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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Verfahren zur Planarisierung der Oberfläche eines Halbleiterwafers
nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie eine Vorrichtung
zur Durchführung
dieses Verfahrens.
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Wird zur Oberflächenbehandlung eines Halbleiterwafers
eine Methode, wie beispielsweise chemisch-mechanisches Polieren
(CMP) eingesetzt, so kann bei entsprechenden geometrischen und maschinenbaulichen
Vorgaben des eingesetzten CMP-Gerätes generell eine globale Planarisierung der
Oberfläche
eines Halbleiterwafers erreicht werden. Dies gilt aber nicht für eine Planarisierung,
bei der eine Flüssigkeit,
wie beispielsweise ein Fotolack oder hypothetisch (gilt auch im
folgenden) ein Spin-On-Glas (SOG) auf einen Halbleiterwafer aufgeschleudert
wird. Hier ist eine globale Planarisierung nur dann zu erreichen,
wenn die Gleichmäßigkeit
der Topographie der Oberfläche
des Halbleiterwafers bzw. der Anordnung von darauf gebildeten Strukturen
bestimmte Anforderungen erfüllen.
Dies soll im folgenden anhand der 3 näher erläutert werden.
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Auf ein Halbleitersubstrat 1,
das aus Silizium bestehen kann, befinden sich beispielsweise Leiterbahnen 2 in
einem Bereich 20, während
in einem neben diesem Bereich 20 liegenden Bereich 21 auf
dem Halbleitersubstrat 1 keine Leiterbahnen vorgesehen sind.
Auf die die Leiterbahnen 2 aufweisende Oberfläche des
Halbleitersubstrates 1 wird durch Aufschleudern ein Fotolack
(oder ein SOG) aufgetragen, um so eine zu planarisierende Schicht 3 zu
bilden. Diese Schicht 3 ist dann an einem Ort 4 im
Bereich 20 mit den Leiterbahnen 2 immer höher als
an einem Ort 5 im Bereich 21 ohne die Leiterbahnen 2.
Der Ort 5 zeichnet sich dabei dadurch aus, daß er im
Bereich 21 an einer Stelle liegt, von der die Leiterbahnen 2 relativ
weit beabstandet sind.
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Aus dem Beispiel der 3 ist zu ersehen, daß durch Aufschleudern einer
Flüssigkeit
zur Bildung der zu planarisierenden Schicht 3 Topographieunterschiede,
beispielsweise infolge von Leiterbahnen, nur ausgeglichen werden
können,
wenn die durch die Leiterbahnen 2 gebildeten Erhebungen, zwischen
denen planarisiert werden soll, deutlich näher beisammen liegen als die
Distanz, die ein Fotolack oder ein SOG benötigt, um von seiner, durch Hindernisse
bedingten erhöhten
Schichtdicke wieder auf seine normale Schichtdicke zurückzufallen.
Mit anderen Worten, im Beispiel der 3 muß der Abstand
d zwischen den Leiterbahnen 2 erheblich kleiner sein als
die Distanz D, über
der die durch die Leiterbahnen 2 erhöhte Schichtdicke t1 der
Schicht 3 auf die normale Schichtdicke t2 dieser
Schicht 3 an Orten 5 im Bereich 21 zurückfällt.
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Bisher werden zur Planarisierung
von durch Oxide oder Metalle gebildeten Erhebungen auf Halbleiterwafern
mit großem
Durchmesser Methoden wie insbesondere CMP eingesetzt. Es werden
hier aber auch SOG-Planarisierungen vorgenommen. Um bei diesen das
oben aufgezeigte Problem zu mildern, werden dabei teilweise auch
sogenannte Dummy-Strukturen verwendet, die zur Vergleichmäßigung der
Schichtdicke des zu planarisierenden SOG dienen. Im Beispiel von 3 liegen die beiden äußeren Leiterbahnen 2 in
einem Abstand zueinander, der der Distanz D entspricht. Sind die
beiden mittleren Leiterbahnen 2 nicht vorhanden, so ist
im Bereich 20 hier eine Planarisierung nicht möglich, da
die Bedingung, daß der
Abstand d zwischen den Leiterbahnen klein gegenüber der Distanz D sein soll,
nicht erfüllt
ist. Um dieser Bedingung zu genügen,
können die
beiden mittleren Leiterbahnen 2 als Dummy-Strukturen eingesetzt
werden, wodurch dann im Bereich 20 die angestrebte Planarisierung
erreicht wird. Mit einer solchen Planarisie rung im Bereich 20 ist
aber immer noch nicht eine globale Planarisierung über den
gesamten Wafer gegeben.
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Die Methode, Dummy-Strukturen zur
Planarisierung bei SOG oder Fotolacken heranzuziehen, ist nicht
auf jede Art eines Schaltkreises oder eines Mikrochips anwendbar.
Dies gilt insbesondere für Bauelemente
der Leistungselektronik, da hier erhebliche Strukturunterschiede
in der Oberfläche
zwischen Bereichen des Zellenfeldes und Bereichen des Chiprandes
mit Feldplatten usw. bestehen.
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Im einzelnen ist ein Verfahren der
eingangs genannten Art aus der
DE 197 53 782 A1 bekannt. Weiterhin beschreibt
die
EP 0 731 387 A2 ein
Verfahren, bei dem eine Fotoschicht mit einer Grautonmaske mit einem
Lochmuster mit einer Vielzahl von Löchern belichtet wird. Eine
größere Lichtdurchlässigkeit
der Grautonmaske ist dabei mit einem größeren Materialabtrag der entwickelten
Fotoschicht verbunden. Der Durchmesser der Löcher der Grautonmaske wird
durch die optische. Dichte bestimmt und sollte nicht kleiner als
die optische Auflösungsgrenze sein
(vgl. hierzu auch OPPLIGER, Y., [u. a.]: One-step 3D Shaping Using
a Gray-Tone Mask for Optical and Microelectronic Applications. In:
Microelectronic Engineering (Netherlands), 1994, Vol. 23, No. 1 – 4, ISSN
0167-9317, S. 449-454, und
DE
44 35 022 A1 ).
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Schließlich ist aus der
US 6,020,256 ein Planarisierungsverfahren
mit einem Belichtungsschritt bekannt, bei dem eine Fotoresistschicht
auf einem mit einer dielektrischen Schicht versehenen und Erhebungen
aufweisenden Oberfläche
eines Halbleiterkörpers über eine
Maske belichtet wird. Die Maske hat dabei transparente Teile an
Stelle der Erhebungen, während
sie an einem „Chromteil" lichtundurchlässig ist.
Dieser Chromteil befindet sich dabei zwischen den Erhebungen. Mittels
der Belichtung durch diese Maske soll eine Planarisierung der dielektrischen
Schicht bewirkt werden. Damit kann der Fachmann dieser Druckschrift
die Lehre entnehmen, dass die Oberfläche eines Halbleiterwafers
mittels einer Maske planarisiert werden kann, die an Stellen von Erhebungen
eine große
Lichtdurchlässigkeit
hat und in Bereichen zwischen diesen Erhebungen eher lichtundurchlässig ist.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein
verbessertes Verfahren zu schaffen, mit dem die Oberflächen von
Halbleiterwafern mit ausgeschleuderten Flüssigkeiten, wie insbesondere
Fotolacken, planarisiert werden können, wobei bei einer Belichtung
durch eine Grautonmaske auf der zu belichtenden Oberfläche des
Halbleiterwafers zwar unterschiedliche lokale Lichtintensitäten abhängig von
der Topographie dieser Oberfläche
entstehen, die Löcher der
Grautonmaske selbst aber die Belichtung nicht durch Beugungs- und
Interferenzerscheinungen beeinträchtigen.
Außerdem
soll eine Vorrichtung zur Durchführung
dieses Verfahrens angegeben werden.
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Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren
der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden
Teil des Patentanspruches 1 enthaltenen Merkmale gelöst. Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zeichnet sich dabei durch eine im Bereich der Erhebungen vorgesehene
Vielzahl von Löchern
in der Grautonmaske aus, deren Durchmesser wesentlich kleiner ist
als die Wellenlänge
des zur Belichtung der Fotoschicht verwendeten Lichtes.
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Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung
sind besonders vorteilhaft bei Halbleiterwafern mit großem Durchmesser
einsetzbar, da bei diesen Methoden wie CMP nicht erfolgreich herangezogen
werden können.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der
Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Wesentlich an dem erfindungsgemäßen Verfahren
zur Planarisierung der Oberfläche
eines Halbleiterwafers ist also, daß die auf die Oberfläche des Halbleiterwafers
aufgetragene und insbesondere aufgeschleuderte Flüssigkeit,
nämlich
vorzugsweise Fotolack oder SOG, mit Hilfe der Grautonmaske so belichtet
wird, daß an
Stellen mit Erhebungen auf der Oberfläche des Halbleiterwafers und
damit an Orten mit erhöhter
Schichtdicke der durch die aufgeschleuderte Flüssigkeit gebildeten Fotoschicht
eine größere Lichtmenge
als an Orten dieser Fotoschicht mit geringerer Schichtdicke zur
Einwirkung gebracht wird, so daß an
den Orten, an denen die Fotoschicht gegenüber einer Zielebene stärker überhöht ist,
eine größere Lichtmenge
eintrifft als an Orten, an denen die Fotoschicht gegenüber dieser
Zielebene weniger stark überhöht ist.
Dadurch wird an den Orten mit stärkerer Überhöhung der
Schichtdicke der Fotoschicht gegenüber der Zielebene ein größerer Anteil
des Lackes bzw. SOG wegentwickelt als an den Orten, an denen eine
schwächere Überhöhung gegenüber der Zielebene
vorliegt und an denen eine kleinere Lichtmenge eintrifft. Ist die
Fotoschicht gegenüber
der Zielebene überhaupt
nicht überhöht, so findet
dort keine Belichtung statt.
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Diese variable Beleuchtungsstärke wird durch
die Grautonmaske verwirklicht, indem in die Maske, die beispielsweise
aus Chrom bestehen kann, ein Raster von Löchern eingebracht wird, das gegenüber der
Wellenlänge
des zur Belichtung verwendeten Lichtes sehr klein ist, so daß nur eine
aus den an den Löchern
hervorgerufenen Beugungs- und Interferenzerscheinungen resultierende
Lichtmenge pro Flächeneinheit
auf der Oberfläche
des Halbleiterwafers ankommen kann. Dies bedeutet, daß die Durchmesser
der Löcher
der Maske wesentlich kleiner sind als die Wellenlänge des
für die
Belichtung der Fotoschicht verwendeten Lichtes. Alternativ ist es aber
auch möglich,
den Abstand zwischen der Grautonmaske und dem Halbleiterwafer hinreichend
groß zu
halten, so daß die
Löcher
der Grautonmaske durch Beugungserscheinungen nicht mehr abbilden, sondern
je nach ihrer Häufigkeit
eine gleichmäßige Verminderung
der Beleuchtungsstärke
auf der Halbleiterwaferoberfläche
bewirken.
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Für
die Grautonmaske kann eine Chrom-Fotomaske verwendet werden, die
entsprechend den lokalen Ungleichmäßigkeiten der aufgetragenen
Fotoschicht ein Muster aus hinreichend kleinen Löchern aufweist, die so angeordnet
sind, daß auf
der zu belichtenden Oberfläche
des Halbleiterwafers unterschiedliche lokale Lichtintensitäten entstehen.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand
der Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
Schnittdarstellung durch den Oberflächenbereich eines Halbleiterwafers
zur Erläuterung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
nach einem ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung,
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2 eine
Schnittdarstellung durch den Oberflächenbereich eines Halbleiterwafers
zur Erläuterung
eines zweiten Ausführungsbeispiels
des erfindungsgemäßen Verfahrens
und
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3 eine
Schnittdarstellung durch den Oberflächenbereich eines Halbleiterwafers
zur Erläuterung
der der Erfindung zugrundeliegenden Problematik.
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3 ist
bereits eingangs erläutert
worden.
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1 zeigt
ein Halbleitersubstrat 11 aus Silizium, auf dessen Oberfläche Leiterbahnen 16 aus Aluminium
vorgesehen sind. Diese Leiterbahnen 16 sind in eine Siliziumdioxid schicht 15 eingebettet.
Die Siliziumdioxidschicht 15 kann dabei aus zwei Schichten 15a und 15b bestehen.
Anstelle von Siliziumdioxid können
für die
Schichten 15a und 15b und damit für die Schicht 15 auch
andere Materialien gewählt werden,
wie beispielsweise Siliziumnitrid. Auch ist es selbstverständlich möglich, auf
die Siliziumdioxidschicht 15 zu verzichten und die Oberfläche des
Siliziumsubstrates 1, dessen Oberfläche mit den Erhebungen 16 versehen
ist, mittels des erfindungemäßen Verfahrens
direkt zu planarisieren.
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Jedenfalls liegen nach Auftragen
der Siliziumdioxidschicht 15 im Bereich der Leiterbahnen 16 in
der Oberfläche
der Siliziumdioxidschicht 15 an Orten 7 Erhebungen
vor, die ein Planarisieren einer aufgeschleuderten Flüssigkeit
in der Form eines Fotolackes oder SOG behindern.
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Auf die Oberfläche der Siliziumdioxidschicht 15 wird
sodann ein Fotolack 17 durch Aufschleudern aufgetragen.
Dieser Fotolack 17 scheidet sich aufgrund der lokalen und
globalen Unterschiede in der Topografie und der Struktur der Waferoberfläche bzw.
Oberfläche
der Siliziumdioxidschicht 15 so ab, daß die durch das Aufschleudern
gebildete Oberfläche 19 des
Lackes keine Ebene ist.
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Die Oberfläche der durch den Fotolack 17 gebildeten
Schicht kann erfindungsgemäß nun dadurch
global eingeebnet werden, daß über eine Grautonmaske 6 eine
Belichtung des Fotolackes 17 vorgenommen wird. Diese Grautonmaske 6 läßt an Positionen 8,
an denen der Fotolack 17 von den Erhebungen der Siliziumdioxidschicht 15 relativ
weit entfernt ist, kein Licht durch, während an den Positionen 7 oberhalb
der Leiterbahnen 16 Lichtdurchlässigkeit über ein Lochmuster 18 gegeben
ist. Dadurch trifft an den Positionen 7, in denen der Fotolack 17 gegenüber den
Positionen 8 stärker überhöht ist, eine
größere Lichtmenge
ein, so daß bei
einem anschließenden
Entwickeln des Fotolackes 17 auch ein größerer Anteil
von diesem wegentwickelt wird. An Positionen, in denen der Fotolack 17 gegenüber der durch
die Positionen 8 vorgegebenen Zielebene schwächer überhöht ist,
wird eine geringere Lichtmenge zur Einwirkung gebracht, so daß hier auch
nur ein kleinerer Anteil des Fotolackes 17 wegentwickelt wird.
An Positionen, in denen keine Überhöhung des Fotolackes
gegeben ist, ist die Grautonmaske 6 lichtundurchlässig, so
daß dort
keine Belichtung stattfindet.
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Die Beleuchtungsstärke des
Lichtes ist überall
hinreichend klein, so daß das
Licht entsprechend seiner lokalen Intensität nur teilweise in die durch
den Fotolack 17 gebildete Schicht vordringt. Außerdem muß das Lochmuster 18 in
der Grautonmaske 6 fein genug sein, damit das Lochmuster 18 nicht
abgebildet, sondern vielmehr durch Beugungserscheinungen ein Grauton
erzeugt wird.
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Die durch die Grautonmaske gelieferte
variable Beleuchtungsstärke
wird realisiert, indem in das Chrom der Rohmaske ein Raster von
Löchern
eingebracht wird, das gegenüber
der Wellenlänge
des für die
Belichtung verwendeten Lichtes sehr klein ist und nur eine aus den
Beugungs- und Interferenzerscheinungen resultierende Lichtmenge
pro Flächeneinheit auf
der Halbleiterwaferoberfläche
bzw. Oberfläche des
aufgeschleuderten Fotolackes 17 bzw. 19 ankommen
läßt.
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Im Lochmuster 18 der Grautonmaske 6 sind also
die Durchmesser der Löcher
wesentlich kleiner als die Wellenlänge des für die Belichtung des Fotolackes 17 bzw. 19 verwendeten
Lichtes. Alternativ kann aber auch der Abstand zwischen der Oberfläche des
Halbleiterwafers 1 und der (nicht gezeigten) Lichtquelle
einer Belichtungsanlage hinreichend groß gehalten werden, so daß die Löcher des
Lochmusters 18 nicht mehr abgebildet werden, sondern vielmehr
abhängig
von ihrer Häufigkeit
eine gleichmäßige Verminderung
der Beleuchtungsstärke
bewirken.
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2 zeigt
noch ein weiteres Ausführungsbeispiel
der Erfindung: Hier isoliert ein Oxidspacer 9 aus beispielsweise
Siliziumdioxid eine Aluminiumlage 10, die sich auf einem
hier nicht dargestellten Halbleiterwafer befindet. Da das Aluminium
der Aluminiumlage 10 am Ort des Oxidspacers 9 ungefähr eine
topografische Struktur 11 einnimmt, ist es vorteilhaft,
eine Fotolackschicht 12, die zur Rückätzung des Aluminiums an den
Stellen der Struktur 11 dient, mit Hilfe der erfindungsgemäßen Grautonmaske 6 so zu
planarisieren, daß die
Oberfläche
eine Form 13 und nicht eine Form 14, wie sie bei üblichem
Vorgehen ohne Grautonmaske entstehen würde, annimmt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist zur Planarisierung
von durch aufgeschleuderte Flüssigkeiten,
wie insbesondere Fotolack, SOG usw. gebildeten Schichten auf Halbleiterwafern
geeignet. Unter Halbleiterwafer sind dabei beliebige Halbleiterkörper zu
verstehen, auf die beispielsweise Fotolackschichten aufgetragen
werden. Der Fotolack kann dabei direkt auf den Halbleiterwafer oder
aber auch auf eine auf dem Halbleiterwafer vorgesehene Isolierschicht, wie
im Ausführungsbeispiel
der 1, oder auf eine auf
dem Halbleiterwafer vorgesehene Metallschicht, wie im Ausführungsbeispiel
der 2, aufgebracht werden.
Die auf der Oberfläche
des Halbleiterwafers gebildeten Erhebungen können auf Leiterbahnen, Feldplatten
und dergleichen zurückgehen.
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- 1
- Halbleiterwafer
- 2
- Leiterbahn
- 3
- Fotolack
- 4
- Ort
- 5
- Ort
- 6
- Grautonmaske
- 7
- Position
- 8
- Position
- 9
- Oxidspacer
- 10
- Aluminiumlage
- 12
- Fotolack
- 13
- Form
- 14
- Form
- 15,
15a, 15b
- Siliziumdioxidschicht
- 16
- Leiterbahn
- 17
- Fotolack
- 18
- Lochmuster
- 19
- Fotolack
- 20
- Bereich
mit Erhebungen
- 21
- Bereich
ohne Erhebungen