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Die
Erfindung betrifft die Halbleiterfertigung und insbesondere ein
Verfahren zum Ausbilden einer Metalleitung auf einem integrierten
Schaltkreissubstrat mit einer Stufe, sowie eine Photomaske zur Herstellung
derselben.
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Eine
der Schlüsseltechnologien
für den
Fortschritt bei der Mikrogrößenbearbeitung
ist die Photolithographie. Der bisherige Fortschritt in den Technologien
verdankt viel der Verringerung der Belichtungswellenlänge und
der hohen Numerischen Apertur (NA) einer Projektionssammellinse
in einer verkleinernden Projektionsbelichtungsvorrichtung (Stepper).
Die Verringerung der Wellenlänge
und die hohe NA erlegt bei der Erhöhung der Tiefenschärfe (DOF)
keine lobenswerten Bedingungen auf, da die DOF proportional zur
Belichtungswellenlänge λ und invers
proportional zum Quadrat der Numerischen Apertur NA ist.
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Andererseits
wird die Oberflächenstufendifferenz
eines Halbleiterwafers als zu belichtendes Objekt beim Schritthalten
mit der hohen Integrationsdichte der integrierten Halbleiterschaltung
gewöhnlich
Jahr für
Jahr vergrößert. Der
Grund dafür
ist, daß unter
der derzeitigen Technologie in Richtung der dreidimensionalen Bauelementstruktur
die Kontraktion in der dreidimensionalen Richtung nicht so bedeutend
ist wie jene in der zweidimensionalen Richtung aufgrund der Notwendigkeit,
die Leistung und Zuverlässigkeit
des integrierten Schaltkreises aufrechtzuerhalten. Wenn ein Photoresistmaterial
auf die Oberfläche
eines Halbleiterwafers mit einer solchen bedeutenden Stufendifferenz
aufgebracht wird, werden auf der Photoresistschicht eine größere Oberflächenstufendifferenz
oder Schwankungen der Schichtdicke erzeugt.
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Andererseits
kann die Abbildungsoberfläche aufgrund
der Anwesenheit einer Verzerrung der Abbildungsoberfläche nicht
vollkommen glatt sein, während
die Substratoberfläche
gegenüber
einer Oberfläche,
die vollkommen senkrecht zur optischen Achse des optischen Projektionssystems
ist, leicht geneigt ist. Diese Faktoren machen die gleichmäßige Belichtung
des gesamten Wafers in der einzigen Abbildungsebene schwierig.
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Bei
dem aus der
US 5 798
543 A bekannten Photolithographieverfahren soll die Breite
der Maskenstruktur L
0 unabhängig von
der Lage im oberen oder unteren Bereich ausgebildet werden. Über den relativen
Abstand zwischen den Leiterbahnen zueinander jeweils in einem oberen
oder unteren Bereich der Schaltkreistopologie ist jedoch nichts
zu entnehmen.
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Im
folgenden wird ein Photolithographieverfahren beschrieben, wie es
z.B. aus der oben genannten
US
5 798 543 A bekannt ist:
1A bis
1D zeigen Querschnittsansichten
eines integrierten Schaltkreissubstrats in ausgewählten Stufen
von Prozeßschritten
zum Ausbilden einer Metalleitung und stellen Probleme dar, die mit
einem Photographieprozeß bezüglich einer
unebenen oberen Oberflächentopologie
verbunden sind. Mit Bezug auf
1A ist
das integrierte Schaltkreissubstrat in einen Zellenmatrixbereich "B" und einen peripheren Bereich "A" unterteilt. Wie zu sehen ist, weist
das integrierte Schaltkreissubstrat zwischen dem Zellenmatrixbereich
und dem peripheren Bereich aufgrund der vorher ausgebildeten integrierten
Schaltkreiselemente (nicht dargestellt), wie z.B. ein Kondensator, im
Zellenmatrixbereich "B" eine große Stufe
(Höhenunterschied
T
0) auf. Eine Isolationszwischenschicht
10 wird
auf dem integrierten Schaltkreissubstrat einschließlich der
integrierten Schaltkreiselemente ausgebildet. Eine Metallschicht
12 für eine Metallisierung wird
auf der Isolationszwischenschicht
10 ausgebildet. Wie zu
sehen ist, folgt die obere Oberfläche der Metalleitung der Kontur
der darunterliegenden Stufe. Die Metallschicht besitzt eine Dicke
T
m sowohl im unteren Teil der Stufe als
auch im oberen Teil der Stufe. Um eine Metallstruktur auszubilden,
wird eine Photoresistschicht
14 auf die Metallschicht
12 aufgeschleudert.
Da die Photoresistschicht
14 konform ist, wird die Photoresistschicht
14 im
unteren Teil der Stufe dick ausgebildet im Vergleich zu jener im
oberen Teil der Stufe (siehe Bezugszeichen T
1 und
T
h). Folglich wird der Höhenunterschied zwischen dem
Zellenmatrixbereich und dem peripheren Bereich vom ursprünglichen
T
0 zu T
f geändert.
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Ein
Maskensubstrat 16 mit einer Maskenstruktur 18 wird
vorgesehen. Die Größe der Maskenstruktur 18 legt
die Größe der gewünschten
Metalleitung fest. Ferner legt der Abstand zwischen der Maskenstruktur
und der nächsten
den Abstand zwischen der Metalleitung und der nächsten fest. Wie zu sehen ist,
ist die Maskenstrukturgröße (Ll)
im unteren Teil der Stufe gleich dem Abstand (Sl) zwischen benachbarten
Maskenstrukturen im unteren Teil der Stufe. Die Maskenstrukturgröße (Lh)
im oberen Teil der Stufe ist gleich dem Abstand (Sh) zwischen benachbarten
Maskenstrukturen im oberen Teil der Stufe.
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Unter
Verwendung des Maskensubstrats 16 und der Maskenstruktur 18 wird
die Photoresistschicht 14 belichtet, um eine Photoresiststruktur 14a auszubilden,
wie in 1B gezeigt. Wenn
das Belichtungslicht unzureichend ist, wird die Photoresistschicht 14 im
unteren Teil der Stufe (d.h. im peripheren Bereich) aufgrund der
verhältnismäßig größeren Dicke
im Vergleich zu jener im oberen Teil der Stufe (d.h. im Zellenmatrixbereich)
nicht vollständig
belichtet. Folglich verbleibt ein Teil der Photoresistschicht im
unteren Teil der Stufe (d.h. im peripheren Bereich) und dadurch
wird ein sogenanntes Schlackenphänomen
oder Brückenphänomen verursacht.
Ferner können
im Fall, daß die
Lichtenergie ausreichend groß ist, um
diese Probleme zu vermeiden, übermäßige Lichtmengen
auf die Photoresistschicht im oberen Teil der Stufe aufgebracht
werden. Folglich entsteht ein anderes Problem.
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Beispielsweise
kann aufgrund der übermäßigen Belichtung
keine gewünschte
Struktur erhalten werden und aufgrund eines übermäßigen Verlusts der Photoresistschicht
tritt ein Einkerbungsphänomen
auf.
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Unter
Verwendung der Photoresiststruktur 14a als Ätzmaske
wird die leitende Schicht 12 geätzt, um eine Leiterstruktur 12a auszubilden,
wie in 1C dargestellt.
Wenn die leitende Schicht bezüglich
der Photoresiststruktur nicht ausreichend selektiv geätzt wird,
wird die Photoresiststruktur gleichzeitig geätzt. Beispielsweise wird eine
Teildicke der Photoresiststruktur (Te) im
unteren Teil der Stufe geätzt
und die gesamte Photoresiststruktur wird im oberen Teil der Stufe
geätzt,
wie in 1C dargestellt.
Da die Photoresiststruktur im oberen Teil der Stufe dünner ist
als im unteren Teil der Stufe, wird insbesondere der obere Teil
der Stufe zuerst belichtet. Folglich kann eine Teildicke der Leiterstruktur
(siehe Bezugszeichen Tme) überätzt werden,
ein sogenanntes Einkerbungsphänomen.
Die resultierende Leiterstruktur im oberen Teil der Stufe besitzt
eine Dicke Tm – Tme.
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Die
Photoresistschicht kann sehr dick ausgebildet werden, um die obigen
Probleme zu beseitigen. Eine Fokussierungstoleranz ist jedoch invers proportional
zur Dicke der Photoresistschicht und macht es dadurch schwierig,
eine praktische Herstellung anzuwenden. Alternativ können verschiedene Photolithographieprozesse
bezüglich
der Stufe ausgeführt
werden, um eine optische Leiterstruktur zu erhalten. Dieses Verfahren
besitzt auch ein mit den Herstellungskosten verbundenes Problem.
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Mit
Bezug auf 1D wird der
Rest der Photoresistschicht entfernt, um die Leiterstruktur 12a auszubilden.
Die resultierende Leiterstruktur besitzt jedoch im oberen Teil der
Stufe eine Dicke Tm – Tme.
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Die
JP 1-31 415 A offenbart eine Maskenstruktur, bei der die Maskenstrukturbreite
in einem Bereich, der einer geneigten Flanke gegenüberliegt, gegenüber der
vergleichbaren Leiterstrukturbreite in den danebenliegenden, ebenen
Bereichen um 3 bis 5 % verbreitert ist. Eine relative Veränderung
der Maskenstrukturbreite zwischen dem ebenen, oberen Bereich und
dem ebenen, unteren Bereich ist nicht vorgesehen. Ziel ist es mit
dieser Maskenstruktur, die Breite der Leiterstrukturen gleich zu
halten, unabhängig
von der Lage im unteren, oberen oder Flankenbereich.
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Die
US 5 641 609 A offenbart
eine Leiterstruktur, bei der der Abstand f
L zwischen
Leiterbahnen in einem tiefer gelegenen Schaltkreistopologie-Bereich
A2 kleiner ist, als der Abstand f
H zwischen
Leiterbahnen in einem höher
gelegenen Schaltkreistopoligie-Bereich A1.
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Folglich
ist ein Verfahren erforderlich, das eine gleichmäßige Leiterstruktur auf einem
integrierten Schaltkreissubstrat mit einer Stufe ohne die vorstehend
erwähnten
Probleme ausbilden kann.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine entsprechende
Photomaske zum Ausbilden einer gleichmäßigen Leiterstruktur auf einem
integrierten Schaltkreissubstrat mit einer Stufe durch einen einzigen
Photographieprozeß bereitzustellen.
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Das
Maskensubstrat, das beim Photographieprozeß zum Strukturieren einer Photoresistschicht
verwendet wird, besitzt gemäß der Topologie des
integrierten Schaltkreissubstrats unterschiedliche Strukturgrößen. Das
Maskensubstrat besitzt im Vergleich zur gewünschten Leiterstruktur eine
relativ breite Strukturgröße und einen
schmalen Abstand zwischen benachbarten Strukturen im oberen Teil
der Stufe im integrierten Schaltkreissubstrat. Andererseits besitzt
das Maskensubstrat im Vergleich zur gewünschten Leiterstruktur eine
relativ schmale Strukturgröße und einen
breiten Abstand zwischen benachbarten Strukturen im unteren Teil
der Stufe. Eine solche Maskenstruktur ermöglicht ungeachtet der Topologie
des integrierten Schaltkreissubstrats eine gleichmäßige Leiterstruktur.
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Insbesondere
wird gemäß der Erfindung
ein Verfahren zur Herstellung eines integrierten Schaltkreisbauelements
durch Vorsehen eines integrierten Schaltkreissubstrats ausgebildet.
Der Zellenmatrixbereich und der periphere Bereich werden darin festgelegt.
Transistoren werden auf sowohl dem Zellenmatrix- als auch dem peripheren
Bereich üblich
ausgebildet. Kondensatoren werden nur auf dem Zellenmatrixbereich
ausgebildet, um die Speicherzellenmatrix zusammen mit den vorher
ausgebildeten Transistoren aufzubauen. Eine Isolationsschicht wird
auf der resultierenden Struktur ausgebildet. Da die Kondensatoren
nur auf dem Zellenmatrixbereich ausgebildet werden, weist die Isolationsschicht
eine unebene Oberfläche,
d.h. eine Stufe zwischen dem Zellenmatrixbereich und dem peripheren
Bereich, auf. Die Position des Zellenmatrixbereichs ist aufgrund
der darunterliegenden Struktur, wie z.B. der Kondensatoren, höher als
die des peripheren Bereichs. Ein leitendes Material wird auf der
Isolationsschicht abgeschieden. Die leitende Schicht weist ebenfalls
eine Stufe auf, die der Kontur der darunterliegenden Isolationsschicht
folgt.
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Dann
wird eine Photoresistschicht auf die resultierende Struktur aufgeschleudert.
Da die Photoresistschicht konform ist, wird sie zuerst auf dem unteren
Teil der Stufe abgeschieden und dann auf dem oberen Teil der Stufe
abgeschieden. Folglich besitzt die Photoresistschicht eine unterschiedliche
Dicke, sie ist relativ dick auf dem unteren Teil der Stufe und relativ
dünn auf
dem oberen Teil der Stufe.
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Um
ungeachtet der Dickenschwankung der Photoresistschicht eine gleichmäßige Leiterstruktur auszubilden,
wird gemäß der Erfindung
ein Maskensubstrat mit einer unterschiedlichen Strukturgröße vorgesehen.
Insbesondere besitzt das Maskensubstrat im Vergleich zur gewünschten
Leiterstruktur eine relativ breite Strukturgröße und einen schmalen Abstand
zwischen benachbarten Strukturen im oberen Teil der Stufe in dem
integrierten Schaltkreissubstrat. Andererseits besitzt das Maskensubstrat
im Vergleich zur gewünschten
Leiterstruktur eine relativ schmale Strukturgröße und einen breiten Abstand zwischen
benachbarten Strukturen im unteren Teil der Stufe.
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Der
relativ schmale Abstand zwischen benachbarten Maskenstrukturen im
oberen Teil der Stufe kann eine kleine Menge an Belichtungslicht
zur dünnen
Photoresistschicht liefern, während
der relativ breite Abstand zwischen benachbarten Maskenstrukturen
im unteren Teil der Stufe eine große Menge an Belichtungslicht
zur dicken Photoresistschicht liefern kann. Als Ergebnis kann eine
gleichmäßige Leiterstruktur
erhalten werden.
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Unter
Verwendung des Maskensubstrats wird dann die Photoresistschicht
belichtet, um eine Photoresiststruktur auszubilden. Unter Verwendung der
resultierenden Photoresiststruktur als Ätzmaske wird die leitende Schicht
geätzt,
um eine gleichmäßige Leiterstruktur
auszubilden.
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Gemäß der Erfindung
kann die Belichtungsenergie des Lichts gemäß der Dicke der Photoresistschicht
eingestellt werden und dadurch wird ein Überätzen der Photoresistschicht
im oberen Teil der Stufe vermieden und ein Einkerbungsphänomen wird
vermieden. Als Ergebnis kann eine gleichmäßige Leiterstruktur erhalten
werden.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung unter Bezugnahme
auf den Stand der Technik näher
erläutert.
Es zeigen:
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1A bis 1D Ablaufdiagramme,
die die Prozeßschritte
eines bekannten Verfahrens zum Ausbilden einer Leiterstruktur zeigen
und Probleme bei einem Photographieprozeß bezüglich einer unebenen oberen
Oberflächentopologie
darstellen; und
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2A bis 2D Ablaufdiagramme,
die die Prozeßschritte
eines neuen Verfahrens zum Ausbilden einer Leiterstruktur zeigen.
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Die
Erfindung wird nun nachstehend mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen
genauer beschrieben, in denen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
gezeigt werden.
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Diese
Erfindung kann jedoch in verschiedenen Formen verkörpert werden
und sollte nicht als auf die hierin dargelegten Ausführungsformen
begrenzt aufgefaßt
werden. Diese Ausführungsformen sind
vielmehr vorgesehen, damit diese Offenbarung vollkommen und vollständig ist,
und übermitteln Fachleuten
vollständig
den Schutzbereich der Erfindung. In den Zeichnungen ist die Dicke
der Schichten und Bereiche der Deutlichkeit halber übertrieben
dargestellt. Es ist auch selbstverständlich, daß, wenn eine Schicht als "auf" einer anderen Schicht
oder einem Substrat bezeichnet wird, sie direkt auf der anderen
Schicht oder dem Substrat liegen kann oder auch Zwischenschichten
vorliegen können.
Wenn im Gegensatz dazu ein Element als "direkt auf" einem anderen Element bezeichnet wird,
sind keine Zwischenelemente vorhanden. Überdies umfaßt jede hierin
beschriebene und erläuterte
Ausführungsform ebenso
ihre Ausführungsform
vom komplementären Leitfähigkeitstyp.
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2A zeigt
schematisch ein integriertes Schaltkreissubstrat, das bereits mehreren
Prozeßschritten
gemäß der Erfindung
unterzogen wurde. Das integrierte Schaltkreissubstrat ist in einen
Zellenmatrixbereich "B" und einen peripheren
Bereich "A" aufgeteilt. Wie
zu sehen ist, weist das integrierte Schaltkreissubstrat zwischen
dem Zellenmatrixbereich und dem peripheren Bereich aufgrund der
vorher ausgebildeten integrierten Schaltkreiselemente (nicht dargestellt),
wie z.B. Kondensatoren, im Zellenmatrixbereich "B" eine
große
Stufe (Höhenunterschied
T0) auf. Eine Isolationszwischenschicht 100 wird
auf dem integrierten Schaltkreissubstrat einschließlich der
integrierten Schaltkreiselemente ausgebildet. Eine leitende Schicht 102 für eine Metallisierung
wird auf der Isolationszwischenschicht 100 mit einer vorbestimmten
Dicke ausgebildet. Die Metallschicht besitzt beispielsweise eine
Dicke Tm sowohl im unteren Teil der Stufe
als auch im oberen Teil der Stufe. Wie zu sehen ist, folgt die obere
Oberfläche der
Metalleitung der Kontur der darunterliegenden Stufentopologie. Um
eine Metallstruktur auszubilden, wird eine Photoresistschicht 104 auf
die Metallschicht 102 aufgeschleudert. Da die Photoresistschicht 104 konform
ist, wird die Photoresistschicht 104 im unteren Teil der
Stufe dick ausgebildet im Vergleich zu jener im oberen Teil der
Stufe (siehe Bezugszeichen Tl bzw. Th). Folglich wird der Höhenunterschied zwischen dem
Zellenmatrixbereich und dem peripheren Bereich vom ursprünglichen
T0 zu Tf geändert.
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Ein
Maskensubstrat 106 mit einer Maskenstruktur 108 wird
vorgesehen. Insbesondere besteht das Maskensubstrat aus einem transparenten
Maskensubstrat 106, wie z.B. Quarz, und einer lichtundurchlässigen Maskenstruktur 108,
wie z.B. Chrom, darauf. Die Ausbildung des Maskensubstrats beginnt mit
der Bereitstellung von Chrom auf dem Quarzsubstrat. Ein Positivresist
(nicht dargestellt) wird darauf aufgebracht, welcher durch Elektronenbestrahlung und
Entwicklung strukturiert wird, und wird geätzt, um die Maskenstruktur 108 auszubilden.
Die resultierende Maskenstruktur 108 ist dadurch gekennzeichnet, daß die Maskenstruktur 108,
die dem unteren Teil (siehe Bereich "A")
der Stufe gegenüberliegt,
im Vergleich zur gewünschten
Leiterstruktur, die auf dem Substrat ausgebildet werden soll, einen
vergrößerten Abstand "Sl" zwischen benachbarten
Maskenstrukturen "Ll" aufweist. Andererseits
besitzt die Maskenstruktur 108, die dem oberen Teil (siehe
Bereich "B") der Stufe gegenüberliegt,
im Vergleich zur gewünschten
Leiterstruktur einen verringerten Abstand "Sh" zwischen
benachbarten Maskenstrukturen "Lh".
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Die
vergrößerte Maskenstrukturgröße Lh (d.h.
der verringerte Abstand zwischen den Maskenstrukturgrößen) im oberen
Teil der Stufe kann die Lichtenergie begrenzen und die erhöhte Abstandsgröße Sl zwischen
den Maskenstrukturen im unteren Teil der Stufe kann genügend Lichtenergie
zulassen, wodurch die Ausbildung der gewünschten Leiterstruktur auf
dem Halbleiterwafer mit einer Stufe gewährleistet wird.
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Unter
Verwendung des Maskensubstrats 106 und der Maskenstruktur 108 wird
die Photoresistschicht 104 belichtet, um eine Photoresiststruktur 104a auszubilden,
wie in 2B dargestellt. Der erweiterte
Abstand (Sl) zwischen den Maskenstrukturen im unteren Teil der Stufe
kann eine ausreichende Menge an Licht für die dicke Photoresistschicht
vorsehen und der verringerte Abstand (Sh) zwischen den Maskenstrukturen
im oberen Teil der Stufe kann eine übermäßige Menge an Licht verhindern.
Der erweiterte Abstand (Sl) im peripheren Bereich "A" gewährleistet
nämlich
eine vollständige
Belichtung desselben und der verringerte Abstand (Sh) im Zellenmatrixbereich "B" verhindert übermäßige Lichtmengen. Folglich
verbleibt keine Photoresistschicht im unteren Teil der Stufe, was
ein Schlackenphänomen oder
Brückenphänomen vermeidet.
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Unter
Verwendung der Photoresiststruktur 104a als Ätzmaske
wird die leitende Schicht 102 geätzt, um eine Leiterstruktur 102a auszubilden,
wie in 2C gezeigt. Zu diesem Zeitpunkt
wird eine Teildicke der Photoresiststruktur geätzt (siehe Bezugszeichen Te).
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Aufgrund
des verringerten Abstands (Sh) zwischen den Maskenstrukturen im
oberen Teil der Stufe verbleibt die Photoresiststruktur 104a während der
Belichtung und der Ätzprozesse
und dadurch wird die darunterliegende gewünschte leitende Schicht geschützt.
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Schließlich wird
der Rest der Photoresiststruktur 104a durch ein herkömmliches
Verfahren entfernt, wie in 2D gezeigt.
Als Ergebnis kann die gewünschte
Größe (Tm) der Leiterstruktur erhalten werden.
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Wie
aus der Erläuterung
verständlich
ist, kann die Erfindung eine gleichmäßige Leiterstruktur auf einem
integrierten Schaltkreissubstrat mit einer Stufe durch einen einzigen
Photographieprozeß bereitstellen.
Zu diesem Zweck verwendet die Erfindung eine Maske mit einer unterschiedlichen
Strukturgröße für einen
Belichtungsprozeß.
Die Maske besitzt im Vergleich zur gewünschten Leiterstruktur eine relativ
breite Strukturgröße und einen
schmalen Abstand zwischen benachbarten Strukturen im oberen Teil
der Stufe in dem integrierten Schaltkreissubstrat. Andererseits
besitzt das Maskensubstrat im Vergleich zur gewünschten Leiterstruktur eine
relativ schmale Strukturgröße und einen
breiten Abstand zwischen benachbarten Strukturen im unteren Teil der
Stufe. Folglich kann der vergrößerte Abstand
zwischen den Maskenstrukturen eine ausreichende Lichtmenge für die dicke
Photoresistschicht im unteren Teil der Stufe vorsehen und der verringerte
Abstand zwischen den Maskenstrukturen kann eine optische Lichtmenge
für die
dünne Photoresistschicht im
oberen Teil der Stufe vorsehen.