DD206450A1

DD206450A1 - Justiermarke zur automatischen positionierung eines halbleitersubstrates und verfahren zu ihrer herstellung

Info

Publication number: DD206450A1
Application number: DD24296382A
Authority: DD
Inventors: Peter Westphal; Christian Beyer; Lothar Andritzke; Rainer Pforr; Georg Waldmann
Original assignee: Mikroelektronik Zt Forsch Tech
Priority date: 1982-09-02
Filing date: 1982-09-02
Publication date: 1984-01-25
Also published as: BG48907A1; RO87878A; RO87878B; HU189741B

Abstract

DIE ERFINDUNG BETRIFFT EINE JUSTIERMARKE FUER DIE AUTOMATISCHE JUSTIERUNG EINES HALBLEITERSUBSTRATES MIT LACKMASKE RELATIV ZU EINER ZUGEORDNETEN SCHABLONE MITTELS OPTOELEKTRISCHER JUSTIERSYSTEME UNTER VERWENDUNG MONOCHROMATISCHER PROJEKTIONSABBILDUNG SOWIE EIN VERFAHREN ZU IHRER HERSTELLUNG. DIE JUSTIERMARKE BESTEHT ERFINDUNGSGEMAESS AUS WENIGSTENS ZWEI SICH KREUZENDEN, GRABENFOERMIGEN VERTIEFUNGEN, DIE SENKRECHT UND SYMMETRISCH ZU IHREN ACHSEN UNTERSCHIEDLICH LANGE STRUKTURELEMENTE IN PERIODISCHER WIEDERHOLUNG AUFWEISEN, DEREN BENACHBARTE STRUKTURKANTEN SICH BERUEHREN UND AUFGERAUHTE AETZFLANKEN BEI GEGENUEBER DER SUBSTRATOBERFLAECHE GLEICHEM ODER ABGESENKTEM PROFIL BESITZEN. DIE VORTEILE DER JUSTIERMARKE ERGEBEN SICH INSBESONDERE IN EINER GEZIELTEN AUSNUTZUNG BZW. UNTERDRUECKUNG VON INTERFERENZEFFEKTEN FUER EINE EXAKTE JUSTIERUNG UND POSITIONIERUNG DER SCHABLONE ZUM SUBSTRAT VOR JEDEM BELICHTUNGSSCHRITT. DAS ANWENDUNGSGEBIET ERSTRECKT SICH VORZUGSWEISE AUF DIE HALBLEITERINDUSTRIE, WOBEI ANDERE GEBIETE DER TECHNIK MOEGLICH SIND.

Description

Justiermarke zur automatischen Positionierung eines Halbleitersubstrates und Verfahren zu ihrer Herstellung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Justiermarke zur automatischen Positionierung eines Halbleitersubstrates relativ zu einer zugeordneten Maske oder Schablone mittels optoelektrischer Justiersysteme bei Anwendung monochromatischer Projektionsabbildung sowie ein Verfahren zur Herstellung derselben.

Das Anwendungsgebiet der Erfindung erstreckt sich auf die Herstellung mikroelektronischer Bauelemente in der Halbileiterindustrie·

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

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Mittels optoelektrischer Justiersysteme werden auf einem Halbleitersubstrat definiert angeordnete Markierungen durch das Projektionsobjekt, beispielsweise einer Projektionsrlithografieanlage, welches das zur Abbildung des auf einer Maske oder Schablone befindlichen, dem jeweiligen Verfahrensschritt entsprechende Strukturbild auf das Substrat überträgt, beleuchtet, wobei die Justiermarkenbeleuchtung mittels monochromatischem Licht erfolgt, welches sich durch die Wellenlänge von dem für die Belichtung verwendeten Licht unterscheidet· Durch die Beleuchtung der Justiermarke wird diese in transparente Markierungen der Zwischenschablone abgebildete

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Bas entstehende Bild wird senkrecht zur Meßrichtung optisch in zwei Bildhälften unterteilt und fotoelektrisch verglichen» Die für den Vergleich der Teilbilder erforderliche Überdeokung erfolgt durch eine Verschiebung der Justiermarke in x~ oder y^Richtung* bis der reflektierte Lichtstrom der Teilbilder gleich groß ist₀ Die zur Aufnahme des reflektierten Lichtstromes eingesetzten fotoelektrischen Meßköpfe dienen dabei als Meßglieder für einen Regelkreis, dessen Stellglied das Tischsystem mit dem Halbleitersubstrat darstellt» Die Regelkreisverstärkung wird durch die Meßsignalgrb'ße automatisch eingestellt, wobei die Justiergenauigkeit vom Anstieg des Meßsignals in der Umgebung des Nulldurchganges abhängig ist₀ Der Anstieg des Meßsignals wird durch den Kontrast der Marke sum Umfeld, durch das Verhältnis des Reflexionsgrades der Fläche um die Justiermarke sum Reflexionsgrad im Markenbereich selbst, bestimmt«

Es ist bekannt (DB»OS 25 39 206), durch einen anisotropen Ätzprozeß in alkalischer Ätzlösung auf einer kristallografisch orientierten (100)-Oberfläche eines Siliziumsubstrates pyramiden«· bzw, V-förmige Ätzstrukturen bzw₀ Vertiefungen zu erzeugen, die für kontrastreiche und prozeßstabile Justierstrukturen ausgenutzt werden können©

Durch die Beleuchtung derartiger, mit einem Fotolack be~ schichteter Reliefmarken mit Licht enger sprektraler Bandbreite j entstehen im Bereich der Justiermarke Interferenzfiguren_s die durch die Überlagerung einfallender und reflektierter Lichtwellen hervorgerufen werden«, Die Umfelder der auf diese Weise hergestellten Markenstrukturen können so stark ausgebildet sein, daß ihr Kontrast für einen präzisen Justiervorgang nicht ausreicht, da die Ätzgruben im Silizium einen relativ hohen Reflexionsgrad aufweisen

Desweiteren ist ein Nachteil dahingehend zu verzeichnen, als infolge der durch den Ätzprozeß in den Ätzgruben

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technologisch bedingt verbliebenen Plateaus zwischen einzelnen Ätsgrubenrastern ebenfalls Interferenzerscheinungen auftreten* die au einer weiteren Schwächung des Flächenkontrastes führen.,

Die Ausbildung von Interferenzstrukturen im Justiermarkenumfeld und innerhalb der Justiermarke können gemäß der DE-OS 24 22 982 vermieden und die Justiergenauigkeit erhöht werden, wenn durch einen fotolithografischen Zwischenschritt eine Belichtung und Freientwicklung des Justiermarkengebietes z.B₀ im 1 : 1 Kontakt- bzw₀ Proximity-Verfahren erfolgt«, Durch die Lackentfernung und die damit verbundene Beseitigung der Interferenzstrukturen im Justiermarkenbereich wird die Uberdeckungsgenauigkeit aufeinanderfolgender Strukturierungen verbessert, weil die Überdeckungsfehler entfallen, die bei der Justierung an anisotrop geätzten Maskierungsmustern mit wechselnder Lackmaske hervorgerufen werden«, Als Bedingung für die Anwendung dieses Verfahrens ist es jedoch erforderlich, die Schichtherstellung auf der Substratoberfläche auf relativ kleine zulässige Schwankungen zu optimieren und gleichzeitig die Schichtdicken auf optisch gut reflektierende Bereiche für die Technologie einzuschränken. Desweiteren sind Maßnahmen zur Erzeugung eines hohen Reflexionsgrades im Markenumfeld, zum Beispiel durch Aufbringen von kontrastfördernden Schichten, erforderlich, wodurch eine erhebliche Komplizierung der Technologie der Strukturierung eintritt, die dem Anliegen einer defektarmen Strukturerzeugung für den Projjektiorisbelichtungsprozeß widerspricht. £üs den angeführten Gründen ist ein automatisches Justieren mit der erforderlichen technologischen Uberdeckungsgenauigkeit nicht möglich.

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- 4 Ziel der Erfindung

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Das Ziel der Erfindung besteht darin» eine automatische Justierung von Halbleiterscheiben relativ zu einer Maske oder Schablone unter der Anwendung monochromatischer Projektionsabbildung und ohne Lackentfernung im Justiermarkenumfeld zu ermöglichen.

Aufgabe der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Justiermarke sowie ein Verfahren zur Herstellung derselben zu entwickeln, die es ermöglichen, den Justierprozeß zwischen Maske oder Schablone und dem Halbleitersubstrat mittels opto-elektrischer Justiersysteme unter Verwendung monochromatischer Projektionsabbildung mit höchster Präzision und Reproduzierbarkeit bei lackbedeckter Justiermarke zu gestalten«

Merkmale der Erfindung

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Justiermarke wenigstens zwei sich kreuzende, grabenförmige Vertiefungen aufweist_s in denen zu ihren Achsen senkrecht und symmetrisch angeordnete_s unterschiedlich lange Struk— turelemente in periodischer Wiederholung vorgesehen sind, wobei sich deren benachbarte Strukturkanten berühren und die Oberfläche der Ätzflanken aufgerauht ist. Eine vorteilhafte Gestaltung für den Anwendungsfall ergibt sich daraus, wenn die Anzahl der Xtzgrabenflenken durch eine Teilung der langen Gräben oder durch eine Verdoppelung der kurzen Gräben erhöht ist.

Desweiteren weist der sich kreuzende Bereich der Ätzgräben mit der übrigen Substratoberfläche gleiches Niveau auf. Die erfindungsgemäßen Ätzgräben der Justiermarke weisen vorzugsweise eine Breite von 3yH^n und einen Quergrabenab- stand von 2 Mm auf, wobei die Länge der langen Gräben nach

dem Ätzprozeß vorzugsweise 2 + 0,5 iun kleiner ala die Breite der transparenten Markierung in der Zwischenschablone ist β

In einer Ausgestaltung der Erfindung sind in der Achsrichtung der Ätzgräben paarweise hintereinandergereihte kurze Gräben vorgesehen, die mit jeweils neben diesen axial und symmetrisch angeordneten langen Gräben korrespondieren»

Desweiteren ist es mö'glichi die kurzen Gräben so zu gestalten» daß sie radial eine Einheit bilden oder daß sie in einfacher Anordnung in axialer Richtung vorgesehen sind©

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das Profil der sich axial berührenden Strukturkanten gegenüber der Oberfläche des Substrates abgesenkt, und die abgesenkten, profilhöchsten Punkte weisen gleiches Niveau auf.

Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die mittels lithografischer Abbildungsverfahren auf die Oberfläche des mit einem schichtfö'rmigen Material versehenen Substrates übertragene, als Maske auf dem Halbleitermaterial strukturierte und einer anisotropen Ätzung ausgesetzte Justiermarke isotrop nachgeätzt bis zur Berührung benachbarter Strukturkanten oder unter gezielter Absenkung des Profils, wobei mit der isotropen Nachätzung gleichzeitig eine Aufrauhung der Siliziumoberfläche in den Ätzgräben verbunden ist. Als Ätzmittel wird dabei vorzugsweise Polysiliziumätzer eingesetzt.

Es ist auch möglich, die isotrope Nachätzung gleichzeitig mit der anisotropen Ätzung durchzuführen, indem die Komponenten des anisotropen Ätzers mit dem isotropen Ätzer eingesetzt werden.

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Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispieles und von 13 Zeichnungen näher erläuterte Dabei zeigen Pig, 1 die Geometrie einer Justiermarke, schematisch;

Figo 2 die Anordnung der kurzen und langen Quergräben im Entwurf 5

Pig·. 20.1 den Schnitt durch ein anisotrop geätztes Halbleitersubstrat;

Figo 3 die Lateralstruktur der Quergräben nach dem Ätzvorgang;

Fig· 3d den Schnitt durch die Quergräben entlang der Ätzgrubenachse;

Fig. 4.1 ' bis 4·7 Varianten der Quergräben;

Fig* 5 den Schnitt durch die Quergräben mit aufliegender Maske nach dem anisotropen Ätzprozeß;

Figo 5o1 eine Profilabsenkung nach dem isotropen Ätzprozeß im Schnitt·

Die Fig. 1 zeigt die schematische Darstellung einer Justiermarke 1 gemäß der vorliegenden Erfindung mit in x- und y-Richtung senkrecht aufeinanderstehenden und sich kreuzenden Achsen, die als Ätzgruben 3; 3·1 bezeichnet sind und wie sie für die automatische Positionierung eines (100)-orientierten Halbleitersubstrates mittels monochromatischer Projektionsabbildung eingesetzt wird·

Die Ätzgruben 3; 3·1 der Justiermarke 1 bestehen aus radial zu den Achsen x; y wechselseitig hintereinander angeordneten kurzen und langen Markierungen, die mittels eines geeigneten Abbildungsverfahrens auf das mit einer Oxidmaske 9 versehene Halbleitersubstrat 2 übertragen werden. Die Justiermarke ist dabei im Entwurfsstadium ao ausgeführt, daß der sich kreuzende Bereich der Ätzgräben 3; 3·1 frei bleibt. Bei der Vergrößerung eines Ausschnittes der Ätzgruben 3 oder 3d ist ersichtlich, daß die Markierungen aus kurzen

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Gräben 4 und aus langen Gräben 5 bestehen, die in Pig«, 2 ira. Entwurf dargestellt sind«, Die Abmessungen der Gräben 4? 5 werden erfindungsgemäß so gewählt₉ daß sie untereinander einen Abstand von vorzugsweise 2 Lm und eine Breite von 3l»^m aufweisen» Die Länge des langen Grabens ist so groß ausgebildet, daß sie vorzugsweise nach einem anschließenden Bearbeitungsprozeß 2 + 0*5 M^- kleiner als die Breite der transparenten Markierung in einer nicht dargestellten Zwischenschablone ist.

Nach der Übertragung des Entwurfsrausters der Justiermarke in die Fotolackschicht mittels eines geeigneten Belichtungs* Verfahrens und nachfolgenden Entwicklungsvorganges und nach Erzeugung der Ätzmaske durch Entfernen der in einem vorangegangenen Verfahrensschritt auf die Halbleiteroberfläche aufgebrachten technologischen Schicht « vorzugsweise einer dünnen Oxidschicht - in den freientwickelten Gebieten der Lackmaske wird die unter den jeweiligen Öffnungen liegende Oberfläche des Halbleitersubstrates 2 anisotrop geätzt, so daß aufgrund der (100)-Orientierung der Kristall struktur eine V-förmige Vertiefung 10 unter jeder öffnung der Oxidmaske 9 entsteht, die vier schräge (111)-Plächen bzw, Itzflanken 6 aufweisen, deren Winkel zur Oberfläche des Halbleitersubstrates 2 etwa 55° beträgt (Fig. 2,1)·

Während eines ablaufenden Justiervorganges wird die Oberfläche des Halbleitersubstrates 2 über eine nicht dargestellte optische Justiereinrichtung beleuchtet, wobei die auf die Halbleiterscheibe einfallenden Strahlen 11 von der unstrukturierten Oberfläche nahezu senkrecht in das nicht dargestellte Objektiv reflektiert werden. An den Ätzflanken 6 dagegen werden die Strahlen 11 entsprechend dem Einfallswinkel so reflektiert, daß nur noch ein geringer Anteil an Lichtintensität in das Objekt gelangt, so daß im Abbildungsstrahlengang zur Justierung die Ätzflanken gegenüber der Halbleiteroberfläche optisch dunkel erscheinen, bei jedoch relativ hohem Reflexionsgrad.

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Zur Erhöhung des Kontrastes wird die anisotrop vorgeätzte Struktur isotrop nachgeätzt„

Bei kurzzeitiger Einwirkung des Ätzers auf die Ätzflanken 6 erfolgt eine Aufrauhung 6₀1 derselben, so daß der Anteil an in das Objektiv reflektiertem Licht infolge von Streureflexionen innerhalb der Ätzgräben 3? 3<>1 wesentlich vermindert wird,, wodurch eine Herabsetzung des Reflexionsgrades erreicht wird.

Der Ätzprozeß wird vorteilhaft so weit geführt, daß die Ätzmaske 9 ohne Beeinflussung des Profilquerschnittes unterätzt wird, bis sich benachbarte Strukturkanten berühren (Pig₀ 3*1).

Eine Weiterätzung bewirkt ein Absenken des Profils unter die Oberfläche des Halbleitersubstrates 2 (Mg« 5) für die Justiermarken gemäß Pig· 4« 5} 4o6; 4*7 derart, daß ein Gesamtprofil gemäß Pig« 5*1 erkennbar wird. Die Profilabsenkung führt desweiteren zu einer Abflachung des Profils, wobei der Winkel, den die (111)-Plächen einschließen, so verändert wird, daß das einfallende Licht annähernd wieder in die Ursprungsrichtung reflektiert wird und dadurch optisch eine Aufhellung erfolgt. Dadurch heben sich die das angrenzende Gebiet einschließenden Ätzflanken 6 kontrastreich von dem aufgehellten Bereich ab. Bei Anwendung der Justiermarken im technologischen Halbleiterherstellungsprozeß wirkt es sich vorteilhaft aus, wenn in jeder Bearbeitungsebene gleichzeitig mit der Belichtung des Bildfeldes das Justiermarkengebiet so belichtet wird, daß durch die nachfolgenden Präparationsschritte ein Schichtaufbau über dem Justiermarkengebiet verhindert wird, der zu einer Schwächung des Markenkontrastes führen würde«

Bei einer Belichtung und Freientwicklung des Justiermarkengebietes ist eine Freiätzung von der technologischen Schicht der jeweiligen Strukturierungsebene gegeben, während bei Lackabdeckung ein Aufwachsen einer nachfolgenden Schicht verhindert wird.

Claims

Erfindungsanspruch

1β Justiermarke zur automatischen Positionierung eines Halbleitersubstrates relativ zu einer zugeordneten Maske oder Schablone mittels opto-elektrischer Justiersysteme, bestehend aus in der Halbleitersubstratoberfläche durch entsprechende Verfahrensschritte der Begichtung, Entwicklung und Itzung zur Strukturierung von beschichtetem Halbleitermaterial erzeugten, vorzugsweise pyramidenförmigen Vertiefungen» gekennzeichnet dadurch, daß die Vertiefungen als mindestens zwei vorzugsweise senkrecht aufeinanderstellende, gekreuzte Ätzgruben (3; 3*1) ausgebildet sind, wobei die Ätzgruben (3; 3«1) senkrecht und symmetrisch zu ihren Achsen periodisch aneinandergereihte Vertiefungen verschiedener Abmessungen aufweisen, deren benachbarte Strukturkanten sich berühren·

Justiermarke gemäß Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Vertiefungen in den Ätzgruben (3; 3d) als kurze Gräben (4) und lange Gräben (5) ausgebildet sind, deren Ätzflanken (6) mit einer Aufrauhung versehen sindo

3. Justiermarke gemäß Punkt 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Anzahl von Planken durch Teilung der langen Gräben (5) in der Achse der Ätzgräben (3; 3*1) erhb'ht ist.

4ο Justiermarke gemäß Punkt 2 und 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Anzahl der Planken durch Doppelung der kurzen Gräben (4) erhöht ist.

Justiermarke gemäß Punkt 2, gekennzeichnet daduroh, daß die Ätzgräben (4; 5) nach dem Ätzprozeß vorzugsweise eine Breite von 5 Am aufweisen, wobei die Länge der Gräben (5) vorzugsweise 2 ± 0,5Mm kleiner als die Breite der transparenten Markierung in der Zwischenschablone ist

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6. Justiermarke gemäß der Punkte 2 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß das Profil von zwischen den langen Gräben (5) angeordneten kurzen Gräben (4) gegenüber der Oberfläche des Substrates (2) gleiches Niveau aufweist,,

Justiermarke gemäß Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß in Achsrichtung der Ätzgruben (3; 3·1 ) hintereinander und paarweise angeordnete kurze Gräben (4) vorgesehen sind, die mit jeweils neben diesen axial und symmetrisch angeordneten langen Gräben (8) korrespondieren_o

8_e Justiermarke gemäß Punkt 7, gekennzeichnet dadurch, daß die kurzen Gräben (4) radial eine Einheit (7o1) bilden<,
9. Justiermarke gemäß Punkt 8, gekennzeichnet dadurch, daß die kurzen Gräben (4) axial in einfacher Anordnung vorgesehen sind.

1Oo Justiermarke gemäß der Punkte 7 bis 9i gekennzeichnet dadurch, daß das Profil zwischen den axial und symmetrisch angeordneten langen Gräben (8) gegenüber der Oberfläche des Substrates (2) abgesenkt ist und die abgesenkten Profile (4«1) innerhalb der Ätzgruben (3; 3·1) gleiches Niveau aufweisen

ο Justiermarke gemäß Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß

der sich kreuzende Bereich (1<>1) der A'tzgruben (3; 3*1)

mit der Oberfläche des Substrates (2) gleiches Niveau aufweist. ;

12» Verfahren zur Herstellung einer Justiermarke zur automatischen Positionierung eines Halbleitersubstrates relativ zu einer Schablone mittels optoelektrischer Justier- ; systeme unter Anwendung monochromatischer Projektions-; abbildung, wobei die Struktur der Justiermarke durch eine Maske hindurch mittels lithografischer Abbildungsverfahren auf die Oberfläche des mit einem schichtförmi-

gen Material versehenen (100)-Halbleitersubstrates übertragen und die abgebildeten Strukturen anschließend einem anisotropen Ätzprozeß ausgesetzt werden, gekennzeichnet dadurch, daß die erzeugte Struktur isotrop nachgeätst wird, bis sich benachbarte Strukturkanten innerhalb der Ätzgruben (3; 3*1) berühren und die Oberfläche der Ätzflanken (6) eine Aufrauhung (6_e1) aufweist,

13o Verfahren zur Herstellung einer Justiermarke gemäß Punkt 12j gekennzeichnet dadurch, daß die isotrope .Nachätzung mittels Polysiliziumätzer durchgeführt wir do

14» Verfahren zur Herstellung einer Justiermarke gemäß Punkt 12, gekennzeichnet dadurch, daß die isotrope Ätzung in Verbindung mit der anisotropen Ätzung durchgeführt wird.

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen