DE3019583A1 - Ueberwachungs-verfahren und waechter fuer aetzen - Google Patents

Ueberwachungs-verfahren und waechter fuer aetzen

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DE3019583A1 DE19803019583 DE3019583A DE3019583A1 DE 3019583 A1 DE3019583 A1 DE 3019583A1 DE 19803019583 DE19803019583 DE 19803019583 DE 3019583 A DE3019583 A DE 3019583A DE 3019583 A1 DE3019583 A1 DE 3019583A1
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Description

HITACHI, LTD., Tokyo, Japan
Überwachungs-Verfahren und Wächter für Ätzen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und einen Wächter zum überwachen des Prozesses (oder des Ablaufs) und der Beendigung von Ätzen bei einem Trockenätz-Prozeß mit Glimmentladung-Plasma.
Im Rahmen der Miniaturisierung von elektronischen Bauelementen wie integrierten Halbleiterschaltungen wird ein sogenanntes Trockenätzen unter Verwendung von Plasma eingesetzt, das eine genaue und feine Bearbeitung der entsprechenden Werkstoffe gestattet. Seiner umfassenden Einführung in die Praxis stehen aber einige Schwierigkeiten entgegen:
Eine Schwierigkeit beim Trockenätzen ist die unzureichende Reproduzierbarkeit der Ätz-Geschwindigkeit. Die Ursachen dafür liegen in der Schwierigkeit der genauen Steuerung der Reinheit des in ein Plasma übergeführten Gases und der Schwankung der Oberflächentemperatur des zu ätzenden Werkstücks. Wegen dieser Schwankung der Ätz-Geschwindigkeit erfordert das Trockenätzen in vielen Fällen einen Wächter, um den Ablauf des Ätzens einschließlich dessen Beendigung zu verfolgen. Beispielsweise kann in einem derartigen Wächter die Emissions-Intensität einer
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ausgewählten Wellenlänge eines Emissions-Spektrums des Plasmas Überwacht werden, ebenso ist eine Massenspektroskopie zur Überwachung der Ionen-Intensität einer ausgewählten Massenzahl möglich, und zwar für Trockenätzen von Al, Al-Legierungen, Si und SiO2.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß bei Anwendung dieser Verfahren die Emissions-Intensität oder die Massenspektrum-Intensität, die für. überwachungs-Zwecke erfaßt werden, häufig stark mit den Ätz-Parametern wie Druck des Gas-Plasmas und der Hf-Leistung zur Plasma-Anregung schwanken. Wegen dieser Schwankungen der Emissions-Intensität und der Massenspektrum-Intensität ist bisher ein genaues überwachen des Ätzens unmöglich.
Es ist ferner von den Erfindern festgestellt worden, daß bei einer angestrebten Automatisierung des Ätzens mittels eines Wächters die Beendigung des Ätzens wegen der vorbezeichneten Schwankungen fehlerhaft erfaßt werden kann.
Vorsorglich werden als bekannter Stand der Technik angegeben:
(i) JP-OS 51-104268
(ii) JP-OS 53-64 636 und
(iii) JP-OS 53-34 641.
Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, ein Überwachungs-Verfahren und einen Wächter zum überwachen -von Trockenätzen zu schaffen, die mit einer Korrektur ausgestattet sind, um genau das Verfahren und die Beendigung unabhängig von Schwankungen der Ätz-Parameter beim überwachen des Trockenätzens anhand des Emissions-Spektrums oder des Massen-Spektrums zu. verfolgen.
Erfindungsgemäß- wird eine bestimmte, ätzabhängige Spektral-Intensität von Atomen oder Molekülen, die im Glimmentladungs-
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Plasma während des Ätzens eines Werkstücks durch Ionen oder im Glimmentladungs-Plasma entstehende Radikale erzeugt werden, durch eine ändere Spektral-Intensität korrigiert« die ätzunabhängig ist, indem die resultierende Signal-Intensität überwacht wird.
Die ätzabhängige Spektral-Intensität ist eine Emissionsspektrum-Intensität einer spezifischen Wellenlänge oder eine Massenspektrum-Intensität einer spezifischen Massenzahl zum Oberwachen des Ätzzustande, und sie kann im folgenden zur überwachung des Ätzzustands benutzt werden, d. h., eine Spektral-Intensität von Atomen oder Molekülen, die den zu ätzenden Werkstoff oder ein Ätz-Reaktionsprodukt bilden. Wenn z. B. Al durch Plasma,einer Gasverbindung mit Chlor-Atomen ·: .trockenzuätzen ist« kann ein Emissions-Spektrum von Al-Atomen der Wellenlänge 396 na oder ein Emissions-Spektrum von AlCl-Molekülen der Wellenlänge .261,4 nm oder ein Massen-Spektrum von AlCl der Maesenzahl 62 oder ein Massen'-Spektrum von AlCl2 der Massenzahl 9? verwendet werden.
Die ätzabhängige Spektral-Intensität ist gewöhnlich eine Emissionsspektrum-Intensität oder eine Massenspektrum-Intensität von äfcanen. oder Molekülen, die unabhängig von den Atomen oder Molekülen des zu ätzenden Werkstoffs oder den Xtz-Reaktionsprodukten sind, wobei ihre Wellenlänge oder Massenzahl von der des ätzabhängigen Spektrums verschieden sein kann. Wenn z. B. Al durch Plasma in einer Gas-Umgebung mit CCl4 trockenzuätzen ist,, kann ein Emissions-Spektrum von Cl-Atomen der Wellenlänge 500 nm oder ein Massen-Spektrum von CCl2 der Massenzahl 72 verwendet werden. In einem einfacheren Fall kann die gesamte Spektral-Intensität eines gesamten Wellenlängenbereichs oder eines gesamten Massenzahlbereichs anstelle der Spektral-Intensität der ausgewählten Wellenlänge oder Massenzahl benutzt werden.
0 300 50/0716 . . . bad orkunal.
Der Ätz-Prozeß, durch den das Werkstück durch die Ionen oder Radikale, erzeugt vom Glimmentladungs-Plasma, geätzt wird, benutzt eine für sich bekannte Ätz-Technik, die Plasma-Ätzen oder Zerstäubungs-Ätzen genannt wird, oder auch Trockenätzen. Wenn Al zu ätzen ist, wird es durch Ionen oder Radikale geätzt, die durch die Entladung einer Gasverbindung mit Chlor-Atomen erzeugt werden.
Wenn ein Emissions-Spektrum zum Überwachen verwendet wird, ist ein Spektrum einer spezifischen Wellenlänge selektiv für die Messung von deren Intensität zu extrahieren. Ein für sich gut bekanntes optisches Filter oder ein für sich gut bekanntes Beugungsgitter können für die Selektion des Spektrums spezifischer Wellenlänge verwendet werden.
Ein einfaches Vorgehen zum Korrigieren der ätzabhängigen Spektral-Intensität durch die ätzunabhängige Spektral-Intensität besteht darin, den Quotienten der beiden Intensitäten zu bilden, d. h., ein Verhältnis beider Intensitäten, obwohl die Erfindung darauf keineswegs beschränkt ist.
Der erfindungsgemäße Wächter für den Ätz-Prozeß kann insbesondere aufweisen:
- eine Meßeinrichtung für die ätzabhängige spezifische Spektral-Intensität der Atome oder Moleküle, die im Glimmentladungs-Plasma während des Ätzens des Werkstücks durch die Ionen oder Radikale, erzeugt im Glimmentladungs-Plasma/ erzeugt werden;
- eine Meßeinrichtung für die ätzunabhängige Spektral-Intensität und
- eine Einrichtung zur Erzeugung des korrigierten Werts der Spektral-Intensität, abgeleitet durch Korrektur der ätzabhängigen Spektral-Intensität mittels der ätzunabhängigen Spektral-Intensität.
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Die Einrichtung zur Erzeugung des korrigierten Werts kann einfach in einem Dividierer der beiden Intensitäten bestehen, obwohl die Erfindung darauf nicht beschränkt ist.
Die Spektral-Intensität-Meßeinrichtung sowie die Einrichtung zum Erzeugen des korrigierten Werts und schließlich die Verarbeitungseinrichtung sind für sich gut bekannt.
Die Spektren für die Messung der Intensität und die Auswahl dieser Spektren sind bereits oben angegeben worden.
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Plasma-Emissions-Spektrum, wenn
' Al durch ein BCl--Gas-Plasma geätzt wird;
Fig. 2 die zeitliche Änderung im Verlauf der Intensität eines Überwachungssignals, wenn Al trockengeätzt wird, und
Fig. 3 das Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Ätz-Wächters.
Die Korrektur der überwachungssignal-Intensität in erfindungsgemäßer Weise wird jetzt anhand eines Beispiels erklärt, gemäß dem Al durch BCl_-Gas-Plasma trockengeätzt wird. Eine Kurve 1 in Fig. 1 zeigt ein Plasma-Emissions-Spektrum gemessen von einem Spektral-Photometer bei Trockenätzen von Al. In der Kurve 1 deuten die Emissions-Spektren bei den Wellenlängen 394,4 nm und 396,1 nm die Emission von Al-Atomen an, die nur beim Ätzen von Al auftreten. Daher kann durch überwachen der zeitlichen Änderung dieser Emissions-Intensität das gesamte Verfahren und die Beendigung des Ätzens überwacht werden. In
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der Kurve 1 bedeutet ein breites Emissions-Peak nahe der Wellenlänge 500 nm die Emission von Cl-Atomen oder Cl-Ionen. Eine Kurve 2 in Fig. 2 beschreibt ein Emissions-Spektrum, wenn der Druck von Gas-Plasma während des Ätzens ansteigt. Die Emissions-Intensitäten bei den beiden oben erwähnten Wellenlängen nehmen gemäß, der Kurve 2 ab. Wenn die Ätz-Parameter wie Hf-Leistung oder Gas-Zusammensetzung variieren, nehmen die Emissions-Spektren im Fall der Kurve 2 ab-oder im gesamten Wellenlängen-Bereich zu. Auf jeden Fall kann durch überwachen des Verhältnisses der Emissions-Intensität bei der Wellenlänge 396,1 nm zur Emissions-Intensität bei der Wellenlänge 500 nm eine unbeabsichtigte Schwankung der Überwachungs-Signal-Intensität unterdrückt werden, damit nicht fehlerhaft auf eine Beendigung des Ätzens geschlossen wird.
Fig. 2 zeigt die zeitliche Änderung der Überwachungs-Signal-Intensität, wobei eine Kurve 3 eine Überwachurigs-Signal-Intensität bei der Wellenlänge 396,1 nm und eine Kurve 4 eine korrigierte Signal-Intensität, die gleich dem Verhältnis der Emissions-Intensität bei der Wellenlänge 396,1 nm zur Emissions-Intensität bei der Wellenlänge 500 nm ist, bedeuten. In Fig. 2 bezeichnet ein Zeitpunkt A den Beginn des Ätzens, ein Zeitintervall von B bis C das Auftreten von Druckschwankungen und ein Zeitpunkt D die Beendigung des Ätzens. Gemäß der Kurve 3 könnte der Zeitpunkt B irrtümlich als Beendigungs-Zeit des Ätzens angenommen werden, jedoch wird diese Möglichkeit durch Fig. 4 ausgeschlossen.
In Fig. 1 und 2 können die Ordinaten-Achsen einen beliebigen Maßstab tragen.
Ausführungsbeispiel 1:
Al wurde durch BCl^-Gas-Plasma geätzt. Während des Ätzens wurde eine Signal-Intensität gleich dem Verhältnis fQ der Al-Emis-
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sions-Intensität (Wellenlänge 396,1 nm) zur Cl-Emissions-Intensität ( Wellenlänge 500 nm) überwacht.
Ein Wächter zur Erzeugung eines derartigen überwachungssignals ist in Fig. 3 abgebildet. Im einzelnen besitzt er:
- ein Interferenz-Filter 10, das Licht der Wellenlänge 396 nm durchläßt,
- ein Interferenz-Filter 11, das Licht der Wellenlänge 500 nm durchläßt,
- opto-elektronische Wandler 12 und 13 zum Umsetzen der entsprechenden Licht-Intensitäten in elektrische Signal-Intensitäten X bzw. Y,
- einen Teiler 14 zur Erzeugung eines Verhältnisses (X/Y) des Ausgangssignals des opto-elektronischen Wandlers 12 zum Ausgangssignal des opto-elektronischen Wandlers 13 .und
- einen Schreiber 15 zum Aufzeichnen des Ausgangssignals vom Teiler 14.
Wenn das Ausgangssignals des Teilers 14 für automatischen-Betrieb verwendet wird, kann der Schreiber 15 auch weggelassen werden. Die zeitliche Änderung des Überwachungssignals, das vom Schreiber 15 aufgezeichnet ist, ermöglicht anhand einer Kurve die genaue Bestimmung der Beendigung des Ätz-Prozesses unabhängig von Schwankungen der Hf-Leistung und des Drucks während des Al-Ätzens. ■ '
Ausführungsbeispiel 2: .
Al wurde mit CC^-Gas-Plasma geätzt. Ätz-Reaktionsprodukte AlCl (Massenzahl 62) und CCl2 (Massenzahl 72) wurden durch ein Quadru-
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pol-Massenfilter erfaßt, und das Verhältnis dieser Signal-Intensitäten, gewonnen durch einen Teiler ähnlich dem im Ausführungsbeispiel· 1, wurde überwacht, um den Ablauf des Al-Ätzens und dessen Beendigung zu verfolgen. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel könnte ähnlich wie beim Ausführungsbeispiel die Beendigung des Ätzens genau erfaßt werden.
Erfindungsgemäß kann also das Ätzen genau während des Trockenätzens unabhängig von Schwankungen der Ätz-Bedingungen überwacht werden, so daß die Erfindung sich vorteilhaft für automatisierte Prozesse eignet, die eine genaue Ermittlung der Beendigung des Ätzens erfordert.
Obwohl hier beispielsweise das Al-Ätzen besonders erläutert worden ist, ist der erfindungsgemäße Wächter gleichfalls anwendbar auf das Ätzen anderer Werkstoffe, z. B. Si, SiO „ und Si^N.. Obwohl die Cl-Emissions-Intensität bei der Wellenlänge 500 nm als Bezugssignal zur Korrektur bei der überwachung des Emissions-Spektrums benutzt worden ist, kann ein ähnlicher Effekt erreicht werden, wenn die Emissions-Intensität (oder sogar die Emissions-Intensität aller Wellenlängen, also nicht nur die Spektral-Intensität) von Atomen, Molekülen oder Ionen davon, die nicht gleich Ätz-Reaktionsprodukte sind, wie Al und AlCl, überwacht wird. In diesem Fall sollte allerdings darauf geachtet werden, daß die Ansprechzeiten des Paars von opto-elektronischen Wandlern gleich sein müssen. Wenn die Ansprechzeiten voneinander unterschiedlich sind, ist eine genaue Korrektur des überwachungssignals nicht möglich.
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Claims (12)

  1. Patentansprüche
    Verfahren zum überwachen des Ätzens eines Werkstücks mittels Ionen oder Radikalen, hergestellt durch Glimmentladungs-Plasma, dadurch gekennzeichnet,
    - daß eine bestimmte, vom Ätzen abhängige Spektral-Intensität von Atomen oder Molekülen, erzeugt im Plasma, mittels einer anderen, vom Ätzen unabhängigen Spektral-Intensität korrigiert wird, und
    - daß die resultierende Signal-Intensität überwacht wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    - daß die ätzabhängige und die ätzunabhängige Spektral-Intensität gleich der Emissions-Spektrum-Intensität bei einer bestimmten bzw. bei einer anderen Wellenlänge gewählt sind.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    - daß die ätzabhängige und die ätzunabhängige Spektral-Intensität gleich einer Massen-Spektrum-Intensität einer bestimmten bzw. einer anderen Massenzahl gewählt wird.
    8l-(A4689-o3)Hd-Kr
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    3013583
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    - daß die ätzabhängige Spektral-Intensität gleich einer Plasma-Emissions-Spektrum-Intensität bei einer bestimmten Wellenlänge, ausgewählt durch ein optisches Filter oder ein Beugungsgitter, und
    - die ätzunabhängige Intensität gleich einer Plasma-Emissions-Spektrum-Intensität bei einer anderen Wellenlänge, ausgewählt durch ein optisches Filter oder ein Beugungsgitter, gewählt wird.
  5. 5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
    - daß das Verhältnis der ätzabhängigen Spektral-Intensität zur ätzunabhängigen Spektral-Intensität überwacht wird.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    - daß das Verhältnis einer Spektral-Intensität von Al-Atomen oder AlCl-Molekülen zu einer Spektral-Intensität von Cl-Atomen überwacht wird,
    - wobei die Al-Atome bzw. AlCl-Moleküle und Cl-Atome während des Ätzens von Al oder einer Al-Legierung mittels Plasma einer Gasverbindung einschließlich Chlor-Atomen erzeugt werden.
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  7. 7. Wächter für das Ätzen eines Werkstücks mittels Ionen oder Radikalen, erzeugt in Glimmentladungs-Plasma, gekennzeichnet durch
    - eine Einrichtung zur Messung einer vom Ätzen abhängigen bestimmten Spektral-Intensität von Atomen oder Molekülen, erzeugt im Plasma;
    - eine Einrichtung zur Messung einer vom Ätzen unabhängigen Spektral-Intensität; und
    - eine Einrichtung zur Erzeugung einer korrigierten Spektral-Intensität, die durch Korrektur der ätzabhängigen Spektral-Intensität mittels der ätzunabhängigen Spektral-Intensität vorgenommen wird.
  8. 8. Wächter nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    - daß die ätzabhängige und die ätzunabhängige Spektral-Intensität gleich der Emissions-Spektrum-Intensit ät bei einer bestimmten bzw. bei einer anderen Wellenlänge gewählt sind.
  9. 9. Wächter nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    - daß die ätzabhängige und die ätzunabhängige Spektral-Intensität gleich einer Massen-Spektrum-Intensität einer bestimmten bzw. einer anderen Massenzahl gewählt wird.
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    -A-
  10. 10. Wächter nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    - daß die Einrichtung zur Messung der ätzabhängigen Spektralintensität ein optisches Filter oder Beugungsgitter zur Auswahl des Emissions-Spektrum der bestimmten Wellenlänge und Mittel zur Messung der ausgewählten Spektral-Intensität aufweist, und
    - daß die Einrichtung zur Messung der ätzunabhängigen Spektralintensität ein optisches Filter oder ein Beugungsgitter zur Auswahl des Emissions-Spektrum der anderen Wellenlänge und Mittel zum Messen der ausgewählten Spektral-Intensität aufweist.
  11. 11. Wächter nach einem der Ansprüche 7-10, dadurch gekennzeichnet,
    - daß. die Einrichtung zur Erzeugung der korrigierten Spektral-Intensität aufweist:
    - Mittel (14) zum Berechnen des Verhältnisses der ätzabhängigen Spektral-Intensität zur ätzunabhängigen Spektral-Intensität.
  12. 12. Wächter nach Anspruch 11,
    gekennzeichnet durch
    - Mittel (10, 12) zur Messung einer Spektral-Intensität von Al-Atomen oder AlCl-Molekülen und
    - Mittel (11, 13) zur Messung einer Spektral-Intensität von Cl-Atomen,
    - wobei die Al-Atome oder AlCl-Moleküle und die Cl-Atome während des Ätzens von Al oder einer Al-Legierung mittels Plasma einer Gasverbindung einschließlich Chlor-Atomen erzeugt werden, und
    - Mittel (14) zum Berechnen des Verhältnisses der beiden Spektral-Intensitäten.
    030050/0716
DE3019583A 1979-05-28 1980-05-22 Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung der Plasmaätzung von Werkstücken Expired DE3019583C2 (de)

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