-
ALLGEMEINER
STAND DER TECHNIK
-
1. Erfindungsgebiet
-
Die vorliegende Erfindung betrifft
Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen und insbesondere
ein Lithographieverfahren zum Verhindern der lithographischen Belichtung
eines Randgebiets eines Halbleiterwafers.
-
2. Beschreibung des Stands
der Technik:
-
Die Photolithographie ist bei der
Herstellung von Halbleiterbauelementen eine üblicherweise eingesetzte Technik,
die Strukturen benutzt, um Gebiete auf einem Siliziumsubstrat zu
definieren. Insbesondere bei der Photolithographie wird eine Photoresistschicht
beispielsweise auf einem Substrat wie etwa einem Siliziumwafer ausgebildet,
und dann wird die Resistschicht mit einer Maske oder einem Reticle,
die bzw. das eine Struktur enthält,
bedeckt. Die Maske wird Strahlung wie etwa Ultraviolettlicht (UV),
Röntgenstrahlung,
Elektronenstrahlung und dergleichen ausgesetzt, die von den transparenten
Bereichen der Maske durchgelassen wird und in entsprechenden Gebieten
des Photoresists eine chemische Reaktion hervorruft.
-
Es gibt zahlreiche Belichtungsvorrichtungen, die
für die
Photolithographie verwendet werden können. Beispielsweise wird allgemein
eine in der Technik wohlbekannte Belichtungsvorrichtung zur Projektion
verwendet, bei der ein auf einem Reticle ausgebildetes Bild einer
Struktur über
ein optisches Projektionssystem beispielsweise auf ein Wafersubstrat übertragen
wird, auf dessen Oberfläche
ein lichtempfindliches Material wie etwa ein Photoresist aufgetragen
ist. Als Belichtungsvorrichtung zur Projektion wird überwiegend
eine Belichtungsvorrichtung mit Verkleinerungsprojektion (ein sogenannter
Stepper) verwendet, der auf dem sogenannten „Step-and-Repeat"-System basiert
und bei dem ein empfindliches Substrat auf einem Substrattisch angeordnet
wird, der in zwei Dimensionen bewegt werden kann. Das empfindliche
Substrat wird schrittweise bewegt (einem Stepping unterzogen), indem
mit dem Substrattisch der Vorgang für das aufeinanderfolgende Belichten
jeweiliger Belichtungsblitzbereiche auf dem empfindlichen Substrat
mit dem auf dem Reticle ausgebildeten Bild der Struktur wiederholt
wird.
-
Je nach Anwendung können mehrere
Resistarten verwendet werden. Bei einem negativen Photoresist beispielsweise
werden die bestrahlten Bereiche des Photoresist in einer Entwicklungslösung unlöslich. Die
Strahlung kann beispielsweise eine Vernetzung, ein Kettenwachstum,
eine Photokondensation oder eine andere derartige Reaktion einleiten, um
in dem Photoresist eine chemische Änderung zu bewirken. Bei einem
positiven Photoresist andererseits werden die bestrahlten Bereiche
in einer Entwicklungslösung
löslicher.
Die Strahlung kann beispielsweise eine Photodegradation der Molekularstruktur
des Photoresist verursachen.
-
Nach der Strahlungsbelichtung wird
der Photoresist entwickelt, indem er mit einer Entwicklungslösung behandelt
wird, die die löslichen
Teile des Photoresist wegspült
und dadurch eine Resiststruktur bildet. Mit der Resiststruktur kann
das Substrat beispielsweise während
der Ätz-
oder Ionenimplantation geschützt
werden. Beispielsweise kann ein Ätzprozeß ausgeführt werden,
bei dem das Substrat beispielsweise in einem Naßätzprozeß einer Säure oder in einem Trockenätzprozeß einem
Innenstrahl ausgesetzt wird, wobei mit der Struktur tiefe Gräben hergestellt
werden können,
indem ein DTMO-Prozeß (Deep
Trench Mask Opening) und ein DT-Ätzprozeß (Deep
Trench) ausgeführt
werden. Diejenigen Bereiche des Substrats, die von der Resiststruktur
nicht bedeckt sind, bleiben ungeätzt.
Der übrige
Photoresist wird durch ein geeignetes Lösungsmittel oder andere herkömmliche
Entfernungsverfahren entfernt, wobei das Substrat mit einer darin
geätzten
Struktur zurückbleibt.
-
Ein mit der Herstellung von Halbleiterbauelementen
verbundener Nachteil ist die Entstehung von „Black-Silicon" am Waferumfang.
Wie in der Technik bekannt ist, kann sich „Black-Silicon" aus verschiedenen Gründen bilden,
beispielsweise unter anderem durch lithographische Belichtung der
Waferkante. Insbesondere entsteht das Black-Silicon allgemein an
der Kante des Wafer aufgrund ungleichmäßiger Erosion der Photoresistschicht,
und es ruft Probleme hervor wie etwa eine beträchtliche Verunreinigung der
Prozeß-
und Belichtungswerkzeuge (zum Beispiel einer Ionenimplantationsanlage)
sowie eine Reduzierung der Belichtungsauflösung.
-
1 ist
im Schnitt eine beispielhafte schematische Seitenansicht einer Waferkante
gezeigt, die die Entstehung von Black-Silicon während des Grabenätzprozesses
veranschaulicht. 1 zeigt
einen Siliziumwafer 1 mit einer darauf ausgebildeten Maskenstruktur 2 (zum
Beispiel Oxidfilm) um zur Bildung von Gräben 3 den Siliziumwafer 1 selektiv
zu ätzen. Während des Ätzens der
Gräben
liegt das Silizium an einem Randgebiet 4 des Wafers 1 fast
vollständig frei,
wodurch Black-Silicon 5 entsteht. Während der nachfolgenden Bearbeitung
des Wafers können
die vorstehenden Teile des Black-Silicon 5 zerfallen und zu
Teilchen werden. Diese Teilchen können beim Herstellungsprozeß unzählige Probleme
verursachen, wie etwa Fehler bei der elektrischen Isolierung, was
die Herstellungsausbeute verringert, sowie die oben erwähnten Probleme,
wie etwa Werkzeugverunreinigung.
-
Verfahren, um die Entstehung von „Black-Silicon"
zu verhindern, werden beispielsweise im US-Patent Nr. 6,291,315
von Nakayama et al., mit dem Titel „Method for Etching Trench
in Manufacturing Semiconductor Devices" beschrieben. Kurz gesagt
wird bei einem in Nakayama offengelegten Verfahren zum Verhindern
der Entstehung von Black-Silicon im Randgebiet eines Halbleiterwafers
ein dicker Oxidfilm ausgebildet, der als ein Isolierfilm fungiert, um
bei der Herstellung von Gräben
das Ätzen
zu verhindern. Mit anderen Worten wird während eines reaktiven Ionenätzprozesses
außer
im Gebiet der Grabenbildung in keinem anderen Gebiet (zum Beispiel Randgebiet)
Silizium freigelegt, wodurch die Entstehung des Black-Silicon am
Waferumfang verhindert wird.
-
Herkömmliche Verfahren, um die Entstehung von
Black-Silicon zu verhindern (wie etwa das oben beschriebene Verfahren),
machen den Herstellungsprozeß komplexer,
da sie zusätzliche
komplexe Schritte erfordern, zum Beispiel die Ausbildung einer Oxidfilmschicht
am Waferumfang zusätzlich
zu den typischen Photolithographie- und anderen Halbleiterherstellungsprozessen.
-
Es besteht somit ein Bedarf an einem
vereinfachten Verfahren, um die Entstehung von Black-Silicon am
Rand eines Halbleiterwafers während
der Herstellung von Halbleiterbauelementen zu verhindern oder zu
reduzieren.
-
KURZE DARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
-
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht
in der Bereitstellung eines Lithographieverfahrens zum Einsatz bei
der Herstellung von Halbleiterbauelementen, das die lithographische
Belichtung eines Randgebiets oder Kantengebiets eines Halbleiterwafers
verhindert.
-
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden
Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Lithographieverfahrens
zum Einsatz bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen, das
die Entstehung von Black-Silicon in einem strukturierten Gebiet
am Randgebiet eines Halbleiterwafers infolge beispielsweise eines
Verfahrens zur Herstellung tiefer Gräben verhindert.
-
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden
Erfindung umfaßt
ein Verfahren zum Verhindern der lithographischen Belichtung eines
Randgebiets eines Halbleiterwafers das Auftragen einer Schicht aus Photoresist
auf einem Halbleiterwafer und dann Behandeln des Photoresist, der
ein Randgebiet des Halbleiterwafers bedeckt, mit einer Lösung, die
verhindert, daß sich
der behandelte Photoresist während
eines Entwicklungsprozesses aufgrund Strahlungsbelichtung des behandelten
Photoresist auflöst.
-
Bei einem weiteren Aspekt der Erfindung umfaßt ein Verfahren
zum Verhindern der Entstehung von Black-Silicon in einem strukturiertem
Gebiet an einem Rand eines Halbleiterwafers das Auftragen einer
Schicht aus Photoresist auf einem Halbleiterwafer und Auftragen
einer Lösung
auf den Photoresist in einem Randgebiet des Halbleiterwafers. Wenn
die Schicht aus Photoresist mit Strahlung belichtet wird, verhindert
die Lösung,
daß im
Photoresist im Randgebiet des Halbleiterwafers infolge der Strahlungsbelichtung
photochemische Änderungen auftreten.
Wenn zur Ausbildung einer Struktur der Photoresist entwickelt wird,
verhindert die Lösung, daß der belichtete
Photoresist im Randgebiet des Halbleiterwafers durch ein Entwicklungsmittel
aufgelöst
wird. Wenn an einem belichteten Teil des Halbleiterwafers ein Ätzprozeß ausgeführt wird,
verhindert der Photoresist im Randgebiet des Halbleiterwafers eine
großflächige Erosion
des Substrats und die Entstehung von Black-Silicon im strukturierten
Gebiet infolge des Ätzens.
-
Bei einem weiteren Aspekt der Erfindung umfaßt ein Lithographieprozeß das Auftragen
einer Schicht eines positiven Photoresist auf einem Halbleiterwafer
und das Auftragen einer Lösung
auf den positiven Photoresist, der ein Randgebiet des Halbleiterwafers
bedeckt. Bei Strahlungsbelichtung der Schicht aus Photoresist verhindert
die Lösung,
daß im
positiven Photoresist, der das Randgebiet des Halbleiterwafers bedeckt,
aufgrund von Strahlungsbelichtung photochemische Änderungen
auftreten. Während
der Entwicklung des Photoresist, um eine Resiststruktur zu bilden,
verhindert die Lösung,
daß belichteter
positiver Photoresist, der das Randgebiet des Halbleiterwafers bedeckt,
durch ein Entwicklungsmittel aufgelöst wird.
-
Diese und weitere Aufgaben, Merkmale
und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden
ausführlichen
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
dieser, die zusammen mit den beiliegenden Zeichnungen gelesen werden
muß.
-
KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
-
1 zeigt
im Schnitt eine beispielhafte schematische Seitenansicht einer Waferkante,
um die Entstehung von Black-Silicon
während
eines Grabenätzprozesses
zu veranschaulichen.
-
2 umfaßt beispielhafte
Diagramme, die ein Lithographieverfahren gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung zeigen, wobei 2a einen
Halbleiterwafer, 2b einen
Resistbeschichtungsschritt, 2c ein
Verfahren zum Behandeln eines Randgebiets des Wafers mit einer Quencherlösung, 2d einen Belichtungsschritt
und 2e einen Entwicklungsschritt
darstellt.
-
3a ist
ein beispielhaftes Bild, das Ergebnisse der Waferbearbeitung unter
Verwendung eines Kantenschutzprozesses gemäß der Erfindung zeigt, und 3b ist ein beispielhaftes
Bild, das Ergebnisse einer herkömmlichen
Waferbearbeitung ohne Kantenschutz zeigt.
-
AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
Die vorliegende Erfindung betrifft
Verfahren zum Verhindern einer lithographischen Belichtung einer
Waferkante während
eines photolithographischen Prozesses und zum Verhindern der Entstehung
von Black-Silicon in einem strukturierten Gebiet am Rand eines Halbleiterwafers
unter Verwendung eines lithographischen Verfahrens gemäß der Erfindung.
-
Ein typischer Photolithographieprozeß umfaßt die Schritte,
den Photoresist zu beschichten, zu belichten, zu entwickeln und
zu ätzen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung umfaßt
ein Photolithographieverfahren zum Verhindern einer lithographischen
Belichtung eines Randgebiets eines Halbleiterwafers weiterhin den
Schritt des Auftragens einer „Quencher"-Lösung auf
den Photoresist, der auf den Rand des Halbleiterwafers aufgetragen
ist, vor dem Belichtungsschritt. Die „Quencher"-Lösung besteht
bevorzugt aus einer beliebigen geeigneten Lösung, die die Säure (oder
die aktive Komponente des Resist), die während des Belichtungsschritts
im Photoresist erzeugt wird, neutralisieren kann, wodurch verhindert
wird, daß der
Photoresist während der
Entwicklung erodiert wird. Auf diese Weise bleibt der Photoresist
an der Kante des Wafers, was eine Erosion des Wafers während der
nachfolgenden Verarbeitung wie etwa der Ätzung von tiefen Gräben verhindert.
Es wurde festgestellt, daß ein
lithographisches Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung, bei dem der Waferumfang mit einer Kantenschutzlösung behandelt
wird, die Entstehung von Black-Silicon in einem Strukturgebiet an
einem Randgebiet des Wafers verhindern kann.
-
Unter Bezugnahme auf die 2a und 2b wird insbesondere ein Photoresist 20 als
ein Dünnfilm
unter Einsatz eines beliebigen bekannten Prozesses zur Beschichtung
von Photoresist auf die Oberfläche
eines Halbleiterwafers 10 (zum Beispiel ein Siliziumsubstrat,
ein Siliziumsubstrat mit einem Oxidfilm) aufgetragen. Um einen gleichförmigen haftenden
Film mit gewünschter
Dicke über
die ganze Oberfläche
des Wafers 10 hinweg zu erhalten, kann beispielsweise ein
Aufschleuderverfahren verwendet werden. Das Aufschleuderverfahren
wird durchgeführt,
indem auf die Oberfläche
des Wafers eine Photoresistlösung
gegeben und der Wafer dann so lange schnell gedreht wird, bis die
Photoresistlösung
fast trocken ist. Aufschleuderverfahren sind in der Technik wohlbekannt,
weshalb sie hier nicht ausführlich beschrieben
werden.
-
Der Resist 20 kann aus einem
beliebigen geeigneten Resist bestehen, unter anderem beispielsweise
einem chemisch verstärkten
Resist wie etwa einem beliebigen, im Handel erhältlichen 193 nm oder 248 nm
Resist. Der Resist 20 kann beispielsweise aus den im Handel
erhältlichen
82 nm AR19 (BARG) und 400 nm PAR710 Resists bestehen.
-
Nunmehr unter Bezugnahme auf 2c wird nach dem Auftragen
des Photoresist 20 und vor dem Belichtungsschritt eine „Quencher"-Lösung 30 auf
den Teil des Photoresist aufgetragen, der in einem Randgebiet des
Wafers 10 aufgetragen ist. Der Quencher 30 besteht
bevorzugt aus einer beliebigen Lösung,
die die Säure,
(zum Beispiel PAG (Photosäuregenerator),
PAC (photoaktive Verbindung), usw.), die entsteht, und die chemischen
Reaktionen, die in den Gebieten des Photoresist auftreten, die während des
Belichtungsprozesses Strahlung ausgesetzt sind, neutralisieren kann.
Die Quencherlösung
verhindert das Auftreten von photochemischen Änderungen in dem positiven
Photoresist, der das Randgebiet des Halbleiterwafers bedeckt, falls
das Randgebiet während
der Belichtung Strahlung ausgesetzt wurde.
-
Die Quencherlösung 30 kann mit einem
geeigneten Nachführund
Dosiersystem aufgetragen werden, das ein Dosierrohr 40 zum
Auftragen (Auftropfen, Aufsprühen)
von Quencherlösung 30 auf
die Oberfläche
des Wafers umfaßt.
Bei einer Ausführungs form
beispielsweise wird der Halbleiterwafer auf einer von einer Welle 60 getragenen
Drehscheibe 50 angeordnet. Das Dosierrohr 40 wird
in einer gewünschten
Höhe über der
Kante des Wafers angeordnet. Dann wird das Dosierrohr 40,
gesteuert durch ein automatisiertes Dosiersystem (die in der Technik wohlbekannt
sind) radial nach innen zur Mitte des Wafers zu einem gewünschten
Abstand von der Kante und radial nach außen zur Waferkante bewegt, während der
Wafer (über
eine Drehung der Welle 60) gedreht und die Quencherlösung aus
dem Dosierrohr 40 dosiert wird. Die Quencherlösung wird
bevorzugt durch einen Tropfprozeß aufgetragen. Die verwendete
Menge (das verwendete Volumen) der Quencherlösung kann im Bereich zwischen
etwa 1 ml und etwa 10 ml liegen.
-
Bei einer bevorzugten Ausführungsform
wird die Quencherlösung 30 in
einem Randgebiet des Wafers auf die Oberfläche des Photoresist aufgetragen.
Das Randgebiet wird im wesentlichen durch einen Umfangsring mit
einer Breite w von etwa 1 mm bis etwa 10 mm von einer Kante des
Halbleiterwafers definiert. Die Ringbreite des aufgetragenen Quenchers 30 variiert
beispielsweise in Abhängigkeit
von der Viskosität
der Quencherlösung.
-
Um eine Verunreinigung des Dosierrohrs 40 mit
einer Base zu verhindern, umfaßt
der Quencher 30 bevorzugt eine Salzlösung oder eine Lösung mit einem
niedrigen Dampfdruck. Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt die Quencherlösung ein
Lewis-Basis-Lösungsmittel
mit hohem Siedepunkt, wie etwa eine Methanol-NMP- (N-Methylpyrrolidon)-Lösungsmischung
mit einer NMP-Konzentration von etwa 5 Vol.-%. Insbesondere kann
die Quencherlösung
beispielsweise ein NMP-Lösungsmittel
(1-Methyl-2-pyrrolidinon)
mit einem Siedepunkt von etwa 81–82°C bei 10 mHg und einem Schmelzpunkt
von –24°C umfassen.
-
Nach dem Auftragen der Quencherlösung wird
bevorzugt ein Trocknungsprozeß ausgeführt (post
apply bake), um den Resist und den Quencher zu trocknen. Danach
wird der Wafer einem Belichtungsprozeß (2d) unterzogen, wobei der Resist unter
Verwendung eines Belichtungswerkzeugs und einer Maske (oder eines
Reticles in einem Step-and-Repeat-Projektionssystem) selektiv einer Form
von Strahlung ausgesetzt wird. In 2d umfaßt eine
Photoresistschicht 20a, die einer Belichtung unterzogen
worden ist, mit dem Quencher behandelte Gebiete 21 und
mit Strahlung belichtete Gebiete 22. Wenn der Photoresist
durch das Reticle Strahlung ausgesetzt worden ist, erfährt beispielsweise der
PAG in den belichteten Teilen des Photoresist als Reaktion auf eine
aktinische Strahlung eine chemische Reaktion, wobei Säure entsteht.
Wenn das Randgebiet 21 des Wafers (das mit einer Quencherlösung behandelt
ist) Strahlung ausgesetzt wird, wird die in den Randgebieten 21 des
Photoresist entstehende Säure
durch eine chemische Reaktion mit dem Quencher 30 neutralisiert.
Somit erfährt
das mit der Quencherlösung
behandelte Gebiet 21 des Photoresist 20a bei Bestrahlung
keine chemische Änderung,
wohingegen die unbehandelten belichteten Gebiete 22 eine
chemische Änderung
erfahren.
-
Bei einem nachfolgenden Entwicklungsprozeß (2e) wird der Photoresist
mit einem Entwicklungsmittel behandelt, damit im Photoresist Strukturen
entstehen. Insbesondere löst
bei einer bevorzugten Ausführungsform
mit einem positiven Resist das Entwicklerlösungsmittel das bestrahlte
(und unbehandelte) Gebiet 22 des Photoresist 20 auf,
wobei auf dem Substrat 10 eine Resiststrukturschicht 20b entsteht.
Trotz der Bestrahlung löst
sich das mit der Quencherlösung
behandelte Gebiet des Photoresist (d.h. das Randgebiet 21)
nicht auf und bleibt auf dem Substrat 10.
-
Da der Photoresist an der Kante des
Wafers zurückbleibt,
erfährt
die Waferkante vorteilhafterweise z. B. in einem nachfolgenden Trockenätzprozeß zur Ausbildung
von Gräben
im Substrat keine großflächige Erosion.
Infolgedessen kann die Entstehung von Black-Silicon aufgrund der
Belichtung des Siliziums in einem strukturierten Gebiet am Randgebiet des
Wafers oder in seiner Nähe
verhindert werden.
-
Als Beispiel ist 3a ein beispielhaftes Bild, das Ergebnisse
der Waferverarbeitung (Grabenbildung) unter Verwendung eines Kantenschutzprozesses
gemäß der Erfindung
zeigt, und 3b ist ein beispielhaftes
Bild, das Ergebnisse einer herkömmlichen
Waferverarbeitung ohne Kantenschutz zeigt. In 3a sind drei Gebiete gezeigt: Gebiet „A" bezeichnet
ein Arraygebiet (das nicht mit Quencher behandelt ist), Gebiet „B" bezeichnet
ein Übergangsgebiet (das
mit dem Quencher behandelt ist) und Gebiet „C" bezeichnet ein „hot spot"-Gebiet
(Gebiet der Entstehung von Black-Silicon) in der Nähe der Kante
des Wafers. Indem das Randgebiet des Wafers in einem lithographischen
Verfahren gemäß der Erfindung
mit einer Quencherlösung
behandelt wird, wird das Gebiet „C" über das Übergangsgebiet „B" von
dem strukturierten Bereich „A"
getrennt. Mit anderen Worten besteht kein Kontakt zwischen dem Arraybereich „A" und
dem hot-spot-Bereich C. Obwohl im behandelten Gebiet (Gebiet „C") etwas
Black-Silicon entsteht, ist diese Entstehung im Vergleich zu herkömmlichen
Prozessen wesentlich reduziert, und es hat sich herausgestellt,
daß diese
Entstehung von Black-Silicon den Waferherstellungsprozeß nicht
beeinträchtigt.
-
3a muß im Gegensatz
zu herkömmlichen
lithographischen Verfahren gesehen werden, die zu der Belichtung
der Waferkante führen,
wie beispielsweise in 3b gezeigt.
Insbesondere zeigt 3b Ergebnisse
der Waferverarbeitung, ohne daß für den Waferkantenschutz
eine Quencherlösung verwendet
wird, wobei sich ein direkter Kontakt zwischen einem Arraybereich
A' und dem hot-spot-Bereich C' ergibt. Mit anderen Worten werden
im unbehandelten Gebiet unerwünschte
DT-Strukturen ausgebildet.
-
Obwohl hier in Verbindung mit den
beiliegenden Figuren bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
besonders beschrieben worden sind, versteht der Fachmann, daß an solchen
Ausführungsformen
verschiedene Änderungen
vorgenommen werden können,
ohne vom Gedanken und Umfang der Erfindung abzuweichen, wie sie
durch die beigefügten
Ansprüche
definiert sind.