DE10048151A1

DE10048151A1 - Photomaske und ihre Verwendung zum lithographischen Strukturieren einer Photoresistschicht und zum Herstellen von magnetischen Speicherelementen

Info

Publication number: DE10048151A1
Application number: DE10048151A
Authority: DE
Inventors: Guenther Czech; Carsten Fuelber; Wolfgang Henke
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Polaris Innovations Ltd
Priority date: 2000-09-28
Filing date: 2000-09-28
Publication date: 2002-05-02
Anticipated expiration: 2020-09-29
Also published as: US6620559B2; DE10048151B4; US20020039691A1

Abstract

Es wird eine Photomaske und ein Verfahren zu ihrer Verwendung beschrieben, bei welchem mittels Lithographie und Maskentechnik eine regelmäßige Anordnung von Resistdots oder -löchern hergestellt werden kann, wobei mindestens eine Photomaske eine Phasenmaske ist. Das Verfahren kann für die Herstellung von magnetischen Speicherbauelementen, insbesondere MRAM-Speichern, mit elliptisch geformten magnetischen Speicherelementen hoher Dichte verwendet werden.

Description

Die Erfindung betrifft allgemein Photomasken für lithographi sche Belichtungs- und Strukturierungsverfahren mit dem Ziel der Herstellung mikroskopischer Materialstrukturen wie Photo resiststrukturen und darauf aufbauend der Herstellung mikro skopischer Materialstrukturen wie magnetischer Speicherele mentanordnungen oder dergleichen. Insbesondere bezieht sich die Erfindung dabei auf Phasenmasken und deren Verwendung bei diesen Verfahren und die Herstellung von dimensionskritischen Materialstrukturen.

Für die Herstellung der Speicherebene (XMR-Ebene) von magne tischen Speicherbauelementen wie magnetischen RAM-Datenspei chern (MRAM), wie beispielsweise beschrieben in S. Mengel: Technologieanalyse Magnetismus Band 2, XMR-Technologien, Her ausgeber VDI-Technologiezentrum Physikalische Technologien, 1997, ist es ein generelles Ziel, die einzelnen magnetischen Speicherelemente in immer höherer Dichte zu erzeugen, um die Speicherkapazität des gesamten Speicherbauelements zu erhö hen. Bisher wurden solche Strukturen entweder elektronenop tisch durch ein Direktschreibverfahren oder mittels konven tioneller optischer Lithographie entsprechend den herkömmli chen Verfahren zur Herstellung mikroelektronischer Schaltun gen.

Bei photolithographischen Verfahren werden die Strukturen auf lichtempfindliche Schichten wie Photoresistschichten auf ei nem Substrat in konventioneller Weise durch Photomasken op tisch abgebildet. Aufgrund der Beugungseffekte ist das Auflö sungsvermögen eines derartigen Abbildungssystems begrenzt und Maskenstrukturen mit Abmessungen unter dem reziproken Wert dieses Auflösungsvermögens, die sogenannten dimensionskritischen Strukturen, werden verschmiert bzw. unscharf abgebil det. Um magnetische Speicherelemente hoher Dichte herstellen zu können, muß zuvor eine Photoresistschicht in Form einer matrixförmigen Anordnung von Resistclustern oder -dots oder von Aussparungen oder Vertiefungen in einer Resistschicht strukturiert werden. Mit der konventionellen Lithographie ist es jedoch sehr schwierig, die normalerweise gegebene Auflö sungsgrenze, bei der der halbe Abstand zwischen zwei Re sistdots durch k₁λ/NA mit (k₁ ≈ 0,38, λ der Trägerwellenlänge der Belichtung, NA der numerischen Apertur) zu unterschrei ten. Zumindest sind solchen dichten Resistdots auf konventio nellem optischen Weg nicht mit einem nennenswerten Prozeß spielraum herstellbar. Darüberhinaus ist die konventionelle optische Abbildung sehr empfindlich auf Schwankungen der Mas kenmaße, die beispielsweise durch den sogenannten Mask Error Enhancement Factor (MEF) beschrieben werden können.

Die obigen Probleme stellen limitierende Faktoren für die ko stengünstige und wettbewerbsfähige Fertigung von MRAM-Spei cherbauelementen mit kritischen Dimensionen unterhalb von 100 nm mit der konventionellen Lithographie und Maskentechnik dar.

Diese Schwierigkeiten lassen sich überwinden, indem man in sogenannten Phasenmasken den destruktiven Interferenzeffekt von zwei eng benachbarten und kohärenten Lichtstrahlen um 180° verschobener Phasen ausnutzt.

Die verschiedenen Arten von Phasenmasken sind beispielsweise in dem Buch "Technologie hochintegrierter Schaltungen" von D. Widmann, H. Mader und H. Friedrich, 2. Auflage, Springer-Ver lag, S. 135ff. beschrieben. Eine ausführliche Übersicht über die Phasenmaskentechnologie ist in den Publikationen "Impro ving Resolution in Photolithography with a Phase-Shifting Mask" von M. D. Levenson et al. in IEEE Trans. Electron. De vices 29 (1982), 1828ff. und "Wavefront Engineering for Photolithography" von M. D. Levenson in Physics Today, July 1993, S. 28ff. enthalten.

Bei MRAM-Speicherbauelementen ist es zusätzlich von Vorteil, die einzelnen magnetischen Speicherelemente als elliptisch geformte Strukturen hoher Dichte herzustellen, da sie somit dem magnetischen Speichermedium bereits eine Vorzugsrichtung vorgeben. Dies wurde in den Veröffentlichungen "Giant magne toresistance by melt-spun CU-CO alloys" von J. Wecker et al. in Appl. Phys. Lett. 62 (1993), S. 1985-1987 sowie "GMR angle detector with an artificial antiferromagnetic subsystem (AAF)" in J. Magn. Mat. 165 (1997) S. 524 anhand von Magneto widerstandselementen gezeigt.

Auch unter diesem zuletzt genannten Aspekt ist die konventio nelle optische Lithographie problematisch, da mit den übli chen binären Chrom-Photomasken eine definierte Erzeugung von elliptischen Strukturen, also sowohl Vertiefungen (Löchern) in Resistschichten als auch Resistdots, im allgemeinen nicht durchgeführt werden kann. Bei dichten Strukturen wäre der notwendige Vorhalt an den Maskenstrukturen unter Umständen zu groß für die praktische Maskenerzeugung.

Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfah ren zum lithographischen Strukturieren einer Materialschicht, insbesondere einer Photoresistschicht, anzugeben, mit welchem mikroskopische, insbesondere elliptische Materialstrukturen herstellbar sind. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegen den Erfindung, eine geeignete Photomaske und deren Verwendung zur Durchführung eines solchen Verfahrens anzugeben. Weiter hin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein darauf aufbauendes Verfahren zur Herstellung eines magnetischen Speicherbauelements wie eines MRAM-Speicherbauelements unter Zuhilfenahme des Strukturierungsverfahrens bereitzustellen.

Diesen Aufgaben werden mit den Merkmalen der unabhängigen Pa tentansprüche gelöst.

Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, bei den Belichtungen einer zu strukturierenden Materialschicht, ins besondere einer Photoresistschicht, mindestens eine Photo maske zu verwenden, die als Phasenmaske ausgebildet ist. Eine solche Photomaske weist eine Anordnung mindestens teilweise lichtdurchlässiger streifenförmiger Bereiche auf, welche un mittelbar benachbart und parallel zueinander angeordnet sind, wobei benachbarte Bereiche derart ausgebildet sind, daß durch sie hindurchtretende Lichtstrahlungsbündel eine Phasendiffe renz von 180° zueinander aufweisen.

Mit einer derartigen Photomaske kann eine erste Belichtung durchgeführt werden, wobei auf der zu belichtenden Oberfläche der Materialschicht aufgrund der destruktiven Interferenz der durch benachbarte Bereiche hindurchtretenden Strahlungsbündel schmale streifenförmige Abschnitte unbelichtet bleiben, die durch die Grenzen zwischen den benachbarten Bereichen defi niert werden.

Dann kann eine zweite Belichtung durchgeführt werden, bei der beispielsweise eine zweite entsprechende Photomaske verwendet wird, wobei die Ausrichtung der streifenförmigen Anordnung der Photomasken zwischen den Belichtungen um einen Winkel, insbesondere 90° verdreht wird. Auf den Kreuzungspunkten der streifenförmigen Anordnungen werden loch- oder clusterartige Resiststrukturen gebildet, so daß im Ergebnis eine matrixför mige Anordnung derartiger Resiststrukturen hergestellt wird.

Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß mit ihm loch- oder clu sterartige Materialstrukturen wie Resiststrukturen, herge stellt werden können, deren Ausdehnung mindestens in einer Richtung kritische Dimensionen unterschreitet. Es kann bei spielsweise der Fall auftreten, daß Strukturen gefordert sind, die nur in einer Richtung subkritisch sein müssen, in der anderen Richtung jedoch eine Ausdehnung oberhalb der kri tischen Dimensionen aufweisen. Bezüglich der letztgenannten Richtung kann dann beispielsweise eine konventionelle, binäre Chrom-Photomaske verwendet werden, die eine Anordnung von in dieser Richtung verlaufenden Streifen aus Chrom aufweist, de ren Breiten der in dieser Richtung gewünschten Strukturbreite entspricht. Auf diese Weise können beispielsweise elliptische Strukturen erzeugt werden, bei denen die kurze Achse der El lipse dimensionskritisch ist, die lange Achse jedoch nicht.

Ebenso kann gewünscht sein, daß die zu erzeugenden Resist strukturen in beiden Richtungen dimensionskritisch sein sol len. In diesem Fall kann praktischerweise eine einzige Pha senmaske verwendet und nach Durchführung eines ersten Belich tungsschrittes um einen vorbestimmten Winkel gedreht werden, worauf dann ein zweiter Belichtungsschritt durchgeführt wird. Dabei können beide Belichtungsschritte identisch durchgeführt werden, so daß im Idealfall kreisrunde cluster- oder lochar tige Resiststrukturen mit dimensionskritischen Ausdehnungen erzeugt werden. Es kann aber auch für diesen Fall gewünscht sein, daß elliptische Strukturen erzeugt werden, die in bei den Richtungen dimensionskritisch sind. Dies kann dann durch Wahl unterschiedlicher Belichtungsdosen und/oder unterschied lichen Füllfaktoren (σ oder NA) für die verschiedenen Belich tungen und/oder willkürliches Herbeiführen eines Abbildungs fehlers wie Coma oder Astigmatismus bei mindestens einer Be lichtung und/oder Einführung eines schrägen Verlaufs der Pha sengrenze auf einer der bei den Belichtungen verwendeten Pha senmasken erreicht werden.

Im Falle der Verwendung von Phasenmasken kommen bevorzugter weise chromlose Phasenmasken zum Einsatz. Mit diesen können prinzipiell lichtoptisch die kleinsten Werte für k₁ bei der lithographischen Abbildung von dichten Strukturen erzeugt werden, wie in der Publikation "170 nm gates fabricated by phase-shift mask and top anti-reflector process" von T. Brun ner et al. in Proc. SPIE, Vol. 1927 (1993), S. 182-189, gezeigt wurde, die hiermit in den Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung einbezogen wird.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsart der vorliegenden Er findung besteht in einer zweifachen Belichtung mit chromlosen Phasenmasken der beschriebenen Art, wobei relativ zu einer ersten chromlosen Phasenmaske eine zweite chromlose Phasen maske zum Einsatz kommt. Diese wird so relativ zur ersten Phasenmaske angeordnet, daß ihre Anordnung von streifenförmi gen ersten und zweiten Bereichen bezüglich der Anordnung von streifenförmigen ersten und zweiten Bereichen der ersten Pha senmaske einen Winkel, vorzugsweise 90°, einnimmt. Die Be lichtung kann somit in einem einzigen Belichtungsschritt mit den übereinander gelegten Photomasken ausgeführt werden. Al ternativ dazu kann auch eine einzelne Photomaske verwendet werden, welche in zwei aufeinanderfolgenden Belichtungs schritten zum Einsatz kommt und nach dem ersten Belichtungs schritt um den genannten Winkel verdreht wird.

Je nach Verwendung eines Positiv- oder eines Negativresistsy stems können nach den Belichtungsschritten entweder die be lichteten oder die unbelichteten Bereiche bei einem Entwick lungsschritt entfernt werden, so daß entweder eine regelmä ßige Clusteranordnung oder eine ebenso regelmäßige Lochanord nung in einer Resistschicht erhalten werden kann. Die Verwen dung von negativen Resists führt zu Kontaktlöchern, von posi tiven Resists zu Clustern oder Dots.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann dann in der Weise weiter gebildet werden, daß unter Zuhilfenahme der erzeugten Mate rial- insbesondere Photoresiststrukturen eine entsprechende Anordnung von Speicherbauelementen wie magnetischen Speicher bauelementen hergestellt wird. Dabei wird zuerst eine matrix förmige Anordnung mikroskopischer Photoresiststrukturen nach einem der vorhergehenden Ansprüche erzeugt und anschließend wird unter Zuhilfenahme der Anordnung von Photoresiststruktu ren die Anordnung magnetischer Speicherelemente hergestellt. Beispielsweise kann zuerst nach dem erfindungsgemäßen Verfah ren eine matrixförmige Anordnung von Vertiefungen in einer Resistschicht erzeugt werden, die dann anschließend in einem Abscheidungsprozeß mit einem geeigneten magnetischen Material gefüllt werden. Nach Entfernen des die gefüllten Vertiefungen umgebenden Resistmaterials bleibt eine regelmäßige Anordnung von magnetischen Clusterstrukturen erhalten, deren Ausdehnung durch die Ausdehnung der in dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Vertiefungen bestimmt wird und die als magneti sche Speicherelemente genutzt werden können.

Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung zweier übereinander gelegter chromloser Phasenmasken, deren streifen förmige Anordnungen zueinander einen 90°-Winkel einnehmen;

Fig. 2-5 Helligkeitsverteilungen an einzelnen Kreuzungspunk ten aufgrund von Simulationen der Belichtung durch chromlose Phasenmasken gemäß Fig. 1 unter Variation verschiedener Parameter.

In Fig. 1 sind zwei chromlose Phasenmasken 10 und 20 schema tisch dargestellt, die bezüglich ihrer streifenförmigen Be reiche in einem 90°-Winkel übereinandergelegt und in einer Belichtungseinrichtung wie einem Waferstepper belichtet und auf der Oberfläche einer zu strukturierenden Materialschicht wie einer Photoresistschicht abgebildet werden. In dem Aus schnitt a. ist ein Teil der Phasenmaske 10 entlang der Pha sengrenze 20.1 der Phasenmaske 20 schematisch dargestellt. Darin wird deutlich, daß jede Phasenmaske streifenförmige er ste Bereiche mit einer ersten Phase (0) und daran angrenzende streifenförmige zweite Bereiche mit einer zweiten Phase (π) aufweist, die bezüglich der durch beide Bereiche hindurchtre tenden Belichtungsstrahlung relativ zu den ersten Bereichen eine Phasendifferenz von 180° aufweist. Bei der Belichtung entstehen durch destruktive Interferenz unbelichtete streifenförmige Bereiche, die zwischen den ersten und zweiten Be reichen liegen und den annähernd linienförmigen Phasengrenzen 10.1. . .10.n zwischen den ersten und zweiten Bereichen zuge ordnet sind.

Ebensolche streifenförmigen unbelichteten Bereiche entstehen bei Belichtung mit der zweiten um 90° gedrehten Phasenmaske. Bei Doppelbelichtung mit der ersten und der zweiten Phasen maske verbleiben als einzige unbelichtete Bereiche die an den Kreuzungspunkten der jeweiligen Phasengrenzen gebildeten Überlappungsbereiche zwischen den streifenförmigen unbelich teten Bereichen der einzelnen Phasenmasken. Ein derartiger Überlappungsbereich ist in dem Ausschnitt b. der Fig. 1 ver größert dargestellt.

Um diesen Überlappungsbereichen wie in dem Ausschnitt b. eine elliptische Form zu geben, gibt es eine Reihe von Möglichkei ten, die unter Zugrundelegung der Anordnung der Fig. 1 zum Ge genstand von Simulationsrechnungen gemacht wurde.

In den Fig. 2a-c ist jeweils ein Ausschnitt mit vier Über lappungsbereichen an vier Kreuzungspunkten der Matrix darge stellt. Die drei Bilder zeigen Simulationsrechnungen in der Form von Linien gleicher Helligkeit, wobei die relative Be lichtungsdosis zwischen dem ersten und dem zweiten Belich tungsschritt verändert wurde. Dabei wurde angenommen, daß in den Belichtungsschritten eine Phasenmaske mit gleichen Eigen schaften verwendet wurde. Während in Fig. 2a das Dosisverhält nis noch 1 : 1 betrug, wurde es in den Fig. 2b und 2c schrittweise zu 1 : 1,5 und 1 : 2 verändert. Wie zu erkennen ist, führt die gleiche Dosis in den beiden Belichtungen erwar tungsgemäß zur Ausbildung einer kreissymmetrischen Hellig keitsverteilung an den Kreuzungspunkten, während die Verände rung der Dosis eine zunehmend elliptische Helligkeitsvertei lung entstehen läßt.

Ein anderes Verfahren zur Erzeugung elliptischer Überlap pungsbereiche besteht darin, bei gleicher Belichtungsdosis der beiden Belichtungsschritte die Belichtungsbedingungen in der Belichtungseinrichtung zu verändern. In Fig. 3a, b sind z. B. Simulationsrechnungen für die Anordnung der Fig. 1 darge stellt, bei denen die Belichtungen angenommen wurde, daß die Belichtungen mit unterschiedlichem Füllfaktor durchgeführt wurden. Der Füllfaktor ist ein Maß dafür, wieviel Prozent des Durchmessers der Objektivöffnung von der nullten Beugungsord nung des Objektivs ausgefüllt wird. Ein Füllfaktor bedeutet z. B., daß die nullte Beugungsordnung etwa 50% des Durchmes sers ausfüllt. Bei Fig. 3a wurde der Füllfaktor der ersten Be lichtung mit 0,5 und der der zweiten Belichtung mit 0,6 ange nommen. Bei Fig. 3b wurde bei unverändertem Füllfaktor für die erste Belichtung der Füllfaktor der zweiten Belichtung auf 0,7 heraufgesetzt. Auch hier ist an den Helligkeitsverteilun gen zu erkennen, daß sich elliptische Strukturen erzeugen lassen.

Auch das in Fig. 4 gezeigte Beispiel bezieht sich auf Simula tionsrechnungen für den Fall geänderter optischer Bedingungen zwischen den einzelnen Belichtungsschritten. In diesem Fall wurde die numerische Apertur im ersten Belichtungsschritt zu 0,5 und im zweiten Belichtungsschritt zu 0,6 gewählt. Die Si mulationsrechnungen zeigen auch hierfür deutlich, die Ausbil dung elliptischer Helligkeitsverteilungen um die Kreuzungs punkte.

Die in Fig. 5 gezeigte Helligkeitsverteilung wurde schließlich aus einer Simulationsrechnung gewonnen, bei der Phasenstufen an den Phasengrenzen zwischen den 0- und π-phasenschiebenden Gebieten vorhanden sind. Hierbei wird auf einer der bei einer Doppelbelichtung verwendeten Phasenmasken ein schräger Ver lauf des Phasensprungs eingeführt. Fertigungstechnisch kann dieser Phasenverlauf auf dem Maskenreticle durch eine oder mehrere Phasenstufen (z. B. 180°, 120°, 60°) realisiert wer den. In dem in Fig. 5 gezeigten Beispiel wies eine Phasenmaske an der Phasengrenze eine 75 nm breite Phasenkante mit 120° Phasenverschiebung und eine 75 nm breite Phasenkante mit 60° Phasenverschiebung auf. Wie man sieht, kann auch auf diese Weise eine elliptische Struktur erzeugt werden.

Claims

1. Photomaske für lithographische Strukturierungsverfahren, mit
einer Anordnung mindestens teilweise lichtdurchlässiger streifenförmiger Bereiche, welche
unmittelbar benachbart und parallel zueinander angeord net sind, wobei
benachbarte Bereiche derart ausgebildet sind, daß durch sie hindurchtretende Lichtstrahlungsbündel eine Phasen differenz von 180° zueinander aufweisen.

2. Photomaske nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereiche im wesentlichen lichtdurchlässig sind.

3. Photomaske nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
erste Bereiche eine Phasenverschiebung von im wesentlichen 0° und zweite Bereiche eine Phasenverschiebung von im we sentlichen 180° für hindurchtretende Lichtstrahlungsbündel aufweisen, und
die ersten und zweiten Bereiche in alternierender Abfolge angeordnet sind.

4. Verwendung einer Photomaske nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum lithographischen Strukturieren einer Material schicht, insbesondere einer Photoresistschicht.

5. Verwendung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
im wesentlichen zwei Belichtungsschritte mit ein und der selben Photomaske durchgeführt werden, wobei
zwischen den Belichtungsschritten die Ausrichtung der streifenförmigen Bereiche um einen Winkel, insbesondere 90°, verdreht wird.

6. Verwendung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
mindestens zwei, insbesondere voneinander verschiedene Photomasken verwendet werden, und
mindestens eine Photomaske gemäß Anspruch 1 ausgeführt ist.

7. Verwendung nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, daß
im wesentlichen ein Belichtungsschritt durchgeführt wird, bei welchem die Photomasken übereinander im Strahlengang angeordnet sind, wobei
zwischen den Ausrichtungen der streifenförmigen Bereiche der Photomasken ein Winkel, insbesondere 90°, erzeugt wird.

8. Verwendung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß alle verwendeten Photomasken gemäß Anspruch 1 ausgeführt sind.

9. Verwendung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Photomaske eine konventionelle durchläs sige und undurchlässige Bereiche aufweisende Photomaske ist.

10. Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
elliptisch geformte Materialstrukturen geformt werden, in dem
die Belichtungen mit unterschiedlicher Belichtungsdosis durchgeführt werden, und/oder
die Belichtungen mit unterschiedlichem Füllfaktor σ durch geführt werden, und/oder
bei mindestens einer Belichtung ein Abbildungsfehler wie Coma oder Astigmatismus herbeigeführt wird.

11. Verwendung nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialstrukturen Cluster oder Dots sind.

12. Verwendung nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialstrukturen Aussparungen in einer Material schicht sind.

13. Verfahren zur Herstellung einer matrixförmigen Anordnung magnetischer Speicherelemente, bei welchem
zuerst eine matrixförmige Anordnung mikroskopischer Photo resiststrukturen nach einem der vorhergehenden Ansprüche erzeugt wird und anschließend
unter Zuhilfenahme der Anordnung von Photoresiststrukturen die Anordnung magnetischer Speicherelemente hergestellt wird.