DE3851370T2

DE3851370T2 - Testvorrichtung zur Durchführung eines Realisierungsverfahrens von Halbleiterstrukturen.

Info

Publication number: DE3851370T2
Application number: DE3851370T
Authority: DE
Inventors: Jean-Marc Auger; Philippe Autier; Jean-Bernard Theeten
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1987-06-04
Filing date: 1988-06-01
Publication date: 1995-04-20
Anticipated expiration: 2008-06-02
Also published as: JP2716731B2; JPS6415931A; DE3851370D1; US4927785A; EP0294873B1; FR2616269A1; FR2616269B1; EP0294873A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Testvorrichtung in Kombination mit einer Probe, wobei die Testvorrichtung Mittel umfaßt, um in situ die Parameter einer während eines Schrittes eines Verfahrens zur Herstellung von Halbleiteranordnungen auf der Oberfläche dieser Probe durchgeführten reaktiven Ionenätzung zu kontrollieren, wobei diese Mittel
- eine Lichtquelle mit einem Laserstrahlenbündel der Wellenlänge λ und
- Mittel zur Detektierung des Laserlichtes (D&sub0;, D&sub1;) umfassen,
- sowie die aus einem Substrat aus einem ersten Material bestehende
Probe, auf dem eine Maskenschicht aus einem zweiten Material aufgebracht ist, wobei die genannte Maskenschicht Öffnungen in Form von Rillen mit einer Breite lS und einem gegenseitigen Abstand lM umfaßt, die ein optisches Gitter mit Rechteckprofil bilden, und wobei dieses Gitter sich in einem Gebiet der Oberfläche des Substrats befindet, in der sich keine Halbleiteranordnungen befinden und die im wesentlichen senkrecht von dem genannten Laserstrahlenbündel beleuchtet wird.
Die Vorrichtung wird bei der Kontrolle des reaktiven Ionenätzens verschiedener Schichten angewandt, wie sie in Herstellungsverfahren für integrierte Halbleiteranordnungen auf vor allem Galliumarsenid (GaAs) oder Indiumphosphid (InP) und allgemein auf III-V-Verbindungen verwandt wird.
Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiteranordnungen, bei dem eine solche Testvorrichtung in Kombination mit einer Probe angewandt wird.
Eine Testvorrichtung für das reaktive Ionenätzen ist aus dem Artikel von H.P. Kleinknecht und H. Meier im "Journal of Electrotechnical Society", Band 125, Nr. 5, Mal 1978, S. 798-803 bekannt. Dieses Dokument beschreibt eine Testvorrichtung mit einem optischen Gitter, das auf einer der einem reaktiven Ionenplasmaätzvorgang auszusetzenden Proben aus Halbleitermaterial gebildet wird. Das optische Gitter hat ein Rechteckprofil. Es besteht aus rillenförmigen Öffnungen in einer Photolackschicht, die auf die Oberfläche einer dielektrischen Schicht aus Siliziumdioxid (SiO&sub2;) oder Siliziumnitrid (Si&sub3;N&sub4;) angebracht ist. Die Rillen sind parallel und befinden sich in einen regelmäßigen Abstand zueinander. Die Photolackschicht dient übrigens als Maske, um durch reaktives Ionenätzen Strukturen in die dielektrische Schicht zu ätzen, die ihrerseits auf der Oberfläche aus einem Halbleitersubstrat aus Silizium (Si) bestehenden Schicht gebildet ist. Die Testvorrichtung soll der In-Situ-Kontrolle der Tiefe der Ätzung in der durch reaktives Plasmaionenätzen entstandenen dielektrischen Schicht dienen. Dazu wird das optische Gitter mit einer Vorrichtung beleuchtet, die ein Laserstrahlenbündel mit der Wellenlänge 632,8 nm umfaßt, das senkrecht auf das optische Gitter im Aufbau zur Ionen-Ätzung gerichtet und moduliert wird. Die Kontrolle geschieht durch Analyse des vom Gitter gebeugten Lichtes. Hierzu wird die Lichtintensität des vom Gitter kommenden Lichtes von einer Photodiode gesammelt.
Die Kontrolle der Ätzungen in den dielektrischen Schichten geschieht durch Interpretation der Intensitätsschwankungen des vom Gitter gebeugten Lichtes mit Hilfe quantitativer Analysemodelle. Um die Beugungsbedingungen zu erhalten, kann die Periodizität des Gitters 3 bis 10,2 um betragen, wobei der letzte Wert bevorzugt wird. Es wird lediglich die Beugungsordnung 1 betrachtet.
Das Problem, das durch die im genannten Dokument erwähnte Testvorrichtung gelöst wurde, besteht darin, den Zeitpunkt festzustellen, zu dem die dielektrische Schicht vollständig geätzt ist und das Halbleitersubstrat freiliegt, um so eine Ätzung dieses Substrats zu vermeiden. Durch Messung der Beugungsintensität wird dieser Moment anhand der Tatsache festgestellt, daß dieser Moment mit einer plötzlichen Abnahme der Beugungsintensität zusammenfällt, die daraufhin auf einem konstant niedrigen Niveau bleibt.
Im genannten Dokument wird außerdem darauf hingewiesen, daß die Kontrolle der Ätzung der dielektrischen Schichten auch mittels Messung der gerichteten Reflexion geschehen kann. In diesem Fall müßte das Laserstrahlenbündel jedoch auf ein Gebiet der Schicht ohne jegliche Unregelmäßigkeiten auf einer Fläche mit dem gleichen Durchmesser wie das Laserstrahlenbündel gelenkt werden, eine Bedingung, die in der Praxis bei der Herstellung integrierter Schaltungen auf Halbleitersubstraten schwierig zu erfüllen ist. Vor allem könnte in diesem Fall kein optisches Gitter verwandt werden.
Ein solches Verfahren verwendet die Beugung des Lichts. Im Idealfall eines Gitters, bei dem nur die Tiefe der Ätzspuren variiert - das heißt, einem Modell
mit nur einem Parameter - ist die Interpretation einfach. In den realistischen Fällen, in denen sich die gesamte Geometrie des Gitters während des Angreifen des Plasmas verändert, wird die Aufstellung eines Modells sehr schnell komplexer. Verschiedene Parameter wirken auf die Beugungsintensität ein, deren jeweilige Beiträge praktisch unmöglich zu trennen sind.
Im besonderen ist es notwendig, nicht nur die Dicke der geätzten dielektrischen Schichten messen zu können, sondern auch die Ätztiefe in einer oder mehreren darunterliegenden Halbleiterschichten, sowie die Rauheit der Ätzkanten oder die Rauheit des Bodens der in das Halbleitermaterial oder die Halbleitermaterialien geätzten Öffnung. Erfindungsgemäß werden diese Probleme mittels einer Testvorrichtung in Kombination mit einer Probe der eingangs genannten Art gelöst. Die Erfindung betrifft ebenfalls ein im Patentanspruch 6 genanntes Verfahren zur Herstellung von Halbleiteranordnungen.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Testvorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gekennzeichnet, daß die Breiten lS und lM einander im wesentlichen gleich und von größerer Abmessung als die Kohärenzlänge lC des Laserstrahlenbündels sind, um die gerichtete Reflexion des Lichtes dieses Bündels vom Gitter in Richtung der genannten Detektionsmittel zu ermöglichen.
Mittels der erfindungsgemäßen Testvorrichtung können unter anderem die folgenden Vorteile erhalten werden:
- Die Kontrolle des Ionenätzens von drei Materialien kann in situ kontinuierlich parallel mit der Ätzung durchgeführt werden.
- Die Steuerung der verschiedenen Parameter, die bei der Ätzung eine Rolle spielen, kann dieser Kontrolle untergeordnet werden.
- Die Kontrolle liefert kontinuierlich:
- den Wert der Gesamttiefe der Ätzung dG;
- den Wert der von der oberen Schicht des geätzten Systems entfernten Dicke: d'M;
- die Dicke der rauhen Schicht auf den Ätzkanten einer geätzten Struktur: l,F und
- die Dicke der rauhen Schicht am Boden der geätzten Struktur: dR.
- Die erfindungsgemäße Testvorrichtung ist einfach zu realisieren und einfacher zu betreiben als die dem Stand der Technik entsprechende Testvorrichtung, da das als Quelle dienende Laserstrahlenbündel nicht moduliert zu werden braucht. Es ist ebenfalls einfacher, Gitter mit 80 um zu realisieren, die Rillen mit einer Breite von 40 um und einem Abstand von 40 um ohne besondere Genauigkeit haben, als Gitter mit einer Periodizität von 10,2 um, die Rillen mit 7 um Breite und einem Abstand von 3 um haben.
Zum besseren Verständnis sind Ausführungsbeispiele der Erfindung in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen:
- die Fig. 1a und 1b eine Schnittansicht einer Struktur vor dem Ätzen bzw. einer Struktur nach dem reaktiven Ionenätzen,
- Fig. 2 eine schematische Darstellung der gesamten erfindungsgemäßen Testvorrichtung,
- Fig. 3a eine schematische Schnittansicht des zur erfindungsgemäßen Testvorrichtung gehörenden optischen Gitters und Fig. 3b eine Draufsicht auf dieses Gitter,
- Fig. 4 eine Schnittansicht des Weges der einfallenden und vom Gitter reflektierten Strahlen des Laserstrahlenbündels,
- Fig. 5a die Kurve der vom Gitter reflektierten Lichtstarke als Funktion der Ätzzeit, wenn das Gitter auf ein Galliumarsendid-Substrat aufgebracht wird,
- Fig. 5b die Kurve der vom Gitter reflektierten Lichtintensität als Funktion der Ätzzeit, wenn das Gitter in einer Schicht aus Siliziumnitrid (Si&sub3;N4) auf der Oberfläche einer auf einem Galliumarsenid-Substrat aufgebrachten dünnen Schicht aus Galliumaluminiumarsenid angebracht wird.
Bei der Herstellung von integrierten Schaltungen auf Halbleitersubstraten wird zum Ätzen des Materials häufig ein als reaktives Ionenätzen bezeichnetes Verfahren angewandt (RIE = "Reactive Ion Etching").
Die Fig. 1a und 1b zeigen dieses Verfahren. Auf einem zu ätzenden Material 100, das als das Substrat betrachtet wird, wird eine Schicht 110 aufgebracht, um eine Maske zu bilden. Öffnungen oder Fenster 120 werden in der Maske 110 beispielsweise durch Photolithografie an den für die Ätzung des Substrats 100 vorgesehenen Stellen angebracht. Fig. 1a zeigt schematisch einen Schnitt durch diese Anordnung vor dem reaktiven Ionenätzen.
Fig. 1b zeigt schematisch eine der Fig. 1a entsprechende Schnittansicht der Öffnung 14, 15 nach dem Ätzen des Substrats in der Verlängerung der Öffnung 120.
Die die Maske 110 bildende Schicht kann ein dünner Film aus einem organischen Material, einem Metall oder einer dielektrischen Verbindung wie Siliziumdioxid (SiO&sub2;) oder Siliziumnitrid (Si&sub3;N&sub4;) sein.
Das zu ätzende Material oder Substrat 100 kann eine andere dielektrische Verbindung oder eine Halbleiterverbindung aus den Verbindungen der Gruppe IV, III-V oder II-VI sein. Wenn eine Maske beispielsweise aus Siliziumdioxid besteht, kann das zu ätzende Material Siliziumnitrid sein, oder umgekehrt. Nicht-einschränkende Beispiele für die Halbleitermaterialien sind Silizium, Galliumarsenid, Galliumaluminiumarsenid oder Indiumphosphid.
Bei der Durchführung des Plasmaätzens würde im Idealfall die als Maske diendende dünne Schicht intakt gelassen und nur das Substrat in den Fenstern 120 geätzt, wobei die durch Photolithographie entstandene geometrische Struktur erhalten bleibt, das heißt mit den vertikalen Angriffskanten an den Grenzen zwischen Maske und Fenster. In der Praxis treten drei parasitäre Erscheinungen auf:
1) Die Oberfläche 14 des Substrats 100 wird während des Angriffs rauh,
2) die Angriffskanten 15 sind rauh und nicht vertikal, das heißt, daß sich eine laterale Rauheit 13 entwickelt,
3) die Maske 110 wird selbst angegriffen und ihre Dicke verringert sich während des Plasmaätzens.
Erfindungsgemäß können diese drei parasitären Erscheinungen minimiert werden. Da sie sich in Abhängigkeit der mikroskopischen Parameter des Plasmas (Geometrie der Plasmaelektroden, Druck in der Plasmakammer, Art und Partialdruck der Ätzgase, Temperatur der Probe, Art der verwendeten Maske . . . ) auf sehr komplexe Weise verändern, ist die Optimierung in der Praxis sehr schwierig und langwierig, wenn man nicht über genaue und schnelle Mittel zur Charakterisierung verfügt. Die vorliegende Erfindung ermöglicht unter anderem, mittels der im folgenden erläuterten Testvorrichtung eine Lösung dieses Problems zu verschaffen.
Fig. 2 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Testvorrichtung zur Verwendung beim reaktiven Ionenätzen.
Eine Probe 100 aus einem zu ätzenden Material liegt in einem Raum 5 auf der Kathode 7 gegenüber der Anode 6, wobei sich zwischen Kathode und Anode dank der Versorgung 8 ein Plasmastrom ausbildet, und wobei der Raum mit nicht dargestellten Einlässen für Gase wie CHF&sub3; oder CF&sub4; versehen ist, die je nach Art des zu ätzenden Materials oder der zu ätzenden Materialien gewählt werden.
Der Raum 5 ist mit einem Fenster 9 versehen, auf das das Laserstrahlenbündel mittels Reflexion am Spiegel 2 gerichtet wird. Zwischen dem Spiegel 2 und dem Fenster 9 wird das direkt vom Laser kommende Laserstrahlenbündel teilweise von einer halbreflektierenden Platte 3 in Richtung eines Detektionsmittels D&sub0; reflektiert, das vorteilhafterweise von einer Siliziumphotodiode gebildet werden kann und dazu dient, ein Bezugssignal für die Einfallsintensität zu liefern.
Das vom Laser emittierte Lichtbündel wird senkrecht auf die Oberfläche der Probe 100 gerichtet. Der vom Laserstrahlenbündel beleuchtete Bereich der Probe wurde zuvor mit einem optischen Gitter versehen, wie es anhand der Fig. 3a und 3b später noch beschrieben werden wird. Dieses Gitter ist nicht vorgesehen, um die vom Stand der Technik bekannte Beugung zu ermöglichen, sondern die gerichtete Reflexion des Laserstrahlenbündels. Das vom optischen Gitter reflektierte Licht wird mittels einer halbreflektierenden Platte 4 durch das Fenster 9 auf eine Photodiode D&sub1; gelenkt, um ein Signal zur Detektion der vom Gitter reflektierten Intensität zu liefern.
Das Laserstrahlenbündel und die Mittel zur Detektion der reflektierten Intensität werden während der gesamten Dauer des reaktiven Ionenätzens bei dem Raum eingesetzt.
Fig. 3a stellt eine schematische Schnittansicht der erfindungsgemäßen Testvorrichtung entlang der Linie I-I aus Fig. 3b dar.
Das Gitter ist auf der Oberfläche der Schicht oder des zu ätzenden mit Substrat 100 bezeichneten Materials angebracht. Es ist in einem Gebiet des Substrats angebracht, in dem sich während der Herstellung keine Halbleiteranordnungen befinden.
Dieses Gitter wird aus rillenförmigen Öffnungen 12 gebildet, die in eine Schicht eines Materials 11 eingearbeitet sind, das vorteilhafterweise aus einem der vorstehend genannten, zur Bildung einer Maske geeigneten Materialien bestehen kann.
Wie in Fig. 3a gezeigt, ist das Profil des Gitters rechteckig. Die Rillen haben eine Breite lS und sind durch als Maskenstreifen bezeichnete Streifen der Schicht 11 mit einer Breite lM getrennt. Ein solches Gitter kann mittels eines als Photolithographie bekannten Verfahrens verwirklicht werden.
Fig. 3b zeigt einen Teil des Gitters in der Draufsicht. Die Rillen sind parallel und befinden sich in regelmäßigem Abstand zueinander.
Vorteilhafterweise bedeckt das Gitter auf dem Substrat eine Oberfläche von 1 mm · 1 mm.
Um die gerichtete Reflexion des Laserstrahlenbündels zu ermöglichen, die den durch die Erfindung verschafften Vorteilen zugrundeliegt, werden die Breiten lS und lM so gewählt, daß sie einander im wesentlichen gleich und gleich 40 um sind, damit sie bedeutend größer sind als der Wert der Kohärenzlänge lC des Laserstrahlenbündels, für dessen Wellenlänge ein Wert von 628,3 nm gewählt wird, der mit Hilfe eines He-Ne-Lasers erhalten wird.
Die Kohärenzlänge ist als Abstand definiert, innerhalb dessen zwei Punkte stets nahe genug beieinanderliegen, um zu interferieren.
Die Kohärenzlänge des Laserstrahlenbündels ist daher eine Konstante des optischen Systems und beträgt:
lC 20 um
Ein Verfahren zur Bestimmung des Wertes der Kohärenzlänge eines solchen optischen Systems wird später noch ausführlich erläutert.
Die durch mehr als 20 um voneinander getrennten Gebiete des Gitters werfen daher Lichtbündel ohne gegenseitige Phasenkohärenz zurück, wobei sich deren Intensitäten, nicht aber deren Amplituden addieren, wie es bei dem dem Stand der Technik entsprechenden Verfahren der Fall ist. Diese Eigenschaft ermöglicht es, die jeweiligen Beiträge der verschiedenen hierunter beschriebenen Faktoren voneinander zu trennen:
1) Geschwindigkeit der Ätzung des Substrats (vS)
2) Geschwindigkeit der Ätzung der Maske (vM)
3) laterale Rauheit (rL)
4) Rauheit des Substrats (rS)
Die Wahl von lS = lM 40 um ist ein Kompromiß, der sich auf die Tatsache stützt, daß
1) dieser Wert für lS und lM größer ist als die Kohärenzlänge des Lasers, um getrennte Beiträge der Maskenstreifen 11 und der Rillen 12 zu ermöglichen,
2) dieser Wert für lS und lM trotzdem klein genug ist, damit die Gebiete an den Grenzen zwischen Streifen und Rille noch einen wesentlichen Beitrag zum gesamten Reflexionssignal liefern können. Die Bedeutung eines solchen Gittermusters wird sichtbar, wenn man eine typische Situation während des Ätzens untersucht, wie sie in Fig. 4 dargestellt ist.
In dieser Fig. 4 können drei Gebietstypen unterschieden werden, die zur gerichteten Reflexion des Laserstrahlenbündels beitragen.
Die mehr als eine Kohärenzlänge von einer Grenze zwischen Maske und Rille entfernten Gebiete M der Maskenstreifen 11 entsprechen den Mehrfachinterferenzen in dem dünnen Film mit der Dicke d&sup0;M, der die Streifen 11 vor Ätzung bildet. Für einen Einfall des Lasers normal zur Oberfläche ist die von einem Gebiet M reflektierte Amplitude gegeben durch die Beziehung
wobei rAM der Fresnelsche Koeffizient an der Luft-Maskenstreifen-Grenzfläche ist,
rMS der Fresnelsche Koeffizient an der Maskenstreifen-Substrat-Grenzfläche ist,
wobei nM die Brechzahl des Maskenstreifenmaterials bei der Wellenlänge λ des Lasers ist und dM die Dicke des Maskenstreifens während des Ätzens ist.
In gleicher Weise entsprechen den mehr als eine Kohärenzlänge von der Grenze zwischen Streifen und Rille entfernten Gebieten S des Substrats Mehrfachinterferenzen in dem dünnen Film mit einer Dicke dR der Rauheit des während des Angreifen des Plasmas entwickelten Substrats. Die von diesen Gebieten reflektierte Amplitude ist gegeben durch die Beziehung
wobei rAR der Fresnelsche Koeffizient an der Luft-Rauheit-Grenzfläche ist,
rRS der Fresnelsche Koeffizient an der Rauheit-Substrat-Grenzfläche ist,
wobei nR die Brechzahl des Rauheitsfilms und dR die Dicke der rauhen Schicht ist. Schließlich entsprechen den an den Grenzen zwischen Maskenstreifen und Rille gelegenen Gebieten L mit der Breite lC, die gleich der Kohärenzlänge des Laserlichtes ist, Interferenzen zwischen den hohen und den tiefen Teilen der Struktur während des Ätzens. Wenn dG die Tiefe der Ätzung im Substrat ist, das heißt der Höhenunterschied zwischen der Substrat-Maskenstreifen-Grenzfläche und der Luft- Rauheit-Grenzfläche, so ist der Beitrag zur reflektierten Amplitude in diesen Gebieten L gegeben durch die Beziehung
AL=AM+AS·exp(-jφG)
mit
Es sei darauf hingewiesen, daß aufgrund des normalen Einfalls des Laserlichtes die vertikalen oder nicht vertikalen Kanten der Struktur an deren Grenze zwischen Maskenstreifen und Rille nicht zur gerichtet reflektierten Amplitude beitragen. Während des Ätzens nehmen diese Kanten eine Breite lF ein, und die Gebiete L liefern daher einen zu lC - lF proportionalen Beitrag.
Die jeweiligen Proportionen der drei Gebietstypen M, S und L sind somit l'M, l'S und 2 lC
mit l'M + l'S + 2 lC = lM + lS
und l'M = l'S
Während des Ätzens ist die reflektierte Gesamtintensität also gegeben durch die Beziehung
wobei die während des Angreifens des Plasmas veränderlichen Größen in der Reihenfolge abnehmender Wichtigkeit
- die auf AL wirkende Tiefe dG der Ätzung,
- die auf AM und AL wirkende Restdicke dM der Maske,
- die laterale Abmessung lF der Ätzkanten,
- die auf AS und AL wirkende Rauheit des Substrats dR sind.
Die Bedeutung der Erfindung liegt darin, daß die Beiträge dieser vier Größen getrennt werden können und daß man ihre vier Werte im Laufe der Zeit anhand der bloßen Messung der Intensität der gerichteten Reflexion erhält.
Eine typische Anwendung dieses Verfahrens, die der in Fig. 5a gezeigten Messung der Intensität der gerichteten Reflexion entspricht, wird im folgenden beschrieben. Es handelt sich um eine reaktive Ionenätzung eines orientierten Substrates (100) aus GaAs in einem Industrieaufbau (NEXTRAL NE 110 C). Die Versuchsbedingungen waren die folgenden:
- Gesamtdruck 0,4 Pa (3 mTorr)
- Leistung RF = 70 W (Autopolarisationsspannung 250 V)
- Partialdrücke der Gase CL&sub2; = 4,5
CH&sub4; = 4,5
Ar = 9
Fig. 5a zeigt, daß die reflektierte Intensität I sich im Laufe der Zeit t entsprechend einer Sinuskurve (mit durchgezogenen Linien als Kurve A dargestellt) mit einer kurzen Periode T&sub1; (zwischen zwei Minima) verändert. Die Amplitude der Kurve A ist außerdem abnehmend. Diese Kurve hat zwei Hüllkurven: Die Hüllkurve B der Minima, die eine Sinuskurve mit der im Vergleich zu T&sub1; langen Periode T&sub2; (wobei T&sub2; zwischen zwei Minima gemessen wird) darstellt, und eine Hüllkurve C der Maxima, die ebenfalls eine Sinuskurve mit der Periode T&sub2; darstellt, deren Amplitude jedoch abnehmend ist.
Die kurze Periode T&sub1; entspricht im Term AL der Veränderung von dG.
Jede Periode der Zeit T&sub1; entspricht einer Tiefe der Ätzung P&sub1; = λ/2n&sub0; = λ/2
wobei n&sub0; die Brechzahl der Luft (n&sub0; = l) ist.
Wenn die Ionenätzung zum Zeitpunkt t&sub0; beginnt, wird im Laufe einer Zeit t&sub1; eine Tiefe
dG = N&sub1;P&sub1; + (nm - n&sub0;)(d&sup0;M -dM)
geätzt, wobei P&sub1; = N&sub1; λ/2, n&sub0; = 1 und wobei N&sub1; die Anzahl der Perioden T&sub1; ist, die zwischen dem Zeitpunkt t, und dem Zeitpunkt t&sub1; auftreten.
Somit kann die Bestimmung der Ätztiefe kontinuierlich während der gesamten Dauer des Ätzvorganges durchgeführt werden.
Im genannten Beispiel, in dem λ = 632,8 nm ist, entspricht T&sub1; P&sub1; = 216 nm geätzten Materials.
Die lange Periode T&sub2; entspricht der Ätztiefe P&sub2; in der Oberfläche der Maskenstreifen des Gitters
P&sub2; = λ/²nM
wobei nM die Brechzahl des Materials der Maskenstreifen des Gitters ist. Bestehen die Maskenstreifen des Gitters aus Siliziumdioxid (SiO&sub2;) mit der Brechzahl
n 1,53,
so entspricht T&sub2; P&sub2; = 205 nm geätzten Siliziumdioxids.
Im Laufe einer Zeit t&sub1; wird die Ätzung die Dicke der Maskenstreifen des Gitters um einen Wert
(nM - n&sub0;)(d&sup0;M - dM) = N&sub2;P&sub2; verringert haben, wobei P&sub2; = λ/2 nM, n&sub0; = 1 und N&sub2; die Anzahl der Perioden T&sub2; ist, die zwischen dem Zeitpunkt t&sub0; und dem Zeitpunkt t&sub1; aufgetreten sind.
Die tatsächliche Ätztiefe im Substrat 100 ist gegeben durch
dG = (N&sub1; λ/2) + (N&sub2; λ/2nM)
dG = N&sub1; P&sub2; + N&sub2; P&sub2;.
Die Verringerung der Amplitude der Sinuskurve A mit kurzer Periode ist ausschließlich eine Folge der lateralen Rauheit lF Fig. 5a zeigt, daß lF nach einer Zeit t = 2000 s praktisch lC erreicht (das heißt, eine Amplitude 0 mit dem Beitrag (lC - lF) AL ²). Bei einer Vergleichsprobe, an der eine solche Ätzung durchgeführt wird, beträgt die unter dem Rasterelektronenmikroskop gemessene Rauheit
lF 20 um,
woraus geschlossen werden kann, daß der Wert der Kohärenzlänge lC des erfindungsgemäßen optischen Systems lC = 20 um beträgt.
Zu jedem Zeitpunkt t kann somit die laterale Abmessung lF der Ätzkanten anhand der Kurven in Fig. 5a abgeleitet werden. Der Wert lF - lC ist nämlich proportional zum Amplitudenunterschied zwischen der Kurve B und der Kurve C. Dies kann ausgedrückt werden als:
lF - lC = K·ΔA
Die Proportionalitätskonstante K wird durch die Aufstellung eines Modells bestimmt, wobei berücksichtigt wird, daß beim maximalen Amplitudenunterschied ΔA die Abmessung lF minimal oder null ist (lF 0).
Schließlich kann die Rauheit dR am Boden der Rille nach Ätzung für einen Zeitpunkt t durch Aufstellung eines Modells für die Abnahme der minimalen Intensität in der Kurve B (untere Hüllkurve) bestimmt werden, wobei in diesem Modell berücksichtigt wird, daß die Rauheit durch eine Schicht mit einer effektiven Brechzahl simuliert werden kann, die zwischen der der Luft und der des Substrates liegt. Ein solches Modell kann aufgestellt werden, indem die Dicke der Rauheit dR eines oder mehrerer Bezugsproben gemessen wird. Diese Messung kann mit Hilfe spektroskopischer Ellipsometrie durchgeführt werden, ein Verfahren, das aus den Patentmeldungen EP-A-267634 und EP-A-266814 bekannt ist.
Man kann feststellen, daß die Kurve B in Fig. 5a im wesentlichen keine fallende Tendenz zeigt, was eine Folge der Tatsache ist, daß die Ätzbedingungen gut sind und lediglich am Boden der Rille eine extrem schwache Rauheit auftritt. Die Dicke der Rauheit dR am Boden der Rille wurde hier auf 10 nm geschätzt.
Fig. 5b zeigt die Kurve der an einem Gitter reflektierten Intensität, dessen Streifen aus Siliziumnitrid (Si&sub3;N&sub4;) bestehen und auf einer aus einer dünnen Galliumaluminiumarsenid-Schicht (GaAlAs) bestehenden Galliumarsenid-Oberfläche (GaAs) angebracht sind. Durch einfache Untersuchung von Einbrüchen der Steigung in der Kurve I als Funktion der Zeit kann
- das Ende der Ätzung des Si&sub3;N&sub4; und
- das Ende der Ätzung des AlGaAs in den Rillen dektektiert werden.
Die reaktive Ionenätzung der dielektrischen Schichten wurde mit Hilfe der Gase CHF&sub3; oder CF&sub4; durchgeführt und die reaktive Ionenätzung der Halbleiterverbindungen mit Hilfe der Gase Cl&sub2;, CH&sub4; und Ar.
Der Abschnitt I in der Fig. 5b entspricht ausschließlich der Ätzung des Si&sub3;N&sub4; und des AlGaAs.
Der Abschnitt II entspricht ausschließlich der Ätzung des AlGaAs und der Abschnitt III der Ätzung des AlGaAs und des GaAs.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht daher in der direkten Bestimmung in Echtzeit der 4 Parameter dG, dM, lF und dR. Das bisherige aus dem Stand der Technik bekannte herkömmliche Verfahren auf diesem Gebiet bestand in der nachträglichen Untersuchung gespaltener Abschnitte der Probe unter dem Rasterelektronenmikroskop. Abgesehen vom nicht-zerstörungsfreien und langwierigen Charakter dieses Verfahrens hatte es den Nachteil, nur den Endzustand nach Ätzung wiederzugeben, ohne Einblick in den Verlauf der Erscheinungen zu geben. Das erfindungsgemäßen Verfahren hingegen
- zeigt in Echtzeit die Entwicklungen von dG, dM, lF und dR
- ermöglicht eine rasche Erkennung der schlechteren Betriebsbedingungen (vor allem die Fälle, in denen dR und lF groß sind)
- kann durch direktes Ablesen der Entwicklung von I als Funktion der Zeit t im Falle von dM « dG ausgewertet werden
- ist an die komplexe Situation, in der das "Substrat" aus mehreren übereinanderliegenden dünnen Schichten besteht, gut angepaßt.

Claims

1. Testvorrichtung in Kombination mit einer Probe, wobei die Testvorrichtung Mittel umfaßt, um in situ die Parameter einer während eines Schrittes eines Verfahrens zur Herstellung von Halbleiteranordnungen auf der Oberfläche dieser Probe durchgeführten reaktiven Ionenätzung (RIE) zu kontrollieren, wobei diese Mittel

- eine Lichtquelle (1) mit einem Laserstrahlenbündel der Wellenlänge λ und

- Mittel zur Detektierung des Laserlichtes (D&sub0;, D&sub1;) umfassen,

- sowie die aus einem ersten Substrat (100) aus einem ersten Material bestehende Probe, auf dem eine Maskenschicht (11) aus einem zweiten Material aufgebracht ist, wobei die genannte Maskenschicht Öffnungen (12) in Form von Rillen mit einer Breite lS und einem gegenseitigen Abstand lM umfaßt, die ein optisches Gitter mit Rechteckprofil bilden, und wobei dieses Gitter sich in einem Gebiet der Oberfläche des Substrats befindet, in der sich keine Halbleiteranordnungen befinden und die im wesentlichen senkrecht von dem genannten Laserstrahlenbündel beleuchtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Breiten lS und lM einander im wesentlichen gleich und von eine größeren Abmessung als die Kohärenzlänge lC des Laserstrahlenbündels sind, um die gerichtete Reflexion des Lichtes dieses Bündels vom Gitter in Richtung der genannten Detektionsmittel zu ermöglichen.

2. Testvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontrollmittel außerdem Mittel umfassen zur Registrierung der Veränderungen der durch das Gitter gerichtet reflektierten Intensität während der gesamten Verlaufs des reaktiven Ionenätzens, Mittel zur Berechnung der Ätzparameter in Abhängigkeit von diesen Veränderungen und Mittel zur Steuerung der Ätzdauer in Abhängigkeit von diesen Parametern.

3. Testvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Laserstrahlenbündel eine Wellenlänge von 632,8 nm hat und daß die Abmessungen lS und lM der Rillen beziehungsweise der Zwischenräume des Gitters im wesentlichen gleich 40 um sind.

4. Testvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Material oder Substrat, dessen Ionenätzung kontrolliert werden soll, eine Halbleiterverbindung aus der Gruppe III-V ist und das zweite Material ein Dielektrikum ist.

5. Testvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß für das erste Material oder Substrat, dessen Ionenätzung kontrolliert werden soll, Galliumarsenid (GaAs), Galliumaluminiumarsenid (GaAlAs) oder Indiumphosphid (InP) gewählt wird, und für die Schicht, in die das Gitter geätzt wird, Siliziumdioxid (SiO&sub2;) oder Siliziumnitrid (Si&sub3;N&sub4;) gewählt wird.

6. Verfahren zur Herstellung von Halbleiteranordnungen mit mindestens einem reaktiven Ionenätzschritt unter Verwendung der Testvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Substrat (100) während dieses Ätzschrittes durch die Öffnungen in der das optische Gitter bildendenden Maskenschicht (11) geätzt wird und die Gesamtätztiefe dG im Substrat (100) kontrolliert wird, und das optische Gitter von dem Laserstrahlenbündel mit der Wellenlänge λ belichtet wird und die Veränderung der durch das Gitter zurückgeworfenen gerichtet reflektierten Intensität registriert wird, wobei die erhaltene Kurve der reflektierten Intensität aus einer ersten periodischen Kurve (A) mit abnehmender Amplitude mit kurzer Periode T&sub1; und aus zwei periodischen Hüllkurven (B, C) dieser ersten Kurve besteht, wobei die Hüllkurve der Maxima oder obere Hüllkurve eine periodische Kurve mit abnehmender Amplitude mit langer Periode T&sub2; ist und die Hüllkurve der Minima oder untere Hüllkurve ebenfalls eine periodische Kurve mit langer Periode T&sub2; ist, wobei die Gesamtätztiefe dG im Substrat (100) gegeben ist durch die Beziehung

dG = N&sub1;·P&sub1; + N&sub2;·P&sub2; zwischen einem Zeitpunkt t&sub0; und einem Zeitpunkt t&sub1;, wobei N&sub1; die Anzahl der kurzen Perioden zwischen t&sub0; und t&sub1; ist,

P&sub1; = Ψ/2n&sub0; ist,

n&sub0; die Brechzahl von Luft ist

und wobei N&sub2; die Anzahl der langen Perioden T&sub2; zwischen t&sub0; und t&sub1; ist,

P&sub2; = Ψ/²nM ist und

nM der Index der das Gitter bildenden Schicht (11) ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurve der reflektierten Intensität ebenfalls die folgenden Parameter liefert:

- die laterale Abmessung lf der Ätzkanten, gegeben durch lF-lC = K mal Amplitudenunterschied zwischen den beiden Hüllkurven zu einem Zeitpunkt t, wobei die Konstante K durch die Aufstellung eines Modells bestimmt werden kann, das berücksichtigt, daß

lF = 0, wenn der Amplitudenunterschied maximal ist und

lF = lC, wenn der Amplitudenunterschied null ist;

- die Dicke dR der Rauheit am Boden der geätzten Rille, berechnet zu einem Zeitpunkt t und ausgehend von der Aufstellung eines Modells für die Abnahme der minimalen Intensität der unteren Hüllkurve, wobei in diesem Modell berücksichtigt wird, daß die Rauheit durch eine Schicht mit einer effektiven Brechzahl, die zwischen der der Luft und der des Substrates liegt, simuliert werden kann.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der lateralen Abmessung lF der Ätzkanten zu einem gegebenen Zeitpunkt t anhand der Kurven dieses Verfahren eine Kalibrierung einschließt, bei der unter einem Rasterelektronenmikroskop die laterale Abmessung lF der Kanten einer unter den Bedingungen lF = lC verwirklichten Bezugsprobe gemessen wird, wodurch lC, eine Konstante des Laserstrahlenbündels, ermittelt werden kann.

9. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß es die Aufstellung eines Modells für die Bestimmung der Dicke dR der Rauheit am Boden der geätzten Rille umfaßt, indem mit Hilfe spektroskopischer Ellipsometrie bei einer Bezugsprobe die Dicke dR der Rauheit gemessen wird.