DE2651187A1

DE2651187A1 - Verfahren und vorrichtung zum abtragen von schichten

Info

Publication number: DE2651187A1
Application number: DE19762651187
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Kuhlmann-Schaefer
Original assignee: KUHLMANN SCHAEFER WILHELM
Current assignee: KUHLMANN SCHAEFER WILHELM
Priority date: 1976-11-10
Filing date: 1976-11-10
Publication date: 1978-05-18

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Abtragen von Schichten
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abtragen von Schichten, insbesondere dünnen Schichten, oder von Teilen der Schichten eines ein- oder mehrschichtigen Körpers, insbesondere zur Herstellung von integrierten Schaltungen, durch Bestrahlung mit Ionenstrahlen und durch Überwachung der Abtragstärke.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Abtragen von Schichten, insbesondere dünnen Schichten, oder Teilen der Schichten eines ein- oder mehrschichtigen Körpers, insbesondere zur Herstellung von integrierten Schaltungen, mit einem Ionenstrahlgenerator zur Bestrahlung des Körpers und zum Abtragen der Schichten und mit einer Einrichtung zur Überwachung der Abtragstärke.
Es ist das klassische chemische Ätzverfahren zur Herstellung integrierter Schaltungen bekannt. Um bestimmte Strukturen herauszuätzen, werden Masken verwendet, die auf den zu behandelnden Körper aufgelegt werden und somit sichern, daß im wesentlichen nur die von der Maske nicht abgedeckten Teile weggeätzt werden. Durch Verwendung materialspezifischer chemischer Ätzlösungen ist es erreichbar, daß der Ätzvorgang im wesentlichen an der Grenze der nächstfolgFnden Schicht beendet wird. Dieses bekannte Verfahren ist aber nicht sehr genau, da stets ein gewisses Unterätzen der Maske auftritt. Der Miniaturisierung sind daher durch dieses Verfahren relativ enge Grenzen gesetzt.
Es ist daher schon vorgeschlagen worden, die Ätzung in der Technologie integrierter Schaltungen mit Hilfe von Ionenstrahlen vorzunehmen. Das zu bearbeitende Material bzw. die zu bearbeitende Probe wird mit einem Strahl von Ionen behandelt, die ihre Energie und ihren Impuls auf die Atome in der Probenoberfläche übertragen und dabei ein oder mehrere Atome aus der Oberfläche herauslösen. Die Bestrahlung wird zu einem bestimmten Zeitpunkt abgebrochen, und die Probe wird dann unter dem Mikroskop begutachtet. Für bestimmte Materialien erhält man Bereiche bestimmter Abtragzeiten, die man bei der Herstellung der gewünschten Strukturen versucht einzuhalten, um einigermaßen reproduzierbare Ergebnisse zu erhalten. Dieses Verfahren ist aber sehr ungenau, weil die Proben und die Herstellungsbedingungen nicht exakt reproduzierbar sind. Außerdem ist die Aufnahme neuer Produktionen jeweils mit erheblichen Schwierigkeiten verknüpft, es müssen jeweils erst wieder eine Reihe von Probeversuchen gefahren werden.
Will man enge Toleranzen einhalten, ist es notwendig, die Proben während des Ionenstrahlätzvorganges des öfteren zu überprüfen, wodurch das Verfahren sehr zeitaufwendig und kostspielig wird.
Es ist daher zur Steuerung der Abtragtiefe bzw. zur Feststellung des Überganges von einer Schicht zur anderen vorgeschlagen worden, Massenspektrographen einzusetzen, mit denen geringe Massenunterschiede feststellbar sind und die daher prinzipiell geeignet sind, die völlige Abtragung einer Schicht anzuzeigen, indem mit Beginn des Abtragens der nächstfolgenden Schicht eine Massenänderung angezeigt wird. Allerdings ist dieses Verfahren sehr aufwendig und kostspielig und auch nicht genau genug. Beim lonenstrahlätzen erreicht man in etwa Abtragtiefen von 300 i/min, d.h. es wird sehr wenig Material "frei", was weiterhin bedeutet, daß die einzusetzenden Massenspektrographen äußerst empfindlich sein müssen.
Das allgemein angestrebte Ziel ist es, eine Abtragung auf 50 Å exakt zu bestimmen. Dies ist mit Massenspektrographen bei vernünftigem und wirtschaftlichem Aufwand nicht möglich. Schwierigkeiten treten insbesondere auf, wenn sich die Masse der abzutragenden Schicht nur wenig von der Masse der freizulegenden Schicht unterscheidet, beispielsweise bei Siliciumoxid als abzutragende und Silicium als freizulegende Schicht. In diesem Fall ist der Übergang von einer Schicht zur anderen mit Hilfe der Spektrographen kaum zu erkennen. Ein weiterer erheblicher baulicher Aufwand ergibt sich dadurch, daß der Massenspektrograph in die Gesamtvorrichtung, d.h. in die Vakuumkammer des Ionenstrahlgenerators eingebracht werden muß.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zur Überwachung der Abtragtiefe und zur exakten Feststellung der vollständigen Abtragung bzw. Wegätzung einer abzutragenden Schicht bzw. der erfolgten Freilegung einer gewünschten Schicht anzugeben.
Weitere Forderungen an das Verfahren und die Vorrichtung sind ein geringer baulicher Aufwand und Wirtschaftlichkeit.
Diese Aufgabe wird verfahrensmäßig durch die Merkmale des kennzeichnenden Teiles des Anspruchs 1 und vorricntungslfläßig durch die kennzeichnenden Teile des Anspruchs 6 gelöst.
Durch die Erfindung kann auf den Einsatz von Massenspektrographen verzichtet werden. Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung sind einfach mit geringem Aufwand und preiswert realisierbar. Die Erfindung offenbart eine sehr empfindliche Methode zur Überwacnung der Abtragtiefe oder der Abtragung von wegiBUzenden Schichten. Es können wesentlich geringere Schichtdicken als mit Hilfe der bekannten Methoden bestimmt werden. Es ist ohne weiteres möglich, die Schichtstärken auf 50 genau zu bestimmen. Damit kann die Feinheit und die Glätte der herzustellenden Strukturen wesentlich verbessert werden.
Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der erfindung ist in den Ansprüchen 2 und 7 gekennzeichnet. Nach dieser Weiterbildung wird der Ätzvorgang nicht an der zu bearbeitenden grobe selbst überwacht, sondern an einer neben de Probe 1m Ionenstrahl angeordneten Referenzprobe. Die Probe selbst braucht dadurch nicht mehr in den Meßkreis gebracht zu werden, wodurch die Einflüsse durch den Meßkreis fortfallen und wodurch die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse verbessert werden kann.
Zum Ausgleich von Ungleichmäßigkeiten der Probe ist es bekannt, diese während des Ätzvorganges in Rotation zu versetzen; häufig wird die Probe auch wassergekühlt; sie befindet sich in der Regel auf einer isolierenden sogenannten "grease"-Schicht.
Hierdurch ist die Messung an der Probe selbst in vielen Fällen schwierig durchführbar, und durch Verwendung einer Referenzpl-oDe können diese Schwierigkeiten umgangen werden. Da die Referenzprobe von der Probe an sich abgenommen wird, diese also unter identischen Bedingungen entstanden ist, sind Abweichungen zwischen den Ätzergebnissen an der Referenzprobe und der Probe selbst nicht zu befürchten. Da die Referenzprobe in bezug zur eigentlichen Probe klein ist, braucht sie auch nicht in Rotation versetzt zu werden, und auf eine Maske zur Erzeugung von Strukturen kann ebenfalls bei der Referenzprobe verzichtet werden. Damit stellt die Verwendung einer Referenzprobe ein einfaches, wirksames, preiswertes, genaues und baulich mit geringem Aufwand einsetzbares Mittel zur Herstellung von genauen Strukturen geringster Größe auf ein- oder mehrschichtigen Proben, beispielsweise zur Herstellung von integrierten Schaltungen, dar.
Besonders einfach gestaltet sich das erfindungsgemäße Verfahren dadurch, daß gemäß einer Weiterbildung der Erfindung die Änderung der elektrischen Leitfähigkeit der Probe oder der Referenzprobe in der Ionenstrahlrichtung gemessen wird.
Dieses Verfahren ist vorteilhaft bei Proben oder Werkstücken anwendbar, bei denen eine Isolationsschicht abgetragen werden soll. Eine geeignete Meßvorrichtung ist im Anspruch 8 gekennzeichnet. Hierbei wird der Ionenstrom gemessen.
Um die Abtragung einer leitenden Schicht optimal verfolgen zu können, wird gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung die Änderung der elektrischen Leitfähigkeit der Probe oder der Referenzprobe quer zur Abtragsrichtung bzw.
in der Ebene der Schicht oder der Schichten gemessen.
Eine geeignete Meßvorrichtung ist im Unteranspruch 9 gekennzeichnet. Hierbei wird vorzugsweise im Meßkreis ein elektrischer Strom gemessen, und der Meßkreis wird vorteilhaft durch eine elektrische Fremdspannungsquelle gespeist.
Um die sofortige und automatische Beendigung des Abtrag- bzw. Ätzvorganges zu bewirken, ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung eine Schwellwertstufe vorgesehen, die bei Überschreitung einer vorbestimmten Stromstärke den Abtrag- bzw. Ätzvorgang unterbricht.
Um Inhomogenität auszugleichen und insbesondere noch verbleibende Reste der abzutragenden Schicht vollständig abzutragen bzw. abzuätzen, ist gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung zusätzlich eine Zeitstufe vorgesehen, die den Abtrag- bzw. Ätzvorgang nach Überschreitung der vorbestimmten Stromstärke und Ablauf einer vorbestimmten Zeit unterbricht.
Zur Verhinderung von Fehlmessungen auf Grund stets vorhandener Fremdionen sind gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung bei Messung des Ionenstromes zur Überwachung der Abtragtiefe die leitenden Schichten des Körpers mit einer Isolationsschicht überzogen.
Die Erfindung soll nun an Hand der beigefügten Zeichnung, in der Ausführungsbeispiele dargestellt sind, näher erläutert werden.
Es zeigen: Fig.1 schematisch den Aufbau einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Abtragen von Schichten eines Körpers bzw. Werkstückes Fig.2 schematisch eine Detaildarstellung der in der Vorrichtung nach Fig. 1 verwendeten Referenzprobe mit abzutragender Isolationsschicht und angeschlossenem Meßkreis.
Fig.3 schematisch eine Detail-Darstellung einer anderen Referenzprobe mit abzutragender leitender Schicht und angeschlossenem Meßkreis.
Die Fig. 1 zeigt schematisch ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Abtragen von Schichten eines Körpers, beispielsweise zur Herstellung integrierter Schaltungen. In einem Ionenstrahlgenerator 2 werden Ionen erzeugt. Die Ionen werden in eine Vakuum#rbeitskammer 4 hineinbeschleunigt (Vakuum ca. 10 torr). In der Arbeitskammer 4 trifft der Ionenstrahl 6 auf eine zqbearbeitende mehrschichtige Probe oder ein zu bearbeitendes Werkstück 8.
Die Probe befindet sich auf einen Probentisch 10.
Da der Ionenstrom nicht homogen ist und ferner auch die Probenschichten gewisse Ungleichmäßigkeiten zeigen, ist zur Erzeugung einer gleichmäßigen Abtragung der Probentisch und damit auch die Probe um eine Drehachse 12 drehbar gelagert.
Der Probentisch ist im dargestellten Beispiel schräg zur Ionenitrahlrichtung angeordnet, um bestimmte Kantenstrukturen relativ zu einer nicht dargestellten Maske zu erhalten, die die Probe bedeckt. Der Probentisch und damit die Probe können selbstverständlich senkrecht zur Ionenstrahlrichtung angeordnet sein.
Neben der Probe 8, jedoch . noch im Ionenstrahlbereich, ist eine Referenzprobe auf einem drehfesten Tisch 16 angeordnet. An die Referenzprobe ist ein Meßinstrument 18, wie dargestellt, angeschlossen, das den die Referenzprobe durchdringenden Zonenstrom mißt.
Mit Hilfe des Meßinstruments wird die Abtragung der Schicht oder der Schichten der Referenzprobe 14 überwacht und dadurch gleichzeitig die Abtragung der Probe 8, die zur Herstellung bestimmter Strukturen, beispielsweise zur Herstellung gedruckter Schaltungen wie oben bereits erwähnt, mit einer Maske bedeckt~ist; die ein Abtragen nur an den nicht bedeckten Stellen zuläßt. Sollen nacheinander mehrere Schichten abgetragen werden, so sind entsprechend nacheinander die vorgesehenen Masken auf die Probe aufzubringen.
Das Abtragen der Schichten und die meßtechnische Überwachung der Abtragung sollen an Hand der Figuren 2 und 3 nachfolgend näher erläutert werden.
In der Fig. 2 ist eine Referenzprobe 20 dargestellt, die im Aufbau der eigentlich zu bearbeitenden Probe 8 auf dem Probentisch 10 nach Fig. 1 entspricht. Die Referenzprobe, wie auch die Probe 8 in der Fig. 1, ist hier zweischichtig; sie kann auch mehrschichtig sein.
Die obere Schicht 22 der Referenzprobe nach Fig. 1 soll eine isolierende Schicht sein, die abgetragen werden soll und die beispielsweise SiO2 sein kann. Die untere Schicht 24, die freigelegt werden soll, kann beispielsweise aus einem leitenden Material, beispielsweise Silizium, bestehen. Auf diese Probe treffen nun in der Zeichnung von oben Ionen (nicht dargestellt), die die obere Schicht allmählich abtragen. An die Unterseite der leitenden Schicht 24 ist, wie dargestellt, eine Meßelektrode 26 eines Meßinstruments 28 angeschlossen. Das Meßinstrument dient der Messung des d#chgehend#n Ionenstromes. Solange die Isolationsschicht 22 noch nicht vollständig abgetragen ist, erhält man einen relativ geringen Meßstrom. Dieser Meßstrom eigt stark an, sobald die Nbtragung bis auf die leitende Schicht vorangetrieben ist, so daß dieser Meßwertsprung das Erreichen der freizulegenden leitenden Schicht anzeigt und der Abtrag- bzw. Ätzvorgang unterbrochen werden kann. Die untere leitende Schicht 24 ist zur Vermeidung von Fehlmessungen infolge von stets vorhandenen Fremdionen mit einer Isolierung 30 versehen.
In dqr Fig. 3 ist schematisch eine andere Referenzprobe 32 dargestellt, die aus zwei leitenden Schichten 34,36 besteht. Die obere Schicht 34 kann beispielsweise eine gutleitende Metallschicht, beispielsweise aus Titan sein, und die unterte eine hochohmige Schicht aus Silizium sein. Zur Uberwachung der Abtragung der oberen SChicht 34 werden auf diese Schicht Elektroden 38,40 aufgebracht, die mit einem Strommesser 42 und einer Spannungsquelle 44 miteinander verbunden sind. Bei vollständiger oberer Beschichtung stellt sich ein relativ hoher Meßstrom ein, der nach dem vollständigen Abtragen der Schicht praktisch auf Null zurückgeht.
Diese Meßstromänderung kann daher als Indiz für die erfolgte vollständige Abtragung der oberen Schicht 34 angesehen und ausgewertet werden. Die Elektroden 38,40 sind wesentlich 0 stärker (etwa 5» als die abzutragende Schicht 34 (etwa 1 000 A).
Dadurch ist die Abtrag- bzw. Ätzwirkung des Ionenstrahles auf die Elektroden vernachlässigbar.
L e e r s e i t e

Claims

Patentansprüche Verfahren zum Abtragen von Schichten, insbesondere dünrn Schichten, oder von Teilen der Schichten eines ein- oder mehrschichtigen Körpers, insbesondere zur Herstellung integrierter Schaltungen, durch Bestrahlung mit Ionenstrahlen und durch überwachung der Abtragstärke, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung einer oder mehrerer elektrischer Eigenschaften des Körpers während der durch die Ionenbestrahlung erfolgenden Materialabtragung zur Feststellung der Abtragtiefe bzw. der Schichtgrenze gemessen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Ionenstrahl gleichzeitig eine Referenzprobe des zu behandelnden Körpers bzw. der Probe ausgesetzt wird und daß die durch die Ionenstrahlmaterialabtragung hervorgerufene Änderung einer oder mehrerer elektrischer Eigenschaften der Referenzprobe zur Feststellung der Abtragtiefe oder der Schichtgrenze gemessen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung der elektrischen Leitfähigkeit der Probe oder der Referenzprobe in der Ionenstrahlrichtung gemessen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung der elektrischen Leitfähigkeit der abzutragenden Schicht quer zur Abtragsrichtung bzw. in der Ebene der Schicht oder der Schichten gemessen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensitätsänderung des Ionenstrahles hinter der Probe oder Referenzprobe gemessen wird.
6. Vorrichtung zum Abtragen von Schichten, insbesondere dünnen Schichten, oder von Teilen der Schichten eines ein- oder mehrschichtigen Körpers, insbesondere zur Herstellung von integrierten Schaltungen mit Hilfe von Masken, mit einem Ionenstrahlgenerator zur Bestrahlung des Körpers und Abtragung der Schichten und mit einer Einrichtung zur Überwachung der Abtragung oder der Abtragstärke bzw. Abtragtiefe, dadurch gekennzeichnet, daß zur tiberwachung der Abtragung oder Abtragstärke bzw. Abtragtiefe des Körpers (20) oder der Schichten des Körpers eine Einrichtung (28) zur Messung von mit der Tiefe der Abtragung und/oder beim Übergang von einer Schicht zur nächsten Schicht sich ändernden elektrischen Meßgrößen oder sich ändernder lonenstromstärke des Ionenstrahles vorgesehen ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung an eine im Ionenstrahl neben dem zu bearbeitenden Körper angeordnete Referenzprobe (14) angeschlossen ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekernz{ichnet, daß die Meßeinrichtung ein Strommesser ist, dessen eine Meßelektrode (26) bei einer abzutragenden Isolationsschicht an eine darunterliegende freizulegende leitende Schicht (24) des Körpers angeschlossen ist und dessen andere Meßelektrode (- ) geerdet ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung ein Strommesser ist, dessen Meßelektrodet ( 38,40) bei einer abzutragenden leitenden Schicht (34) an diese Schicht so angeschlossen sind, daß der abzutragende Bereich (-zwischen den Meßelektroden liegt.
lo. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennueichnet, daß der Meßkreis durch eine elektrische Fremdspannungscuelle (44) gespeist ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch JekennzeichneL, daß der Strommesser den Ionenstrom mißt.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schwellwertstufe vorgesehen is-, die bei Überschreitung einer vorbestimmten Stromstärke den Äbtrag-bzw. Ätzvorgang unterbricht.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich eine Zeitstufe vorgesehen ist, die den Abtrag- bzw.

Ätzvorgang nach Überschreitung der vorbestimmten Stromstärke und Ablauf einer vorbestimmten Zeit unterbricht.
14. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die leitende Schicht des Körpers (2O) mit einer Isolationsschicht (30) überzogen ist.