DE3118834A1

DE3118834A1 - Verfahren zum bestimmen des endpunktes eines physikalischen aetzprozesses und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE3118834A1
Application number: DE19813118834
Authority: DE
Inventors: Daniel Francis Magnolia Mass. Downey; George Thomas 01904 Lynn Mass. Lecouras
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1980-05-16
Filing date: 1981-05-12
Publication date: 1982-01-28
Also published as: FR2482783A1; GB2076330A; CH652237A5; JPS579877A; NL8102402A; GB2076330B; US4358338A

Description

3118834 Patentanwälte · European Patent Attorneys

München

Vl P535 D

Varian Associates, Inc.
Palo AHo, CaI., USA

Verfahren zum Bestimmen des Endpunktes eines physikalischen Ätzprozesses und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Priorität: 16 Mai 1980 - USA - Serial No. 150 533

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung eines Endpunktes bei einem physikalischen Ätzprozeß und auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Mit der vorliegenden Erfindung wird o5 insbesondere ein durch den zu ätzenden Gegenstand (Auftreffplatte) fließender Strom überwacht, um zu bestimmen/ wann der physikalische Ätzprozeß einen Endpunkt erreicht.

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

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In der Halbleiterindustrie, v/o FliotowiderEtändes, Isolatoren, leitende Schichten oder Halbleitermaterialien bei der Herstellung integrierter Schaltkreise mit einem Muster versehen werden, war es nicht mögliehj Abtragungsmittel zu verwenden. Der Grund hierfür liegt in dea sehr feinen bzw, diffizilen betroffenen Geometrien und darin, daß Rückstände des Abtragungsmittels die hergestellten Schaltkreise verunreinigen würden. Obwohl nasse chemische Ätzvorgänge in der Halbloiterindustrie 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 "Ionon-Fräsen" oder einem reaktiven Ionenätzen werden energiehaltige Ionenstrahlen, die entweder in Richtung auf ein Target beschleunigt werden, oder die in einer lonen-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 Abfälie erzeugt werden. Beim "Ionen-Fräsen" wird die kinetische Energie von nicht-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.

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-y-i

Als sich die Halbleitertechnxk 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. Hinterschnei düngen 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 lonenstrahles 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, d.h. eine Grenzschicht zwischen einem Leiter und einem Isolator oder einem Isolator und einem Halbleitersubstrat.

Bei den bekannten Ionenätzsystemen wurden mehrere verschiedene Techniken zur Bestimmung des Endpunktes ver^ow wendet. Es wurden Quarzkristall-Mikrowaagen verwendet, um das Gewicht eines Gegenstandes während dessen Ätzen zu messen. Wenn der Gegenstand geätzt wird, so verliert er an Gewicht; kennt man die zu ätzende Fläche und die Dichte (bzw. das spezifische Gewicht) des Materials,

so kann man die Ätztiefe bestimmen.

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•j Eine andere Lösung verwendet ein Quadrupol-Gasanalysiergerät, das die Anwesenheit bestimmter gasförmiger Stoffe in dem System erfaßt. Wenn ein bestimmter Stoff detektiert wird, so wird daraus geschlossen, daß eine Grenze zwischen unterschiedlichen Materialien erreicht wurde. Diese Lösung kann bestimmen, ob eine bestimmte Schicht erreicht wurde, jedoch ist sie nicht besonders gut dafür geeignet, die Ätztiefe zu messen.

]Q Die vorherrschende Technik besteht darin, die Länge des Ätzens, bezogen auf geeichte Ätzgeschwindigkeiten zu überwachen. Diese Lösung ist dann nützlich, wenn man selektive Ätzmittel benutzt, d.h. Ätzmittel, die das betroffene darüberliegende Material mit weitaus höherer

]5 Geschwindigkeit ätzen als das darunterliegende Material. Die Anwendung von Ätzverfahren mit überwachter Zeit ist bei selektiven Ätzmitteln zufriedenstellend, wenn das selektive Ätzmittel ein Ätzverhältnis in der Größenordnung von 30:1 oder größer hat (das Ätzverhältnis ist die Ätzgeschwindigkeit des zu ätzenden Materials, bezogen auf die Ätzgeschwindigkeit des darunterliegenden Materials). Hat man ein zu niedriges Ätzgeschwindigkeitsverhältnis, beispielsweise von 10:1 oder niedriger, so dringt man leicht zu tief in das Substrat ein oder man kann das betreffende Material hinterschneiden. Das Verfahren, das eine Zeitüberwachung zur Bestimmung des Endpunktes anwendet, ist daher insbesondere bei reaktiven Ionenätzsystemen ungeeignet, da das reaktive Ionenätzen die Ätzwirkung der kinetischen Energie des lonenstrahles und die der chemischen Eigenschaften kombiniert. Dies bedeutet; da die Selektivität auf einem chemischen Vorgang beruht, kann man ein Ätzmittel haben, das chemisch durchaus selektiv ist; dieses Ätzmittel ätzt jedoch auch die tieferliegende Schicht mit einer Geschwindigkeit, die der Geschwindigkeit für die darüberliegende Schicht vergleichbar ist und zwar aufgrund der kinetischen Energie des Ionenstrahls. Wie oben erwähnt, ist es bei höherkomplexen oder Mehrschichtschaltkreisen oder insbesondere bei

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dünnen tieferllegenden Schichten, wie z.B. Gate-Oxiden bei MOS-Schaltkreisen wünschenswert, die Ätzschritte bis zu einer spezifischen Tiefe bis zu 1000 S durchzuführen. Eine Beendigung des Ätzens innerhalb derart kurzer Distanzen kann mit den oben beschriebenen Techniken u.U. nicht erreicht werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Endpunktes eines physikalischen Ätzprozesses zu schaffen, mit dem auch bei sehr geringen Ätztiefen die Beendigung des Ätzvorganges sehr genau festgestellt werden kann. Insbesondere soll die Erfindung bei einem reaktiven lonenätzen anwendbar sein.

Diese Aufgabe wird im wesentlichen dadurch gelöst, daß der Strom durch den zu ätzenden Gegenstand gemessen wird und daß Änderungen des Stromes erfaßt werden, die übergänge zwischen unterschiedlichen Materialien anzeigen.

Hiermit kann auch laufend, d.h. momentan angezeigt werden, ob ein Ionenstrahl durch eine darüberliegende Schicht in eine Basisschicht eindringt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles im Zusammenhang mit den Figuren ausführlicher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfin

dung ;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer Platte und einer Maske, die bei der Vorrichtung nach Fig. 1 angewandt werden;

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] Fig. 3 ein Blockschaltbild eines Schaltkreises zur elektrischen Bestimmung eines Stromes durch den zu ät2enden Gegenstand;

Fig. 4 ein schematisches Schaltbild eines Differentiators der Figur 3;

Fig. 5 ein schematisches Schaltbild eines Zeit-Diskriniinators der Figur 3;

Fig. 6 ein schematisches Schaltbild einer Steuerlogik der Figur 3;

Fig. 7a - 7d eine Serie von Zeitverläufen eines Ionen™ Strahlstromes durch ein Plättchen hindurch für verschiedene Materialkombinationen.

Erfindungsgemäß wird der Endpunkt eines physikalischen Ätzprozesses dadurch bestimmt, daß der Strom durch den zu ätzenden Gegenstand gemessen wird und daß Änderungen des gemessenen Stromes erfaßt werden. Änderungen dieses Stro~» mes zeigen übergänge zwischen unterschiedlichen Materialien an oder die Eindringtiefe bei einem bestimmten Material. Momentane Änderungen des Ätzflusses, d.h. eines Ionen-Strahles, können dadurch ausgeklammert werden, daß der Strom einer Maske gemessen wird, die in der Nähe des zu ätzenden Gegenstandes angeordnet ist und dadurch, daß der Maskenstrom von dem gemessenen Strom durch den zu ätzenden Gegenstand subtrahiert wird.

Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Bei der nachfolgenden Beschreibung wird der Ausdruck "darüberliegende Schicht" zur Beschreibung der zu ätzenden Schicht verwendet. Der Aus~ druck "Basisschicht" bezeichnet diejenige Schicht, die als nächste unter der "darüberliegenden Schicht" liegt. Die Ausdrücke "zu ätzender Gegenstand", "Plättchen" oder

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"Target" bezeichnen die Gesamtheit der "darüberliegenden Schichten" und der "Basisschichten". Der Ausdruck "Endpunkt¹¹ bezeichnet den Zeitpunkt, bei dem eine bestimmte Änderung des gemessenen Stromes durch das "Target" hindurch beobachtet wird. Der Ausdruck "durch das Target hindurch" oder "Strom durch den zu ätzenden Gegenstand" ist in allgemeinem Sinne verwendet und umschließt einen gemessenen Strom an irgendeinem Punkt des Plättchens; dieser Ausdruck umschließt daher auch einen Strom, der

TO auf der Rückseite eines Plättchens gemessen wird, oder den Strom der auf der Oberfläche des Plättchens rings um seinen Umfang gemessen wird. Durch diesen Ausdruck werden daher sowohl Bahn- bzw. Restwiderstandseffekte (bulk resistance) und Oberflächenschichtwiderstandseffekte abgedeckt. In physikalischer Hinsicht wird angenommen, daß die beobachteten Änderungen des Stromes mit dem Zeitpunkt übereinstimmen oder nahe bei ihm liegen, zu dem ein gewisser Teil der darüberliegenden Schicht vollständig entfernt wurde und die Basisschicht teilweise bloßliegt. Es ist derjenige Punkt, zu dem Effekte differentieller sekundärer Elektronen oder Leitfähigkeitseffekte in der Basisschicht im Vergleich zu den Effekten in der darüberliegenden Schicht beobachtbar werden. Von diesem Punkt an, bis die gesamte darüberliegende Schicht vollständig entfernt wurde, wird der vorherrschende Effekt stetig den gemessenen Strom durch das Target oder das Plättchen ändern, bis die Stromcharakteristik der Grundschicht feststellbar ist. Da der Endpunkt als der Punkt definiert ist, zu dem die Basisschicht anfängt, frei zu liegen, muß der Ätzprozeß für eine ausreichende Zeit fortgesetzt werden, um die Basisschicht vollständig bloß zu legen. Diese weiter dauernde Zeit wird als "Uberätzzeit" bezeichnet. In der Technik wird sie als Prozentsatz der Zeit gewählt, die zum Ätzen der darüberliegenden Schicht benötigt wurde, wobei die Ionenstrahlbedingungen und die physikalischen Randbedingungen gleichbleiben. Die Mechanismen, denen der gemessene

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Strom durch ein Targetinaterial, das einer lonenboretoardia-· rung ausgesetzt ist/ unterliegen, sind allgemein bekannt. Sie umfassen den effektiven Widerstand des Targets und irgendeiner Halterung, wobei hier ein Effekt äsr Kombi» nation der Widerstände aller Schichten augrundellegt. Weiterhin umfassen diese Mechanismen die Emission von Sekundärelektronen von der bombardierten Oberflächenschicht, sowie auch die Emission von Sokundürionen 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 Sekundarelektroaen zu ihm zurückkehren (in manchen Fällen können diese Ladun™ gen 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 lonenstrahlstrom bei oder sind von ihm abzuziehen. Folglich sollte berücksichtigt werden, daß der gemessene Strom durch das Target, welches im folgenden als Halbleiterplättchen bezeichnet wird, eine Kombination eines tatsächlichen lonenstroms 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 Sahiaht tatsächlich bestrahlt

bzw. bombardiert ist. Diese Effekte ermöglichen einen primären Weg zur Definition eines Endpunktes, dor nicht von Gesamtstrompegeln sondern lediglich von Äaäeruagen des Stromes abhängt.

sehr oft, wie auch bei der nachfolgenden Beschreibung? wird das Plättchen in einer Platte gehalten, so daß Messungen sehr bequem an der Platte durchgeführt werden

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können. Folglich gilt dann:

¹P = ¹R * ¹I ^{+ 1}SE

wobei

Ip 3 Strom von der Platte zu Masse I_n =» Strom der realen Ionen des auftreffenden

Strahles
Strom au
^ ^strom aufgrund sekundärer Elektronen

I = Strom aufgrund sekundärer positiver Ionen

Bei Fällen, bei denen die Leitfähigkeitsmechanismen nicht dominant sind, kann I-, 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:

dip =+di_SE

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 darauf hingewiesen, daß I_s„ über eine Vorspannung an einer Maske gesteuert werden kann, welche über dem Plättchen 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

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Substrat senden wird.

Wenn die Leitfähigkeitseffekte prädominant sind, d.h. wenn die Charakteristiken der Sekuadärelektronen ähnlich sind, die Widerstandseigenschaften jedoch unterschiedlich, so kann I_S£ als konstant bzw. als klain angesehen v/erden, so daß gilt:

dl_p = -dl .
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Folglich wird dieser Ausdruck abnehmen, wenn man durch eine leitfähige darüberllegende Schicht in eine isolierende Basisschicht hineinätzt und er wird anwachsen, wenn man durch eine isolierende Schicht hindurch in eine leit«· fähige Schicht ätzt. Der vorgenannte Effekt wird eine Stromkurve erzeugen, die dazu verwendet werden kann, die Eindringtiefe in eine darüberllegende leitfähige Schicht zu bestimmen.

Bei den meisten Kombinationen aus einer darüberllegenden 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 su.v Bestimmung eines Überganges zwischen versehieösnen ü-iatsrialisn und Ia he= stimmten Fällen zur ^BBthmmi:-:: ä^~ Sinöriagtisfe la ein bestimmtes Material,

Figur 1 zeigt den grundlegend?:?' i:-"£::ca siner 'JosrE.iohtu.ng zur Durchführung der VGxXtegciüasn 3rfl&äuiicjo Dissi; ¥οκ~ richtung enthält einen reaktivem lonoiiStrahlätses äes Typs RE-580 der Firma Varian/Extrion« Sie eniliält ein® Beschickungs- und Entnahmevorricht-ang für dea zn ätz®ii~ den Gegenstand entsprechend der US-Patentschrift 3 901 183. Die in Figur 1 gezeigte Vorrichtung ist ein Beispiel für

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viele mögliche Konfigurationen, mit denen das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden kann. Eine Ionenquelle 10 erzeugt eine Ionenart oder eine Gruppe von Ionen arten/ die extrahiert werden und längs eines geradlinigen Weges in Richtung auf ein Plättchen 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 Endpunkt-Bestimmungsverfahrens der vorliegenden Erfindung in größerem Umfange anwendbar, da größere Ungleichförmigkeiten des Ionenstrahles bei äquivalenten Ätztoleranzen zugelassen werden können, sofern es direkt und mit großer Präzision bekannt ist, wann Material übergänge auftreten.

Ein Ionenstrahl 14 wird auf ein Halbleiterplättchen 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 alle

^OJ Fälle kann die Dicke des Photowiderstandsmaterials so ausgewählt werden, daß sie groß genug ist, eine ausreichende Sicherheitsspanne vorzusehen, so daß alles bestrahlte Material geätzt ist, bevor das Photowiderstands-

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material abgenutzt wird.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist das Halbleiterplättchen 11 auf einer Platte 12 montiert und steht mit dieser in elektrisch leitendem Kontakt. Vorzugsweise ist die Platte so ausgebildet, daß sie sowohl einen guten thermischen als auch einen elektrischen Kontakt mit dem Plättchen hat, so daß von der Platte 12, durch die Rückseite, die inneren Bereiche des Plättchens hindurch bis zur Grundschicht und durch die darüberliegende Schicht ein leitender Weg vorhanden ist. Alternativ hierzu wird bei einer "Waycool-Platte", die in der US-Patentanmeldang 21 362 vom 16. März 1979 beschrieben ist (vgl. Fig. 2), das Halbleiterplättchen durch einen Klemmring 27 gegenüber einer Platte 26 gehalten, die mit einem nachgiebigen, thermisch leitfähigen Material beschichtet ist. Da dieses nachgiebige, thermisch leitfähige Material kein guter elektrischer Leiter ist, wird der primäre elektrische Kontakt durch ein Einklemmen des Plättchenrings um seine ümfangsflache hergestellt. Folglich ist der an der Platte gemessene elektrische Strom der Strom, der über die Oberfläche der darübergelegten Schicht zu dem Klemmring fließt. Wie in Figur 1 gezeigt, ist eine Strommeßeinrichtung 16 mit der Platte verbunden, um den Strom durch das Plättchen bzw. das Target (vgl. die oben angegebene Definition des Ausdruckes) zu messen. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird auch der Strom durch eine leitfähige Maske 18 über ein Amperemeter 17 gemessen, so daß der momentane Wert des lonenstrahlstromes

^ou aus dem gemessenen Wert des Stromes durch das Plättchen hindurch ausgefiltert werden kann. Dies ist in Figur 2 gezeigt, wo die Maske 25 durch isolierende Abstandhalter 28 von der "Waycool"-Platte 29 getrennt ist. über eine Spannungsquelle 19 kann die Maske 18 noch mit einer Vor-

spannung beaufschlagt werden.

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Wie oben beschrieben/ wird bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung der Strom durch eine Maske gemessen, die der Platte benachbart liegt, um momentane Schwankungen der Intensität des Ionenstrahles auszuklammern.

Figur 3 zeigt ein Blockschaltbild für eine Möglichkeit wie die Masken- und Platten-Stromsignale verarbeitet werden können. Dieses Blockschaltbild bezieht sich auf eine frühzeitige Digitalisierung und eine Differentiation der gemessenen Signale und stellt lediglich eine Möglichkeit dar, die Stromsignale zu verarbeiten, um Änderungen zu erfassen. Der Strom durch die Maske wird auf einer Leitung 31 als Bezugsstrom einem Differenzierer 33 zugeführt. Weitere Einzelheiten des Differenzierers sind im Zusammenhang mit Figur 4 beschrieben. Der Strom durch das Plättchen und die Platte wird auf einer Leitung 32 einem Differenzierer 34 zugeführt. In jedem Falle erfaßt der Differenzierer Änderungen des Stromes, deren Ableitungen das gleiche Vorzeichen haben wie der erwartete Endpunkt. (Da der vorherrschende Mechanismus beim jeweiligen Fall bekannt ist, ist auch die Richtung der Änderung des Stromes bekannt.) Die digitalisierten Ausgangssignale der Differenzierer 33 und 34 werden einem Zeit-Diskriminator 35 zugeführt (weitere Einzelheiten sind im Zusammenhang mit Figur 5 beschrieben), wo der Masken-Bezugsstrom wirkungsmäßig heraussubtrahiert wird und wo die Dauer irgendwelcher tatsächlicher Änderungen des Plattenstromes mit einem Zeitnormal verglichen wird. Wenn eine Abweichung von einem Grundstrom für eine Zeitperiode anhält, die länger ist als das Zeitnormal, dann wird angenommen, daß ein Endpunkt aufgetreten ist. Der Zeitdiskriminator gibt ein scharf-flankiges Ausgangssignal an eine Steuerlogik 36, deren Einzelheiten im Zusammenhang mit Fig. 6 detaillierter beschrieben sind. Die in Figur 3 gezeigten Kurven zeigen, daß Störungen 37 des Plattenstromes und 37' des Bezugsstromes durch

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Änderungen der Quelle und nicht durch Änderungen des Plättchens verursacht sind. Folglich wird auch kein Endpunkt angezeigt. Später, wenn der Plattenstx'om an der Stelle 38 anzusteigen beginnt, wird ein Endpunkt signalisiert, da die Änderung nur bei dem Plattenstrom auftritt, so daß sie auf physikalischen Änderungen in dem Plättchen beruht.

Ein für die Verwendung in dem Schaltkreis zur Durchführung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung geeigneter Differenzierer ist in Figur 4 dargestellt. Der Ein™ gangsstrom wird auf einer Leitung 43 einem dreistufigen linearen Operationsverstärkernetzwerk zugeführt. Die Operationsverstärker 40, 41 und 42 sind beispielsweise Operationsverstärker der Firma National Semiconductor des Typs LM 351 , während der Transistor 46 vom Typ 2M3904 ist. Ein Schalter 44 macht aus der ersten Stufe einen Vorzeichenwechsler, wenn er umgelegt ist. Diese Stellung wird beispielsweise dann verwendet, wenn bekannt ist, daß der Strom durch die Platte sich am Endpunkt verringert anstatt sich zu vergrößern. Folglich muß der übrige Teil des Schaltkreises lediglich positive Änderungen der Endpunkte interpretieren. Die umgekehrt® Logik bezieht sich auf den Fall, daß es bekannt ist, daß der Strom durch die Platte sich am Endpunkt vergrößert. Die zweite Stufe enthält einen Operationsverstärker 41, der mit Eingangs- und Rückkopplungskondensatoren und Widerständen geeigneter Werte beschaltet ist und der das Stromsignal differenziert. Durch einen Operations-

Verstärker 42 wird eine zweite Differentiation ausgeführt, um die Empfindlichkeit zu erhöhen. Der Ausgang wird dann entkoppelt und von einem Kollektor 45 eines Transistors 46 abgegriffen. Es ist klar, daß die Differenzierer 34 und 35 der Figur 3 notwendigerweise

identisch arbeiten, d.h. sie sind beide gemäß Fig. 4 aufgebaut oder durch irgendwelche anderen Schaltkreise, die einen Gleichlauf ermöglichen.

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Figur 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Zeitdiskriminators, der in dem Schaltkreis der Figur 3 verwendet wird. Die Schaltkreiselemente 50, 51, 52 und 57 sind NAND-Gatter, wie sie beispielsweise in dem Baustein 74C00 der Firma National Semiconductor enthalten sind. Die Schaltkreiselemente 53, 54, 55 und 56 sind monostabile/astabile Multivibratoren wie z.B. die Multivibratoren CMOS 4047 der Firma National Semiconductor. Das Plattenstromsignal·» Z-B. das zweifache differenzierte Ausgangssignal der Fig. wird über eine Leitung 58 dem monostabilen/astabilen Multivibrator 55 zugeführt.

Das Bezugssignal wird über eine Leitung 59 dem monostabilen/astabilen Multivibrator 53 zugeführt. Wird sowohl an der Maske als auch an der Platte eine Störung festgestellt, so werden die digitalen Impulse von den monostabilen/astabilen Multivibratoren 54 und 56 einander entgegengesetzte Vorzeichen haben und das NAND-Gatter 57 wird kein Ausgangssignal abgeben. Ändert sich andererseits das Plattenstromsignal auf der Leitung 58, jedoch nicht das Masken/ Bezugsstromsignal auf der Leitung 59 und dauert diese nicht gleichlaufende Änderung länger als die in den monostabilen/astabilen Multivibratoren eingebaute Verzögerung, so liefert das NAND-Gatter 57 ein Ausgangssignal, das eine Verriegelung triggert, die durch kreuzweise gekoppelte NAND-Gatter 50 und 51 gebildet ist.

Der Ausgang des NAND-Gatters 50 bezeichnet den Ver-

riegelungszustand. Er wird an einem Anschluß 61 als Ausgang des Zeitdiskriminators abgegriffen. Nachdem die Verriegelung getriggert ist, wodurch sie die Erfassung des Endpunktes signalisiert hat, kann sie über eine Leitung 60 zurückgesetzt werden.

Figur 6 zeigt die Steuerlogik des Schaltkreises der Figur 3. Die Steuerlogik dient dazu, von dem Zeitdiskriminator 35 eine Anzeige dafür zu erhalten,

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-XT-

daß der Endpunkt erreicht ist. Die Steuerlogik steuert dann die Fortsetzung des Ätzens für die Uberätzzeit, die, wie oben beschrieben, ein vorbestimmter 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 und der Taktgeber 75 außer Betrieb gesetzt wird. Gleichzeitig ändert das NAND-Gatter 69 seinen Zustand aufgrund des Signales von dem NAND-Gatter 68. Dies setzt seiner-

^" seits einen Abwärtszähl-Taktgeber 74 in Betrieb, worauf der Zähler 76 abwärtszählt. Die Geschwindigkeit des Taktgebers bestimmt im Vergleich zu der des Taktgebers das Ausmaß des Uberätzens. 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-

-«2t-IZ

Ί 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 Uberätzens 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 ^O 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 Ände-'5 rungen des gemessenen Stroms durch das Plättchen eindeutig einen übergang zwischen Materialien an. Für gewisse Materialien kann die Zunahme oder Abnahme des Ionenstrahlstromes 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 vorliegt. In den

meisten Fällen ist es wünschenswert, Änderungen des Ionenstrahlstromes auszuklammern, welche durch Änderungen der Intensität der Quelle verursacht sind.

Folglich ist bei manchen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine Maske zwischen der Quelle 10 und der Platte 12 angeordnet. Diese Maske dient sowohl dazu, die Platte vor einem exzessiven Aufbau von Ionen-

strahIrUckständen zu schützen als auch als Plattform 35

zur Aufnahme eines Ionenstrahlstromes, der auf Flächenbasis nahe an dem Hegt, der durch

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Plättchen 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 darge™ stellten Kombinationen entsprechen den am meisten verwendeten Kombinationen, wobei allerdings auch andere Kombinationen möglich sind; dazu gehören Doppelschichtisolator-Siliciumnitrid 3uf Siliciumdioxid, Siliciumnitrid auf III-V-Verbindungen und Halbleiter auf Metallen. Die folgenden beispielhaft beschriebenen Kombinationen zeigen auch <ten Einfluß der Mechanismen, insbesondere der Leitfähigkeit- und Sekundärelektronenemissionsmechanismen, die oben allgemein beschrieben wurden.

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 Siliciumdioxid 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 Metallisierungsmateriales, 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 CCl₄ erzeugt

werden, wurde ermittelt, daß die wirksamen Ätzgeschwindigkeiten des Substrates größer sind als die des Photowiderstandsmaterials. Auch kann die Dicke der Photowiderstandsschicht größer gemacht werden als die

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der Metallschicht, so daß mit einem bestimmten Ätzvorgang das Metallisierungsmuster vollständig hergestellt werden kann, d.h. der Endpunkt des Ätzens wird erreicht und ein adäquates (Jberätzen wird ausgeführt, bevor das Photowiderstandsmaterial vollständig entfernt ist. Wie oben allgemein beschrieben, kann das fitzen der Metallschicht einen Strom durch das Plättchen hindurch erzeugen, 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:

Beispiel 1

Wie in Fig. 7a gezeigt, wurde ein Halbleiterplättchen mit einem durch Photowiderstandsmaterial definierten Muster auf einer darüberliegenden Schicht aus AlCuSi und einer Basisschicht aus SiO₂ mit einem Ionenstrahlstrom von 45 mA geätzt. Das Photowiderstandsmaterial war "Shipley AZ1350j"mit einer Dicke von 1,5 μπι. Das AlCuSi war 0,75 μπι dick. Die Quelle war eine "lonTech Kaufmann 15 cm"-Quelle, in der CCl₄ zersetzt wurde. Die Extraktionsspannung an der Platte 8 lag bei 700 V und die Ätzzeit bis zum Endpunkt, d.h. 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 wurde keine Vorspannung angelegt, so daß angenommen werden konnte, daß der Mechanismus der differentiellen Sekundärelektronen prädominant war.

Beispiel 2

In Fig. 7b wurde ein Halbleiterplättchen mit einem durch Photowiderstandsmaterial gebildeten Muster, das

^OJ eine Schicht aus AlCuSi bedeckte, geätzt und zwar mit einem Strahl der ionischen Bestandteile der Zersetzung von CCl₄. Die Strahlenergie lag bei 27 mA. Die Photowiderstandsschicht war 1,5 μΐη dick und die AlCuSi-

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Schicht war 0,75 μπι dick. Die Extraktionsspannung lag ungefähr bei 675 V. Die Zeit bis zum Endpunkt lag bei 794 s und die Uberätzzeit lag ungefähr bei 80 s. Es wurde eine 2,5 inch (6,34 cm)-Maske auf einem großen Plättchen verwendet. In diesem Falle wurde die Vorrichtung gemäß Figur 1 modifiziert, indem ein Vorspannungsring ungefähr 25,4 cm stromabwärts von der Beschleunigungselektrode 9 (ungefähr 37,99 cm von dem Plättchen) entfernt angeordnet wurde. Benachbart zu dem Plättchen wurde keine Vorspannungsmaske verwendet.

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 Plättchen 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 Plättchen verringerte.

Isolierende Schicht auf Halbleiterschicht

Bei integrierten Schaltkreisen enthalten zwischenliegen de Schichten oft isolierende Schichten, wie z.B. Schichten aus thermisch gewachsenem Siliciumdioxid 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.

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In dem Beispiel der Figur 7c wurde eine 5000 S darüberliegende Schicht aus SiO₂ auf einer Siliciumbasis geätzt. Wie bei dem vorhergehenden Beispiel wurde eine modifizierte Version der Vorrichtung gemäß Fig. 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 2um vollständigen Entfernen der Schicht lag bei 1051 s. 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 SiO- in eine amorphe Mischung aufgebrochen wurde ; am Gipfel wurde eine Dicke von 6500 £ festgestellt, was wahrscheinlich durch die Einlagerung von Ionenstrahlkomponenten in die Mischung begründet ist. Bei der Linie begann das fitzen und bis herab zur Linie 87 wurde die darüberliegende Schicht 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 der Siliciumbasis jetzt freigelegt ist und daß der Strom aufgrund der Vergrößerung der Leitfähigkeit durch das SiO₂ hindurch zu dem Si graduell anwächst.

Polysilicium auf Siliciumdioxid

Bei manchen MOS-Prozessen wird stark dotiertes polykristallines Silicium als Leiter verwendet. Aus den oben für die darüberliegenden leitfähigen Schichten *" angegebenen Gründen wird es daher mit einem Muster versehen und geätzt. Die Vorrichtung der Fig. 1 wurde dazu verwendet, eine 5000 8 dicke Schicht einer stark η-dotierten darüberliegenden Polysiliciumschicht auf

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einer Basisschicht aus Siliciumdioxid zu ätzen

(5000 8 aus Siliciumdioxid auf einem Silicium-Einkristall). Es wurde eine 15 cm Kaufmann-Quelle verwendet. Der Ionenstrahlstrom an dem Plättchen war 50 mA. 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 Uberätzen von 19,4 % lag. Es wird angenommen, daß der primäre Mechanismus Leitfähigkeit ist, da der Widerstand aufgrund der Beseitigung der stark leitenden darüber!iegenden Schicht anstieg.

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Claims

Verfahren zum Bestimmen des Endpunktes eines physikalischen Ätzprozesses und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Patentansprüche

Verfahren zum Bestimmen des Endpunktes eines physikalischen Ätzprozesses, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
Messen eines durch einen zu ätzenden Gegenstand fließenden Stromes,

Detektieren von Änderungendes Stromes durch den Gegenstand beim Fortschreiten des physikalischen Ätzprozesses, wobei der Endpunkt des Ätzprozesses dadurch angezeigt wird, daß eine Änderung des stromes um mehr als einen vorbestimmten Betrag detektiert wird.

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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Schritt des Messens des durch den zu ätzenden Gegenstand hindurch fließenden Stromes das Messen des Stromes durch ein Halbleitersubstrat hindurch umfaßt und daß der Schritt des Detektierens von Änderungen des Stromes durch den Gegenstand das Detektieren einer Änderung des Stromes durch dieses Halbleitersubstrat hindurch umfaßt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, 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 er-

zeugt wird,

wobei der Schritt des Detektierens von Änderungen des Stromes durch das Halbleitersubstrat dadurch ausgeführt wird, daß Änderungen der Substrat-abhängigen Stromkomponente detektiert werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Detektierens von Änderungen der Substrat-abhängigen Stromkomponente dadurch ausgeführt wird, daß Änderungen der Steilheit

° der Substrat-abhängigen Stromkomponente detektiert werden.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich eine Vorspannung an die Maske angelegt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Schritt des.Messens des

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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.
7. Verfahren nach Anspruch 6, 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.
8. Verfahren nach Anspruch 6, 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.
9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ätzvorgang nach einer vorgegebenen Uberätz-Zeitdauer beendet wird» 25
10. Vorrichtung zur Bestimmung des Endpunktes bei einem physikalischen Ätzvorgang eines Gegenstandes zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch eine Strommeßeinrxchtung (16) , die einen durch den Gegenstand (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.

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-A-

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11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, 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 pro-'^ portionales Signal der Auswerteschaltung (36) zuführt.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß eine eine Vorspannung an die Maske (18, 25) anlegende Spannungsquelle (19) vorgesehen ist.

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