-
Die
Erfindung betrifft eine Maske mit einer bei einer vorgegebenen Belichtungswellenlänge lithografisch
auf einem Substrat abzubildenden Struktur, die wenigstens ein Strukturelement
mit einer Breite im Bereich der Größenordnung der Belichtungswellenlänge aufweist
und eine Belichtungseinrichtung zum Belichten einer Fotolackschicht
auf einem Substrat mit einer solchen Maske.
-
Integrierte
Schaltungen, insbesondere Halbleiterspeicher werden auf Halbleitersubstraten
in der Regel mit Hilfe der Planartechnik hergestellt. Diese Planartechnik
beinhaltete eine Abfolge von jeweils ganzflächig an der Substratoberfläche wirkenden Einzelprozessen,
die über
geeignete Maskierungsschichten gezielt zu lokalen Veränderungen
des Halbleitermaterials führen.
-
Zur
Strukturierung der Halbleitersubstrate wird dabei fast durchwegs
die Lithografie-Technik eingesetzt. Das wesentliche Merkmal dieser
Technik ist ein strahlungsempfindlicher Fotolack, der auf dem Halbleitersubstrat
aufgebracht und in den gewünschten
Bereichen so bestrahlt wird, dass in einem geeigneten Entwickler
nur die bestrahlten oder unbestrahlten Bereiche entfernt werden.
Das so entstandene Fotolackmuster wirkt dann als Maske bei einem
darauf folgenden Prozessschritt, z.B. bei einer Ätzung oder einer Ionenimplantation.
Anschließend
wird die Fotolackmaske dann wieder abgelöst.
-
Im
Rahmen der Lithografie-Technik ist es die Aufgabe vom Belichtungsverfahren,
die gewünschten
Strukturen auf die Oberfläche
der Fotolackschicht abzubilden. Dazu wird in der Regel die herzustellende
Struktur in vergrößerter Form
zunächst
auf einer Abbildungsmaske (Retikel) ausgebildet. Zur Strukturierung
des Halbleitersubstrats wird das Retikel dann in den Strahlengang
eines optischen Systems, in der Regel einer Projektionsbelichtungseinrichtung
eingebracht, mit der die auf dem Retikel ausgebildete Struktur im
verkleinerten Maßstab,
z.B, in Größenverhältnis 4:1
auf die Fotolackschicht auf dem Halbleitersubstrat übertragen
wird. Da aufgrund des eingeschränkten
Bildfeldes der hochauflösenden
Optik in der Regel nicht die ganze Substratoberfläche simultan
belichtet werden kann, wird nach dem Step-and-Repeat-Verfahren die
Struktur mehrfach nebeneinander auf der Substratoberfläche abgebildet.
-
Zielsetzung
der Belichtungsverfahren, ist es, eine möglichst hohe Auflösung zu
erreichen, um auch kleinste Strukturen auf der Fotolackschicht und damit
auf dem Halbleitersubstrat ausbilden zu können. Eine Möglichkeit,
zur Miniaturisierung von Strukturen auf Halbleitersubstraten, besteht
darin, die numerische Apertur der Projektionsbelichtungseinrichtung
zu vergrößern. Die
numerische Apertur der Belichtungseinrichtung ist dabei proportional
zum Sinus des Öffnungswinkels
des Strahlenbündels
der Lichtquelle der Belichtungseinrichtung, das auf den Wafer trifft.
Je größer der Öffnungswinkel
und damit der Einfallswinkel der elektromagnetischen Strahlung,
umso größer ist
das Auflösungsvermögen.
-
Für eine zuverlässige Abbildung
der Retikelstruktur auf einer Fotolackschicht ist weiterhin ein ausreichend
hoher Kontrast zwischen belichteten und unbelichteten Stellen erforderlich.
Dieser Kontrast wird dabei beeinflusst von den Reflexions- bzw. Transmissionsvorgängen auf
bzw. in der Maske und durch die chemischen Reaktionen beim Auftreffen der
elektromagnetischen Strahlung auf dem Fotolack. Diese Vorgänge wiederum
werden beeinflusst von der Polarisationsrichtung der elektromagnetischen
Strahlung. Die unpolarisierte elektromagnetische Strahlung, die
bei einer Projektionsbelichtungseinrichtung in der Regel verwendet
wird, lässt
sich eine transversalmagnetische Komponente und eine transversal-elektrische
Komponente aufteilen. Die transversal-magnetische Komponente und
die transversal-elektrische Komponente der elektromagneti schen Strahlung
tragen aber abhängig
von der numerischen Apertur der Belichtungseinrichtung unterschiedlich
zum Hell-Dunkel-Kontrast
auf dem Fotolack bei.
-
Die
transversal-elektrische Komponente der elektromagnetischen Strahlung
kann nämlich
unabhängig
von der numerischen Apertur immer vollständig interferieren und damit
einen optimalen Kontrast hervorrufen, da die elektrischen Feldvektoren
der transversal-elektrischen Komponente der Strahlung sowohl senkrecht
zur Einfallsebene der Strahlung als auch senkrecht zur Ausbreitungsrichtung
und damit unabhängig
vom Einfallswinkel immer parallel zueinander orientiert sind. Die
elektrischen Feldvektoren der transversal-magnetischen Komponente
der elektromagnetischen Strahlung liegen dagegen in der Einfallsebene
der Strahlung und sind senkrecht zur Ausbreitungsrichtung orientiert.
Bei schrägem
Lichteinfall d.h. großer
numerischer Apertur können
die elektrischen Feldvektoren der elektromagnetischen Strahlung
dann nicht mehr vollständig
miteinander interferieren, was zur Verschlechterung des Kontrastes zwischen
belichteten und unbelichteten Stellen auf dem Fotolack führt.
-
Je
nach dem Verhältnis
von transversal-elektrischer Komponente zu transversal-magnetischer Komponente
der elektromagnetischen Strahlung wird also ein höherer Kontrast,
hervorgerufen durch die transversal-elektrische Komponente oder
ein geringerer Kontrast, hervorgerufen durch die transversalmagnetische
Komponente erreicht. Bei der in Projektionsbelichtungseinrichtungen
in der Regel verwendeten unpolarisierten elektromagnetischen Strahlung
sind die Anteile von transversal-elektrischer Komponente und von
transversalmagnetischen Komponente gleich, sodass der sich ergebende
Kontrast ein Mittelwert aus dem durch die beiden Polarisationskomponenten
hervorgerufenen Kontrast ist.
-
Um
im Rahmen der fortschreitenden Miniaturisierung immer kleinere Strukturen
erzeugen zu können,
werden jedoch auch bei hochauflösender,
verkleinerter Projektionsbelichtung zunehmend Masken mit Strukturelementen
hergestellt, deren Breite im Bereich der Größenordnung der Belichtungswellenlänge liegt.
Insbesondere Retikel mit Liniengitter wirken dann wie ein Polarisationsfilter,
wobei die transversal-elektrische Komponente, die den Kontrast erhöht, gedämpft und
damit deren Anteil in der elektromagnetischen Strahlung reduziert
wird. Dies führt dann
zu einem verminderten Hell-Dunkel-Kontrast auf dem Fotolack und
damit einer Verschlechterung des Auflösungsvermögens des abzubildenden Systems.
-
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es eine Maske und eine Belichtungseinrichtung
bereitzustellen, mit der bei einer lithografischen Belichtung von
Fotolack eine höhere
optische Qualität,
insbesondere ein höherer
Kontrast erreicht wird.
-
Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer
Maske gemäß Anspruch
1 und einer Belichtungseinrichtung gemäß Anspruch 7 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen
sind in den abhängigen
Ansprüchen angegeben.
-
Erfindungsgemäß ist bei
einer Maske mit einer bei einer vorgegebenen Belichtungswellenlänge lithografisch
auf einem Substrat abzubildenden Struktur, die wenigstens ein Strukturelement
mit einer Breite im Bereich der Größenordnung der Belichtungswellenlänge aufweist,
das Strukturelement in voneinander beabstandete Abschnitte unterteilt,
deren Länge
im Bereich der Größenordnung
der Belichtungswellenlänge
liegt. Mit dieser Maskenauslegung wird verhindert, dass ein parallel
zum Strukturelement ausgerichteter elektrischer Feldvektor der transversal-elektrischen
Komponente der Belichtungsstrahlung absorbiert wird. Durch die Aufteilung des
Strukturelementes in kleine Bereiche mit einer Längendimension im Bereich der
Größenordnung der
Belichtungswellenlänge
wird verhindert, dass eine dichroitische Polarisation auftritt.
Es wird so gewährleistet,
dass die für
den Hell-Dunkel-Kontrast vorteilhafte transversal-elektrische Komponente
der elektromagneti schen Strahlung von der Maske auf den auf dem
Halbleitersubstrat sich befindenden Fotolack gelenkt wird.
-
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform ist
das Strukturelement auf der Maske eine periodische Linienanordnung,
wobei die Linien in regelmäßig angeordnete
voneinander beabstandete Abschnitte unterteilt sind, deren Länge im Bereich
der Größenordnung
der Belichtungswellenlänge
liegt. Mit dieser Auslegung wird verhindert, dass Linienstrukturen,
wie sie insbesondere zum Ausbilden von Bauelementen im Rahmen von
Halbleiterspeichern benötigt
werden, auf der Maske als Polarisationsfilter wirken. Die Unterbrechung
der Linienstrukturen verhindert, dass der elektrische Feldvektor
der transversalelektrischen Komponente der elektromagnetischen Strahlung
parallel zur Linienstruktur schwingt und dabei Ladungsträger in der
Linienstruktur anregt und so absorbiert wird.
-
Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist der Abstand zwischen den Abschnitten des Strukturelementes um
wenigstens einen Faktor 2 kleiner als die Belichtungswellenlänge. Hierdurch wird
verhindert, dass die einzelnen Abschnitte des Strukturelementes
bei dem Belichtungsvorgang auf dem Fotolack aufgelöst werden,
was zu Abbildungsfehler führen
würde.
-
Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist das Strukturelement als erhabenes Strukturelement auf einem
Träger
aufgebracht, wobei der Abstand zwischen den Abschnitten des Strukturelementes
durch Unterbrechungen des Strukturelementes hergestellt ist. Diese
Vorgehensweise ermöglicht
eine einfache Strukturierung der Maske im Rahmen der herkömmlichen
Retikelherstellungstechniken. Das erhaltene Strukturelement auf
der Maske kann mit der Lithographietechnik auf dem Träger ausgebildet
werden. Die Unterteilung des Strukturelementes kann anschließend z.
B. mit einem Ätzschritt
erfolgen. Alternativ besteht die Möglichkeit statt einer Unterbrechung
des Strukturelementes eine Änderung
der Materialeigenschaften im Strukturelement zwischen den Abschnitten
durchzuführen, um
so die Abstandsbereiche auszubilden. Eine solche Änderung
der Materialeigenschaften, die dafür sorgt, dass die vom elektrischen
Feldvektor der transversal-elektrischen Komponente der elektromagnetischen
Strahlung angeregte Schwingung von Ladungsträgern im Strukturelement gedämpft wird
kann z.B. durch nachträgliche
Dotierung in den Abstandsbereichen oder durch Verwendung von Materialien mit
unterschiedlicher Leitfähigkeit
senkrecht und parallel zur Struktur erfolgen.
-
Die
erfindungsgemäße Maske
wird vorzugsweise in einer Projektionsbelichtungseinrichtung, vorzugsweise
in Form eines Chrom- auf -Glas-Retikels, eingesetzt.
-
Die
Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen
näher erläutert.
-
1 zeigt
schematisch eine Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Projektionsbelichtungseinrichtung;
und
-
2 einen
Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Maske
mit einer periodischen Linienstruktur.
-
Belichtungsverfahren
haben in der Lithografietechnik die Aufgabe, gewünschte Hellstrukturen auf der
Oberfläche
eines mit einem Fotolack bedeckten Substrats auszubilden, um anschließend das Substrat
mit den entsprechend den Hellstrukturen strukturierten Fotolack
gezielt lokal verändern
und die gewünschten
Strukturen ausbilden zu können. Eine
möglichst
hohe Auflösungsleistung
ist dabei ein entscheidendes Beurteilungskriterium für den Aufbau des
Belichtungssystems bzw. die Auslegung der Maske zum Abbilden der
Struktur auf dem Fotolack. Mit der erfindungsgemäßen Projektionsbelichtungseinrichtung
und dem zugehörigen
Maskenaufbau wird dafür
gesorgt, dass der den Hell-Dunkel-Kontrast verstärkende transversal-elektrische
Anteil elektromagnetischen Belichtungsstrahlung auf den Fotolack
gelenkt wird.
-
1 zeigt
einen möglichen
Aufbau einer erfindungsgemäßen lichtoptischen
Projektionsbelichtungseinrichtung 10. Die Projektionsbelichtungseinrichtung 10 ist
dabei als Wafer-Stepper ausgelegt, bei dem ein auf einer Fotolackschicht 5 eines
Halbleitersubstrates 6 abzubildendes Muster dadurch vervielfältigt wird,
dass das zu belichtende Halbleitersubstrat 6 nacheinander
so positioniert werden, dass an allen gewünschten Bereichen der Fotolackschicht 5 das
Muster ausgebildet werden kann.
-
Der
lichtoptische Waferstepper weist eine Lichtquelle 1 auf,
in der Regel einen Laser, der unpolarisiertes Licht bei einer vorgegebenen
Wellenlänge, z.B.
bei 248 nm oder 193 nm abgibt. Das Laserlicht wird über einen
Strahlengang 2 mit Umlenkspiegeln auf eine Maske 3 geführt, die
auf einem transparenten Trägern 31 ein
erhabenes Muster 32 der zu erzeugenden Hellstruktur enthält. Das
durch die Maske 3 hindurchgehende Licht wird von einem
hochauflösenden
Projektionsobjektiv 4 vorzugsweise verkleinert, z.B. im
Größenverhältnis 4:1
auf die Fotolackschicht 5 auf das Halbleitersubstrat 6 projiziert.
Das Halbleitersubstrat 6 wiederum ist auf einem Verschiebtisch 7 angeordnet,
durch dessen Verschieben die einzelnen Bildfenster auf dem Halbleitersubstrat angefahren
werden können.
-
Um
zu verhindern, dass ein Strukturelement 320 einer auf dem
Substrat 5 abzubildenden Struktur 32 mit einer
Breite im Bereich der Größenordnung der
Belichtungswellenlänge
die transversal-elektrische Komponente der Belichtungsstrahlung
beim Durchgang durch die Maske 3 dämpft, ist das Strukturelement 320 in
von einander abgetrennte Abschnitte 321 unterteilt, deren
Länge im
Bereich der Größenordnung
der Belichtungswellenlänge
liegt.
-
2 zeigt
in der Aufsicht ein solches Strukturelement 320, das eine
periodische Linienstruktur ist, wie sie als Muster im Rahmen der
Ausbildung von Halbleiterspeichern ein gesetzt wird. Der Abstand zwischen
den Gitterlinien liegt dabei im Bereich der Größenordnung der Belichtungswellenlänge. Um
zu verhindern, dass die transversal-elektrische Komponente der Belichtungsstrahlung,
deren elektrische Feldvektoren in der Maskenebene parallel zu den Gitterlinien
liegen, eine Schwingung von Ladungsträgern, insbesondere Elektronen
in den Gitterlinien hervorruft und so absorbiert wird, ist je Linie,
wie diese die Teilansicht in 2 zeigt,
in kleine, vorzugsweise regelmäßige Abschnitte 321 unterteilt,
deren Länge
im Bereich der Größenordnung
der Belichtungswellenlänge
liegt. Diese Aufteilung verhindert, dass die Ladungsträger in der
Gitterlinie durch den in Richtung der Gitterlinie orientierten elektrischen Feldvektor
der transversal-elektrischen Komponente der Belichtungsstrahlung
angeregt werden können. Es
tritt somit keine dichroistische Polarisation auf, die eine Dämpfung der
Kontrast steigernden transversal-elektrischen Komponente der elektromagnetischen
Strahlung nachsichziehen würde.
-
Der
Abstand 322 zwischen den einzelnen Abschnitten der Gitterlinie 320 ist
dabei wenigstens um einen Faktor 2, vorzugsweise um einen Faktor
10 geringer als die Belichtungswellenlänge, um zu verhindern, dass
die Unterbrechungen in der Linienstruktur mit auf den Fotolack übertragen
wird.
-
Die
Strukturelemente 320 zur Ausbildung des Musters auf der
Maske 3 werden vorzugsweise als erhabene Struktur 32 auf
einem transparenten Träger 31 ausgebildet.
Hierzu wird auf dem transparenten Träger, vorzugsweise einer Glas-
bzw. Quarzplatte eine metallische Schicht, vorzugsweise Chrom ganzflächig als
lichtabsorbierendes Material aufgebracht. Diese Schicht wird wiederum
mit einem Fotolack als strahlungsempfindlichen Film beschichtet.
In der Lackschicht werden dann die gewünschten Strukturelemente einer
Entwurfsebene je nach verwendeter Verkleinerung im entsprechenden
großen Maßstab abgebildet.
-
Dies
erfolgt mit dem Pattern-Generator. Der Pattern-Generator bilden
die gewünschten
Strukturelemente mit Hilfe mechanischer Blenden fotografisch auf
der mit Chrom und Fotolack beschichteten Quarzplatte im gewünschten
Maßstab
vergrößert ab. Die
Blenden werden über
ein Datenband rechnergesteuert positioniert. Die Belichtung erfolgt
mit Laserblitzen. Durch vielfach wiederholte Positionierung und
Belichtung entstehen die gewünschte
Struktur in der Fotolackschicht. Anschließend wird der Fotolack an den
bestrahlten Stellen entfernt und die Chromschicht naßchemisch
geätzt.
Auf der Quarzplatte bleibt dann nur die Struktur einer Entwurfsebene
einer auf dem Substrat auszubildenden Struktur als Chromabsorber,
um den gewünschten
Faktor vergrößert, zurück.
-
Alternativ
kann die Maske auch direkt durch einen Elektronenstrahlschreiber
hergestellt werden. Die Quarzplatte wird in diesem Fall mit einem
elektronenstrahlempfindlichen Lack beschichtet. Sie befindet sich
gemeinsam mit der Elektronenquelle sowie der Fokussier- und Ablenkeinheit
im Hochvakuum. Der fein fokussierte Elektronenstrahl wird zur Strukturerzeugung
rechnergesteuert über
die gesamte Maske gescannt und über
ein Datenband, das die Maskendaten enthält, hell und dunkel getastet.
Es lassen sich so Strukturweiten bis unter 50 nm auflösen.
-
Gleichzeitig
mit dem Ausbilden der einzelnen Strukturelemente kann auch bereits
die erfindungsgemäße Aufteilung
der Strukturelemente in kleine Abschnitte in der Größenordnung
der Belichtungswellenlänge
vorgenommen werden. Alternativ besteht die Möglichkeit, die Strukturen nachträglich lithografisch
in Abschnitte zu unterteilen. Weiterhin kann die Unterteilung der
Strukturelemente auch durch fokussierten Ionenstrahl bzw. mechanisch
vorgenommen werden.
-
Alternativ
zu einer Unterbrechung der erhaltenen Strukturelemente besteht auch
die Möglichkeit, die
Strukturelemente in die einzelnen Abschnitte durch eine Änderung
der Materialei genschaften im Strukturelement selbst zu unterteilen.
Hierzu kann der Abstandsbereich zwischen den einzelnen Abschnitten
z.B. mit Hilfe einer Dotierung verändert werden. Diese Dotierung
sorgt dann dafür,
dass eine Ladungsträgerschwingung
in der Linienstruktur gedämpft
wird und so eine Absorbierung des elektrischen Feldvektors der transversal-elektrischen
Komponente der Belichtungsstrahlung verhindert wird. Alternativ
besteht auch die Möglichkeit,
Materialien mit unterschiedlicher Leitfähigkeit senkrecht und parallel zur
Linienstruktur einzusehen, um eine Änderung der Materialeigenschaften
zu bewirken.
-
Erfindungsgemäß wird durch
gezielte Unterbrechung von lithografisch abzubildenden Maskenstrukturen
dafür gesorgt,
dass keine dichroistische Polarisation der Belichtungsstrahlung
durch die Strukturelemente der Maske auftritt und somit die für die Bilderzeugung
auf dem Substrat günstige
transversalelektrische Polarisationskomponente der Strahlung gedämpft wird.
Hierdurch lässt
sich eine verbesserte Ablichtungsqualität erzielen.