DE2728361C2

DE2728361C2 - Verfahren zum Feststellen eines vorgebbaren Endzustands eines Entwicklungs- oder Ätzvorgangs

Info

Publication number: DE2728361C2
Application number: DE2728361A
Authority: DE
Inventors: Holger 7031 Holzgerlingen Moritz
Original assignee: IBM Deutschland GmbH
Current assignee: IBM Deutschland GmbH
Priority date: 1977-06-23
Filing date: 1977-06-23
Publication date: 1981-09-24
Also published as: DE2861541D1; DE2728361A1; JPS5649447B2; JPS5410677A; EP0000170A1; EP0000170B1; US4179622A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Feststellen eines vorgebbaren Endzustands eines Ennvicklungs- oder Ätzvorgangs nach dem Oberbegriff des Hsuptan-Spruchs und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Ein derartiges Verfahren und eine Vorrich lung zur Durchführung dieses Verfahrens, wie sie im Oberbegriff des Patentanspruchs 7 angegeben ist, sind durch die Druckschrift IBM Technical Disclosure Bulletin, Bd. 18, Nov. 1975, Nr. 6, Seiten 1867 bis 1870 bekannt.

Bei der Herstellung von integrierten Schaltkreisen werden Halbleiterplättchen mit einer Photolackschicht überzogen und anschließend mit Hilfe von Masken mit einem meist sehr komplizierten und sehr fein strukturierten Muster belichtet. Wegen der immer höher werdenden Packungsdichten und weil die elektrischen Eigenschaften der das Endprodukt bildenden integrierten Schaltkreise in hohem Maße von der genauen Einhaltung der vorgegebenen Linienbreiten und Linienabstände der übertragenen Lichtmuster abhängig sind, werden an die Präzision der verwendeten Masken und an die während des Belichtungsvorganges einzuhaltenden Parameter höchste Anforderungen gestellt. Es hat

ίο sich gezeigt, daß die bei der Übertragung der Lichtmuster auftretenden, meist sehr engen Toleranzen durch den Entwicklungsvorgang und durch einen unter Umständen sich anschließenden Ätzvorgang in vielen Fällen so verschlechtert werden, daß die nach diesem Verfahren erzeugten integrierten Schaltkreise nur zu einem geringen Prozentsatz verwendbar sind. Die während eines Entwicklungs· oder Ätzvorganges eintretende Verschlechterung der Toleranzen ist unter anderem damit zu erklären, daß Jie Beleuchtungsstärke

•ίο in den Rand/onen eines belichteten be 'eiches, beispielsweise eines linienförmigen Bereiches, selbst bei exaktester Ausleuchtung in der Regel wesenltich niedriger ist als in der Mitte. Das hat /ur Folge, daß die Beleuchtungsstärke als Funktion des Abstandes von der

*'·> Linienmitte nich' einen rechteckförmigen Verlauf sondern einen allmählichen Abfall zu den Linienrandern hin aufweist, was zur holgi rut. daß die Breite der durch eine F.nt wicklung oder eine Atzung freigelegten Bereiche eine stark; Abhängigkeit von der l.ntwick

'» lungs bzw Ätzdauer hat Selbst bei angenähert rechteckigem Verlauf der Belichtungsprofile kann eine Verbreiterung der freigelegten Bereiche tiber die belichteten Uerciche hinaus durch ein sogenanntes »l nterätzen« unter Umständen ganz wesentlich ver

^r>) gießen werden. Die oben angesprochenen hohen Anforderungen an die Genauigkeit der entwickelten oder pe.it/cn Muster werden noch dadurch erhöht, dall bei der Herstellung einer integrierten Schaltung eine Vielzahl von Belichtungen m aufeinanderfolgenden

M> Verfahrensschritten erforderlich ist

Die Entwicklung der belichteten PhutulaLkii.hn.hi wird üblicherweise durch genaue Einhaltung einer durch vorher durchzuführende Versuchsreihen ermittelten Entwicklungszeit gesteuert. Da aber neben der Zeit auch eine Reihe anderer Parameter, wie Konzentration, Reinheil und Temperatur des Entwicklers sowie Beschaffenheit, Reinheit und Dicke der Lackschichtcn vor allem aber die Beleuchtungsstärke während der

Belichtung der Photolackschicht von großem Einfluß auf die Dicke der freigelegten Linien ist, können trot/ genauster Prozeßüberwachung Fehler nicht mit der erforderlichen Sicherheit ausgeschlossen werden.

Aus diesem Grund hat man daher in letzter Zeit Verfahren zur Steuerung von Ätzvorgängen auf die Steuerung des Entwicklungsvorganges übertragen. Es hat sich aber gezeigt, daß die bei der Überwachung und Steuerung von Ätzvorgängen verwendeten Verfahren eine Reihe νο.ΐ Nachteilen aufweisen, die sie bei Vorliegen von höchsten Anforderungen sowohl bei der Steuerung von Ätzvorgängen als auch bei der Steuerung von Entwicklungsvorgängen in vielen Fällen unbrauchbar machen. So wird beispielsweise in der Literaturstelle »IBM Technical Disclosure Bulletin«, Vol. 18, No. 6, November 1975, Seiten 1867 bis 1870 ein Verfahren beschrieben, bei dem die Reflexion eines auf das Werkstück schräg einfallenden Lichtstrahls gemessen und als Kriterium für die Beendigung eines Entwicklungs- oder Ätzvorganges ausgewertet wird. Es ist leicht einzusehen, daß bei diesem Verfahren nur der erste Durchbrach durch eine geätzte Sv.hii.hi uder das Aufhören der Veränderung der Breite diesei Schicht, nicht aber das Vorliegen einer bestimmten Breite festgestellt werden kann. Das gleiche gilt für die in der Literaturstelle »IBM Technical Disclosure Bulletin«. Bd. 15. Nr. 11, April 1973, Seiten 1532 und 3533 beschriebene Vorrichtung, bei der anstelle des reflektierten Lichtes das durch das Werkstück durchtretende Licht zur Anzeige der Beendigung des Ätzverganges verwendet wird.

Aus der Zeitschrift IEEE-Transactions on Electron Devices. Bd. ED-22, Juli 1975, Nr. 7, Seiten 371 bis 375. ist es bekannt. Muster mit Hilfe von Masken oder Elektronenslrahlschreibern herzustellen. Aus der Zeit schrift !BM Technical Disclosure Bulletin, Bd. 19. November 1976. Nr. 6, Seite 2241. ist es bekannt. Muster mit einem Lichtstrahlschreiber herzustellen. Die Entwicklung von mit derartigen Vorrichtungen, aber auch mit Hilfe von an sich bekannten Projektions- oder Kontaktverfahren belichteten Fotolackschichten, kann in besonders vorteilhafter Weise mit dem erfindungsgemäßen Verfahren überwacht werden.

Die Ausnutzung von Beugungseffekten bei der Herstellung integrierter Schaltkreise ist an sich bekannt: so wird in der deutschen Offenlegungsschrift 15 b4 240 ein Verfahren zum Ausrichten von Kopiermasken beschr.eben. bei dem Beugungsbilder der Strukturen auf der H;ilMeiterobcrfläche und der Maske verwendet werden wobei zunächst die erste und anschließend eine möglichst hohe Beugungsordnung herangezogen wird. Mit diesem Verfahren lassen sich icdoch keine Aussagen über die Entwicklung von I imenbreiten wahrend des Ät/vorgangcs selbst gew innen

Die t rfindung geht von der Aufgabe aus. ein Verfahren zum feststellen des Endzustands eines [■ntwK kliings (nler Atzvorgangs anzugeben, das mit niedrigem technischem Aufwand r alisierbar ist und es gesteint! den t.ntwieklungs ov'er Ät/prozeß bei Vorliegen genau definierter Linientreuen abzubrechen und iugiir bei der Belichtung 'mgetretene Fehler weitgehend auszugleichen; außerdem soll eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens angegeben werden. Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 und 7 beschriebene Erfindung gelöst.

Gegenüber den bisher bekannten Verfahren und Vorrichtungen hat das erfindungsgemäßc Verfahren den Vorteil, daß anstehe einer Reihe von bei der Durchführung eines Entwicklungs- oder Äupro/.ebses erforderlichen sehr exakten Messungen nur dm Intensität einer oder mehrerer Beugungsnrdnungen gemessen werden muß. Auf Grund dieser Messung muli darm nur ein einziger Parameter beispielsweise die Entwicklungszeit geändert werden, um Änderungen eines oder mehrerer der oben erwähnten Parameter unschädlich zu machen. An Stelle von Messungen und Steuerungen einer Vielzahl von Parametern wird

ίο dadurch nur die Messung einer Lichtintensität und die Steuerung eines einzigen Parameters erforderlich- Da die »in situ« durchführbare Messung nicht einen für das Endergebnis des Prozesses maßgeblichen Paiameter, sondern das Endergebnis selbst, nämlich die Linienbreite erfaßt, kann die Genauigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens trotz der Einfachheit der verwendeten Mittel durch keines der bisher vorgeschlagenen Verfahren auch nur angenähert erreic'nt werden.

Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigt

Fig. I die schematische Darsielli^-';j des bei Belichtung durch eine vorgegebene Marke auftretenden Intensitätsverlaufs / und des nach Abschluß des Entwicklungsvorganges vorliegenden Verlaufs der Lackdicke D.

F ι g. 2 die schematische Darstellung eines Ausfuhrungsbeispiels der Erfindung.

Fig. 3 die perspektivische Darstellung eines Aus schnittes des in F ig 2 dargestellten Ausführungsbei

jo spiels.

Fig. 4 den Verlauf der Intensität / der Beugung zweiter Ordnung als Funktion der Entwicklungs- oder Ätzzeit.

Anhand von F ι g. 1 werden die Verhaltnisse bei der Belichtung einer Photolackschicht durch eine Maske erläutert. Fällt, wie in F ι g. 1 dargestellt, eine kollimierte Strahlung 1 auf eine aus einem durchsichtigen Trägerelement 2 und aus einem undurchsichtigen Bereich 3 bestehende Maske 4, so ergibt sich im Bereich einer Lackschicht 5. bedingt durch die in den Randbereichen der undurchsichtigen Schicht 3 auftreter Jen Beugungserscheinungen, der durch die Linie 10 dargestellte Intensitätsverlauf. Wird die so belichtete Lackschicht entwicklet, so wird nach einer vorgegebe-5 nen Zeit zunächst der zwischen den Linien 11 und 12 hegende Bereich eines unter der Lacksv.hicht liegenden Halbleiterplättchens 6 fast gleichzeitig freigelegt Es ist leicht einzusehen, daß die Breite dieses Bereiches mit der Breite des durchsichtigen Bereichs der Maske 4 nicht übereinstimmt und weitgehend durch Schwankungen der Intensität der Strahlung 1 verändert wird Bei Fortsetzung des Entwicklungsprozesses wird nach einer nur experimentell ermittelbaren Zeit die Breite des freigelegten Bereichs des Halbleiterplättchens 6 der Breite des durchsichtigen Bereiches der Maske 4 gleich sein Diese expermenteli ermittelte F^nfvicklungszeit gilt aber nur. wenn alle anderen Parameter, nämlich die Intensität der Belichtung, die Dauer der Belichtung, die Konzentration. Reinheit und Temperatur des Entwick-

Mi lers. sowie die Zusammensetzung, die Reinheit und die Dicke der Photolackschicht mit großer Genauigkeit konstant gehalten werden können. Wird die Entwicklungszeit weiter vergrößert oder ändern sich die oben aufgezählten Parameter in einer bestimmten Richtung, so wird der freigelegte Bereich des Halbleiterplättchens 6 allmählich den gärigen Bereich zwischen den Linien 13 und 14 einnehmen und, bei manchen Photolacken nach einer weiteren Verlängerung der Entwicklungszeis

durch »Unterätzen« der Lackschichl noch größer werden. Es ist leicht cinzuschctr, daß zu einer genauen Übertragung der durchlässigen Bereiche der Maske 4 eine ganze Reihe von zum Teil sehr schwer zu überwachenden Parametern mit größtur Genauigkeit eingehalten werden muß. jede Veränderung eines dieser Parameter kann zur Verkleinerung oder zur Vergrößerung der freigelegten Bereiche des Halbleiterplältchens 6 führen, wodurch im schlimmsten Fall mehrere getrennt zu dotierende oder getrennt mit leitenden Überzügen zu versehende Bereiche miteinander verschmelzen oder zumindest einander so nahe kommen, daß die elektrische Eigenschaften einer mit diesem Verfahren hergestellten Halbleiterschaltung ganz wesentlich veriindert werden.

In Fig. 2 wird ein einfaches Ausführungsbeispiel schematisch und in Fig. 3 ein Ausschnitt aus Fig. 2 perspektivisch dargestellt. Die Vorrichtung besieht aus einem Gefäß 15, in dem ein F.nlwicklcr 16 untergebracht ict Ini Fmwirkler 16 befindet sich ein mit einer Photolackschicht überzogenes Halbleitcrplättchcn 6, das mit dem in Fig.! veranschaulichten Verfahren belichtet wurde. Die mit 5 bezeichneten und im verkleinertem Maßstab dargestellten Bereiche des Halbleiterpiättchens 6 und der darauf befindlichen Photolackschicht wurden mit einem Muster belichtet, das die zum Aufbau einer integrierten Schaltung in unterschiedlicher Weise dotierten oder mit leitenden Schichten überzogenen Bereiche und L.inienstrukturen enthält. Der mittlere, mit G bezeichnete Bereich des Halbleiterpiättchens und die darauf befindliche Photolackschicht wurde mit einem Muster belichtet, das aus einer Anzahl von vorgegebene Breiten und Abstände voneinander aufweisenden Linien besteht. Die Breite der Linien und der Abstände zwischen den einzelnen Linien des Gitters entsprechen in der Regel der mittleren Breite der Linien und der Abslände zwischen den Linien in den Bereichen S. Diese Breiten und Abstände können aber auch größer oder kleiner als die Breiten und Abstände den Linien im Bereich Sgewählt werden. Ferner ist eine Lichtquelle 18 zur Erzeugung eines monochromatischen kollimierten Lichtstrahls 19 vorgesehen, der durch ein Fenster 17 des Gefaies 15 auf den mit einer Gitterstruktur belichteten Bereichs O des Halbleiterplätlchens 6 fällt. Die Vorrichtung besteht weiterhin aus zwei Lichtdetektoren 22 und 23. die in der Richtung der zweiten und dritten Beugungsordnung der auf das im Bereich C durch die Entwicklung entstehende Gitter fallenden Strahlung 19 liegen.

Die Orte der Lichtdetektoren 22 und 23 sind eine eindeutige Funktion der Gitterkonstante g des im Bereich C entstehenden Gitters. Während die Lage der Beugungsordnungen bei vorgegebener Richtung und bei vorgegebener Wellenlänge der Strahlung 19 eine eindeutige Funktion der Gitterkonstante g, also prozeßunabhängig ist, ist die Intensität dieser Beugungsanordnungen eine eindeutige Funktion der Breite der durch den Entwicklungsvorgang freigelegten Linienbereiche. Wird während des Entwicklungsvorganges die Breite b der durch den Entwicklungsvorgang freigelegten Bereiche zwischen den Giuerlinien gleich der halben Gitlerkonstante g, die Linienabstände also gleich den Linienbreiten, so wird, wie aus der Beugungsoptik bekannt, die Intensität des Beugungsmaximums zweiter Ordnung gleich 0. Da die Ranken der

Giuerlinien nicht exakt senkrecht sind, wird in der Praxis die Intensität der zweiten Beugungsordnung nicht gleich 0 sondern durchläuft ein Minimum. Der Verlauf dieser Intensität wird in F i g. 4 als Funktion der Enlsvicklungszeil schemalisch dargestellt. Bei extrem fein strukturierten Liehtinustern, bei denen die Linienbreiten und Linienabstände an der Grenze des optischen Auflösungsvermögens liegen, kann es vorteil haft sein, die Linienbreiten und Linienabständc des zur Prozeßsteuerung verwendeten Gitters größer zu machen, um zu vermeiden, daß bei dem sich in diesem Fall möglicherweise ergebenden sinusähnlichen Gittern der Intensilälsverlauf im Bereich der/weiten Beugungs Ordnung oder im Bereich anderer Beugungsordnungen verfälscht wird. Es hat sich herausgestellt, daß für jede Linienbreile eines /u übertragenden Schaltungsmuslers eine optimale Gitterkonstante experimentell ermiltcli werden kann, bei der das Minimum bestimmter Beugungsordnungen ein eindeutiges Kriterium für die Beendigung des Enlwicklungsvorganges für das belich tete Schaltungsmustcr ist. Weisen die durch Belichtung der Photolackschicht übertragenen Schaltungsmuster sehr große Linienbreiten und l.inienabstände auf, kann es zweckmäßig sein, die Gitterkonslanle kleiner zu machen und dadurch die Empfindlichkeil der Anzeige zu erhöhen.

Ist der Entwicklungsvorgang weit genug fortgeschritten, und beginnt das im Bereich C belichtete Gitter sich allmählich auszubilden, so wird im Bereich der beispiefsweise durch den Strahl 20 angedeuteten Richtung der zweiten Beugungsordnung, wie in Fig.4 angedeutet, zunächst kein Licht vorliegen. Bei fortschreitender Ausbildung der Gitterstruktur, nämlich bei allmählichem Breiterwerden der Abstände zwischen den einzelnen Gitterlinien, wird die Intensität im Bereich der zweiten Beugungsordnung sehr rasch ansteigen um dann wieder schnell abzufallen. Wird die Breite b der freigelegten Bereiche gleich der halben Gitterkonstante g. so wird ein Minimum erreicht. Bei Fortsetzung des Ätzvorganges wird die Breite der freigelegten Bereiche größer als die halbe Gitterkonstante, so daß die Intensität der Strahlung im Bereich der zweiten Beugungsordnung allmählich ansteigt.

Oicaci vciidUiucf tiiici'iaiiat ucf ZVr'CiiCri uCU^UrigSC.M

nung wird durch den Lichtdetektor 22 in elektrische Signale umgewandelt, die über eine Leitung 24 zu einer Auswertschaltung 26 übertragen werden. Zur Erhöhung der Meßgenauigkeit kann es sinnvoll sein, einen weiteren Lichtdetektor 23 im Strahlengang 21 der dritten Beugungsordnung anzuordnen, der den Intensitätsverlauf dieser Beugungsordnung in elektrische Signale umwandelt und über eine Leitung 25 zur Auswertschaltung 26 übertragt Die Auswertschaltung 26 ist so ausgelegt, daß bei Erreichen bestimmter Intensitätswerte im Bereich einer oder mehrerer Beugungsordnungen auf einer Aüsgangsleitung 27 ein den Entwicklungsvorgang beendendes Signal auftritt

Das neue Verfahren und die neue Vorrichtung sind selbstverständlich nicht auf durch Masken oder sonstige zu reproduzierende körperliche Vorlagen übertragene Muster beschränkt Sie können vielmehr auch im Zusammenhang mit durch sogenannte »Artwork«-Generatoren, die beispielsweise als Licht- oder Elektronenstrahlschreiber ausgebildet sein können, erzeugten Mustern verwendet werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Feststellen eines vorgebbaren Endzustandes eines Entwicklungs- oder Ätzvorgangs, insbesondere bei der Herstellung integrierter Schaltungen, bei dem der vorgegebene Endzustand durch Messung der Intensität einer während des Entwicklungs- oder Ätzvorgangs vom Werkstück zurückgeworfenen oder durch das Werkstück hindurchgegangenen monochromatischen Strahlung ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß auf das Werkstück neben der Struktur der zu entwickelnden oder zu ätzenden Muster auch die Struktur eines Gitters übertragen und mit den Mustern entwickelt oder geätzt wird, daß das Werkstück mit der monochromatischen Strahlung im Bereich des sich während des Entwicklungs- oder Ätzvorgangs ausbildenden Gitters beaufschlagt wird, daß die Intensität eines oder mehrerer Beugungsmax'ma der an dem Gitter gebeugten Strahlung bestimmt wird und daß der Entwicklungsoder Ätzvorgang beim Erreichen eines vorgebbaren Punktes der als Funktion der Entwicklungs- oder Ätzzeit aufgetragenen Intensität (Fig.4) beendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennleichr.et, daß das Auftreten oes Minimums der !weiten Ordnung der am Gitter gebeugten Strahlung als Kriterium für die Beendigung des Entwicklungs- oder Ät/vorganges verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterlinien gleiche Breiten und Abstände wie die L.nien d j zu entwickelnden oder zu ätzencen Musters .'.ufweisen.

4. Verfahren nach Anspruch oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterlinien größere Breiten und Abstände als die Linien des zu entwickelnden oder /u ätzenden Musters aufweisen.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragung des Gitters und der /u entwickelnden oder zu ät/enden Muster mn Hilfe von Masken erfolgt.

b Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragung der Gitter und der /u entwickelnden oder /u ät/enden Muster durch lichtstrahl- oder F.lektronenstrahlschreiber erfolgt.

7 Vorrichtung /ur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche I bis b. die ein Gefäß /ur Durchführung des Fntwicklungs oder Atzvorgan ges nut einem durchsichtigen Fenster enthält, die ferner eine Lichtquelle mit einem durch das Fenster auf das Werkstück gerichteten monochromatischen Lichtstrahl aufweist und die im Bereich der /u messenden Lichtintensität einen Lichtdetektor ent halt, dir ausgangsscitig mit einer Auswcrteschaltung verbunden ist. deren Ausgangssignal den Fntwiik lunps oder Ätzvorgang beendet, dadurch gekennzeichnet, daß der monochromatische Lichtstrahl (19) auf ein (inter ((!) auf dem Werkstück gerichtet ist und daß im Bereich der zweiten BeugungSördnung (20) des an dem Gitter (G) gebeugten Lichtstrahls (19) ein Lichtdetektor (22) angeordnet ist, der mit der Auswerlcschaltung (26) verbunden ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der dritten Beugungsordnung (21) des an dem Gitter (G) gebeugten Lichtstrahls (19) ein weilerer Lichtdetektor (23) angeordnet ist, der mit der Auswerteschaltung (26) verbunden ist.