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Verfahren zum Projektionskopieren von Mas-
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ken auf ein Werkstück
Die Erfindung betrifft ein
Verfahren zum Projektionskopieren von Masken auf ein Werkstück, insbesondere auf
ein Halbleitersubstrat zur Herstellung integrierter Schaltungen, wobei Maskenmuster
mittels eines Belichtungslichtes über ein Projektionsobjektiv auf einer photoempfindlichen
Schicht des Werkstückes abgebildet werden und zumindest vor der Belichtung eines
bereits einmal markierten Werkstückes Ausrichtmuster der Maske und Justiermarken
des Werk stückes relativ zueinander ausgerichtet werden, indem korrespondierende
Justiermarken und Ausrichtmuster mittels vom Werkstück reflektierten Justierlichts
ineinander abgebildet werden, wobei die Justiermarken aus der eigentlichen, im Justierlicht
dunklen Marke und dem daran angrenzenden, im Justierlicht hellen Markenumfeld bestehen.
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Bei der Herstellung von integrierten Schaltungen ist es unter anderem
notwendig, daß auf mit einer photoempfindlichen Schicht überzogene, scheibenförmige
Halbleitersubstrate Masken mit bestimmten mustern kopiert werden.
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Vor dem Kopiervorgang müssen zumindest dann, wenn das Substrat bereits
Schaltungselemente aufweist, Maske und Substrat zueinander ausgerichtet werden,
um die Abbildung an einem genau vorbestimmten Bereich durchführen zu können. Für
diesen Ausrichtvorgang bringt man auf der Maske Ausrichtmuster an, welche beispielsweise
die Form eines transparenten Fensters haben, während auf dem Halbleitersubstrat
Justiermarken ausgebildet sind. Diese Justiermarken bestehen beispielsweise aus
einer linienförmigen Kerbe in einer SiO2-Schich# des Halbleitersubstrates. Zur Bildung
eines Ausrichtkriteriums werden korrespondierende Justiermarken und Ausrichtmuster
mittels vom Werkstück reflektierten Justierlicht ineinander abgebildet.
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Für die meisten visuell-manuellen Justierverfahren ist es bekannt,
als Justierbeleuchtung polychromatisches Justierlicht zu verwenden. Die Lichtquelle
ist dann beispielsweise
eine Glühlampe oder eine Xenonlampe, sodaß
das Spektrum des Justierlichts von etwa 500 nm bis ins Infrarote reicht.
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Grundsätzlich haftet dem Justieren mit polychromatischem Licht jedoch
eine Reihe von Nachteile nach. Insbesondere deshalb, weil die Abbildungsleistung
der für das Justieren verwendeten Objektive für monochromatisches Licht besser ist,
verwendet man jedenfalls bei den meisten automatischen Justierverfahren Justierlicht
mit einem relativ schmalen Spektrum (In der Größenordnung von einigen nm) Ein solches,bekanntes
System verwendet für die Justierung die Belichtungslichtguelle, welche meist eine
Quecksilberdampflampe ist. Als Justierlicht verwendet man entweder den schmalen
Spektralbereich um 547 nm oder den Spektralbereich um 436 nm.
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Hier tritt nun ein weiteres Problem auf: Justiert man mit Justierlicht
bei 436 nm, so muß die Intensitzt von vorneherein sehr schwach sein. Dies liegt
daran, daß die photoempfindliche Schicht auf der Halbleiter scheibe bei Wellenlängen
unter 500 nm stark absorbierend bzw. empfindlich ist, jedoch durch das Justierlicht
nicht vorbelichtet werden soll. Außerdem steigt der Brechungskoeffizient n der Schicht
an, sodaß von vorneherein ein wesentlicher Justierlichtanteil an der Grenzfläche
Luft/photoempfindliche Schicht reflektiert bzw. in der photoempfindlichen Schicht
absorbiert wird und so zu einer Verschlechterung der Signalstärke des Justierungssignals
beiträgt.
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Als Ausweg bietet sich die Verwendung einer eigenen Justierlichtquelle
mit schmalem Spektrum oder der Ubergang zum Spektralbereich um 547 nm an. Abgesehen
davon, daß eine Justierlichtquelle einen gewissen konstruktiven Aufwand bedingt,
tritt bei Beschränkung auf eine ganz bestimmte Justierwellenlänge nicht selten ein
nachteiliges Phänomen auf. Dieses besteht darin, daß auf Grund von Interferenzerscheinungen
nicht
nur die eigentliche Marke, sondern auch deren Umfeld dem Betrachter dunkel erscheint
sodaß die Marke nicht mehr bzw. nicht mehr mit hinreichendem Kontrast sichtbar ist.
Die erwähnten Interferenzerscheinungen beruhen darauf, daß ein für die Herstellung
integrierter Schaltkreise verwendbares Halbleitersubstrat optisch als reflektierender
Körper aus Silizium aufgefaßt werden kann, der mit einer nur teilweise reflektierenden
Schicht aus Siliziumdioxid und lichtempfindlichem Lack bedeckt ist. Wenn auch die
Schichtdicken ein Vielfaches der Justierwellenlänge sind, kommt es doch wegen der
großen Kohärenzlänge des Justierlichtes zur Auslöschung durch Interferenz der an
der ersten und zweiten Grenzfläche reflektierten Strahlen.
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Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Projektionskopieren
von Masken insbesondere auf ein Halbleitersubstrat dahingehend zu verbessern, daß
weitgehend unabhängig von der Schichtenfolge auf dem Halbleitersubstrat ein intensitätsstarkes
und kontrastreiches Justiersignal zum Ausrichten von Maske und Halbleitersubstrat
relativ zueinander gegeben ist.
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Erfindungsgemäß wird gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß das Markenumfeld
aus Bereichen mit mindestens zwei verschiedenen Werten der optischen Dicke besteht.
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Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß dann wenn für einen Teilbereich
die zur Auslöschung führende Interferenzbedingung erfüllt ist, für wenigstens einen
anderen Teilbereich keine Schwächung des reflektierten Lichtes auftritt. Eine Ausnahme,
die natürlich zu vermeiden ist, bestünde dann, wenn sich die optische Dicke der,
Teilbereiche um diskrete Werte unterscheidet, die einem Vielfachen der halben Wellenlänge
des Justierlichtes entsprechen. Wenn sich die optische Dicke des
Markenumfeldes
in diskreten Schritten andert, ist vielmehr anzustreben, daß die verschiedenen Werte
der optischen Dicke sich um ein ungeradzahliges Vielfaches eines Viertels der Wellenlänge
des Justierlichtes unterscheiden. Im allgemeinen wird es schon aus herstellungstechnischen
Gründen einfacher sein, eine stetige Veränderung der optischen Dicke der teilreflektierenden
Schicht zu erzielen.
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In diesem Fall ist lediglich darauf zu achten, daß die optische Dicke
hinreichend verschiedene Werte einnin#iiat, sodaß im Markenumfeld neben dunklen
Teilbereichen immer auch hinreichend viele helle Teilbereiche auftreten, Die Erfindung
wird anschließend an Hand von Beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher
erläutert.
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Fig. 1 zeigt dabei in Schrägansicht die bekannte Anordnung der wesentlichsten
Elemente einer Projektionskopiereinrichtung für die Herstellung integrierter Schaltungen,
Fig. 1a das Schema eines Strahlenganges für eine Ausrichtmarke.
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Fig. 2a zeigt den Bereich einer Justiermarke vergrößert im Querschnitt,
Fig. 2b die zugehörige Draufsicht und Fig. 2c das resultierende Justiersignal. Fig.
3 zeigt die Intensität des vom Markenumfeld reflektierten Lichtes in Abhängigkeit
von der optischen Dicke der teilreflektierenden Deckschicht des Halbleitersubstrates.
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Fig. 4a stellt die Draufsicht auf eine besonders günstige Markenkonfiguration
dar, Fig. 4b und 4c stellen die zugehörigen Querschnitte nach den Linien I-I bzw.
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II-II in Fig. 4a dar und Fig. 5a bis 5d beschreibt die wesentlichen
Schritte des zugehörigen Herstellungsvorganges.
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In Fig. 1 sind die wesentlichen Bestandteile einer Projektionskopiereinrichtung
für die Herstellung integrierter Schaltungen dargestellt. Sie besteht im wesentlichen
aus einer Belichtungseinrichtung 1, einer Maskenbühne 4, einem Projektionsobjektiv
5 und einem Koordinatentisch 10. Die abzubildende Maske 2 liegt auf der Maskenbühne
4 in der Objektebene des Projektionsobjektives 5 auf, während das Halbleitersubstrat
6 in der Bildebene auf drei Verschiebeeinrichtungen 9' bis 9"' angeordnet ist.
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Der Koordinatentisch 1o ist in bekannter Weise zur schrittweisen Verschiebung
des Substrats 6 vorgesehen, um das Schaltungsmuster der Maske 2 in aufeinanderfolgenden
Schritten auf vorbestimmten Bereichen 7 nach dem Stepand-Repeat-Verfahren abzubilden.
Um vor jeder Abbildung eine exakte Ausrichtung zwischen Substrat 6 und Maske 2 relativ
zur Projektionsoptik durchführen zu können, sind der Maske Ausrichtmuster 3 und
den Bereichen 7 auf dem Substrat Justiermarken 8 zugeordnet.
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Entsprechend den jeweiligen Ausrichtfehlern kann beispielsweise die
Maskenbühne 4 in den Koordinaten der Objektebene XY und ~ und das Substrat längs
der optischen Achse des Systems verschoben werden. Um eine winkelgenaue Ausrichtung
des Substrats 6 in der Bildebene des Projektionsobjektives 5 durchführen zu können,
sind drei getrennt steuerbare Verschiebeeinrichtungen 9', 9" und 9"' vorgesehen.
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Die Fig. la zeigt schematisch die für die Feststellung von Ausrichtfehlern
notwendigen Einrichtungen. Die Maske 2 besteht dabei aus zwei Gläsern 12' und 12",
zwischen welchen die Maskenschicht 13 angeordnet ist. Oberhalb der Maske 2 ist eine
Belichtungseinrichtung 1 vorgesehen. Die von der Belichtungseinrichtung 1 auf eine
als
Fenster mit zumindest zwei parallelen Kanten ausgebildete Ausrichtmarke
3 fallenden Strahlen werden von einem unterhalb der Maske 2 angeordneten halbdurchlässigen
Spiegel 15 reflektiert und über einen Spiegel 14, welcher an der Unterseite des
Glases 12' vorgesehen ist, auf den Bereich der zugehörigen Justiermarke 8 des Substrates
6 gelenkt. Das Abbild 3' des Fensters 3 auf der Substratoberseite und die Justiermarke
8 werden von dem Projektionsobjektiv S rückprojiziert und von dem Spiegel 14 durch
den halbdurchlässigen Spiegel 15 auf eine Auswerteeinrichtung 21 geworfen.
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In der Fig. 2a ist ein häufiger Schichtaufbau des Halbleitersubstrates
6 im Bereich einer Justiermarke 8 dargestellt. Demnach besteht das Halbleitersubstrat
6 aus einem Grundkörper 17 aus Silizium, auf dessen Oberfläche eine SiO2-Schicht
18 angeordnet ist. Die linienförmige Justiermarke 8 ist von einer Kerbe in der SiO2-Schicht
18 gebildet. Das gesamte Halbleitersubstrat ist von einer photoempfindlichenschicht
16 bedeckt, in welche das Schaltungsmuster der Maske übertragen werden soll. Da
die optischen Eigenschaften der photoempfindlichen Schicht und der SiO2-Schicht
18 ähnlich sind, kann das Halbleitersubstrat 6 als reflektierender Körper 17, der
von einer teilweise reflektierenden Schicht mit der Dicke d bedeckt ist, aufgefaßt
werden. Ein intensitätsstarkes und kontrastreiches Justiersignal kann man nur dann
erhalten, wenn das Reflexionsvermögen der auf dem Halbleitersubstrat 6 befindlichen,
der Justiermarke 8 benachbarten Schichtkombination mit der Dicke d ausreichend groß
ist, d.h. wenn die Bedingung für konstruktive Interferenz erfüllt ist. Diese Bedingung
lautet d = j. , wobei j eine natürliche Zahl, X die Vakuumwellenlänge des Justierlichtes
und n der Brechungsindex der Schicht ist. Mit anderen Worten ist also die Intensität
des vom Halbleitersubstrat reflektiertenJustierlichtes nur dann ausreichend groß,
wenn die
Schichtdecke d ein geradzahliges Vielfaches der halben
Wellenlänge des Justierlichtes ist.
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Eine wesentliche Schwächung des vom Halbleitersubstrat reflektierten
Justierlichtes tritt dann ein, wenn die Schichtdicke d in einem Bereich liegt, der
durch folgende Formel gekennzeichnet ist:
Aus Fig. 3 erkennt man leicht, daß sich die Interferenzbedingung für eine Schwächung
des vom Halbleitersubstrat reflektierten Justierlichtes periodisch mit der Schichtdicke
(Periode = #/2n) wiederholt. Eine Schwächung des vom Halbleitersubstrat reflektierten
Justierlichtes bedeutet aber gleichzeitig eine ungewünschte Verringerung des Kontrastes.
Reflektiert das Halbleitersubstrat nur ganz wenig, entsteht statt der idealen voll
ausgezogenen Intensitätsverteilung in Fig. 2c ein Signal mit dem punktiert dargestellten
Intensitätsverlauf J'.
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Die Erfindung sieht zur Vermeidung einer solchen Situation vor, daß
sich im Umfeld 19 der eigentlichen Marke 8 immer Teilbereiche befinden sollen, deren
optische Dicke von jener zufällig dunkler Teilbereiche nicht gerade um die halbe
Wellenlänge abweicht. Die Teilbereiche verschiedener optischer Dicke können dabei,
wie Fig. 4a zeigt, innerhalb eines begrenzten Umfeldes 19 einer Justiermarke 8 in
Streifen angeordnet sein. Sind dabei die Streifen, so wie dargestellt, in Längsrichtung
gegeneinander versetzt, bilden deren Stirnkanten, wie aus Fig. 4b besser zu erkennen
ist, die im reflektierten Licht dunkel erscheinende Justiermarke 8. Aus der letztgenannten
Querschnittsdarstellung geht auch hervor, warum die einzelnen Streifen in Fig.4a
abwechselnd hell und dunkel erscheinen:
Der Grund dafür liegt darin,
daß die Oberfläche der reflektierenden Siliziumscheibe 17 von der im wesentlichen
ebenen Oberfläche der photoempfindlichen Schicht 16 verschieden großen Abstand hat.
Die dazwischen liegende SiO2-Schicht 18 weist nämlich in ihrem Verlauf unterschiedliche
Dicke auf und füllt insbesondere auch Vertiefungen im Siliziumgrundkörper 17 aus.
Der Unterschied Ad der Dicke der halbreflektierenden Schicht auf der linken Seite
bzw. der rechten Seite in Fig. 4b führt dazu, daß nie links und rechts gleichzeitig
Auslöschungsbedingungen herrschen. Wie aus Fig. 4c hervorgeht, gilt dies genauso
für Streifen, die in Richtung der Justiermarke 8 aufeinanderfolgen.
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Verlaufen die Unebenheiten des Grundkörpers 17 aus Silizium mehr oder
minder kontinuierlich, so wie dies in Fig. 4c dargestellt ist, so treten die einzelnen
Zwischenwerte der optischen Dicke etwa gleich häufig auf. Um gleichzeitige Lichtabschwächung
im gesamten Umfeld 19 der Justiermarke 8 hinreichend unwahrscheinlich zu machen,
soll in diesem Falle die Amplitude der Dickenschwankung wenigstens gleich der halben
Wellenlänge des 3ustierlich es sein. Sind hingecen einzelne ebene Bereiche des Grundkörpers
durch scharf ausgeprägte Böschungen, deren optischer Einfluß gering ist, voneinander
getrennt, so weisen erfindungsgemäß die einzelnen Plateaus einen Vertikalabstand
auf, der ein Viertel der Wellenlänge des Justierlichtes bzw. ein ungeradzahliges
Vielfaches davon beträgt.
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Die Aufbringung einer Justiermarke, wie sie in Fig. 4 dargestellt
ist, erläutert Fig. 5: Zunächst wird ein Grundkörper 17 aus Silizium mit einer etwa
60 bis 80 nm starken SiO-Schicht 18 versehen, was durch chemische Oxidation geschieht.
Darüber befindet sich eine ebenfalls etwa 80 nm starke, aus der Dampfphase chemisch
abgeschiedene Schicht 20 aus Siliziumnitrid
(Si3N4). Außen liegt
eine photoempfindliche Schicht 16. Wird diese im Bereich 21'belichtet, so läßt sie
sich dort herauslösen, woraufhin auch der darunter liegende Teil der Schicht 20
weggeätzt werden kann, wie aus Fig. 5b ersichtlich ist. Anschließend wird der nicht
mehr benötigte Photoblock entfernt, sodaß die Situation gemäß Fig. 5c entsteht.
Wird der Körper nun in einem Ofen oxidiert, entsteht das in Fig. 5d dargestellte
Zwischenprodukt. Das Oxid in der Mitte ist ca. 1 /um stark. Das Siliziumnitrid hat
während der Oxidation den Zutritt von Sauerstoff an den von ihm bedeckten Stellen
verhindert. Man nennt diesen Vorgang lokale Oxidation von Silizium (locos). Das
Hochbiegen der Siliziumnitrid-Schicht an den Oxidationsrändern ist typisch für diesen
Vorgang und durch das Aufquellen der Siliziumdioxid-Schicht bedingt, d.h. Sauerstoff
diffundiert nach innen und Silizium diffundiert nach außen.
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Entfernung der Schicht 20 durch Atzen und neuerliches Auftragen einer
photoempfindlichen Schicht 16 führt zu dem an Hand von Fig. 4 bereits ausführlich
diskutierten Produkt, wobei die Erfindung keineswegs auf eine Konfiguration beschränkt
ist, wie sie in Fig. 4a in Draufsicht dargestellt ist.