DE10335816B4

DE10335816B4 - Verfahren zur Justage eines Substrates vor der Durchführung eines Projektionsschrittes in einem Belichtungsgerät

Info

Publication number: DE10335816B4
Application number: DE2003135816
Authority: DE
Inventors: Carsten Dr. Fülber; Martin Dr. Rößiger; Ralf Dr. Ziebold
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Polaris Innovations Ltd
Priority date: 2003-08-05
Filing date: 2003-08-05
Publication date: 2007-07-12
Anticipated expiration: 2023-08-06
Also published as: DE10335816A1

Abstract

Verfahren zum Berechnen einer Korrektur für die bei einer Justage eines Substrates ermittelte Belichtungsposition vor der Durchführung eines Projektionsschrittes in einem Belichtungsgerät, umfassend die Schritte:
– Projizieren eines Elementes (20) einer ersten Struktur (2) und einer ersten Meßmarke (6) in eine erste Schicht (32) auf einem Testsubstrat (30),
– Projizieren eines dem Element (20) der ersten Struktur zugeordneten Elementes (40) einer zweiten Struktur (4) und einer der ersten Meßmarke (6) zugeordneten zweiten Meßmarke (8) in eine zweite Schicht (34) auf dem Testsubstrat (30),
– Messen eines ersten Versatzes (103) zwischen der ersten (6) und der zweiten Meßmarke (8) auf dem Testsubstrat,
– Messen eines sich aufgrund einer Linsenverzeichnung in dem Belichtungsgerät von dem ersten Versatz (103) unterscheidenden zweiten Versatzes (104) zwischen den Elementen (20, 40) der ersten (2) und zweiten Struktur (4) auf dem Testsubstrat (30),
– Berechnen eines Unterschiedes (99) zwischen dem ersten...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Justage eines Substrates, insbesondere eines Halbleiterwafers vor der Durchführung eines Projektionsschrittes in einem Belichtungsgerät.
Zur Herstellung integrierter Schaltungen werden üblicherweise auf Halbleitersubstraten (Wafer) mit verschiedenen elektrischen Eigenschaften versehene Schichten aufgebracht und jeweils lithographisch strukturiert. Ein lithographischer Strukturierungsschritt kann darin bestehen, einen fotoempfindlichen Resist aufzutragen, diesen mit einer gewünschten Struktur für die betreffende Ebene zu belichten und zu entwickeln sowie anschließend die somit entstandene Resist-Maske in die unterliegende Schicht in einem Ätzschritt zu übertragen.
Mit den stetig ansteigenden Integrationsdichten integrierter Schaltungen erhöhen sich auch die Anforderungen an die Lagegenauigkeit einer auf das Halbleitersubstrat zu projizierenden Struktur. Insbesondere dann, wenn bereits Vorebenen in unterliegende Schichten z.B. in einem lithographischen Projektionsschritt übertragen wurden, müssen immer striktere Toleranzgrenzen bezüglich der gegenseitigen Ausrichtung der aktuell auf das Substrat zu projizierenden Struktur relativ zu den Strukturen der genannten Vorebenen berücksichtigt werden, um die Funktionsfähigkeit der Schaltung zu gewährleisten.
Für den lithographischen Projektionsschritt, welcher z.B. in einem Waferstepper oder -scanner ausgeführt werden kann, sind daher vor Beginn der jeweiligen Belichtungen Justagesequenzen vorgesehen. Die Justiermarken sind typischerweise in den Randbereichen der die betreffende Struktur bereitstellenden Masken angeordnet. Bei der Belichtung werden diese Justiermarken in den die einzelnen Belichtungsfelder auf dem Wafer trennenden Sägerahmen übertragen. Die Justiermarken ermöglichen die Positionsbestimmung der auf dem Wafer gebildeten Strukturen bzw. durch die Bestimmung der Position der Justiermarken kann auf die genaue Positionierung und Ausrichtung der Struktur für die integrierte Schaltung zurückgeschlossen werden.
Die Ausrichtung bzw. Justage des Substrates in dem Belichtungsgerät gegenüber der Projektionsoptik (d.h. die Projektionslinsen, die jeweils zu projizierende Maske, Blenden sowie die Beleuchtungsquelle, etc.) wird durchgeführt, indem die Justiermarken mit Referenzmarken verglichen werden. Solche Referenzmarken werden oftmals über das Linsensystem gegenüber einem Detektor eingeblendet.
Wie das Justageverfahren (engl.: Alignment) im Einzelnen durchgeführt wird, hängt von den Geräteherstellern ab. Aufgrund des Markenvergleichs wird ein Offset bzw. Versatz der tatsächlichen Justiermarkenposition gegenüber der idealen Position der Referenzmarke festgestellt. Der im allgemeinen auf einen Substrathalter abgelegte Wafer kann infolgedessen in seiner Lageposition korrigiert werden, so daß die anschließende Belichtung mit hoher Lagegenauigkeit ausgeführt werden kann.
Ein bisher in diesem Zusammenhang wenig beachtetes Problem stellt der innerhalb eines Belichtungsfeldes unterschiedlich erreichbare Grad an Lagegenauigkeit verschiedener Strukturmusteranteile dar. Grund hierfür sind insbesondere Linsenabbildungsfehler, deren Ursache Ungenauigkeiten bei der Linsenherstellung oder Verunreinigungen/Ablagerungen während der Linsenbenutzung sein können. Es kommen die Koma, Dreiwelligkeit, Astigmatismus, etc. genannten Verzeichnungen (Aberrationsfehler) in Betracht.
Ein hier als besonders problematisch hervorzuhebender Effekt ist, dass die Größe des Abbildungsfehlers einer Struktur von der jeweiligen Form, Ausrichtung und Größe der Struktur abhängig ist. So kommt es, dass beispielsweise dichte Linien-Spaltenstrukturen mit sehr geringen Strukturabmessungen mit einem größeren Versatz gegenüber einer Idealposition bei einer Belichtung mit einer perfekten Linse versehen werden als beispielsweise die im allgemeinen sehr großen Dimensionen aufweisenden Justiermarken.
In solchen Fällen kann der oben genannte Rückschluß von der für die Justiermarke bestimmten Position während der Justage (des Alignments) auf die Positionen der jeweils abgebildeten Strukturen fehlerbehaftet sein. Dies gilt umso mehr, als sich die Strukturen bzw. Strukturelemente in Größe, Form und Ausrichtung von den Justiermarken unterscheiden.
Justiermarken werden bei den meisten Geräteherstellern als Anordnungen länglicher, paralleler Balken ausgeführt. Derartige Balken werden heute üblicherweise mit Strukturbreiten von mehr als 1 μm ausgeführt. Dichte Linien-Spalten-Muster, wie sie etwa im Bereich der Herstellung von Speichern mit wahlfreiem Zugriff (DRAM) gebildet werden, weisen Linienbreiten von 70, 90 oder 110 nm auf.
Ein weiterer Effekt, der innerhalb eines Belichtungsfeldes wirken kann, ist die systematische, räumliche Trennung der Justiermarken im Randbereich der Maske bzw. im Sägerahmenbereich auf dem Wafer, im Vergleich zu den eher zentral im Belichtungsfeld gelegenen, die integrierte Schaltung bildenden Strukturen.
Im Bereich der Justageverfahren (Alignment) eines Wafers im Belichtungsgerät liegt zur Zeit keine befriedigende Lösung für das Problem vor. Zur nachträglichen Kontrolle dessen, wie die Struktur einer gerade belichteten Ebene im Vergleich zu einer Struktur einer unterliegenden Schicht adjustiert wurde, gibt es jedoch den Lösungsansatz, für Overlay-Meßgeräte geeignete Meßmarken gezielt mit Unterstrukturen zu versehen, um wenigstens Rückschlüsse auf die Qualität der gerade durchgeführten Abbildung ziehen zu können. Bei den Meßmarken werden zwei in beispielsweise aufeinanderfolgenden Schichtebenen gebildete, einander in Form und Position zugeordnete Meßmarken auf dem Wafer miteinander verglichen, wobei der Versatz zwischen den beiden Meßmarken in einer ersten bzw. zweiten Schicht zueinander ein Maß für die erreichte Lagegenauigkeit widerspiegelt. Solche Messmarken werden beispielsweise als Box-in-Box-Marken ausgeführt. Die Größe der Unterstrukturen und deren gemessener Versatz liefern einen Hinweis auf den Einfluß der Strukturabhängigkeit.
Dabei erweist es sich allerdings als nachteilhaft, dass die Unterstrukturen der jeweiligen Messmarken im allgemeinen nicht der Layoutstruktur der jeweils auf dem Substrat abzubildenden (zu „printenden") Maskenebene entsprechen und daher auch den Lagegenauigkeitsfehler zwischen Schaltungsstrukturen und Justiermarken nicht/bzw. nur unzureichend kompensieren können.

In der Druckschrift DE 3910048 C2 sind eine Anordnung und ein Verfahren beschrieben, mit dem eine Maske in einem Projektionssystem gegenüber einem Substrat zur Herstellung von Flüssigkristallanzeigen ausgerichtet werden kann. Die Anordnung umfasst ein Ausrichtsystem mit einer Vergleichseinrichtung, welches vorab neben den Strukturen gebildete Markierungen am Rande des Substrates abtastet und mit den gleichfalls abgetasteten Positionen der aktuell zu übertragenden Maskenebene vergleicht. In Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis wird die Maskenposition relativ zum Substrat korrigiert.

In der Druckschrift DE 68924667 T2 ist eine Projektionsbelichtungsvorrichtung beschrieben, bei der auf einer Bühne, welche das Substrat für die Belichtung aufnimmt, zusätzlich ein Bezugsplanspiegel angeordnet ist. Eine Fokussierung wird durchgeführt, indem zunächst die Bühne mit dem Spiegel entlang der optischen Achse verfahren wird. Das von einer Lichtquelle über eine Maske auf den Spiegel und von dort wieder zurück in die Projektionsoptik reflektierte Licht wird nach Durchtritt durch die Maske im Strahlengang von einer Sehzelle (TTL: through the lens) aufgenommen. Die Maske weist zu diesem Zweck spezielle Fokussiermarken auf, deren Dimension mit der Fokussiergenauigkeit skaliert wird. Ein Brennebenen-Erfassungssystem wertet das aufgenommene Signal aus, um daraus eine ideale Fokussierebene zu bestimmen.

Die Druckschrift DE 10147226 A1 beschreibt eine Markenanordnung auf einem Substrat. Es handelt sich um eine Messmarke zur Bestimmung der relativen Lagegenauigkeit (Overlay) mit über zwei Schichtebenen verteilten Markenteilen. Wenigstens ein Teil ist auf einem strukturierten Hintergrund, d.h. einer dicht strukturierten unterliegenden Schicht, gebildet, so dass sich der Kontrast des Markenteiles im untersuchenden Mikroskop gegenüber dem Hintergrund verstärkt.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem die Justage einer aktuell auf einen Wafer zu projizierenden Ebene auf eine bereits strukturierte Ebene in einer unterliegenden Schicht mit erhöhter Lagegenauigkeit durchgeführt werden kann, wobei insbesondere die Justage einzelner Elemente der Strukturen innerhalb des Belichtungsfeldes aufeinander verbessert werden soll.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Justage eines Substrates vor der Durchführung eines Projektionsschrittes in einem Belichtungsgerät, umfassend die Schritte: Projizieren eines Elementes einer ersten Struktur und einer ersten Messmarke in eine erste Schicht auf einem Testsubstrat, Projizieren eines dem Element der ersten Struktur zugeordneten Elementes einer zweiten Struktur und einer der ersten Messmarke zugeordneten zweiten Messmarke in eine zweite Schicht auf dem Testsubstrat, Messen eines ersten Versatzes zwischen der ersten und der zweiten Meßmarke auf dem Testsubstrat, Messen eines zweiten Versatzes zwischen den Elementen der ersten und der zweiten Struktur auf dem Testsubstrat, Berechnen eines Unterschiedes zwischen dem ersten und dem zweiten Versatz zur Ermittlung einer Korrektur für die Justage eines weiteren zu belichtenden Substrates, Bereitstellen des weiteren Substrates, Projizieren der ersten Struktur und einer Justiermarke von einer Maskenebene in eine Schicht auf dem Substrat, Justieren des Substrates gegenüber einer weiteren, nachfolgend mit der zweiten Struktur zu projizierenden Maskenebene in dem Belichtungsgerät, wobei die Justiermarke auf dem Substrat mit einer die Positionierung der weiteren maskenebene repräsentierenden Referenzmarke verglichen wird, Nachjustieren des Substrates durch Anwenden der berechneten Korrektur zum Ausgleich eines von der ersten und zweiten Struktur abhängigen Lagegenauigkeitsfehlers.

Ein sich aus der unterschiedlichen Form, Größe oder Ausrichtung von Strukturen ergebender Unterschied in der Lageposition auf einem Substrat während einer Belichtung zwischen Elementen der Struktur und den der Lagebestimmung dienenden Justiermarken wird durch Ermittlung eines Offsets bzw. Unterschiedes zwischen den aufgrund von Abbildungsfehlern gegenüber einer Idealposition verschobenen Lagepositionen und dem anschließenden Hinzuaddieren dieses Offsets bei der Belichtung eines folgenden Substrates kompensiert. Der Verfahrensablauf umfaßt zwei Teilschritte, wobei im ersten Teilschritt anhand von Meßmarken, insbesondere Overlay-Meßmarken, der Versatz zwischen den Schichten auf dem Substrat gemessen wird. Des weiteren werden Elemente der Struktur ausgewählt, welche mit einer hohen relativen Lagegenauigkeit zueinander zu positionieren sind. Deren Versatz zueinander wird gleichfalls in diesem Teilschritt gemessen. Der Versatz bezeichnet hierbei jeweils nicht etwa die Entfernung der betreffenden Elemente oder Marken innerhalb der Substratebene voneinander, sondern die Entfernung einer durch die Elemente oder Marken jeweils repräsentierten Position, die im Falle einer idealen Projektion identisch zwischen den Ebenen bzw. Schichten ist. Im Falle quadratisch angeordneter Messmarken können dies beispielsweise die im Idealfall aufeinander liegenden Mittelpunkte der Quadrate sein, im Falle von Kontaktlöchern, die auf Linien zu platzieren sind, können dies für die Strukturelemente die Mittelpunkte der jeweils angegebenen Elemente sein.

Der Unterschied in den beiden gemessenen Versätzen gibt den systematischen Fehler an, mit welchem die Elemente der betreffenden Struktur gegenüber der Messmarke durch den Abbildungsfehler der Linsen versetzt auf dem Substrat angeordnet werden. Dieser Unterschied umfasst den Betrag und die Richtung der für die Elemente der Strukturen abweichenden Abbildung.

Der erste Teilschritt des Verfahrens wird mit Hilfe eines Testsubstrats durchgeführt. Die erste Struktur sowie die erste Messmarke werden dabei in einer unterliegenden ersten Schicht und die zweite Struktur und die zweite Messmarke wenigstens in einer aktuell aufgebrachten Resistschicht gebildet. Das bedeutet, dass es sich bei der zweiten Schicht um gerade diese Resistschicht oder aber um eine unter der Resistschicht, aber auf der unterliegenden ersten Schicht gelegene Materialschicht handeln kann, in welche in einem nachfolgenden Ätzschritt die in der Resistschicht gebildete Struktur übertragen werden kann. In dem Fall, dass Versätze zwischen Strukturelementen und Messmarken der unterliegenden ersten Schicht und den Strukturelementen und Messmarken der Resistschicht gemessen werden, ist auch eine nachfolgende Entfernung der Resistschicht und eine Wiederverwendung des Testsubstrates für die Verfahrensschritte des zweiten Teil schrittes möglich. Mit dem gleichen Substrat kann daher auch ein Produkt mit erhöhter Lagegenauigkeit hergestellt werden.

Der zweite Teilschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens umfaßt die eigentliche Justagesequenz des Substrates, insbesondere eines Halbleiterwafers, in einem Belichtungsgerät. Das Belichtungsgerät sollte vorzugsweise identisch mit dem im ersten Teilschritt verwendeten Belichtungsgerät sein. Insbesondere sollte das Linsensystem nicht ausgewechselt worden sein, denn das Ausmaß der Verzeichnungen ist charakteristisch für die jeweils verwendeten Linsen.

In einer auf dem Substrat angeordneten ersten Schicht wird zunächst wieder die erste Struktur mit dem zu untersuchenden Strukturelement sowie eine Justiermarke gebildet. Die Justiermarke dient zur Positionsbestimmung bei der Justage in einem nachfolgenden Belichtungsschritt. Eine solche Justagesequenz umfasst beispielsweise eine Vorausrichtung (Pre-Alignment) sowie eine automatisierte globale Justage (Automated Global Alignment) zur Ausrichtung des Substrates in der XY-Ebene (Substratebene). Das Substrat wird dabei gegenüber der fixierten Belichtungsoptik inklusive einer darin eingebrachten Maske ausgerichtet.

Die Belichtung und die Bildung der ersten Struktur in der ersten Schicht wird mit Hilfe einer ersten Maskenebene durchgeführt. Zum Bilden der zweiten Struktur in einer auf der ersten Schicht aufgebrachten zweiten Schicht wird in dem Belichtungsgerät die Justage durchgeführt. Dabei wird die erste Justiermarke in der ersten Schicht zur Positionsbestimmung der ersten Struktur verwendet. Insbesondere wird dabei mit einer die Position der zweiten Struktur repräsentierenden Referenzmarke verglichen, die über die Projektionsoptik bzw.

Justieroptik des Belichtungsgerätes bereitgestellt wird. Die Ausrichtung des Substrates in der Substratebene wird dann derart ausgeführt, dass die Positionen der Justiermarke und der Referenzmarke in Übereinstimmung gebracht werden.

Der entscheidende Schritt liegt nun darin, den ermittelten Offset bzw. Unterschied der Versätze der jeweiligen Strukturen gegenüber ihren Messmarken bzw. Justiermarken hinzuzuaddieren. D.h., es wird beispielsweise mittels eines Substrathalters das Substrat in dem Belichtungsgerät gegenüber der Projektionsoptik in Abhängigkeit von dem ermittelten Unterschied derart verschoben, dass der von der Form, Größe, Ausrichtung der ersten und zweiten Strukturen abhängige Abbildungsfehler kompensiert wird.

Der Fall, dass die Korrektur der Lageposition des Substrates aufgrund der Justiermarkenmessung sowie aufgrund des Hinzuaddierens des Offsets in einem gemeinsamen Schritt durchgeführt wird, ist von der vorliegenden Erfindung ausdrücklich eingeschlossen. Es wird dann die Messung, die Bestimmung einer vorläufigen Lageposition, die Berechnung der korrigierten Lageposition und schließlich das Bewegen des Substrates infolge der Berechnung durchgeführt.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Elemente der jeweiligen Strukturen mit hoher Präzision und Lagegenauigkeit aufeinander abgebildet, während die Messmarken und Justiermarken einen im Gegensatz dazu vergleichsweise höheren Fehler in der Lagegenauigkeit zueinander aufweisen. Da sie für die Schaltung nicht weiter verwendet werden, hat dies keinen weiteren Einfluss auf die Qualität und die Ausbeute bei der Schaltungsherstellung.

Die Erfindung soll nun anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe einer Zeichnung näher erläutert werden. Insbesondere soll dabei auf weitere besonders vorteilhafte Aspekte der vorliegenden Erfindung näher eingegangen werden. In der Zeichnung zeigen:

1 eine schematische Darstellung der bei Strukturen mit hoher Integrationsdichte gegenüber Mess- und Justiermarken auftretenden Lagegenauigkeitsfehler,

2 ein Flussdiagramm für einen beispielhaften Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens,

3 drei alternative Ausführungsformen für den ersten erfindungsgemäßen Teilschritt zur Bestimmung des Offsets.

In 1 ist schematisch der Zusammenhang zwischen den Versätzen bzw. Lagegenauigkeitsfehlern 101–104 aufgrund von Linsenverzeichnungen illustriert, die sich in Bezug auf die in verschiedenen Maskenebenen zu bildenden Strukturen und Meßmarken bzw. Justiermarken ergeben. Als Beispiel für die aufeinander auszurichtenden Strukturen werden hier die zur Bildung von aktiven Gebieten in einem dynamischen Speicherbaustein (DRAM) heranzuziehenden Anordnungen von Langlöchern sowie die zur Bildung von Grabenkondensatoren im Substrat heranzuziehenden Anordnungen paarweise im Speicherzellenfeld plazierter Löcher betrachtet. Die betreffenden Maskenebenen bzw. Schichten auf dem Substrat (Wafer) werden hier mit den Abkürzungen „AA" (aktive Gebiete) bzw. „DT" (Grabenkondensatoren) bezeichnet.
Im oberen Teil der 1a (oberhalb der strichpunktierten Linie) ist links ein Ausschnitt der in einer ersten Schicht auf dem Wafer 30 zu bildenden ersten Struktur 2 für die Bildung der Grabenkondensatoren zu sehen. Auf der rechten Seite ist eine typische Overlay-Meßmarke 6 gezeigt, die zusammen mit der ersten Struktur 2 von einer ersten Maskenebene 25 auf den Wafer 30 projiziert wird. Aufgrund von Linsenverzeichnungen in der Projektionsoptik des dazu verwendeten Belichtungsgerätes werden abhängig von der Form, Größe und Ausrichtung die Elemente 20 der ersten Struktur 2 mit einem Versatz 80 gegenüber der Position auf der Maske 25 auf dem Wafer 30 abgebildet. In der den Versatz 80 übertrieben wiedergebenden Darstellung der 1a ist das abgebildete Element als gestrichelt gezeichnetes Element 20' zu sehen. Die Löcher 20 der Grabenkondensatorpaare besitzen eine Breite von beispielsweise 110 nm. Die Breite liegt nahe an der Auflösungsgrenze der Projektionsoptik des hier verwendeten Belichtungsgerätes.
Die erste Overlay-Meßmarke 6 setzt sich aus in einem Viereck angeordneten Balken zusammen, deren Breite beispielsweise jeweils 2 μm beträgt. Bei diesen vergleichsweise großen Strukturbreiten wirken sich die Linsenverzeichnungen in erheblich geringerem Maße aus als bei Strukturelementen mit sehr geringer Breite. Die Toleranz der Meßgenauigkeit in einem Overlay-Meßgerät liegt weit unterhalb des Wertes der Strukturbreite in einer Meßmarke – etwa im Nanometerbereich.
Aufgrund der in unterschiedlichem Ausmaß wirkenden Linsenverzeichnungen ergibt sich ein relativer Versatz 101 (Lagegenauigkeitsfehler) zwischen der Meßmarke 6 im Sägerahmenbereich und der ersten Struktur 2 innerhalb des Belichtungsfeldes.
Im unteren Teil der 1a ist analog die zweite Struktur 4 mit den Langlöchern der aktiven Gebiete als Elemente 40 sowie die zweite Overlay-Meßmarke 8 dargestellt. Diese werden beide mit einer zweiten Maskenebene 26 („AA") in eine zweite Schicht 34 auf dem Wafer 30 projiziert und in weiteren Prozessierungsschritten, wie Ausheizen, Entwickeln, Ätzen, etc. von einem Resist in die zweite Schicht übertragen.
Die Elemente 40 weisen eine Breite von 110 nm auf. Die Breite der Balken der Overlay-Meßmarke 8 beträgt 2 μm. Die Elemente 40 sind kritisch, die Balken der Overlay-Meßmarke 8 hingegen unkritisch in Bezug auf das verwendete Belichtungsgerät. Die Elemente 40 unterliegen aufgrund der Verzeichnungen einem Lagegenauigkeitsfehler 81 gegenüber ihrer Position auf der Maske, der sie auf dem Wafer 30 als verschobene Elemente 40' abbilden läßt (übertriebene Darstellung in 1a). Infolgedessen liegt zwischen der zweiten Struktur 4 und der zweiten Overlay-Meßmarke 8 in analoger Weise ein weiterer Versatz 102 vor. Der Einfachheit halber soll in diesen Darstellungen der Versatz der Meßmarken 6, 8 aufgrund von Linsenverzeichnungen außer Acht gelassen werden.
In herkömmlichen Verfahren zur Bestimmung der Lagegenauigkeit wurde allein der Versatz bzw. Lagegenauigkeitsfehler 103 zwischen den Messmarken 6 und 8 in der ersten Schicht 32 bzw. der zweiten Schicht 34 gemessen. Dies geschieht üblicherweise in einem Messgerät zur Bestimmung der relativen Lagegenauigkeit (Overlay-Tool), beispielsweise einem im ultraviolettem Wellenlängenbereich arbeitenden Mikroskop. Unter der bisherigen Vernachlässigung der feldinternen Lagegenauigkeitsfehler 101, 102 ist man davon ausgegangen, dass der Lagegenauigkeitsfehler 104 direkt zwischen den später die Schaltung bildenden Strukturen sehr gut auch durch den aus den Messmarken 6, 8 ermittelten Lagegenauigkeitsfehler 103 repräsentiert wird.
Es wurde herausgefunden, dass die feldinternen Lagegenauigkeitsfehler 101, 102 Werte von bis zu 15 nm annehmen können. Wie in 1a und 1b dargestellt ist, müssen die dabei jeweils bestimmten Fehler 80, 81 nach Betrag und Richtung nicht identisch sein. Da das Ausmaß der Linsenverzeichnungen von Form, Größe, Ausrichtung der Strukturen 2, 4 abhängt, ergeben sich viel mehr unterschiedliche Versätze.
Wären die Fehler 80, 81 identisch, so würden in den aufeinander folgenden Belichtungen mit den hinreichend genau ausgerichteten Messmarken 6, 8 auch die Strukturen 2, 4 in guter Übereinstimmung aufeinander platziert werden. Aufgrund der unterschiedlichen Form, Größe, Ausrichtung der Strukturen 2, 4 wird dies im allgemeinen aber gerade nicht der Fall sein.
Hier setzt die Erfindung ein. Wie in 1b gezeigt ist, wird der Unterschied zwischen den Versätzen 80, 81 nach Betrag und Richtung aus den Messergebnissen der Lagegenauigkeitsmessung der Strukturen 2, 4 ermittelt. Dazu werden die Positionen der auf dem Wafer 30 abgebildeten Elemente 20', 40' miteinander verglichen. Daraus kann ein Unterschied bzw. Offset 99 bestimmt werden, welcher den relativen Versatz bzw. Lagegenauigkeitsfehler 104 zwischen den Strukturen 2 und 4 repräsentiert.
Es sei hier nochmals angemerkt, dass der Offset 99 den Unterschied zwischen den Lagegenauigkeitsfehlern 104 und 103 darstellt, wobei in diesem Ausführungsbeispiel – und nur dort – der Lagegenauigkeitsfehler 103 als vernachlässigbar angenommen wird.
In den 2a und b ist der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Flussdiagramm beispielhaft wiedergegeben. Der erste Teilschritt bezüglich der Bestimmung des Offsets 99 durch Messung der Lagegenauigkeit von Strukturelementen und Messmarken ist in 2a zu sehen. Es wird einmalig ein Testsubstrat 30 jeweils mit einer ersten Maskenebene 25 und einer zweiten Maskenebene 26 belichtet. Die dem Fachmann selbstverständlichen Zwischenschritte, wie beispielsweise Ätzen, Planarisieren oder Abscheiden, etc., welche für gewöhnlich zwischen den Belichtungsschritten ausgeführt werden, sollen an dieser Stelle im Detail nicht weiter erläutert werden.
Als weitere Verfeinerung des erfindungsgemäßen Verfahrens in diesem Beispiel ist der Wechsel von einem ersten Belichtungsgerät für die Projektion der ersten Maskenebene 25 in die erste Schicht 32 zu einem zweiten Belichtungsgerät für die Projektion der zweiten Maskenebene 26 in die zweite Schicht 34 vorgesehen. Der jeweils gemessene Versatz 80, 81 aufgrund von Linsenverzeichnungen ist hier demnach von der Form, Grö ße, Ausrichtung der Strukturen sowie aber auch von der aktuell verwendeten Linsenanordnung für jede Ebene abhängig.
Mit einem Messgerät zur Bestimmung der Lagegenauigkeit werden der Lagegenauigkeitsfehler 103 zwischen den Messmarken 6, 8 sowie der Lagegenauigkeitsfehler 104 ausgewählter Strukturelemente 20', 40' der Strukturen 2 bzw. 4 vermessen. Der Unterschied zwischen den Lagegenauigkeitsfehlern 103 und 104 wird anschließend berechnet. Systematische, geräteabhängige Justagefehler bei der Projektion der beiden Maskenebenen wirken sich im allgemeinen gleichermaßen sowohl auf Strukturen als auch auf die Messmarken aus, so dass der berechnete Unterschied im wesentlichen allein den aufgrund von Linsenverzeichnungen entstehenden Versatz wiedergibt.
Der berechnete Unterschied bzw. Offset 99 wird in einer zentralen Datenbank abgespeichert, wobei der Wert einem Datensatz umfassend die Bezeichnung der ersten Maskenebene 25, die Bezeichnung der zweiten Maskenebene 26 sowie der jeweils verwendeten Belichtungsgeräte zugeordnet wird. Dieser Wert ist für die Zukunft für alle zu produzierenden Wafer für die betreffenden Maskenebenen in den Belichtungsgeräten z.B. fabrikweit abrufbar.
In 2b ist der zweite Teilschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens betreffend die Justage mit dem Schritt des Hinzuaddierens des Offsets zu den Lagekoordinaten des Wafers gezeigt. Wie bei dem ersten Teilschritt wird die Projektion des Wafers mit der ersten Maskenebene durchgeführt. Vor der Projektion mit der zweiten Maskenebene wird die in dem betreffenden Belichtungsgerät vorzunehmende Justage begonnen. Dazu werden zunächst in einem APC-Prozeß (Advanced Process Control), die für eine Justage relevanten Daten aus der zentralen Datenbank ausgelesen. Insbesondere wird dabei geprüft, ob die erste Maskenebene, auf deren Abbild in der ersten Schicht 32 die Justage vorzunehmen ist, in dem ersten Belichtungsgerät durchgeführt wurde. Liegt für die aktuelle Kombination von Maskenebenen und Belichtungsgeräten ein Datensatz vor, so wird der betreffende Offset-Wert 99 von einer Steuereinheit des aktuellen Belichtungsgerätes aus der Datenbank ausgelesen.
Unterdessen wird anhand der Justiermarke, die bereits während der ersten Belichtung zusammen mit der ersten Struktur 2 auf den Wafer übertragen wurde, sowie einer Referenzmarke, in einem herkömmlichen Justageprozess eine Positionsbestimmung vorgenommen.
Die Justiermarke sowie die Referenzmarke werden durch eine Anzahl paralleler, etwa 4 μm breiter Balken repräsentiert. Ihr durch Linsenverzeichnungen entstehender Versatz bei der Projektion mit der ersten Maskenebene ist in gleicher Weise wie derjenige der Overlay-Meßmarken 6, 8 aufgrund ihrer Strukturbreite vernachlässigbar. Die für eine exakte Ausrichtung des Wafers gegenüber der Projektionsoptik in Bezug auf die Justiermarken notwendige Korrektur für die Lageposition kann somit ermittelt werden. Bevor der Substrathalter den Wafer entsprechend verfährt, wird der von der Steuereinheit ausgelesene Offset 99 auf die Korrekturdaten als Eingabewerte für den Substrathalter hinzugerechnet. Mit diesen zusammengerechneten Korrekturdaten wird der Substrathalter in die für die Belichtung vorgesehene Position gefahren.
3 zeigt drei alternative Vorgehensweisen zur Ermittlung des Offsets 99. In 3a ist der Fall dargestellt, indem sowohl die erste und zweite Maskenebene 25, 26 als auch die erste und zweite Schicht 32, 34 verschieden voneinander sind. D.h., die erste Struktur 2 und die erste Meßmarke 6 werden mit einer ersten Maskenebene 25 in eine erste Schicht 32 auf dem Wafer 30 übertragen. Nachfolgend wird die zweite Struktur 4 und die zweite Meßmarke 8 mit einer zweiten Maskenebene 26 in eine zwischenzeitlich auf die erste Schicht 32 aufgebrachte zweite Schicht 34 übertragen. Der Offset 99 wird dann aus Positionsunterschieden der Strukturen 2, 4 und Meßmarken 6, 8 innerhalb der Substratebene, aber zwischen den ersten und zweiten Schichten 32, 34 ermittelt.
Eine im Vergleich dazu besonders vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, die beiden Belichtungen in ein und dieselbe Schicht 32 im Rahmen einer Doppelbelichtung auf dem Wafer 30 durchzuführen, wie in 3b zu sehen ist. Dies hat den Vorteil, daß die Zeit für das Nach- und Zwischenprozessieren (Entwicklungs-, Planarisierungs- oder Ätzschritte) eingespart werden kann. Zudem wird die Detektion der ansonsten in der unterliegenden Schicht 32 gebildeten Struktur 2 bei der Messung vereinfacht, da beide Strukturen 2, 4 nun oberflächlich auf dem Wafer angeordnet sind. Die erste Schicht 32 und die zweite Schicht 34 sind hier also identisch.
In einer noch effizienteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung werden die Strukturen 2, 4 beide auf ein und derselben Maskenebene 25' wie auch die ersten und zweiten Meßmarken 6, 8 angeordnet. Diese werden in nur einer Belichtung gemeinsam in die erste Schicht 32 übertragen. Neben dem zusätzlichen Zeitgewinn werden dadurch weitere Fehlerquellen, die durch das zusätzliche Alignment von zwei Masken anstatt einer in dem Belichtungsgerät entstehen, ausgeschlossen. Die Separation des durch Linsenverzeichnungen auftretenden Lagegenauigkeitsfehlers 103, 104 kann somit mit erhöhter Präzision durchgeführt werden. Wie in 3c zu sehen ist, sind in diesem Fall die erste und die zweite Maskenebene 25, 26 sowie die erste Schicht 32 und die zweite Schicht 34 in dem erfindungsgemäßen Verfahrensablauf dieses Beispiels identisch.
Für den in 3a gezeigten Ansatz zur Ermittlung des Offsets kommen bei der Messung des Lagegenauigkeitsfehlers (Overlay-Fehler) folgende Möglichkeiten in Betracht: Um die Elemente 20 der ersten Struktur 2 in der unterliegenden Schicht 32 auf dem Wafer 30 detektieren zu können, kann man mit einem CD-SEM (Rasterelektronenmikroskop, Critical Dimension – Scattering Electron Microscope) durch die obere, zweite Schicht 34 hindurch "sehen", beispielsweise bei Strukturbreiten von 110 nm von der „AA"-Ebene auf die unterliegende „DT"-Ebene. Damit ist eine Messung des Versatzes einfach.
In schwierigeren Fällen läßt sich ein Fenster durch die obere Schicht 34 hindurch mittels Ionen-Ablation freilegen, so daß die Strukturen der darunterliegenden Schicht 32 sichtbar werden. Die Elemente 20 der Struktur 2 werden freigelegt und anschließend auch mit demselben Gerät vermessen.
In weiteren schwierigeren Fällen kann auch ein sogenanntes High-Voltage CD-SEM angewandt werden. Mit einem solchen Gerät lassen sich Sekundärelektronen auf verschiedene Schichtebenen auf dem Wafer 30 fokussieren, so daß man auch hier durch die obere, zweite Schicht 34 hindurchsehen und -messen kann.
In den Fällen der 3b und c bestehen die Schwierigkeiten nicht, allerdings sind gegebenenfalls spezielle Testmasken (3c) herzustellen. Der Vorteil von Testmasken im Vergleich zur Nutzung von Produktmasken, welche die entsprechenden Meßmarken im Produkt- oder Sägerahmenbereich aufweisen müssen, besteht darin, daß die üblicherweise kleinen Prozeßfenster, d.h. kleiner Fokus-Dosisspielraum, der unterstrukturierten Marken im Falle der Testmasken tolerierbar sind. Die Unterstrukturierung der Alignment-Marken auf der Testmaske wird notwendig, weil zum Zwecke der Messung des Versatzes in der Praxis die Elemente 20, 40 in unmittelbarer Umgebung voneinander auf der Maske angeordnet sein müssen, welches nur gelingt, wenn die Strukturen 2, 4 gemeinsam in speziell für diese Maskenebene kreierte Alignment-Marken integriert werden. Diese sind natürlich von den Meßmarken 6, 8 zu unterscheiden. In 3c sind die Strukturen 2, 4 zur Vereinfachung getrennt gezeichnet.
Mit Hilfe der Erfindung wird es demnach möglich, einmalig den Offset 99 von Strukturen 2, 4 gegenüber Meßmarken 6, 8 zu bestimmen und auf eine Vielzahl von nachfolgend zu belichtenden Wafern zum Ausgleich des Effektes der Linsenverzeichnungen anzuwenden. Dies führt zu einer deutlichen Steigerung der Wafer- und Schaltungsausbeute.

2: erste Struktur
4: zweite Struktur
6: erste (Overlay-)Messmarke
8: zweite (Overlay-)Messmarke
20: Element der ersten Struktur, Langloch zur Bildung eines aktiven Gebietes
20': von einer Maske auf einen Wafer abgebildetes Element der ersten Struktur
25: erste Maskenebene, „DT"-Ebene
25': erste und zweite Maskenebene kombiniert, Testmaske
26: zweite Maskenebene, „AA"-Ebene
40: Element der ersten Struktur, rechteckförmiges Loch zur Bildung eines Grabenkondensators
40': von einer Maske auf einen Wafer abgebildetes Element der zweiten Struktur
30: Wafer, Substrat
32: erste Schicht
34: zweite Schicht
80: Lagegenauigkeitsfehler erste Struktur Maske-Wafer
81: Lagegenauigkeitsfehler zweite Struktur Maske-Wafer
99: Unterschied erster Versatz – zweiter Versatz, „Offset"
101: Lagegenauigkeitsfehler erste Struktur – erste Messmarke
102: Lagegenauigkeitsfehler zweite Struktur – zweite Messmarke
103: Lagegenauigkeitsfehler erste Messmarke – zweite Messmarke = erster Versatz
104: Lagegenauigkeitsfehler erste Struktur – zweite Struktur = zweiter Versatz

Claims

Verfahren zum Berechnen einer Korrektur für die bei einer Justage eines Substrates ermittelte Belichtungsposition vor der Durchführung eines Projektionsschrittes in einem Belichtungsgerät, umfassend die Schritte: – Projizieren eines Elementes (20) einer ersten Struktur (2) und einer ersten Meßmarke (6) in eine erste Schicht (32) auf einem Testsubstrat (30), – Projizieren eines dem Element (20) der ersten Struktur zugeordneten Elementes (40) einer zweiten Struktur (4) und einer der ersten Meßmarke (6) zugeordneten zweiten Meßmarke (8) in eine zweite Schicht (34) auf dem Testsubstrat (30), – Messen eines ersten Versatzes (103) zwischen der ersten (6) und der zweiten Meßmarke (8) auf dem Testsubstrat, – Messen eines sich aufgrund einer Linsenverzeichnung in dem Belichtungsgerät von dem ersten Versatz (103) unterscheidenden zweiten Versatzes (104) zwischen den Elementen (20, 40) der ersten (2) und zweiten Struktur (4) auf dem Testsubstrat (30), – Berechnen eines Unterschiedes (99) zwischen dem ersten (103) und dem zweiten Versatz (104) zur Ermittlung einer die Linsenverzeichnung des Belichtungsgerätes ausgleichenden Korrektur für die Justage eines nachfolgend zu belichtenden Substrates.
Verfahren zum Anwenden der nach Anspruch 1 berechneten Korrektur auf die bei der Justage eines Substrates ermittelte Belichtungsposition vor der Durchführung eines Projektionsschrittes in einem Belichtungsgerät, umfassend die Schritte: – Bereitstellen des zu belichtenden Substrates, – Projizieren der ersten Struktur (2) und einer Justiermarke von einer ersten Maskenebene (25) in eine erste Schicht (32) auf dem Substrat, – Ermitteln einer Belichtungsposition des Substrates gegenüber einer zweiten, nachfolgend mit der zweiten Struktur (4) zu projizierenden Maskenebene (26) in dem ersten Belichtungsgerät, wobei die Justiermarke auf dem Substrat mit einer die zweite Maskenebene (26) in dem Belichtungsgerät repräsentierenden Referenzmarke verglichen wird, – Anwenden der Korrektur auf die ermittelte Belichtungsposition des Substrates zum Ausgleich eines von der Form, Größe, Ausrichtung jeweils der ersten (2) und zweiten Struktur (4) abhängigen und durch Linsenverzeichnungen verursachten Lagegenauigkeitsfehlers.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Versatz (103) zwischen der ersten (6) und der zweiten Meßmarke (8) mittels eines Overlay-Meßgerätes gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Versatz (104) zwischen den Elementen (20, 40) der ersten und der zweiten Struktur (4) mittels eines Rasterelektronenmikroskops gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Versatz (104) zwischen den Elementen (20, 40) der ersten (2) und der zweiten Struktur (4) mittels eines High-Voltage Rasterelektronenmikroskops gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Versatz (104) zwischen den Elementen (20, 40) der ersten (2) und der zweiten Struktur (4) mittels Ionenablation gemessen wird.