DE10121178B4

DE10121178B4 - Experimentelles Verfahren zur Verifikation von Abbildungsfehlern bei Fotomasken

Info

Publication number: DE10121178B4
Application number: DE10121178A
Authority: DE
Inventors: Günther Czech; Ernst-Christian Dr. Richter; Ulrich Scheler; Michael Dr. Sebald
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2001-04-30
Filing date: 2001-04-30
Publication date: 2005-12-01
Anticipated expiration: 2021-05-01
Also published as: US6800407B2; DE10121178A1; US20030013022A1

Abstract

Verfahren zur Bestimmung von Abbildungsfehlern von Fotomasken für die lithografische Strukturierung von Halbleitern, wobei die Fotomaske einen lichtdurchlässigen Bereich aufweist, welcher einem Maskenbild entspricht, wobei auf einem Substrat zumindest eine fotoaktivierbare Schicht aus einem fotoaktivierbaren Material aufgetragen wird, durch Belichtung mit einer Belichtungsstrahlung mit der Fotomaske ein latentes Abbild des Maskenbildes in der fotoaktivierbaren Schicht erzeugt wird, die fotoaktivierbare Schicht nach der Belichtung mit einem Verstärkungsagens behandelt wird, das lokal mit Komponenten des fotoaktivierbaren Materials unter Ausbildung zumindest einer chemischen Bindung reagiert, nach der Behandlung mit dem Verstärkungsagens der Zuwachs der Schichtdicke der fotoaktivierbaren Schicht bestimmt wird und Zuwächse der Schichtdicke außerhalb und/oder innerhalb des Abbildes des Maskenbildes bestimmt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Abbildungsfehlern von Fotomasken für die lithografische Strukturierung von Halbleitern, ein Verfahren zur Optimierung des Layouts einer Fotomaske für die lithografische Strukturierung von Halbleitern sowie ein Verfahren zur Bestimmung der lokalen Belichtungsdosis.

Bei der Herstellung miniaturisierter elektronischer Schaltkreise auf Mikrochips wird die Strukturierung der Halbleitermaterialien, zum Beispiel Siliziumwafern, gegenwärtig hauptsächlich mit Methoden der optischen Lithografie durchgeführt. Dabei wird zunächst eine dünne Schicht eines Fotolacks auf dem Halbleiter aufgetragen. Diese Schicht wird anschließend mit Laserlicht belichtet, wobei im Strahlengang eine Maske angeordnet ist, die einem vergrößertem Abbild der elektronischen Schaltung entspricht. Bei der Belichtung wird ein verkleinertes Abbild der Fotomaske in der Schicht des Fotolacks erzeugt. Je nach verwendetem Fotolack können anschließend in weiteren Schritten die belichteten Bereiche im Fall eines positiven Fotoresists bzw. die unbelichteten Stellen im Fall eines negativen Fotoresists entfernt werden. Der auf dem Halbleiter verbleibende Fotolack bildet eine der elektronischen Schaltung entsprechende Maske, so dass der Halbleiter beispielsweise selektiv in den freiliegenden Bereichen geätzt oder dotiert werden kann oder selektiv auf den freiliegenden Flächen des Halbleiters weitere Schichten abgeschieden werden können. Im Zuge der immer weiter fortschreitenden Miniaturisierung der Halbleiterelemente elektronischer Schaltkreise werden immer höhere Anforderungen an die Abbildungsqualität der Maske auf den Fotolack gestellt. Um auch kleinste Strukturen im Bereich von weniger als 1 μm fehlerfrei erzeugen zu können, sind die Eigenschaften aller Komponenten der Abbildungseinrichtung, d.h. der Belichtungsapparatur, der Fotomaske und des Fotolacks, von entscheidender Bedeutung. Die bei der Herstellung integrierter Halbleiterelemente verwendeten Halbton-Phasenmasken ermöglichen wegen ihres hohen Bildkontrastes zwar auch bei kleinsten Abmessungen der Strukturen die Herstellung nahezu senkrechter Flanken im strukturierten Fotolack, sie zeigen jedoch den unerwünschten Effekt des "Sidelobe-Printings". Dies bedeutet, dass neben dem Maximum der einfallenden Belichtungsdosis Nebenmaxima auftreten, die in Bereichen des Fotolacks außerhalb der abgebildeten Struktur des Schaltkreises liegen und dort zu einer unerwünschten Strukturierung des Fotolacks führen. Dies kann unter Umständen einen Defekt des integrierten Schaltkreises verursachen. Bei sogenannten alternierenden Phasenmasken, wie Chrommasken, spielen Phasenkonflikte eine dominierende Rolle. Auch diese Effekte können zu Abweichungen von der Soll-Strukturgröße der Elemente auf dem Halbleiterbaustein führen und bei kritischen Maskenstrukturen "shorts" oder "openings" verursachen und damit zu Ausbeuteeinbußen führen.

Sowohl bei der Entwicklung des Masken-Layouts wie auch später während der Produktion der Halbleiterbausteine müssen daher alle Elemente der Abbildungseinrichtung ständig überprüft werden um Ausbeuteverluste zu vermeiden. Die Überprüfung der Abbildungseinrichtung sollte nach Möglichkeit produktionsnah erfolgen, das heißt mit Geräten und unter Bedingungen, wie sie auch in der Produktion verwendet werden. Nur so kann das Wechselspiel zwischen Maske und der verwendeten Optik einschließlich der optischen Abbildungsfehler eindeutig analysiert werden und auf Basis dieser Erkenntnisse eine Optimierung des Layouts bzw. der Fotomaskenherstellung vorgenommen werden.

Bei Halbtonphasenmasken kann durch eine entsprechende Gestaltung der Maske sowie eine Variation der Belichtungseinrichtung das Gewicht zwischen Haupt- und Nebenmaxima verändert werden, so dass eine Minimierung der Sidelobes möglich ist. Beim Design des Layouts der Maske muss berücksichtigt werden, dass sich beispielsweise die Sidelobes benachbarter Belichtungsmaxima nicht addieren und durch die dann stärkere Belichtungsdosis eine Strukturierung des Fotolacks am Ort der Sidelobes erfolgt.

Bisher ist eine qualitative und quantitative Charakterisierung von Fotomasken nur anhand von Simulationen und speziellen Areal Image-Messverfahren, wie zum Beispiel AIMS, offline, d.h. außerhalb der Produktionslinie möglich.

Die Verfahren zur Bestimmung und zur Korrektur der Abbildungsfehler sind zum Beispiel in WO 00/60415 A1, EP 0 985 977 A1 , WO 00/31592 A1, JP 2000-146757 A beschrieben. Bei all diesen Verfahren ist keine Behandlung mit einem Verstärkungsagens beschrieben oder angeregt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Bestimmung von Abbildungsfehlern von Fotomasken für die lithografische Strukturierung von Halbleitern zur Verfügung zu stellen, das rasch und einfach unter produktionsnahen Bedingungen durchgeführt werden kann.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Bestimmung von Abbildungsfehlern von Fotomasken für die lithografische Strukturierung von Halbleitern, wobei die Fotomaske einen lichtdurchlässigen Bereich aufweist, welcher einem Maskenbild entspricht, wobei auf einem Substrat zumindest eine fotoaktivierbare Schicht aus einem fotoaktivierbaren Material aufgetragen wird, durch Belichtung mit einer Belichtungsstrahlung mit der Fotomaske ein latentes Abbild des Maskenbildes in der fotoaktivierbaren Schicht erzeugt wird, die fotoaktivierbare Schicht nach der Belichtung mit einem Verstärkungsagens behandelt wird, das lokal mit Komponenten des fotoaktivierbaren Materials unter Ausbildung zumindest einer chemischen Bindung reagiert, nach der Behandlung mit dem Verstärkungsagens der Zuwachs der Schichtdicke der fotoaktivierbaren Schicht bestimmt wird und Zuwächse der Schichtdik ke außerhalb und/oder innerhalb des Abbildes des Maskenbildes bestimmt werden.

Das Verfahren zur Bestimmung von Abbildungsfehlern von Fotomasken beruht auf einem Effekt, wie er in der EP 0 395 917 B1 beschrieben wird. Bei diesem Verfahren wird nach der Entwicklung der Resiststruktur ein zusätzlicher Schritt durchgeführt, indem die bereits vollständig ausgebildete Resiststruktur mit einem Aufweitungsreagenz behandelt wird. Das Aufweitungsreagenz diffundiert dabei in dem Resist ein und reagiert dort mit im Resist vorhandenen reaktiven Gruppen. Dadurch wird das Aufweitungsreagenz im Resist chemisch gebunden, was zu einem Volumenzuwachs und damit zu einer Aufweitung der Resiststrukturen führt. Diese Aufweitung führt wiederum zu einer Verengung der zwischen den Resiststrukturen ausgebildeten Gräben, so dass eine deutliche Verbesserung der Auflösung und damit die Herstellung feinerer Strukturen möglich wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren beruht nun auf der Erkenntnis, dass die Geschwindigkeit der Diffusion des Aufweitungsreagenz in dem Fotoresist von der Polarität des Resists beeinflusst wird. Bei der Belichtung des Fotoresists wird die Polarität des Fotoresists in den belichteten Bereichen verändert. Beispielsweise wird bei positiven Fotoresists durch die Belichtung eine Säure freigesetzt, die wiederum chemische Reaktionen im Fotoresist auslösen kann. Die durch die Belichtung bewirkte Änderung der Polarität des Resists und damit der Diffusionsgeschwindigkeit des eindiffundierenden Agens bewirkt wiederum, dass in Abhängigkeit von der einwirkenden Belichtungsdosis unterschiedliche Mengen des Agens eindiffundieren und damit zu einem lokal unterschiedlichen Volumenzuwachs der Schichtdicke des Fotoresists führt. Der Schichtdickenzuwachs gibt also direkt die eingestrahlte Belichtungsdosis wieder.

Bei der Belichtung der fotoaktivierbaren Schicht sollte idealerweise eine stufenförmige Abhängigkeit der chemischen Reaktion von der einwirkenden Belichtungsdosis vorliegen. Unterhalb eines bestimmten Schwellenwertes sollte keine Reaktion im Fotoresist erfolgen, während oberhalb des Schwellenwertes sofort eine vollständige chemische Reaktion im Fotoresist ausgelöst werden sollte. Durch die Entwicklung hochwertiger Fotolacke kann zwar annähernd ein derartiges Verhalten erreicht werden, jedoch muss noch immer ein gewisser Bereich in Kauf genommen werden, in dem zwar bereits eine schwache chemische Reaktion durch das Licht ausgelöst wird, dies jedoch noch nicht zu einer Strukturierung des Resists bei der anschließenden Entwicklung führt. Im Laufe der Entwicklung des erfindungsgemäßen Verfahrens hat sich nun gezeigt, dass bereits eine deutliche Diffusion des als Verstärkungsagens wirkenden Agens in schwach belichtete Bereiche erfolgt, ehe dies bei normal durchgeführter Entwicklung zu einer Veränderung der Resiststruktur führt. Daher ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch die Detektion von belichteten Bereichen in der fotoaktivierbaren Schicht möglich, auf die eine so geringe Belichtungsdosis eingewirkt hat, dass dies z.B. im Fall eines positiven Resists im Entwicklungsschritt zu keinem Abtrag der fotoaktivierbaren Schicht führt.

Durch den erfindungsgemäß bewirkten Zuwachs der Schichtdicke steht daher ein sehr empfindliches Verfahren bereit, mit dem auch geringe Belichtungsdosen, wie sie durch Abbildungsfehler der Fotomaske verursacht werden, festgestellt werden können.

Für die Herstellung der fotoaktivierbaren Schicht, das fotoaktivierbare Material, das Verstärkungsagens und die Bedingungen für die Reaktion des Verstärkungsagens mit dem fotoaktivierbaren Material gelten im Wesentlichen die gleichen Bedingungen, wie sie in der bereits oben erwähnten EP 0 395 917 B1 beschrieben sind, wobei das in dieser Schrift beschriebene Aufweitungsagens im erfindungsgemäßen Verfahren als Verstärkungsagens wirkt. Dieser Unterschied in der Bezeichnung soll verdeutlichen, dass beim erfindungsgemäßen Verfahren eine Aufweitung der Resiststrukturen nicht erforderlich ist, sondern die Reaktion bereits bei niedrigeren Konzentrationen bzw. kürzeren Reaktionszeiten durchgeführt wird, wobei lediglich eine Reaktion des Verstärkungsagens mit den Gruppen des Resists in den belichteten Bereichen erfolgt.

Das fotoaktivierbare Material oder mit anderen Worten der Fotoresist muss funktionelle Gruppen aufweisen, die für die chemische Anbindung einer weiteren Verbindung geeignet sind. Als eine solche Gruppe eignet sich zum Beispiel ein Anhydrid, ein Epoxid, ein Polyurethan, ein Poly(meth)acrylat, ein Polyester, ein Polyether, ein Amid, ein Phenol oder ein Thioester, wobei eine Anhydridgruppe bevorzugt ist. Es können auch mehrere der genannten Gruppen im Fotoresist für eine Reaktion mit dem Verstärkungsagens zur Verfügung stehen.

Eine für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders geeignete funktionelle Gruppe im Fotoresist ist die Anhydridgruppe, insbesondere die zyklische Anhydridgruppe. Diese weist selbst im tiefen UV (DUV, Wellenlängen unterhalb von 300 nm) keine erhöhte Absorption auf, was für eine hochauflösende Strukturierung unabdingbar erforderlich ist. Auch die thermisch mechanischen Eigenschaften von Anhydriden, insbesondere die hohen Glasübergangstemperaturen, sind für die Anwendung als Fotoresist gut geeignet. Mit gängigen fotoaktiven Elementen lassen sich mit anhydridhaltigen Fotoresists hohe Kontraste bei hoher Auflösung erzielen. Dies ist auf den großen Polaritätsunterschied zurückzuführen, welcher zwischen belichteten und nicht belichteten Bereichen bei der Entwicklung auftritt. Insbesondere bei Positivresists wird die durch die Zersetzung der fotoaktiven Komponente bewirkte Hydrophilierung der belichteten Bereiche des Fotoresists durch einen geeigneten Entwicklungsvorgang verstärkt. Mit aminogruppen-haltigen Entwicklern wird die Anhydridfunktion hydrolisiert und so die Ablösung belichteter Bereiche im Entwicklungsvorgang verstärkt bzw. verbessert. Bei einer gegebenenfalls durchgeführten Entwicklung des belichteten Photoresists bleibt die Anhydridfunktion in den unbelichteten Bereichen (bei Positivresists) unhydrolisiert. Sie steht beim erfindungsgemäßen Verfahren daher als funktionelle Gruppe zur Anbindung des Verstärkungagens in schwach belichteten Bereichen zur Verfügung, d.h. in den Bereichen, in denen durch die einfallende schwache Strahlung zwar schon eine chemische Reaktion ausgelöst wurde, die jedoch nicht in einem Ausmaß verlief, dass dies bei der Entwicklung zu einem Abtrag des Photoresists führt. Sind im Photoresist Anhydridfunktionen vorhanden, sollte das Verstärkungsagens vorteilhaft zumindest eine Aminogruppe als funktionelle Gruppe aufweisen.

Für einen üblicherweise aus einem Basispolymer und einer fotoaktiven Komponente bestehenden Fotoresist richtet sich die Auswahl der Polymere (für das Basispolymer) vor allem nach der geforderten Transparenz für die gegebene Belichtungswellenlänge, bzw. den Wellenlängenbereich. Auch und insbesondere für den DUV-Bereich geeignet sind alternierende Copolymere aus Maleinsäureanhydrid und Styrol, bzw. aus Maleinsäureanhydrid und Allyltrimethylsilan. Beide Polymere besitzen eine hervorragende Transparenz im DUV-Bereich (zum Beispiel bei 248 nm) und im NUV-Bereich (naher UV-Bereich), eine hohe thermische Stabilität (Glasübergangstemperatur > 160°C) und hervorragende lithografische Eigenschaften in Verbindung mit herkömmlichen fotoaktiven Komponenten, bevorzugt mit Estern der Naphthtochinondiazid-4-sulfonsäure, und geeigneten Entwicklern.

Weitere geeignete Polymere, welche die zyklische Anhydridgruppe, aber auch andere für das erfindungsgemäße Verfahren geeignete funktionelle Gruppen enthalten, gehorchen zum Beispiel den folgenden allgemeinen Strukturformel A bis D, oder sind von Polyurethan, Poly(meth)acrylat, Polyester oder Polyether abgeleitet.

Wobei R¹ = H, Alkyl, Aryl, Halogen, Halogen-substituiertes Alkyl bzw. Aryl, und für A gilt 0<k/(k + r)<0,6

-COOH, -CH₂Si(CH₃)₃, -Si(CH₃)₃, -Si(OCH₃)₃,

R² = O, NH, S,
R⁵ = H, CH₃ und
R¹⁰ = H oder

Wie den angeführten Strukturformeln zu entnehmen ist, sind als funktionelle Gruppen zur Anbindung des Verstärkungsagens bevorzugt Anhydrid-, Carboxyl-, Hydroxyl- und Epoxydgruppen im Photoresist enthalten. Dabei können die (Basis-)Polymeren sowohl chemisch unterschiedliche als auch chemisch einheitliche funktionelle Gruppen tragen.

Die Auswahl der Polymere richtet sich vor allem nach der Transparenz im Bestrahlungswellenlängenbereich. Für den tiefen UV-Bereich, zum Beispiel 248 nm, werden im erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt anhydridhaltige Resists verwendet. Diese können den entsprechenden und bereits erwähnten Strukturen gehorchen, oder von weiteren anhydridhaltigen Monomeren abgeleitet sein, die als polymerisierbare Funktion eine Doppelbindung enthalten und beispielsweise einer der allgemeinen Strukturen N, O, P oder Q gehorchen,

wobei R¹¹ für H oder Alkyl stehen und R¹² einen Alkyl- oder Arylrest darstellt.

Um mit den reaktiven Gruppen des fotoaktiven Materials in der fotoaktivierbaren Schicht reagieren zu können, muss das Verstärkungsagens entsprechende funktionelle Gruppen aufweisen. Eine geeignete Gruppe ist zum Beispiel die Hydroxylgruppe oder die Aminogruppe. Das Verstärkungsagens ist vorzugsweise hydrolysestabil und wird als wässrig-alkoholischen Lösung oder Emulsion eingesetzt, wobei die Behandlung mit dem Verstärkungsagens bezüglich Atmosphäre, Druck und Temperatur unter Normalbedingungen durchgeführt werden kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann als einfacher "nasschemischer" Prozess geführt werden, der zum Beispiel in wässrigem Medium in einfachen offenen Apparaturen durchgeführt werden kann. Der Grad der Verstärkung, das heißt der Volumenzuwachs, kann durch eine entsprechende Variation der Reaktionsparameter gesteuert werden. So kann die Konzentration des Verstärkungsagens in einer auf die fotoaktivierbare Schicht einwirkenden Lösung erhöht werden, es kann die Temperatur bei der Behandlung der fotoaktivierbaren Schicht mit dem Verstärkungsagens variiert werden oder es kann die Be handlungsdauer mit dem Verstärkungsagens entsprechend verändert werden, um die gewünschte Verstärkung einzustellen. Die geeigneten Bedingungen lassen sich vom Fachmann durch entsprechende Vorversuche leicht ermitteln. Die Reaktion des Verstärkungsagens mit den Gruppen des fotoaktivierbaren Materials in der fotoaktivierbaren Schicht ist diffusionskontrolliert. Dadurch verläuft der Volumenzuwachs durch die Einbindung des Verstärkungsagens auch langsam genug, um sie über die Verfahrensparameter exakt kontrollieren zu können.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Verstärkungsagens bevorzugt in einem Wasser enthaltenden Medium gelöst, welches eine Lösung oder Emulsion sein kann. Möglich ist auch ein rein wässriges Medium oder eine beliebige Wasser enthaltende Lösungsmischung, welche als weitere, mit Wasser mischbare Komponente, bevorzugt Alkohol enthält. Doch auch andere organische Lösungsmittel sind möglich. Das Verstärkungsagens kann dabei in dem Medium löslich sein. Es kann jedoch auch ein Verstärkungsagens verwendet werden, das in dem Medium nicht löslich ist. Das Verstärkungsagens wird dann in Form einer Emulsion eingesetzt.

Die Behandlung mit dem Verstärkungsagens kann auch in der Weise vorgenommen werden, dass das Verstärkungsagens in der Gasphase vorliegt. Eine gute Möglichkeit der Steuerung bietet sich dann vor allem über die Temperatur an, bei der die Behandlung durchgeführt wird, was natürlich auch für ein Verstärkungsagens im flüssigen Medium gilt. Steigende Temperatur beschleunigt die Verstärkung.

Die Anknüpfung des Verstärkungsagens an das fotoaktive Material gelingt schon, wenn lediglich eine funktionelle Gruppe des Verstärkungsagens mit einer reaktiven Gruppe des Fotoresists reagieren kann. Eine noch bessere Anbindung des Verstärkungsagens an den Fotoresist erfolgt jedoch, wenn das Verstärkungsagens zumindest zwei funktionelle Gruppen trägt.

So kann das Verstärkungsagens nicht nur lose angebunden werden, sondern kann durch eine "Zweipunktbefestigung" eine Vernetzung der Resiststruktur bewirken.

Weitere Forderungen an das Verstärkungsagens betreffen zum Beispiel dessen Löslichkeit in einem als Lösungsmittel verwendeten Medium. Es sollte entweder gut löslich oder zumindest gut emulgierbar sein, zum anderen soll aber bei guter Löslichkeit nicht auch die Löslichkeit der behandelten Resiststruktur heraufgesetzt werden. Dies erfordert eine Abwägung zwischen guter Handhabbarkeit des Agens (durch Leichtlöslichkeit) und den Eigenschaften der behandelten Resiststruktur (Unlöslichkeit). Diese Forderungen entfallen bei einer chemischen Behandlung aus der Gasphase.

Die Größe bzw. das Molekulargewicht des Verstärkungsagens kann beliebig klein sein, ist aber nach oben hin begrenzt. Je größer bzw. je schwerer das Verstärkungsagens ist, desto schwieriger gestaltet sich die Diffusion in eine Resiststruktur hinein. Eine gute Diffusionsfähigkeit des Verstärkungsagens ist jedoch nötig, um einen ausreichenden Zuwachs der Schichtdicke zu bewirken und damit die Detektion von nur schwach belichteten Bereichen zu ermöglichen. Je tiefer das Verstärkungsagens in die Resiststruktur eindiffundieren kann, um so mehr funktionelle Gruppen stehen ihm für eine Reaktion zur Verfügung und um so größer ist die erreichbare Verstärkung.

Als Verstärkungsagens kann eine große Vielzahl von Substanzen verwendet werden. Bevorzugte funktionelle Gruppen, die zur Reaktion mit der Resiststruktur bzw. mit den Basispolymeren des Fotoresists geeignet sind, sind beispielsweise aliphatische primäre oder sekundäre Aminogruppen. Besonders bewährt haben sich aromatenhaltige Diamine, zum Beispiel 1,3-Diaminomethyl-benzol und kettenförmige Dimethylsiloxane mit endständigen Aminopropyleinheiten und 1–50, vorzugsweise aber 2–12 Siliziumatomen pro Molekül. Solche Verstärkungsagentien werden zum Beispiel durch die allgemeine Strukturformeln G und H dargestellt.

wobei für H gilt: n = 0–50

Wird als fotoaktivierbares Material ein Copolymer aus Maleinsäureanhydrid und Styrol eingesetzt, so eignet sich 1,3-Diaminomethylbenzol besonders gut als Verstärkungsagens. Verstärkungsagentien der allgemeinen Strukturformel H eignen sich insbesondere wenn das fotoaktivierbare Material auf einem Copolymer aus Maleinsäureanhydrid und Allyltrimethylsilan beruht.

Weitere Beispiele für Verstärkungsagentien mit amino-funktionellen, aber auch mit anderen funktionellen Gruppen lassen sich durch die allgemeinen Strukturformeln I, K, L und M darstellen,

wobei für K gilt: m = 0–30, n = 0–3,
R³ = H, Alkyl, Aryl, Cycloalkyl,
und R⁴ =

Auch Silsesquioxane sind als Verstärkungsagens geeignet.

Besonders geeignet für das erfindungsgemäße Verfahren sind aliphatische Diaminosiloxane mit 1–50, bevorzugt mit 2–12 Siliziumatomen pro Molekül. Insbesondere bevorzugt sind bis-Amino-oligodimethylsiloxane mit 1–50, vorzugsweise 2–12 Siliziumatomen pro Molekül.

Beispiele für weitere geeignete Verstärkungsagentien werden durch die allgemeinen Strukturformeln E, F, S, U und T wiedergegeben.

Wobei die Reste R unabhängig voneinander für Alkyl, Aryl oder H stehen, und die übrigen allgemein angegebenen Reste die bereits erwähnte Bedeutung haben.

Für die weniger reaktionsfreudigen funktionellen Gruppen am Verstärkungsagens kann es von Vorteil sein, wenn dem Agens ein Katalysator beigemischt ist, der die Reaktion mit den funktionellen Gruppen des fotoaktivierbaren Materials der fotoaktivierbaren Schicht beschleunigt.

Besonders bevorzugt wird für die fotoaktivierbare Schicht ein sogenannter "chemical amplification resist" verwendet. Derartige Resists enthalten Moleküle mit säurelabilen Schutzgruppen, wie einer tert.-Butylgruppe. Das fotoaktivierbare Material enthält weiter eine durch Licht aktivierbare Säure (PAG "photo acid generator"). Wird durch die einfallende Belichtungswellenlänge aus der PAG ein Proton freigesetzt, wirkt dieses als Katalysator für die Abspaltung der tert.-Butylgruppen, die dabei in Isopren umgewandelt werden. Die einfallende Lichtmenge wird daher in ihrer Wirkung verstärkt, da ein einzelnes Proton zur Abspaltung mehrerer tert.-Butylgruppen führt. Durch die Abspaltung der tert.-Butylgruppen ändert sich die Polarität des Resists im belichteten Bereich stark, so dass sich auch die Diffusionsgeschwindigkeit und die Menge des eindiffundierenden Verstärkungsagens erhöht. Damit erhöht sich die Empfindlichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens. Bei Verwendung eines derartigen Photoresists ist es daher vorteilhaft, wenn nach der Erzeugung des latenten Bilds ein Kontrastierungsschritt durchgeführt wird, vorzugsweise durch eine Wärmebehandlung ("Baking").

In einer speziellen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die fotoaktivierbare Schicht nach der Erzeugung des latenten Bildes durch Belichtung und einer sich gegebenenfalls anschließenden Temperaturbehandlung zur Erhöhung des Kontrasts mit einem alkalischen Entwickler entwikkelt. Dabei werden diejenigen Bereiche aus der fotoaktivierbaren Schicht herausgelöst, auf die eine Belichtungsdosis eingewirkt hat, welche die Schwellendosis übersteigt. Diese Schwellendosis ist abhängig von der Art und der chemischen Formulierung des Fotolacks.

Bereiche der fotoaktivierbaren Schicht, auf die Licht einer geringeren Dosis als die Schwellendosis eingewirkt hat, bleiben nach der Entwicklung zunächst unsichtbar. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können nun auch diejenigen Bereiche im verbleibenden Resist sichtbar gemacht werden, auf die eine geringere Dosis als die Schwellendosis eingewirkt hat, da in diesen Bereichen das Verstärkungsagens bevorzugt eindiffundiert und eingebaut wird. Nach Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bilden sich diese Bereiche dann als Erhebungen auf der Oberfläche des Photoresists ab.

Um Fehler zu vermeiden, die durch Reflexion der einfallenden Schicht an der Oberfläche des Halbleitersubstrats oder an anderen, unterhalb der fotoaktivierbaren Schicht angeordneten Schichten verursacht werden, können vermieden werden, indem unter der fotoaktivierbaren Schicht eine Antireflexschicht auf dem Substrat aufgetragen wird. Geeignet sind hierbei sowohl Antireflexschichten aus anorganischem Material, wie beispielsweise Siliziumoxinitride, wie auch Antireflexschichten aus organischem Material. In der Antireflexschicht wird die einfallende Strahlung entweder absorbiert oder durch Interferenz ausgelöscht.

Eine besonders rasche und einfache Auswertung wird möglich, wenn zur Bestimmung des Zuwachses der Schichtdicke ein vergrößertes topografisches Abbild der Oberfläche der fotoaktivierbaren Schicht erzeugt wird. Ein solches Abbild der Topologie der behandelten Oberfläche der fotoaktivierbaren Schicht kann beispielsweise mittels Rasterelektronenmikroskopie oder Atomic-Force-Microscopy (AFM) erstellt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders für eine Verwendung bei der Entwicklung und Herstellung von Masken für die Herstellung von Mikrochips. Das latente Bild kann daher Strukturen mit einem Durchmesser von weniger als 10 μm, insbesondere im Submikrometerbereich umfassen, insbeson dere kann das latente Bild eine Abbildung eines elektronischen Schaltkreises sein.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine Beurteilung des Maskenlayouts unter Produktionsbedingungen. Zur Belichtung wird vorteilhaft eine monochromatische Strahlung verwendet, insbesondere Laserstrahlung. Zur Belichtung wird vorteilhaft eine Belichtungsstrahlung einer Wellenlänge von weniger als 500 nm verwendet, insbesondere eine Belichtungsstrahlung mit einer Wellenlänge von 436, 365, 157 oder 142 nm. Strahlungen der genannten Wellenlängen werden im Allgemeinen bei der Strukturierung von Mikrochips verwendet.

Das Verfahren ist an sich unabhängig von der Art des verwendeten Fotolacks, solange dieser eine Anbindung des Verstärkungsagens erlaubt. Besteht die fotoaktivierbare Schicht aus einem positiven Fotoresist, werden die belichteten Stellen durch chemische Nachbehandlung aufgedickt, so dass sich Abbildungsfehler als Erhebungen auf der fotoaktivierbaren Schicht abheben.

Wird ein negativer Fotolack verwendet, werden entsprechend die unbelichteten Stellen durch die chemische Nachbehandlung aufgedickt.

Um Verfälschungen der Ergebnisse des erfindungsgemäßen Verfahrens zu vermeiden, sollte nach Möglichkeit eine ideale, oder zumindest annähernd ideale Lichtquelle für die Belichtung des Photoresists und die Erzeugung des latenten Bildes verwendet werden.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung von Abbildungsfehlern von Fotomasken lassen sich sehr einfach Fehler im Layout der Fotomaske feststellen. Das Verfahren kann daher auch für die Optimierung des Layouts einer Fotomaske eingesetzt werden. Die Erfindung umfasst daher auch ein Ver fahren zur Optimierung des Layouts einer Fotomaske für die lithografische Strukturierung von Halbleitern, wobei Abbildungsfehler einer ersten Maske mit dem oben beschriebenen Verfahren bestimmt werden und unter Berücksichtigung der Abbildungsfehler eine zweite Maske erzeugt wird, die der ersten Fotomaske ähnlich ist, und keine oder zumindest geringere Abbildungsfehler aufweist.

Die Maßnahmen, die zur Optimierung des Layouts ergriffen werden, sind dem Fachmann an sich bekannt. So kann beispielsweise der Abstand zwischen zwei benachbarten belichteten Bereichen vergrößert werden, um so einer Addition der Sidelobes entgegen zu wirken. Bei komplexen Anordnungen der Elemente des Schaltkreises kann das Optimierungsverfahren so oft wiederholt werden, bis ein zuvor festgelegter maximaler Abbildungsfehler unterschritten ist.

Der Schichtdickenzuwachs durch die Behandlung der fotoaktivierbaren Schicht mit dem Verstärkungsagens gibt direkt die einwirkende Belichtungsdosis wieder. Die Erfindung umfasst daher auch ein Verfahren zur Bestimmung der lokalen Belichtungsdosis, wobei auf einem Substrat zumindest eine fotoaktivierbare Schicht aus einem fotoaktivierbaren Material erzeugt wird, durch Belichtung mit einer Belichtungsstrahlung ein latentes Abbild in der fotoaktivierbaren Schicht erzeugt wird, die fotoaktivierbare Schicht nach der Belichtung mit einem Verstärkungsagens behandelt wird, das lokal mit Komponenten des fotoaktivierbaren Materials unter Ausbildung zumindest einer chemischen Bindung reagiert, und nach der Behandlung mit dem Verstärkungsagens der Zuwachs der Schichtdicke der fotoaktivierbaren Schicht bestimmt wird.

Wie bereits weiter oben beschrieben, können auch bei diesem Verfahren verschiedene Modifikationen durchgeführt werden, um die Empfindlichkeit zu erhöhen. So kann auch bei diesem Verfahren ein zusätzlicher Kontrastierungsschritt, zum Bei spiel durch eine Wärmebehandlung, durchgeführt werden. Auch hier erfolgt die Auswertung vorteilhaft in der Weise, dass ein topografisches Abbild der Oberfläche mit Hilfe von Rasterelektronenmikroskopie oder AFM erstellt wird.

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
1 eine elektronenmikroskopische Aufnahme einer mit dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelten Substratoberfläche;
2 eine Simulation der Waferoberfläche mit Solid-C.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird im Allgemeinen in der Weise durchgeführt, dass das Substrat zunächst mit einem Fotolack durch Spin-Coating beschichtet wird. Die Fotolackschicht wird anschließend bei 60 bis 160°C, vorzugsweise 90 bis 140°C getrocknet. Nach dem Trocknen beträgt die Dicke der Fotolackschicht ungefähr 50 bis 3000 nm, vorzugsweise 200 bis 300 nm. Die Belichtung der Fotolackschicht erfolgt mit einer Belichtungsdosis von 1 bis 5000 J/m², vorzugsweise 200 bis 900 J/m². Ein gegebenenfalls zur Erhöhung des Kontrastes durchgeführter Temperaturschritt ("Baking") wird bei 60 bis 200°C, vorzugsweise 100 bis 150°C durchgeführt. Es kann sich dann ein Entwicklungsschritt mit einem alkalischen Entwickler anschließen. Ein dafür geeigneter Entwickler ist beispielsweise Tetramethylammoniumhydroxid in Wasser, wobei die Behandlungszeiten zwischen 20 und 80 Sekunden, vorzugsweise 30 und 60 Sekunden gewählt werden. Nach der Entwicklung schließt sich ein Spül- und ein Trockenschritt an. Auf die getrocknete Oberfläche der Probe wird anschließend eine Lösung des Verstärkungsagens im Puddle-Verfahren aufgebracht, wobei das Agens zwischen 20 und 120 Sekunden, vorzugsweise 30 und 60 Sekunden einwirkt. Nach erfolgter Behandlung mit dem Verstärkungsagens wird die Oberfläche durch Spülen gereinigt und erneut getrocknet. Die Auswertung der Topologie erfolgt anschließend im Rasterelektronenmikroskop oder im AFM.
Die in 1 dargestellte Probe wird wie folgt hergestellt: Ein 8''-Siliziumwafer wird mit einer 250 nm dicken anhydridhaltigen Fotolackschicht durch Spin-Coating und anschließendem Trocknen auf einer Hot Plate bei 130°C/60 s beschichtet. Anschließend erfolgt eine Belichtung dieser Schicht bei einer Wellenlänge von 248 nm mittels einer Halbton-Phasenmaske (6% attenuator), die unterschiedliche Lochstrukturen aufweist (Einzellöcher, Lochketten etc.). Als Belichtungsgerät wird ein Wafer-Stepper mit einer Optik verwendet, die eine numerische Apertur von 0,60 besitzt. Die Belichtungsdosis beträgt 820 J/m². Nach der Belichtung wird ein Temperschritt bei 130°C/90 s auf der Hot Plate durchgeführt und die Fotolackschicht mit einem 0,26 N Tetramethylammoniumhydroxyid-Standardentwickler im Puddle-Verfahren während 40 s entwickelt. Nach Spülung und Trocknung wird die Fotolackschicht mit einer Lösung aus 3 Gew.-% bis-Aminopropyloligodimethylsiloxan in 1-Hexanol im Puddle-Verfahren während 60 s silyliert. Nach Spülung und Trocknung wird die Schicht im Rasterelektronenmikroskop inspiziert.
1 zeigt einen Ausschnitt der wie oben beschrieben hergestellten und nachbehandelten Fotomaske. In die fotoaktivierbare Schicht 1 ist eine Doppelreihe von kreisförmigen Kontaktöffnungen 2 eingebracht. Seitlich neben den Reihen sind jeweils Erhebungen 3 zu erkennen, welche durch Streulicht erzeugt werden und als Sidelobes bezeichnet werden. Senkrecht zu den Reihen der Erhebungen 3 ist eine Erhebung 4 zu erkennen, die durch Addition der Sidelobes benachbarter Kontaktöffnungen erzeugt wird. Die starke Erhöhung der Schichtdicke deutet eine erhöhte Lichtintensität im latenten Bild an. Bei einem Einsatz dieses Maskenlayouts in der Pro duktion kann es an dieser Stelle zu einer Fehlstelle im Fotolack kommen. Um eine solche Gefahrstelle zu vermeiden, sollte das Layout der Maske daher an dieser Stelle geändert werden.
2a zeigt eine entsprechende Simulation der Intensitätsverteilung bei einer Abbildung der oben gezeigten Kontaktlochdoppelreihe. Benachbart zu den Reihen der Kontaktlöcher 2 sind wiederum parallel verlaufende Nebenmaxima 3 zu erkennen, welche als Sidelobes bezeichnet werden. Im Bereich 4 addiert sich die Intensität der Sidelobes, so dass an dieser Stelle eine erhöhte Belichtungsdosis auf den Fotoresist einwirkt, die zur unerwünschten Bildung von Fehlstellen im Fotolack führen kann. Ein Vergleich der 1 und 2 zeigt deutlich die Übereinstimmung in der Verteilung der lokalen Belichtungsdosis in Simulation und Experiment.
2b zeigt die Veränderung der lokalen Belichtungsdosis bei einer Veränderung des Layouts der Fotomaske. Zu diesem Zweck wurde unter den gleichen Bedingungen wie bei 2a die Intensitätsverteilung simuliert, wobei jedoch der Durchmesser der Kontaktöffnung 2a um 20 nm verkleinert wurde. Es zeigt sich ein deutlicher Intensitätsabfall im Zentrum der Öffnung und eine leichte Asymmetrie der überlappenden Nebenmaxima 4 zwischen den Kontaktlochketten.

Claims

Verfahren zur Bestimmung von Abbildungsfehlern von Fotomasken für die lithografische Strukturierung von Halbleitern, wobei die Fotomaske einen lichtdurchlässigen Bereich aufweist, welcher einem Maskenbild entspricht, wobei auf einem Substrat zumindest eine fotoaktivierbare Schicht aus einem fotoaktivierbaren Material aufgetragen wird, durch Belichtung mit einer Belichtungsstrahlung mit der Fotomaske ein latentes Abbild des Maskenbildes in der fotoaktivierbaren Schicht erzeugt wird, die fotoaktivierbare Schicht nach der Belichtung mit einem Verstärkungsagens behandelt wird, das lokal mit Komponenten des fotoaktivierbaren Materials unter Ausbildung zumindest einer chemischen Bindung reagiert, nach der Behandlung mit dem Verstärkungsagens der Zuwachs der Schichtdicke der fotoaktivierbaren Schicht bestimmt wird und Zuwächse der Schichtdicke außerhalb und/oder innerhalb des Abbildes des Maskenbildes bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei nach Erzeugung des latenten Bildes ein Kontrastierungsschritt durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Kontrastierungsschritt eine Wärmebehandlung ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das latente Bild entwickelt wird, indem nach der Belichtung und der Kontrastierung Teile der fotoaktivierbaren Schicht mit einem Entwicklungsagens entfernt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei unter der fotoaktivierbaren Schicht eine Antireflexschicht auf dem Substrat aufgetragen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei zur Bestimmung des Zuwachses der Schichtdicke ein vergrößertes to pografisches Abbild der Oberfläche der mit dem Verstärkungsagens behandelten fotoaktivierbaren Schicht erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das latente Bild Strukturen mit einem Durchmesser von weniger als 10 μm umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das latente Bild Strukturen mit einem Durchmesser im Submikrometerbereich umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das latente Bild eine Abbildung eines elektronischen Schaltkreises ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei zur Belichtung eine monochromatische Strahlung verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei zur Belichtung eine Laserstrahlung verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Belichtungsstrahlung eine Wellenlänge von weniger als 500 nm aufweist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Belichtungsstrahlung eine Wellenlänge von 436, 356, 157 oder 142 nm aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die fotoaktivierbare Schicht aus einem positiven Fotoresist besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die fotoaktivierbare Schicht aus einem negativen Fotoresist besteht.
Verfahren zur Optimierung des Layouts einer Fotomaske für die lithografische Strukturierung von Halbleitern, wobei Abbildungsfehler einer ersten Maske mit dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15 bestimmt werden und unter Berücksichtigung der Abbildungsfehler eine zweite Fotomaske erzeugt wird, die mit Ausnahme der berücksichtigten Abbildungsfehler mit der ersten Fotomaske identisch ist, und keine oder zumindest geringere Abbildungsfehler aufweist.
Verfahren zur Bestimmung der lokalen Belichtungsdosis, wobei auf einem Substrat zumindest eine fotoaktivierbare Schicht aus einem fotoaktivierbaren Material erzeugt wird, durch Belichtung mit einer Belichtungsstrahlung ein latentes Abbild in der fotoaktivierbaren Schicht erzeugt wird, die fotoaktivierbare Schicht nach der Belichtung mit einem Verstärkungsagens behandelt wird, das lokal mit Komponenten des fotoaktivierbaren Materials unter Ausbildung zumindest einer chemischen Bindung reagiert, und nach der Behandlung mit dem Verstärkungsagens der Zuwachs der Schichtdicke der fotoaktivierbaren Schicht bestimmt wird.