DE10338019A1

DE10338019A1 - Verfahren zum hochaufgelösten Bearbeiten dünner Schichten mit Elektronenstrahlen

Info

Publication number: DE10338019A1
Application number: DE10338019A
Authority: DE
Inventors: Hans W.P. Dr. Koops; Klaus Dr. Edinger; Sergey Dr. Castro Valley Babin
Original assignee: Nawotec GmbH
Current assignee: Nawotec GmbH
Priority date: 2003-08-19
Filing date: 2003-08-19
Publication date: 2005-03-24
Also published as: TWI257673B; EP1664924B8; KR20070033307A; EP1664924A2; EP1664924B1; WO2005017949A2; WO2005017949A3; CN1839349A; ATE556355T1; KR101285450B1; JP2007503009A; TW200518229A; CN1839349B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ätzen einer Chromschicht in einer Vakuumkammer mit den Verfahrensschritten des Einleitens eienr Halogen-Verbindung in die Vakuumkammer, des Richtens eines Elektronenstrahls auf den zu ätzenden Bereich der Chromschicht und des Einleitens einer sauerstoffhaltigen Verbindung in die Vakuumkammer.
Gemäß eines weiteren Aspekts betrifft die vorliegende Erfindung ein weiteres Verfahren zum hochaufgelösten Abtrag einer Schicht aus einem Metall und/oder einem Metalloxid, die auf einem Isolator oder einem thermisch schlecht leitendem Substrat angebracht sind, aufweisend die Verfahrensschritte des Anordnens der Schicht in einer Vakuumkammer, des Beschusses der Schicht mit einem fokussierten Elektronenstrahl einer Energie von 3-30 keV, wobei der Elektronenstrahl so geführt wird, dass der Energieeintrag pro Zeit und Fläche zur einer lokalen Erwärmung der Schicht über ihren Schmelz- und/oder Verdampfungspunkt führt und wobei der Abtrag der Schicht ohne die Zufuhr von Reaktionsgasen in die Vakuumkammer erfolgt.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zum hochaufgelösten Bearbeiten dünner Schichten mit Elektronenstrahlen, insbesondere von Schichten in einer Maske für die Photolithographie oder in einem Halbleiterbauelement.

Halbleiterbauelemente wie Prozessoren oder Speicherchips werden photolithographisch hergestellt. Dabei wird eine Photoresist-Schicht auf einem Wafer aus Halbleitermaterial durch eine Maske hindurch belichtet, um gleichzeitig eine Vielzahl mikroskopisch kleiner Strukturen zu erzeugen, aus denen in weiteren Verfahrensschritten die elektronischen Komponenten des Bauteils (Transistoren, Kondensatoren etc.) gefertigt werden. Um die immer höheren Integrationsdichten in einem Halbleiterbauelement zu erzielen, wird inzwischen ultraviolettes Licht mit kurzen Wellenlängen für die Belichtung verwendet. Die Herstellung geeigneter Masken für dieses Lithographieverfahren ist extrem teuer.

Stellt sich nachträglich heraus, dass eine Maske Fehler aufweist, ist es daher wünschenswert, wenn die Maske repariert werden kann. In diesen Zusammenhang ist es erforderlich Metallschichten, beispielsweise Chromschichten, die die lichtundurchlässigen Bereiche der Maske bilden, mit hoher räumlicher Auflösung gezielt zu entfernen oder aufzubringen. Ein ähnliches Problem stellt sich, wenn ein bereits fertiges Halbleiterbauelement verändert werden soll (sogenanntes "Circuit Editing"), indem hochaufgelöst die Struktur der Leiterbahnen des Bauteils modifi ziert wird. Die zu bearbeitenden Metallschichten befinden sich dabei häufig in einen Verbund Metall/Metalloxid/Isolator.

Ein aus dem Stand der Technik bekanntes Verfahren ist die Bearbeitung mit einem fokussierten Ionenstrahl. Dabei werden jedoch unvermeidlich Ionen im Substrat, beispielsweise dem Quarzsubstrat einer Maske zur Photolithographie, implantiert, das dadurch seine Eigenschaften verändert. Dieser Nachteil der Ionenstrahl-Technologie wird bei der Verwendung von Elektronenstrahlen vermieden.

Grundsätzlich ist auch die Bearbeitung von Metallen durch Elektronenstrahlen hoher Energie bekannt, beispielsweise zum Schweißen. Wird jedoch die vom Elektronenstrahl erfasste Fläche im Durchmesser kleiner als 2μ ist die wärmeableitende Oberfläche des erwärmten Materials viel größer als die wärmeeintragende Strahlfläche, so dass bisher im Stand der Technik davon ausgegangen wird, dass zumindest Metalle wegen ihrer guten Wärmeleitfähigkeit mit Elektronenstrahlen alleine nicht mit einer Auflösung bearbeitet werden können, die für die oben erläuterten Aufgaben erforderlich ist.

Ein anderes Verfahren ist das sogenannte elektronenstrahlinduzierte Ätzen (engl. electron beam induced etching, kurz EBIE). Dabei ist seit langem bekannt, dass XeF₂ als spontanes und aktivierbares Ätzmittel zur elektronenstrahlinduzierten Ätzung von Metallen und Metalloxiden, hier des Siliziums, eingesetzt werden kann.Der Elektronenstrahl zerlegt dabei gezielt die Moleküle des Ätzgases und ermöglicht dadurch ein räumlich aufgelöstes Ätzen.

Beispielsweise ist es aus dem Artikel "Etching characteristics of chromium thin films by an electron beam induced surface reaction" von P.E. Russel et al. (Semicond. Sci. Technol. 18 (2003) S. 199–205) bekannt, dünne Chromschichten einer Maske durch das EBIE-Verfahren in Anwesenheit von XeF₂ zu ätzen.

Die Veröffentlichung von Russel et al. lehrt dabei XeF₂ und hohe Elektronenenergien von 5–20 keV sowie vergleichsweise hohe Elektronenströme von 1,6 nA zu verwenden, um hohe Abtragsraten zu erzielen. Es wird jedoch berichtet, dass die hohen Elektronenenergien zu einem Verlust an räumlicher Auflösung beim Ätzen der Chromschicht führen. Darüber hinaus kann mit dem von Russel et al. offenbarten Verfahren nicht jede Art Cr-Schicht geätzt werden. Beispielsweise ist es nicht gelungen einen auf eine Silizium-Unterlage gesputterten Cr-Film zu ätzen. Statt dessen wurde der Misserfolg damit erklärt, dass metallische Verunreinigungen in der aufgebrachten Chromschicht den Ätzvorgang verhindern.

Bei der Diskussion der Messergebnisse lehren Russel et al., dass der die Ätzrate bestimmende oberflächenchemische Prozess die Desorption von CrO₂F₂ oder – als alternativem Reaktionsprodukt – CrOF₂ von der Oberfläche der Chromschicht ist (vgl. S. 204, Mitte linke Spalte). Sauerstoff hingegen, der im Restgas der Vakuumkammer immer in geringem Ausmaß vorhanden ist, wird von Russel et al. nicht als relevanter Faktor für die erzielte Ätzrate betrachtet.

Schließlich reicht es für die Reparatur von Masken und das erwähnte Circuit Editing nicht aus nur Metall/Metalloxid/Isolatorschichten gezielt zu entfernen. Auch die gezielte Deposition einer Metallschicht ist dazu erforderlich. Erst dann ist eine einfache und zuverlässige Reparatur oder Modifikation von Photolithographiemasken und anderen Metall/Metalloxid/Isolator-schichtsystemen möglich.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit gemäß einem ersten Aspekt das Problem zugrunde, Verfahren bereitzustellen, mit dem Metall- und/oder Metalloxid schichten, beispielsweise Cr/CrO-Schichten jeglicher Art, unabhängig von der Unterlage hochaufgelöst und mit hoher Rate und Kantenschärfe geätzt werden können.

Gemäß einem weiteren Aspekt liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zugrunde ein Verfahren bereitzustellen, mit dem Metallschichten hochaufgelöst auf einem Substrat abgeschieden werden können.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Ätzen einer Metallschicht bereitgestellt, insbesondere einer Chromschicht, in einer Vakuumkammer mit den Verfahrensschritten des Einleitens einer Halogen-Verbindung in die Vakuumkammer, des Richtens eines Elektronenstrahls auf den zu ätzenden Bereich der Chromschicht und des zusätzlichen Einleitens einer sauerstoffhaltigen Verbindung.

Insbesondere die zusätzliche Bereitstellung einer sauerstoffhaltigen Verbindung ermöglicht bereits bei niedrigen Elektronenenergien hohe Abtragsraten der Metallschicht zu erzielen und die im Stand der Technik beschriebene Verschlechterung der Auflösung zu verhindern. Darüber hinaus wurde beobachtet, dass sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch gesputterte und aufgedampfte Cr-Schichten ätzen lassen. Zur Initialisierung der Ätzreaktion wird ausschließlich der fokussierte Elektronenstrahl verwendet. Andere energieübertragende Mechanismen wie zum Beispiel Probenheizung oder Laserstrahlung kommen nicht zum Einsatz.

Die genauen Dosierungsverhältnisse der Halogenverbindung und der sauerstoffhaltigen Verbindung hängen maßgeblich von der Geometrie der Vakuumkammer, der Pumpleistung der verwendeten Vakuumpumpen sowie der geometrischem Anordnung der Gasdüsen ab. Im allgemeinen sollte der Gasfluss der Halogenver bindung so eingestellt werden, das der Partialdruck gemessen in der Kammer im Bereich 10^–5 bis 10^–3 mbar liegt. Durch die Anordnung der Gasdüsen nahe am Substrat, entspricht dies einem lokalen Gasdruck am Ort der Reparatur von etwa 10^–4 bis 10^–1 mbar. Das Verhältnis der so definierten lokalen Partialdrücke von Halogen zu sauerstoffhaltiger Verbindung sollte im Bereich von 1000:1 bis 1:2, besonders bevorzugt zwischen 100:1 und 1:1 und am meisten bevorzugt im wesentlichen bei 10:1 liegen.

Hierbei ist zu beachten, dass auch bei geringer Dosierung der sauerstoffhaltigen Verbindung deren lokaler Partialdruck am Ort der Reparatur noch oberhalb des entsprechenden typischen Kammerhintergrunddruckes liegt, der herrschen würde wenn keine sauerstoffhaltige Verbindung zugegeben würde. Bezüglich der Abfolge der Dosierung können die Halogen-Verbindung und die sauerstoffhaltige Verbindung entweder nacheinander oder im wesentlichen gleichzeitig in die Vakuumkammer eingeleitet werden.

Vorzugsweise werden O₂, H₂O, oder H₂O₂ oder Mischungen daraus als sauerstoffhaltige Verbindung verwendet. Die Halogen-Verbindung weist vorzugsweise Fluor auf.

Wie bereits erwähnt ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren die Verwendung geringerer Elektronenstrahlenergien und geringerer Stromstärken. Bevorzugt weist der Elektronenstrahl eine Stromstärke von < 400 pA und besonders bevorzugt von < 100 pA auf. Vorzugsweise hat der Elektronenstrahl eine Energie von < 5 keV, am meisten bevorzugt von im wesentlichen 1 keV. Bevorzugt hat der Elektronenstrahl eine Stromdichte über 1 A/cm², am besten > 200 A/cm², was sich auch bei 1 kV Elektronenenergie gut mit der LEO Gemini Linse der Firma LEO Elektronenmikroskopie, GmbH und durch die Verwendung einer kalten oder thermischen Feldelektronenquelle erzielen lässt.

Gemäß eines weiteren Aspekts betrifft die vorliegende Erfindung ein weiteres Verfahren zum hochaufgelösten Abtrag einer Schicht aus einem Metall und/oder einem Metalloxid, die auf einem Isolator oder einem thermisch schlecht leitendem Substrat angebracht sind, aufweisend die Verfahrensschritte des Anordnens der Schicht in einer Vakuumkammer, des Beschusses der Schicht mit einem fokussierten Elektronenstrahls einer Energie von 3–30 keV, wobei der Elektronenstrahl so geführt wird, dass der Energieeintrag pro Zeit und Fläche zur einer lokalen Erwärmung der Schicht über ihren Schmelz- und/oder Verdampfungspunkt führt und wobei der Abtrag der Schicht ohne die Zufuhr von Reaktionsgasen in die Vakuumkammer erfolgt.

Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass mit fokussierten Elektronen im angegebenen Energiebereich entgegen der im Stand der Technik vertretenen Auffassung die genannten Schichten, einschließlich von Metallschichten wie z.B. Chrom, mit guter Wärmeleitfähigkeit abgetragen, d.h. verdampft werden können. Da auf die bisher üblichen zusätzlichen Reaktionsgase verzichtet werden kann, lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren einfacher und mit geringerem Kostenaufwand durchführen.

Der Elektronenstrahl wird bevorzugt zeitlich gepulst, wobei die Dosis des gepulsten Elektronenstrahls vorzugsweise lokal variiert wird, um das Ausmaß des Abtrags lokal zu verändern. Damit lässt sich der Materialabtrag einer beliebigen Form eines Defektes, beispielsweise einer Photolithographiemaske anpassen.

Bevorzugt weist der Elektronenstrahl bei diesem Verfahren eine Stromstärke von 0,1 nA bis 1 μA auf und vorzugsweise eine Energie zwischen 5 keV und 25 keV, besonders bevorzugt von im wesentlichen 10 keV.

Der Elektronenstrahl hat vorzugsweise einen Durchmesser von 0,1 μm bis 0,5 μm und ermöglicht damit die Bearbeitung üblicher Strukturen einer Photolithographiemaske oder eines Halbleiterbauelements.

Des weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur hochaufgelösten Herstellung einer Metallschicht und/oder einer Metalloxidschicht und/oder eines Isolators, mit den Schritten des Anordnens eines Substrats in einer Vakuumkammer, des Einlassens zumindest eines anorganischen, organischen oder metallorganischen Precursors in die Vakuumkammer, des Abscheiden des Precursors auf dem Substrat und des selektiven Bestrahlens des Substrats mit einem Elektronenstrahl zur Herstellung einer leitenden Metallschicht aus dem abgeschiedenen Precursor und/oder dem selektiven Bestrahlen des Substrats mit einem Elektronenstrahl zur Herstellung einer nichtleitenden Isolatorschicht aus dem abgeschiedenen anorganischen oder organischen Precursor.

In einem ersten Ausführungsbeispiel enthält der metallorganische Precursor vorzugsweise Atome eines niederohmigen Metalls, um mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hochqualitative Leitungsverbindungen herstellen zu können.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel enthält der anorganische oder organische Precursor Molekülbaugruppen von Isolatoren, um mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hochqualitative Isolatoren herstellen zu können.
Das selektive Bestrahlen des Substrats führt bevorzugt zu einer lokalen Erwärmung zwischen 50°C und 100°C, besonderes bevorzugt zwischen 70°C und 80°C, die die organischen Bestandteile der Zerfallsprodukte des Precursors und ungewünschten Reaktionsprodukte vom Substrat desorbieren lässt.
Dass durch globale Temperaturerhöhung des Substrates der Effekt der Verbesserung des Widerstandes erreicht werden kann, ist Stand der Technik (H.W.P. Koops, C. Schössler, A. Kaya, M. Weber, "Conductive dots, wires and supertips for field electron emitters produced by electron-beam induced deposition on samples having increased temperature" J. Vac. Sci. Technol. B14(6) (1996) 4105).
Das hier angegebene Verfahren erspart den teueren Heiztisch und, viel wichtiger, die damit verbundenen Driften und Instabilitäten des Prozesses und des Gerätes.
Dieses Verfahren kann auch mit Vorteil eingesetzt werden, um die chemische Reaktion des Metall-Ätzens oder der Deposition von Isolatoren hoher Güte durch lokale Temperaturerhöhung zu kontrollieren und zu beschleunigen (Temperaturbereich Raumtemperatur bis 150°C), oder auch zu verzögern, indem die Kondensation des Precursors durch Temperaturen nahe oder über 350°C stark verringert wird.
Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung gemäß eines weiteren Aspekts ein Verfahren zum Bearbeiten einer photolithographischen Maske oder der Leiterbahnen eines Halbleiterbauelements, aufweisend den Schritt des hochaufgelösten Entfernens einer Metall- und/oder Metalloxid- und/oder einer Isolatorschicht mit einem der oben angegebenen Verfahren, den Schritt des Aufbringens einer neuen Metallschicht mit dem gerade erläuterten Verfahren und dem optionalen oder alternativen Schritt des zusätzlichen Aufbringens einer neuen Isolatorschicht mit dem gerade erläuterten Verfahren.
Die Verbindung der erfindungsgemäßen Verfahren zum hochaufgelösten Entfernen von unerwünschten Schichten mit dem erfindungsgemäßen hochaufgelösten Deponieren einer leitenden Metallschicht und/oder einer Isolatorschicht ermöglicht, die unterschiedlichsten Defekte einer Photolithographiemaske zu beseitigen. Bei einem Halbleiterbauelement wird damit das Circuit Editing möglich, d.h. die gezielte Veränderung der mikroskopisch kleinen elektrischen Strukturen, indem Leiterbahnen des Bauteils nachträglich gezielt durchtrennt oder miteinander verbunden werden.
Weitere Unteransprüche sind auf weitere vorteilhafte Ergänzungen der vorliegenden Erfindung gerichtet.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
In der folgenden detaillierten Beschreibung werden derzeit bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben, wobei
1 eine schematische Darstellung zur Durchführung des Verfahrens gemäß eines ersten Aspekts der Erfindung zeigt, wobei ein in einer Vakuumkammer befindliches Werkstück mit einem fokussierten Elektronenstrahl bearbeitet werden kann und durch mindestens zwei Gaszufuhrdüsen verschiedene Reagenzien zur Reaktion mit dem auf der Probe vorgelegten Material zugeführt werden;
2 eine schematische Darstellung zur Durchführung des Verfahrens gemäß eines zweiten Aspekts der Erfindung zeigt, wobei ein in einer Vakuumkammer befindliches Werkstück ausschließlich durch Beschuss mit einem fokussierten Elektronenstrahl bearbeitet wird;
3 eine schematische Darstellung zur Durchführung des Verfahrens zur hochaufgelösten Deposition einer Metallschicht und/oder einer Isolatorschicht gemäß eines weiteren Aspekts der Erfindung zeigt; und
4a–c schematisch die Abfolge von Schritten bei der Reparatur in einer Metallschicht, beispielsweise einer photolithographischen Maske, zeigt, wobei zunächst Schichtmaterial entfernt wird und nachfolgend neues Metall und/oder Isolatormaterial gezielt im Defektbereich deponiert wird Dies wird insbesondere bei EUV Masken sowie bei Nano-Imprint Masken bzw. Stempeln des Prozesses „Step and Flash Imprint Lithography (S-FIL)", als auch bei anderen Imprint-Masken verwendet.
Detaillierte Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen
Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Verfahren erläutert. Es versteht sich jedoch, dass es sich bei den im folgenden angegebenen Parametern nur um bevorzugte Werte handelt, so dass auch Abweichungen davon zum erfindungsgemäßen Erfolg führen können.
Zunächst wird das Verfahren gemäß des ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung anhand des Ätzens einer Chromschicht beschrieben. Das Verfahren kann aber auch genauso vorteilhaft auf alle anderen Metalle angewandt werden, die beispielsweise als Leiterbahnen in Halbleiterbauelementen zum Einsatz kommen, wie Kupfer oder Aluminium, sofern deren chemisches Verhalten die Bildung von Metall-Sauerstoff-Halogen-Verbindungen erlaubt.
Wie in 1 schematisch dargestellt, wird in einer Vakuumkammer 1, beispielsweise eines für die Durchführung des Verfahrens angepassten Elektronenstrahlgerätes, z.B. eines Elektronenmikroskops, eine zu ätzende Chromschicht 2 angeordnet. Das Vakuum sollte dabei zumindest so gut sein, dass die freie Weglänge der Elektronen bis zur Probe reicht. Hochvakuumbedingungen (< 10^–6 mbar) sind jedoch nicht erforderlich. Bei der Chromschicht 2 kann es sich um eine Maske für die Photolithographie handeln, aber auch um sonstige Chromschichten, beispielsweise eines Halbleiterbauelements.
Die Chromschicht 2 ist üblicherweise mit einem natürlich gebildeten Oxid, oder im Fall der Photomaske mit einer ca. 40 nm dicken CrO-Schicht 3 bedeckt, die neben Sauerstoff auch Stickstoff enthalten kann. Masken für die Photolithographie weisen üblicherweise eine Schicht Chromoxynitrid als reflexionsvermindernde Schicht (Antireflection coating) auf. Die Chromschicht 2 selbst enthält üblicherweise geringe Verunreinigungen von Kohlenstoff und ggf. Metalle in geringen Konzentrationen. Die genaue Zusammensetzung kann mit bekannten Verfahren zu Oberflächenanalyse wie Auger-Elektronenspektroskopie (AES) oder Photoelektronenspektroskopie (XPS) bestimmt werden.
Mit dem aus dem Stand der Technik bekannten EBIE-Verfahren lässt sich in Anwesenheit von XeF₂ mit dem niederenergetischen Elektronenstrahl von hier 1 keV Energie die obere CrO bzw. CrO_xN_x-Schicht 3 ätzen. Allerdings konnte die darunter liegende Cr-Schicht 2 bisher nur mit höheren Elektronenenergien geätzt werden. Dabei ist jedoch zu vermuten, dass der wesentliche Abtragsprozess für das Chrom im Stand der Technik ein thermisches Verdampfen ist aufgrund der starken lokalen Aufheizung durch den hochenergetischen Elektronenstrahl 6. Dies wird aber nicht im Stand der Technik von Russel et al. gelehrt.
In dem in 1 schematisch dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird daher zusätzlich zum Ätzgas XeF₂ eine sauerstoffhaltige Verbindung in die Kammer 1 gelassen. Neben XeF₂ kommen auch andere Halogen-Verbindungen in Betracht, beispielsweise Cl₂, Br₂ und I₂. Die sauerstoffhaltige Verbindung ist bevorzugt molekularer Sauerstoff (O₂), Wasser (H₂O) oder Wasserstoffperoxid (H₂O₂). Andere Sauerstoff abgebende Verbindungen sind ebenfalls denkbar.
Sowohl das XeF₂ als auch die sauerstoffhaltige Verbindung werden über geeignete Dosierventile und entsprechende Düsen 4 bzw. 5 auf den zu ätzenden Bereich der Chromschicht aufgebracht. Besonders vorteilhaft gestaltet sich der Ätzvorgang, wenn die sauerstoffhaltige Verbindung so dosiert wird, dass der Sauerstoff und das Halogen im Verhältnis 1:100 bis 1:10 vorliegen. Dies lässt sich über die Dosierventile und die Druckeinstellung vor den den Durchfluss bestimmenden Düsen und deren Geometrie, gegebenenfalls unter Hinzuziehung eines massenspektrographischen Restgasanalysators, problemlos einstellen. Noch geringere Dosierungen der sauerstoffhaltigen Verbindungen im Bereich < 1:100 können zu einer weiteren Steigerung der Ätzraten führen.
Dabei kann die Dosierung der sauerstoffhaltigen Verbindung entweder gleichzeitig zum eigentlichen Ätzvorgang stattfinden oder es wird zunächst die CrO_xN_x-Schicht geätzt, die darunter liegende Cr-Schicht an ihrer Oberfläche durch die sauerstoffhaltige Verbindung in der Vakuumkammer 1 oxidiert, woraufhin sich ein erneutes Ätzen anschließt, etc. In jedem Fall wird durch die Zugabe der sauerstoffhaltigen Verbindung sichergestellt, dass für die Bildung der von der Oberfläche desorbierenden Reaktionsprodukte CrO₂F₂ und CrOF₂ hinreichend Sauerstoff angeboten wird. Damit lässt sich beispielsweise die Chromschicht einer photolithographischen Maske bis zum Substrat durchätzen.
Um die Ätzung zu erreichen ist es erforderlich, beide Ätzgase mit Partialdrücken gemessen in der Kammer welche mindestens 10 fach oder bis über 150 fach über dem Kammerhintergrundsdruck von typischerweise 10^–6 mb liegen, zuzuführen. Besonders ist darauf zu achten, dass durch die Gaszufuhren am Ort der Maskenbearbeitung ein lokaler Halogengasdruck im Bereich von 10^–5 mbar bis 10^–1 mbar und ein lokaler Sauerstoff Gasdruck im Bereich von 10^–7 mbar bis 10^–1 mbar vorliegt, was durch besondere Kammer-Gasdrosselung oder geringen Abstand der Düsen vom Objekt erreicht werden kann.
Zusätzlich zu der Balancierung der an der Reaktion beteiligten chemischen Stoffe wird der Bereitstellung der Medien aus der gasversorgenden Düse dadurch Rechnung getragen, dass die zu ätzende Schicht in mehreren wiederholten Schritten mit Elektronen beschossen wird, jedoch Zeitspannen ("Refreshtime") eingehalten werden, bis der Strahl wieder an vorher bearbeitete Stellen zurückkehrt, um die Vervollständigung der Bedeckung der Oberfläche mit neuen, zur Reaktion benötigten Molekülen aus der Gasversorgung zu gewährleisten. Der Strahl wird dabei entweder ausgeschaltet oder es werden zwischenzeitlich andere Stellen bearbeitet, bis die Rückkehr an die zunächst bearbeitete Stelle erforderlich ist. Die Verweilzeit des Strahls an einem Punkt (sog. „pixel dwell time") sollte dabei unterhalb von 10^–3 Sekunden und bevorzugt unterhalb von 10^–5 Sekunden liegen.
Anders als mit dem bisher bekannten Verfahren lassen sich durch die Zugabe des Sauerstoffs Chromschichten bereits bei niedrigen Elektronenenergien ätzen. Bevorzugte Werte liegen unterhalb von 5 keV, vorzugsweise bei etwa 1 keV. Auch die Stromstärken können reduziert werden, so dass typische Werte unterhalb von 400 pA liegen und besonders bevorzugte Werte unterhalb von 100 pA. Lokale Aufheizungen der Chromschicht 2 und der damit verbundene Verlust an räumlicher Auflösung beim Ätzprozess sind bei diesen Werten nicht zu befürchten. Auch bleibt die Kondensation der Reaktions-Moleküle auf der Oberfläche hoch, was bei einer erhöhten Temperatur nicht der Fall ist.
Der zu ätzende Bereich wird durch den Elektronenstrahl bestimmt, der mit bekannten Verfahren (beispielsweise der Strahl-Steuerung eines Raster-Elektronenmikroskops) über die Chromschicht gerastert werden kann. Thermische Effekte spielen, wenn überhaupt, nur noch eine untergeordnete Rolle. Im Ergebnis können daher mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Chromschichten mit hohen Raten und hoher Auflösung geätzt werden, um die Struktur einer photolithographischen Maske zu verändern.
Das Verfahren kann auch mit sehr niederenergetischen Elektronen z.B. aus einem Raster-Tunnel-Mikroskop oder einer anderen Niederenergie-Elektronenquelle angewandt werden, da zur Einleitung der chemischen Reaktion der Oxidation oder Fluorierung des Oxides nur Energien > 2 eV erforderlich sind.
2 zeigt schematisch die Durchführung eines weiteren Verfahrens zum gezielten Entfernen von Material. Dabei wird die zu bearbeitende Oberfläche ohne Zugabe eines Reaktionsgases mit einem fokussierten Elektronenstrahl mit einer Energie von vorzugsweise etwa 10 keV beschossen. Die Stromstärken des Elektronenstrahls liegen bevorzugt zwischen 0,1 nA und 1 μA. Es lassen sich dadurch gezielt Löcher in einer Chromoxid-Chromoxynitrid-Schicht und der darunter liegenden Chromschicht einer Photolithographiemaske erzeugen, wobei dies dadurch erklärt wird, dass das Material durch den hochenergetischen Elektronenstrahl thermisch verdampft wird. Der Strahldurchmesser liegt dabei bevorzugt zwischen 0,1 μm und 0,5 μm.
Der erzielte Materialabtrag wird durch die Stromstärke, die Energie des Elektronenstrahls, seine Pulslänge, sowie durch die Wärmeleitung der zu bearbeitenden Schicht bestimmt. Durch eine geeignete Verteilung der vom Elektronenstrahl aufgebrachten Dosisleistung kann darüber hinaus der Abtrag an die Geometrie eines zu bearbeitenden Defekts einer Maske oder eines Halbleiterbauelements angepasst werden.
Das Verfahren ist auch mit Vorteil beim Abändern von Schaltkreisen (Circuit Editing) einzusetzen, wo in der Tiefe eines Bauteils Metall-Leiterbahnen abgetrennt oder wieder verbunden werden sollen. Der Elektronenstrahl gelangt dabei vorteilhaft durch dieselbe Öffnung in die Tiefe, die vorher durch Verdampfen oder chemische Ätzung mit Elektronenstrahlunterstützung geöffnet worden ist. Schließlich kann dieses Verfahren auch bei der Reparatur beliebiger Metallschichten auf thermisch schlechtleitenden Substraten wie z.B. in einer Next Generation Lithography NGL Maske für Deep UV, Extreme UV (EUV), etc. angewandt werden, die höchste Anforderungen an die räumliche Auflösung stellen.
3 erläutert einen weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung. Mit diesem Verfahren ist es möglich Metallschichten mit hoher räumlicher Auflösung zu deponieren. Dazu wird zunächst in einer Vakuumkammer über eine Düse 10 zumindest ein Precusorgas 12 eingelassen. Dazu eignen sich insbesondere metallorganische Verbindungen wie z.B. Cyclopentadienylplatindimethyl, die sich aus der Gasphase auf dem Substrat abscheiden. Wird dieses Kondensat nachfolgend selektiv einem Elektronenstrahl ausgesetzt, desorbieren die organischen Bestandteile und die verbleibenden Metallatome bilden eine leitfähige Metallschicht, die zur Reparatur von Defekten einer Maske oder eines Halbleiterbauelements eingesetzt werden können. Der Elektronenstrahl, der bei diesem Verfahren bevorzugt eine Energie von 1 keV–0 keV und eine Stromstärke im Bereich von 1 pA bis 100 nA aufweist, erwärmt dabei die Probe nicht. Dies gilt bis zu Strömen unter 1 nA. Die Verbesserung zum Stand der Technik wird nun dadurch erreicht, dass durch geeignete Wahl der Stromstärke und der Elektronenergie, sowie der Fokussierung lokal aufgelöst das Substrat auf Temperaturen zwischen 50°C und 100°C, vorzugsweise etwa 80°C erwärmt wird, wodurch die lokale Desorption der organischen Bestandteile des Precursors erreicht wird. Damit lassen sich reinere Substanzen mit geringerer Verunreinigung herstellen, was für die Herstellung gut leitfähiger Materialien, als auch hochisolierender Materialien von Bedeutung ist. Diese können z.B. aus TEOS (Tetra Ethyl Ortho Siloxan) oder anderen Silanen mittels der EBID (electron beam induced deposition) abgeschieden werden. Die lokale Substratheizung und thermische Reaktionsführung lässt dabei reinere Oxi de entstehen. Beide werden beim Circuit Editing benötigt. Die genaue Temperatur, die auch außerhalb des angegebenen Bereichs liegen kann, hängt von den jeweils zu desorbierenden organischen Bestandteilen der Precursorsubstanzen 12 ab und der Stärke ihrer Bindung an das Substrat. Dieses Verfahren verfolgt nicht den Gedanken, die in der aktivierten Reaktion erzeugten Reaktionsprodukte aus Unterlagenmaterial und adsorbiertem Precursor mit Hilfe der Wärmezufuhr aus einem breit verteilten Elektronenstrahl mit hohem Strom von der Oberfläche abzutreiben und ihre Verdampfung zu erreichen, da sie sonst auf der Oberfläche verbleiben würden, siehe Chromylchlorid-Verdampfung oberhalb 250 °C.
Das Verfahren erspart eine aufwendige und mechanisch instabile Heiztischanordnung für die Erwärmung des ganzen Substrats, und erlaubt, ggf. mit Hilfe rechnerischer Vorhersage der Erwärmung, eine genaue Reaktionstemperaturführung (Programm "Temptation" der Fa. Soft Services, Castro Valley, CA, USA).
Verbindet man die oben erläuterten Verfahren, lassen sich Defekte 21 einer Maske oder einer Leiterbahn 20 eines Halbleiterbauelements, wie schematisch in 4a dargestellt, mit Hilfe eines fokussierten Elektronenstrahls ohne weiteres reparieren.
Dazu wird zunächst durch gezieltes Ätzen mit dem oben beschriebenen Verfahren unter Verwendung einer Halogen-Verbindung und einer sauerstoffhaltigen Verbindung bei niedrigen Elektronenströmen oder durch den Beschuss mit hochenergetischen Elektronen großer Stromstärke (Hochstromprozess) Material von der Leiterbahn 20 entfernt, um den Defekt 21 in eine definierte Form 22 zu bringen. In einem weiteren Schritt (vgl. 4c.) wird daraufhin mit dem oben erläuterten Verfahren bei einem vergleichsweise niedrigen Elektronenstrom (bevorzugte Werte sind 1 pA bis 500 pA) gezielt optisch undurchlässiges, oder optisch durchlässiges bzw. elektrisch leitendes Material 23 im Bereich der überätzten Reparaturstelle 22 deponiert und dadurch die gewünschte Form der Leiterbahn 20 wieder hergestellt.
Auch die umgekehrte Reihenfolge bei der Bearbeitung eines Defektes ist denkbar, indem zunächst Material mit der erläuterten hochaufgelösten Depositionstechnik im Bereich des Defektes aufgebracht wird und nachfolgend Überstände des Materials in der erläuterten Weise weggeätzt oder durch hochenergetischen Elektronenbeschuss verdampft werden. In jedem Fall kann der gesamte Prozess in situ in einer einzigen Vakuumkammer durchgeführt werden, in die lediglich die genannten Prozessgase eingeführt und die Parameter des Elektronenstrahls in der angegebenen Weise eingestellt werden müssen.

Claims

Verfahren zum Ätzen einer Metall- und/oder einer Metalloxidschicht (2, 3) in einer Vakuumkammer (1), aufweisend folgende Verfahrensschritte: a. Einleiten einer Halogen-Verbindung (4) in die Vakuumkammer (1); b. Richten eines Elektronenstrahls (6) auf den zu ätzenden Bereich der Metallschicht (2); c. Einleiten einer sauerstoffhaltigen Verbindung (5) in die Vakuumkammer (1).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Halogen-Verbindung und die sauerstoffhaltige Verbindung so dosiert werden, dass das stöchiometrische Verhältnis von Sauerstoff zu Halogen zwischen 1:1000 und 2:1 beträgt.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Halogen-Verbindung und die sauerstoffhaltige Verbindung so dosiert werden, dass das stöchiometrische Verhältnis von Sauerstoff zu Halogen zwischen 1:100 und 1:1 beträgt.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei Halogen-Verbindung und die sauerstoffhaltige Verbindung so dosiert werden, dass das stöchiometrische Verhältnis von Sauerstoff zu Halogen im wesentlichen 1:10 beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–4, wobei die Halogen-Verbindung und die sauerstoffhaltige Verbindung nacheinander in die Vakuumkammer (1) eingeleitet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–4, wobei die Halogen-Verbindung und die sauerstoffhaltige Verbindung im wesentlichen gleichzeitig in die Vakuumkammer (1) eingeleitet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–6, wobei O₂, H₂O, oder H₂O₂ oder Mischungen daraus als sauerstoffhaltige Verbindung verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–7, wobei die Halogen-Verbindung Xenon oder ein anderes Edelgas aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–8, wobei die Halogen-Verbindung Fluor aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–9, wobei die Halogen-Verbindung XeF, XeF₂, XeF₄ aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–10, wobei der Elektronenstrahl (6) eine Stromstärke von < 400 pA aufweist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Elektronenstrahl (6) eine Stromstärke von < 100 pA aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–12, wobei der Elektronenstrahl (6) eine Energie von < 5 keV aufweist.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Elektronenstrahl (6) eine Energie von zwischen 2 eV und 2 keV aufweist.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die refresh time des Elektronenstrahls >= 1 msec beträgt
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die dwell time des Elektronenstrahls zwischen 10^–8 und 10^–3 sec beträgt.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die dwell time des Elektronenstrahls zwischen 10^–7 und 10^–5 sec beträgt.
Verfahren zum hochaufgelösten Abtrag einer Schicht (2, 3) aus einem Metall und/oder einem Metalloxid, die auf einem Isolator oder einem thermisch schlecht leitendem Substrat (7) angebracht sind, aufweisend: a. Anordnen der Schicht (2, 3) in einer Vakuumkammer (1); b. Beschuss der Schicht (2, 3) mit einem fokussierten Elektronenstrahl (6) einer Energie von 3–30 keV; c. wobei der Elektronenstrahl (6) so geführt wird, dass der Energieeintrag pro Zeit und Fläche zur einer lokalen Erwärmung der Schicht (2, 3) über ihren Schmelz- und/oder Verdampfungspunkt führt; und d. wobei der Abtrag der Schicht (2, 3) ohne die Zufuhr von Reaktionsgasen in die Vakuumkammer (1) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei der Elektronenstrahl (6) zeitlich gepulst wird.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei die Dosis des gepulsten Elektronenstrahls (6) lokal variiert wird, um das Ausmaß des Abtrags lokal zu verändern.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18–20, wobei der Elektronenstrahl (6) eine Stromstärke von 0,1 nA bis 1 μA aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18–21, wobei der Elektronenstrahl (6) eine Energie zwischen 5 keV und 25 keV aufweist.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei der Elektronenstrahl (6) eine Energie von im wesentlichen 10 keV aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18–23, wobei die Schicht (11) eine Dicke zwischen 50 nm und 100 nm aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18–24, wobei der Elektronenstrahl (6) einen Durchmesser von 0,1 μm bis 1 μm aufweist.
Verfahren zur hochaufgelösten Herstellung einer Metallschicht und/oder einer Metalloxidschicht und/oder eines Isolators, aufweisend: a. Anordnen eines Substrats (11) in einer Vakuumkammer (1); b. Einlassen zumindest eines anorganischen, organischen oder metallorganischen Precursors (12) in die Vakuumkammer (1); c. Abscheiden des Precursors (12) auf dem Substrat (11); d. Selektives Bestrahlen des Substrats (11) mit einem Elektronenstrahl (6) zur Herstellung einer leitenden Metallschicht aus dem abgeschiedenen metallorganischen Precursor (12); und/oder e. Selektives Bestrahlen des Substrats (11) mit einem Elektronenstrahl (6) zur Herstellung einer nichtleitenden Isolatorschicht aus dem abgeschiedenen anorganischen oder organischen Precursor (12).
Verfahren nach Anspruch 26, wobei der metallorganische Precursor (12) ein niederohmiges Metall umfasst.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei der anorganische oder organische Precursor (12) Molekülbaugruppen von Isolatoren umfasst.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei das selektive Bestrahlen des Substrats (11) zu einer lokalen Erwärmung auf eine Temperatur zwischen 50°C und 100°C führt, die die organischen Bestandteile des Precursors (12) vom Substrat (11) desorbieren lässt.
Verfahren nach Anspruch 29, wobei das selektive Bestrahlen des Substrats (11) zu einer lokalen Erwärmung auf eine Temperatur zwischen 70°C und 80°C führt.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei das selektive Bestrahlen des Substrats (11) zu einer lokalen Erwärmung auf eine Temperatur zwischen 100°C und 400°C führt, was die Kondensation der Precursormaterialien (12) auf dem Substrat (11) definiert reduziert und es so ermöglicht, mit dem Kernstrahl sehr feine Strukturen aus Metallen und/oder Isolatoren herzustellen.
Verfahren zum Bearbeiten einer photolithographischen Maske, aufweisend: a. Hochaufgelöstes Entfernen einer Metall- und/oder Metalloxid/Metall-Nitrid-Schicht auf einer Isolatorschicht oder einer thermisch schlecht leitenden Schicht mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1–25; und b. Aufbringen einer neuen Metallschicht mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 26, 27, 29–31; und/oder c. Aufbringen einer neuen Isolatorschicht mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 26, 28–31.
Verfahren zum Bearbeiten der Leiterbahnen eines Halbleiterbauelements, aufweisend: a. Hochaufgelöstes Entfernen einer Metall- und/oder Metalloxid/Metall-Nitrid-Schicht des Halbleiterbauelements mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1–25; und b. Aufbringen einer neuen Metallschicht mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 26, 27, 29–31; und/oder c. Aufbringen einer neuen Isolatorschicht mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 26, 28–31.
Metallschicht, insbesondere Chromschicht, bearbeitet mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1–33.
Isolatorschicht, insbesondere Siliziumoxid- oder Siliziumnitridschicht, bearbeitet mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1–33.
Photolithographiemaske aufweisend eine Metallschicht nach Anspruch 34.
Halbleiterbauelement aufweisend eine Metallschicht nach Anspruch 34.
Imprint-Lithographiemaske aufweisend eine Isolatorschicht nach Anspruch 35.
Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1–33.