DE10014919C2 - Maske und Verfahren zur Durchführung eines Photolithographieprozesses - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Maske für einen Photolithogra­ phieprozess zur Herstellung integrierter Schaltungen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren zur Durchführung eines Photolithographieprozesses nach dem Ober­ begriff des Patentanspruches 4.

Mittels derartiger Photolithographieprozesse werden photoemp­ findliche Schichten, sogenannte Resistschichten, in vorgege­ benen Bereichen mit Strahlung beaufschlagt, worauf mit einem geeigneten Entwickler nur die belichteten oder nur die nicht belichteten Bereiche entfernt werden. Je nach dem ob mit dem Entwickler die belichteten oder nicht belichteten Bereiche entfernt werden, wird die so erzeugte photoempfindliche Schicht Positivresist oder Negativresist genannt.

Das so entstehende Resistmuster dient als Resistmaske für ei­ nen nachfolgenden Prozessschritt, wie zum Beispiel ein Ätz­ prozess oder ein Ionenimplantationsprozess. Mittels derarti­ ger Prozesse werden in unter der Resistmaske liegenden Schichten vorgegebene Strukturen zur Herstellung der inte­ grierten Schaltungen eingearbeitet.

Zur Belichtung der photoempfindlichen Schichten werden Pro­ jektionsgeräte eingesetzt, mittels derer von einer Beleuch­ tungsquelle emittierte Strahlung auf die photoempfindliche Schicht projeziert wird. Als Beleuchtungsquelle wird eine Lichtquelle wie zum Beispiel ein Laser verwendet, die schmal­ bandiges Laserlicht emittiert.

Zur Erzeugung der Belichtungsmuster in der photoempfindlichen Schicht wird in das Projektionsgerät eine Maske eingebracht, die in einer Halterung gelagert ist und von dem Laserlicht durchsetzt wird.

Die Maske kann im einfachsten Fall als binäre Maske, bei­ spielsweise in Form einer Chrommaske ausgebildet sein. Derar­ tige Chrommasken weisen eine Anordnung von transparenten Zo­ nen, die vorzugsweise von einer Glasschicht gebildet sind, und nicht transparenten Schichten auf, die von den Chrom­ schichten gebildet sind.

Zur Erhöhung des Kontrastes von belichteten und nicht belich­ teten Bereichen auf der Resistschicht werden anstelle von Chrommasken Phasenmasken verwendet. Diese Phasenmasken weisen vorgegebene Muster von lichtdurchlässigen Zonen in einem opa­ ken Umfeld auf.

Eine derartige Phasenmaske kann insbesondere als Halbton- Phasenmaske ausgebildet sein. Bei derartigen Halbton- Phasenmasken sind in vorgegebnen Abständen auf einem Glasträ­ ger flächenhaft teildurchlässige Zonen aufgebracht, deren Schichtdicken so ausgebildet sind, dass die durchgehende Strahlung einen Phasenhub von 180° erfährt.

Weiterhin kann die Phasenmaske auch als alternierende Phasen­ maske ausgebildet sein. Eine derartige alternierende Phasen­ maske weist jeweils von einer Chromschicht getrennte benach­ barte transparente Zonen auf, die jeweils um 180° verschobene Phasen aufweisen. Das heißt, dass die durch eine transparente Zone durchgehende Strahlung um 180° phasenversetzt gegenüber der Strahlung ist, die durch die benachbarte transparente Zo­ ne geführt ist.

Derartige alternierende Phasenmasken eignen sich insbesondere zur Erzeugung von dichten Strukturen wie zum Beispiel perio­ dischen gitterartigen Anordnungen. Dabei liegen die Abmessun­ gen der einzelnen Strukturen sowie die Abstände zwischen die­ sen Strukturen typischerweise in der Größenordnung der mini­ malen zu erzeugenden Strukturgröße.

Durch die fortschreitende Miniaturisierung integrierter Schaltungen werden immer kleinere minimale Strukturgrößen ge­ fordert. Beispielsweise werden für folgende Generationen von Standardbausteinen wie zum Beispiel DRAM's minimale Struktur­ größen von etwa 100 nm bis 140 nm gefordert.

Bei der Verwendung von alternierenden Phasenmasken zur Erzeu­ gung derartiger Strukturen ist die minimale Strukturgröße da­ durch begrenzt, dass nach der Belichtung einer photoempfind­ lichen Schicht mittels der alternierenden Phasenmaske noch­ mals eine Belichtung mit einer Trim-Maske durchgeführt werden muss.

Dies beruht insbesondere darauf, dass die alternierende Pha­ senmaske üblicherweise eine Anordnung von transparenten Zonen unterschiedlicher Phase aufweist, die unmittelbar aneinander angrenzen. Dadurch werden an den Grenzlinien derartiger Zonen Phasensprünge erhalten, die bei der Abbildung der Strahlung auf der photoempfindlichen Schicht zu unbelichteten Stellen führen. Derartige unbelichtete Stellen der photoempfindlichen Schicht werden bei der zweiten Belichtung mittels der Trim- Maske nachbelichtet.

Ein wesentliches Problem hierbei besteht darin, dass vor Durchführung der zweiten Belichtung im Projektionsgerät ein Maskenwechsel durchgeführt werden muss. Hierzu wird die al­ ternierende Phasenmaske aus der Halterung im Projektionsgerät entfernt, anschließend wird die Trim-Maske in die Halterung eingesetzt. Schließlich muss die Trim-Maske in geeigneter Weise in den Strahlengang der Strahlung gebracht werden.

Diese Vorgänge können nicht mit beliebiger Genauigkeit durch­ geführt werden, so dass ein systembedingter Versatz der Posi­ tion der Trim-Maske zur Position der alternierenden Phasen­ maske entsteht.

Demzufolge weisen die mit der Trim-Maske erzeugten Strukturen in der photoempfindlichen Schicht einen entsprechenden Ver­ satz zu den mit der alternierenden Phasenmaske erzeugten Strukturen auf. Derartige Overlay-Fehler betragen typischer­ weise etwa 50 nm bis 60 nm. Damit beträgt die Größe dieses Overlay-Fehlers nahezu 50% der zu erzielenden Strukturgrößen in der photoempfindlichen Schicht.

In der US 5,898,068 ist eine Maske beschrieben, bei der in einer Platte ein erster Bereich für eine erste Belichtung vom alternierenden Phasentyp und ein zweiter Bereich für eine Nachbelichtung vorgesehen sind, so dass für beide Bereich nur eine Justierung notwendig ist. Es wird hier also eine Maske vorgesehen, die in zwei Bereiche unterteilt ist, von denen der erste Bereich für eine erste Belichtung herangezogen wird, während der zweite Bereich als Trim-Maske ausgebildet ist und zur Nachbelichtung dient.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Maske für einen Photolithographieprozess so auszubilden, dass damit Strukturen mit möglichst kleinen minimalen Strukturgrößen in einer photoempfindlichen Schicht erzeugt werden können; außerdem soll ein Verfahren zur Durchführung eines Photolithographie­ prozesses angegeben werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die vorliegende Erfindung ei­ ne Maske mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 4 vor. Vorteilhafte Ausfüh­ rungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Zur Durchführung eines Photolithographieprozesses wird also eine Maske verwendet, die in wenigstens zwei Bereiche unter­ teilt ist. Dabei ist der erste Bereich wenigstens teilweise als alternierende Phasenmaske ausgebildet, mittels derer eine erste Belichtung einer photoempfindlichen Schicht durchgeführt wird. Der zweite Bereich ist als Trim- Maske ausgebildet, mittels derer eine zweite Belichtung zur Nachbelichtung vorgegebener Bereiche der photoempfindlichen Schicht durchgeführt wird.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht somit darin, eine Mas­ ke für einen Photolithographieprozess bereit zu stellen, bei welcher während einer ersten Belichtung mit einem als alter­ nierende Phasenmaske ausgebildeten Maskenbereich insbesondere dichte Strukturen in einer photoempfindlichen Schicht erzeugt werden. In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der erste Bereich der Maske nur teilweise als alternie­ rende Phasenmaske ausgebildet, während andere Gebiete des Be­ reichs beispielsweise als Drei-Ton Phasenmasken ausgebildet sind. Mit dem zweiten Bereich derselben Maske, welcher die Trim-Maske bildet, werden anschließend während einer zweiten Belichtung nicht belichtete Stellen der photoempfindlichen Schicht nachbelichtet.

Der wesentliche Vorteil hierbei besteht darin, dass die er­ findungsgemäße Maske während beider Belichtungsvorgänge in einer Halterung im Projektionsgerät verbleiben kann, so dass zwischen der ersten und zweiten Belichtung kein Maskenwechsel vorgenommen werden muss. Die Maske wird lediglich vor jeder Belichtung in der Halterung so positioniert, dass der jeweils ausgewählte Bereich der Maske von der Strahlung durchsetzt wird.

Dadurch kann die Genauigkeit der Positionierung der Maske während der Belichtungen erheblich gesteigert werden. Demzu­ folge wird auch der Overlay-Fehler, d. h. der Versatz der wäh­ rend der ersten und zweiten Belichtung in der photoempfindlichen Schicht erzeugten Belichtungsmuster erheblich verrin­ gert. Typischerweise kann dieser Overlay-Fehler dabei auf Werte kleiner als 20 nm begrenzt werden.

Der Einsatz der erfindungsgemäßen Maske bei Photolithogra­ phieprozessen ermöglicht daher eine beträchtliche Verringe­ rung der minimalen Strukturgrößen bei der Herstellung von in­ tegrierten Schaltungen.

Derartige Masken können insbesondere zur Herstellung von dichten Strukturen verwendet werden, die beispielsweise bei DRAM Bauelementen auftreten. Dabei können die erfindungsgemä­ ßen Masken vorteilhaft bei der Erstellung von Wortleitungen von DRAM's oder dergleichen eingesetzt werden.

Besonders vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Maske so auf­ gebaut, dass der als alternierende Phasenmaske ausgebildete erste Bereich zur Erzeugung dichter und daher kritischer Strukturen dient. Der als Trim-Maske ausgebildete Bereich der Maske wird dann nicht nur zur Nachbelichtung der zuvor er­ zeugten kritischen Strukturen verwendet sondern gleichzeitig auch zur Erzeugung nicht kritischer Strukturen in der photo­ empfindlichen Schicht, wie zum Beispiel isolierter und/oder relativ großflächiger Strukturen.

Die Erfindung wird im nachstehenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: Schematische Darstellung eines Projektionsgerätes zur Durchführung eines Photolithographieprozesses.

Fig. 2: Aufbau eines Ausführungsbeispiels einer Maske zur Durchführung eines Photolithographieprozesses.

Fig. 3: Ausführungsbeispiel von mit der Maske gemäß Fig. 2 erzeugten Strukturen in einer photoempfindlichen Schicht.

Fig. 1 zeigt eine Prinzipanordnung eines Projektionsgerätes 1 zur Durchführung eines Photolithographieprozesses bei der Herstellung von integrierten Schaltungen. Auf einem Anlage­ tisch 2 sitzt ein Halbleitersubstrat 3 oder eine Anordnung von Halbleitersubstraten 3 auf, die auf dem Anlagetisch 2 mittels einer nicht dargestellten Vorrichtung positioniert und ausgerichtet werden können. Das Halbleitersubstrat 3 ist vorzugsweise von einem Silizium-Wafer gebildet, auf welchem eine photoempfindliche Schicht 4 aufgebracht ist. Zwischen dem Silizium-Wafer und der photoempfindlichen Schicht 4 sind typischerweise weitere nicht dargestellte Schichten angeord­ net.

In diese Schichten oder im Silizium-Wafer selbst werden an vorgegebenen Stellen beispielsweise mittels Ätzprozessen oder Ionenimplantationen Strukturen zur Herstellung der integrier­ ten Schaltungen erzeugt. Die räumliche Verteilung dieser Strukturen wird durch Resistmasken vorgegeben.

Zur Erzeugung einer derartigen Resistmaske wird die photoemp­ findliche Schicht 4 an vorgegebenen Stellen belichtet, wonach die belichteten oder unbelichteten Bereiche mittels eines Entwicklers entfernt werden.

Zur Belichtung der photoempfindlichen Schicht 4 ist eine Strahlungsquelle vorgesehen, die im vorliegenden Ausführungs­ beispiel von einem Laser 5 gebildet ist.

Die vom Laser 5 emittierten Laserstrahlen 6 durchsetzen die Öffnung 7 einer Blende 8 und sind dann durch eine Maske 9 ge­ führt, die in einem Träger 10 gelagert ist.

Die die Maske 9 durchsetzenden Laserstrahlen 6 sind über eine Abbildungsoptik 11 auf die photoempfindliche Schicht 4 ge­ führt.

Die Maske 9 enthält ein Muster von lichtdurchlässigen und lichtundurchlässigen Zonen, die entsprechend der in der pho­ toempfindlichen Schicht 4 zu erzeugenden belichteten und nichtbelichteten Bereichen ausgebildet ist.

Zur Belichtung der einzelnen Stellen der photoempfindlichen Schicht 4 wird das Halbleitersubstrat 3 auf dem Anlagetisch 2 und/oder der Träger 10 mit der Maske 9 quer zur Ausbreitungs­ richtung der Laserstrahlen 6 verfahren.

Erfindungsgemäß ist die Maske 9 in wenigstens zwei Bereiche 9a, 9b unterteilt, wobei im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Maske 9 wie in Fig. 2 dargestellt in zwei im wesentli­ chen flächengleiche, nebeneinander liegende Bereiche aufge­ teilt ist.

Die Belichtung der photoempfindlichen Schicht 4 erfolgt in zwei Schritten.

Während einer ersten Belichtung werden die Laserstrahlen 6 nur durch den ersten Bereich 9a der Maske 9 geführt. Hierzu wird der Träger 10 mit der Maske 9 so positioniert, dass der erste Bereich 9a der Maske 9 hinter der Öffnung 7 der Blende 8 liegt, während der zweite Bereich 9b hinter der Blende 8 liegt. Diese Anordnung ist in Fig. 1 dargestellt.

Vor der zweiten Belichtung wird der Träger 10 mit derselben Maske 9 so verfahren, dass der zweite Bereich 9b hinter der Öffnung 7 der Blende 8 liegt, während nun der erste Bereich 9a hinter der Blende 8 liegt. Somit wird bei der zweiten Be­ lichtung nur der zweite Bereich 9b der Maske 9 von den Laser­ strahlen 6 durchsetzt.

Der wesentliche Vorteil hierbei liegt darin, dass vor der zweiten Belichtung kein Maskenwechsel durchgeführt werden muss, so dass die Maske 9 im Träger 10 justiert bleibt. Damit bleibt die Maske 9 sowohl bei der ersten als auch bei der zweiten Belichtung exakt auf die photoempfindliche Schicht 4 ausgerichtet.

Der erste Bereich 9a der Maske 9 enthält Gebiete, die als al­ ternierende Phasenmasken ausgebildet sind. Prinzipiell kann auch der gesamte erste Bereich 9a der Maske 9 von einer al­ ternierenden Phasenmaske gebildet sein.

Derartige alternierende Phasenmasken werden insbesondere zur Erzeugung dichter hochperiodischer Strukturen in der photo­ empfindlichen Schicht 4 verwendet. Insbesondere können diese Strukturen gitterförmig aufgebaut sein, wobei die einzelnen Strukturelemente sowie deren Abstände zueinander jeweils in der Größenordnung der minimalen erzeugbaren Strukturgrößen liegen. Derartige dichte Strukturen stellen kritische Struk­ turen dar, zu deren Erzeugung Masken 9 eingesetzt werden müs­ sen, mit welchen eine sehr kontrastreiche und genaue Abbil­ dung der Maskenstrukturen auf die Oberfläche der photoemp­ findlichen Schicht 4 möglich ist.

Neben Gebieten, die als alternierende Phasenmasken ausgebil­ det sind, kann der erste Bereich 9a der Maske 9 auch Gebiete aufweisen, die als Drei-Ton-Phasenmasken ausgebildet sind. Drei-Ton-Phasenmasken eignen sich insbesondere zur Abbildung isolierter, kontaktähnlicher Strukturen in der photoempfind­ lichen Schicht 4.

Während der ersten Belichtung werden mit dem ersten Bereich 9a der Maske 9 sämtliche kritischen und vorzugsweise dichten Strukturen auf der photoempfindlichen Schicht 4 erzeugt, die insbesondere eine sehr kontrastreiche und damit genaue Abbil­ dung der Maskenstrukturen auf der Oberfläche der photoemp­ findlichen Schicht 4 erfordern.

Der erste Bereich 9a der Maske 9 enthält Gebiete, die als al­ ternierende Phasenmasken ausgebildet sind. Derartige Gebiete weisen jeweils transparente Zonen unterschiedlicher Phasenla­ gen auf, die vorwiegend durch lichtundurchlässige Chrom­ schichten getrennt sind.

Insbesondere an Verzweigungen derartiger Zonen treffen jedoch transparente Zonen unterschiedlicher Phasenlagen aufeinander, so dass an diesen Grenzlinien ungewollte Phasensprünge auf­ treten.

Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt einer photoempfindlichen Schicht 4, die mittels eines derartig ausgebildeten ersten Bereichs 9a der Maske 9 belichtet wurde. Mit der Bezugsziffer 12a sind die Gebiete der photoempfindlichen Schicht 4 gekenn­ zeichnet, die durch die Chromschichten des ersten Bereichs 9a der Maske 9 unbelichtet bleiben. Mit den Bezugsziffern 12b und 12c sind die Gebiete der photoempfindlichen Schicht 4 ge­ kennzeichnet, die mittels transparenter Zonen erzeugt werden, die eine Phase von 0° oder 180° aufweisen. Die mit der Be­ zugsziffer 13 gekennzeichneten Grenzbereiche 13 der photoempfindlichen Schicht 4 bleiben unbelichtet, da in diesen Grenz­ bereichen 13 durch negative Interferenz eine Auslöschung der die Gebiete 12b und c unterschiedlicher Phase durchsetzenden Laserstrahlen 6 erfolgt.

Während der zweiten Belichtung werden diese Grenzbereiche 13 nachbelichtet, wobei dann der zweite Bereich 9b der Maske 9 von den Laserstrahlen 6 durchsetzt wird.

Wie bereits aus der Anordnung der Gebiete 12a, b, c und ins­ besondere aus der Lage der Grenzbereiche 13 ersichtlich ist, müssen bei der zweiten Belichtung sehr kleine Grenzbereiche 13 positionsgenau nachbelichtet werden, um die periodische Struktur der Gebiete 12a, b, c nicht zu zerstören. Eine der­ art positionsgenaue Nachbelichtung wird durch die erfindungs­ gemäße Maske 9 insbesondere deshalb ermöglicht, da zwischen der ersten und zweiten Belichtung kein Maskenwechsel im Pro­ jektionsgerät 1 vorgenommen werden muss.

Neben der Nachbelichtung von Teilbereichen der photoempfind­ lichen Schicht 4, die während der ersten Belichtung unbelich­ tet bleiben, werden vorzugsweise bei der zweiten Belichtung auch nicht kritische Strukturen in der photoempfindlichen Schicht 4 erzeugt.

Der die Trim-Maske bildende zweite Bereich 9b der Maske 9 ist vorzugsweise wenigstens in Teilbereichen als Drei-Ton Phasen­ maske ausgebildet.

Claims (7)

1. Maske für einen Photolithographieprozess zur Herstellung integrierter Schaltungen, wobei die Maske in wenigstens zwei Bereiche (9a, 9b) unterteilt ist, von denen der erste Bereich (9a) wenigstens teilweise als alternierende Pha­ senmaske ausgebildet ist, mittels derer eine erste Belich­ tung einer photoempfindlichen Schicht (4) durchführbar ist, und von denen der zweite Bereich (9b) als Trim-Maske ausgebildet ist, mittels derer eine zweite Belichtung zur Nachbelichtung vorgegebener Gebiete der photoempfindlichen Schicht (4) durchführbar ist, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der erste Bereich (9a) als alter­ nierende Phasenmasken ausgebildete Gebiete und als Drei- Ton Phasenmasken ausgebildete Gebiete aufweist, und dass die Trim-Maske als Drei-Ton Phasenmasken ausgebildete Ge­ biete hat.

2. Maske nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass deren erster und zweiter Bereich (9a, 9b) nebeneinander liegend angeordnet sind.

3. Maske nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die beiden Bereiche (9a, 9b) etwa dieselbe Fläche aufweisen.

4. Verfahren zur Durchführung eines Photolithographieprozes­ ses zur Herstellung von integrierten Schaltungen mittels einer Maske gemäß einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass mit der in wenigstens zwei Bereiche (9a, 9b) unterteilten Maske (9) nacheinander zwei Belichtungen durchgeführt werden, wobei bei der er­ sten Belichtung eine photoempfindliche Schicht (4) mittels des ersten Bereichs (9a) der Maske (9), der wenigstens teilweise als alternierende Phasenmaske ausgebildet ist, belichtet wird, und wobei bei der nachfolgenden zweiten Belichtung vorgegebene Gebiete der photoempfindlichen Schicht (4) mittels des zweiten Bereichs (9b) der Maske (9), der als Trim-Maske ausgebildet ist, nachbelichtet werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, dass vor der ersten und zweiten Belich­ tung die in einem Träger (10) eines Projektionsgerätes (1) gelagerte Maske (9) so positioniert wird, dass der für die jeweilige Belichtung vorgesehene Bereich der Maske (9) im Strahlengang der Beleuchtung des Projektionsgeräts (1) liegt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennze­ ichnet, dass der bei einer Belichtung nicht benö­ tigte Bereich (9a oder 9b), der Maske (9) mittels einer Blende (8) abgedeckt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch ge­ kennzeichnet, dass vor jeder Belichtung die Belichtungsparameter des Projektionsgerätes (1) einge­ stellt werden.