DE102004012240A1

DE102004012240A1 - Verfahren zur Herstellung einer Lochmaske zur lithographischen Strukturierung mittels geladener Teilchen, Lochmaske zur lithographischen Strukturierung eines Halbleiterwafers mittels geladener Teilchen sowie der Verwendung

Info

Publication number: DE102004012240A1
Application number: DE200410012240
Authority: DE
Inventors: Frank-Michael Dr. Kamm
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Qimonda AG
Priority date: 2004-03-12
Filing date: 2004-03-12
Publication date: 2005-10-13
Anticipated expiration: 2024-03-13
Also published as: DE102004012240B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Lochmaske zur lithographischen Strukturierung mittels geladener Teilchen sowie eine Lochmaske und deren Verwendung. Gemäß der Erfindung wird ein Maskenrohling mit einem Substrat (12) und einer Ätzstoppschicht (14), die auf einer Oberseite (16) des Substrats (12) aufgebracht ist, über der Ätzstoppschicht (14) mit einer Membranschicht (18) versehen. Die Membranschicht (18) wird innerhalb eines ersten Bereichs (20) entsprechend eines Musters strukturiert, wobei das Substrat (12) und die Ätzstoppschicht (14) im ersten Bereich (20) freigelegt werden. Damit erhält man eine Membran, die aus der strukturierten Membranschicht (18) besteht und im Außenbereich von dem Substrat (12) mechanisch unterstützt wird. Das Verfahren erlaubt die Herstellung einer Lochmaske unter Verwendung kommerzieller Maskenrohlinge und kommerzieller Herstellungsgeräte.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Lochmaske zur lithographischen Strukturierung mittels geladener Teilchen. Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine Lochmaske zur lithographischen Strukturierung eines Halbleiterwafers mittels geladener Teilchen, sowie ein Verfahren zur Verwendung der Lochmaske zur Strukturierung eines Halbleiterwafers mittels Teilchenlithographie.
Zur Herstellung integrierter Schaltungen werden üblicherweise auf Halbleiterwafern mit verschiedenen elektrischen Eigenschaften versehene Schichten aufgebracht und jeweils lithographisch strukturiert. Ein lithographischer Strukturierungsschritt kann darin bestehen, eine Resist-Schicht aufzutragen, diese mit einer gewünschten Struktur für die betreffende Ebene zu belichten und zu entwickeln sowie anschließend die somit entstandene Resist-Maske in die unterliegende Schicht in einem Ätzschritt zu übertragen.
Im Zuge der immer kleiner werdenden Strukturauflösungen bei der Herstellung von integrierten Schaltungen wachsen auch die Anforderungen an das Auflösungsvermögen bei der lithographischen Projektion. Es ist zu erwarten, dass die gegenwärtig vorherrschende optische Lithographie in Zukunft durch andere Techniken ersetzt werden wird. Bei der optischen Lithographie werden zur Zeit Wellenlängen von 193 nm verwendet, was die Strukturauflösung bei der Lithographie auf etwa 60 nm limi tiert. Die Begrenzung der Strukturauflösung hängt zum einen damit zusammen, dass das Limit der gerade noch abzubildenden kleinsten Struktur proportional zur Wellenlänge des Lichts ist. Darüber hinaus wird die Qualität der Abbildung auch zunehmend durch kleine Prozessfenster eingeschränkt. So ist z. B. der zulässige Tiefenschärfenbereich ebenfalls proportional zur Wellenlänge des Lichts.
Um in der optischen Lithographie das Prozessfenster zu erhöhen, wurden in den letzten Jahren neuartige Konzepte entwickelt, wie z. B. Phasenmasken oder Projektionsapparate mit Schrägbeleuchtung. Des Weiteren ermöglichten bestimmte Maßnahmen beim Schaltungsentwurf, wie z. B. die so genannte OPC-Korrektur (Optical Proximity Correction), eine weitere Verbesserung des Prozessfensters. Es ist jedoch abzusehen, dass die optische Lithographie, zumindest für sehr kritische Schaltungsebenen, in der nächsten oder übernächsten Generation von Herstellungsprozessen für integrierte Schaltungen an eine Grenze stoßen wird.
In der Vergangenheit wurden deshalb neuartige lithographische Apparate diskutiert, die sowohl eine verbesserte Strukturauflösung als auch eine größere Tiefenschärfe aufweisen. Neben der Röntgenlithographie und der Lithographie im extrem kurzwelligen Bereich bis hin zu weicher Röntgenstrahlung (auch als EUV-Lithographie bekannt, wobei EUV für extrem ultraviolett steht) ist hier vor allem die Elektronenstrahl- oder Ionenstrahl-Lithographie zu nennen. Elektronen- bzw. Ionenstrahlen können mit Hilfe von elektrischen und/oder magnetischen Feldern fokussiert und abgelenkt werden. Sie eignen sich daher sowohl für das direkte Schreiben auf eine elektronenstrahlempfindliche Resist-Schicht, als auch für die Anwendung in einem Belichtungsgerät, das eine Projektionsoptik aufweist. Beim direkten Schreiben mittels eines Teilchenstrahls (Kontakt-Lithographie oder Proximity-Lithographie) kann dabei von Erfahrungen ausgegangen werden, die bereits bei der Maskenherstellung entwickelt wurden. Belichtungsgeräte, die mit einem Strahl geladener Teilchen eine Projektions-Lithographie oder Proximity-Lithographie durchführen, weisen insbesondere bei Strukturauflösungen kleiner als 100 nm eine sehr gute Abbildungsqualität und ein sehr hohes Prozessfenster auf.
Bei der Teilchenlithographie wird das gewünschte Muster mittels einer Lochmaske auf die Oberfläche des Halbleiterwafers übertragen. Die Lochmaske (auch Schablonenmaske oder Stencil-Maske genannt) weist eine Membranschicht auf, die entsprechend des Schaltungsmusters strukturiert wird. Folglich werden Teilchen, die auf die Strukturelemente der Membranschicht treffen, von dieser absorbiert. Üblicherweise werden die benötigten Lochmasken auf der Basis von Halbleiterwafern, z. B. SOI-Wafern, realisiert. Es sind auch andere, meistens waferbasierte Schichtaufbauten bekannt, die beispielsweise eine Diamantmembran einsetzen. Die Lochmasken für die Lithographie mit geladenen Teilchen unterscheiden sich üblicherweise bezüglich ihrer Abmessungen und den verwendeten Materialien von den bisher bekannten Masken für die optische Lithographie. Dadurch erfordert die Herstellung der Lochmasken eine völlig neue Infrastruktur und neuartige Herstellungsverfahren. Das Herstellen dieser Lochmasken ist jedoch mit hohen Kosten verbunden, aufgrund der vielen neuartigen und aufwändigen Herstellungsschritten können sich auch Probleme bezüglich der Gutausbeute und der Qualität der fertiggestellten Lochmasken ergeben.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer Lochmaske zur lithographischen Strukturierung mittels geladener Teilchen anzugeben, das eine einfache und kostengünstige Herstellung einer Lochmaske ermöglicht, sowie eine Lochmaske bereitzustellen, die einfach und kostengünstig realisierbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren zur Herstellung einer Lochmaske zur lithographischen Strukturierung mittels geladener Teilchen gelöst, bei dem folgende Schritte ausgeführt werden:

– Bereitstellen eines Maskenrohlings mit einem Substrat und einer Ätzstoppschicht, wobei die Ätzstoppschicht auf einer Oberseite des Substrats aufgebracht ist;
– Aufbringen einer Membranschicht über der Ätzstoppschicht;
– Bereitstellen eines flächenhaften Musters, das innerhalb eines ersten Bereichs angeordnete Strukturelemente aufweist;
– Übertragen des Musters in die Membranschicht;
– Entfernen der Membranschicht in denjenigen Gebieten, die in der Membranschicht den Strukturelementen des Musters entsprechen;
– Entfernen des Substrats im ersten Bereich, sodass die Ätzstoppschicht im ersten Bereich freigelegt wird; und
– Entfernen der Ätzstoppschicht im ersten Bereich, um die Membranschicht freizulegen.

Der Kern des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Lochmaske liegt im Schichtaufbau des verwendeten Maskenrohlings. Der Maskenrohling umfasst eine Membranschicht, eine Ätzstoppschicht und ein Substrat. Die abzubildenden Strukturen werden in der Membranschicht definiert. Diejenigen Gebiete in der Membranschicht, die den Strukturelementen des Mus ters entsprechen, werden selektiv zur Ätzstoppschicht entfernt. Zur Definition der Membranschicht wird das Substrat und die Ätzstoppschicht im Bereich der Strukturelemente des Musters entfernt, sodass eine freistehende Membranschicht verbleibt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Schritt des Übertragens des Musters in die Membranschicht:

– Aufbringen einer Resistschicht auf die Membranschicht;
– Bestrahlen der Resistschicht entsprechend des Musters mit einem optischen Maskenschreiber oder einem Elektronstrahl-Maskenschreiber oder einem Ionenstrahl-Maskenschreiber; und
– Entwickeln der Resistschicht, um die Membranschicht in denjenigen Gebieten freizulegen, die den Strukturelementen des Musters entsprechen.

Gemäß dieser Vorgehensweise umfasst das Übertragen des Musters in die Membranschicht die photolithographische oder teilchenlithographische Strukturierung einer Resistschicht, die auf die Membranschicht aufgebracht wird. Diese Verfahrensschritte sind bei der Herstellung lichtoptischer Masken weit verbreitet, was eine kostengünstige Herstellung einer Lochmaske gemäß der Erfindung unter Verwendung konventioneller Technologien und Geräte erlaubt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird beim Schritt des Bereitstellen des Maskenrohlings für das Substrat Quarz verwendet.
Maskenrohlinge aus Quarz, wie z. B. Siliziumdioxid, sind in der Technik weit verbreitet. Gemäß dieser Vorgehensweise lassen sich kostengünstige Lochmasken herstellen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der Schritt des Bereitstellens des Maskenrohlings so ausgeführt, dass das Substrat des Maskenrohlings eine Abmessung von ungefähr 152 mm Länge, 152 mm Breite und 6,35 mm Höhe aufweist.
Gemäß dieser Vorgehensweise kann ein Maskenrohling eingesetzt werden, der in einem in der Technik bekannten und weit verbreiteten Format vorliegt. Das Format des Maskenrohlings entspricht dabei im wesentlichen der weit verbreiteten Größe von 6 inch Breite × 6 inch Länge × 0,25 inch Höhe. Dies ist eine Standardgröße bei der Herstellung lichtoptischer Masken.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird beim Schritt des Bereitstellens des Maskenrohlings für die Ätzstoppschicht eine Metallschicht, vorzugsweise aus Chrom, verwendet.
Maskenrohlinge, die eine Chromschicht aufweisen, werden insbesondere in Verbindung mit einem Substrat aus Quarz häufig für Masken zur optischen Lithographie verwendet. Gemäß dieser Vorgehensweise wird die Lochmaske zur Teilchenlithographie unter Verwendung bekannter Materialien hergestellt, was zu deutlich niedrigeren Kosten bei der Herstellung der Lochmaske führt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Ätzstoppschicht ungefähr 10 nm bis 1 μm, vorzugsweise 50 nm, dick.
Gemäß dieser Vorgehensweise entspricht die Ätzstoppschicht der Lochmaske in ihren Abmessungen einer lichtoptischen Projektionsmaske, bei der beispielsweise eine (Schwarz-)Chromschicht zur Herstellung absorbierender Elemente verwendet wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform besteht die Membranschicht aus einem Material, das eine hohe Ätzselektivität zur Ätzstoppschicht aufweist.
Gemäß dieser Vorgehensweise kann das Übertragen des Musters von Strukturelementen auf einfache Weise in die Membranschicht erfolgen, da mittels eines selektiven Ätzprozesses nur die Membranschicht strukturiert wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Membranschicht amorphes Silizium.
Eine Schicht aus amorphem Silizium weist gegenüber der Ätzstoppschicht, beispielsweise einer Chromschicht, eine hohe Ätzselektivität auf. Dadurch ergibt sich eine einfache Herstellung der Lochmaske.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der Schritt des Aufbringens der Membranschicht dadurch ausgeführt, dass das amorphe Silizium durch Sputtern aufgebracht wird.
Gemäß dieser Vorgehensweise lässt sich die amorphes Silizium umfassende Membranschicht in einem einfachen Herstellungsverfahren auf einen kommerziellen Maskenrohling, der beispielsweise Quarz und Chrom umfasst, aufbringen. Dies erlaubt eine einfache und kostengünstige Herstellung der Lochmaske.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Membranschicht kristallines Silizium.
Kristallines Silizium weist ebenfalls gegenüber der Ätzstoppschicht eine hohe Ätzselektivität auf.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der Schritt des Aufbringens der Membranschicht dadurch ausgeführt, dass das kristalline Silizium mit einem Bonding-Verfahren aufgebracht wird.
Gemäß dieser Vorgehensweise kann eine Lochmaske unter Verwendung kommerziell erhältlicher Materialien hergestellt werden. Ein Bonding-Verfahren ist beispielsweise in der Technik bei der Herstellung von SOI-Wafern bekannt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Entfernen der Membranschicht durch Ätzen.
Insbesondere Membranschichten aus kristallinem oder amorphem Silizium lassen sich in einem Ätzprozess sehr einfach strukturieren.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das Ätzen mit einem fluorbasierendem Ätzprozess in einer sauerstofffreien Umgebung durchgeführt.
Fluorbasierende Ätzprozesse weisen eine sehr hohe Ätzselektivität gegenüber einer metallhaltigen Ätzstoppschicht auf.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform folgt der Schritt des Strukturierens der Ätzstoppschicht mittels eines sauerstoffhaltigen Ätzprozesses unter Verwendung von Chlor.
Eine Ätzchemie unter Verwendung von Chlor in einer sauerstoffhaltigen Umgebung ist geeignet, die Ätzstoppschicht se lektiv zur siliziumhaltigen Substratschicht und Membranschicht zu ätzen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erfolgt darüber hinaus eine Beschichtung der Rückseite des Substrats mit einer leitfähigen Schicht in einen zweiten Bereich, der den ersten Bereich umgibt.
Gemäß dieser Vorgehensweise wird das Substrat, das üblicherweise elektrisch nicht leitend ist, mit einer leitfähigen Schicht versehen, sodass sich während des Betriebs in einer Teilchenlithographie-Anlage keine elektrostatischen Aufladungen des Substrats ergeben. Üblicherweise versucht man bei der Teilchenlithographie, elektrostatische Aufladungseffekte zu verhindern, da diese sowohl zu schädlichen Spannungsüberschlägen führen können, als auch unerwünschte Ablenkungen des Teilchenstrahls hervorrufen können.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die leitfähige Schicht aus Metall, vorzugsweise Chrom, hergestellt.
Gemäß dieser Vorgehensweise werden Materialien verwendet, die in der Maskenherstellung weit verbreitet sind. Dies erlaubt eine kostengünstige Herstellung der Lochmaske.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird zuerst der Schritt des Entfernens der Membranschicht in denjenigen Gebieten, die in der Membranschicht den Strukturelementen des Musters entsprechen, dann der Schritt des Entfernens des Substrats im ersten Bereich und danach der Schritt des Entfernens der Ätzstoppschicht im ersten Bereich durchgeführt.
Gemäß dieser Vorgehensweise werden zuerst die Strukturen der Membranschicht erzeugt, anschließend erfolgt die Generierung der Membran, indem das Substrat und die Ätzstoppschicht im ersten Bereich entfernt werden. Dadurch lässt sich die Lochmaske zur weiteren Verwendung einfach und sicher handhaben, da die empfindliche Membran erst in den letzten Prozessschritten freigelegt wird. Eine eventuelle Zerstörung der strukturierten Membranschicht kann somit verhindert werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird zuerst der Schritt des Entfernens des Substrats im ersten Bereich, danach der Schritt des Entfernens der Ätzstoppschicht im ersten Bereich und dann der Schritt des Entfernens der Membranschicht in denjenigen Gebieten, die in der Membranschicht den Strukturelementen des Musters entsprechen, durchgeführt.
Gemäß dieser Vorgehensweise wird zuerst die Membran generiert, indem die Ätzstoppschicht und das Substrat entfernt werden. Anschließend erfolgt eine Strukturierung der Membranschicht. Dieses Vorgehen erlaubt eine sehr präzise Fertigung der Lochmaske, da ein Verzug oder ein Durchbiegen der Membranschicht, die nach dem Entfernen des Substrats und der Ätzstoppschicht auftreten können, bei der Strukturierung der Membranschicht keine Auswirkungen haben. Da bei der Übertragung des Musters von Strukturelementen die Membranschicht bzw. der Maskenrohling in seiner endgültigen Form vorliegt, ist somit eine hohe Lagegenauigkeit der abzubildenden Strukturen möglich.
Die Aufgabe wird auch durch eine Lochmaske zur lithographischen Strukturierung eines Halbleiterwafers mittels geladener Teilchen gelöst, die Folgendes umfasst:

– ein flächiges Substrat mit einem Ausschnitt, der einen ersten Bereich, in dem das Substrat entfernt ist, und einen zweiten Bereich definiert, der den ersten Bereich umschließt;
– eine auf einer Oberseite des Substrats im zweiten Bereich angebrachte Ätzstoppschicht; und
– eine Membranschicht, die oberhalb der Ätzstoppschicht angeordnet ist und die an den ersten Bereich angrenzend entsprechend eines Schaltungsmusters strukturiert ist.

Besonders vorteilhaft erweist sich die Verwendung der erfindungsgemäßen Lochmaske zur Strukturierung eines Halbleiterwafers mittels Teilchenlithographie, wobei folgende Schritte ausgeführt werden:

– Bereitstellen eines Halbleiterwafers;
– Aufbringen einer Resistschicht auf eine Oberseite des Halbleiterwafers;
– Bereitstellen einer Anlage zur Teilchenlithographie, die eine Teilchenquelle, eine Halterung für die Lochmaske und einen Substrathalter umfasst;
– Ablegen der Lochmaske in der Halterung;
– Ablegen des Halbleiterwafers auf dem Substrathalter; und
– Strukturieren der Resistschicht mittels eines von der Teilchenquelle bereitgestellten Teilchenstrahls.

Bei dem Verfahren zur Verwendung der erfindungsgemäßen Lochmaske lässt sich die Lochmaske in einer kommerziellen Anlage zur Teilchenlithographie einsetzen. Dabei kann sowohl eine Anlage mit einem Elektronenstrahl oder mit einem Ionenstrahl als geladene Teilchen verwendet werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Anlage zur Teilchenlithographie geeignet, eine Elektronen-Proximity- oder Elektronen-Kontakt-Lithographie durchzuführen.
Anlagen zur Elektronenstrahl-Lithographie weisen oftmals eine maßstabsgetreue Übertragung des Musters der Lochmaske auf einen Halbleiterwafer auf. Die erfindungsgemäße Lochmaske kann in solchen Anlagen eingesetzt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Anlage zur Teilchenlithographie darüber hinaus eine Projektionsvorrichtung zur verkleinernden Abbildung des Teilchenstrahls.
Gemäß dieser Vorgehensweise ist es möglich, eine Projektionslithographie, beispielsweise mit einem Elektronen- oder Ionenstrahl, durchzuführen, wobei das Muster von Strukturelementen auf der Lochmaske verkleinernd auf die Oberseite des Halbleiterwafers abgebildet wird. Diese Anlagen werden häufig zur Projektion von Schaltungsmustern eingesetzt, die sehr geringe Strukturbreiten aufweisen. Die mittels kommerzieller Materialien und Geräte hergestellte Lochmaske lässt sich auf vorteilhafte Weise in diesen Anlagen einsetzen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
1A bis 1D in schematischen Querschnittsansichten jeweils die bei der Anwendung des erfin dungsgemäßen Verfahrens in einer ersten Ausführungsform entstandenen Teile;
2A bis 2D in schematischen Querschnittsansichten jeweils die bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer weiteren Ausführungsform entstandenen Teile;
3 schematisch eine Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Lochmaske;
4 schematisch in einer Querschnittsansicht eine Anlage zur Teilchenlithographie;
5 in einem Flussdiagramm die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer ersten Ausführungsform; und
6 in einem Flussdiagramm die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer zweiten Ausführungsform.
Im Folgenden wird die Erfindung beispielhaft an einer Lochmaske und an einem Verfahren zur Herstellung der Lochmaske zur lithographischen Strukturierung mittels geladener Teilchen bei der Herstellung integrierter Schaltungen erläutert. Die Erfindung lässt sich jedoch auch für die Herstellung anderer Objekte anwenden, bei denen mittels Teilchenlithographie eine Strukturierung mit sehr hoher Auflösung erfolgen soll.
Ausgangspunkt des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer ersten Ausführungsform ist ein Maskenrohling 10, wie in 1A gezeigt ist. Der Maskenrohling 10 (auch Maskenblank genannt) umfasst ein Substrat 12, das beispielsweise aus einer 150 mm langen, 150 mm breiten und 6 mm hohen Quarzplatte besteht. Auf einer Oberseite 16 des Substrats 12 wird eine Ätzstoppschicht 14 aufgebracht. Die Ätzstoppschicht 14 wird in Form einer 10 nm bis 1 μm, vorzugsweise 50 nm, dicken Metallschicht aufgebracht, die beispielsweise aus Chrom besteht. Ein Maskenrohling 10, der aus einer Quarzplatte mit darüber liegender Chromschicht hergestellt wird, ist ein gängiges Ausgangsmaterial zur Herstellung einer Maske für die optische Lithographie.
Über der Ätzstoppschicht 14 wird eine Membranschicht 18 aufgebracht, wobei für die Membranschicht 18 ein Material gewählt wird, das eine hohe Ätzselektivität zur Ätzstoppschicht 14 aufweist. Die Membranschicht 18 kann beispielsweise aus amorphem Silizium bestehen, das durch Sputtern oder einem anderen in der Technik bekannten Verfahren aufgebracht wird.
Es ist aber auch möglich, die Membranschicht 18 beispielsweise mittels eines Bonding-Verfahrens als kristallines Silizium aufzubringen. Bonding-Verfahren werden unter anderem bei der Herstellung von SOI-Wafern (SOI = silicon on insulator) verwendet. Dabei werden zwei Wafer erhitzt und jeweils auf einer Oberseite thermisch oxidiert. Anschließend werden die beiden Halbleiterwafer mit ihren oxidierten Seiten zusammengefügt, so dass ein einheitlicher Wafer gebildet wird. Analog dazu wird bei der Erfindung ein kristalliner Siliziumwafer auf die Oberseite der Ätzstoppschicht 14 aufgebracht.
Im nächsten Schritt, der in 1B gezeigt ist, wird die Membranschicht 18 entsprechend eines Musters von Strukturelementen strukturiert. Das flächenhafte Muster entspricht bei spielsweise einer Ebene eines Schaltungsmusters einer integrierten Schaltung. Das Muster weist innerhalb eines ersten Bereichs 20 die Strukturelemente auf, wobei die für Lochmasken typischen Randbedingungen beachtet werden müssen. So dürfen etwa keine freistehenden isolierten Gebiete entstehen, da diese mit keinem Nachbargebiet verbunden sind und somit keinerlei Halt in der fertiggestellten Lochmaske aufweisen (auch als so genanntes Donut-Problem bekannt).
Das Muster wird üblicherweise in die Membranschicht 18 mittels einer Resistschicht übertragen. Dazu wird zuerst die Resistschicht auf die Membranschicht 18 aufgebracht, anschließend wird die Resistschicht entsprechend des Musters mit einem Maskenschreiber bestrahlt und danach wird die Resistschicht entwickelt, um die Membranschicht 18 in denjenigen Gebieten 22 freizulegen, die den Strukturelementen des Musters entsprechen.
Als Maskenschreiber kann dabei ein optischer Maskenschreiber, ein Elektronenstrahl-Maskenschreiber oder ein Ionenstrahl-Maskenschreiber verwendet werden. Das Strukturieren der Resistschicht mittels eines Maskenschreibers ist ein in der Technik bekanntes Verfahren, sodass auf eine genaue Erläuterung hier verzichtet wird.
In 1B ist der Maskenrohling gezeigt, wobei im Gebiet 22 die Membranschicht 18 entfernt wurde. Es versteht sich für einen kundigen Fachmann von selbst, dass eine Lochmaske zur Herstellung integrierter Schaltungen viele Gebiete 22 umfasst, die im ersten Bereich 20 angeordnet sind.
Zum Freilegen des Gebiets 22 wird ein Ätzprozess verwendet, der eine hohe Selektivität zur Ätzstoppschicht 14 aufweisen soll. Dazu wird beispielsweise ein fluorbasierender Ätzprozess in einer sauerstofffreien Umgebung eingesetzt. Andere dem Fachmann bekannte Ätzprozesse sind jedoch nicht ausgeschlossen.
In einem nächsten Prozessschritt, der in 1C gezeigt ist, wird das Substrat 12 unterhalb des ersten Bereichs 20 der mit dem Schaltungsmuster strukturierten Membranschicht 18 entfernt. Das Strukturieren oder teilweise Entfernen des Substrats 12 kann wiederum mittels Ätzen durchgeführt werden.
Im nächsten Schritt wird die Ätzstoppschicht 14 unterhalb des ersten Bereichs 20 der mit dem Schaltungsmuster strukturierten Membranschicht 18 entfernt. Dazu kann beispielsweise ein sauerstoffhaltiger Ätzprozess unter Verwendung von Chlor benutzt werden, der eine Ätzung der Chromschicht erlaubt und der gleichzeitig eine hohe Ätzselektivität zur Membranschicht 18 aufweist.
Man erhält, wie in 1D gezeigt ist, eine strukturierte Membranschicht 18, die im ersten Bereich 20 das Muster der Strukturelemente aufweist. In einem zweiten Bereich 24, der den ersten Bereich 20 umgibt, haben das Substrat 12 und die Ätzstoppschicht 14 die Funktion eines Rahmens für die Lochmaske und unterstützen mechanisch die Membranschicht 18.
Die Dicke der Membranschicht 18 wird, unabhängig von der Art des Aufbringens auf die Ätzstoppschicht 14, so gewählt, dass die Membranschicht 18 zum einen eine ausreichende mechanische Stabilität aufweist, zum anderen aber auch nicht so dick ist, dass der Ätzprozess bei der Strukturierung schwierig durchzuführen wäre. In der Praxis hat sich dabei eine Dicke im Bereich von 0,5 μm bis 3 μm, vorzugsweise etwa 1 μm, bewährt.
Es ist im Rahmen der Erfindung auch vorgesehen, über der Membranschicht 18 auf der der Ätzstoppschicht 14 gegenüberliegenden Seite eine Schutzschicht aufzubringen (nicht gezeigt). Diese Schutzschicht soll insbesondere bei der Lithographie mittels Ionenstrahlen verhindern, dass sich die Ionen in der Membranschicht 18 einlagern, was zu Materialveränderungen und mechanischen Spannungen führen würde, die bei der Lithographie Störungen verursachen könnten.
Im Zusammenhang mit 1A bis 1D wurde eine Ausführungsform der Erfindung beschrieben, bei der zuerst die Membranschicht 18 strukturiert wird und danach die Membran durch Freilegen des Substrats 12 und der Ätzstoppschicht 14 unterhalb des ersten Bereichs 20 gebildet wird. Dies erlaubt eine einfache und sichere Handhabung der Lochmaske, da während der Herstellung die mitunter sehr filigrane Membranschicht 18 erst in den letzten Prozessschritten freigelegt wird.
Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in den 2A bis 2D gezeigt. Wie nachfolgend erläutert wird, unterscheidet sich diese Ausführungsform zum Verfahren nach 1A bis 1D durch die Reihenfolge der Prozessschritte, sodass im Folgenden im wesentlichen die Unterschiede in der Prozessführung erläutert werden.
In 2A ist wiederum der Maskenrohling 10 gezeigt, der das beispielsweise aus Quarz bestehende Substrat 12 und die Chromschicht als Ätzstoppschicht 14 aufweist. Die Membranschicht 18 wird, wie bereits im Zusammenhang mit 1A erläutert, über der Ätzstoppschicht 14 aufgebracht.
In einem ersten Schritt, der in 2B gezeigt ist, wird in demjenigen Bereich 20, über dem später die mit dem Schaltungsmuster strukturierte Membranschicht 18 zu liegen kommt, das Substrat 12 entfernt. Dazu kann wiederum ein Ätzschritt verwendet werden.
Im nächsten Schritt, der in 2C gezeigt ist, wird die Ätzstoppschicht 14 ebenfalls im ersten Bereich 20 entfernt. Bei einer Chromschicht als Ätzstoppschicht 14 kann wiederum ein sauerstoffhaltiger Ätzprozess zusammen mit Chlorgas verwendet werden.
Im letzten Schritt wird die Membranschicht 18 entsprechend des Musters von Strukturelementen strukturiert. Dazu kann, wie bereits oben erläutert, eine Resistschicht auf diejenige Seite der Membranschicht 18, die der Ätzstoppschicht 14 abgewandt ist, aufgebracht werden. Nach dem Strukturieren der Resistschicht mittels eines Maskenschreibers wird ein fluorbasierender Ätzprozess in einer sauerstofffreien Umgebung durchgeführt, der eine hohe Ätzselektivität zur Ätzstoppschicht 14 aufweist.
Im Ergebnis erhält man, wie in 2D gezeigt ist, eine strukturierte Ätzstoppschicht 14 und ein Substrat 12, die in einem zweiten Bereich 24, der den ersten Bereich 20 umgibt, angeordnet sind. Diese nehmen wiederum die Funktion eines Trägers für die Membranschicht 18 wahr. Die Prozessführung gemäß den 2A bis 2D erweist sich insbesondere dann als vorteilhaft, wenn die Membranschicht 18 mit sehr großer Genauigkeit strukturiert werden soll. Da während des Übertragens des Musters auf die Membranschicht 18 die rückseitig angeordnete Ätzstoppschicht 14 und das Substrat 12 bereits entfernt sind, ist die Lagegenauigkeit der freigelegten Gebiete 22 sehr präzise, da sich eventuelle Verwindungen oder ein Durchbiegen der Membranschicht 18 bereits bei der Strukturierung der Membranschicht 18 auswirken und somit kompensiert werden.
In 3 ist eine Lochmaske 28 zur lithographischen Strukturierung eines Halbleiterwafers mittels geladener Teilchen gezeigt. Die Lochmaske 28 umfasst ein flächiges Substrat 12, das einen Ausschnitt aufweist, der einen ersten Bereich 20, in dem das Substrat entfernt ist, und einen zweiten Bereich 24 definiert, der den ersten Bereich 20 umschließt. Auf einer Oberseite 16 des Substrats 12 ist im zweiten Bereich 24 die Ätzstoppschicht 14 angebracht. Oberhalb der Ätzstoppschicht 14 ist eine Membranschicht 18 angeordnet, die an den ersten Bereich 20 angrenzend entsprechend eines Schaltungsmusters strukturiert ist. Das Substrat 12 ist auf der der Ätzstoppschicht 14 gegenüberliegenden Seite mit einer leitfähigen Schicht 26, die beispielsweise aus Chrom besteht, versehen. Mittels der leitfähigen Schicht 26 kann ein Aufladeeffekt bei der Verwendung der Lochmaske 28 in einer Anlage zur Teilchenlithographie verhindert werden.
Besonders vorteilhaft erweist sich die Lochmaske 28 bei der Verwendung in einer Anlage zur Teilchenlithographie. Die teilchenlithographische Strukturierung eines Halbleiterwafers kann entweder mit einem Elektronenstrahl oder einem Ionenstrahl durchgeführt werden. Dies ist in 4 gezeigt.
Eine Lithographie-Anlage 30 weist üblicherweise einen Substrathalter 32 auf, der unterhalb einer Teilchenquelle 34 angeordnet ist. Die Teilchenquelle 34 ist geeignet, einen Teilchenstrahl 36, beispielsweise ein Elektronen- oder Ionenstrahl, zu emittieren. Der Teilchenstrahl 36 wird durch eine elektromagnetische Projektionsoptik 38 auf einen Halbleiterwafer 40 fokussiert, der auf dem Substrathalter 32 abgelegt ist.
Die Projektionsoptik 38 umfasst üblicherweise mehrere Spulen, die eine verkleinernde Abbildung des Teilchenstrahls 36 ermöglichen. Eventuell sind noch weitere Hilfsspulen 38' im Strahlengang angeordnet, die eine Bündelung des Teilchenstrahls erlauben. Die Lochmaske 28 wird oberhalb der Projektionsoptik 38 in eine Halterung 42 eingeführt und anschließend mit dem Teilchenstrahl 36 bestrahlt. Derjenige Teil des Teilchenstrahls 36, der die Membranschicht 18 der Lochmaske 28 passiert, wird verkleinert auf eine Resistschicht 44 projiziert, die auf der Oberseite des Halbleiterwafers 40 angebracht ist.
In einer Anlage gemäß 4 ist es möglich, eine Elektronen- oder Ionen-Projektions-Lithographie durchzuführen. Es ist im Rahmen der Erfindung aber auch vorgesehen, eine Anlage zur Teilchenlithographie zu verwenden, die keine Projektionsvorrichtung aufweist. Insbesondere ist es ebenfalls möglich, eine Elektronen-Proximity- oder Elektronen-Kontakt-Lithographie durchzuführen. Unter einer Proximity-Lithographie versteht man, dass die Lochmaske in geringem Abstand bzw. direkt über dem Halbleiterwafer angebracht wird. Bei der oder Kontakt-Lithographie sind Lochmaske und Halbleiterwafer in direktem Kontakt, beispielsweise durch Anpressen. Die Elektronen-Proximity- oder Elektronen-Kontakt-Lithographie weisen demnach keine verkleinernde Abbildung des Elektronenstrahls auf.
Unter Verwendung der Lochmaske 28 gemäß der Erfindung kann ein Schaltungsmuster auf die Resistschicht 44 des Halbleiter wafers 40 projiziert werden, das eine sehr feine Strukturauflösung, beispielsweise von 65 nm oder weniger, aufweist.
Die wesentlichen Verfahrensschritte zur Herstellung einer Lochmaske in einer ersten Ausführungsform sind nochmals in 5 zusammengefasst.
In einem ersten Schritt 100 erfolgt das Bereitstellen eines Maskenrohlings.
Im zweiten Schritt 102 wird die Membranschicht aufgebracht. Danach wird im Prozessschritt 104 das Muster der Strukturelemente bereitgestellt.
Anschließend erfolgt ein Übertragen des Musters in die Membranschicht im Prozessschritt 106.
Im Prozessschritt 108 wird die Membranschicht strukturiert, um die Membran der Lochmaske zu definieren. Danach werden im Prozessschritt 110 das Substrat und im Prozessschritt 112 die Ätzstoppschicht strukturiert.
Eine weitere Ausführungsform des Verfahrens ist in 6 gezeigt.
Im Prozessschritt 120 erfolgt wiederum das Bereitstellen des Maskenrohlings.
Anschließend wird im Prozessschritt 122 die Membranschicht aufgebracht.
Im Prozessschritt 124 erfolgt ein Bereitstellen des Musters, im Prozessschritt 126 wird das Substrat strukturiert und an schließend wird im Prozessschritt 128 die Ätzstoppschicht strukturiert.
Im Prozessschritt 130 wird das Muster in die Membranschicht übertragen und anschließend erfolgt im Prozessschritt 132 ein Strukturieren der Membranschicht.

10: Maskenrohling
12: Substrat
14: Ätzstoppschicht
16: Oberseite
18: Membranschicht
20: erster Bereich
22: Gebiet
24: zweiter Bereich
26: leitfähige Schicht
28: Lochmaske
30: Lithographieanlage
32: Substrathalter
34: Teilchenquelle
36: Teilchenstrahl
38, 38': Projektionsoptik
40: Halbleiterwafer
42: Halterung
44: Resistschicht
100–132: Verfahrensschritte

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Lochmaske zur lithographischen Strukturierung mittels geladener Teilchen, umfassend folgende Schritte: – Bereitstellen eines Maskenrohlings (10) mit einem Substrat (12) und einer Ätzstoppschicht (14), wobei die Ätzstoppschicht (14) auf einer Oberseite (16) des Substrats (12) aufgebracht ist; – Aufbringen einer Membranschicht (18) über der Ätzstoppschicht (14); – Bereitstellen eines flächenhaften Musters, das innerhalb eines ersten Bereichs (20) angeordnete Strukturelemente aufweist; – Übertragen des Musters in die Membranschicht (18); – Entfernen der Membranschicht (18) in denjenigen Gebieten (22), die in der Membranschicht (18) den Strukturelementen des Musters entsprechen; – Entfernen des Substrats (12) im ersten Bereich (20), so dass die Ätzstoppschicht (14) im ersten Bereich (20) freigelegt wird; und – Entfernen der Ätzstoppschicht (14) im ersten Bereich (20), um die Membranschicht (18) freizulegen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des Übertragens des Musters in die Membranschicht (18) umfasst: – Aufbringen einer Resistschicht auf die Membranschicht; – Bestrahlen der Resistschicht entsprechend des Musters mit einem optischen Maskenschreiber oder einem Elektronstrahl-Maskenschreiber oder einem Ionenstrahl-Maskenschreiber; und – Entwickeln der Resistschicht, um die Membranschicht (18) in denjenigen Gebieten (22) freizulegen, die den Strukturelementen des Musters entsprechen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem beim Schritt des Bereitstellens des Maskenrohlings (10) für das Substrat (12) Quarz verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Schritt des Bereitstellens des Maskenrohlings (10) so ausgeführt wird, dass das Substrat (12) des Maskenrohlings (10) eine Abmessung von ungefähr 152 mm Länge, 152 mm Breite und 6,35 mm Höhe aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem beim Schritt des Bereitstellens des Maskenrohlings (10) für die Ätzstoppschicht (14) eine Metallschicht, vorzugsweise aus Chrom, verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Ätzstoppschicht (14) ungefähr 10 nm bis 1 μm, vorzugsweise 50 nm, dick ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Membranschicht (18) aus einem Material besteht, das eine hohe Ätzselektivität zur Ätzstoppschicht (14) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Membranschicht (18) amorphes Silizium umfasst.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der Schritt des Aufbringens der Membranschicht (18) dadurch ausgeführt wird, dass das amorphe Silizium durch Sputtern aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Membranschicht (18) kristallines Silizium umfasst.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der Schritt des Aufbringens der Membranschicht (18) dadurch ausgeführt wird, dass das kristalline Silizium mit einem Bonding-Verfahren aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, bei dem die Membranschicht (18) ungefähr 0,5 μm bis 3 μm, vorzugsweise 1 μm, dick ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, bei dem das Entfernen der Membranschicht (18) durch Ätzen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem das Ätzen mit einem Fluor-basierenden Ätzprozess in einer sauerstofffreien Umgebung durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei dem der Schritt des Strukturierens des Substrats (10) mittels Ätzen durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 15, bei dem der Schritt des Strukturierens der Ätzstoppschicht (14) mittels eines sauerstoffhaltigen Ätzprozesses unter Verwendung von Chlor erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, bei dem darüber hinaus ein Beschichtung der Rückseite des Substrats (10) mit einer leitfähigen Schicht (26) in einem zweiten Bereich (24) erfolgt, der den ersten Bereich (20) umgibt.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem die leitfähige Schicht (26) aus Metall, vorzugsweise Chrom, hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, bei dem zuerst der Schritt des Entfernens der Membranschicht (18) in denjenigen Gebieten (22), die in der Membranschicht (18) den Strukturelementen des Musters entsprechen, dann der Schritt des Entfernens des Substrats (12) im ersten Bereich (20) und danach der Schritt des Entfernens der Ätzstoppschicht (14) im ersten Bereich (20) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, bei dem zuerst der Schritt des Entfernens des Substrats (12) im ersten Bereich (20), danach der Schritt des Entfernens der Ätzstoppschicht (14) im ersten Bereich (20) und dann der Schritt des Entfernens der Membranschicht (18) in denjenigen Gebieten (22), die in der Membranschicht (18) den Strukturelementen des Musters entsprechen, durchgeführt wird.
Lochmaske zur lithographischen Strukturierung eines Halbleiterwafers mittels geladener Teilchen, umfassend: – ein flächiges Substrat (12) mit einem Ausschnitt, der einen ersten Bereich (20), in dem das Substrat entfernt ist, und einen zweiten Bereich (24) definiert, der den ersten Bereich (20) umschließt; – eine auf einer Oberseite (16) des Substrats (12) im zweiten Bereich angebrachte Ätzstoppschicht (14); und – eine Membranschicht (18), die oberhalb der Ätzstoppschicht (14) angeordnet ist und die an den ersten Bereich (20) angrenzend entsprechend eines Schaltungsmusters strukturiert ist.
Lochmaske nach Anspruch 21, bei der das Substrat (12) aus Quarz ist.
Lochmaske nach Anspruch 21 oder 22, bei der die Ätzstoppschicht (14) eine Metallschicht, vorzugsweise eine Chromschicht, umfasst.
Lochmaske nach einem der Ansprüche 21 bis 23, bei der die Membranschicht (18) amorphes oder kristallines Silizium umfasst.
Lochmaske nach einem der Ansprüche 21 bis 24, die eine Abmessung von ungefähr 152 mm Länge, 152 mm Breite und 6,35 mm Höhe aufweist.
Lochmaske nach einem der Ansprüche 21 bis 25, bei der das Substrat (12) auf der der Ätzstoppschicht (14) gegenüberliegenden Seite mit einer leitfähigen Schicht (26) versehen ist.
Lochmaske nach einem der Ansprüche 21 bis 26, bei der die leitfähige Schicht (16) eine Metallschicht, vorzugsweise eine Chromschicht, umfasst.
Verfahren zur Verwendung einer Lochmaske nach einem der Ansprüche 21 bis 27 zur Strukturierung eines Halbleiterwafers mittels Teilchenlithographie, umfassend: – Bereitstellen eines Halbleiterwafers (40); – Aufbringen einer Resistschicht (44) auf eine Oberseite des Halbleiterwafers (40); – Bereitstellen einer Anlage (30) zur Teilchenlithographie, die eine Teilchenquelle (34), eine Halterung (42) für die Lochmaske (28) und einen Substrathalter (32) umfasst; – Ablegen der Lochmaske (28) in der Halterung (42); – Ablegen des Halbleiterwafers (40) auf dem Substrathalter (32); und – Strukturieren der Resistschicht (44) mittels eines von der Teilchenquelle (34) bereitgestellten Teilchenstrahls (36).
Verfahren nach Anspruch 28, bei dem die Anlage (30) zur Teilchenlithographie geeignet ist, eine Elektronen-Proximity- oder Elektronen-Kontakt-Lithographie durchzuführen.
Verfahren nach Anspruch 28, bei dem die Anlage (30) zur Teilchenlithographie darüber hinaus eine Projektionsvorrichtung (38, 38') zur verkleinernden Abbildung des Teilchenstrahls (36) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 30, bei dem die Anlage (30) zur Teilchenlithographie geeignet ist, eine Elektronen-Projektions-Lithographie durchzuführen.
Verfahren nach Anspruch 30, bei dem die Anlage (30) zur Teilchenlithographie geeignet ist, eine Ionen-Projektions-Lithographie durchzuführen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 32, bei der die Lochmaske (28) ein Schaltungsmuster aufweist, das geeignet ist, Strukturelemente mit einer Strukturauflösung von 65 nm oder weniger auf der Resistschicht (44) zu bilden.