-
Die
Erfindung betrifft allgemein das Gebiet für Photomasken für lithographische
Belichtungs- und Strukturierungsverfahren mit dem Ziel der Herstellung
mikroskopischer Materialstrukturen wie Photoresiststrukturen und
darauf aufbauend der Herstellung mikroskopischer Materialstrukturen
wie magnetischer Speicherelementanordnungen oder dergleichen. Insbesondere
bezieht sich die Erfindung dabei auf das Gebiet der Phasenmasken
und deren Verwendung bei diesen Verfahren und die Herstellung von
dimensionskritischen Materialstrukturen.
-
Für die Herstellung
der Speicherebene (XMR-Ebene) von magnetischen Speicherbauelementen
wie magnetischen RAM-Datenspeichern (MRAM), wie beispielsweise beschrieben
in S. Mengel: Technologieanalyse Magnetismus Band 2, XMR-Technologien,
Herausgeber 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 erhöhen.
Bisher wurden solche Strukturen entweder elektronenoptisch durch
ein Direktschreibverfahren oder mittels konventioneller optischer
Lithographie entsprechend den herkömmlichen Verfahren zur Herstellung
mikroelektronischer Schaltungen.
-
Bei
photolithographischen Verfahren werden die Strukturen auf lichtempfindliche
Schichten wie Photoresistschichten auf einem Substrat in konventioneller
Weise durch Photomasken optisch abgebildet. Aufgrund der Beugungseffekte
ist das Auflösungsvermögen eines
derartigen Abbildungssystems begrenzt und Maskenstrukturen mit Abmessungen unter
dem reziproken Wert dieses Auflösungsvermögens, die
sogenannten dimensionskriti schen Strukturen, werden verschmiert
bzw. unscharf abgebildet. 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 Auflösungsgrenze, bei der der halbe
Abstand zwischen zwei Resistdots durch k1λ/NA mit (k1 ≈ 0,38, λ der Trägerwellenlänge der
Belichtung, NA der numerischen Apertur) zu unterschreiten. Zumindest
sind solchen dichten Resistdots auf konventionellem optischen Weg
nicht mit einem nennenswerten Prozeßspielraum herstellbar. Darüberhinaus
ist die konventionelle optische Abbildung sehr empfindlich auf Schwankungen
der Maskenmaße,
die beispielsweise durch den sogenannten Mask Error Enhancement Factor
(MEF) beschrieben werden können.
-
Die
obigen Probleme stellen limitierende Faktoren für die kostengünstige und
wettbewerbsfähige
Fertigung von MRAM-Speicherbauelementen 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-Verlag, S.
135ff. beschrieben. Eine ausführliche Übersicht über die
Phasenmaskentechnologie ist in den Publikationen „Improving
Resolution in Photolithography with a Phase-Shifting Mask" von M. D. Levenson
et al. in IEEE Trans. Electron. Devices 29 (1982), 1828ff. und „Wavefront
Engineering for Pho tolithography" 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
magnetoresistance 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 Magnetowiderstandselementen gezeigt.
-
Auch
unter diesem zuletzt genannten Aspekt ist die konventionelle optische
Lithographie problematisch, da mit den üblichen 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.
-
Die
Druckschrift
US 5,472,813
A beschreibt ein Verfahren zur Strukturierung einer Photoresistschicht
unter Verwendung von Phasenmasken. In den
15(a)–
15(d) werden Phasenmasken beschrieben,
welche lichtdurchlässige
streifenförmige Bereiche
aufweisen, die unmittelbar benachbart und parallel zueinander angeordnet
und derart ausgebildet sind, daß durch
sie hindurchtretende Lichtstrahlungsbündel eine Phasendifferenz von
180° zueinander
aufweisen. Es wird gezeigt, wie durch einen ersten Belichtungsschritt
mit einer ersten Phasenmaske und einen zweiten Belichtungsschritt
mit einer zweiten Phasenmaske, deren streifenförmige Bereiche senkrecht zu
den streifenförmigen
Bereichen der ersten Phasenmaske ausgerichtet sind, eine matrixförmige Anordnung
dimensionskritischer Aussparungen in der Photoresistschicht erzeugt
werden können.
-
Die
Druckschrift
US 5,863,677
A beschreibt ein Strukturierungsverfahren, bei welchem
die Belichtungsstrahlung in ein erstes und ein zweites Strahlungsbündel aufgespalten
wird und eine erste und eine zweite Phasenmaske mit dem ersten und zweiten
Strahlungsbündel
bestrahlt werden. In der ersten und der zweiten Phasenmaske ist
jeweils eine Mehrzahl von streifenförmigen Durchlaßbereichen zwischen
einer Mehrzahl von Abschattungsbereichen angeordnet. Die durchgelassenen
und interferierenden Strahlungsbündel
werden auf die Photoresistschicht gerichtet.
-
Die
Druckschrift
JP 1-283925
A beschreibt ein Verfahren, bei welchem eine Phasenmaske
für die
Bestrahlung dimensionskritischer Muster verwendet wird und eine
gewöhnliche
Photomaske für
die Bestrahlung anderer Muster verwendet wird.
-
Die
Druckschrift
US 5,759,744
A beschreibt ein interferometrisches Lithographieverfahren,
bei welchem ein Laserstrahl in zwei ebene Strahlungsbündel aufgespalten
und unter einem Winkel auf die Photoresistschicht gerichtet wird,
so daß durch
Interferenz auf der Photoresistschicht eine streifenförmige Intensitätsverteilung
resultiert. Es wird beschrieben, wie durch zwei aufeinanderfolgende
Belichtungsschritte mit zueinander senkrecht stehenden Streifenmustern
eine matrixförmige
Anordnung von Aussparungen in der Photoresistschicht erzeugt werden
kann. Es wird ferner beschrieben, daß durch die Wahl unterschiedlicher
Bestrahlungsstärken
der zwei Belichtungen eine matrixförmige Anordnung von elliptischen
Aussparungen erzeugt werden kann.
-
Es
ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum
lithographischen Strukturieren einer Materialschicht, insbesondere
einer Photoresistschicht, anzugeben, mit welchem mikroskopische,
elliptische Materialstrukturen herstellbar sind. Weiterhin ist es
Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein darauf aufbauendes Verfahren
zur Herstellung eines magne tischen Speicherbauelements wie eines MRAM-Speicherbauelements
unter Zuhilfenahme des Strukturierungsverfahrens bereitzustellen.
-
Diese
Aufgaben werden mit den Merkmalen der nebengeordneten Patentansprüche 1 und
4 gelöst.
-
Ein
wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, bei den Belichtungen
einer zu strukturierenden Photoresistschicht Photomasken zu verwenden,
die als Phasenmasken ausgebildet sind. Derartige Phasenmasken weisen
jeweils eine Anordnung mindestens teilweise lichtdurchlässiger streifenförmiger Bereiche
auf, welche benachbart und parallel zueinander angeordnet sind,
wobei benachbarte Bereiche derart ausgebildet sind, daß durch
sie hindurchtretende Lichtstrahlungsbündel eine Phasendifferenz von
180° zueinander
aufweisen.
-
Erfindungsgemäß wird dabei
eine erste Photomaske verwendet, welche mindestens teilweise lichtdurchlässige streifenförmige Bereiche
aufweist, welche unmittelbar benachbart und parallel zueinander
angeordnet sind, wobei benachbarte Bereiche derart ausgebildet sind,
daß durch
sie hindurchtretende Lichtstrahlungsbündel eine Phasendifferenz von
180° zueinander
aufweisen, und es wird eine zweite Photomaske verwendet, welche
mindestens teilweise lichtdurchlässige
streifenförmige
Bereiche aufweist, welche benachbart und parallel zueinander angeordnet
sind, wobei benachbarte Bereiche derart ausgebildet sind, daß durch
sie hindurchtretende Lichtstrahlungsbündel eine Phasendifferenz von 180° zueinander
aufweisen, und der Phasenübergang
zwischen benachbarten Bereichen eine oder mehrere Phasenstufen enthält oder
einen schrägen Übergang
aufweist.
-
Mit
der ersten Photomaske wird eine erste Belichtung durchgeführt, 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 definiert werden.
-
Dann
wird mit der zweiten Photomaske eine zweite Belichtung durchgeführt, wobei
die Ausrichtung der streifenförmigen
Bereiche der Photomasken zwischen den Belichtungen um 90° verdreht
wird. Auf den Kreuzungspunkten der streifenförmigen Anordnungen werden elliptisch
geformte loch- oder clusterartige Resiststrukturen gebildet, so
daß im
Ergebnis eine matrixförmige
Anordnung derartiger Resiststrukturen hergestellt wird.
-
Alternativ
dazu kann auch ein einzelner Belichtungsschritt durchgeführt werden,
bei welchem die erste und die zweite Photomaske derart übereinander
gelegt werden, daß zwischen
den Ausrichtungen der streifenförmigen
Bereiche der Photomasken ein Winkel von 90° besteht.
-
Dieses
Verfahren hat den Vorteil, daß mit
ihm elliptisch geformte loch- oder clusterartige Resiststrukturen
hergestellt werden können,
deren Ausdehnung mindestens in einer Richtung kritische Dimensionen
unterschreitet. Es kann beispielsweise der Fall auftreten, daß Strukturen
gefordert sind, die nur in einer Richtung subkritisch sein müssen, in
der anderen Richtung jedoch eine Ausdehnung oberhalb der kritischen
Dimensionen aufweisen. Auf diese Weise können beispielsweise elliptische
Strukturen erzeugt werden, bei denen die kurze Achse der Ellipse
dimensionskritisch ist, die lange Achse jedoch nicht.
-
Ebenso
kann gewünscht
sein, daß die
zu erzeugenden Resiststrukturen in beiden Richtungen dimensionskritisch
sein sollen.
-
Im
Falle der Verwendung von Phasenmasken kommen bevorzugterweise chromlose
Phasenmasken zum Einsatz. Mit diesen können prinzipiell lichtoptisch
die kleinsten Werte für
kl 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. Brunner et
al. in Proc.SPIE, Vol. 1927 (1993), S. 182–189, gezeigt wurde, die hiermit
in den Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung einbezogen
wird.
-
Eine
beispielhafte Ausführungsart
der vorliegenden Erfindung besteht in einer zweifachen Belichtung
mit chromlosen Phasenmasken der beschriebenen Art, wobei relativ
zu einer ersten chromlosen Phasenmaske eine zweite chromlose Phasenmaske zum
Einsatz kommt. Diese wird so relativ zur ersten Phasenmaske angeordnet,
daß ihre
Anordnung von streifenförmigen
ersten und zweiten Bereichen bezüglich
der Anordnung von streifenförmigen
ersten und zweiten Bereichen der ersten Phasenmaske einen Winkel
von 90° einnimmt.
Die Belichtung kann auch in einem einzigen Belichtungsschritt mit
den übereinander
gelegten Photomasken ausgeführt werden.
-
Je
nach Verwendung eines Positiv- oder eines Negativresistsystems können nach
den Belichtungsschritten entweder die belichteten oder die unbelichteten
Bereiche bei einem Entwicklungsschritt entfernt werden, so daß entweder
eine regelmäßige Clusteranordnung
oder eine ebenso regelmäßige Lochanordnung
in einer Resistschicht erhalten werden kann. Die Verwendung von
negativen Resists führt
zu Kontaktlöchern,
von positiven Resists zu Erhebungen.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann dann in der Weise weitergebildet werden, daß unter Zuhilfenahme der erzeugten
Material- insbesondere Photoresiststrukturen eine entsprechende
Anordnung von Speicherbauelementen wie magnetischen Speicherbauelementen
hergestellt wird. Dabei wird zuerst eine matrixförmige Anordnung mikroskopischer
Photoresiststrukturen nach einem der vorhergehenden Ansprüche erzeugt
und anschließend
wird unter Zuhilfenahme der Anordnung von Photoresiststrukturen
die Anordnung magnetischer Speicherelemente hergestellt. Beispielsweise
kann zuerst nach dem erfindungsgemäßen Verfahren 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 magnetische Speicherelemente
genutzt werden können.
-
Im
folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren
anhand von Ausführungsbeispielen
und von nicht zur Erfindung gehörenden
Beispielen näher erläutert. Es
zeigen:
-
1 eine
schematische Darstellung zweier übereinander
gelegter chromloser Phasenmasken, deren streifenförmige Anordnungen
zueinander einen 90°-Winkel
einnehmen;
-
2–5 Helligkeitsverteilungen
an einzelnen Kreuzungspunkten aufgrund von Simulationen der Belichtung
durch chromlose Phasenmasken gemäß 1 unter
Variation verschiedener Parameter.
-
In 1 sind
zwei chromlose Phasenmasken 10 und 20 schematisch dargestellt, die
bezüglich ihrer
streifenförmigen
Bereiche 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 Ausschnitt a. ist ein Teil der Phasenmaske
10 entlang der Phasengrenze 20.1 der Phasenmaske 20 schematisch
dargestellt. Darin wird deutlich, daß jede Phasenmaske streifenförmige erste
Bereiche mit einer ersten Phase (0) und daran angrenzende streifenförmige zweite
Bereiche mit einer zweiten Phase (π) aufweist, die bezüglich der
durch beide Bereiche hindurchtretenden Belichtungsstrahlung relativ
zu den ersten Bereichen eine Phasendifferenz von 180° aufweist.
Bei der Belichtung entstehen durch destruktive Interferenz unbelichtete
strei fenförmige
Bereiche, die zwischen den ersten und zweiten Bereichen liegen und
den annähernd
linienförmigen Phasengrenzen
10.1...10.n zwischen den ersten und zweiten Bereichen zugeordnet
sind.
-
Ebensolche
streifenförmigen
unbelichteten Bereiche entstehen bei Belichtung mit der zweiten um
90° gedrehten
Phasenmaske. Bei Doppelbelichtung mit der ersten und der zweiten
Phasenmaske verbleiben als einzige unbelichtete Bereiche die an den
Kreuzungspunkten der jeweiligen Phasengrenzen gebildeten Überlappungsbereiche
zwischen den streifenförmigen
unbelichteten Bereichen der einzelnen Phasenmasken. Ein derartiger Überlappungsbereich
ist in dem Ausschnitt b. der 1 vergrößert dargestellt.
-
Um
diesen Überlappungsbereichen
wie in dem Ausschnitt b. eine elliptische Form zu geben, gibt es
eine Reihe von Möglichkeiten,
die unter Zugrundelegung der Anordnung der 1 zum Gegenstand
von Simulationsrechnungen gemacht wurde. Die in en 2 bis 4 gezeigten
Möglichkeiten gehören nicht
zur Erfindung.
-
In
den 2a–2c ist
jeweils ein Ausschnitt mit vier Überlappungsbereichen
an vier Kreuzungspunkten der Matrix dargestellt. Die drei Bilder zeigen
Simulationsrechnungen in der Form von Linien gleicher Helligkeit,
wobei die relative Belichtungsdosis zwischen dem ersten und dem
zweiten Belichtungsschritt verändert
wurde. Dabei wurde angenommen, daß in den Belichtungsschritten
eine Phasenmaske mit gleichen Eigenschaften verwendet wurde. Während in 2a das
Dosisverhältnis
noch 1:1 betrug, wurde es in den 2b und 2c schrittweise zu
1:1,5 und 1:2 verändert.
Wie zu erkennen ist, führt die
gleiche Dosis in den beiden Belichtungen erwartungsgemäß zur Ausbildung
einer kreissymmetrischen Helligkeitsverteilung an den Kreuzungspunkten,
während
die Veränderung
der Dosis eine zunehmend elliptische Helligkeitsverteilung entstehen
läßt.
-
Ein
anderes Verfahren zur Erzeugung elliptischer Überlappungsbereiche besteht
darin, bei gleicher Belichtungsdosis der beiden Belichtungsschritte die
Belichtungsbedingungen in der Belichtungseinrichtung zu verändern. In 3a, 3b sind
z. B. Simulationsrechnungen für
die Anordnung der 1 dargestellt, 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 Beugungsordnung
des Objektivs ausgefüllt
wird. Ein Füllfaktor
bedeutet z. B., daß die
nullte Beugungsordnung etwa 50% des Durchmessers ausfüllt. Bei 3a wurde der
Füllfaktor
der ersten Belichtung mit 0,5 und der der zweiten Belichtung mit
0,6 angenommen. Bei 3b wurde bei unverändertem
Füllfaktor
für die erste
Belichtung der Füllfaktor
der zweiten Belichtung auf 0,7 heraufgesetzt. Auch hier ist an den
Helligkeitsverteilungen zu erkennen, daß sich elliptische Strukturen
erzeugen lassen.
-
Auch
das in 4 gezeigte Beispiel bezieht sich auf Simulationsrechnungen
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
Simulationsrechnungen zeigen auch hierfür deutlich, die Ausbildung
elliptischer Helligkeitsverteilungen um die Kreuzungspunkte.
-
Die
in 5 gezeigte Helligkeitsverteilung wurde schließlich aus
einer Simulationsrechnung gewonnen, bei der erfindungsgemäss 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 Verlauf des Phasensprungs
eingeführt.
Fertigungstechnisch kann dieser Phasenverlauf auf dem Maskenreticle
durch eine oder mehrere Phasenstufen (z. B. 180°, 120°, 60°) realisiert werden. In dem
in 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.