DE19632846A1 - Verfahren zum Messen des Endpunkts eines Ätzvorgangs - Google Patents
Verfahren zum Messen des Endpunkts eines ÄtzvorgangsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen des End
punkts bei einem Ätzvorgang, speziell während eines in der
Dampfphase ausgeführten Ätzprozesses.
Halbleiter-Herstellprozesse erfordern Ätzprozesse, bei denen
eine Halbleiterschicht, eine Isolierschicht oder eine lei
tende Metallschicht geätzt wird, um verschiedene Muster her
zustellen. Wie es wohlbekannt ist, werden Ätzverfahren grob
in Trockenätz- und Naßätzverfahren unterteilt. In jüngerer
Zeit wird ein Dampfphasen-Ätzverfahren verwendet, bei dem
ein zu ätzendes Material unter Verwendung des nichtwäßrigen
Zustands eines Ätzmittels, nämlich des dampfförmigen Zu
stands eines in eine Kammer eingeleiteten Ätzmittels, geätzt
wird. Bei Trockenätz-, Naßätz- oder Dampfphasenätzvorgängen
ist es wichtig, genau zu überprüfen, ob die zu ätzende
Schicht bis auf eine gewünschte Dicke geätzt ist oder nicht.
D. h., daß eine genaue Erfassung des Endpunkts eines Ätzvor
gangs erforderlich ist.
Zu Halbleiter-Herstellprozessen gehören Abläufe zum Herstel
len eines feinen Musters. Um zu verhindern, daß das feine
Muster beeinträchtigt wird, ist die genannte genaue Erfas
sung des Endpunkts des Ätzvorgangs erforderlich. Nachfolgend
werden Verfahren zum Messen des Endpunkts eines Ätzvorgangs
beschrieben, wie sie beim Trockenätzen und Naßätzen verwen
det werden.
Ein bei Trockenätzvorgängen weit verbreitetes Verfahren zum
Erfassen des Endpunkts des Ätzvorgangs verwendet die Wellen
länge von Licht. Wenn bei diesem Verfahren damit begonnen
wird, eine Siliziumoxidschicht unter Verwendung des Ätzmit
tels CF₄ trockenzuätzen, reagieren die Siliziumoxidschicht
und das CF₄ miteinander, um ein Nebenprodukt wie CoyFx zu
erzeugen. Wenn Strahlung wie Laserstrahlung auf die mit dem
Ätzmittel reagierende Siliziumoxidschicht gestrahlt wird,
wird sie dabei durch die Siliziumoxidschicht und das Neben
produkt reflektiert.
Hierbei ändert sich die Intensität reflektierten Lichts ab
hängig vom Ausmaß des an der Siliziumoxidschicht ausgeführ
ten Ätzvorgangs. Wenn die Intensität der bei einer speziel
len Wellenlänge reflektierten Strahlung während des Ätzab
laufs gemessen wird und dabei festgestellt wird, daß sie
über oder unter einem vorbestimmten Wert liegt, bedeutet
dies, daß der Endpunkt des Ätzvorgangs erreicht ist. Hierbei
wird die genannte vorbestimmte Intensität durch Vorversuche
ermittelt.
Das Verfahren zum Messen des Endpunkts bei einem Ätzvorgang
unter Verwendung der Wellenlänge von Licht wird auch bei
chemisch-mechanischem Polieren (CMP) verwendet. CMP ist ein
Ätzverfahren, bei dem eine zu ätzende Schicht durch Schlei
fen auf eine vorgegebene Dicke abgearbeitet wird.
Nachfolgend werden verschiedene Verfahren zum Messen des
Endpunkts bei Naßätzvorgängen erläutert.
Erstens wurde ein Verfahren zum Messen des Ätzendpunkts un
ter Verwendung von Farben vorgeschlagen. Zur Erläuterung
dieses Verfahrens sei angenommen, daß eine auf einer Halb
leiterschicht ausgebildete Isolierschicht naßgeätzt wird, um
ein vorgegebenes Muster auszubilden. Als erstes wird die
Struktur, bei der die Isolierschicht auf der Halbleiter
schicht ausgebildet ist, in ein ein Ätzmittel enthaltendes
Bad eingetaucht, und wenn der Ätzvorgang in vorbestimmtem
Umfang abgelaufen ist, wird die Struktur dem Bad entnommen,
um den Ätzendpunkt abhängig von der Oberflächenfarbe der
Struktur zu beurteilen.
D. h., daß dann, wenn die Isolierschicht auf eine vorbe
stimmte Dicke geätzt ist, die Oberflächenfarbe der Struktur
von derjenigen vor dem Ätzvorgang verschieden wird, da die
unter der Isolierschicht liegende Halbleiterschicht durch
scheint. Dieses Verfahren zum Messen des Ätzendpunkts unter
Verwendung der Oberflächenfarbe wird am häufigsten bei Teil
ätzvorgängen, also nicht bei vollkommenem Abätzen verwendet.
Z. B. wird dieses Verfahren dann verwendet, wenn die oben
genannte Isolierschicht, die zunächst eine Dicke von 500 nm
aufweist, nur um 400 nm geätzt wird.
Zweitens existiert ein Verfahren zum Messen des Ätzendpunkts
unter Verwendung der Oberflächenspannung. Gemäß diesem Ver
fahren wird eine Struktur, bei der eine Isolierschicht auf
einer Halbleiterschicht aus Silizium ausgebildet ist, in ein
Bad mit einem Naßätzmittel eingetaucht, um dabei in vorbe
stimmtem Ausmaß abgeätzt zu werden. Dann wird, nachdem die
Struktur entnommen wurde, Wasser auf die Oberfläche dersel
ben gesprüht.
Wenn die Isolierschicht vollständig abgeätzt ist, liegt da
bei die Oberfläche der Struktur frei. Daher verbleibt Wasser
aufgrund der Oberflächenspannung von Silizium an der Ober
fläche des Siliziums. Wenn jedoch die Isolierschicht nicht
vollständig abgeätzt ist, läuft das Wasser ab und verbleibt
nicht an der Oberfläche, da die Isolierschicht nahezu keine
Oberflächenspannung aufweist. So kann der Ätzendpunkt ermit
telt werden.
Drittens existiert ein Verfahren zum Erfassen des Ätzend
punkts unter Verwendung einer Dickenmeßskala. Gemäß diesem
Verfahren wird eine Struktur, bei der eine Isolierschicht
auf einer Halbleiterschicht aus Silizium ausgebildet ist, in
ein Bad mit einem Naßätzmittel eingetaucht, um dadurch mit
vorbestimmtem Ausmaß geätzt zu werden. Dann wird die Struk
tur entnommen, und ihre Dicke wird mittels der Skala gemes
sen.
Wenn die Isolierschicht vollständig abgeätzt ist, wird nur
die Dicke der Halbleiterschicht gemessen. Falls nicht, ist
die gemessene Dicke größer als die der Halbleiterschicht.
Wenn bei einem Dampfphasen-Ätzvorgang ein Material unter
Verwendung eines Ätzmittels im Dampfzustand, nicht im Gas
zustand, geätzt wird, ist dieser Vorgang einem Naßätzvorgang
viel ähnlicher als einem Trockenätzvorgang. Daher wird der
Ätzendpunkt bei einem Dampfphasen-Ätzvorgang unter Verwen
dung von Verfahren erfaßt, wie sie bei Naßätzvorgängen ver
wendet werden.
Die vorstehend angegebenen drei Verfahren sind optisch, so
daß sie dann verwendet werden können, wenn das zu ätzende
Material kein Muster aufweist. Jedoch werden Ätzprozesse bei
Halbleiter-Herstellabläufen dazu verwendet, Muster aus einem
Material herzustellen. Da die Muster fein sind, ist es nahe
zu unmöglich, den Ätzendpunkt optisch zu erfassen.
Um die vorstehend angegebenen Verfahren bei Halbleiter-Her
stellabläufen verwenden zu können, wird ein Testmuster, das
gegenüber dem tatsächlichen Muster vergrößert ist, verwen
det, und der aktuelle Herstellprozeß wird am Testmuster aus
geführt. Da das Testmuster gegenüber dem tatsächlichen Mu
ster beträchtlich vergrößert ist, können die obenangegebenen
Verfahren auf das Testmuster angewandt werden. Die den Test
aus führende Person bewertet den Ätzendpunkt der vorliegenden
Struktur unter Verwendung der Farbe, der Oberflächenspannung
und/oder der Dicke des Testmusters.
Jedoch kann das Verfahren, bei dem der Ätzendpunkt des Test
musters als Ätzendpunkt für die tatsächliche Struktur ver
wendet wird, zu vielen Fehlern führen. Ferner sind die vor
stehend angegebenen Verfahren unwirtschaftlich, da sie ein
Testmuster verwenden. Auch werden die Strukturen, auf denen
das zu ätzende Material ausgebildet ist, nach dem Ätzen ein
zeln dem Bad entnommen, woraufhin ihre Farbe und/oder Ober
flächenspannung beurteilt wird oder die Dicke mittels der
Meßskala gemessen wird. Dies erhöht die für den Prozeß er
forderliche Zeit. Im allgemeinen ist eine Prozeßzeit erfor
derlich, die 150%-200% derjenigen Zeit beträgt, die zum
Abätzen der gewünschten Dicke des zu ätzenden Materials er
forderlich ist.
Darüber hinaus ist bei den vorstehend angegebenen herkömm
lichen Verfahren zum Erfassen des Ätzendpunkts der Prozeß
aufgrund der Verwendung des Testmusters kompliziert, und es
wird zuviel chemisches Ätzmaterial verbraucht. Wie oben be
schrieben, sind die Verfahren zum Messen des Ätzendpunkts,
wie sie bei Naßätz- und Dampfphasenätzvorgängen verwendet
werden, nicht wirkungsvoll, abweichend von den bei Trocken
ätzvorgängen verwendeten Verfahren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum
Erfassen des Endpunkts bei Dampfphasen-Ätzvorgängen zu
schaffen, das wirtschaftlich und auch in Zusammenhang mit
feinen Mustern arbeitet.
Diese Aufgabe ist durch das im Anspruch 1 definierte Verfah
ren gelöst. Bei ihm wird die Ionenstromdichte eines während
des Dampfphasen-Ätzprozesses erzeugten Nebenprodukts gemes
sen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Aus
führungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben.
Fig. 1 veranschaulicht die Verfahrensschrittfolge bei einem
erfindungsgemäßen Verfahren zum Messen des Endpunkts bei
einem Dampfphasen-Ätzvorgang;
Fig. 2 ist ein schematisches Diagramm einer Naßätzvorrich
tung, bei der das erfindungsgemäße Verfahren zum Erfassen
des Endpunkts bei einem Dampfphasen-Ätzvorgang verwendbar
ist;
Fig. 3 veranschaulicht mittels Querschnitten durch eine
Schichtstruktur die Schrittfolge bei einem erfindungsgemäßen
Verfahren zum Erfassen des Endpunkts bei einem
Dampfphasen-Ätzvorgang; und
Fig. 4 ist ein Kurvenbild, das die Ionenstromstärke ver
schiedener Nebenprodukte zeigt, wie sie während des Ätzpro
zesses von thermisch abgeschiedenem Siliziumoxid bei Raum
temperatur erzeugt werden.
Gemäß Fig. 1 wird als erstes ein zu ätzendes Material in
eine Ätzkammer eingeführt und dann ein im Dampfzustand
befindliches Ätzmittel in die Ätzkammer eingeleitet.
Dann wird die Ionenstromintensität eines der Nebenprodukte
gemessen, wie sie während des Dampfphasen-Ätzprozesses erzeugt
werden.
Die Ionenstromintensitäten eines während des
Dampfphasen-Ätzvorgangs des Materials erzeugten speziellen Nebenprodukts
und die zugehörige Ätzdicke des Materials werden durch vor
angehende Versuche bestimmt. Aus diesen Versuchsergebnissen
ist es möglich, die abgeätzte Dicke (Dickenänderung) des Ma
terials unter Verwendung der gemessenen Ionenstromintensität
klarzustellen. Diese Ätzdicke wird mittels einer Anzeigevor
richtung kontinuierlich oder diskret angezeigt. Wenn die auf
der Anzeigevorrichtung angezeigte Dickenänderung einer vor
bestimmten Ätzdicke entspricht, wird dies von der Bedienper
son als Anzeige des Ätzendpunkts angesehen, woraufhin sie
den Dampfphasen-Ätzvorgang beendet.
Fig. 2 ist ein schematisches Diagramm einer Naßätzvorrich
tung, mit der es möglich ist, das erfindungsgemäße Verfahren
zum Erfassen des Endpunkts bei Dampfphasen-Ätzvorgängen zu
erfassen. Es sind folgende Teile vorhanden: eine Ätzkammer
10, ein Tisch 10a, auf dem das zu ätzende Material angeord
net wird, eine Meßvorrichtung 20 zum Messen der Ionenstrom
stärke eines speziellen Nebenprodukts, wie es während des
Dampfphasen-Ätzvorgangs erzeugt wird, und ein Ventil 20a,
wie es zum Einstellen der Einlaßmenge des speziellen Neben
produkts in die Meßvorrichtung 20 verwendet wird. Eine
Δd-Berechnungseinrichtung 30 dient zum Berechnen der Ätzdicke
abhängig von der gemessenen Ionenstromstärke (Δd = Dicken
änderung). Eine Δd-Anzeigevorrichtung 40 dient zum Anzeigen
der berechneten Dickenänderung auf einem Monitor. Ein Ventil
50 dient zum Einstellen der Menge des in die Kammer 10 ein
geleiteten dampfförmigen Ätzmittels. Eine auf einem Sili
ziumsubstrat 60 ausgebildete Siliziumoxidschicht 70 ist das
zu ätzende Material.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf Fig. 2 ein Dampfpha
sen-Ätzvorgang für die Siliziumoxidschicht beschrieben. Als
erstes wird wasserfreies HF (im Dampfzustand) durch das Ven
til 50 als Ätzmittel in die Ätzkammer 10 eingeleitet. An
schließend wird in diese Ätzkammer 10 eine geeignete Menge
an H₂O im Dampfzustand eingeleitet.
Dann wird das Siliziumsubstrat 60 mit der darauf befindli
chen Siliziumoxidschicht 70 auf den Tisch 10a in einem vor
bestimmten Abschnitt der Ätzkammer 10 aufgelegt. Hierbei
wird wasserfreies HF als Ätzmittel verwendet, jedoch kann
auch ein anderes Ätzmittel in wasserfreiem Zustand verwendet
werden. Dieses Ätzmittel für die Siliziumoxidschicht 70 kann
eine Säure wie H₃PO₄ sein oder es kann NH₄OH sein. Wenn das
zu ätzende Material eine Halbleiterschicht aus Silizium ist,
wird wasserfreies H₂SO₄ als Ätzmittel verwendet. Es sei hier
darauf hingewiesen, daß die vorstehend angegebenen Ätzmittel
H-Ionen enthalten.
Es sei angenommen, daß die Siliziumoxidschicht 70 eine ther
misch auf dem Siliziumsubstrat 60 hergestellte Oxidschicht
ist. Wie oben angegeben, wird während des Dampfphasen-Ätz
vorgangs der Siliziumoxidschicht 70 im allgemeinen dampfför
miges H₂O zum Ätzmittel im Dampfzustand hinzugefügt. Daher
ändert sich die Ätzrate der Siliziumoxidschicht 70 abhängig
von der Menge an zugegebenem H₂O.
Die Fig. 3a bis 3d veranschaulichen den Ätzprozeß für die
auf dem Silizium ausgebildete Siliziumoxidschicht unter Ver
wendung der Ätzreaktion des dampfförmigen HF und H₂O mit der
Siliziumoxidschicht 70. Wie es in Fig. 3a dargestellt ist,
reagieren dampfförmiges HF und H₂O, nachdem sie in die Ätz
kammer 10 eingeleitet sind, als erstes miteinander gemäß der
folgenden chemischen Formel (1):
2HF + H₂O → H₃O⁺ HF₂⁻ (1)
Hierbei befinden sich H₃O⁺ + HF₂⁻ im flüssigen Zustand auf
der Oberfläche der Siliziumoxidschicht 70. Dann reagiert
H₃O⁺ + HF₂⁻ mit der Siliziumoxidschicht 70, wodurch diese ge
ätzt wird. Wie es in Fig. 3c dargestellt ist, existiert wäh
rend des Ätzens der Siliziumoxidschicht 70 H₃O⁺ + H₂SiF₆ +
H₂O + HF₂⁻ im flüssigen Zustand an der Oberfläche derselben.
Fig. 3d veranschaulicht den Zustand, bei dem die Silizium
oxidschicht völlig abgeätzt ist. Wenn dies der Fall ist,
werden HF + H₂O + SiF₄ im Dampfzustand erzeugt, und H₂SiF₆ +
H₂O + HF₂⁻ existiert im flüssigen Zustand auf der Oberfläche
des Siliziumsubstrats 60.
D. h., daß die Reaktion gemäß den Fig. 3b bis 3d durch die
folgende chemische Formel wiedergegeben werden kann:
SiO₂ + 2H₃O⁺ + 2HF₂⁻ → SiF₄ + 4H₂O (2)
Die Formel (2) zeigt, daß durch Reaktion zwischen der Sili
ziumoxidschicht 70 und HF/H₂O das Nebenprodukt SiF₄ erzeugt
wird.
Fig. 4 zeigt die Ionenstromstärken für die jeweiligen Neben
produkte, wie sie während des Ätzprozesses der thermischen
Siliziumoxidschicht 70 bei Raumtemperatur erzeugt werden.
Wie es in Fig. 4 dargestellt ist, werden nach dem Verstrei
chen einer vorbestimmten Zeit (500 Sekunden in Fig. 4) nach
dem Beginn des Dampfphasen-Ätzvorgangs Nebenprodukte er
zeugt, wodurch die Ionenstromstärke der jeweiligen Nebenpro
dukte gemessen werden kann. Dies erfolgt so, daß die Meßvor
richtung von Fig. 2 auf kontinuierliche oder diskrete Weise
nur ein spezielles Nebenprodukt, z. B. SiF₄, unter den Ne
benprodukten erfaßt, um dadurch dessen Ionenstromstärke zu
messen.
In Fig. 4 steigt die Ionenstromstärke des Nebenprodukts SiF₄
nach dem Verstreichen von 500 Sekunden nach dem Beginn des
Dampfphasen-Ätzvorgangs kontinuierlich an und fällt dann
langsam, nachdem 3000 Sekunden verstrichen sind. Der Punkt,
zu dem die Ionenstromstärke von SiF₄ beginnt abzufallen,
zeigt an, daß die Siliziumoxidschicht vollständig abgeätzt
ist. Diese Tatsache wurde durch Versuche bestätigt, durch
die es möglich ist, den Änderungswert (ΔICI) der Ionenstrom
stärke des Nebenprodukts SiF₄ und den Dickenänderungswert
(Δd) der Siliziumoxidschicht in eindeutiger Zuordnung in
eine Tabelle einzutragen. Diese Tabellendaten werden in
einem Speicher (nicht dargestellt) der Δd-Berechnungsein
richtung 30 in Fig. 2 abgespeichert.
Daher gibt die Δd-Berechnungseinrichtung 30, wenn die Meß
vorrichtung 20 zum Messen der Ionenstromstärke die jeweilige
Stärke für den SiF₄-Ionenstrom kontinuierlich oder diskret
ausgibt, auf der Δd-Anzeigevorrichtung 40 den Dickenände
rungswert aus, wie er der gemessenen Ionenstromstärke ent
spricht (d. h. die abgeätzte Dicke Δd der Siliziumoxid
schicht).
Demgemäß zeigt die Δd-Anzeigevorrichtung 40 den Δd-Wert wäh
rend des Dampfphasen-Ätzvorgangs der Siliziumoxidschicht 70
in der Kammer 10 kontinuierlich oder diskret auf dem Monitor
an. Wenn die Δd-Anzeigevorrichtung 40 anzeigt, daß der Δd-
Wert einen vorbestimmten Wert erreicht hat, beurteilt die
Bedienperson den Zustand als Ätzendpunkt, und sie beendet
den Dampfphasen-Ätzvorgang.
Vorstehend ist ein Dampfphasen-Ätzvorgang für den Fall er
läutert, daß das zu ätzende Material eine Siliziumoxid
schicht ist. Jedoch kann das erfindungsgemäße Verfahren zum
Messen des Ätzendpunkts in einer Dampfphasen-Ätzvorrichtung
auf Ätzprozesse für Isolierschichten z. B. aus Nitrid, für
Halbleiter aus z. B. Polysilizium oder für Metalle entspre
chend angewandt werden. Wenn diese Materialien einem Dampf
phasen-Ätzvorgang unterzogen werden, unterscheiden sich nur
das Ätzmittel und das spezielle Nebenprodukt, wie es zum
Messen der Ionenstromstärke ausgewählt wird, von den ent
sprechenden Substanzen beim Ätzen einer Siliziumoxidschicht.
Wenn z. B. eine Polysiliziumschicht geätzt wird, wird ein
anderes Nebenprodukt als beim Ätzen einer Siliziumoxid
schicht erzeugt, da wasserfreies H₂SO₄ als Ätzmittel verwen
det wird.
Wie oben beschrieben, bestehen bei der Erfindung die folgen
den Vorteile:
- - Erstens ist das erfindungsgemäße Verfahren zum Erfassen des Ätzendpunkts sehr zweckdienlich, und mit ihm kann die zum Ausführen eines Ätzvorgangs insgesamt erforderliche Zeit dadurch verkürzt werden, daß der Ätzendpunkt automatisch und nicht visuell erfaßt wird.
- - Zweitens ist kein Testmuster erforderlich, abweichend vom herkömmlichen visuellen Verfahren. Dies verhindert, daß Che mikalien und zu ätzendes Material in unnötiger Weise ver braucht werden.
- - Drittens wird der Ätzendpunkt genauer als beim herkömmli chen visuellen Verfahren erfaßt, was Fehlschläge bei Dampf phasen-Ätzvorgängen verhindert.
Claims (6)
1. Verfahren zum Erfassen des Endpunkts bei Ätzvorgängen
in einer Dampfphasen-Ätzvorrichtung mit einer Kammer, bei
dem:
- - ein zu ätzendes Material in die Kammer eingesetzt und ein dampf
förmiges Ätzmittel in die Kammer eingeleitet wird, um einen
Dampfphasen-Ätzvorgang auszuführen;
gekennzeichnet durch folgende Schritte: - - Messen der Ionenstromstärke eines speziellen Nebenpro dukts, wie es während des Dampfphasen-Ätzvorgangs erzeugt wird;
- - Berechnen der Dickenänderung des Materials aufgrund der gemessenen Ionenstromstärke; und
- - Bestimmen desjenigen Zustands als Endpunkt des Ätzvor gangs, bei dem die berechnete Dickenänderung einen vorbe stimmten Wert erreicht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
zusammen mit dem Ätzmittel dampfförmiges H₂O in die Kammer
eingeleitet wird.
3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß das zu ätzende Material eine Iso
lierschicht ist und das Ätzmittel eine Säure ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die Isolierschicht eine Siliziumoxidschicht oder eine Sili
ziumnitridschicht ist und das Ätzmittel HF, H₃PO₄ oder NH₄OH
ist, die alle wasserfrei vorliegen.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß das zu ätzende Material ein Halbleiter
ist und das Ätzmittel eine Säure ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
der Halbleiter eine Polysiliziumschicht ist und die Säure
wasserfreies H₂SO₄ ist.
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1997
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