DE2439795C3

DE2439795C3 - Anwendung einer photoelektrischen Zelle zur Bestimmung des Zeitpunktes des Durchätzens einer auf einem Halbleitersubstrat angebrachten Oxidschicht

Info

Publication number: DE2439795C3
Application number: DE2439795A
Authority: DE
Inventors: Jan Pieter Putnam Valley N.Y. Hoekstra
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1973-09-21
Filing date: 1974-08-20
Publication date: 1981-09-17
Also published as: FR2245083A1; IT1017115B; US3874959A; DE2439795A1; JPS5060185A; JPS5231713B2; DE2439795B2; GB1448048A; FR2245083B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine photoelektrische Zelle bestehend aus einer Hr'^leiter- und einer Metall-Gegenelektrode in einem Elektrolyten, wobei in der Halbleiterelektrode durch Belichtung elektrische Ladungsträger freigesetzt werden, ferner bestehend aus einer mit der Halbleiter- und der Metall-Gegenelektrode verbundenen elektrischen Detektoreinrichtung, vermittels welcher die in der Halbleiterelektrode freigesetzten Ladungsträger detektiert werden.

Soll beim chemischen Ätzen ein Muster sauber abgegrenzt werden, so ist es ganz wesentlich, daß man den Punkt bestimmen kann, von dem ab kein Material mehr abgetragen werden soll. Falls das Ätzverfahren über diesen Punkt hinaus ausgedehnt wird, dann ergeben sich Schwierigkeiten durch Unterschneidungen, oder man hat die Abmessungen des zu erzeugenden Musters nicht mehr unter Kontrolle.

Bisher hat man zur Feststellung, ob das Oxid richtig entfernt worden ist, einfach die Halbleiteroberfläche mit dem Mikroskop betrachtet. Dabei benutzt man die Farbänderung der Oxidschicht, wenn diese immer dünner wird. Ein solches Verfahren ist nicht nur sehr zeitaufwendig, da das Ätzverfahren zur Prüfung immer wieder unterbrochen werden muß, sondern die Prüfung selbst ist auch sehr mit subjektiven Fehlermöglichkeiten behaftet

Ein anderes bekanntes Verfahren betraf die Prüfung der Oberfläche eines Halbleiters, insbesondere im Hinblick auf den Übergang vom hydrophilen in den hydrophoben Zustand oder umgekehrt, abhängig vom Anfangsoberflächenzustand des Halbleiters. Wiederum ist dieses Verfahren subjektiver Einflüssen sehr stark ausgesetzt und läßt sich nicht in situ durchführen.

Ein drittes bekanntes Verfahren betrifft die elektrische Messung der Siliciumoberfläche. Ist eine Oxid schicht vorhanden, dann läßt sich kein Kontakt herstellen. Wenn man also wiederholt versucht, einen Kontakt herzustellen, dann kann man auch bestimmen, wann der Endpunkt der Ätzung erreicht ist Wiederum ist diese Methode sehr von subjektiven Einflüssen behaftet und hängt auch sehr stark vom Kontaktdruck ab, und dies macht es ziemlich schwierig, die dabei erhaltenen Ergebnisse auszuwerten. Wie bei den zuvor genannten beiden Verfahren muß auch hir<* das

ίο Ätzverfahren unterbrochen und der Siliciumhalbleiter periodisch aus der Ätzlösung herausgenommen werden.

Beim Einrichten eines Herstellverfahrens, bei dem

eine Oxidschicht abgeätzt werden soll, leitet man die zur

Bestimmung der Gesamtätzzeit für eine Entfernung des

Oxids notwendige Information von der Ätzung eines einzigen Halbleiterplättchens und einer Untersuchung des geätzten Musters mit einem der zuvor genannten drei Verfahren ab. Dabei weichen nicht nur die Bedingungen von Halbleiterplättchen zu Halbleiter plättchen, wie z.B. die Dicke der Oxidschicht voneinander ab, sondern der Temperaturgradient des Ätzmittels über die gesamte Ätzlösung kann unterschiedliche Ätzgeschwindigkeiten zur Folge haben. Die Bedingungen, unter denen ein Muster geätzt wurde und unter denen die Halbleiterplättchen in der Massenfertigung geätzt werden, können so weit voneinander verschieden sein, daß die Ergebnisse dei Ätzprozesses Extremwerte in beiden Richtungen annehmen können. In der Praxis erhöht man die von dem Muster

jo abgeleitete Ätzzeit um bis zu 50%, um sicherzustellen, daß das Oxid auch vollständig entfernt ist, wodurch es schwierig, wenn nicht gar unmöglich wird, eine gute Kontrolle über die Abmessungen des herzustellenden Musters aufrechtzuerhalten.

Aus der US- PS 36 28 017 ist bereits eine photoelektrische Zelle der eingangs genannten Art zum Messen von UV-Licht bekannt In einem Elektrolyten sind eine mit einem Zinnoxid-Überzug versehene Quarzelektrode und eine mit einem Platinüberzug versehene Quarzelek trode vorgesehen, die beide übei eine in Reihe geschaltete Stromquelle und ein Mikroemperemeter miteinander verbunden sind. Die Elektroden sind nur für UV-Licht von 300 nm bzw. 400—330 nm Wellenlänge empfindlich, nicht aber für sichtbares Licht. Der gemessene Strom ist etwa der Intensität des UV-Lichts proportional.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen, mit deren Hilfe der Endpunkt der Ätzung photoelektrisch und in situ bestimmbar ist, wenn die Oxidschicht entfernt, d.h. abgeätzt ist, wodurch die durch Unterschneiden, Überätzen und mangelnde Kontrolle der Abmessungen, Ablösen des Photolacks, Wirkungen von Temperaturänderungen im Ätzverfahren und unterschiedliche Stärken der abzuätzenden

v> Filme bisher aufgetretenen Schwierigkeiten so klein wie möglich gehalten, wenn nicht gar vollständig beseitigt werden.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird vermittels einer photoelektrischen Zelle der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die photoelektrische Zelle zur Bestimmung des Zeitpunktes des Durchätzens einer auf einem Halbleitersubstrat angebrachten Oxidschicht angewandt wird, wobei das mit der Oxidschicht versehene Halbleitersubstrat die Halbleiterelektrode

·>■> und das Ätzmittel den Llektrolyten der photoelektrischen Zelle bilden, und wobei ein auf einen Teil der abzuätzenden Oxidschicht gerichteter Strahl einer Lichtquelle auf die beim Durchät/.en der Oxidschicht

freigelegte Oberfläche des Halbleitersubstrats auftrifft.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird als Lichtquelle eine Lampe verwendet, deren Lichtstrahl periodisch unterbrochen wird und ein Linsensystem enthält, das den Lichtstrahl auf einen abzuätzenden Teil ^r> der mit einer Oxidschicht überzogenen Oberfläche des Halbleitersubstrats richtet

In der praktischen Ausführung wird eine Substrathalterung für die Befestigung eines mit einer Oxidschicht überzogenen Halbleiters in der Weise vorgesehen, daß in nur eine Oberfläche der Oxidschicht der Ätzlösung ausgesetzt ist Eine erste elektrische Leitung ist entweder unmittelbar oder mittelbar an der nichtfreiliegenden Oberfläche des Halbleiters angeschlossen, je nachdem, ob an der nichtfreiliegenden Oberfläche des ι s Halbleiters ein Oxidüberzug vorhanden ist oder nicht. Eine zweite elektrische Leitung ist mit einer in der Ätzlösung angeordneten Elektrode verbunden, und beide Leitungen sind mit einer Detektoreinrichtung, wie z. B. einem Meßinstrument oder dergleichen, verbunden. Die Lichtquelle, die einen pulsierenden Lichtstrom Hefen, wird auf einen oder mehrere Punkte der abzuätzenden Oxidschicht fokussiert so daß nach Entfernen der Oxidschicht der Lichtstrahl den Halbleiter trifft Der pulsierende Lichtstrahl erzeugt ein von der Oberfläche des Halbleiters ausgehendes WechselstromsignaL durch das festgestellt werden kann, wann das Dielektrikum entfernt ist das heißt wann das Ätzmittel elektrischen Kontakt mit der Oberfläche bekommt und damit wird der Endpunkt der Ätzung signalisiert

Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen näher beschrieben. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine schematische Ansicht der Einrichtung, zum Teil im Schnitt zum Feststellen des Endpunktes einer Ätzung; und

Fig.2 den Amplitudenverlauf des Ausgangssignals, aufgetragen über der Zeit während eines Ätzvorganges.

In Fig. 1 ist eine Ätzlösung 10 in einem Behälter 12 aus Kunststoff oder dergleichen untergebracht der durch die /itzlösung nicht angegriffen wird. Die Ätzlösung kann beispielsweise eine schwache Fluorwasserstoffsäure-Lösung oder jede andere brauchbare Ätzlösung sein. Eine Substrathalterung 14 aus einem Kunststoff oder einem anderen geeigneten Material ist vorgesehen, das ebenfalls gegen die Ätzlösung unempfindlich ist Die Halterung 14 weist einen Hohlraum 16 zur Aufnahme eines Halbleitersubstrats 18 auf. Das Halbleitersubstrat 18 kann aus Silicium bestehen und ist, wie in F i g. 1 gezeigt, auf seinen beiden Oberflächen mit einer Oxidschicht 20 bzw. 22 versehen. Der Hohlraum 16 weist eine Schulter 24 auf, die das Substrat abstützt, sowie eine Klemmvorrichtung 26, die das Substrat gegen die Schulter 24 andrückt und festhält. Wenn das Substrat ein kreisförmiges Plättchen ist, dann kann die « Klemmvorrichtung ein Schraubring sein, der in die Halterung 14 eingeschraubt ist. Die Klemmvorrichtung 26 kann mit einer Dichtung, wie z. B. einem Dichtungsring 28, versehen sein. 1st die Form des Substrats nicht kreisförmig, dann kann die Klemmvorrichtung 26 an der Halterung 14 durch entsprechende Mittel befestigt werden und man würde eine Dichtung vorsehen, die sich um den gesamten Umfang clci Substrats herum erstreckt und verhindert. JaD Ätzlösung die gegenüberliegende Oberfläche des Substrats erreichen kann Die <·"> freiliegende Oberfläche de Oxids 22 ist mit einem Resistmaterial in einem bestimmten Muster überzogen, so daö nur der nicht Jamit überzogene Teil der Oxidschicht durch die Ätzlösung entfernt wird.

Die Halterung 14 ist mit einer Bohrung 30 versehen, die mit dem Hohlraum 16 in Verbindung steht In dieser Bohrung liegt eine elektrische Leitung 32. Diese Leitung 32 ist an einem Metallkontakt 34 angeschlossen, der in der Ausführungsform gemäß F i g. 1 mit dem Substrat 18 über eine kapazitive Kopplung verbunden ist Ist an der nichtfreiliegenden Oberfläche des Halbleitermaterials oder Substrats keine Oxidschicht vorhanden, so kann das Substrat 18 unmittelbar elektrischen Kontakt mit der Metallplatte 34 haben. Die Empfindlichkeit der kapazitiven Ankopplung ist 1 mV je 6,45 cm² χ 10-⁵, gemessen über einem Widerstand von 1 M Ohm.

Die Empfindlichkeit kann, wenn ein unmittelbarer elektrischer Kontakt hergestellt ist um eine Größenordnung größer sein. Eine zweite elektrische Leitung 36 ist mit einer Elektrode 38 verbunden, die in die Ätzlösung eingetaucht ist, und die Leitungen 32 und 36 sind mit einer entsprechenden Anzeigevorrichtung oder einer Detektorvorrichtung 40, wie z. B. einem Meßinstrument, verbunden. Es ist ebenso v. yesehen, daß das Deiektorsigna! dazu benutzt werden kann, einen entsprechenden Servomechanismus zu betätigen, der die Substrathalterung 14 automatisch aus der Ätzlösung herausnimmt, wenn der Endpunkt der Ätzung festgestellt ist.

Eine Lichtquelle 42 ist außerhalb des Behälters 12 vorgesehen und mit einem mechanischen Verschluß 44 und einem Linsensystem 46 so ausgerichtet daß ein pulsierender Lichtstrahl auf einen Abschnitt der Oxidschicht 22 fokussiert ist, der durch die Ätzlösung abgeätzt werden soll. Der mechanische Verschluß 44, der hier nur schematisch dargestellt ist, kann jeder beliebige mechanische Verschluß sein, der den notwendigen pulsierenden Lichtstrahl liefert. Zum Erzielen optimaler Bedingungen mit einem möglichst kleinen Lichtpunkt sollte dieser Lichtpunkt einen genügend großen Bereich des Musters umfassen, so daß die abzuätzende Fläche größer ist als 6,45 cm² χ 10-⁵. Um eine genaue Ausrichtung des Substrats mit der optischen Apparatur zu vermeiden, kann man einen Lichtpunkt wählen, der eine Fläche auf der Halbleiteroberfläche so ausleuchtet, daß unter allen Bedingungen die auf der Halbleiteroberfläche zu ätzer.de Fläche mindestens 6,45 cm² χ 10~⁵ beträgt. Das hängt natürlich von der Größe des zu ätzenden Musters und von dem Verhältnis der zu ätzenden Fläche gegenüber der geschützten Fläche ab.

Im Betrieb ist das mit einem Oxidüberzug versehene Halbleiterplättchen an der Haltevorrichtung, wie in F i g. 1 gezeigt, befestigt und ein impulsmäßig unterbrochener Lichtstrom wird auf die Oberfläche des Oxidüberzuges an einem Punkt fokussiert, an dem der Oxidüberzug abgeätzt werden soll. Wie in F i g. 2 gezeigt, wird im ersten Teil des Ätzvorganges über der Elektrode 38 und dem metallischen Kontakt 34 kein Signal festgestellt. Nachdem jedoch der Oxidüberzug abgeätzt ist und man in die Nähe des optimalen Endpunktes gelangt, wird ein kleines Signal festgestellt, wenn die ÄtzlösL.ig beginnt, mit dem Material des Substrats ί8 in elektrische Kontaktberührung zu kommen. Die Amplitude dieses Signals nimmt dann rasch zu, wenn das in dem abzuätzenden !Jereich noch verbliebene Oxid entfernt wird, bis das Signal sein Maximum am Punkt 50 erreicht, wodurch angezeigt wird, daß der optimale Ätzendpunkt erreicht ist. Die Anzeigevorrichtung 40 spricht auf das erste Maximum des Signals bei 50 an. Wird durch die Apparatebedte-

nung nur ein Meßinstrument überwacht, so kann bei Feststellung der ersten Spitzenamplitude des Signals der Halter und das Substrat sofort aus der Ätzlösung herausgenommen werden. Falls das Herausnehmen der Halterung selbsttätig erfolgt, kann das erste Signalmaximum beim Punkt 50 ausreichen, einen Servomechanismus zum Herausnehmen der Halterung zu betätigen, ist der Detektor 40 ein Summer, eine Warnlampe oder sonst eine geeignete Alarmvorrichtung, dann reicht die erste Spitzenamplitude des Signals bei 50 aus, um die Alarmeinrichtung zu betätigen und damit anzuzeigen, daß der gesuchte Endpunkt erreicht ist.

Die in F i g. 1 dargestellte Anordnung ist etwas schematisch, und zwar insoweit, als nur eine einzige Halterung, ein Substrat und eine Lichtquelle dargestellt sind. Es ist vorgesehen, daß die Anordnung gleichzeitig für eine Anzahl von Ätzpunkten auf einem gemeinsamen Substrat eingesetzt wird oder daß eine Anordnung in der Weise aufgebaut wird, daß die Ätzendpunkte auf einer Anzahl von S.ibst.-aten auf zwei Substrathalterungen oder auf einer gemeinsamen Halterung gleichzeitig feststellbar sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Photoelektrische Zelle bestehend aus einer Halbleiter- und einer Metall-Gegenelektrode in einem Elektrolyten, wobei in der Halbleiterelektrode durch Belichtung elektrische Ladungsträger freigesetzt werden, ferner bestehend aus einer mit der Halbleiter- und der Metall-Gegenelektrode verbundenen elektrischen Detektoreinrichtung, vermittels welcher die in der Halbleiterelektrode freigesetzten Ladungsträger detektiert werden, gekennzeichnet durch ihre Anwendung zur Bestimmung des Zeitpunktes des Durchätzens einer auf einem Halbleitersubstrat angebrachten Oxidschicht, wobei das mit der Oxidschicht versehene Halbleitersubstrat die Halbleiterelektrode und das Ätzmittel den Elektrolyten der photoelektrischen Zelle bilden und wobei ein auf einen Teil der abzuätzenden Oxidschicht gerichteter Strahl einer Lichtquelle auf die beim Durchätzen der Oxidschicht freigelegte Oberfläche des Halbleitersubstrats auftrifft.

2. Photoelektrische Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle eine Lampe, deren Lichtstrahl periodisch unterbrochen wird, und ein Linsensystem enthält, das den Lichtstrahl auf einen abzuätzenden Teil der mit einer Oxidschicht überzogenen Oberfläche des Halbleitersubstrats richtet