DE3534609A1 - Verfahren zur automatisierten, unter verwendung von justiermarken erfolgender justierung mehrerer masken bei einem projektions-belichtungsverfahren - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Um bei der Verwendung von Projektions-Belichtungsmaschinen automatisch einen Wafer, z.B. eine Scheibe, und mehrere zu verwendende Masken (im Zusammenhang mit Projektionsbelich­ tung auch als Retikel bezeichnet) zueinander justieren zu können, werden auf der Scheibe vorgesehene Justiermarken verwendet. Damit erreicht man eine Justierung der jeweili­ gen Masken zueinander, wobei eine jede Maske eine bestimmte vorgegebene Maskenstruktur umfaßt. Im Verlauf des Projektions-Belichtungsverfahrens zur Herstellung von der jeweiligen Maske entsprechenden Strukturen auf der Oberfläche der Scheibe bzw. in auf dieser Scheibe befind­ lichen Schichten läßt man das zur Belichtung verwendete Licht im Projektionsverfahren durch die Maske hindurch auf die Scheibenoberfläche bzw. eine solche Schicht auffallen. Entsprechend dem durchzuführenden fotolithografischen Prozeß befindet sich auf der Oberfläche der Scheibe bzw. auf der Oberfläche einer jeweiligen Schicht eine Fotolack­ schicht, die der Belichtung bekanntermaßen unterworfen wird. Insbesondere werden mit der Struktur der an erster Stelle verwendeten Maske gleichzeitig vorgegebene Justiermarken bzw. auf die betreffende Oberfläche pro­ jiziert und dort fotolithografisch festgehalten. Für die automatische Lageerkennung durch die Projektions­ belichtungsmaschine muß der Kontrast zwischen dem an der Justiermarke reflektierten Licht und dem in der Um­ gebung dieser Justiermarke an der Oberfläche reflektierten Licht möglichst groß und scharfkantig sein. Damit kann eine sehr zuverlässige Justierung der nunmehr die Justier­ marken tragenden Scheibe und der nachfolgend verwendeten weiteren Masken zueinander durchgeführt werden.

Ein solches Projektions-Belichtungsverfahren bzw. entspre­ chende automatisch arbeitende Projektions-Belichtungs­ maschinen sind aus der Halbleitertechnologie bekannt, näm­ lich zur Herstellung der mehrfach übereinander liegenden Strukturen (Dotierungsstrukturen, Isolationsstrukturen, Leiterbahnstrukturen und dgl.) bzw. zur Durchführung der aufeinanderfolgenden Maskenschritte. Derartige Projek­ tions-Belichtungsverfahren werden auch bei der Herstellung der Wandler- und Reflektorstrukturen von elektronischen Oberflächenwellen-Bauelementen angewendet.

Mit derartigen Projektions-Belichtungsverfahren und derar­ tigen Justiermarken ist es möglich, die Strukturen ver­ schiedener verwendeter Masken mit im Submikrometer-Bereich liegender Genauigkeit zueinander zu justieren. Insbeson­ dere verwendet man Justiermarken, die vergleichsweise zu ihrer Umgebung minimale Reflexion des bei der Justierung verwendeten Lichtes bewirken. Die Justierung erfolgt dann derart, daß die im Regelfall streifenförmige Justiermarke in optimal justierter Stellung einen symmetrisch liegenden Dunkelstreifen bewirkt, der entsprechend automatischer Justierung elektronisch abgetastet und ausgewertet wird.

Weit verbreitet ist die Anwendung durch jeweilige Masken hindurch folgender Projektions-Belichtung zur Herstellung von Silizium-Halbleiterbauelementen. Auf einer größeren Scheibe, einem sog. Wafer, werden entsprechend den vielen einzelnen Chips, die aus diesem Wafer herzustellen sind, in beiden Koordinatenrichtungen der Scheiben-Oberfläche nebeneinanderliegend die Halbleiter-Strukturen durch fotolithografische Prozesse erzeugt. Im Projektions- Belichtungsverfahren ist es üblich, schrittweise bzw. stepweise die den einzelnen Chips entsprechenden Strukturen herzustellen. Jede einzelne Struktur besteht dabei aus mehrfach übereinanderliegenden Einzelstrukturen, wobei eine jede Einzelstruktur einer jeweiligen Masken­ struktur entspricht, die einzeln auf den jeweiligen Chip übertragen werden. Im allgemeinen geht man so vor, daß man zunächst eine erste Maske auf alle Chips einer (noch nicht geteilten) Scheibe überträgt. Zusammen mit der Struktur der ersten Maske werden die Justiermarken auf dem jeweiligen Chip erzeugt. Im zweiten Durchlauf wird dann die Struktur der zweiten Maske übertragen, wobei diese zweite Maske bei jedem Chip bezogen auf dessen Justier­ marken justiert wird. Entsprechende Durchläufe erfolgen mit den weiteren Masken, nämlich bis zur Komplettierung der gesamten Halbleiterstruktur der einzelnen Chips. Dann erfolgt das Zerteilen der Scheibe.

Es ist die Praxis, bei Silizium als Material der Scheibe V-förmige Gräben bzw. Grooves als Justiermarken zu ver­ wenden, und diese durch Ätzen herzustellen. Bei derartigem Ätzen entstehen solche V-förmigen Gräben mit schrägen Seitenflanken aufgrund der üblichen Wahl der Orientierung der Scheiben-Oberfläche des Siliziums. Die Breite eines solchen Grabens wird einige µm breit bemessen. Es ergibt sich daraus eine entsprechende Tiefe Aus der Belichtungs­ vorrichtung auf die Wafer-Oberfläche auffallende Strahlung erfährt auf dieser Oberfläche eine relativ starke Re­ flexion. An Stellen der V-förmigen Gräben jedoch wird das auffallende Licht von den Flankenflächen seitlich weg­ reflektiert, so daß in Richtung senkrecht zur Wafer- Oberfläche vom Ort der grabenförmigen Justiermarke nur wenig Licht reflektiert wird. Bei Silizium mit entspre­ chender Kristallorientierung lassen sich derartige V-förmige Gräben relativ gut herstellen, die somit keinen ebenen Boden besitzen. Es wurde nämlich festgestellt, daß ein ebener Anteil in der Tiefe des Grabens störende Reflexion senkrecht zur Wafer-Oberfläche bewirkt, und damit die Dunkelschärfe der Justiermarke wesentlich beeinträchtigt.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine un­ abhängig von speziellem Material der Scheibe bzw. des Wafers leicht herstellbare Form einer Justiermarke anzu­ geben, die mindestens gleich gute Justiergenauigkeit ge­ währleistet. Insbesondere soll die Justiermarke derart sein, daß nachfolgendes Aufbringen von Schichten die Wirkungsweise der einmal angebrachten Justiermarke nicht beeinträchtigen kann.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst und weitere Ausgestaltungen gehen aus den Unter­ ansprüchen hervor.

Für das Verfahren zur automatisierten Justierung eines Substratkörpers, einer Scheibe, eines Wafers oder dgl. und mehrerer Masken relativ zueinander, und zwar für ein Pro­ jektions-Belichtungsverfahren, bei dem mit monochromatischem Licht gearbeitet wird, bedient man sich entsprechen der Erfindung einer solchen an der Oberfläche dieses Substrat­ körpers oder dgl. erzeugten Justiermarke, die eine (strei­ fenförmige) Vertiefung oder Erhöhung gegenüber der Substrat­ oberfläche ist und diese Vertiefung oder Erhöhung eine planparallele Fläche zu dieser (ursprünglichen) Substrat­ oberfläche aufweist. Es empfiehlt sich, bei der Erfindung die Flanken dieser Vertiefung oder Erhöhung steil auszu­ führen. Das Höhenmaß dieser Vertiefung oder Erhöhung ist möglichst genau gleich (2 n-1) · Lambda/4 zu bemessen. Darin ist n eine natürliche Zahl 1, 2, 3 . . ., wobei n = 1 bevorzugt ist. Der Wert Lambda ist die Wellenlänge des während der Justierung benutzten monochromatischen Lichts, das häufig das auch zur Projektions-Belichtung benutzte Licht ist. Lambda ist diejenige Größe der Wellenlänge, die dieses Licht in dem Material der auf der Oberfläche im Verfahren aufgebrachten, und während des Justiervorganges dort befindlichen transparenten Schicht(-en) hat. In diesem Falle gehört dazu (als oberste Schicht) eine Fotolackschicht, die für den folgenden fotolithografischen Prozeß benötigt wird.

Die physikalische Wirkungsweise dieser Maßnahmen ist die, daß von voneinander zu unterscheidende Interferenzen auf­ treten. Einerseits interferiert Licht, das an der Sub­ stratoberfläche reflektiert worden ist mit an der Ober­ fläche der erwähnten Schicht reflektiertem Licht. Anderer­ seits erfolgt Interferenz zwischen dem an der vertieften oder erhöhten planparallelen Fläche der betreffenden Justiermarke reflektiertem Licht und (über der Justier­ marke) dem an der schon erwähnten Oberfläche der Schicht reflektiertem Licht. Man wählt dazu die Dicke dieser er­ wähnten Schicht(-en) so, daß für diese Schicht außerhalb der betreffenden Justiermarke Aufhellung oder Auslöschung durch Interferenz auftritt. Für den Bereich der Justier­ marke ergibt sich dann der entgegengesetzte Effekt. Be­ vorzugt ist eine sich an hellem Feld dunkel abzeichende Justiermarke. Überraschenderweise erreicht man so außerordentlich hohe Justiergenauigkeit. Es ist be­ reits bei 0,1 µm liegende Justiergenauigkeit erzielt worden.

Zahlenmäßig ergibt sich z.B. für Licht mit 578 nm Wellen­ länge, für n = 1 und für einen Brechungsindex N = 1,63 des Fotolackes der Wert 89 nm als Höhenmaß der erfindungs­ gemäß vorgesehenen Vertiefung oder Erhöhung. Für ebenfalls für fotolithografische Verfahren verwendetes Licht der Wellenlänge 547 nm ergibt sich bei sonst gleichen Bedin­ gungen ein Maß von 84 nm. Bei der Erfindung erscheint die als Justiermarke verwendete Vertiefung oder Erhöhung z.B. dunkel gegenüber der sie umgebenden Substratober­ fläche. Die Form und Gestalt der Flanken ist dabei un­ wesentlich. Die Art der erfindungsgemäß vorgesehenen Justiermarken eignet sich sehr gut, um in mehreren Prozeßschritten nacheinander benutzt zu werden, da zusätzlich aufgebrachte transparente oder reflektierende Schichten die Funktion dieser Justiermarken nicht beeinträchtigen (sofern nicht eine solche Schicht bzw. Schichtdicke auftritt, die die Wirkung der Justiermarke aufhebt). Ist die Zwischenschicht reflektierend, z.B. ein Metall, dann bildet sich die Justiermarke in dieser Schicht ab. Ist die Zwischenschicht transparent, besteht sie z.B. aus Siliziumnitrid, so ist entsprechend der Dicke und dem Brechungsindex des Materials dieser Zwischen­ schicht die Fotolackdicke so einzustellen, daß die Um­ gebung der Justiermarke wieder hell erscheint. Über der Justiermarke ist der Fotolack wiederum um das oben ange­ gebene Maß (2 n-1) Lambda/4 dicker mit dem Wert Lambda der Wellenlänge im betreffenden Material. Es erscheint auch in diesem Falle die Justiermarke dunkel. Es können auch mehrere derartige dünne Schichten übereinander auf­ gebracht sein.

Der Vollständigkeit halber sei darauf hingewiesen, daß bei der vorgesehenen Verwendung monochromatischen Justierlich­ tes die Dicke der Fotolackschicht relativ genau bzw. re­ produzierbar genau eingehalten sein muß, damit die Umge­ bung der Justiermarke immer hell (oder immer dunkel) er­ scheint. Das Einhalten dieses Parameters ist jedoch kein technologisches Problem, und zwar selbst wenn auf eine andere Wellenlänge (unterschiedliche Wellenlänge von Justierlicht und fotolithografischem Belichtungslicht) übergegangen wird. Ein Wechsel von z.B. gelbem Licht der Wellenlänge 578 nm auf grünes Licht der Wellenlänge 547 nm bedeutet bei einem Fotolack mit der Dicke 1 µm bei einem Brechungsindex von 1,63, daß bei gelbem Licht dunkle Flächen im grünen Licht hell erscheinen und umgekehrt. Die Erfindung hat den Vorteil, daß auch bei derartigem Wechsel mit unveränderter Justiermarke weitergearbeitet werden kann.

Ein weiterer Vorteil einer erfindungsgemäßen Justiermarke ist, daß wegen des geringen Maßes der Vertiefung oder Er­ höhung, d.h. der geringen Ätztiefe (der Marke oder der Umgebung) die Breite der Justiermarke sich auch bei iso­ tropem Ätzverhalten kaum ändert.

Die Erfindung eignet sich insbesondere für III-V-Halbleiter­ material, das anders als Silizium mit der üblichen Orien­ tierung (111) zumindest nur schwierig mit einem V-förmig geätzten Graben zu markieren ist.

Weitere Erläuterungen der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Figuren gegeben.

Fig. 1 zeigt ein bekanntes Schema ,

Fig. 2 und 3 zeigen prinzipielle Ausführungen der Erfindung,

Fig. 4 bis 6 zeigen Ausgestaltungen.

Fig. 1 zeigt eine aus "Models SRA 100 und SRA 200 Reticle Design Guide", Perkin-Elmer Microlithografie Devision, No. 00 433, Juli 84, entnommene sehr schematische Dar­ stellung zur Justierung mittels einer Justiermarke. Die Darstellungsebene der Fig. 1 ist die Substratoberfläche. Mit 2 ist eine streifenförmige Justiermarke bezeichnet, die eine grabenförmige Vertiefung in einer auf dem Sili­ zium-Substratkörper 3 befindlichen Schicht 4 ist. Mit 5 ist ein Ausschnitt der Maske bezeichnet, die eine Öffnung 6 hat, die bereits zur Justiermarke 2 justiert ist. Mit 7 ist eine Helligkeitsverteilung angegeben, die bei Abtasten entlang der Abtastlinie 8, allerdings nur erwünschterwei­ se, erreicht wird. In der Praxis ergibt sich jedoch näm­ lich aufgrund des teilweise flachen Bodens 9 des Grabens der Justiermarke 2 eine mit gestrichelter Hinzufügung dargestellte Aufhellung 10 innerhalb des erforderlich dunk­ len Feldes der Justiermarke 2. Eine Justiermarke mit einer derartigen Aufhellung 10 ist für automatische Justierung ungeeignet. Diese Aufhellung 10 beruht auf am Boden 9 senk­ recht zurückreflektierte Strahlung, weshalb bei einem Silizium-Substratkörper 3, (wie schon oben näher ausge­ führt), ein V-förmiger Graben als Justiermarke 2 vorgesehen wird, zumal in Silizium ein V-förmiger Graben in einfacher Weise zu ätzen ist.

Die Fig. 2 und 3 zeigen eine einem Merkmal der Erfindung entsprechende grabenförmige Vertiefung 11 im Substratkörper 13 bzw. Erhöhung 21 auf dem Substratkör­ per 13. Die Substratoberfläche ist jeweils mit 113 be­ zeichnet. Mit 14 ist eine gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung vorgesehene Schicht (hier eine einzige Schicht) bezeichnet, die z.B. (transparenter) Fotolack ist. Gemäß einem weiteren Merkmal ist das Höhenmaß d der Vertiefung 11 bzw. Erhöhung 21 möglichst angenähert gleich (2 n-1) Lambda/4 mit den oben angegebenen Definitionen bemessen.

Vorzugsweise ist n = 1 gewählt. Das für die Wellenlänge Lambda relevante Material ist bei der Vertiefung 11 das Material der Fotolackschicht 14 und bei der Erhöhung 21 das Material dieser Erhöhung. Dieses Material kann z.B. Silizium sein, das während eines Prozesses des Abätzens der Substratoberfläche 113 als derartige Erhöhung 21 stehengelassen worden ist.

Gezielt und für die Erfindung wesentlich ist vorgesehen, daß die Vertiefung 11 bzw. die Erhöhung 21 eine der Substratoberfläche 113 planparallele Bodenfläche 111 be­ sitzt, deren Unebenheit und Abweichung von der Paralleli­ tät erheblich kleiner als 5 nm ist. Auf Form und Neigung der Flankenflächen 211 kommt es (und zwar im entschei­ denden Gegensatz zum Stand der Technik) bei der Erfindung nicht an. Die Flankenflächen 211 werden möglichst steil gewählt, wohingegen eine solche Maßnahme für den Stand der Technik besonders nachteilig ist. Bei der Erfindung hat die Vertiefung 11 bzw. Erhöhung 21 vorzugsweise streifen­ förmige Gestalt, deren Querschnitt in den Fig. 2 und 3 dargestellt ist. Die Breite der Bodenfläche 111 des bei der Erfindung vorgesehenen Streifens wird auf etwa 2-4 µm bemessen, abgestimmt auf ein in oder nahe dem sichtbaren Bereich des Spektrums ausgewähltes monochromatisches Justierlicht.

In Fig. 2 ist mit 31 einfallendes Justierlicht bezeich­ net. Mit 32 ist an der Oberfläche der Schicht 14 reflek­ tiertes Licht bezeichnet. Mit 33 ist an der Bodenfläche 111 ebenfalls reflektiertes Licht bezeichnet. Außerhalb des Bereiches der Justiermarke 11 bzw. 21 auffallendes Licht 31 wird wiederum zu einem Anteil 32 an der Ober­ fläche 114 der Schicht(-en) 14 und zu einem anderen Anteil 34 an der Substratoberfläche 113 bzw. an der rück­ seitigen Oberfläche der Schicht 14 reflektiert.

Gemäß einem Merkmal der Erfindung ist die Dicke D der Schicht 14 so bemessen, daß die reflektierten Anteile 32 und 34 miteinander interferieren, und zwar vorzugsweise verstärkend interferieren, so daß der außerhalb der als Justiermarke 11, 21 liegende Bereich der Substratober­ fläche 113 bei Betrachtung aus der Richtung A aufgehellt erscheint. Entsprechend der erfindungsgemäßen Bemessung des Höhenmaßes der Justiermarke 11, 21 ist die Interferenz zwischen den Anteilen 32 und 33 dann derart, daß die Bodenfläche 111 dagegen dunkel erscheint, und zwar unge­ stört gleichmäßig über diese gesamte Bodenfläche 111. Die Flanken 211 erscheinen ebenfalls dunkel, sind jedoch für die Erfindung unbedeutend und der Anteil ihrer Wirkung vernachlässigbar.

Die Fig. 4 und 5 zeigen im Zusammenhang mit der Erfin­ dung fakultativ auftretende Gegebenheiten. Fig. 4 zeigt zusätzlich eine Zwischenschicht 41. Ersichtlich zeichnet sich die Vertiefung 11 der ursprünglichen Justiermarke ge­ treu in der Zwischenschicht 41 ab, so daß die zur Fig. 2 beschriebenen Verhältnisse auch für die Fig. 4 gelten, wobei die Schicht 41 dann an die Stelle des Substrat­ körpers 13 und die Oberfläche 141 an die Stelle der Substratoberfläche 113 treten.

Die Fig. 6 zeigt eine Ausgestaltung der Erfindung, bei der sich die Justiermarke als Vertiefung 11 in einer Schicht 61 befindet, die auf der Substratoberfläche 113 zuvor aufgebracht ist. Alle übrigen zur Fig. 2 im einzelnen gegebenen Ausführungen gelten auch sinngemäß für die Fig. 6. Der für die Erfindung relevante eine reflek­ tierte Anteil 34 wird hier an der Oberfläche 161 reflek­ tiert.

Fig. 2 deutet außerdem an, daß die Schicht 14 auch aus mehreren (Fotolack-)Schichten 14 a, 14 b bestehen kann. Für die wirksame Dicke D sind dann die jeweiligen Brechungs­ indices zu berücksichtigen.

Die Angaben Imax und Imin in den Figuren entsprechen der bevorzugten Anwendung mit als dunkles Feld wiedergegebener Justiermarke. Es können diese Intensitäten auch vertauscht sein.

Es ist zu beachten, daß die Flächen 211 nicht nur sehr steil (vergleichsweise zum Stand der Technik) ausgeführt sind, sondern daß diese Flächen 211 auch sehr klein im Vergleich zur Bodenfläche 111 sind.

Claims (5)

1. Verfahren zur automatisierten, unter Verwendung von auf der Oberfläche eines Substratkörpers befindlichen, strei­ fenförmigen Justiermarken nacheinander erfolgender Justierung dieses Substratkörpers und mehrerer Masken re­ lativ zueinander bei Durchführung eines Projektions-Be­ lichtungsverfahrens zur Erzeugung zueinander passender Strukturen auf bzw. in der Oberfläche dieses Substrat­ körpers, wobei die Justiergenauigkeit im Submikrometer- Bereich liegt und mit monochromatischem Licht gearbeitet wird und wobei im weiteren Verfahren mit schichtweise auf­ gebrachtem transparentem Fotolack gearbeitet wird, gekennzeichnet dadurch ,

• - daß als Justiermarke eine solche streifenförmige Ver­ tiefung (11) oder Erhöhung (21) vorgesehen wird, die eine zur Oberfläche (113) des Substratkörpers (13) plan­ parallele Fläche besitzt, deren Höhenmaß (d) gegenüber dieser Oberfläche (113) wenigstens angenähert gleich (2 n-1) Lambda/4 beträgt, worin n eine natürliche Zahl ist und Lambda die in demjenigen Material geltende Wellenlänge des zur Justierung benutzten Lichtes (31) ist, das sich als Schicht(-en) (14) über der Substrat­ oberfläche (113) und der Justiermarke (11, 21) befindet, und
• - daß die Dicke (D) dieser Schicht(-en) (14; 14 a, 14 b) so bemessen wird, daß sich aufhellende oder verdunkelnde Interferenz außerhalb des Bereichs der Justiermarke (11, 21) für dasjenige zur Justierung benutzte Licht (31) ergibt, das einerseits an der einen Oberfläche (114) dieser Schicht(-en) (14) als reflektiertes Licht (32) auftritt und andererseits an der dieser einen Oberfläche gegenüberliegenden anderen Oberfläche dieser Schicht(-en) als reflektiertes Licht (34) auftritt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeich­ net dadurch , daß der Zahlenwert n = 1 ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekenn­ zeichnet dadurch , daß diese Schicht (14) ein Fotolack ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekenn­ zeichnet dadurch , daß mehrere über­ einanderliegende Fotolackschichten als Schichten (14 a, 14 b) verwendet werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch , daß zusätzlich außerdem wenigstens eine Zwischenschicht (41) verwendet wird.