Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstel
lung einer Phasenmaske.
Zur Übertragung von Strukturen mit einer Auflösung bis herun
ter zu einigen 10 Nanometern auf Silizium-Wafer oder ähnli
cher Halbleiterprodukte werden zumeist Masken benutzt, auf
welchen die zu übertragende Struktur in binärer Form vor
liegt, z. B. durch lichtundurchlässiges Chrom verdeckte Lini
enbereiche auf einem ansonsten transparenten Trägermaterial,
im Regelfall Quarz. Bei mit optischen Wellenlängen durchge
führter Projektion werden die Masken durchleuchtet und die
Strukturen in identischer beziehungsweise verkleinernder Ab
bildung über ein Linsensystem auf die lichtempfindliche
Schicht eines Wafers gebracht. Bei zukünftigen Maskentechno
logien kommen allerdings auch Abbildungen über eine Reflekti
on an der Maskenoberfläche in Betracht.
Der Trend hin zu immer kleineren Strukturgrößen auf dem Wafer
stellt sich ständig erhöhende Anforderungen an die Technolo
gien der Maske bzw. des Retikels bei verkleinernder Projekti
on, das Projektionssystem mit einer möglicherweise vorhande
nen Linsenaberration, die verwendeten Beleuchtungstechniken
oder die Numerische Apertur. Geeignete Techniken hierzu wir
ken sich nämlich positiv auf den Koeffizienten in dem anson
sten linearen Zusammenhang zwischen auflösbarer Strukturbrei
te und verwendeter Wellenlänge der Projektion aus.
Bei den Masken sucht man dieses durch Verwendung von Phasen
masken zu erzielen. Dabei wird durch Einbringung eines Pha
senkontrastes z. B. an Strukturkanten der betreffende Struk
turkontrast durch Interferenzeffekte wesentlich erhöht. Be
kannt sind eine Reihe von Typen von Phasenmasken, welche sich
durch die Art der Aufbringung des Phasenhubes sowie der
Strukturbildung unterscheiden.
Bei den sogenannten Halbtonphasenmasken (englisch: embedded/
attenuated phase shift masks) befinden sich auf dem transpa
renten Trägermaterial am Ort der zu strukturierenden Linien
anstelle der bei herkömmlichen Chrom-On-Glas-Masken (COG)
vorhandenen Chromstege teildurchlässige Stege eines phasen
schiebenden Materials, z. B. Molybdän-Silizium. Die Dicke
solcher Bereiche wird derart gewählt, daß eine Phasenver
schiebung um circa 180 Grad zur Auslöschung der Lichtbeiträge
benachbarter Bereiche an den Kanten erreicht wird. Zur Her
stellung solcher Halbtonphasenmasken wird eine anfänglich auf
dem Quarzrohling und der phasenschiebenden Schicht (z. B. Mo-
Si) liegende Chromschicht in einem ersten Schritt, auch erste
Ebene genannt, an jenen Stellen frei geräumt, an denen auch
das darunterliegende phasenschiebende Material abgeätzt wer
den soll. In einem weiteren Schritt, der zweiten Ebene, wird
dann später die verbleibende Chromschicht abgetragen, so daß
sich die darunterliegende Struktur im stehengebliebenen teil
durchlässigen, phasenschiebenden Material abbildet. Abhängig
von der Projektionslichtwellenlänge werden üblicherweise be
schichtete Rohlinge mit einer 4-8%igen Lichtdurchlässigkeit
in der phasenschiebenden Schicht ausgeliefert.
Während im Chipbereich die Chrombedeckung bei den Halbtonpha
senmasken weitgehend abgetragen wird, werden bei den Dreiton-
Phasenmasken (englisch: tritone phase shift masks) Chromflä
chen zusätzlich zur Strukturbildung im Chip eingesetzt. Dar
über hinaus gibt es auch sogenannte Mehr-Level-Phasenmasken
mit einer höheren Anzahl strukturierter Ebenen.
Auch bei den alternierenden Phasenmasken (englisch: Alterna
ting phase shift masks, auch Levenson type genannt) werden
Chrombereiche zur Strukturbildung auf der Maske belassen. Der
Phasenhub wird hier durch eine Ätzung des Trägermaterials,
typischerweise Quarz, erreicht, mit welchem die zwischen den
Chromstegen liegenden transparenten Bereiche abwechselnd be
arbeitet werden. Alternierende Phasenmasken eignen sich daher
besonders für nahe an der Auflösungsgrenze liegende Struktu
rierungsprobleme mit dichten, gitterartigen Strukturen.
Bei den chromlosen Phasenmasken als eigenem Typ wird ausge
nutzt, daß an der Kante zwischen zwei lichtdurchlässigen Be
reichen verschiedenen Phasenhubes - insbesondere 180 Grad -
eine Auslöschung mit einem hohen Intensitätskontrast gegen
über den umgebenden Bereichen erreicht werden kann. Durch ei
ne sehr dicht aneinanderliegende Strukturkantenätzung können
so auch Strukturen oberhalb der Auflösungsgrenze ohne innere
Lichtdurchlässigkeit erzeugt werden.
Eine weitere Form stellen die sogenannten Rim-Masken (eng
lisch, Saum) dar, bei welchen ein solch kontrasterhöhender
Saum um Chromstrukturen herumgelegt wird.
Der Einsatz von Phasenmasken liegt im Bereich hochwertiger,
hochauflösender Masken, deren Qualität den Mehraufwand bei
der Herstellung, d. h. der Strukturierung von wenigstens zwei
Ebenen, dem in der Regel teureren Rohmaterial und der präzi
seren Prozeßtechnik rechtfertigen. Daher kommen für die Be
lichtung von Phasenmasken - vor allem den alternierenden Pha
senmasken für die Abbildung minimalster Strukturen auf einen
Wafer zunehmend die derzeit auf dem Gebiet lithographischer
Belichtungstechniken einen rasanten Fortschritt erzielenden
Elektronenstrahlschreibgeräte zum Einsatz. Im Falle der al
ternierenden Phasenmasken werden insbesondere bei der Struk
turierung der zweiten Ebenen bei weiter abnehmenden Spezifi
kationstoleranzen kaum mehr Laserbelichtungsgeräte in der Zu
kunft zum Einsatz kommen, welches natürlich auch für die er
ste Ebene gelten wird. Bei alternierenden Phasenmasken werden
in der ersten Ebene die nicht transparenten Bereiche, d. h.
die Chromstege, definiert, während in der zweiten Ebene aus
den transparenten Bereichen mittels Laser- oder Elektronen
strahllithographie jene herausgearbeitet werden, welche mit
einem Phasenhub in einer Ätzung versehen werden sollen.
Eine derartige Strukturierungsreihenfolge führt dazu, daß in
der ersten Ebene einzelne Chromstege isoliert auf dem Träger
material stehen bleiben. Bei der Belichtung der schmalen zwi
schenstehenden Bereiche in der zweiten Ebene mittels eines
Elektronenstrahls kommt es daher zu Aufladungseffekten in den
isolierten Chromstrukturen, da von diesen die Ladung nicht
zeitgerecht abfliesen kann. Auf nachteilhafte Weise kann der
Elektronenstrahl deshalb in der Nähe solch geladener Chrom
strukturen um einige Nanometer abgelenkt oder aufgeweitet
werden, welches bei Lagegenauigkeits- und strukturbreiten To
leranzen von etwa 10 nm oder kleiner zum Ausfall der Maske
führen kann. Darüber hinaus ist es möglich, daß Ausbrüche
durch ESD-Entladungen (elektrostatische Ausbrüche) zu einer
Zerstörung der Schaltungsstruktur führen. Während der Fall
bei Masken mit geringeren Anforderungen an die Spezifikati
onstoleranzen aufgrund der dazu verwendeten Laserlithogra
phieverfahren nicht auftritt, gibt es für Phasenmasken mit
nahe an der Auflösungsgrenze liegenden Toleranzen an Struk
turbreite und Lagegenauigkeit zwei ähnliche Verfahren, mit
denen das Problem bei der Elektronenstrahllithographie zu lö
sen versucht wird: in beiden Fällen wird zunächst der Lack
für die zweite Ebene aufgetragen, wonach im ersten Fall ein
Metall aufgedampft wird, und im zweiten Fall ein leitfähiges
Polymer aufgetragen wird. Beide Schichten dienen dem Ladungs
abtransport der durch den Elektronenstrahl aufgebrachten La
dungen auf die Maskenoberfläche.
Diese Verfahren haben allerdings den erheblichen Nachteil,
daß vor allem durch Partikelgenerierung die Defektproblematik
erhöht wird und anderseits die Strukturintegrität nachteil
haft beeinflußt wird.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Her
stellungsverfahren für Phasenmasken anzubieten, bei dem die
Ablenkung von Strahlen ladungsbehafteter Teilchen, z. B. Elek
tronenstrahlen zur Belichtung ladungsempfindlicher Schichten
auf der Maske, auf Grund von Aufladungseffekten an isolierten
Strukturen auf dem Maskenträgermaterial verhindert werden
soll.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung
einer Phasenmaske mit Strukturen, umfassend die Schritte: Be
reitstellung eines wenigstens mit einer Chromschicht in einer
Dicke beschichteten, transparenten Trägermaterials mit einer
darauf befindlichen photo- oder ladungsempfindlichen Schicht,
erste Strukturierung der photo- oder ladungsempfindlichen
Schicht mittels eines Strahles aus Laserlicht oder ladungsbe
hafteter Teilchen, Übertragung der Struktur in die Chrom
schicht mittels eines ersten Ätzschrittes, Aufbringen einer
weiteren ladungsempfindlichen Schicht, zweite Strukturierung
der weiteren ladungsempfindlichen Schicht mittels eines
Strahles ladungsbehafteter Teilchen, Übertragung einer in der
zweiten Strukturierung gebildeten Struktur in eine unter der
Chromschicht liegende Schicht in einem weiteren Ätzschritt,
dadurch gekennzeichnet, daß der erste Ätzschritt bis zu einer
ersten Tiefe durchgeführt wird, so daß ein Rest der Chrom
schicht mit verminderter Dicke unter der eingeätzten Struktur
verbleibt.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich vor allem auf eine An
wendung im Bereich alternierender Phasenmasken. Eine Anwen
dung bei Halbton- oder Dreiton-Phasenmasken oder allgemein
bei Phasenmasken mit isolierten Strukturen aus leitenden Ma
terial auf nicht leitendem Trägermaterial ist ebenso möglich.
Insbesondere können anstatt Chrom bzw. einer Chromschicht
auch Molybdän-Silizium in Verbindung mit einer Chromschicht
oder gleichwertige Materialien erfindungsgemäß behandelt wer
den.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nach der Struktu
rierung der ersten Ebene in der photo- oder ladungsempfindli
chen Schicht - je nachdem ob eine Laserstrahl -, Elektronen
strahl- oder Ionenstrahlbelichtung durchgeführt werden soll -
nicht wie herkömmlich ein Ätzverfahren mit Endpunkterkennung
z. B. aus Spektralphotometrie angeregter Chromzustände oder
aus geändertem Reflektionsverhalten eines gerichteten Laser
strahles angewandt, sondern es wird der Chrom -Ätzschritt vor
dem Durchbruch auf das unterliegende Material, z. B. Quarz,
abgebrochen. Durch den vorzeitigen Abbruch des Ätzschrittes
wird eine dünne Schicht des Chrommaterials zwischen den an
sonsten möglicherweise isoliert stehenden Chrombereichen zu
rückgelassen.
Durch den vorzeitigen Abbruch des ersten Chrom-Ätzschrittes
befindet sich also ganzflächig wenigstens eine dünne Chrom
schicht auf dem Trägermaterial, so daß zu Beginn der Struktu
rierung der zweiten Ebene, d. h. der zweiten Belichtung mit
einem Strahl ladungsbehafteter Teilchen - insbesondere einem
Elektronenstrahl - unter der ladungsempfindlichen Schicht ei
ne durchgehenden ladungstransportfähige dünne Schicht vorhan
den ist. Diese kann, wie eingangs erwähnt, aus Chrom - aber
auch aus Molybdän-Silizium, etc. - bestehen. Dadurch findet
vorteilhaft nur vermindert oder garnicht ein akkumulierender
Aufladungseffekt statt und der Strahl ladungsbehafteter Teil
chen wird nicht abgelenkt oder aufgeweitet.
Als Strahl ladungsbehafteter Teilchen kommt erfindungsgemäß
nicht nur ein Elektronenstrahl sondern auch moderne Technolo
gien von Ionenstrahlen in Betracht. Als Strukturierung der
ersten bzw. zweiten Ebene wird in den Ansprüchen das Belich
tungsverfahren mittels Elektronen- oder Ionenstrahles be
zeichnet, wobei erfindungsgemäß die erste Ebene auch durch
einen Laserstrahl oder andere Belichtungstechniken struktu
riert worden sein kann. Die landungsempfindliche Schicht be
zeichnet jede Schicht, welche mittels geladener Teilchen
ortsabhängig aktiviert bzw. chemisch umgewandelt werden kann,
um gegebenenfalls nach einer Entwicklung und anschließender
selektiver Ablösung zu einer Lackmaske für einen folgenden
Ätzprozeß zu dienen.
Ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung entsteht
dadurch, daß zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfah
rens kein zusätzlicher Abscheide-, Belichtungs- oder neuarti
ger Ätzprozeß durchgeführt werden muß. Es sind lediglich zwei
kurze zusätzliche Chromätzprozesse angezeigt, wie in weiteren
Aspekten noch beschrieben wird.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die erste
Chrom-Ätztiefe durch eine vorab definierte erste Zeitdauer
der Ätzung festgelegt. Durch diese Maßnahme wird sicherge
stellt, daß in einem im wesentlichen wiederholbaren Verfahren
immer wieder eine im Wesentlichen gleich dicke Chromschicht
in den zu strukturierenden Bereichen übrig gelassen wird. Ge
mäß einer weiteren Ausgestaltung liegt diese Dicke vorzugs
weise zwischen 5 und 20 Nanometern. Aus einer anfänglichen
Chromschichtdicke von 100 Nanometern - zukünftige Maskenroh
linge hoher Spezifikation umfassen voraussichtlich Dicken von
nur noch 70 Nanometern - ist bei vorgegebener Zeit und kon
stanter Ätzgeschwindigkeit heute schon eine derartige Genau
igkeit erreichbar.
Die Zeitsteuerung wird vorzugsweise vorab experimentell be
stimmt und definiert. Im wesentlichen bestimmt sie sich aus
der genannten anfänglichen Chromdicke und der Ätzgeschwindig
keit. Die Homogenität und Isotropie bzw. Anisotropie des Ätz
prozesses über eine Maske müssen dabei ebenfalls berücksich
tigt werden. Kriterien für die zu erzielende Chromdicke der
verbleibenden Schicht im strukturierten Bereich sind eine
ausreichende Leitfähigkeit, welche an Intensität und Durch
messer des Elektronen bzw. Ionenstrahls angepaßt sein müssen,
sowie die optische Durchsichtigkeit um zwischen einzelnen
Prozeßschritten - insbesondere zwischen den ebenen Belichtun
gen-Metrologie- und Defektinspektionen durchführen zu kön
nen. Dadurch ist gewährleistet, daß gegebenenfalls Reparatu
ren an den Strukturen durchgeführt werden können, z. B. Auf
bringen von Chrom.
Die Genauigkeit für die Bildung einer Rest-Chromdicke bei
Ätzung gemäß einer Zeitkontrolle beträgt bei derzeit verwen
deten hochqualitativen Ätzapparaten etwa 5 Nanometer.
In einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung
wird nach Strukturierung der zweiten Ebene, d. h. der zweiten
Belichtung mittels Elektronen- oder Ionenstrahls, ein Chrom-
Ätzschritt durchgeführt, welcher in den strukturierten Berei
chen der zweiten Ebene die verbliebene reduzierte Chrom
schicht abätzt. In einer vorzugsweise alternierende Phasen
masken betreffenden weiteren Ausgestaltung wird auch dieser
Ätzschritt zeitgesteuert ausgeführt, um vorteilhafterweise
keine unsicheren Signale auf Grund der in diesem Fall inner
halb der Strukturlöcher der noch bestehenden Lackschicht her
vorragenden Chromkanten der vollen, anfänglichen Chromdicke
zu erhalten. Die Zeitdauer dieser zweiten Chromätzung wird
bei gleichem Ätzprozeß wie beim ersten Ätzschritt im wesent
lichen proportional zur ersten Zeitdauer sein.
In einer weiteren Ausgestaltung wird nach Beendigung der
Strukturierung der zweiten Ebene, des anschließenden zweiten
Chromätzschrittes, des anschließenden Quarzätzens, sowie dem
Entfernen der ladungsempfindlichen Schicht eine vollflächige
Chromentfernung mit einem Dickenabtrag, welcher genau der
Rest-Chromdicke entspricht, durchgeführt. Dadurch wird in dem
zwischen den Chromstegen existierenden Gräben der Durchbruch
zum Trägermaterial erreicht, z. B. dem Quarz, während sich
auf Grund des niedrigen, vorzugsweise 5-20 nm betragenem
Chromdickeabtrags an der Lichtundurchlässigkeit der Chromste
ge bzw. -flächen nichts ändert. Bei 100 nm betragender an
fänglicher Chromdicke würden anschließend wenigstens 80 nm an
Chromdicke in den Chromflächen überbleiben.
Nach Ausführung des dritten Chromätzschrittes ist daher mit
Ausnahme der vernachlässigbar erniedrigten Chromdicke in den
Chromflächen auf vorteilhafte Weise kein Unterschied gegen
über der konventionellen Herstellung insbesondere der alter
nierenden Phasenmasken festzustellen. Dem gegenüber ergibt
sich im Verfahrensablauf der Vorteil, daß durch die verhin
derte Aufladung isolierter Chrombereiche eine Ablenkung des
geladenen Teilchenstrahls vermieden und damit eine höhere Ge
nauigkeit bei der Strukturierung der Masken erreicht wird.
Weitere Ausgestaltungen und Vorteile ergeben sich aus den ab
hängigen Ansprüchen.
Die vorliegende Erfindung soll nun in Ausführungsbeispielen
anhand von Figuren näher erläutert werden. Dabei zeigt
Fig. 1 an Hand eines Querschnittes durch eine alternieren
de Phasenmaske den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens
mit den Schritten: Belichtung der ersten Ebene (a), erster
Chrom-Ätzschritt mit verbleibender Rest-Chromdicke (b), Be
lackung und Belichtung der zweiten Ebene (c), Entwicklung der
zweiten Ebene (d),
Fig. 2 an Hand der gleichen Maske wie in Fig. 1 beispiel
haft erfindungsgemäße Folgeprozeßschritte: Zweiter Chrom-
Ätzschritt (a), Quarzätzen (b), Lackablösung (c), vollflächi
ger Chrom-Ätzschritt (d).
Als Beispiel sind in Fig. 1 die wesentlichen Prozeßschritte
zur erfindungsgemäßen Herstellung einer alternierenden Pha
senmaske bis zur Belichtung und Entwicklung der zweiten Ebene
dargestellt. Ein mit einer Chromschicht 2 der anfänglichen
Chromdicke 21 und einer darüberliegenden ladungsempfindlichen
Lackschicht 3 beschichteter Quarzrohling bzw. -blank als
transparentes Trägermaterial 1 wird mittels eines eine Lini
en- und Spaltenstruktur zeichnenden Elektronenstrahls 4 be
lichtet, wie in der Querschnittabbildung der Fig. 1a zu se
hen ist. Nach dem Entwickeln wird ein erster Chrom-Ätzschritt
durchgeführt, bei dem nach einer vorab bestimmten, definier
ten Zeitdauer der Ätzvorgang beendet wird. Die Zeitdauer wur
de für das hier verwendete Plasmaätzgerät und Rohlinge mit
einer anfänglichen Chromdicke 21 von 100 nm experimentell
derart bestimmt, daß nach dem ersten Chromätzschritt eine
verbleibende Rest-Chromdicke 22 von 10 nm auf dem Quarzmate
rial 1 in den eingeätzten Spalten vorliegt (Fig. 1b).
Die Maske wird anschließend mit einer ladungsempfindlichen
Lackschicht 3 neu belackt und mittels eines Elektronenstrahls
5 in den Spalten belichtet, in welchen später durch Quarzät
zen ein Phasenhub implementiert werden soll (Fig. 1c).
Durch die am Boden der Spalten vorhandene Restchromschicht
220, welche nach dem ersten Chromätzschritt mit der Chrom-
Ätztiefe 23 verblieben war, und welche die stehengebliebenen,
nicht belichteten Chromstege leitend verbindet verhindert da
bei ein Ablenken des Elektronenstrahls durch aufgeladene,
isolierte Chromstrukturen.
Nach der Belichtung der zweiten Ebene wird wieder entwickelt,
so daß die für das Quarzätzen selektierten Spalten frei lie
gen (Fig. 1d).
Zur weiteren Prozeßführung können die beispielhaft in Fig. 2
gezeigten Schritte durchgeführt werden. Zur Beseitigung der
Rest-Chromschicht 220 am Boden der für das Quarzätzen freige
legten Spalten wird ein zweiter Chrom-Ätzschritt durchge
führt, welcher z. B. zeitgesteuert gerade die Rest-Chromdicke
22 von 10 nm abätzt, wobei auch die nach Belichtung der zwei
ten Ebene in den Spalten hervorstehenden Chromkanten im Ani
sotropenplasma-Ätzschritt um 10 nm zu einer kleinen Chromstu
fe 221 abgeätzt werden., wie in Fig. 2a zu sehen ist.
Darauffolgend wird der Quarz-Ätzschritt durchgeführt (Fig.
2b). Nach Ablösen der ladungsempfindlichen Lackschicht 3-oben
(Fig. 2c), wird wiederum ein dritter Chrom-Ätzschritt durch
geführt, welcher der Entfernung der Rest-Chromschicht 222 in
den nun freigelegten, nicht quarzgeätzten Spalten vorhanden
ist. Die Chrom-Ätztiefe von 10 nm entspricht damit in etwa
der Zeitdauer des zweiten Chrom-Ätzschrittes. Dieser Schritt
wird vollflächig ausgeführt, d. h. von allen Stromstrukturen
werden 10 nm abgenommen, welches aber für die Lichtundurch
lässigkeit der Chromstege keine nennenswerten Folgen hat.
Letztendlich haben die Chromstege eine Höhe von 90 nm, die
davon zu den quarzgeätzten Spalten zugewandeten Chromstufen
221 eine Höhe von 80 nm (Fig. 2d).
Zwischen den Prozeßschritten, insbesondere zwischen den bei
den Ebenenbelichtungen gemäß Fig. 1a und c werden wiederholt
Kontrollschritte durchgeführt, d. h. Metrologie-Schritte zur
Messung von Strukturbreiten bzw. der Lagegenauigkeit sowie
verschiedene Typen von Defektinspektionen, darunter auch mit
SEM oder AFM. Gegebenenfalls werden auch Reparaturen durchge
führt. Die Inspektionen sind möglich, da im durch das Quarz
blank fallende Gegenlicht die Rest-Chromdicke 22 dünn genug
ist, um das Licht durchzulassen bzw. der Kontrast zwischen
dem hochreflektiven, dünnen Chrom und der auf dem nicht ge
ätzten Chrom verbliebenen, reflexionsvermindernden Schicht
hoch genug ist.
Nach dem dritten Chrom-Ätzschritt kann wie bei der konventio
nellen Herstellung mittels Dual-trench-Verfahrens ein Ab
gleich der Beiträge von Lichtintensitäten der Quarzgräben und
der bisher noch nicht phasenschiebenden Gräben bzw. Spalten
durchgeführt werden. Dabei können weitere Quarz-Ätzschritte
erfolgen. Üblicherweise folgen anschließend Inspektionen,
ggf. Reparaturen und die Pelliclemontage.