DD211440A1

DD211440A1 - Verfahren zur prozesssteuerung beim ionenstrahlaetzen

Info

Publication number: DD211440A1
Application number: DD24472782A
Authority: DD
Inventors: Friedrich Naehring; Christian Weise
Original assignee: Mikroelektronik Zt Forsch Tech
Priority date: 1982-11-10
Filing date: 1982-11-10
Publication date: 1984-07-11

Abstract

Die Erfindung dient zur Prozesssteuerung beim Ionenstrahlaetzen von Festkoerpern. Das Anwendungsgebiet liegt in der Mikro- und Optoelektronik. Ziel der Erfindung ist es, beim Ionenstrahlaetzen von Festkoerpern d. Erreichen von Grenzflaechen reproduzierbar zu erfassen und mit diesen Daten eine Prozesssteuerung zu realisieren. Die Erfindung sieht vor, dass zur Ueberwachung und Steuerung des Prozessablaufes, wie z.B. zum Beenden des Aetzvorganges oder zu Prozessaenderungen die ioneninduzierte Lichtemission verwendet wird.

Description

i/erfahren zur Prozeßsteuerung beim Ionenstrahlätzen

"Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prozeßsteuerung beim Ionenstrahlätzen von Pestkörpern, insbesondere von strukturierten Festkörpern,, Es ist in der Mkrostrukturtechnologie, z» B, in der Mikroelektronik und Optoelektronik, bei der Herstellung von Strukturen mittels Ionenstrahl anwendbar.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Das Ionenstrahlätzen wird vorwiegend zur Erzeugung sehr kleiner Strukturen, etwa von einem Mikrometer'Abmessung, angewendet. Zum Übertragen der Struktur einer Maske auf ein aus verschiedenen Schichten bestehendes Substrat werden die Maske und die von der Maske nicht'abgedeckten Gebiete des Substrates einem Ionenstrahl ausgesetzt, welcher Material abätzt, so daß er in den Gebieten, die die Maske frei läßt, allmählich die Schichten des Substrates abträgt. Zwischen zwei Schichten trifft der Ionenstrahl jeweils auf eine Grenzfläche« Um den Zweck der Strukturierung zu erreichen, ist es notwendig, an einer bestimmten Grenzfläche, in ihrer Nähe oder in einem vorgegebenen Abstand von ihr, den Ätzprozeß zu beenden«

Zur Kontrolle bzw, zur Steuerung des Ionenstrahlätzablaufes sind folgende Lösungen bekannt (H. Wechsung, Vakuumtechnik 26 (1978) S, 227)ϊ Zur Erreichung einer bestimmten Tiefe in Substrat wird die Xtzseit als Maß verwendet. Dies setzt voraus, daß alle Ätzparameter konstant gehalten "/erden, was technisch schwer zu verwirklichen ist. Jede Veränderung der Strukturabmessungen oder andere Parameter, wie a. B, die Ionenenergie, verlangt eine neue Sichung der Tiefe gegenüber der Ätzseit. Gleiche Nachteile weist die Anwendung der Ladungsmenge, welche die Ionen auf üjaske und Substrat bringen, auf_a Hierbei braucht zwar der lonenstroa nicht konstant gehalten r/erden, da sein Zeitintegral gleich der Ladung ist*

Ferner ist es bekannt, die Masse des abgestäubten Materials mit einem Schwingquarz zu messen. Diese Methode setzt gute Reproduzierbarkeit der Sputterkoeffizienten von Masken- und Substratmaterial voraus. Sie ist geometrieempfindlich und muß bei Veränderung der Strukturabmessungen neu geeicht werden.

Falls gasförmige -Reaktionsprodukte beim Ionenstrahlätzen entstehen, so können diese mit einem Massenspektrometer oder Gasdetektor nachgewiesen werden. Da sich Konzentration und Zusammensetzung der Reaktionsprodukte beim Überschreiten von Phasengrensen im allgemeinen ändert, kann mit diesem Verfahren das Erreichen von- Grenzflächen sichtbar gemacht und der Prozeß an der gewünschten Phasengrenze abgebrochen werden,

Es ist auch bekannt, die Änderung der optischen Eigenschaften dünner Schichten mit einem Eilipsometer zu erfassen, dessen Primärstrahlquelle und Analysator außerhalb der Ätzkammer angeordnet sind« Es wird das Abdünnen der Schicht und das Erreichen von Grenzflächen anhand der sich .ändernden Eliipsometrieparameter verfolgt, d. h» es ist ein kontinuierliches Erfassen des Abätzens zur Prozeßsteuerung möglich« Dieses Verfahren verlangt auf dem zu ätzenden Substrat einen'gesonderten Meßfleck, der nicht von der Maske bedeckt sein darf» Bei sehr kleinen Strukturen (ca« 1 ,um) läuft das Ätzen anders ab als auf solch größeren Flächen, so daß von dem Meßfleck nicht direkt auf den Stand des Ätzens in den Strukturen geschlossen werden kann» Ähnlich sind auch Interferenzmethoden einsetzbar,, Prozeßsteuerungen sind auch für Plasmaätzverfahren bekannt. So ist z. 3« aus dem WP 147555 bekannt, daß die Leuchterscheinungen im Plasma, infolge der Anregung von Gasteilchen, Auskunft über die Konzentration bestimmter Atom- und Molekülsorten im Plasma geben.

Schließlich ist es bekannt, daß die Lichtemission von 'Teilchen, .die abgestäubt werden, zur Analyse einer Festkörperoberfläche ( ÜHP 3»644044 und 3«7β'7925) und zur Bestimmung des Sputterkoeffizienten eines Materials (US? 3.757129) verwendet werden«

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, beim Ionenstrahlätzen von Festkörpern das Erreichen von Grenzflächen reproduzierbar zu erfassen und mit diesen Daten eine Prozeßsteuerung zu realisieren.

Wesen der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Überwachung und Prozeßsteuerung beim Ionenstrahlätzen von Festkörpern zu schaffen, welches ein exaktes Erfassen der Grenzflächen und des Atzendes ermöglicht. Erfindungsgemäß wird zur Überwachung und Steuerung des Prozeßablaufes, wie z« B, zum Beenden des Ätzvorganges oder zu Proaeßänderungen, wie Wechsel der Ionenenergie, der Ionenart oder der Gaszusammensetzung in der Ätzkammer, die ioneninduzierte Lichtemission verwendet. Dabei werden die Prozeßoperationen durch die Änderungen der Intensität des Lichtes in ausgewählten Wellenlängenbereichen ausgelöst«

Erfindungsgamäß wird zur Prozeßsteuerung bei der Strukturierung von SiCu auf Si, von Si-N auf Si, von PoIy-Si auf SiO auf Si, von Al auf SiOp auf Si und von AlSiCu auf SiO _? auf Si, die Intensitätsänderung der Spektrallinie von Silizium Si I 288 mn oder Si I bei 252 nm verwendet« Ferner kann nach der Erfindung zur Strukturierung von Al auf SiO_? auf Si und von AlSiCu auf SiO_ auf Si die Intensitätsänderung der Spektrallinie von Aluminium AL I 396 nm oder Al I 309 nm verwendet werden« Erfindungsgemäß können zusätzlich zur ioneninduzierten Lichtemission noch andere Prozeßgrößen für die Prozeßsteuerung erfaßt werden. Aus den Gebieten der Substratoberfläche, die von der Maske unbedeckt und dem lonenbeschuß ausgesetzt sind, fliegen also Teilchen weg, die im Raum darüber Licht aussenden, das Information über äie trägt Erfindungsgemäß wird dieses Licht-, ohne in den Prozeß selbst einzugreifen, aus der Prozeßkammer geleitet und seine Wellenlänge und Intensität gemessen» Da die Art und Intensität des Lichtes bei Veränderung der Oberfläche, z. B, beim Durchätzen von Phasengrenzen wechselt, dient dieses Lichtsignal zur Prozeßsteuerung, ζ. 3, zur Auslösung des Frozeßstops. Oberflächenverunreinigungen und Beimengungen sowie wiederabgelagertes Material werden durch die ioneninduzierte Lichtemission nachgewiesen« Kit dem Verfahren können daher vorteilhaft Aussagen zur Qualität der Prozeßführung gewonnen werden, und zwar während des Prozeßablaufes.

Ausführungsbeispiele

Das erfindungsgemäße Verfahren soll anhand einer Zeichnung näher erläutert werdenβ In der Zeichnung zeigen:

Pig, 1 ein Substrat mit den verschiedenen Schichten Pig, 2 nach Ätzung der PoIy-Si-Schicht

Pig, 3 nach Ätzung der SiO^-Schicht

Pig, 4 nach Entfernung der Lackmaske und Unterätzung der Grenzfläche

SiO₂/Si Pigβ 5 zeigt die Zeitabhängigkeit des Signals schematisch für 3

Varianten.

Das Substrat besteht aus einer Silizium-Substratunterlage I, darauf befindet sich eine nur wenige Zehntel Mikrometer dicke Siliziumdiosid-Schicht II, über dieser ist eine wenige Zehntel Mikrometer dicke Poly-Silizium-Schicht III aufgebracht. Eine mit öffnungen V versehene Lackmaske IV schließt den Schichtaufbau des Substrates ab«

In Pig« 1 bis 4 sind schematisch die. verschiedenen für die Prozeßsteuerung bedeutsamen Stadium des Ionenstrahlätzens demonstriert. In Pig« .1 ist der Beginn der Ätzung des Poly-Siliziurns dargestellt. Pig« 2 zeigt die Ätzung durch die Phasengrenze ?oly-Si/SiO_ und Pig* 3 die Ätzung durch die Phasengrenze SiO_/Si, In Pig, 4 ist· die Lackmaske entfernt und' unter die Phasengrenze SiO/Si geätzt (Überätzung genannt). In allen Stadien werden Siliziumatome aus den von der Maske unbedeckten Gebieten abgestäubt. Von diesen Siliziumatomen ist ein Anteil derart angeregt, daß er die Spektrallinie Si I bei 23S mn aussendet. Die Größe des Anteils hängt von der Art der beschossenen Oberfläche ab. Deshalb ändert sich die Intensität der 288-nm-Linie beim Durchätzen der Phasengrenze zwischen dem einen siliziurnhaltigen Material und einem anderen. Dieser Oberflächeneffekt der ioneninduzierten Lichternission wird im Ausführungsbeispiel zur Prozeßsteuerung ausgenutzt» Das licht wird durch ein Quarzfenster in der Prozeßkammer oder durch ein Lichtleitkabel zu einem Interferenzfilter oder Monochromator geführt, der die 28S-nm-Linie ausblendet und in einem Lichtsensor, z„ B, einem Photovervielfacher, in ein elektrisches Signal umwandelt, das eine geeignete Prozeßsteuereinrichturig betätigt oder dem Operator als Signal zur manuellen Prozeßführung dient. Es kann auf einen Schreiber aufgezeichnet v/erden. Pig, 5 zeigt die Zeitabhängigkeit des Signals schematisch für die 3 Varianten,

Variante 1

Oberflächenverunreinigungen des Pcly-oiliziums führen anfangs (entspricht Pig. 1) zu einem erhöhten 238-nm-3i~I-Signal 1 in Pig, 5* Nach Abätzen der Verunreinigungen erreicht das Signal das Plateau 2, welches dem Atzen des Poly-

Siliziums entspricht. Bei 3 ist die Phasengrenze Poly-Si/SiO erreicht. Bei 5 wäre sie durchgeätzt. Der Prozeß muß an einer Stelle 4 zwischen 3 und 5 (entsprechend Fig. 2) abgebrochen werden, um ein Über-Ätzen zu vermeiden. Die Lage des Abbruchs 4 kann gemäß den gewünschten Eigenschaften des herzustellenden Produktes gewählt werden. Die Steilheit des Anstieges zwischen 3 und 5 dient als Maß für die Schärfe des Durchätaens» Sie gibt vor allem Auskunft über die erreichte laterale Homogenität des Ionenstrahlätzens (bezüglich dieser Phasengrenze),

Variante 2

Der Prozeß läuft bis 3 wie in Variante 1 ab. Das Ätzen wird fortgesetzt. In 5 ist das Poly-Silizium restlos durchgeätzt» Das Plateau 6 entspricht dem Ätzen des SiO_?, dessen Phasengrenze zum darunterliegenden Si in 7 erreicht ist. Der Atzstop 8 an dieser Phasengrenze erfolgt ähnlich wie in Variante wahlweise zwischen den Punkten 7 und 9 (entspricht Pig, 3), In 9 ist das Silizium in den Penstern der Maske völlig freigelegt. Ein Über-Ätzen entspräche dem Plateau 10 der Siliziumunterlage„

Variante 3

Der Prozeß läuft vide Variante 2, In Punkt S wird jedoch das Ätzen nicht abgebrochen, sondern.es wird zusätzlich Sauerstoff in die Prozeßkammer eingelassen, so daß die Ätzgeschwindigkeit unter Argonionenbeschuß sich stark erhöht, oder ein anderer Prozeßschritt zur Lackentfernung wird eingeschaltet. Durch Anwesenheit des Sauerstoffs erhöht sich das 288-Si-I-Signal auf den Wert 11. ·

Ist der Lack abgeätzt, so erhöhen die Siliziumatome von Poly-Silizium die Intensität auf 12, die der.lackgestrippten Struktur in Fig» 4 entspricht. Das Silizium in den Fenstern ist überätzt. In 12 muß der Stripp-Prozeß gestopt werden, will man nicht weiter über-ätzen* um die Leistungsfähigkeit zu demonstrieren, erläutert das Ausführungsbeispiel das erfindungsgemäße Prozeßsteuerverfahren an einer komplexen Struktur, die nur aus Silizium und SiCL besteht. Einfachere Prozeßsteueraufgaben treten beim Strukturieren einer Metallschicht auf, z, 3, auf Silizium, Hierzu kann die Intensität einer Spektrallinie des. Metalls verwendet werden, die verschwindet, wenn das Metall durchgeätzt ist» Das Metall kann auch eine Legierung sein*

Sine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht in der Einbeziehung weiterer Prozeßgrößen in die Prozeßsteuerung, Zum Beispiel würden Ionenstromschwankungen Intensitätsschwankungen im Signalverlauf der Abb. 2 ergeben, was zu Fehlreaktionen beim automatischen Prozeßablauf führen könnte« .,Die Division der Lichtintensität durch die Stärke des Ionenstromes schafft dem Abhilfe.

Als weiteres Beispiel ist die Erniedrigung der Ionenenergie zu nennen, die üblicherweise kurz vor Prozeßende zur Verringerung der Dicke des Strahlen-.Schadenbereiches angewendet wird. Diese Änderung der Ionenenergie kann vom Signalverlauf, wie er beispielhaft in Pig. 5 gegeben ist, ausgelöst werden. Die entsprechend der Ionenenergie verringerte Lichtintensität ist als vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung bei der Prozeßführung in Rechnung zu stellen.

Claims

Erf indungs ans pruch

. Verfahren zur Prozeßsteuerung beim Ionenstrahlätzen von Strukturen in Festkörpern, gekennzeichnet dadurch, daß zur Überwachung und Steuerung des Prozeßablaufes, wie z» B* zum Beenden des Ätzvorganges oder zu Prozeßänderungen, wie Wechsel der Ionenenergie, der Ionenart oder der Gaszusammensetzung in der Ätzkammer, die ioneninduzierte Lichtemission verwendet wird.
2. Verfahren zur Prozeßsteuerung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß Änderungen der Intensität des Lichtes in ausgewählten Wellenlängenbereichen die Prozeßoperationen auslösen,
3· Verfahren zur Prozeßkontrolle nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß zur Prozeßsteuerung bei der Strukturierung, von SiCU auf Si, von Si-N. auf Si, von PoIy-Si auf SiO- auf Si, von Al auf SiO_ auf Si und von AlSiCu

auf SiO₀ auf Si, die Intensitätsänderung der Spektrallinie von Silizium Si I 288 mn oder Si I bei 252 nm verwendet wird«
4· Verfahren zur Prozeßkontrolle nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet-dadurch, daß zur Strukturierung von Al auf SiO„ auf Si und von AlSiCu auf 3iO_? auf Si die Intensitätsänderung der Spektrallinie von· Aluminium Al I 396 nm oder Al I 309 nm verwendet wird«
5. Verfahren zur Prozeßkontrolle nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß zusätzlich zur Ioneninduzierten Lichtemission noch andere Prozeßgrößen für die Prozeßsteuerung erfaßt werden.

Zeichnun

gen