DE10259322A1 - Making alignment mark in opaque layer on substrate, forms trenches of differing depth, fills selectively, then adds and polishes further layers to leave defined opaque mark - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bildung einer Justiermarke in einer lichtundurchlässigen Schicht auf einem Substrat, insbesondere auf einem Halbleiterwafer.The invention relates to a method to form an alignment mark in an opaque layer on a substrate, in particular on a semiconductor wafer.
Um möglichst hohe Lagegenauigkeiten von in einer Schicht zu bildenden Strukturen relativ zu einer Vorebene auf einem Substrat wie etwa einem Halbleiterwafer zu erreichen, werden bei der lithographischen Projektion sogenannte Justiermarken (englisch: alignment marks) zum Ausrichten des Substrates verwendet. Diese werden zusammen mit den Strukturen in den betreffenden Schichtebenen gebildet und dienen der genauen Positionsbestimmung für eine Justieroptik des jeweils eingesetzten Belichtungsgerätes bei der Durchführung einer nachfolgenden Belichtung.To ensure the highest possible positional accuracy of structures to be formed in a layer relative to a pre-plane on a substrate such as a semiconductor wafer are so-called alignment marks in lithographic projection (English: alignment marks) used to align the substrate. These, along with the structures in the relevant layer levels formed and serve the exact position determination for an adjustment optics of the exposure device used in each case when carrying out a subsequent exposure.
Die nachfolgende Belichtung findet in einem photoempfindlichen Resist statt, welcher zu diesem Zweck auf der aktuell zu strukturierenden Schicht aufgebracht wird. Die zu strukturierende Schicht befindet sich wiederum oberhalb der zu der Vorebene gehörenden, bereits strukturierten Schicht, innerhalb welcher die genannten Justiermarken z.B. als im Vergleich zu den Strukturelementen der Schaltung tiefe, breite Gräben angeordnet sind.The subsequent exposure takes place in a photosensitive resist, which is used for this purpose is applied to the layer currently to be structured. The The layer to be structured is in turn above the to belonging to the previous level, already structured layer within which the named Alignment marks e.g. than compared to the structural elements of the Circuit deep, wide trenches are arranged.
Oftmals besitzen die zu strukturierenden Schichten die Eigenschaft lichtdurchlässig, d.h. transparent bei der Wellenlänge des von der Justieroptik verwendeten Lichtes zu sein. Das gleiche gilt im allgemeinen auch für den Resist, so daß mittels der Justieroptik durch den Resist und die zu strukturierende Schicht hindurch die Justiermarken in der unterliegenden Schicht erkannt und deren Positionen gemessen werden können.The layers to be structured often have the property translucent, i.e. transparent at the wavelength of the light used by the adjustment optics. The same generally also applies to the resist, so that by means of the adjustment optics through the resist and the layer to be structured through the alignment marks in the underlying layer recognized and their positions can be measured.
Verschiedene Materialien, insbesondere solche, die elektrisch leitend sind, wie etwa Metalle zur Bildung von Metalleiterbahnen oder Poly-Silizium, finden Anwendung bei den Herstellungsprozessen, welche lichtundurchlässig, d.h. intransparent gegenüber dem von der Justieroptik eingesetzten Licht sind. In diesem Fall können die in bereits abgedeckten Schichten angeordneten Justiermarken nicht erkannt werden. Es ist jedoch möglich, daß bei Vorhandensein einer entsprechenden Oberflächentopographie vor Aufbringen der zu strukturierenden Schicht sich gerade diese Oberflächentopographie unmittelbar in der neuen Oberfläche der nun aufgebrachten, zu strukturierenden Schicht wiederspiegelt. In diesem Fall wird die Position der Justiermarke anhand der aktuellen Oberflächentopographie identifiziert.Different materials, in particular those that are electrically conductive, such as metals for formation of metal conductor tracks or polysilicon are used in the Manufacturing processes that are opaque, i.e. opaque to that light used by the adjustment optics. In this case, the alignment marks already arranged in layers not covered be recognized. However, it is possible that at The presence of an appropriate surface topography before application the layer to be structured is precisely this surface topography immediately in the new interface of the now applied layer to be structured is reflected. In this case, the position of the alignment mark is based on the current one surface topography identified.
Bei der Herstellung von Strukturen mit besonders geringen Strukturbreiten gibt es jedoch das Bestreben, die Belichtung in eine möglichst ebene Oberfläche auf einem Substrat durchzuführen. Dabei herrschen nämlich im wesentlichen identische Fokusbedingungen über die Oberfläche hinweg, so daß ein hoher Abbildungskontrast erreicht wird.In the manufacture of structures with particularly narrow structural widths, however, there is an effort to the exposure in a possible flat surface perform on a substrate. There are namely essentially identical focus conditions across the surface, so that a high image contrast is achieved.
Zu diesem Zweck wird beispielsweise ein chemisch-mechanischer Polierschritt an der auf einer bereits vorhandenen Oberflächentopographie aufgebrachten, zu strukturierenden Schicht durchgeführt. Durch diesen Polierschritt wird allerdings gleichzeitig die Möglichkeit der Erkennung von Justiermarken erheblich gemindert, wenn lichtundurchlässige Schichten aufgetragen werden.For this purpose, for example a chemical-mechanical polishing step on the one already existing surface topography applied layer to be structured. By however, this polishing step becomes an option at the same time the detection of alignment marks significantly reduced if opaque layers be applied.
Man geht infolgedessen vermehrt dazu über, in den unterliegenden Schichten Justiermarken als Gräben mit besonders großen Breiten und/oder Tiefen zu bilden. Die Breiten dieser Gräben sind im Vergleich zu jenen, die den Strukturelementen der Schaltung dienen, so hinreichend groß, daß diese Gräben der Justiermarken durch den Abscheideprozeß der aktuell zu strukturierenden Schicht nicht zu einer vollständigen Verfüllung der Justiermarke führt. In dem Polierprozeß wird somit eine ebene Oberfläche geschaffen, die an den Positionen der Justiermarken durch Vertiefungen aufgrund der nicht verfüllten Gräben gekennzeichnet ist.As a result, people are increasingly turning to the underlying layers with alignment marks as trenches particularly large Form widths and / or depths. The widths of these trenches are compared to those that serve the structural elements of the circuit, so big enough that these trenches of the Adjustment marks through the deposition process of the currently to be structured Layer does not become a complete backfilling of the alignment mark. In the polishing process thus a flat surface created at the positions of the alignment marks by indentations because of the unfilled trenches is marked.
Allerdings treten in diesem Zusammenhang weitere
Probleme auf. Wie in den
In
Diese Problematik kann aufwendig
umgangen werden, indem auch die durch die unvollständige Verfüllung des
Grabens
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Aufwand und die Kosten für den Prozeß zur Öffnung von Justiermarken bildenden Gräben unterhalb von zu strukturierenden, lichtundurchlässigen Schichten zu reduzieren. Es ist außerdem eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Qualität des Strukturierungsprozesses einer lichtundurchlässigen Schicht zu erhöhen.It is the task of the present Invention, the effort and costs for the process of opening alignment marks forming trenches below layers to be structured, opaque layers. It is also an object of the present invention, the quality of the structuring process an opaque layer to increase.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Bilden einer Justiermarke in einer im wesentlichen lichtundurchlässigen Schicht auf einem Substrat, umfassend die Schritte: Bereitstellen des Substrats, umfassend eine Oberfläche und einen ersten und einen zweiten Graben, wobei der erste Graben eine erste Breite und eine erste Tiefe und der zweite Graben eine zweite Breite und eine zweite Tiefe aufweist, und wobei die erste Breite größer ist als die zweite Breite ist und/oder die erste Tiefe größer als die zweite Tiefe ist, Aufbringen einer ersten Schicht, umfassend ein erstes Material mit einer Dicke derart, daß der zweite Graben aufgrund seiner geringeren Breite und/oder Tiefe vollständig und der erste Graben aufgrund seiner größeren Breite und/oder Tiefe nur teilweise verfüllt wird, Aufbringen einer zweiten Schicht, umfassend ein zweites Material, welches eine Selektivität in einem Ätzprozeß gegenüber dem ersten Material aufweist, Einstellen der Dicke der zweiten Schicht beim Aufbringen derart, daß der erste Graben vollständig durch die zweite Schicht verfüllt wird, chemisch-mechanisches Polieren des Substrates zum Freiliegen der Oberfläche des Substrates unter zur Bildung einer ebenen Oberfläche über den ersten und zweiten Gräben, Ätzen des zweiten Materials selektiv zu dem ersten Material zur teilweisen Öffnung des ersten Grabens, Aufbringen der lichtundurchlässigen Schicht auf die ebene Oberfläche und in die Öffnung des ersten Grabens, so daß die Justiermarke als Vertiefung der lichtundurchlässigen Schicht oberhalb der Öffnung gebildet wird.The task is solved by a method of forming an alignment mark in a substantially opaque Layer on a substrate, comprising the steps: providing of the substrate comprising a surface and a first and a second trench, the first trench having a first width and a first depth and the second trench a second width and a second Depth, and wherein the first width is greater than the second width and / or the first depth is greater than that second depth is applying a first layer comprising a first material with a thickness such that the second trench due to its smaller width and / or depth completely and due to the first trench its greater width and / or depth is only partially filled, applying one second layer comprising a second material which has a selectivity in an etching process compared to the first Material, adjusting the thickness of the second layer when Apply such that the first digging completely is filled in by the second layer chemical-mechanical polishing of the substrate to expose the surface of the substrate under to form a flat surface over the first and second trenches, etching the second material selective to the first material to partially open the first trench, applying the opaque layer on the plane surface and into the opening of the first trench, so that the Adjustment mark formed as a recess in the opaque layer above the opening becomes.
Vor der Durchführung des chemisch-mechanischen Polierprozesses werden nicht vollständig mit der ersten Schicht, insbesondere einem STI-Oxid, verfüllte erste Gräben, welche Positionen von Justiermarken repräsentieren, in einem Substrat durch eine zweite Schicht verfüllt. Diese zweite Schicht weist die besondere Eigenschaft auf, in einem Ätzprozeß selektiv gegenüber der die Gräben verfüllenden ersten Schicht geätzt werden zu können. Selektiv bedeutet hier, daß es einen Ätzprozeß gibt, bei dem die Ätzrate des Materials der zweiten Schicht um ein Vielfaches höher ist, als die Ätzrate der ersten oder weiterer Schichten, welche oberflächlich freigelegt sind.Before performing the chemical mechanical Polishing process are not complete with the first layer, in particular an STI oxide, filled first trenches, which Represent positions of alignment marks in a substrate filled in by a second layer. This second layer has the special property of being selective in an etching process across from the trenches backfilled etched first layer to be able to. Selective here means that it there is an etching process at which the etch rate the material of the second layer is many times higher, than the etch rate the first or further layers, which are superficially exposed are.
In dem folgenden Polierprozeß wird die den ersten Graben der Justiermarke umgebende Oberfläche des Substrates nicht erodiert, da aufgrund der Verfüllung auch des breiteren bzw. tieferen Grabens im wesentlichen keine Öffnung oder Vertiefung vorliegt. Der Polierprozeß führt zu einer Rückplanarisierung derart, daß die ursprüngliche Oberfläche des Substrates freigelegt wird. Unter Substrat wird hier beispielsweise das für einen Wafer als Basis dienende monokristalline Silizium mit einer oder mehrerer darauf angeordneter Schichten, wie beispielsweise einer dünnen Oxid- und/oder Pad-Nitrid-Schicht verstanden.In the following polishing process the the first trench of the surface surrounding the alignment mark Substrate is not eroded, as the wider or deeper trench there is essentially no opening or depression. The polishing process leads to a Back planarization such that the original surface of the substrate is exposed. For example, under substrate that for a wafer serving as the base monocrystalline silicon with a or more layers arranged thereon, such as one thin Oxide and / or pad nitride layer Roger that.
Die Gräben sind in dem monokristallinen Silizium und den darauf angeordneten Schichten des bereitgestellten Substrates gebildet. Nach der Rückplanarisierung ist der erste, die Justiermarke bildende Graben mit Teilen der ersten und der zweiten Schicht verfüllt. Da die zweiten, der Bildung von Strukturelementen wie etwa der flachen Grabenisolation dienende Gräben bereits mit der ersten Schicht vollständig verfüllt wurden, da sie eine geringere zweite Breite und/oder Tiefe als die erste Breite und/oder Tiefe der ersten Gräben der Justiermarken besitzen, weisen diese Gräben keinen Anteil des zweiten Materials der zweiten Schicht auf.The trenches are in the monocrystalline Silicon and the layers of the provided Substrate formed. After the back planarization is the first trench forming the alignment mark with parts of the first and backfilled the second layer. Since the second, the formation of structural elements such as the flat Trench isolation trenches have already been completely filled with the first layer, since they have a smaller second layer Width and / or depth than the first width and / or depth of the first trenches of the alignment marks, these trenches have no share of the second Material of the second layer.
Ob im einzelnen die Tiefe, die Breite oder eine Kombination aus beidem das Kriterium für die Verfüllung des ersten und die Nichtverfüllung des zweiten Grabens erfüllt, hängt insbesondere von den aktuell eingestellten Prozeßparametern beim Abscheideprozeß der ersten Schicht oder auch schon früher abgeschiedener Schichten ab. In der Mehrzahl der Fälle wird die unterschiedliche aktuelle Tiefe des Grabens der Justiermarke relativ zu dem Graben eines zu verfüllenden Strukturelementes ausschlaggebend für das Funktionieren des erfindungsgemäßen Verfahrens sein.Whether the depth, the width or a combination of both, the criterion for backfilling the first and not backfilling the second Trench fulfilled, depends in particular of the currently set process parameters for the first separation process Shift or earlier deposited layers. In the majority of cases the different current depth of the trench of the alignment mark relative to the trench of a structural element to be filled for the Operation of the method according to the invention his.
Mit einem Ätzprozeß, welcher das Material der zweiten Schicht selektiv zu jenem der ersten Schicht rückätzt, werden nun gerade die Gräben der Justiermarken zumindest in den von der zweiten Schicht eingenommenen Raumanteilen freigeätzt. Je nach eingestellter Ätzselektivität werden auch andere Bereiche der Substratoberfläche etwas rückgeätzt, jedoch sind die Rückätztiefen vergleichsweise gering.With an etching process, which the material of the second layer selectively etched back to that of the first layer now the trenches of the alignment marks at least in those occupied by the second layer Parts of the space etched free. Depending on the etching selectivity set other areas of the substrate surface are also slightly etched back, however the etching depths are comparatively low.
Nach dem Ätzvorgang weist die ebene, planarisierte Oberfläche lediglich Vertiefungen in den Gräben der Justiermarken auf. Wird nun eine lichtundurchlässige Schicht aufgebracht, so überträgt sich die Vertiefung auf die lichtundurchlässige Schicht, soweit der Abscheideprozeß eine hinreichende Konformität besitzt und die Dicke der abgeschiedenen Schicht nicht wesentlich größer als die Breite und/oder Tiefe des ersten Grabens ist. Anhand dieser Vertiefung kann mit einer Justieroptik die Position der Justiermarke erkannt werden. Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden weder Partikel durch erodierende Grabenkanten während eines Planarisierungsverfahrens generiert, noch werden zusätzliche Maskenschritte benötigt, um die Erosion zu vermeiden.After the etching process, the flat, planarized surface only has depressions in the Trenches of the alignment marks. If an opaque layer is now applied, the depression is transferred to the opaque layer, provided the deposition process is sufficiently conformant and the thickness of the deposited layer is not significantly greater than the width and / or depth of the first trench. On the basis of this recess, the position of the alignment mark can be recognized with an alignment lens. To carry out the method according to the invention, particles are neither generated by eroding trench edges during a planarization process, nor are additional masking steps required to avoid erosion.
Die Lichtdurchlässigkeit der zu strukturierenden Schicht bezieht sich nicht nur auf den optischen oder ultravioletten Wellenlängenbereich, wie sie für herkömmliche Justieroptiken in Betracht kommen. Für Belichtungsgeräte zukünftiger Technologiegenerationen können auch solche Optiken in Betracht kommen, welche im Röntgen-, Ionen- oder Elektronenstrahlverfahren arbeiten. Diese Definitionen sind von der vorliegenden Erfindung eingeschlossen.The translucency of the structure to be structured Layer does not only refer to the optical or ultraviolet Wavelength range, like conventional ones Adjustment optics come into consideration. For future exposure devices Technology generations can Such optics are also suitable, which are used in X-ray, Ion or electron beam processes work. These definitions are included in the present invention.
Der erfindungsgemäße Ätzschritt kann auch eine Summe von nachfolgenden separaten Ätzschritten umfassen, beispielsweise kann nach einem STI-Prozeß zunächst ein naßchemischer Oxid-Ätzprozeß, anschließend ein naßchemischer Nitrid-Ätzprozeß und danach wiederum ein naßchemischer Oxid-Ätzprozeß durchgeführt werden. Ein besonderer Vorteil entsteht genau dann, wenn der erfindungsgemäße Ätzschritt zur Freilegung der Markenöffnung in Kombination mit einem Ätzschritt zum Entfernen einer oberflächlich aufgebrachten weiteren Schicht, beispielsweise des Pad-Nitrids oder einer unmittelbar auf dem monokristallinen Silizium angeordneten Oxidschicht, durchgeführt wird.The etching step according to the invention can also be a sum of subsequent separate etching steps may include, for example, first after an STI process wet chemical Oxide etching process, then a wet chemical Nitride etching process and after again a wet chemical oxide etching process can be carried out. A particular advantage arises precisely when the etching step according to the invention to expose the brand opening in Combination with an etching step to remove a superficial applied further layer, for example the pad nitride or an oxide layer arranged directly on the monocrystalline silicon, carried out becomes.
Das Aufbringen der ersten Schicht kann auch mehrere Teilschritte jeweils mit einem Auftragen von Teilschichten umfassen. Bei zukünftigen Technologien ist es beispielsweise vorgesehen, die Prozeßparameter während einer Abscheidung in ge eigneter Weise zu variieren, so daß sich eine horizontale Abfolge von Schichtstrukturen in einer solchen ersten Schicht einstellt.Applying the first layer can also have several sub-steps each with one application of sub-layers include. With future technologies it is provided, for example, that the process parameters during a Deposition to vary in a suitable manner, so that there is a horizontal sequence of layer structures in such a first one Layer.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht auf die Anwendung von Justiermarken für die Ausrichtung in einem Belichtungsgerät beschränkt. Vielmehr wird in diesem Dokument unter einer Justiermarke auch eine Meßmarke zur Bestimmung der relativen Positionsgenauigkeit zweier auf einem Substrat angeordneter, strukturierter Schichtebenen verstanden, die im allgemeinen erst nach der Durchführung einer Belichtung in einem Mikroskopmeßgerät untersucht werden.The method according to the invention is not based on the use of alignment marks for alignment in one exposure unit limited. Rather, this document also includes an alignment mark measuring mark to determine the relative position accuracy of two on one Understood structured layer planes arranged on the substrate, which generally only after exposure has been carried out in one Microscope measuring device examined become.
Die Erfindung soll nun anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe einer Zeichnung näher erläutert werden. Darin zeigen:The invention will now be based on a embodiment with the help of a drawing explained become. In it show:
Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders
vorteilhaft anwendbar auf die Strukturierung von Poly-Silizium-Bahnen,
welche zur Gate-Kontaktierung der aktiven Gebiete von Auswahltransistoren beispielsweise
für Grabenkondensatoren
dienen. Dazu wird ein Substrat bereitgestellt, welches monokristallines
Silizium
Das Substrat ist ein Halbleiterwafer, auf welchem Speicherzellenfelder gebildet werden sollen.The substrate is a semiconductor wafer on which memory cell fields are to be formed.
In dem bereitgestellten Substrat
sind bereits als Speicherknoten dienende Grabenkondensatoren (deep
trenches) sowie aktive Gebiete zur Bildung von Auswahltransistoren
angeordnet. Die Speicherzellen werden voneinander durch eine flache
Grabenisolation getrennt, zu welchem Zweck in dem monokristallinen
Silizium
Die Breite dieser Gräben
Das Profil der Gräben
Die ersten Gräben
Die Tiefe der Gräben
In einem HDP-Verfahren (HDP – High Density
Plasma, hochverdichtetes Plasma) wird ein elektrisch isolierendes
Oxid auf das Substrat und in die Gräben als erste Schicht
Zu einer besseren Illustration der
Vorteile der vorliegenden Erfindung wird zunächst in den
Anschließend wird ein chemisch-mechanischer
Polierschritt (CMP-Schritt) solange durchgeführt bis die Oberfläche
Nach dem Entfernen der photoempfindlichen Schicht
Auf einem Vergleichssubstrat wird
nun das erfindungsgemäße Verfahren
angewendet. Ausgangspunkt ist der beschriebene, bereitgestellte
Wafer mit ersten Gräben
Nach Durchführen des CMP-Schrittes (
Zum wiederholten Bilden der Öffnung
Es ist auch möglich, anstatt nur des Flow-Fill-Oxides
einen Liner etwa aus Poly-Silizium abzuscheiden sowie darauf beispielweise
einen Oxid-Stöpsel.
Durch Unterätzen
mittels einer Poly-Silizium-Ätzung
kann so der Oxid-Stöpsel
aus der Öffnung
Es wird nun die lichtundurchlässige Schicht
Es ist klar, daß die in dem Ausführungsbeispiel beschriebenen Materialien keine Einschränkung der vorliegenden Erfindung darstellen. Der im Bereich von Ätztechniken kundige Durchschnittsfachmann kann anstatt des Flow-Fill-Oxides beispielsweise auch dotierte Oxide, Bor-Silikatglase, Bor-Phosphor-Silikatglase, sogenannte Low-k-Materialien mit niedriger Dielektrizitätskonstante, Ozon-TEOS, amorphes oder Poly-Silizium einsetzen.It is clear that the in the embodiment described materials do not limit the present invention represent. The one in the field of etching techniques knowledgeable average specialist can instead of the flow-fill oxide for example also doped oxides, boron-silicate glasses, boron-phosphorus-silicate glasses, so-called Low-k materials with low dielectric constant, ozone TEOS, amorphous or use polysilicon.
Unter Kenntnis der chemischen und
physikalischen Zusammensetzung des Materials der ersten Schicht
Besonders vorteilhaft ist es, wenn
das ätzselektive
Material der zweiten Schicht eine Ätzselektivität sowohl
gegenüber
dem Pad-Nitrid wie auch dem ersten Material der verfüllten Gräben
Die Erfindung ist auch nicht beschränkt auf eine
Anwendung zur Strukturierung von lichtundurchlässiges Polysilizium
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
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