DE4203410A1 - Lithografievorrichtung - Google Patents

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiterherstel­ lungsvorrichtung zur Bildung verschiedenster Elemente auf einem Halbleitersubstrat, und bezieht sich insbesondere auf eine Lithografievorrichtung zur Bildung von beliebigen Dünn­ filmstrukturierungen auf einem Halbleitersubstrat.

In den vergangenen Jahren hat die Integrationsdichte bei Halbleitervorrichtungen mit den verschiedensten Funktions­ elementen, die auf einem aus Si oder GaAs bestehenden Halbleitersubstrat ausgebildet sind, stetig zugenommen, wobei derzeit insbesondere LSI (Large Scale Integrated circuits) und VLSI (Very Large Scale Integrated circuits)- Bausteine auf dem Markt erhältlich sind. Insbesondere werden in den verschiedensten Einrichtungen wie beispielsweise Supercomputer, elektronische Rechner, Industrieroboter, elektrische Haushaltsgeräte, usw. sogenannte Einzelchip- Computer verwendet. Desweiteren wurde die Integrationsdichte noch weiter vorangetrieben, so daß sogar ULSI-Bausteine (Ultra Large Scale Integrated circuits) angeboten werden.

Derartige integrierte Bauelemente werden so hergestellt, daß die Wafer unterschiedlichsten Behandlungen wie beispiels­ weise Dünnfilm- und Lackfilmausbildungs-Behandlungen, Belichtungs- und Entwicklungs-Behandlungen, Ätz- und Dotier­ behandlungen, usw. unterzogen werden. Bezüglich dieser Tech­ niken zur Behandlung des Wafers wurden viele Verbesserungen zur Ausbildung von hochintegrierten Schaltungen auf dem Wafer erzielt.

Bei der Waferverarbeitung wird insbesondere die Fotolitho­ grafietechnik verwendet. Bei der Lithografie wird Licht einer kurzen Wellenlänge und einem monochromatischen Spek­ trum zur Vermeidung einer Reduzierung in der Auflösung auf­ grund der Beugung von Licht verwendet, so daß Lithografie bis in den Submicron-Bereich herunter zur Verfügung gestellt werden kann. Desweiteren gibt es Anstrengungen, unter Ver­ wendung einer weichen Röntgenquelle Lithografie im Nanome­ terbereich durchzuführen. Darüber hinaus gibt es eine Tech­ nik, die, obwohl sie für eine Massenproduktion nicht geeignet erscheint, unter Verwendung eines Elektronenstrahls mit einem Durchmesser von einigen zehn Nanometern ermög­ licht, eine feine Strukturierung direkt auf den Wafer zu übertragen.

Bei der Fotolithografie wird ein auf dem Substrat gebildeter Fotolackfilm mit Licht belichtet, wobei der Fotolack mit einer Fotomaskenstrukturierung maskiert ist. Die Wellenlänge λ, die Brennweite Z und die Auflösung R einer Lichtquelle weisen die folgenden Beziehungen auf:

Z = λ/(NA)²,
R = k × NA/λ

wobei NA die numerische Apertur einer Sammellinse, und k eine bestimmte Konstante darstellt. Falls die Auflösung durch Verkürzen der Wellenlänge angehoben wird, wird die Brennweite klein. Dementsprechend kann eine gewünschte Auf­ lösung nicht erreicht werden, wenn der zu belichtende Bereich eine unebene Oberfläche aufweist. Somit muß der Bereich eine möglichst ebene Oberfläche aufweisen. Dies kann erreicht werden durch Verwenden von Dünnfilm-Bildungstechni­ ken. Jedoch benötigt eine solche Technik eine hochgenaue Steuerung, und es würde schwierig sein, diese Technik zur Herstellung von VSLI-Bausteinen zu verwenden, bei denen zehn oder noch mehr gleichartige Prozesse durchzuführen sind.

Darüber hinaus wird es entsprechend dem Fortschritt der ver­ feinerten Techniken zur Strukturierung ebenfalls notwendig, die hohe Genauigkeit bei der Ausrichtung der wiederholt aus­ gebildeten oberen und unteren Strukturierungen vorzusehen, wodurch das Steuersystem für die Erfassungsvorrichtung kom­ plex wird, mit der Folge, daß die automatische Ausrichtung von Fotomasken-Strukturierungen nur unter Schwierigkeiten durchzuführen ist.

Desweiteren wurden bei der Lithografie mit Elektronenstrah­ len entsprechend dem Feinerwerden des Durchmessers des Elek­ tronenstrahls die elektromagnetischen Linsen und deren peri­ phären Einrichtungen vergrößert, so daß ebenfalls eine kom­ plexe Technik zum Stützen des Substrates in einer Vakuumat­ mosphäre benötigt wurde, und ferner die Durchführung von Ätzprozessen auf Schwierigkeiten stieß.

Da eine Vorrichtung mit großen Abmessungen eine niedrige Eigenfrequenz aufweist, wird das dreidimensionale Statikver­ halten bezüglich dem Substrat und der Maske einer Licht­ quelle oder eines optischen Bündelungssystems gestört. Folg­ lich wird zur Vermeidung von außerhalb entstehenden Schwin­ gungseinflüssen eine große Vibrationseliminie­ rungseinrichtung benötigt, und es wird eine zusätzliche Ein­ richtung zur Steuerung der Störungen in der Einrichtung auf­ grund der Temperatur und des Umgebungsdruckes benötigt.

Somit erreicht die Fotolithografie unter Verwendung von wei­ chen Röntgenstrahlen oder die Lithografie unter Verwendung von Elektronenstrahlen im Submikrometer-Bereich derzeit ihre Grenzen.

Im übrigen wurde in letzter Zeit eine sogenannte STM-Litho­ grafie unter Verwendung eines Abtast-Tunnelmikroskops (STM = Scanning Tunneling Microscope) vorgeschlagen, welche in Fachkreisen hoffnungsvoll angesehen wird. Bei der STM-Litho­ grafie werden Atome oder Moleküle auf ein Substrat adsor­ biert oder hiervon entfernt mit einer Auflösung, die durch die Form der Spitze einer Sonde bestimmt ist. Im Idealfall kann lediglich ein einzelnes Atom auf das Substrat adsor­ biert werden oder hiervon entfernt werden. Diese Technik ist zusammenfassend in G.M. Shedd et al. "The scanning tunneling microscope as a tool for nanofabrication, Nanotechnology 1 (1990) 67-80" dargestellt.

Wenn bei dieser Technik eine Spannung zwischen einer Sonde und einem Halbleiterwafer angelegt wird, fließt ein Tunnel­ strom bzw. ein feldemitierter Strom hierzwischen. Der Tunnelstrom wird als Elektronenstrahl mit einem Durchmesser, der sich aufgrund der Form der Sondenspitze bestimmt, einge­ fangen. Der Durchmesser kann bis zu einer Größe von 1 nm auf zufriedenstellende Weise verringert werden. Durch Zuführen eines Gases bestehend aus Atomen oder Molekülen auf das Substrat und gleichzeitig Anlegen des Tunnelstromes (Elek­ tronenstrahles) zwischen der Sonde und dem Substrat können die Atome bzw. Moleküle auf lediglich denjenigen Abschnitt des Substrates, auf dem der Tunnelstrom fließt, adsorbiert werden. Dies bedeutet, daß eine beliebige Menge von Atomen bzw. Molekülen auf dem Halbleiterwafer abgeschieden werden können, und zwar mit der Auflösung des Elektronenstrahles, welcher durch seinen Durchmesser bestimmt ist. Ferner können Moleküle bzw. Atome, die einen auf einem Substrat gebildeten Dünnfilm bilden, durch Verändern der vorstehend genannten Bedingungen entfernt werden. Auch in diesem Fall wird die Entfernung lediglich in einem Abschnitt bezüglich des Tunnelstromes (Elektronenstrahls) durchgeführt, so daß der Dünnfilm mit der Auflösung des Strahls geätzt wird, wobei die Auflösung wiederum durch den Durchmesser des Elektronen­ strahls bestimmt ist. Somit kann eine ultrafeine Dünnfilm­ strukturierung gebildet werden, die unter Verwendung der herkömmlichen Fotolithografie nicht erhalten werden kann.

Zusätzlich zu dem eigentlichen Anwendungsfall des Erhaltens eines dreidimensionalen Bildes, welches Auskunft gibt über die Unebenheit der Oberfläche einer leitenden Substanz, kann bei der STM-Lithografie durch Messen der I/V-Eigenschaften zwischen einer zwischen Sonde und Substanz angelegten Span­ nung und dem dazwischen fließenden Tunnelstrom unterschieden werden, ob die Substanz ein Metall oder ein Halbleiter ist. Darüber hinaus gibt es ein sogenanntes Atommikroskop (AFM = Atomic Force Microscope), welches ähnlich ist wie das STM und welches die Unebenheit der Oberfläche einer isolierenden Substanz erfassen kann. Bei dem AFM wird anstelle der Erfas­ sung eines Tunnelstromes die Auslenkung eines elastischen Körpers erfaßt, welche verursacht wird durch eine zwischen einer Sonde und einer Probe ausgeübten interatomaren Kraft, wenn die Probe bis zu einer Stelle von 10-0,1 nm vor die Probe angenähert wird, wodurch ein dreidimensionales Bild im atomaren Bereich erhalten wird, das wie bei dem STM Auskunft gibt über die Unebenheit der Probenoberfläche. Da das AFM die Unebenheit der Oberfläche der isolierenden Substanz erfassen kann, kann damit auch die Isolationsstruktur der Elemente in einer Halbleiterschaltung gemessen werden, sowie die Strukturierung eines Kapazitätselementes in der Schal­ tung.

Im Falle der Herstellung von LSI-Chips mit STM in einem unabhängigen System unter Verwendung von STM-Lithografie ist es erforderlich, ein neues System zu entwickeln, welches eine höher ausgebildete Technik als bei der Submikrometer- Lithografievorrichtung verwendet, da derzeit keine Techniken zur Ausrichtung und Anpassung von Eingangs/Ausgangsstrukturierungen im Nanometerbereich bekannt sind, um beispielsweise das Verdrahtungsbonden oder das Oberflächenbonden zwischen einem einzelnen STM-Chip und einem Führungsrahmen oder einem Submikrometer-VLSI-Chip durchzuführen.

Demzufolge liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Lithografievorrichtung zur Verfügung zu stellen, die die Ausbildung von äußerst feinen Dünnfilmen mittels STM-Litho­ grafie ermöglicht, welche nicht durch herkömmliche Foto­ lithografie herstellbar sind.

Falls die vorstehend beschriebene Technik verwendet wird, kann eine Strukturierung mit einer herkömmlichen Mikrometer oder Submikrometer-IC-Strukturierung (beispielsweise einer MOS-Schaltung) auf einem Halbleiterwafer unter Verwendung der STM-Lithografie verbunden werden. Falls in diesem Fall die IC-Strukturierungen, mit denen eine Strukturierung unter Verwendung von STM-Lithografie verbunden werden soll, einen Eingangs/Ausgangsbereich bzw. ein Kontaktloch einer herkömmlichen IC-Schaltung darstellen, wird ein Tunnelstrom unter Verwendung einer Sonde als STM Schätzsonde erfaßt, wodurch die Lokalisierungen des Eingangs/Ausgangs-Bereiches bzw. des Kontaktloches erfaßt werden, und daran anschließend eine Strukturierung hieran unter Verwendung der STM-Litho­ grafie verbunden wird. Falls ferner die IC-Strukturierung eine Strukturierung eines kapazitiven Elementes aus einem SiO, SiO₂ oder Si₃N₄ Isolationsfilmes ist, werden die Lokalisierungen des Eingangs/Ausgangsbereiches bzw. Kontakt­ loches unter Verwendung der Sonde als AFM-Schätzsonde erfaßt, falls notwendig, und dann wird ein Trimmen (d. h. Eliminierung von Molekülen oder Atomen durch STM) oder eine Abscheidung der Strukturierung durchgeführt. Zusätzlich kann nach den Lithografieschritten, welche den STM-Lithografie­ schritt enthalten, ein Schätzschritt für eine LSI-Schaltung durchgeführt werden, um den durch die Vervollständigung des Lithografieschrittes erzeugten LSI-Chips zu schätzen bzw. zu überprüfen. Bei dem LSI-Schaltungsschätzschritt wird die in dem STM-Lithografieschritt verwendete Probe als eine STM- Schätzsonde verwendet zur Abschätzung der Leitfähigkeit und der Halbleitereigenschaften der Schaltungsstrukturierung des LSI-Chips, und wird verwendet als eine AFM-Schätzsonde zum Abschätzen der dreidimensionalen Oberflächenkonfiguration, der Isolationsfilmstrukturierung und der Elektroneneinfang­ bedingungen. Wie vorstehend beschrieben ist, ermöglicht das Lithografiesystem gemäß der Erfindung eine Anpassungsvor­ richtung (einschließlich einer Schätzvorrichtung) zwischen einer Schaltung im Nanometerbereich durch die STM-Lithogra­ fie und einer LSI-Schaltung im Mikrome­ ter/Submikrometerbereich, so daß eine neue Litho­ grafietechnik einschließlich sowohl der herkömmlichen LSI- Technologie als auch der STM-Lithografie realisiert werden kann.

Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine Litho­ grafievorrichtung zur Verfügung zu stellen, welche ein System enthält zur Anpassung eines durch STM-Lithografie ausgebildeten sogenannten "STM-LSI" mit einer LSI-Schaltung, welche unterhalb des STM-LSI angeordnet ist, so daß sie auf leichte Weise zusammenwirken können.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die in den Ansprüchen 1 und 7 angegebenen Merkmale.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Weitere Einzelheiten, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung.

Es zeigt:

Fig. 1 eine Ansicht einer sogenannten SXM-Station, welche bei der Lithografievorrichtung gemäß der Erfindung verwendet ist und in Zusammenhang steht mit der STM- Lithografie;

Fig. 2 eine Draufsicht eines Siliziumwafers und einer SXM- Basis;

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht der SXM-Basis und eines Stützabschnittes;

Fig. 4 die Gesamtansicht der Anordnung der erfindungsge­ mäßen Lithografievorrichtung;

Fig. 5 eine Darstellung zur Erläuterung der Abtastung mit einer Sonde entlang der Siliziumwaferoberfläche zur Erfassung eines Kontaktloches;

Fig. 6A eine Draufsicht von Elementen, welche durch STM- Lithografie hergestellt sind;

Fig. 6B eine Schnittansicht, genommen entlang der Linie B-B aus Fig. 6A; und

Fig. 7 ein Flußdiagramm zur Erläuterung der Betriebsweise der SXM-Station.

Fig. 1 zeigt eine sogenannte SXM-Station, wie sie bei der erfindungsgemäßen Lithografievorrichtung verwendet ist, und welche in Zusammenhang steht mit der STM-Lithografie. Die Station weist einen Wafertisch 30 auf, auf dem ein zu verar­ beitender Siliziumwafer 6 befestigt ist. Oberhalb des Tisches 30 ist eine SXM-Basis 20 angeordnet, und mittels eines Stützarmes 29 über Einstellgetriebe bzw. Einstellor­ gane 43 und 44, beispielsweise unter Verwendung eines Präzi­ sionsschneckenrades ("inch worm"), an eine Spiegelbasis 19 gesichert, so daß sie dem Siliziumwafer 6 gegenübersteht. Die Basis 20, auf die im folgenden Bezug genommen wird, stellt eine Basisplatte dar mit einer Vielzahl von Sonden und Auslegern, die jeweils die Sonden stützen. Im folgenden wird der Begriff SXM als allgemeiner Ausdruck verwendet für einen Reihe von Techniken, die sich aus STM ableiten.

Die SXM-Station ist mit einem optischen System zum Ausrich­ ten des Siliziumwafers bezüglich der SXM-Basis 20 versehen. Im folgenden wird das optische System erläutert. Parallele Strahlen, die von einer Lichtquelle 40 ausgehen, werden von einem Halbspiegel 41 reflektiert und gehen anschließend durch einen Halbspiegel 25, und erreichen schließlich einen Halbspiegel 23. Der Halbspiegel 23 läßt einen Teil der parallelen Strahlen durch und reflektiert den anderen Teil. Die durch den Spiegel 23 hindurchgelassenen Strahlen werden auf dem Siliziumwafer 6 mittels einer Objektivlinse 21 gebündelt, anschließend von dem Wafer 6 reflektiert, werden durch die Linse 21 wieder zu parallelen Strahlen und kehren zum Spiegel 23 zurück und treten hierdurch. Auf der anderen Seite werden die von dem Spiegel 23 reflektierten Strahlen erneut von einem Spiegel 24 reflektiert, und daran anschließend auf der SXM-Basis 20 durch eine Objektivlinse 22 gebündelt. Die gebündelten Strahlen werden hiervon reflektiert, werden erneut durch die Linse 22 parallel ausgerichtet, werden von dem Spiegel 24 reflektiert, errei­ chen den Halbspiegel 23, und werden hiervon reflektiert. Dementsprechend werden die von dem Wafer 6 reflektierten Strahlen und die von der SXM-Basis 20 reflektierten Strahlen erzeugt. Die erzeugten Strahlen passieren die Halbspiegel 25 und 41, und werden anschließend auf einer CCD-Kamera 27 durch eine Bildformungslinse 26 konvergiert. Als Ergebnis werden zwei Strukturierungen, bevor sie auf dem Siliziumwa­ fer 6 und der SXM-Basis 20 für die optische Ausrichtung des Wafers und der Basis vorgesehen sind, gleichzeitig in der CCD-Kamera 27 ausgebildet. Die Position der Spiegelbasis 19 wird in vertikaler Richtung aufgrund einer (nicht näher dar­ gestellten) Antriebsvorrichtung derart eingestellt, daß der Brennpunkt der Linse 21 auf dem Wafer 6 positioniert werden kann. Die Position der SXM-Basis 20 wird in vertikaler Rich­ tung durch den Stützarm 29 derart eingestellt, daß der Brennpunkt der Linse 22 auf der Basis positioniert wird und nach der Justierung so gehalten wird. Die SXM-Basis 20 wird vor der Justierung der Spiegelbasis 19 eingestellt. Diese Justierungen werden als Reaktion auf das Ausgangssignal eines Brennweitenjustierungsdetektors 28 durchgeführt, der einen Teil der von dem Halbspiegel 25 reflektierten Strahlen empfängt, wenn diese denselben passieren.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf Fig. 2 der Silizium­ wafer 6 erläutert. Auf dem Siliziumwafer 6 sind bereits durch konventionelle LSI-Prozesse im wesentlichen vollstän­ dige Schaltungselemente gebildet. Somit weist der Wafer 6 eine hierauf ausgebildete Justierungsstrukturierung SP auf, die bei den vorhergehenden Prozessen verwendet wurde. Bei der aufgrund der herkömmlichen Strukturierung ausgebildeten Schaltung sind Kontaktstellen (c), die Kontaktlöcher besetzen, die sich durch eine leitende Schicht, eine Halb­ leiterschicht vom p⁺-Typ und eine Halbleiterschicht vom n⁺-Typ erstrecken und vertikal die leitenden Schichten verbin­ den, sowie als Anschlüsse verwendete Elektrodenstrukturie­ rungen auf der Oberfläche mit einem Abstand von 2-10 µm vor­ handen. Die Kontaktlöcher und die Elektrodenstrukturierungen sind mit der Justierungsstrukturierung mit der höchsten Genauigkeit ausgerichtet.

Als nächstes wird unter Bezugnahme auf die Fig. 2 und 3 die SXM-Basis 20 erläutert. Auf der Basis 20 sind Justie­ rungsstrukturierungen (BP) auf ähnliche Weise wie die Justierungsstrukturierungen (SP) des Wafers 6 ausgebildet. Die Basis 20 weist ferner eine Apertur 38 auf, die zum opti­ schen Beobachten des Wafers 6 dient, sowie eine Sondenein­ heit zur Durchführung von STM, AFM usw., welche in Überein­ stimmung mit den Justierungsstrukturierungen (BP) derart angeordnet ist, daß letztere mit den auf der Oberfläche des Wafers 6 entworfenen Abständen entsprechen. Die Sondenein­ heit weist einen Ausleger mit einer Länge von 1-2 mm, einer Breite von 10-100 µm und einer Dicke von 1-5 µm auf, und ist zweidimensional nach rechts und nach links und in vertikaler Richtung bewegbar. Der Ausleger weist ein freies Ende auf, das mit einer spitzen Sonde versehen ist, welche aus einem leitenden Material zur Durchführung des STM-Betriebes herge­ stellt ist. Der Ausleger weist eine darin ausgebildete Ver­ drahtung auf zur Leitung eines Tunnelstromes an eine Detek­ torschaltung. Der Ausleger ist aus einem Al-Elektrodenfilm und einem ZnO-Film hergestellt, und bildet einen piezo­ elektrischen Antrieb mit zwei Bimorphen aus, welche sich parallel zueinander in longitudinaler Richtung des Auslegers erstrecken, wobei die Sonde hierzwischen angeordnet ist. Der Ausleger wird zur Abtastung nach rechts und links durch Ver­ ändern einer von außen angelegten Antriebsspannung gesteu­ ert. Der Abstand der Spitze der Sonde von dem Siliziumwafer wird durch Bewegen der Sonde in vertikaler Richtung einge­ stellt. Die Sonden der Sondeneinheit werden unabhängig von­ einander durch ein Sondensteuersystem gesteuert. Die SXM- Basis 20 kann grob in X- und Y-Richtung (Fig. 1) durch eine XY-Bewegungseinrichtung 42 (Fig. 1) zusammen mit der Spie­ gelbasis 19 bewegt werden, und kann auf genaue Weise in X- Richtung durch das Einstellorgan mit Zollgewindeschnecke 43 bewegt werden, welches die beiden parallelen Enden der Basis 20 stützt, und kann auf genaue Weise in Y-Richtung durch das Einstellorgan mit Zollgewindeschnecke 44 bewegt werden, welches das X-Einstellorgan mit Zollgewindeschnecke 43 stützt.

Fig. 4 zeigt den Gesamtaufbau der erfindungsgemäßen Litho­ grafievorrichtung. Die SXM-Station befindet sich in einer Kammer 50, zusammen mit einer Oxidationsstation 51, einer Polysilizium/Nitridisierungsstation 52, einer RIE-(Reaktives Ionenätzen)-Station 53, einer Ionenstrahlstation 54, usw., in denen die herkömmlichen Halbleiterbehandlungen unabhängig voneinander durchgeführt werden. Der Siliziumwafer 6 wird durch einen an sich bekannten Automatismus von einer Station zur anderen bewegt. Die Stationen und die Waferbewegung wer­ den von einer Steuerung 55 gesteuert.

Unter Bezugnahme auf das in Fig. 7 dargestellte Flußdiagramm wird die Betriebsweise der SXM-Station beschrieben.

Als erstes wird der Siliziumwafer 6 bei dem Schritt 1 durch einen (nicht näher dargestellten) Lader an den Wafertisch 30 übertragen, nachdem dieser bei dem Schritt 0 zur Bildung der Halbleiterschaltungselemente Behandlungen unterzogen wurde. Der Wafer 6 auf dem Tisch 30 wird durch einen unterhalb des Tisches 30 angeordneten Antrieb 34 in Drehung versetzt, wobei der Orientierungsrand ("flat") des Wafers 6 während der Drehung durch einen Orientierungsdetektor 35 überprüft wird. Der Wafer 6 hält an, wenn er in einer vorbestimmten Richtung ausgerichtet ist, wodurch die Orientierung bestimmt wird. Daran anschließend wird die die SXM-Basis 20 stützende Spiegelbasis 19 in vertikaler Richtung bewegt, und gleich­ zeitig wird der Brennweitenjustierungsdetektor 28 betrieben, so daß das optische Abbild des Wafers 6 durch die CCD-Kamera 27 überwacht werden könnte. Dieser Vorgang wird während der Übertragung des Wafers 6 auf die SXM-Station 50 durch den Lader durchgeführt. Dabei wird die Spiegelbasis 19 nach oben zurückgesetzt, damit eine Kontaktierung des Wafers 6 mit der SXM-Basis verhindert wird, und somit Siliziumwafer mit unterschiedlichen Dicken behandelt werden können.

Daran anschließend wird die SXM-Basis 20 aufgrund der XY- Bewegungsvorrichtung 42 in die X- und Y-Richtungen parallel zur Oberfläche des Wafers 6 bewegt. Dabei befindet sich der Wafer 6 in einer brennweitenjustierten Position, und somit wird die Oberflächenstrukturierung des Wafers durch die CCD- Kamera 27 überwacht. Der Wafer 6 wird durch einen Gleitme­ chanismus in X- und Y-Richtung mit hoher Geschwindigkeit bewegt, während er in dem brennweitenjustierten Zustand gehalten wird. Diese Bewegung wird durch die Steuerung 55 auf der Grundlage von ausgewählten Daten der Halbleiter­ schaltungselemente auf dem Wafer 6 gesteuert. Insbesondere wird der Wafer 6 als Reaktion auf den Ausgang der CCD-Kamera bewegt, in welcher die Strukturierungsübereinstimmung durch­ geführt wird, so daß die in Fig. 2 dargestellte Justierungs­ strukturierung SP11 mit der Justierungsstrukturierung BP21 (Schritt 2) ausgerichtet sein würde. Es wird angenommen, daß die Abweichung zwischen den Justierungsstrukturierungen innerhalb eines Bereiches von 0,1 µm oder weniger beschränkt werden kann. Falls die SXM-Basis 20 aufgrund deren Trägheit bei der Ausrichtung der Strukturierungen überläuft, wird deren Position durch das X-Einstellorgan mit Zollgewinde­ schnecke 43 und das Y-Einstellorgan mit Zollgewindeschnecke 44 jeweils in X- und Y-Richtung gesteuert. Diese Steuerung kann mit hoher Auflösung aufgrund des Zollgewindeschnecken­ mechanismus durchgeführt werden, welcher die Basis 20 in Einheiten von 1-0,1 nm bewegen kann.

Nachdem der Wafer 6 und die SXM-Basis 20 durch Ausrichtung der Justierungsstrukturierungen positioniert sind, wird der Stützarm 29 von der ursprünglichen Einstellposition wegbe­ wegt, wodurch die SXM-Basis 20 zum Wafer 6 hin bewegt wird (Schritt 3). Zur Überwachung des Tunnelstromes werden Son­ den, die bei den vier Ecken der Basis 20 angeordnet sind, durch die Steuerung 55 gesteuert. Wenn diese Sonden einen Tunnelstrom erfassen, wird der Stützarm 29 und damit die Basis 20 gestoppt. Somit befindet sich die Basis 20 in einem Zustand, in dem das STM durchgeführt werden kann (Schritt 4).

Daran anschließend werden die Sonden zur Durchführung eines Abtastvorganges zur Erfassung und Schätzung der Strukturie­ rung des Wafers betrieben (Schritt 5), und anschließend wird eine weitere Strukturierung auf dem Wafer durch STM-Litho­ grafie gebildet (Schritt 6). Falls notwendig, kann die STM- Lithografie mehrmals durchgeführt werden. Dementsprechend werden die Halbleiterschaltungselemente im Submikrometerbe­ reich mit der aufgrund der STM-Lithografie hergestellten Schaltung angepaßt. Schließlich wird der Wafer 6 von der SXM-Station 50 entladen. Falls notwendig, kann vor dem Ent­ laden des Wafers eine gesamte Abschätzung und eine Lieferung der Abschätzung der Schaltung mit der STM/AFM-Sonde durchge­ führt werden.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Fig. 2 und 5 die STM-Lithografie genauer erläutert. Wenn gemäß Fig. 2 die Justierungsstrukturierung SP11 mit der Justierungsstruktu­ rierung BP21 ausgerichtet ist, wird eine Auslegergruppe T50 (8×4 = 32 Ausleger) von sämtlichen Auslegern mit einer Vielzahl von Sonden, die auf der SXM-Basis 20 vorgesehen sind, auf einem linken unteren Abschnitt eines LSI-Bereiches L50 von sämtlichen der LSI-Bereiche (L1, .., L50, .., L100, .., L200, ..) des Wafers 6 positioniert. Ferner wer­ den, wie es in Fig. 5 unter Darstellung eines Teiles des Bereiches L50 gezeigt ist, Sonden 56-58 zur Abtastung des Kontaktloches C betrieben, welches in einem Schaltungsele­ ment 61, das in jedem LSI vorhanden ist, ausgebildet ist.

Die Abtastung wird durchgeführt unter Verwendung einer 2 µm- Amplituden-X-Abtastung aufgrund der Ausleger 66-68, welche als bimorphe piezoelektrische Treiber dienen, und ferner durch eine Y-Abtastung aufgrund des Y-Einstellorgans mit Zollgewindeschnecke 44. Wenn die Sonden 56-58 die Kontaktlö­ cher C102, C92 und C82 erreichen, fließt ein Tunnelstrom, der erfaßt wird. Acht Sonden werden durch die Steuerung zur Erfassung von parallelen Kontaktlöchern gesteuert. Nachdem bei den Schaltungselementen 60, 63 und 64 die Kontaktlöcher C100, C90 und C80 unter Verwendung der Ausleger 66-68 erfaßt worden sind, wird eine Spannung an die Sonden bei vorbe­ stimmten Zeitpunkten angelegt, während WSi-Gas aus einer Gaszuführquelle 36 zugeführt wird, wodurch das Gas auf vor­ bestimmte Abschnitte des Wafers abgeschieden wird und die Verdrahtung einer (nicht näher dargestellten) leitenden Strukturierung unter Verwendung der Kontaktlöcher C100, C90 und C80 als Eingangsanschlüsse oder Verwendung der Kontakt­ löcher C101, C91 und C81 als Ausgangsanschlüsse durchgeführt wird. Falls eine Verdrahtungsstrukturierung mit einer Linienbreite von 20 nm unter Verwendung der Sonden aufgrund der STM-Lithografie durchgeführt wird, können (50×125) X- und Y-Linien in einer Fläche von 2 µm×5 µm unter Berück­ sichtigung von Isolationsbereichen mit derselben Breite wie die Linien gezeichnet werden.

Bei dem Schätzschritt (Schritt 5), bei dem die Sonde bei dem freien Ende des Auslegers über die LSI-Schaltung abgetastet wird, wird kein Tunnelstrom erfaßt, wenn die Probe sich oberhalb des Isolationsbereiches befindet. Bei dieser Bewe­ gung wird somit ein (nicht näher dargestellter) Versetzungs­ detektor zur Erfassung der Versetzung in dem Ausleger ver­ wendet, welche die interatomare Kraft darstellt, welche zwi­ schen der Sonde und der Waferoberfläche ausgeübt ist, um die Entfernung zwischen der Sonde und dem Siliziumwafer auf ungefähr 1 nm auf der Basis eines von dem Verschiebungsde­ tektor gelieferten Signals zu halten. Der vorstehend genannte Vorgang wird AFM-Vorgang genannt. Während der Durchführung des oben genannten AFM-Vorgangs kann die Elektronenverteilung und die Kapazität durch Anlegen einer Wechselspannung zwischen der Sonde und der leitenden Schicht gemessen werden, welche sich über eine Isolationsschicht gegenüberstehen, und durch Erfassen des Wechselstroms. Ferner wird die Sonde nicht lediglich für die Erfassung des Tunnelstroms in einem leitenden Bereich verwendet, sondern ebenso für die Prüfung der Halbleitereigenschaften (d. h. I/V-Eigenschaften) aufgrund eines STS-(Scanning Tunneling Spectroscopy)-Vorganges, mit dem die an die Sonde angelegte Spannung moduliert wird.

Die Steuerung kann die auf der SXM-Basis vorgesehenen Sonden dazu veranlassen, die Eigenschaften einer Erdungsschaltung oder einer Leistungsversorgungsschaltung, die auf dem Wafer 6 ausgebildet sind, zu messen, und insbesondere bei der Inline-Verarbeitung die Eigenschaften eines Übergangs als ein Element oder die statischen und dynamischen Eigenschaf­ ten, wie beispielsweise einen Widerstandswert und einen Kapazitätswert, zu messen, und ebenfalls eine STP-(Scanning Tunneling Potentiometry)-Messung als eine STM-Spektroskopie­ technik durchzuführen, aufgrund derer die Spannungsvertei­ lung zwischen zwei Punkten auf einer Halbleiterschicht schätzbar ist. Diese Schätzdaten können, falls notwendig, zur Korrektur der daran anschließend durchzuführenden Schritte auf der Grundlage der Steuerung 55 verwendet wer­ den.

Wenn die Justierungsstrukturierungen SP11 und BP2 miteinan­ der ausgerichtet sind, wird eine weitere Auslegergruppe T60 mit einem linken unteren Abschnitt eines LSI-Bereiches L60 auf dem Wafer 6 ausgerichtet. Falls die SXM-Basis 20 in Y- Richtung bewegt wird (um einen Wert, der ein wenig geringer ist als der Radius des Wafers 6), und die Justierungsstruk­ turierung SP11 mit einer Justierungsstrukturierung BP22 aus­ gerichtet ist, wird die Auslegergruppe T50 mit einem linken oberen Abschnitt eines LSI-Bereiches L70 ausgerichtet. Die Justierungsstrukturierung SP11 kann in einem gewünschten Abschnitt des Wafers 6 angeordnet sein, und irgendeine beliebige der Auslegergruppen der SXM-Basis kann auf programmierte Weise mit der Strukturierung SP11 ausgerichtet werden. Ferner kann bei der Verdrahtungsabscheidung in den Auslegergruppen der Abstand zwischen jeder Sonde und dem Wafer 6 durch die unabhängig von jedem Ausleger durchzufüh­ rende bimorphe Steuerung eingestellt werden, wodurch die Ausbildung von verschiedenen Verdrahtungsstrukturierungen unabhängig von den weiteren, hierzu parallel durchgeführten Schritten gesteuert wird. Dementsprechend können ID-Daten wie beispielsweise ein Sicherheitscode in einem Halbleiter­ element eingebaut werden.

Jedes in Fig. 5 dargestellte Kontaktloch stellt einen Ein­ gangs/Ausgangsanschluß einer LSI-Schaltung dar, welche in dem Wafer 6 durch Lithografie im Mikrometerbereich eingebaut ist, und stellt eine Stelle dar, von der die STM-Lithografie gestartet wird, d. h. diese stellt den Ursprung eines Schal­ tungselementes dar, welches durch STM-Lithografie gezeichnet wird. Nachdem somit eine Verdrahtungsstrukturierung oder eine Gateelektrodenstrukturierung bei dem ersten STM-Litho­ grafieschritt ausgebildet ist, werden epitaktische Silizium­ p⁺- und/oder n⁺-Schichten durch eine an sich bekannte Fotolitho-Maskentechnik im Submikrometerbereich ausgebildet. Dabei wird das Kontaktloch, von dem die STM-Lithografie beginnt, mit einer Fotolitho-Maske im Submikrometerbereich geschützt, und wird erneut als Startpunkt bei dem zweiten STM-Lithografieschritt verwendet, wodurch eine Justierung im Nonometerbereich mit der in dem ersten STM-Lithografie­ schritt gebildeten Strukturierung durchgeführt wird. Anstelle der Bildung des Kontaktloches kann eine Justie­ rungsstrukturierung neuerlich bei dem ersten STM-Lithogra­ fieschritt gebildet sein, so daß diese als Ursprung genommen wird. Bei dem zweiten STM-Lithografieschritt wird die in dem herkömmlichen Dünnfilmbildungsprozeß (Schritt 0) gebildete Dünnfilmstrukturierung geätzt, wodurch eine Dünnfilmstruktu­ rierung im Nanometerbereich ausgebildet wird. Bei dem näch­ sten Schritt, d. h. bei dem nächsten herkömmlichen Dünnfilm­ bildungsschritt oder bei dem dritten STM-Lithografieschritt werden eine Verdrahtungsstrukturierung und eine Elektroden­ strukturierung durch erneute Bezugnahme auf den Ursprung ausgebildet.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 6A und 6B wird ein Beispiel des vorstehend erläuterten Verfahrens beschrieben. Als erstes erfaßt die Sonde ein Kontaktloch 77 als Reaktion auf die Instruktion der Steuerung 55. Das Loch 77 ist als Kreis mit einem Radius R dargestellt. Die Mitte des Loches ist jedoch von dem vorgegebenen Wert um Δ in X-Richtung ver­ setzt. Bei dem ersten STM-Lithografieschritt wird eine Startstrukturierung 78, aus der die zweite STM-Lithografie gestartet wird, aufgrund einer Wolfram-(W)-Verdrahtung gezeichnet, wobei anschließend eine Gateelektrode G2 eines Speicherfilmtransistors T20 gebildet wird, und daran anschließend eine Verdrahtungsschicht W1 und eine Gateelektrode G1 eines Filmtransistors T10 gebildet werden.

Daran anschließend wird der Siliziumwafer entladen, und anschließend einem herkömmlichen LSI-Bildungsprozeß unterzo­ gen, bei dem zuerst ein Gateisolierfilm 75 oder ein Spei­ chergateisolierfilm 71 aufgrund eines Nitridsiliziumfilmbil­ dungsschrittes gebildet wird. Der Nitridsiliziumfilm des Filmtransistors T10 weist ein stöchiometrisches Verhältnis Si/N von 0,75 auf, und derjenige des Filmtransistors T20 weist ein stöchiometrisches Verhältnis Si/N von 0,85-1,15 auf. Der Transistor T20 weist eine ladungsakkumulierende Funktion auf. Dann wird eine Halbleiterschicht 72 vom i-Typ und eine Halbleiterschicht 73 vom n-Typ auf der sich erge­ benden Struktur strukturiert. Die Halbleiterschicht 73 vom n-Typ wird zusammen mit einer Halbleiterschicht 74 vom n-Typ durch Fotolithografie oder Röntgenlithografie gebildet.

Daran anschließend wird der Wafer 6 auf die SXM-Station zurückgeführt, wo die zweite STM-Lithografie durchgeführt wird. Dabei erfaßt die Sonde die Startstrukturierung 78, welche bei der ersten STM-Lithografie gebildet ist, und führt eine Ausrichtung im Nanometerbereich durch.

Daran anschließend wird die einen Teil der Halbleiterschicht 73 vom n-Typ bildenden Halbleiterschicht 74 vom n-Typ einer STM-Ätzung über eine Breite von 20-50 nm unterzogen, wodurch die Strukturierung getrennt wird. Die zweite STM-Lithografie kann einen STS-Betriebsschritt zur Messung darüber enthal­ ten, ob die Halbleiterschicht 72 vom i-Typ entwickelt wurde oder nicht.

Bei der nächsten, dritten STM-Lithografie wird der Start­ punkt erneut bestätigt. Dann werden Sourceelektroden S20 und S10 oder Drainelektroden D20 und D10 abgeschieden, und es wird eine Verdrahtung einer Transistorstruktur gebildet, wodurch eine Verbindungsleitung 79, die die Drainelektrode G2 und die Gateelektrode D20 verbindet, oder eine Verbin­ dungsleitung 80 gezeichnet, die die Sourceelektrode S10 und die Gateelektrode G1 verbindet. Daran anschließend wird der Wafer einem herkömmlichen LSI-Schritt unterzogen, bei dem ein Schutzfilm 76 aus Siliziumnitrid oder dergleichen ausge­ bildet wird.

Die Breite d einer Leitung, die durch die STM-Lithografie gebildet ist, bestimmt sich innerhalb des Bereiches von 10 bis 50 nm entsprechend der Verdrahtungsstrukturierung, Elek­ trodenstrukturierung, usw., welche abhängig sind von einer Kombination der Halbleiterherstellprozesse. Bei der STM- Lithografie beträgt der Fehler in der Positionierung inner­ halb 1 nm oder dergleichen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist ebenso anwendbar auf ein Halbleitersubstrat aus AlGaAs, InGaAs oder InP. Ferner wird STM-Lithografie-Ätzen durchgeführt, nachdem eine epitaktische Schicht bestehend aus Al, GaAs oder In oder eine Mischung daraus auf einem Siliziumsubstrat gebildet worden ist, wodurch auf direkte Weise eine feine Gitter­ struktur mit einer Breite und einem Verdrahtungsabstand im Nanometerbereich gebildet werden. Alternativ kann die feine Gitterstruktur auf indirekte Weise hergestellt sein durch Unterziehen des nach einem Filmbildungsschritt unter Verwen­ dung eines CVD-Verfahrens erhaltenen Wafers einem STM-Litho­ grafie-Trimmen. Bei einer hochintegrierten GaAs- oder Sili­ ziumschaltung wird der Grad der Verzögerung in der Geschwin­ digkeit der Signalübertragung durch die Verdrahtung der Schaltung bestimmt, und es wird angenommen, daß, je feiner die hochverdichtete Verdrahtung ist, desto größer dessen Widerstand ist, so daß eine übermäßige Verringerung der Kapazität verhindert werden kann. Die STM-Lithografie- Verdrahtung kann wirksam durchgeführt werden, falls eine Mischung aus Au oder Ag und einem Silikat oder einem Arsenid als Material für die Verdrahtung verwendet wird.

Eine aktive Quantenstrukturschicht bzw. eine Clad-Schicht, deren Lichtübertragungsgeschwindigkeit gesteuert wird, wird gebildet durch Auswählen eines Mischungsverhältnisses von Al, Ga, As, P oder In, wodurch eine Laserstruktur zur Ver­ fügung gestellt wird. Aufgrund der vorstehend beschriebenen feinen Gitterstruktur kann die Wellenlänge des Lasers gesteuert, ein Filter zur Trennung von Signalsystemen von­ einander vorgesehen, und eine parallele Hochgeschwindig­ keitssignalverarbeitung in einem Einzelsystem durchgeführt werden.

Gemäß dem Ausführungsbeispiel muß der Eingangs/Aus­ gangsanschluß, der auf dem Siliziumwafer durch die Submikro­ meterlithografie gebildet ist, nicht notwendigerweise ein Kontaktloch aufweisen, sondern kann auch einen leitenden Film aufweisen, der auf einem vorbestimmten Abschnitt der Oberfläche der LSI-Schaltung gebildet ist. Bei der Bildung einer dreidimensional strukturierten Schaltung durch Lami­ nierung von Elektrodenfilmen auf einem Halbleiterfilm, der bei einer vorbestimmten Stelle vorgesehen ist, ist es ferner eine Frage der Verfahrensführung, daß die Elektrodenfilme direkt durch STM-Lithografie mittels der Steuerung kontrol­ liert gebildet werden, da die in aufeinanderfolgenden Schritten gebildeten Strukturierungen auf genaue Weise zueinander ausgerichtet werden können.

Claims (7)

1. Lithografievorrichtung zur Ausbildung einer Strukturie­ rung auf einem Wafer (6), der ein Halbfertigprodukt darstellt, und darauf ausgebildet eine Justierungs­ strukturierung (SP11) und eine IC-Strukturierung auf­ weist, welche aufweist:
einen Wafertisch (30) zum Plazieren des Wafers (6) hierauf;
eine SXM-Basis (20) mit einer hierauf ausgebildeten Bezugsjustierungsstrukturierung (BP22, BP21) und einer Vielzahl von Auslegern (66, 67, 68), von denen jeder eine STM-Sonde (56, 57, 58) zur Durchführung einer Abtastung aufweist;
eine Vorrichtung (42, 43, 44) zum Bewegen der SXM-Basis (20), wobei letztere parallel zu dem Wafer (6) gehalten ist;
eine Justierungsvorrichtung zum Justieren der Justie­ rungsstrukturierung mit der Bezugsjustierungsstruktu­ rierung;
eine Vorrichtung (29) zum Annähern der STM-Sonde (56, 57, 58) an eine Stelle, die bei einer vorbestimmten Entfernung von dem Wafer (6) angeordnet ist;
eine Schätzvorrichtung (55, 56, 57, 58) zum Abschätzen der IC-Strukturierung des Wafers (6); und
eine Strukturierungsbildungsvorrichtung (55, 56, 57, 58) zur Ausbildung einer Strukturierung unter Verwen­ dung der STM-Sonde (56, 57, 58).

2. Lithografievorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Justierungsvorrichtung aufweist:
eine Lichtquelle (40);
eine Vorrichtung (41) zum Unterteilen eines von der Lichtquelle (40) ausgehenden Lichtstrahles in zwei Strahlen;
eine Vorrichtung (21, 23) zum Emittieren von einem der Strahlen an die Justierungsstrukturierung (SP11);
eine Vorrichtung (21, 22, 24) zum Emittieren des ande­ ren der Strahlen an die Bezugsjustierungsstrukturierung (BP21, BP22);
eine Vorrichtung (26) zur Ausbildung eines Bildes von den jeweils von der Justierungsstrukturierung (SP11) und der Bezugsjustierungsstrukturierung (BP21, BP22) reflektierten Strahlen; und
eine Vorrichtung (27) zum Vergleichen der Position des Bildes der Justierungsstrukturierung (SP11) mit derje­ nigen des Bildes der Bezugsjustierungsstrukturierung (BP21, BP22).

3. Lithografievorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schätzvorrichtung (55, 56, 57, 58) eine Vorrichtung zum Anlegen einer Spannung zwischen die STM-Sonde (56, 57, 58) und den Wafer (6), und eine Vorrichtung zum Erfassen eines Tunnelstromes, der durch die STM-Sonde (56, 57, 58) fließt, aufweist.

4. Lithografievorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Strukturierungsbildungsvorrichtung (55, 56, 57, 58) eine Vorrichtung zum Anlegen einer Spannung an die STM-Sonde (56, 57, 58) bei einem vorbe­ stimmten Zeitpunkt aufweist.

5. Lithografievorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Strukturierungsbildungsvorrichtung (55, 56, 57, 58) desweiteren eine Vorrichtung (36) zum Versorgen des Wafers (6) mit einem Gas aufweist, wel­ ches ein strukturbildendes Material enthält.

6. Lithografievorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schätzvorrichtung (55, 56, 57, 58) und die Strukturierungsbildungsvorrichtung (55, 56, 57, 58) durch eine Steuerung (55) gesteuert sind, und die Steuerung (55) bewirkt, daß die STM-Sonde (56, 57, 58) bei vorbestimmten Zeitabläufen während der Abtastung stoppt und eine Spannung synchron mit den Zeitabläufen angelegt wird, wodurch eine lokale Schaltungsstruktu­ rierung bei einer Position, bei der die STM-Sonde (56, 57, 58) stoppt, gebildet bzw. geschätzt wird.

7. Lithografievorrichtung, welche aufweist:
eine hybride Prozeßvorrichtung (51, 52, 53, 54, 55) zum abwechselnden Durchführen eines Fotolithografieprozes­ ses und eines IC-Prozesses, welcher eine STM-Sonde ver­ wendet.