DE68926368T2

DE68926368T2 - Laserinterferometersystem zum Überwachen und Regeln der Bearbeitung von integrierten Schaltungen

Info

Publication number: DE68926368T2
Application number: DE68926368T
Authority: DE
Inventors: David Cheng; Robert P Hartlage; Wesley W Zhang
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 1988-07-28
Filing date: 1989-07-25
Publication date: 1996-11-28
Anticipated expiration: 2009-07-26
Also published as: ATE137606T1; EP0352740A2; DE68926368D1; JPH02196906A; EP0352740A3; US4927485A; JPH076771B2; EP0352740B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Laserinterferometersystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Der Erfindung zugrundeliegender Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Ätzen von Strukturelementen in einer integrierten Schaltung und das Entfernen von der Schicht (den Schichten) von dieser und insbesondere auf Laserinterferometersysteme und -verfahren zum Überwachen eines solchen Ätzens, einschließlich des Ätzens bis zu einer vorgegebenen Tiefe oder einem Endpunkt und der zeitlichen Änderungsrate der Dicke.
Bei der IC (integrierte Schaltung) -Technologie werden Trockenätzverfahren einschließlich chemischen Plasmaätzens und reaktiven Ionenplasmaätzens verwendet, um wahlweise die Schichten des IC-Chips herzustellen, z. B. mit Hilfe des Kopierens von Maskenstrukturen in ausbildenden Schichten, wie z. B. dielektrischen Dünnschichten und Siliziumsubstraten. Während des Trockenätzens ist eine automatische Grabentiefeerfassung für die Prozeßsteuerung und für die Leistungskennwerte des sich daraus ergebenden 10 sehr wichtig.
Fig. 1 und 2 geben die Laserinterferometer-Ätzüberwachungs verfahren für Dünnschichten und Grabenlöcher als Bild wieder. Der Laserstrahl 11, der von der Oberseite einer Schicht 12, die sich auf einer Schicht 13 befindet, wie z. B. Silizium, reflektiert wird, erzeugt mit dem Strahl 14, der von dem Boden der Schicht reflektiert wird, eine Interferenz bzw. wird diesem überlagert, wenn die Schicht für das Laserlicht transparent ist (Fig. 1), oder interferiert mit dem Strahl 16, der von dem Boden eines Lochs oder Grabens 17 in der Schicht reflektiert wird (Fig. 2).
Die Dicke d der Schicht und die Wellenlänge λ des Laserlichtes sind über 2 d = N(λ/n) miteinander in Beziehung gesetzt, wobei n der Brechungsindex ist. Für ganzzahlige Werte N 1, 2, 3 etc. ist die Interferenz konstruktiv und die reflektierte Intensität weist ein Maximum auf, wohingegen für halbganzzahlige Werte N = 1/2, 3/2, 5/2 etc. das reflektierte Licht destruktiv interferiert und die Intensität ein Minimum bildet. Während des Ätzens (oder der Abscheidung) werden die charakteristischen sinusförmigen optischen Interferenzmuster sich wiederholender Maxima und Minima überwacht. Dieses Muster endet nach dem vollständigen Entfernen der Schicht, was den Ätzendpunkt anzeigt.
Auch beträgt der Abstand zwischen benachbarten Maxima oder Minima, 1/2 (N/n), eine Hälfte der effektiven Wellenlänge des Laserlichtes in der Schicht und bietet eine praktische Grundlage zum Bestimmen der Dicke des Materials, das von der Schicht entfernt wurde (durch Multiplizieren der Anzahl von Zyklen mit der Strecke oder der Dicke des Materials, das pro Zyklus entfernt wurde), und des zeitlichen Ausmaßes des Ätzens
Jedoch muß das Laserlicht auf eine Zielfläche der zugeordneten Schicht gestrahlt werden, die typischerweise einen kleinen Prozentsatz der Gesamtschaltung oder Chipfläche einnimmt. Auch kann ein anderer IC-Aufbau in der Zielfläche das Laserlicht streuen. Als eine Folge solcher Faktoren kann es schwierig sein, die kleine, interessierende Zielfläche zu erfassen und der reflektierte Laserstrahl kann einen unerwünscht geringen Signal-Geräusch-Abstand aufweisen.
US-A-4,618,262 spricht die vorstehenden Probleme zum Teil durch das 0berwachen relativ strukturfreier topographischer Strukturelemente, beispielsweise Ritzlinien, und das Fokussieren des Laserstrahls auf eine relativ zu dem Zielstrukturelement kleine Fläche an. Auch tastet der Laserstrahl wiederholt über die Ritzlinien ab, während das resultierende Interferenzmuster überwacht wird. Alternativ wird für die Erfassung mit dem Strahl quer über die Linie abgetastet und er wird auf der erfaßten Linie zum Überwachen des resultierenden Interferenzmusters festgelegt. Das eingeschlossene '262-Patent bezieht sich auch auf die mögliche Verwendung von Laserstrahlen, um Diffraktions-Interferenzmuster von einem geeigneten, sich wiederholenden Array aus IC-Strukturmerkmalen, beispielsweise wiederholt beabstandeter Linien, zu erzeugen. Bezug wird auch auf US- A-4,660,980 genommen, die eine Vorrichtung zum Messen der Dicke eines für Licht durchlässigen Gegenstandes unter Verwendung eines interferometrischen Verfahrens offenbart.

Darstellungder Erfindung

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Laserinterferometersystem und -verfahren zum genauen Überwachen eines Ätzvorgangs, einschließlich des Ätzens bis zu einer Tiefe oder einem Endpunkt, während solcher verschiedenartiger Ätzvorgänge wie dem Entfernen von dielektrischen Schichten und dem Ausbilden von Gräben und Löchern vorzusehen.
Die vorliegende Erfindung löst die vorstehende Aufgabe mittels eines Laserinterferometersystems gemäß Anspruch 1.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Diese und andere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden in Einzelheiten unter Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen beschrieben, bei denen:
Fig. 1 und 2 ein Laserinterferometerverfahren zum Überwachen der Ätzstrukturierung einer für Laserlicht transparenten Schicht bzw. eines Grabens/Lochs schematisch verdeutlichen;
Fig. 3 eine nicht maßstabgerechte, schematische Verdeutlichung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des Laserinterferometer-Überwachungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 4 und 5 teilweise vergrößerte Ansichten in der Art der Fig. 3 sind, die das Überwachen unterschiedlicher Typen geätzter Strukturen verdeutlichen; und
Fig. 6 die Diffraktions-Gitterwirkung von Gräben oder Löchern schematisch wiedergibt.

Detaillierte Beschreibung des (der) bevorzugten Ausführungsbeispiels (e)

Fig. 3 gibt schematisch ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel unseres Laser-Endpunktdetektors als Bild wieder, das einen sich bewegenden Wagen oder Objekttisch 25 umfaßt, der auf einem Halbleiter-Bearbeitungsreaktorsystem 26 befestigt ist. Der Wagen 25 stützt das gesamte Laser-Detektor-Optik system 30 ab, das verwendet wird, um das Ätzen von Werkstücken, wie einer Haibleiterscheibe 27, über ein Fenster 28 in einer Kammerwand 29 zu überwachen. Ein solches Reaktorsystem 26 ist in EP-A-0 272 142 offenbart.
In seiner vorliegenden Version weist der Objekttisch 25 eine Grundplatte 31 auf, die längs Schienen 32 für eine Hin- und Herbewegung längs der Wand 29 und des Fensters 28 mit Hilfe einer Antriebsgewindespindel 34 eines Schrittmotors 33 gleitend befestigt ist. (Der mittlere Teil der Schiene 32 ist in Fig. 3 weggelassen, um eine Linse 38 klarer zu verdeutlichen)
Das Laseroptiksystem 30 umfaßt einen Laserstift, der einen Diodenlaser 36 und eine zugehörige Fokussierlinse 37 aufweist, die beide in einer Mittenöffnung 51 befestigt sind, die sich in einer Sammellinse 38 befindet. Eine Lichterfassungseinrichtung 39 ist auf einer zweiten, erhöhten Plattform oder Platte 41 befestigt, die durch Stützen 42 abgestützt wird. Die Plattform 41 kann längs der Stützen 42 angehoben oder abgesenkt werden, um die Ordnung der reflektierten Diffraktion auszuwählen. Die Sammellinse 38 wird mittels einer kinematischen Halterung abgestützt, die eine Platte 56 aufweist, die die Sammellinse 38 abstützt und die auf drei Eins tellschrauben 57, die in die Grundplatte 31 eingeschraubt sind, abgestützt und zwischen den Schraubenköpfen und Druckfedern 58 gelagert ist. Das Einstellen der Schrauben bewirkt eine sich drehende oder neigende Bewegung der Linse 38, z. B. um zugeordnete Achsen in der Ebene der Grundplatte 31.
Ein Standard-Personalcomputer 47, beispielsweise der IBM AT, ist mit der Erfassungseinrichtung bzw. dem Detektor 39, dem Schrittmotor 33 und zugehörigen Stromversorgungsteilen in einer konventionellen Art und Weise für einen Steuerbetrieb der Lichterfassungseinrichtung 39, zum Abtasten des Objekttisches 25 und der Analyse des Ausgangssignals von der Lichterfassungseinrichtung 39 zum Beenden (und Beginnen, falls dies gewünscht wird) des Ätzprozesses angeschlossen. Ein sichtbares Auslesen 48 auf einer Anzeigeeinrichtung 49, beispielsweise einem Drucker und/oder Monitor, liefert, wie gewünscht, umfassende Graphiken, Ausdrucke, Aufzeichnungen von Eingangsdaten, gefilterte Daten, eine Ätztiefe, eine Ätzgeschwindigkeit bzw. -rate etc.
Die Ausrichtung der drehbaren Sammellinse 38 relativ zu dem ebenen Werkstück 27 mittels der kinematischen Halterung wählt die Diffraktionsordnung, die auf die Erfassungseinrichtung 39 gerichtet ist, mittels der Sammellinse gemäß dem Typ des Zielaufbaus aus, der geätzt wird.
Zum Beispiel enthalten viele Halbleiterstrukturen ein Muster aus geätzten Strukturelementen, die wie ein zweidimensionales Diffraktionsgitter wirken. Dies schließt dynamische VLSI-Direktzugriffsspeicher (DRAM's) ein, in denen sich ein Bitspeicher in Kondensatoren befindet, die in mikrometer- und submikrometer-großen Löchern ausgebildet sind, die in einem Gittermuster angeordnet sind, und zwar ein Loch pro Zelle. Anschaulich gesagt, für einen Sechzehn- Megabit-Chip gibt es sechzehn Millionen Löcher auf dem Chip, die ein sehr regelmäßiges, einfaches Gittermuster ausbilden, das als ein zweidimensionales Diffraktionsgitter für erste und höhere Diffraktionsordnungen verwendet werden kann. Siehe Fig. 6. Um das Ätzen solcher Löcher zu überwachen, wird die Linse 37 verwendet, um das Laserlicht auf eine breite Fläche auf dem Ziel 27 scharf einzustellen. Auch wird, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist, die Sammellinse 38 so ausgerichtet, daß Licht der ersten Diffraktionsordnung (in Fig. 4 mit 53 bezeichnet) oder von Diffraktionen höherer Ordnung in allen Richtungen (gemeinsam mit 54 bezeichnet) mittels der Sammellinse auf der Lichterfassungseinrichtung 39 gesammelt wird. Im einzelnen ist in Fig. 4 die Sammellinse mit ihrer Achse im wesentlichen senkrecht zu der Normalen der Ebene der Halbleiterscheibe 27 ausgerichtet. Die Diffraktion erster Ordnung wird wegen ihrer höheren Intensität gewöhnlich gegenüber höheren Ordnungen bevorzugt. Der Ätz-Herstellungsprozeß erzeugt eine Ausgangsspur des Typs 48, wie in Fig. 3 dargestellt, zum Bestimmen der Ätzstrecke und der Ätzgeschwindigkeit.
Für das Ätzüberwachen und die Endpunkterfassung dünner Schichten, wie jenen in Fig. 1 wiedergegebenen, deren Strukturelemente kein Diffraktionsgitter ausbilden, wird während des Überwachens die Diffraktion nullter Ordnung verwendet. Wie dies in Fig. 5 dargestellt ist, ist die drehbare Sammellinse 38 unter einem kleinen Winkel relativ zu der Ausrichtung der Fig. 4 ausgerichtet, so daß Diffraktionslicht 55 nullter Ordnung auf die Erfassungseinrichtung 39 einfällt, und die Linse 37 wird verwendet, um das Laserlicht 52 scharf auf die Halbleiterscheibe 27 zu fokussieren. Der Ätzherstellungsprozeß erzeugt wieder eine Ausgangsspur des Typs 48, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist, und zwar zum Bestimmen der geätzten Dimension, der Ätzgeschwindigkeit und des Endpunktes.
Kurz gesagt, um eine Maximal-Signalstärke-Überwachung strukturierter, geätzter Strukturmerkmale, wie Löchern oder Gräben vorzusehen, wird vorzugsweise ein relativ breitflächiger Strahlenpunkt verwendet und die Sammellinsenanord nung wird so ausgerichtet, daß das Diffraktionslicht erster Ordnung auf die Erfassungseinrichtung gerichtet wird. Um Strukturelemente zu überwachen, die kein Diffraktionsmuster ausbilden, beispielsweise transparente dielektrische Schichten oder nicht-strukturierte Löcher oder Gräben, wird das Licht auf eine relativ kleine Fläche auf dem Substrat 27 scharffokussiert, um die Halbleiterscheibenfläche zu minimieren, die durch den Laser beleuchtet wird, und die Sammelanordnung wird so ausgerichtet, daß Diffraktionslicht nullter Ordnung durch die Erfassungseinrichtung 39 erfaßt wird.
Bei einem Ausführungsbeispiel wurde unser Laser-Endpunkt- Erfassungssystem auf einem Precision-Etch-5000-System befestigt, das vom Rechtsnachfolger erhältlich ist, wobei dies das System ist, das in der Patentanmeldung beschrieben wird, auf die Bezug genommen wurde. Der Laser 36 war ein 5 Milliwatt-780nm-Diodenlaser, der aus der Sharp LT-022 MC- Familie ausgewählt wurde. Das Scharfeinstellen wurde mittels einer Linse 37 mit einem Durchmesser von 5 Millimetern vorgesehen, die eine Brennweite von 10 Millimetern aufwieß. Der Fokuspunkt wurde durch das Einstellen des Abstandes zwischen dem Laserstift 36, der Fokussierlinse 37 und dem Laser 36 geändert. Für eine Diffraktionsmuster-Überwachung wurde der Strahl 52 auf eine relativ breite Fläche von etwa 1 Millimeter fokussiert, wohingegen der Strahl für eine Dünnschicht-Überwachung (für die die interessierende Zielfläche sehr klein ist) scharf auf die Halbleiterscheibe fokussiert wurde, und zwar unter Verwendung einer Fokussierfläche, die im Durchmesser so klein wie 0,01 Millimeter war. Die Sammellinse 38 war eine aspherische Kondensorlinse mit einer Brennweite von 53 Millimetern und einem Durchmesser von 65 Millimetern, f/0,8. Die Erfassungseinrichtung 39 war eine UDT PIN-10 Silicium-Fotodioden-Erfassungseinrichtung mit einer Erfassungseinrichtungsfläche von einem Zentimeter im Durchmesser, die in der Lichtleitungs-Betriebsart betrieben wurde. Der Computer 47 war ein IBM AT-PC.
Optional schlossen wir einen engen Bandpassfilter gerade unter der Erfassungseinrichtung 39 ein, um Hintergrundrauschen zu verringern und den Signal-Geräusch-Abstand zu erhöhen. Bei den Systemen, wie dem Precision-Etch-5000- Reaktor, der rotierende Magnetfelder verwendet, ändert sich die Plasmaintensität bzw. Plasmastärke auch mit der Felddrehung und es ist nützlich die sich ergebende Drehfrequenz in dem Erfassungseinrichtungs-Ausgangssignal unter Verwendung eines Computer-Analyseprogramms herauszufiltern, das einen Algorithmus umfaßt, der einen gleitenden Durchschnitt der Anzahl anwendet, die der Anzahl von Abtastwerten für jede Drehung entspricht. Dieses Durchschnittsbildungs- bzw. Mittelungsschema ist wie ein Bandsperrfilter, das die Drehstörung auf ein Minimum verringert. Auch haben wir ein digitales Filtern unter Verwendung eines Verfahrens mit begrenztem Ansprechen auf einen Impuls (FIR) angewendet, wobei die einfachste Annäherung darin besteht, eine Sinuswelle mit einer Frequenz abzufalten, die mit der Signalfrequenz vergleichbar ist, wodurch ein verbessertes Signal vorgesehen wird, das frei von einem Gleichstrom-Hintergrund ist.
Wie es für Laserinterferometer-Endpunkt-Erfassungseinrichtungen typisch ist, wird die Ätztiefe durch Zählen der Anzahl aufgelaufener Zyklen des Signals erhalten, wobei jeder vollständige Zyklus einer zusätzlichen geätzten Tiefe einer halben Wellenlänge der Lichtquelle entspricht, in diesem Fall 0,375 Mikrometern. Während Maxima oder Minima oder andere zyklische Punkte verwendet werden können, finden wir es am besten, Nulldurchgänge des oszillierenden Signals zu verwenden. Da die Filteranordnung alle Hintergrund-Gleichspannungs-Pegel wie auch Hochfrequenzrauschen entfernt, werden die Nulldurchgangspunkte leicht durch Anwenden einer linearen Anpassung mittels der Methode der kleinsten Quadrate auf die Datenpunkte in dem Nachbarbereich des Nulldurchgangs erhalten. Beim Berechnen des Schnittpunktes dieser Linie der kleinsten Quadratanpassung mit der X-Achse (Zeitachse), um den besten Nulldurchgangspunkt zu erhalten, entspricht jeder aufeinanderfolgende Nulldurchgangspunkt einem halben Zyklus oder einer halben Wellenlänge, hier 0,19 Mikrometern. Dazwischen liegende Punkte können leicht interpoliert werden, und zwar unter der Annahme, daß sich die Ätzrate in der inzwischen verstrichenen Zeitdauer (z. B. elf Sekunden, wobei die Ätzrate etwa einen Mikrometer pro Minute beträgt) nicht deutlich ändert.

Claims

1. Ein Laserinterferometersystern (20) zum Überwachen des Atzens eines Werkstückes (27), aufweisend: einen Laser (36);

eine Einrichtung (39) zum Erfassen von Laserlicht, das au: eine Zielfläche einer Oberfläche des Werkstücks (27) gerichtet und davon reflektiert wird;

eine Einrichtung (47, 49) zum Analysieren des erfaßten Lichtes, so daß zumindest eines von einer Ätzrate, einer Ätztiefe und eines Durchätzens einer ausgewählten Schicht des Werkstücks (27) überwacht wird; und

eine Sammellinse (38) zum Richten von Licht, das von der Werkstückoberfläche reflektiert wird, auf die Erfassungseinrichtung (39);

dadurch gekennzeichnet,

daß der Laser (36) in einer Mittenposition in der Sammellinse (38) befestigt ist, und

daß die Sammellinse (38) in dem Laserinterferometer relativ zu der Werkstückoberfläche drehbar befestigt ist, so daß ausgewählte Diffraktionsordnungen des reflektierten Lichtes aufgefangen werden.

2. Das System nach Anspruch 1, wobei in der Sammellinse (38) ferner eine Linse (37) zum Fokussieren von Licht von dem Laser (36) auf die Werkstückoberfläche befestigt ist.

3. Das System nach Anspruch 1 oder 2, wobei die ausgewählte Diffraktionsordnung die nullte Ordnung ist, falls die Zielfläche auf dem Werkstück aus einem Material besteht, das für das Laserlicht durchsichtig ist, und ein Loch in dem Werkstück zu ätzen ist, und von einer ersten oder höheren Ordnung ist, wenn ein Muster geätzter Strukturelemente als zweidimensionales Diffraktionsgitter für das einfallende Laserlicht dient.

4. Ein Reaktorsystem zum Ätzen eines Werkstücks (27) und automatischen Beenden des Ätzens nach dem Erreichen einer vorgegebenen Bedingung, die aus einer vorbestimmten Ätztiefe und einem Durchätzen einer ausgewählten Schicht auf dem Werkstück (27) ausgewählt ist, aufweisend:

eine Kammer (26) zum Ätzen eines in dieser befindlichen Werkstücks (27), wobei die Kammer ein Fenster (28) aufweist, das in einer Wand (29) von dieser ausgeoildet ist; und

ein Laserinterferometersystem nach Anspruch 1, 2 oder 3, das dem Fenster (28) benachbart befestigt ist, wobei der Laser zum Richten eines Strahls aus kohärentem Licht durch das Fenster auf eine Schicht auf dem Werkstück ausgerichtet ist und wobei die Einrichtung (47) zum Analysieren auf Signale von der Einrichtung (39) zum Erfassen zum Beenden des Ätzens nach dem Erreichen einer vorgegebenen Bedingung anspricht, die aus einer gegebenen Ätztiefe und einem Durchätzen der ausgewählten Schicht ausgewählt ist.