Verwendung in dem Schaltkreis zur Durchfüh-zugsweise ist die Platte so ausgebildet, dass sie sowohl einen rang des Verfahrens der vorhegenden Erfindung geeigneter guten thermischen als auch einen elektrischen Kontakt mit Differenzierer ist in Figur 4 dargestellt. Der Eingangsstrom dem Substrat hat, so dass von der Platte 12, durch die Rück- io wird auf einer Leitung 43 einem dreistufigen linearen Operasele, die inneren Bereiche des Substrates hindurch bis zur tionsverstärkernetzwerk zugeführt. Die Operationsverstärker Grundschicht und durch die darüberliegende Schicht ein lei- 40,41 und 42 sind beispielsweise Operationsverstärker der tender Weg vorhanden ist. Alternativ hierzu wird bei einer Firma National Semiconductor des Typs LM 351, während «Waycool-Platte», die in der US-Patentanmeldung 21 362 der Transistor 46 vom Typ 2M3904 ist. Ein Schalter 44 macht vom 16. März 1979 beschrieben ist (vgl. Fig. 2), das Halblei- 15 aus der ersten Stufe einen Vorzeichenwechsler, wenn er umge-tersubstrat durch einen Klemmring 27 gegenüber einer Platte legt ist. Diese Stellung wird beispielsweise dann verwendet, 26 gehalten, die mit einem nachgiebigen, thermisch leitfähi- wenn bekannt ist, dass der Strom durch die Platte sich am gen Material beschichtet ist. Da dieses nachgiebige, thermisch Endpunkt verringert anstatt sich zu vergrössern. Folglich leitfähige Material kein guter elektrischer Leiter ist, wird der muss der übrige Teil des Schaltkreises lediglich positive Ände-primäre elektrische Kontakt durch ein Einklemmen des Plätt- 20 rangen der Endpunkte interpretieren. Die umgekehrte Logik chenrings um seine Umfangsfläche hergestellt. Folglich ist der bezieht sich auf den Fall, dass es bekannt ist, dass der Strom an der Platte gemessene elektrische Strom der Strom, der über durch die Platte sich am Endpunkt vergrössert. Die zweite die Oberfläche der darübergelegten Schicht zu dem Klemm- Stufe enthält einen Operationsverstärker 41, der mit Ein-ring fliesst. Wie in Figur 1 gezeigt, ist eine Strommesseinrich- gangs- und Rückkopplungskondensatoren und Widerstän-tung 16 mit der Platte verbunden, um den Strom durch das 25 den geeigneter Werte beschaltet ist und der das Stromsignal Substrat bzw. das Target (vgl. die oben angegebene Defini- differenziert. Durch einen Operationsverstärker 42 wird eine tion des Ausdruckes) zu messen. Der Strom durch eine leitfä- zweite Differentiation ausgeführt, um die Empfindlichkeit zu hige Maske 18 wird durch ein Ampèremeter 17 gemessen, so erhöhen. Der Ausgang wird dann entkoppelt und von einem dass der momentane Wert des Ionenstrahlstromes aus dem Kollektor 45 eines Transistors 46 abgegriffen. Es ist klar, dass gemessenen Wert des Stromes durch das Substrat hindurch 30 die Differenzierer 34 und 35 der Figur 3 notwendigerweise ausgefiltert werden kann. Dies ist in Figur 2 gezeigt, wo die identisch arbeiten, d.h. sie sind beide gemäss Fig. 4 aufgebaut Maske 25 durch isolierende Abstandhalter 28 von der «Way- oder durch irgendwelche anderen Schaltkreise, die einen cool»-Platte 29 getrennt ist. Über eine Spannungsquelle 19 Gleichlauf ermöglichen. _

kann die Maske 18 noch mit einer Vorspannung beaufschlagt Figur 5 zeigt ein Ausführangsbeispiel eines Zeitdiskrimiwerden. 35 nators, der in dem Schaltkreis der Figur 3 verwendet wird.

Wie oben beschrieben, wird der Strom durch eine Maske Die Schaltkreiselemente 50,51,52 und 57 sind NAND-Gat-gemessen, die der Platte benachbart liegt, um momentane ter, wie sie beispielsweise in dem Baustein 74C00 der Firma Schwankungen der Intensität des Ionenstrahles auszu- National Semiconductor enthalten sind. Die Schaltkreiseleklammern. mente 53,54,55 und 56 sind monostabile/astabile Multivi-

Figur 3 zeigt ein Blockschaltbild für eine Möglichkeit wie 40 bratoren wie z.B. die Multivibratoren CMOS 4047 der Firma die Masken- und Platten-Stromsignale verarbeitet werden National Semiconductor. Das Plattenstromsignal, z.B. das können. Dieses Blockschaltbild bezieht sich auf eine frühzei- zweifache differenzierte Ausgangssignal der Fig. 4 wird über tige Digitalisierung und eine Differentiation der gemessenen eine Leitung 58 dem monostabilen/astabilen Multivibrator 55

Signale und stellt lediglich eine Möglichkeit dar, die Stromsi- zugeführt.

gnale zu verarbeiten, um Änderungen zu erfassen. Der Strom 45 Das Bezugssignal wird über eine Leitung 59 dem mono-durch die Maske wird auf einer Leitung 31 als Bezugsstrom stabilen/astabilen Multivibrator 53 zugeführt. Wird sowohl einem Differenzierer 33 zugeführt. Weitere Einzelheiten des an der Maske als auch an der Platte eine Störung festgestellt, Differenzierers sind im Zusammenhang mit Figur 4 beschrie- so werden die digitalen Impulse von den monostabilen/asta-ben. Der Strom durch das Substrat und die Platte wird auf ei- bilen Multivibratoren 54 und 56 einander entgegengesetzte ner Leitung 32 einem Differenzierer 34 zugeführt. In jedem 50 Vorzeichen haben und das NAND-Gatter 57 wird kein Aus-Fall erfasst der Differenzierer Änderungen des Stromes, deren gangssignal abgeben. Ändert sich andererseits das Platten-Ableitungen das gleiche Vorzeichen haben wie der erwartete stromsignal auf der Leitung 58, jedoch nicht das Masken/BeEndpunkt. (Da der vorherrschende Mechanismus beim jewei- zugsstromsignal auf der Leitung 59 und dauert diese nicht ligen Fall bekannt ist, ist auch die Richtung der Änderung des gleichlaufende Änderung länger als die in den monostabilen/ Stromes bekannt). Die digitalisierten Ausgangssignale der 55 astabilen Multivibratoren eingebaute Verzögerung, so liefert Differenzierer 33 und 34 werden einem Zeit-Diskriminator 35 das NAND-Gatter 57 ein Ausgangssignal, das eine Verriegezugeführt (weitere Einzelheiten sind im Zusammenhang mit lung triggert, die durch kreuzweise gekoppelte NAND-Gatter Figur 5 beschrieben), wo der Masken-Bezugsstrom wirkungs- 50 und 51 gebildet ist. Der Ausgang des NAND-Gatters 50 mässig heraussubtrahiert wird und wo die Dauer irgendwel- bezeichnet den Verriegelungszustand. Er wird an einem An-cher tatsächlicher Änderungen des Plattenstromes mit einem 60 schluss 61 als Ausgang des Zeitdiskriminators abgegriffen. Zeitnormal verglichen wird. Wenn eine Abweichung von ei- Nachdem die Verriegelung getriggert ist, wodurch sie die Er-nem Grundstrom für eine Zeitperiode anhält, die länger ist als fassung des Endpunktes signalisiert hat, kann sie über eine das Zeitnormal, dann wird angenommen, dass ein Endpunkt Leitung 60 zurückgesetzt werden.

aufgetreten ist. Der Zeitdiskriminator gibt ein scharf-flanki- Figur 6 zeigt die Steuerlogik des Schaltkreises der Figur 3.

ges Ausgangssignal an eine Steuerlogik 36, deren Einzelheiten 6S Die Steuerlogik dient dazu, von dem Zeitdiskriminator 35

im Zusammenhang mit Fig. 6 detaillierter beschrieben sind. eine Anzeige dafür zu erhalten, dass er Endpunkt erreicht ist.

Die in Figur 3 gezeigten Kurven zeigen, dass Störungen 37 Die Steuerlogik steuert dann die Fortsetzung des Ätzens für des Plattenstromes und 37' des Bezugsstromes durch Ände- die Überätzzeit, die, wie oben beschrieben, ein vorbestimmter

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Prozentsatz der Zeit für das Ätzen der darübergelegten Schicht ist. Der Beginn des Ätzens der darübergelegten Schicht wird durch ein NAND-Gatter 72 hindurch einem NAND-Gatter 73 signalisiert, welches einen Taktgeber 75 startet. Dieser schwingt dann, wodurch ein Aufwärtszählen eines Zählers 76 eingeleitet wird. Dieser Zähler kann beispielsweise auf dem Baustein CMOS 74C193 der Firma National Semiconductor aufgebaut sein. Dieses Zählen wird über die Ätzperiode bis vor dem Endpunkt durchgeführt und kann durch Betätigen des NAND-Gatters 71 angehalten werden oder, wenn der Lauf abgebrochen ist, kann der Zähler 76 zurückgesetzt werden. Andernfalls stellt der Zählinhalt zu dem Zeitpunkt, zu dem der Endpunkt erreicht ist, die gesamte Ätzzeit dar. Wenn von dem Zeitdiskriminator 65 der Endpunkt angezeigt wird, so ändert sich der Ausgang des NAND-Gatters 67. Zu diesem Zeitpunkt geht die Basis des Transistors 83 auf hohen Pegel, worauf Strom durch eine Lichtemittierende Diode (LED) 82 gezogen wird, die den Endpunkt visuell anzeigt. Gleichzeitig verschiebt sich der Ausgang 84 des Zeitdiskriminators 65, wodurch das NAND-Gatter 69 ausgeschaltet wird, so dass das NAND-Gatter 73 über das NAND-Gatter 70 ausgeschaltet wird. Gleichzeitig ändert das NAND-Gatter 69 seinen Zustand aufgrund des Signales von dem NAND-Gatter 68. Diessetzt seinerseits einen Abwärtszähl-Taktgeber 74 in Betrieb, worauf der Zähler 76 abwärtszählt. Die Geschwindigkeit des Taktgebers bestimmt im Vergleich zu der des Taktgebers 75 das Ausmass des Überätzens. Diese relative Geschwindigkeit der Zähler ist variabel und kann extern durch eine Bedienperson eingestellt werden, normalerweise für einen Überätzbereich von 1-100%. Wenn der Zähler 76 den Wert Null erreicht, so wird ein Impuls zu dem NAND-Gatter 78 übertragen, der seinerseits mit dem NAND-Gatter 77 zur Bildung einer Verriegelung kreuzweise verschaltet ist. Der Ausgang des NAND-Gatters 78 schaltet den Transistor 84 ein, so dass durch ein LED 85 ein Strom gezogen wird, der das Ende des Überätzens visuell anzeigt. Gleichzeitig schaltet der Ausgang des NAND-Gatters 77 das NAND-Gatter 79 ein, so dass der Ausgang des NOR-Gatters 80 die Ionenstrahlquelle abschalten bzw. steuern kann. Zu diesem Zeitpunkt wird, wo es angezeigt ist, ein Rücksetzsignal erzeugt, worauf die Steuerlogik zur Steuerung eines neuen Vorgangs nach dem Empfang eines neuen Startsignals am Eingang des NAND-Gatters 72 bereit ist.

Wie nachfolgend beschrieben wird, zeigen kleine Änderungen des gemessenen Stroms durch das Substrat eindeutig einen Übergang zwischen Materialien an. Für gewisse Materialien kann die Zunahme oder Abnahme des Ionenstrahl-stromes quantitativ dazu benutzt werden, die Eindringtiefe zu bestimmen. Auch kann die Steilheit, d.h. die Änderungsgeschwindigkeit des gemessenen Stromes Endpunkte signalisieren, wie z.B. bei Zwei-Schicht-Dielektrika, wobei eine Änderung von einer Steilheit zu einer anderen anzeigen kann, dass ein Übergang von einem Material zu einem anderen Material vorhegt. In den meisten Fällen ist es wünschenswert, Änderungen des Ionenstrahlstromes auszuklammern, welche durch Änderungen der Intensität der Quelle verursacht sind.

Folglich ist eine Maske zwischen der Quelle 10 und der Platte 12 angeordnet. Diese Maske dient sowohl dazu, die Platte vor einem exzessiven Aufbau von Ionenstrahlrückstän-den zu schützen als auch als Plattform zur Aufnahme eines Ionenstrahlstromes, der auf Flächenbasis nahe an dem liegt, der durch Substrat gemessen wird. Die Maske kann auch elektrisch vorgespannt sein, wie nachfolgend erläutert.

Das praktische Verfahren der Endpunktbestimmung gemäss der vorliegenden Erfindung wird im Zusammenhang mit speziellen Materialkombinationen erläutert. Die dargestellten Kombinationen entsprechen den am meisten verwendeten Kombinationen, wobei allerdings auch andere Kombinationen möglich sind; dazu gehören

Doppelschichtisolator-Siliciumnitrid auf Siliciumdioxid, Siliciumnitrid auf III-V-Verbindungen und Halbleiter auf 5 Metallen. Die folgenden beispielhaft beschriebenen Kombinationen zeigen auch den Einfluss der Mechanismen, insbesondere der Leitfähigkeit- und Sekundärelektronenemissions-mechanismen, die oben allgemein beschrieben wurden.

io Leiter auf Isolator

Ein letzter Schritt bei den meisten integrierten Schaltkreisen enthält eine Metallisierung. Diese Metallisierung muss Teile des integrierten Schaltkreises selektiv verbinden. Normalerweise liegt sie auf einer isolierenden Schicht aus Silici-15 umdioxid oder Siliciumnitrid, wobei durch Öffnungen in dem Isolator ein Kontakt mit aktiven Bereichen hergestellt wird. Die Bildung bzw. Abgrenzung des Verbindungsmusters wird durch Aufbringen einer gemusterten Schicht eines Photowiderstandsmaterials über eine Schicht des Metallisierungsma-2oteriales, beispielsweise aus AlCuSi ausgeführt. Das Muster wird dann durch Ätzen durch die nicht mit Photowiderstandsmaterial bedeckten Schichten hindurch hergestellt. Für reaktive Ionenätzmaterialien, wie z.B. verschiedene Chlor-Arten, die durch Dissoziation von CC14 erzeugt werden, 25 wurde ermittelt, dass die wirksamen Ätzgeschwindigkeiten des Subtrates grösser sind als die des Photowiderstandsmaterials. Auch kann die Dicke der Photowiderstandsschicht grösser gemacht werden als die der Metallschicht, so dass mit einem bestimmten Ätzvorgang das Metallisierungsmuster voll-30 ständig hergestellt werden kann, d.h. der Endpunkt des Ätzens wird erreicht und ein adäquates Überätzen wird ausgeführt, bevor das Photowiderstandsmaterial vollständig entfernt ist. Wie oben allgemein beschrieben, kann das Ätzen der Metallschicht einen Strom durch das Substrat hindurch er-35 zeugen, was an der Platte gemessen wird, wobei sich dieser Strom entweder vergrössert (die Emission von Sekundärelektronen ist prädominant) oder verkleinert (die Leitfähigkeit ist prädominant). Dies sei an folgenden Beispielen beschrieben:

40 Beispiel 1

Wie in Fig. 7a gezeigt, wurde ein Halbleitersubstrat mit einem durch Photowiderstandsmaterial definierten Muster auf einer darüberliegenden Schicht aus AlCuSi und einer Basisschicht aus Si02 mit einem Ionenstrahlstrom von 45 mA ge-45 ätzt. Das Photowiderstandsmaterial war «Shipley AZ1350J» mit einer Dicke von 1,5 (im. Das AlCuSi war 0,75 |xm dick. Die Quelle war eine «IonTech Kaufmann 15 cm»-Quelle, in der CC14 zersetzt wurde. Die Extraktionsspannung an der Platte 8 lag bei 700 V und die Ätzzeit bis zum Endpunkt, d.h. 50 der vertikalen Linie 81 war 607,7 s. Die Überätzzeit, d.h. die Zeit zwischen den Linien 81 und 82 war 48,5 s, was zu einem Überätzen von 8% führte. An die Maske 18 wurde keine Vorspannung angelegt, so dass angenommen werden konnte,

dass der Mechanismus der differentiellen Sekundärelektronen 55 prädominant war.

Beispiel 2

In Fig. 7b wurde ein Halbleitersubstrat mit einem durch Photowiderstandsmaterial gebildeten Muster, das eine 60 Schicht aus AlCuSi bedeckte, geätzt und zwar mit einem Strahl der ionischen Bestandteile der Zersetzung von CC14. Die Strahlenenergie lag bei 27 mA. Die Photowiderstandsschicht war 1,5 ^m dick und die AICuSi-Schicht war 0,75 Jim dick. Die Extraktionsspannung lag ungefährt bei 675 V. Die 65 Zeit bis zum Endpunkt lag bei 794 s und die Überätzzeit lag ungefähr bei 80 s. Es wurde eine 6,34 cm-Maske auf einem grossen Substrat verwendet. In diesem Falle wurde die Vorrichtung gemäss Figur 1 modifiziert, indem ein als Maske die

nender Vorspannungsring ungefähr 25,4 cm stromabwärts von der Beschleunigungselektrode 9 (ungefähr 38 cm von dem Substrat) entfernt angeordnet wurde. Der Vorspannungsring hatte eine Unterdrückungsspannung von - 500 V, die an ihn angelegt war. Auf der stromaufwärtigen Seite war er durch eine geerdete Graphitmaske geschützt. Hierdurch wurde eine Sekundäremission verringert, während zu dem Substrat zurückkehrende Tertiärelektronen vermehrt wurden. Folglich war aufgrund der wirksamen negativen Vorspannung die Leitfähigkeit der primäre Mechanismus, d.h. der Widerstand vergrösserte sich, als die leitfähige Schicht fortgeätzt wurde, wodurch sich der Strom durch das Substrat verringerte.

Isolierende Schicht auf Halbleiterschicht

Bei integrierten Schaltkreisen enthalten zwischenliegende Schichten, wie z.B. Schichten aus thermisch gewachsenem Si-liciumdioxid auf kristallinem Silicium. Zu Bereichen des Halbleiter-Silicium-Substrates wird ein Zugang gefordert, derart, dass die Metallschicht hindurchgreifen kann, wie in den vorhergehenden Abschnitten erläutert. Folglich muss das Siliciumdioxid geätzt werden. Dies wird gemäss der vorliegenden Erfindung mit einem physikalischen Ätzprozess ausgeführt. Um aktive Bereiche, wie z.B. Sources, Drains oder Emitter zu schützen, ist das Verfahren zur Bestimmung des Endpunktes der vorliegenden Erfindung besonders gut geeignet.

In dem Beispiel der Figur 7c wurde eine 500 nm darüberliegende Schicht aus Si02 auf einem Siliciumsubstrat geätzt. Wie bei dem vorhergehenden Beispiel wurde eine modifizierte Version der Vorrichtung gemäss Fig. 1 verwendet, bei der ein Vorspannungsring mit einer negativen Vorspannung von 500 V ungefähr 22,9 cm stromabwärts von der Beschleunigungselektrode angeordnet war. Der Vorspannungsring war durch eine geerdete Graphitmaske geschützt und es wurde keine Vorspannung an die Maske 18 angelegt. Die gesamte Zeit zum vollständigen Entfernen der Schicht lag bei 1051 s.

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Dies wurde dadurch bestimmt, dass die Stromkurve ein Plateau erreichte. Es wurde dann an die Maske eine Vorspannung von 500 V angelegt. Zum frühen Ansteigen des Stromes von der Linie 85 bis 86 wird angenommen, dass das Si02 in 5 eine amorphe Mischung aufgebrochen wurde; am Gipfel wurde eine Dicke von 650 nm festgestellt, was wahrscheinlich durch die Einlagerung von Ionenstrahlkomponenten in die Mischung begründet ist. Bei der Linie 86 begann das Ätzen und bis herab zur Linie 87 wurde die darüberliegende Schicht io in ihrer Dicke verringert. Die Stromspitzen 89 werden so interpretiert, dass es sich um Kurzschlüsse des Ionenstrahls durch die amorphe Mischung hindurch handelt. Bei der Linie 87 nach ca. 404 s wird angenommen, dass eine beträchtliche Fläche des Siliciumsubstrats jetzt freigelegt ist und dass der i5 Strom aufgrund der Vergrösserung der Leitfähigkeit durch das Si02 hindurch zu dem Si graduell anwächst.

Polysilicium auf Siliciumdioxid 20 Bei manchen MOS-Prozessen wird stark dotiertes polykristallines Silicium als Leiter verwendet. Aus den oben für die darüberliegenden leitfahigen Schichten angegebenen Gründen wird es daher mit einem Muster versehen und geätzt. Die Vorrichtung der Fig. 1 wurde dazu verwendet, eine 25 500 nm dicke Schicht einer stark n-dotierten darüberliegenden Polysiliciumschicht auf einer Basisschicht aus Siliciumdioxid zu ätzen (500 nm aus Siliciumdioxid auf einem Silici-um-Einkristall). Es wurde eine 15 cm Kaufmann-Quelle verwendet. Der lonenstrahlstrom an dem Substrat war 50 mA. 30 Die Extraktionsspannung an der Platte 9 war 700 V. Wie in Fig. 7d dargestellt, betrug die Zeit bis zum Endpunkt, d.h. bis zur Linie 101,407 s, während die gesamte Ätzzeit bei 505 s für ein Überätzen von 19,4% lag. Es wird angenommen, dass der primäre Mechanismus Leitfähigkeit ist, da der Widerstand 35 aufgrund der Beseitigung der stark leitenden darüberliegenden Schicht anstieg.

C

2 Blatt Zeichnungen

Claims

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PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zum Bestimmen des Endpunktes eines physikalischen Ätzprozesses an einem Gegenstand, der ein mit wenigstens einer Schicht versehenes Halbleitersubstrat ist, gekennzeichnet durch folgende Schritte: Messen eines durch das Halbleitersubstrat fliessenden Stromes, Detektieren von Änderungen des Stromes durch das Halbleitersubstrat beim Fortschreiten des Ätzprozesses, wobei der Endpunkt des Ätzprozesses dadurch angezeigt wird, dass eine Änderung des Stromes um mehr als einen vorbestimmten Betrag detektiert wird, dass zwischen dem Schritt des Messens des Stromes und dem Schritt des Detektierens von Änderungen des Stromes folgende Schritte ausgeführt werden: Messen des Stromes durch eine Maske mit Öffnung, die über dem Halbleitersubstrat angeordnet ist; und Subtrahieren dieses Stromes durch die Maske von dem gemessenen Strom durch das Halbleitersubstrat, wodurch eine Substrat-abhängige Stromkomponente erzeugt wird, wobei der Schritt des Detektierens von Änderungen des Stromes durch das Halbleitersubstrat dadurch ausgeführt wird, dass Änderungen der Substrat-abhängigen Stromkomponente detektiert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Detektierens von Änderungen der Substratabhängigen Stromkomponente dadurch ausgeführt wird, dass Änderungen der Steilheit der Substrat-abhängigen Stromkomponente detektiert werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine Vorspannung an die Maske angelegt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Messens des Stromes durch das Halbleitersubstrat dadurch ausgeführt wird, dass der Strom durch ein Halbleitersubstrat gemessen wird, welches eine darübergelegte Schicht aus einem Material und einer Grundschicht aus einem anderen Material aufweist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Messens des Stromes dadurch ausgeführt wird, dass der Strom durch ein Halbleitersubstrat gemessen wird, welches eine darübergelegte Schicht aus einem leitfähigen Material und eine Grundschicht aus einem isolierenden Material aufweist.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Messens des Stromes dadurch ausgeführt wird, dass der Strom durch ein Halbleitersubstrat gemessen wird, dessen darübergelegte Schicht aus Siliciumdioxid besteht und dessen Grundschicht aus einem Halbleitermaterial besteht.
7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ätzvorgang nach einer vorgegebenen Überätz-Zeit-dauer beendet wird.
8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Strommesseinrichtung (16) vorhanden ist, die einen durch das Halbleitersubstrat (11) hindurchfliessenden elektrischen Strom misst und durch eine mit der Strommesseinrichtung (16) verbundene Auswerteschaltung (36), die dann ein Signal für den Endpunkt des Ätzens erzeugt, wenn die während des Ätzens auftretende Änderung des elektrischen Stromes einen vorgegebenen Wert erreicht hat,_dass eine Maske (18,25) in Richtung auf die physikalische Ätzeinwirkung (14) vor dem Gegenstand (11) angeordnet ist, dass eine weitere Strommesseinrichtung (18) den durch die Maske (18,25) fliessenden elektrischen Strom misst, und dass eine mit den beiden Strommesseinrichtungen (16,18) verbundene Vergleichseinrichtung (35) vorgesehen ist, die ein der Differenz der gemessenen Ströme proportionales Signal der Auswerteschaltung (36) zuführt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorspannung an die Maske (18,25) anlegende Spannungsquelle (19) vorgesehen ist.