DE4132590A1 - Verfahren zur automatischen regelung der belichtungsdosis in der photolithographie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen Rege­ lung der Belichtungsdosis in der Photolithographie.

Die Photolithographie ist, neben der Schicht-, Ätz- und Dotier­ technik, einer der grundlegenden Prozesse, die in der Prozeßfolge zur Herstellung von hochintegrierten Schaltungen aus Si­ liziumsubstraten immer wieder verwendet werden. Die bei der Entwicklung von Halbleiterbausteinen bzw. integrierten Schal­ tungen angestrebte immer höhere Integrationsdichte stellt wach­ sende Anforderungen an alle Einzelprozesse, insbesondere an die Strukturierungstechnik. Die Leistungsfähigkeit eines Lithogra­ phieverfahrens wird wesentlich nach der erreichbaren Struktur­ feinheit und der Linienbreitenstreuung, also den Schwankungen der Linienbreiten der mittels einer Photoresistschicht und eines Scheibenbelichtungsgerätes auf das Substrat (Wafer) ab­ zubilden Resiststrukturen, beurteilt. Zum Stand der Lithogra­ phietechnik wird allgemein auf "Technologie hochintegrierter Schaltungen", D. Widmann et al, Springer Verlag 1988, Kapitel 4, insbesondere Abschnitte 4.2.3. und 4.2.5., hingewiesen.

Es ist bekannt, daß Lack- und Schichtdickenunterschiede zu Linienbreitenschwankungen führen, weil aufgrund von Interfe­ renzeffekten die im Lack wirksame Dosis trotz gleicher einge­ strahlter Belichtungsdosis verschieden hoch ist. Zu Interfe­ renzeffekten kommt es beispielsweise durch eine unterhalb der Photoresistschicht befindliche hochreflektierende Aluminium­ oberfläche. Die Dicke der Schichten auf der Halbleiterscheibe (Photolackschicht, zu strukturierende Schicht und darunterlie­ gende Schichten) sind aus prozeßtechnischen Gründen min­ destens von Charge zu Charge immer mit einer gewissen Toleranz behaftet. Die bei der Belichtung aufgrund unterschiedlicher Lichteinkoppelung resultierenden Linienbreitenschwankungen sind ein sehr wesentliches Problem der Photolithographie.

Es ist auch bekannt, daß maximale Unterschiede der Lichtein­ koppelung bereits bei einem Unterschied der Dicken der Schich­ ten von 1/4 der Belichtungswellenlänge auftreten. Auch deshalb sind die Möglichkeiten, durch Einengung der Toleranzen der Schichtdicken und durch Verkleinerung der Höhe von Stufen in der Schicht eine Verbesserung zu erreichen, sehr begrenzt. Auch eine Verringerung der für die Linienbreitenschwankungen ursäch­ lichen Reflektion durch geeignete Schichten unter dem Photolack und/ oder durch Erhöhung der Dämpfung in der Photolackschicht durch Farbstoffe führt nicht in allen Anwendungsfällen zu zu­ friedenstellenden Ergebnissen. Insbesondere bei der Belichtung kritischer Schichtebenen, beispielsweise bei der Herstellung des 16M DRAM Speichers, muß deshalb heute üblicherweise vor der Belichtung jeder Charge eine Scheibe aus dieser Charge mit einer Dosisstaffel belichtet, entwickelt und die Linienbreite mittels eines Rasterelektronenmikroskopes gemessen werden, um die optimale Belichtungszeit festlegen zu können.

Aus "Charakterisierung eines Mikrophotometers", Diplomarbeit vom M. Grieshop im Fachbereich Photoingenieurwesen an der Fachhochschule Köln ist es bekannt, die beschriebene, sehr um­ ständliche Methode durch Einsatz eines speziell zu eichenden Mikrophotometers teilweise zu verbessern. Aufgrund der Ergeb­ nisse von Reflexionsmessungen, bei denen insbesondere die End­ reflektivität oder ein zeitliches Integral der gemessenen Re­ flektivität ausgewertet werden, soll dabei die Belichtungs­ dosis angepaßt und eine höhere Konstanz der Linienbreiten erreicht werden. Grundlage der in der Diplomarbeit beschriebe­ nen Maßnahmen ist die Änderung der Reflektivität des Photo­ lacks während der Belichtung.

Die Korrelation zwischen den Messungen der Reflektivität und der für eine bestimmte Linienweite erforderlichen Belichtungs­ dosis wird jedoch bei der von M. Grieshop vorgeschlagenen Methode immer nur für eine Scheibe ermittelt, wobei mit dieser Dosis dann die restliche Charge belichtet wird. Außerdem er­ folgt die Messung der Reflektivität nicht an einem Ort der kritischen Strukturen im Belichtungsfeld, sondern an außerhalb der abzubildenden Schaltungsstrukturen gelegenen, sogenannten Bleichstellen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, das die ge­ nannten Nachteile nicht aufweist.

Zur Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß bei einem Verfahren der eingangs genannten Art zur Erzielung definierter Linienbreiten mittels Auswertung einer Messung insbesondere der Endreflektivität oder der zeitlich integrierten Reflektivi­ tät die Regelung der Belichtungsdosis für jeden Wafer in-situ bei jeder Einzelbelichtung aufgrund der tatsächlichen opti­ schen Verhältnisse, die durch Messung der Reflektivität an einer Meßstelle der in einem Belichtungsfeld abzubildenden kritischen Strukturen ermittelt werden.

Auf einen Wafer wird in der Photolithographie üblicherweise nicht nur ein einziger Chip, sondern mehrere projiziert. Es ist bekannt, nur einmal ein insbesondere vergrößertes, zu über­ tragendes Figurenmuster (Retikel) zu erzeugen und die Verviel­ fachung dieses Figurenmusters auf dem Wafer anschließend mit einem anderen Gerät, einem Waferstepper vorzunehmen. Pro Belichtung wird dabei nur ein kleiner Flächenanteil einer Halbleiterscheibe mit beispielsweise zwei Chips innerhalb etwa 15×15 mm bedeckt. Pro Halbleiterscheibe sind daher viele Belichtungen erforderlich.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gelingt es, Dickenunters­ chiede und damit Linienbreitenschwankungen von Scheibe zu Scheibe und von Belichtungsfeld zu Belichtungsfeld in ferti­ gungstauglicher Weise zu berücksichtigen. Es erfolgt eine auto­ matische Regelung der Dosis bei jeder einzelnen Belichtung mittels Reflektivitätsmessung und Auswertung nach dem Kriteri­ um der zeitlich integrierten, oder der Endreflektivität an für den zu erzeugenden Schaltkreis kritischen Strukturen bzw. an Ersatzstrukturen innerhalb des Belichtungsfeldes des Schalt­ kreises.

Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteran­ sprüchen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung, deren einzige Figur eine Anlage zur Durchführung des erfindungsge­ mäßen Verfahrens zeigt, noch näher erläutert.

In der Figur ist schematisch der prinzipielle Aufbau eines an sich bekannten, zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfah­ rens nur geringfügig zu modifizierenden Wafersteppers darge­ stellt. Die Abgabe der zur Belichtung bestimmten Dosis durch einen Kondensor 3 wird mittels eines Verschlusses 4 gesteuert. Die Erzeugung der abzubildenden Lichtfiguren erfolgt mittels des Figurenmusters eines Retikels 5. Anschließend wird das Licht mittels eines Objektives 2 auf die vorgesehenen Stellen der Belichtungsfelder eines Wafers 1 gerichtet.

Erfindungsgemäß befinden sich insbesondere im Randbereich des Wafers Strukturen, die kritischen Strukturen im Schaltkreis entsprechen. Diese werden auf die mit Photolack beschichtete Halbleiterscheibe an eine Stelle mit typischem Untergrund (Schaltungsausschnitt) projiziert. Die Rückreflektion wird mittels eines in der Figur angedeuteten Detektors 6, vorzugs­ weise einem Photomultiplier, oberhalb des Retikels gemessen. Das detektierte Signal entspricht den tatsächlichen in-situ- Verhältnissen bei der Belichtung des Photolackes. Im Gegensatz dazu sollte in der oben genannten Diplomarbeit nur nach einmal korrekt gemessenem Wert korrekt belichtet werden.

Die erfindungsgemäße Auswertung und Ermittlung der maßhaltigen Dosis kann mit einer Vorrichtung 7 erfolgen, mittels derer eine Verschlußsteuerung 8 des Verschlusses 4 erfolgt. Wegen der Struktur auf dem Retikel wird das Streulicht aus dunklen Bereichen zurückgehalten. Der Endpunkt der Belichtung wird in an sich bereits bekannter Weise bestimmt, wobei noch Korrektur­ werte 9 berücksichtigt werden können.

Claims (2)

1. Verfahren zur automatischen Regelung der Belichtungsdosis in der Photolithographie zur Erzielung definierter Linien­ breiten mittels Auswertung einer Messung insbesondere der Endreflektivität oder der zeitlich integrierten Reflektivität, bei dem die Regelung der Belichtungsdosis für jeden Wafer in-situ bei jeder Einzelbelichtung aufgrund der tatsächlichen optischen Verhältnisse erfolgt, die durch Messung der Reflektivität an eine Meßstelle der in einem Belichtungsfeld abzubildenden kritischen Strukturen ermittelt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein Waferstepper verwen­ det wird und die Messung der Reflektivität oberhalb des Reti­ kels (5) mittels eines Detektors (8), insbesondere eines Photomultipliers, erfolgt.