DE19945144C2 - Wartezeitabhängige Korrektur für lithographische Lackmaskenbelichtung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet der lithogra­ phischen Erzeugung strukturierter Schichten auf einem Halb­ leitersubstrat. Dieses wird zur Erzeugung der strukturierten Schicht mit einer lichtempfindlichen Lackschicht (Lackmaske) versehen, die mit einem auf einen Reticle erzeugten vergrö­ ßerten Abbild der herzustellenden oder der dazu komplementä­ ren Struktur belichtet wird. Der Lack wird entwickelt und dann in den belichteten oder unbelichteten Bereichen durch Abschleudern entfernt. Daran schließt sich der eigentliche Strukturierungsprozess an, bei dem in den vom Lack befreiten Bereichen der Substratoberfläche die strukturierte Schicht entsteht.

Eine integrierte Halbleiterschaltung weist nicht selten 15 bis 20 Schichtebenen auf, wobei für eine einzige Ebene ca. 20 verschiedene Technologien zur Verfügung stehen. Dies führt zu einer großen Vielzahl von typischerweise einigen Hundert ver­ schiedenen Schichten, die in abwechselnder und nicht vorher­ sehbarer Reihenfolge vermessen werden müssen. Um den durch Belichtungsfehler entstehenden Ausschuss so gering wie mög­ lich zu halten, muss die korrekte Belichtung jeder einzelnen Schicht sichergestellt sein.

Vor jedem Strukturierungsprozess wird daher die Qualität der Belackung überprüft und ggf. der Lack entfernt und erneut aufgetragen. Ausschlaggebend für die Qualität der Belackungen sind das Ausmaß von Lageabweichungen in Form von seitlichen Versetzungen oder Verdrehungen der Lackstruktur gegenüber den darunter liegenden Schichtstrukturen sowie die Maßgenauigkeit prozessspezifisch ausgewählter Strukturbreiten.

Nach dem Entwickeln und Abschleudern des Lacks bilden die be­ lichteten und unbelichteten Bereiche Gräben bzw. Erhebungen mit Rändern, deren Kontur unter anderem von der Intensität bzw. Dauer der Belichtung und der Lichtreflexion durch unter dem Lack liegende Schichten beeinflusst wird. Bei der Her­ stellung jeder Lackmaske wird ein Muster von Gräben und Erhe­ bungen unterschiedlicher Sollbreite mit einbelichtet, deren tatsächliche Breite, die sich aus dem durch Beleuchtungsdosis und Schichtreflektion beeinflussten Randverlauf ergibt, mit der Sollbreite verglichen wird. Die Abweichung dieser Struk­ turbreiten oder CD-Maße (critical dimension) kann durch eine Veränderung der Beleuchtungsdosis ausgeglichen werden. Lage­ abweichungen der Muster können hingegen durch Einstellungen der optischen Abbildung zur Lackmaskenbelichtung korrigiert werden.

Die vorliegende Erfindung betrifft speziell ein Verfahren zur lithographischen Lackmaskenherstellung in der Halbleiterfer­ tigung,

• - bei dem für eine Vielzahl von Schichten unterschiedlicher Zusammensetzungen und/oder unterschiedlicher Herstellungs­ technologien Lackmasken erzeugt werden,
• - wobei Messungen an belichteten und bereits entwickelten Lackmasken vorgenommen werden und
• - aus Messungen an solchen Lackmasken, die für Schichten gleicher Zusammensetzung und Herstellungstechnologie be­ stimmt sind, ein Korrekturwert berechnet wird, mit dem bei einer bevorstehenden Belichtung eines Lackmaskenfilms, der
• - für eine weitere Schicht derselben Zusammensetzung und Herstellungstechnologie bestimmt ist, ein Parameter korri­ giert wird.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum lithogra­ phischen Erzeugen von Lackmasken nach diesem Verfahren.

Ein solches Verfahren ist von Chen und Wang in "International Society for Optical Engineering - SPIE", VOL. 2876, S. 225-231 beschrieben. Danach wird aus mehreren, an belichteten Lackmasken gemessenen Strukturbreiten ein Mittelwert gebil­ det, der von einem Sollwert der Strukturbreite subtrahiert wird. Die Differenz wird in eine Korrektur für eine bevorste­ hende Belichtung einer weiteren Lackmaske umgerechnet. Auf diese Weise wird die Belichtung der weiteren Lackmaske mit Hilfe von Messungen an bereits vermessenen Lackmasken, die zur Herstellung von strukturierten Schichten gleicher Zusam­ mensetzung und gleicher Fertigungstechnologie dienen, korri­ giert.

Nachteilig bei diesem Verfahren ist die ungewisse Qualität der Korrektur der Belichtung weiterer Lackmasken. Da ledig­ lich ein Mittelwert bisheriger Abweichungen der CD-Maße von ihrem Sollwert gebildet wird, sind Tendenzen in der Entwick­ lung dieser Abweichungen nicht erkennbar. Die Mittelwertbil­ dung lässt ferner unberücksichtigt, dass die Belichtungen nicht zu äquidistanten Zeitpunkten, sondern zu nicht vorher­ sehbaren und daher variablen Zeiten erfolgt. Gerade wenn vie­ le Halbleiterschichten unterschiedlicher Zusammensetzung und unterschiedlicher Fertigungstechnologie abwechselnd nachein­ ander hergestellt werden, ist der zeitliche Abstand zur Be­ lichtung der nächsten Lackmaske zur Erzeugung einer Schicht gleicher Zusammensetzung und gleicher Fertigungstechnologie ungewiss. Die Übertragung einer durch Mittelwertbildung ent­ standenen Korrektur auf die zukünftige Belichtung führt des­ halb nicht zwangsläufig zu einer Verbesserung des Belich­ tungsprozesses.

Ferner ist aus der Druckschrift DE 195 34 132 A1 eine Vorrich­ tung und ein Verfahren zum Korrigieren von Lichtannäherungs­ effekten bekannt, wobei zur Realisierung einer hochgenauen Korrektur für verschiedene Schutzlackprozessbedingungen Mas­ ter- und Slave-Prozessoren verwendet werden, die ein Verhält­ nis zwischen einem Referenzmuster und dessen optischen Bild bestimmen.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, um nachfol­ gende Belichtungsprozesse anhand bereits gewonnener Daten noch genauer und zuverlässiger zu steuern.

Diese Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens dadurch gelöst, dass

• - für die bevorstehende Belichtung des Lackmaskenfilms der Zeitraum seit der Belichtung einer bereits entwickelten Lack­ maske, d. h. eine Folgezeit erfasst wird,
• - daß der Zeitraum zwischen der Belichtung und der Vermessung dieser bereits entwickelten Maske, d. h. eine Totzeit erfaßt wird, und
• - daß bei der bevorstehenden Belichtung des Maskenfilms der Parameter in Abhängigkeit von der Folgezeit und der Totzeit korrigiert wird.

Im Gegensatz zum vorbekannten mittelwertbildenden Verfahren, das einige Meßergebnisse zuletzt vermessener Lackfilme ohne Berücksichtigung der Reihenfolge oder zeitlicher Abstände und ohne Gewichtung zu einer Korrektur zusammenfaßt, berücksich­ tigt die erfindungsgemäße Messung der Folgezeit bis zur Be­ lichtung des weiteren Lackfilms erstmals den zeitlichen Ab­ stand gleichartiger Belichtungsprozesse, der durch die große Schicht- und Technologievielfalt nicht vorhersehbar ist. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können Änderungstendenzen un­ bekannter, jedoch sich stetig ändernder Störgrößen sowie die Geschwindigkeit solcher Änderungstendenzen erkannt und deren Weiterentwicklung bis zum Zeitpunkt der nächsten Belichtung abgeschätzt werden. Infolgedessen werden vorgegebene Abmes­ sungen und Lageparameter genauer eingehalten; gefertigte Pro­ duktserien sind - ungeachtet der Bearbeitungsreihenfolge der Lose - in ihrer Qualität homogener.

Erfindungsgemäß wird jedoch nicht nur eine Folgezeit, sondern auch mindestens eine Totzeit zwischen Belichtung und Vermes­ sung einer Maske erfaßt. Insbesondere wird die Totzeit des zuletzt vermessenen Maskenfilms erfaßt. Aufgrund der großen Vielzahl unterschiedlicher Zusammensetzungen und Herstel­ lungstechnologien können sehr große Zeitspannen vergehen, bis belichtete Maskenfilme vermessen werden können. Diese Totzei­ ten können wesentlich größer sein als die zeitlichen Abstände zwischen aufeinanderfolgenden Belichtungen.

Systemparameter verändern sich gegenüber ihren Werten bei ei­ ner früheren Belichtung um so stärker, je länger die Belich­ tung zurückliegt. Durch die erfindungsgemäße Erfassung mindestens einer Totzeit, vorzugsweise derjenigen des zuletzt ver­ messenen Lackfilms, kann das Meßergebnis unterschiedlich stark gewichtet werden. Sind beispielsweise mehrere Belich­ tungen in kurzen zeitlichen Abständen nacheinander vorgenom­ men, liegen diese jedoch zeitlich länger zurück bzw. können erst nach längerer Wartezeit vermessen werden, so führt die entsprechend große Totzeit zu einer schwächeren Gewichtung der Meßergebnisse, als wenn Belichtungszeiten und Totzeiten von gleicher Größenordnung sind.

Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, daß der Parameter in Abhängigkeit von dem Verhältnis von Folgezeit zu Totzeit korrigiert wird. Der zuletzt gemessene Fehler, d. h. die Ab­ weichung des Parameters von seinem Sollwert, wird beispiels­ weise mit diesem Verhältnis multipliziert, so etwa im Falle eines Integralreglers. Ein Beispiel für eine komplexere Ab­ hängigkeit des Korrekturwertes von einem Verhältnis von Fol­ gezeit und Totzeit ist der Proportional-Integral-Regler im Falle großer Totzeiten.

Das Verhältnis von Folgezeit zu Totzeit oder dessen Kehrwert eignet sich als Maßzahl für die Gewichtung zurückliegender Belichtungen. Liegen die Belichtungszeitpunkte gerade vermes­ sener Masken sehr weit zurück, obwohl die einzelnen Belich­ tungszeitpunkte dicht beieinander liegen, so führt die ver­ gleichsweise große Totzeit zu einer schwächeren Gewichtung, als wenn die Totzeiten von gleicher Größenordnung oder klei­ ner als die Folgezeiten sind.

Die Vermessung der bereits entwickelten Lackfilme geschieht vorzugsweise dadurch, daß Strukturbreiten der Masken vermes­ sen werden. In diesem Falle ist der bei der Belichtung des Maskenfilms zu korrigierende Parameter ein Dosiswert der Be­ lichtung. Aus der gemessenen CD-Maß-Abweichung und der Be­ lichtungskennlinie ergibt sich unter Berücksichtigung der Tot- und Folgezeiten die einzustellende Belichtungsdosis.

Alternativ oder ergänzend zur Vermessung der Strukturbreiten können auch Lageabweichungen der Masken vermessen werden. In diesem Fall sind die zu korrigierenden Parameter vorzugsweise ein Abbildungsmaßstab, eine laterale Verschiebung oder ein azimutaler Drehwinkel einer optischen Abbildung. Durch eine entsprechend korrigierte Reticle-Verkleinerung, ein seitli­ ches Ausrichten des Reticle-Bildes und des zu belichtenden Substratbereichs sowie einer azimutalen Korrekturdrehung um die optische Achse der Abbildung wird der Maskenfilm lagege­ recht zu vorhandenen, tiefer liegenden Strukturen belichtet.

Eine bevorzugte Ausführungsart der Erfindung sieht vor, daß der Parameter geregelt wird, d. h. durch einen geschlossenen Regelkreis korrigiert wird. In diesem Fall sieht eine vor­ teilhafte Weiterbildung der Erfindung vor, daß Anteile des Korrekturwerts die durch bekannte Störgrößen verursacht wer­ den, durch eine negative Aufschaltung der Störgrößen elimi­ niert werden.

Fehlbelichtungen werden durch eine Reihe teils bekannter bzw. leicht ermittelbarer Einflußgrößen (z. B. Schichtdicken des Lackfilms und darunter liegender Strukturen), teils unbekann­ ter, d. h. nicht oder nur schwer meßbarer oder berechenbarer Störgrößen (z. B. Focus Drift, Drift des Light Integrators zur Konstanthaltung der Dosis, die Entwicklungsdauer oder sonstige Justierungsparameter) verursacht. Es ist daher sinn­ voll, die durch eine negative Aufschaltung der bekannten Stö­ reinflüsse auszuschalten und lediglich die unbekannten Stör­ größen zu korrigieren.

Eine weitere Ausführungsart sieht vor, daß der Parameter durch eine Korrektureinheit automatisch korrigiert wird. Die­ se Automatisierung wird mit Hilfe der erfindungsgemäß bereit­ gestellten Vorrichtung gemäß Anspruch 10 erreicht, die ent­ sprechende Einheiten zur Erfassung von Tot- und Folgezeiten und zur Berechnung einer Korrektur des Parameters mit Hilfe dieser Zeiten aufweist.

Die Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die Figuren er­ läutert. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1a bis 1c schematische Diagramme eines Integralreg­ lers und eines Proportional-Integral-Reglers für die Belich­ tungsdosis sowie der Störgrößenaufschaltung dieser Regler und die Fig. 2a bis 2c anhand von Meßprotokollen und mit Hilfe un­ terschiedlicher simulierter Regelungen erhaltene CD-Maß- Verläufe für drei verschiedene Technologien A, B und C.

Fig. 1a zeigt schematisch eine Regelung für die Belichtungs­ dosis u. Die durch die Belichtung erhaltenen Strukturbreiten bzw. CD-Maße werden nach einer nicht vorhersehbaren Totzeit T gemessen und die Meßwerte y mit den Sollwerten w verglichen. Die Abweichung e der Strukturbreite wird gemäß

im Integralregler I in eine veränderte Belichtungsdosis u um­ gerechnet, die wiederum als Stellgröße für die totzeitbeding­ te Regelstrecke S_T dient. T_A bezeichnet die Abtastzeit zwi­ schen aufeinanderfolgenden Belichtungen und T_t die Totzeit zwischen Belichtung und Vermessung der Strukturbreite. K_S be­ zeichnet die Steigung der Belichtungskennlinie, d. h. die Ab­ hängigkeit der Strukturbreite von der Belichtungsdosis. Diese Regelung kann optional einen weiteren Regler WER aufweisen, der die obige Korrektur der Belichtungsdosis nur dann veran­ laßt, wenn eine der drei sogenannten Western Electronic Rules verletzt sind, das heißt, wenn entweder ein Meßwert außerhalb der dreifachen Standardabweichung der letzten 30 Meßwerte liegt, wenn 7 aufeinanderfolgende Meßwerte einen Kurvenver­ lauf positiver oder negativer Steigung ergeben oder wenn 8 aufeinanderfolgende Meßwerte entweder oberhalb oder unterhalb des Mittelwertes einer vorgegebenen Anzahl vorheriger Meßwer­ te liegen. Sofern kein Regler WER vorgesehen ist, wird die Korrektur der Belichtungsdosis nach jeder Strukturbreitenver­ messung vorgenommen.

Fig. 1b zeigt eine Regelung, die zusätzlich zu dem Integral­ regler I einen Proportionalregler P aufweist. Bei dieser Re­ gelung wird der Belichtungsdosis z. B. nach der Formel

geregelt, wobei d das Verhältnis der Totzeit T_t zur Ab­ tastzeit T_A darstellt. Die rein integrale Regelung aus Fig. 1a ist zwar geeignet, gemessene Abweichungen von einem Soll­ wert vollständig zu kompensieren, allerdings neigt ein reiner Integralregler zum Schwingen. Der Proportionalregler ist zwar in Bezug auf das Ausmaß der Fehlerkompensation weniger genau als der Integralregler, regelt dafür jedoch schneller als dieser.

Fig. 1c zeigt eine Regelung, bei der der Regler R integrie­ rende, proportionale oder sonstige Regelanteile enthalten kann. In dieser Ausführungsform werden die Störgrößen in be­ kannte Störgrößen z₁ und unbekannte Störgrößen z₂ aufgeteilt, wobei erstere mit umgekehrten Vorzeichen auf die durch den Regler R eingestellte Belichtungsdosis u_R aufgeschaltet wer­ den und so den neuen Stellwert u_N ergeben. Im Verlauf der weiteren Regelstrecke S_T führen nur noch die unbekannten Störgrößen z₂ zu Sollwertabweichungen der Strukturbreiten. Die Subtraktion der bekannten oder leicht ermittelbaren Ein­ flußgrößen hat den Vorteil, daß der verbleibende Restfehler kleiner wird und daher exakter kompensiert werden kann.

Die Qualität der Regelung gemäß Fig. 1c, wobei als Regler R ein Integralregler I mit Proportionalregler P aus Fig. 1b oder der Regler WER aus Fig. 1a verwendet werden kann, läßt sich aus den in den Fig. 2a bis 2c tabellierten Prozeßfähig­ keitsindizes beurteilen. Die als Technologien A, B und C be­ zeichneten Diagramme beziehen sich auf unterschiedliche Schichten einer integrierten Halbleiterschaltung, für deren Strukturierung Lackmasken aufgebracht und deren Strukturbrei­ ten vermessen worden sind. Die Strukturbreiten der Technolo­ gien A und C wurden an Stegen gemessen und steigen daher mit zunehmender Belichtungsdosis entsprechend der Belichtungs­ kennlinie an. Bei der Technologie B wird dagegen die Struk­ turbreite mit zunehmend starker Belichtung kleiner. Die für die Technologien A bis C gemessenen Strukturbreiten wurden dem Datenbestand der laufenden Fertigung entnommen und als relative CD-Maße in Abhängigkeit von der Anzahl bearbeiteter Lose der jeweiligen Technologie aufgetragen. Entsprechend der Vielzahl von Schichten unterschiedlicher Zusammensetzung und Herstellungstechnologie waren die zeitlichen Abstände zwi­ schen den Belichtungen und den Messungen an Losen der Techno­ logien A bis C großen Schwankungen unterworfen. In den Fig. 2a bis 2c sind zusätzlich zu den entnommenen, ohne Rege­ lung erhaltenen Werten auch simulierte, mit verschiedenen Re­ gelungsarten erhaltene Strukturbreitenverläufe aufgetragen. Dabei wurden herkömmliche zeitunabhängige, aus jeweils 3 oder 10 letzten Werten mittelnde Mittelwertregler sowie die erfin­ dungsgemäß zeitabhängigen Integral- oder Proportional- Integral-Regler simuliert. Zur Beurteilung von Strukturbrei­ tenverläufen haben sich die sogenannten Prozeßfähigkeitsindi­ zes C_p und C_pk durchgesetzt. In den Definitionen

bedeuten OKG und UKG die obere bzw. untere Kontrollgrenze, MW den Mittelwert und σ die Standardabweichung der Meßergebnis­ se.

Ein Prozeß verläuft um so kontrollierter bzw. seine Qualität ist um so höher, je größer die berechneten Werte der Prozeß­ fähigkeitsindizes sind. Ein Vergleich der Indizes der Fig. 2a bis 2c zeigt daß in allen Fällen eine zeitabhängige Rege­ lung eine kontrolliertere Prozeßführung bewirken kann als ei­ ne Mittelwertbildung basierende Regelung. Welche Art der zeitabhängigen Regelung am zweckmäßigsten eingesetzt wird, d. h. in welcher Art und Weise die Totzeiten und die Folgezeiten in die Korrektur der Belichtungsdosis eingehen, ist für die Technologien A, B und C unterschiedlich und unter anderem ei­ ne Folge des Meßverfahrens und dadurch bedingter Meß­ wertstreuungen. Für die Technologien A und B liefert der mit Hilfe der Western Electronic Rules gesteuerte Integralregler den kontrolliertesten Belichtungsprozeß, wohingegen der Reg­ ler mit Proportionalanteil praktisch keine Verbesserung ge­ genüber dem Mittelwertregler mit sich bringt. Für die Techno­ logie C wurde ein reiner Integralregler, der nach jeder Mes­ sung eine Korrektur vornimmt, verwendet und führt ebenfalls zu einer zuverlässigeren Regelung als ein mittelwertbildendes Verfahren.

Die verschiedenen Regelungsarten sind lediglich beispielhaft.

Welche Regelungsart im konkreten Fall eingesetzt wird, rich­ tet sich nach dem Spektrum der zu strukturierenden Schichten und der dafür verwendeten Technologien. Durch Erfahrungswerte mit auftretenden Totzeiten und Folgezeiten sowie durch den Vergleich unterschiedlicher Regelungsarten läßt sich eine Re­ gelung gestalten, mit der die Belichtungsdosis oder andere Parameter mit Hilfe der erfindungsgemäßen Gewichtung durch Folge- und insbesondere Totzeiten am zweckmäßigsten, d. h. im geeigneten Ausmaß und mit der geeigneten Geschwindigkeit, korrigiert werden.

Claims (10)

1. Verfahren zur lithographischen Lackmaskenherstellung in der Halbleiterfertigung,
bei dem für eine Vielzahl von Schichten unterschiedlicher Zusammensetzungen und/oder unterschiedlicher Herstellungs­ technologien Lackmasken erzeugt werden,
wobei Messungen an belichteten und bereits entwickelten Lackmasken vorgenommen werden und
aus Messungen an solchen Lackmasken, die für Schichten gleicher Zusammensetzung und Herstellungstechnologie bestimmt sind, ein Korrekturwert berechnet wird, mit dem bei einer be­ vorstehenden Belichtung eines Lackmaskenfilms, der für eine weitere Schicht derselben Zusammensetzung und Herstellungs­ technologie bestimmt ist, ein Parameter korrigiert wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass für die bevorstehende Belichtung des Lackmaskenfilms der Zeitraum seit der Belichtung einer bereits entwickelten Lackmaske, d. h. eine Folgezeit erfasst wird,
dass der Zeitraum zwischen der Belichtung und der Vermes­ sung dieser bereits entwickelten Lackmaske, d. h. eine Totzeit erfasst wird, und
dass bei der bevorstehenden Belichtung des Lackmaskenfilms der Parameter in Abhängigkeit von der Folgezeit und der Tot­ zeit korrigiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter in Abhängigkeit von dem Verhältnis von Folgezeit zu Totzeit korrigiert wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Strukturbreiten der Lackmasken vermessen werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter ein Dosiswert der Belichtung ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Lageabweichungen der Lackmasken vermessen werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter ein Abbildungsmaßstab, eine laterale Ver­ schiebung oder ein azimutaler Drehwinkel einer optischen Ab­ bildung ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter geregelt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Anteile des Korrekturwerts, die durch bekannte Störgrö­ ßen verursacht werden, durch eine negative Aufschaltung der Störgrößen eliminiert werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter durch eine Korrektureinheit automatisch korrigiert wird.

10. Vorrichtung zum lithographischen Erzeugen von Lackmasken in der Halbleiterfertigung nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, mit Einheiten zur Erfassung mindestens je einer Folgezeit und einer Totzeit und zur Berechnung einer Korrektur des Parameters aus der Folgezeit und der Totzeit.