DE102005017516B3

DE102005017516B3 - Fotolithografische Abbildungseinrichtung und Vorrichtung zum Erzeugen einer Beleuchtungsverteilung

Info

Publication number: DE102005017516B3
Application number: DE102005017516A
Authority: DE
Inventors: Kerstin Renner; Chistoph Nölscher; Thomas Muelders
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2005-04-15
Filing date: 2005-04-15
Publication date: 2007-01-25
Anticipated expiration: 2025-04-16
Also published as: US20060256313A1

Abstract

Die Abbildungseinrichtung (1) weist im Beleuchtungspupillengebiet (3) eine Beleuchtungsverteilung (32) auf, die durch dipolartige Lichtverteilungen (322) längs einer geraden Linie charakterisiert ist. Mit der Abbildungseinrichtung (1) lassen sich verschiedene Arten von Strukturen (41) von einer Fotomaske (4) simultan mit einem deutlich besseren Prozessfenster abbilden, als das bei herkömmlichen Abbildungseinrichtungen (1) der Fall ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abbildungseinrichtung mit einer Vorrichtung zum Erzeugen einer Beleuchtungsverteilung in einem Beleuchtungspupillengebiet für eine fotolithografische Abbildung von Strukturen von einer Fotomaske in eine Fotolackschicht oberhalb eines Halbleiterwafers. Von der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Erzeugen der Beleuchtungsverteilung und ein Verfahren zum Bestimmen der Beleuchtungsverteilung umfasst.

Mikroelektronische Schaltkreise, wie beispielsweise DRAM (dynamic random access memory)-Speicherzellen weisen strukturierte auf einem Halbleiterwafer angeordnete Schichten auf, die aus unterschiedlichen Materialien, wie Metalle, Dielektrika oder Halbleitermaterialien bestehen. Zur Strukturierung der Schichten wird häufig ein fotolithografisches Verfahren angewendet. Dabei wird eine auf die zu strukturierende Schicht aufgebrachte, lichtempfindliche Fotolackschicht mittels einer Fotomaske, die die in die Schicht zu übertragenden Strukturen aufweist und einer fotolithographischen Abbildungseinrichtung abschnittsweise einer Lichtstrahlung ausgesetzt. Bei einem positiven Fotolack werden die belichteten Abschnitte löslich bezüglich einer Entwicklerlösung, bei einem Negativfotolack verhält es sich umgekehrt, die belichteten Abschnitte werden unlöslich bezüglich der Entwicklerlösung, während die unbelichteten Abschnitte löslich sind.

Nach einem Entwicklungsschritt sind die Strukturen in der Fotolackschicht als Öffnungen, in denen die zu strukturierende Schicht freiliegt, enthalten. Anschließend können die Strukturen mittels eines Trockenätzprozesses in die darunter liegende Schicht übertragen werden.

Die Güte der fotolithografischen Abbildung hängt sowohl von der Art der Strukturen in der Fotomaske, als auch von der Art der Beleuchtung mit der die Strukturen beim Abbildungsvorgang beleuchtet werden ab. Mit Hilfe von Simulationsrechnungen können die Strukturen in der Fotomaske an eine vorgegebene Beleuchtungssituation angepasst werden, so dass eine gewünschte Zielstruktur in die Fotolackschicht abgebildet wird. Mittels Computersimulation können solange Fotomaskenstrukturen ausgerechnet werden, bis die geforderten Zielstrukturen in der Fotolackschicht erreicht sind. Ohne eine Anpassung der Strukturen in der Fotomaske würden sich keine oder nur zu kleine Prozessfenster für die gewünschte Zielstruktur ergeben.

In der gleichen Weise kann durch eine Anpassung der Beleuchtungsverteilung im Beleuchtungspupillengebiet der Abbildungseinrichtung an eine vorgegebene Struktur in der Fotomaske die Güte der fotolithographischen Abbildung entscheidend verbessert werden. Unter dem Beleuchtungspupillengebiet wird hier ein leuchtendes Gebiet verstanden, dass die gesamte Öffnung einer Kondensorlinse der Abbildungseinrichtung umfasst. Seit langem ist bekannt, dass in vielen Fällen eine partiell kohärente Beleuchtung eine bessere Abbildungsqualität gegenüber sowohl vollständig kohärenter als auch vollständig inkohärenter Beleuchtung zur Folge hat.

Bei der partiell kohärenten Beleuchtung treffen Lichtstrahlen nicht aus einem Winkel, beispielsweise senkrecht, wie das bei der kohärenten axialen Beleuchtung der Fall ist, sondern unter mehreren Winkeln, also auch schiefwinklig, auf die Foto maske auf. In der 1 sind die schiefwinklige Beleuchtung und die Folgen für die Abbildung veranschaulicht.

Dargestellt in der 1 ist das Schema einer Abbildungseinrichtung 1. Zu sehen sind eine Lichtquelle 21, eine Kondensorlinse 22, ein Beleuchtungspupillengebiet 3, mit einer als Blende ausgebildeten Vorrichtung 31 zum Erzeugen einer Beleuchtungsverteilung 32. Die Beleuchtungsverteilung 32 ist durch die dargestellte kreisförmige Öffnung in der Blende mit einer Lichtintensität von beispielsweise 100% charakterisiert. Außerhalb der Öffnung beträgt hier die Lichtintensität im Beleuchtungspupillengebiet 3 0%. Jeder punktförmige Ausschnitt aus der kreisförmigen Öffnung stellt eine andere Beleuchtungsrichtung, aus der die Fotomaske 4 beleuchtet wird, dar. Zu sehen sind ein axialer Lichtstrahl A und ein schiefwinkliger Lichtstrahl B, die beide auf die Strukturen 41 aufweisende Fotomaske 4, auftreffen. Ebenfalls in der 1 zu sehen ist ein Eintrittspupillengebiet 111, eines Projektionsobjektivs 11. Wie der 1 zu entnehmen ist, erreichen bei der schiefwinkligen Beleuchtung höhere Beugungsordnungen des Lichtes das Eintrittspupillengebiet 111, als bei der axialen Beleuchtung. Dargestellt sind die –1. und 0. Beugungsordnung innerhalb des Eintrittspupillengebietes 111 bei schiefwinkliger Beleuchtung. Die +1. Beugungsordnung bei schiefwinkliger Beleuchtung und die +1. und –1. Beugungsordnung bei axialer Beleuchtung liegen dagegen außerhalb des Eintrittspupillengebietes 111. Je mehr Beugungsordnungen zur Abbildung beitragen, also in das abbildende Projektionsobjektiv 11 gelangen, desto besser wird im allgemeinen die abgebildete Struktur auf dem dargestellten Halbleiterwafer 5 sein.

Bei der simultanen Abbildung von unterschiedlichen Strukturarten in der Fotomaske, die beispielsweise unterschiedliche Gitterkonstanten oder Abstände aufweisen, ist es mit den her kömmlichen Beleuchtungsverteilungen in der Regel nicht möglich, alle Strukturweiten innerhalb vorgegebener Toleranzbereiche und mit einem ausreichenden Prozessfenster abzubilden. Am Beispiel der in der 2a und b dargestellten Strukturen soll das Problem noch einmal veranschaulicht werden.

Die 2a zeigt einen Ausschnitt aus einem Linien-Spalt Gitter 43 und die 2b einen Ausschnitt aus einer komplizierteren Struktur mit halb isolierten Spalten, im folgenden kurz HIS-Struktur 42 genannt.

Die Strukturen gemäß der 2 sind von der Fotomaske in die Fotolackschicht in einem vorgegebenen Toleranzbereich für die CD's (Critical Dimensions) abzubilden.

Das Linien-Spalt Gitter kann eine enge Gitterkonstante g₁ im Bereich von kλ/NA aufweisen, wobei λ die Belichtungswellenlänge, k eine Konstante und NA die Numerische Apertur bedeutet. Der Mittenabstand g₂ zweier Spalten aus der HIS-Struktur kann durch 0,4 < g₂ < 0,7 gegeben sein. Bei der Herstellung beispielsweise des DRAM-Speicherbausteines, bei dem das Linien-Spalt Gitter dem Zellenfeld entspricht, sollten die abgebildeten CD's inklusive Schwankungen des Fokus von ± 0,25 μm, der Belichtungsdosis (in der Fotolackschicht) von ± 2,5% und anderer Größen innerhalb eines Toleranzbereiches von ± 10% der CD liegen.

Um eine auf die jeweils abzubildende Struktur angepasste Beleuchtungsverteilung zu ermitteln, werden häufig Parameter von Standardbeleuchtungsverteilungen, wie zum Beispiel Öffnungswinkel, äußerer und innerer Radius, beispielsweise bei einer ringförmigen Beleuchtung oder einer Quadrupolbeleuchtung, auf ein jeweiliges Kriterium, wie maximales Prozessfenster, maximaler Kontrast oder anderer Parameter hin opti miert. Das hochdimensionale Problem des Auffindens einer optimierten Beleuchtungsverteilung wird dadurch auf wenige zu optimierende Parameter reduziert. Oft werden viele prinzipiell mögliche Standardbeleuchtungsverteilungen, wie zum Beispiel kreisförmig, ringförmig oder quadrupol miteinander verglichen. Die möglichen Parameter bzw. Parameterkombinationen können dann beispielsweise mit einem numerischen Algorithmus, dem so genannten NA-σ-Scan, für alle NA und Beleuchtungsverteilungen vollständig abgerastert werden.

Durch Erfahrung, Analogieschlüsse bzw. andere Hilfsmittel, kann eine Vorauswahl der in Frage kommenden Standardbeleuchtungsverteilungen getroffen werden. Dabei ist für jede relevante Beleuchtungsart ein Beleuchtungspupillenscan durchzuführen, der in Abhängigkeit zur geforderten Genauigkeit mehrere Stunden bzw. Tage in Anspruch nimmt. Durch die ausschließliche Verwendung der Standardbeleuchtungsverteilungen ist der relevante Lösungsraum für die zu optimierende Beleuchtungsverteilung jedoch von vornherein stark eingeschränkt.

Eine derzeitige Lösung für die Einfachbelichtung der 65 nm Activ-Area-Ebene besteht in der Anwendung einer quadrupolartigen Beleuchtungsverteilung, die durch einen äußeren Radius von 0,96 und einen inneren Radius von 0,76 charakterisiert ist. Die beiden Strukturarten, HIS- und Linien-Spalt Gitter, werden von einer Halbtonphasenmaske (6%) in die Fotolackschicht abgebildet. Das sich unter diesen Bedingungen ergebende Prozessfenster ist sehr klein, für die Tiefenschärfe des Linien-Spalt Gitters ergibt sich ein Wert, der unterhalb von 0,3 Mikrometern im Luftbild liegt, und für die Tiefenschärfe der HIS-Struktur ein Wert, der unterhalb von 0,25 μm im Luftbild liegt.

In der 3 ist eine quadrupolartige Beleuchtungsverteilung 32, mit der herkömmlicherweise die in der 2 dargestellten Strukturen in der Fotomaske belichtet werden, zu sehen. Die der 3 entnehmbaren Lichtpole 321, hier weiß eingezeichnet, weisen eine relative Lichtintensität von 100% auf, während die schraffiert eingezeichneten Flächen eine relative Lichtintensität von 0% haben. Die dargestellten Lichtpole 321 sind auf einem gedachten Kreisring angeordnet, der durch den äußeren und den inneren Radius beschrieben werden kann.

In der 4 ist der Kontrast im Luftbild des Linien-Spalt Gitters bei der quadrupolartigen Beleuchtungsverteilung als Funktion des Defokus grafisch dargestellt. An der Abszisse ist der Defokus in Mikrometern und an der Ordinate der Kontrast in dimensionslosen Einheiten aufgetragen. Die in der 4 dargestellte Kurve beschreibt die Abhängigkeit des Kontrastes vom Defokus. Wie man aus der Kurve entnehmen kann, ist für den 0,15 μm Defokus der Kontrast bereits auf einen für die lithografische Abbildung inakzeptablen Wert von nahezu 43% abgefallen. Bei einem Defokus von 0,15 μm wird das Linien-Spalt Gitter also sicher nicht mehr mit einer ausreichenden Qualität auf den Halbleiterwafer abgebildet.

Die Lichtintensität im Luftbild der HIS-Struktur ist der 5a bis c entnehmbar. Die 5a zeigt die ortsabhängige Intensitätsverteilung für die beste Fokuslage. An der Ordinate und der Abszisse sind die Ortskoordinaten x und y in Mikrometern aufgetragen. Die verschiedenen Grautöne in der Figur entsprechen unterschiedlichen Intensitätswerten. Die dunkelgrau gezeichneten Bereiche weisen den niedrigsten Intensitätswert auf. Je heller der Grauwert ist, desto höher ist die Intensität des Lichtes. Wie man der 5a entnehmen kann, werden in der besten Fokuslage die Strukturen noch maßhaltig abgebildet. Ein anderes Bild ergibt sich gemäß der 5b, das im Unterschied zur 5a für einen Defokus von 0,125 μm berechnet wurde. Beide Luftbilder sind mit einem Simulationsprogramm berechnet worden. In der 5b sind bereits Schwachstellen erkennbar. Die HIS-Spalten sind teilweise nicht mehr vollständig geöffnet. Für die 5c wurde ein Defokus von 0,15 μm zugrunde gelegt. Der in der 5b bereits erkennbare Trend ist bei einer weiteren Defokussierung noch verstärkt. Wie man aus der 5c entnehmen kann, sind die Spalten der HIS-Struktur nicht mehr geöffnet.

Aus der US 6,842,223 B2 ist ein Beleuchtungssystem, insbesondere zur Verwendung in einer fotolithographischen Projektionsvorrichtung, bekannt, bei dem die Blende drei Öffnungen aufweist. Die drei Öffnungen liegen alle auf einer Achse. Überdies ist aus der US 6,871,337 B2 eine lithographische Abbildungsvorrichtung bekannt, bei der die Beleuchtungsverteilung entsprechend einem abzubildenden Muster optimiert worden ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Abbildungseinrichtung mit einer Vorrichtung zum Erzeugen einer Beleuchtungsverteilung zur Verfügung zu stellen, mit der ein simultanes Abbilden von unterschiedlichen Strukturarten von einer Fotomaske in eine Fotolackschicht auf einem Halbleiterwafer mit einem gegenüber herkömmlichen Abbildungseinrichtungen vergrößerten Prozessfenster ermöglicht wird. Von der Aufgabe wird die Vorrichtung zum Erzeugen der Beleuchtungsverteilung und ein Verfahren zum Bestimmen der Beleuchtungsverteilung umfasst.

Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Abbildungseinrichtung gemäß Patentanspruch 1, mit einer Vorrichtung gemäß Patentanspruch 8 und einem Verfahren gemäß Patentanspruch 12. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.

Es wird eine optische Abbildungseinrichtung mit einer Vorrichtung zum Erzeugen einer Beleuchtungsverteilung in einem Beleuchtungspupillengebiet für eine fotolithografische Abbildung von Strukturen von einer Fotomaske in eine Fotolackschicht oberhalb eines Halbleiterwafers zur Verfügung gestellt. Erfindungsgemäß weist die von der Vorrichtung erzeug te Beleuchtungsverteilung mehr als zwei Lichtpole auf, wobei alle Lichtpole im Beleuchtungspupillengebiet in der Weise angeordnet sind, dass sie auf ein und derselben Achse eines gedachten x-, y-Achsenkreuzes, dessen Ursprung sich im Zentrum des Beleuchtungspupillengebietes befindet, liegen.

Unter dem Lichtpol wird hier ein begrenzter Ausschnitt aus dem Beleuchtungspupillengebiet verstanden, dessen Lichtintensität höher als die des restlichen den Lichtpol umgebenden Beleuchtungspupillengebietes ist. Mit Hilfe von Simulationsrechnungen konnte nachgewiesen werden, dass sich mit einer Beleuchtungsverteilung die aus zwei Dipolen, also insgesamt aus vier in einer geraden Linie angeordneten Lichtpolen bestand, eine deutliche Verbesserung der lithografischen Abbildungsqualität gegenüber Abbildungseinrichtungen mit herkömmlichen Beleuchtungsverteilungen für eine simultane Abbildung von einer in der Fotomaske vorgesehenen HIS-Struktur und einem Linien-Spalt Gitter ergibt. Die Fotomaske kann dabei beispielsweise eine Halbtonphasenmaske oder eine binäre Maske oder eine Chromlose Maske mit 180 Grad Phasensprüngen sein. Durch eine Verbesserung der Abbildungsqualität wird das Prozessfenster erweitert. Mit einem erweiterten Prozessfenster lassen sich Fehler, die außerhalb der Spezifikation liegen und den Halbleiterwafer unbrauchbar machen würden, vermeiden. Dadurch lassen sich Kosten senken und eine höhere Produktivität erzielen.

Für die Abbildung einer durch eine Gitterkonstante dominierten Struktur ist eine dipolartige Beleuchtungsverteilung vorteilhaft. Sind in der Fotomaske zwei unterschiedliche Strukturarten, beispielsweise HIS- und Linien-Spalt Gitter, vorgesehen, die durch jeweils eine Gitterkonstante dominiert werden, so kann der eine der zwei Dipole für die Abbildung der HIS-Struktur und der andere der zwei Dipole für die Abbildung des Linien-Spalt Gitters optimiert werden. Es lässt sich auch denken, dass bei Vorhandensein von mehr als zwei unterschiedlichen Strukturarten, die durch jeweils eine Gitterkonstante dominiert werden, für jede Strukturart eine dipolartige Beleuchtungsverteilung vorgesehen werden kann. Dies ergäbe dann Abbildungseinrichtungen mit Beleuchtungsverteilungen, die vier oder sechs oder noch mehr Lichtpole auf einer Achse aufweisen. Bei komplexeren Strukturen kann es auch von Vorteil sein, außerhalb der in einer geraden Linie angeordneten Lichtpole noch weitere Lichtpole vorzusehen.

In vorteilhafter Weise ist die Beleuchtungsverteilung achsensymmetrisch bezüglich der x- und der y-Achse des x-, y-Achsenkreuzes. Liegen die Lichtpole beispielsweise auf der y-Achse, so bedeutet die Achsensymmetrie, dass das Zentrum des flächenhaft ausgedehnten Lichtpoles auf der y-Achse liegt. Symmetrisch bezüglich der x-Achse bedeutet, dass jeder Lichtpol der oberhalb der x-Achse auf der y-Achse liegt, einen an der x-Achse gespiegelten Partner unterhalb der x-Achse aufweist.

Erfindungsgemäß ist eine gerade Anzahl von Lichtpolen vorgesehen, wobei jeweils zwei einen gleichen Abstand vom Ursprung aufweisende Lichtpole eine dipolartige Lichtverteilung ausbilden. Das heißt, dass der Lichtpol oberhalb der x-Achse und sein gespiegelter Partner unterhalb der x-Achse die dipolartige Lichtverteilung ausbilden. Dipolartige Lichtverteilungen sind besonders vorteilhaft einsetzbar für die Abbildung von Strukturen, die durch eine Gitterkonstante dominiert werden.

Die dipolartigen Lichtverteilungen können in vorteilhafter Weise jeweils voneinander verschiedene integrale Lichtintensitäten aufweisen. Die Gesamtlichtintensität einer dipolartigen Lichtverteilung kann also von der Gesamtlichtintensität einer anderen dipolartigen Lichtverteilung in der Beleuchtungsverteilung abweichen. Die integrale Lichtintensität der Lichtpole kann entsprechend den Toleranzen der kritischen Strukturen und der Qualität der Abbildungseinrichtung angepasst werden, insbesondere unter Berücksichtigung der Apodisation der Projektionsoptik. Wenn beispielsweise an der Stelle der dem Zentrum des Beleuchtungspupillengebietes näheren, inneren Lichtpole die Transmission des Linsensystems der Abbildungseinrichtung nur t_i% beträgt, an der Stelle der äußeren Lichtpole aber t_ä%, wobei t_ä > t_i ist, dann werden die inneren Lichtpole im Verhältnis t_ä/t_i größer realisiert.

Es besteht auch die Möglichkeit, dass die dipolartigen Lichtverteilungen vorzugsweise alle die gleiche integrale Lichtintensität aufweisen.

In vorteilhafter Weise weist die Beleuchtungsverteilung vier Lichtpole auf. Die vier Lichtpole bilden zwei dipolartige Lichtverteilungen, eine innere dem Zentrum des Beleuchtungspupillengebietes nähere und eine äußere, dem Zentrum des Beleuchtungspupillengebietes fernere dipolartige Lichtverteilung aus. Mit den zwei dipolartigen Lichtverteilungen lassen sich in bevorzugter Weise simultan die HIS-Struktur und das Linien-Spalt Gitter von der Fotomaske abbilden. Die innere dipolartige Beleuchtungsverteilung ist dabei bezogen auf die HIS-Struktur optimiert und die äußere dipolartige Beleuchtungsverteilung auf das Linien-Spalt Gitter. Die integrale Lichtintensität der äußeren dipolartigen Lichtverteilung kann dabei größer oder gleich der integralen Lichtintensität der inneren dipolartigen Lichtverteilung sein. Auch der umgekehrte Fall, die integrale Intensität der inneren dipolartigen Lichtverteilung ist größer als die der Äußeren ist möglich.

Bei Verwendung der Abbildungseinrichtung mit der beschriebenen doppeldipolartigen Beleuchtungsverteilung kann eine entscheidende Verbesserung der Abbildung für das vorhandene Fotomaskenlayout mit der HIS-Struktur und dem Linien-Spalt Gitter erreicht werden. Die erfindungsgemäße Beleuchtungsverteilung bietet den Vorteil, dass sowohl das Linien-Spalt Gitter als auch die Peripherie, insbesondere die HIS-Struktur in einem lithografischen Schritt einer Einfachbelichtung abgebildet und dennoch ein ausreichendes Prozessfenster erzielt werden kann. Gegenüber der herkömmlichen Quadrupolbeleuchtung besteht der Vorteil in einer größeren Gewichtung der die Linien-Spalt Gitterabbildung bestimmenden dipolartigen Lichtverteilung, so dass das Linien-Spalt Gitter im Prozessfenster besser abgebildet wird, sowie in einer Anpassung der zweiten dipolartigen Lichtverteilung an die Geometrie der zweiten kritischen Struktur, beispielsweise HIS-Struktur, zur Prozessfenstervergrößerung.

Es wird eine Vorrichtung zum Erzeugen der Beleuchtungsverteilung in dem Beleuchtungspupillengebiet der Abbildungseinrichtung für die fotolithografische Abbildung von Strukturen von der Fotomaske in die Fotolackschicht oberhalb des Halbleiterwafers zur Verfügung gestellt. Erfindungsgemäß weist die von der Vorrichtung erzeugte Beleuchtungsverteilung die oben beschriebenen Merkmale auf.

Vorzugsweise ist die Vorrichtung als eine Blende ausgebildet. Möglich ist es aber auch, die Vorrichtung als ein diffraktiv optisches Element oder als ein Linsensystem auszubilden.

Es wird ein Verfahren zur Bestimmung der Beleuchtungsverteilung im Beleuchtungspupillengebiet der beschriebenen Abbildungseinrichtung zur Verfügung gestellt. Erfindungsgemäß wird die Beleuchtungsverteilung aus den beschriebenen dipolartigen Lichtverteilungen bestehend vorgesehen und die Abstände der die dipolartigen Lichtverteilungen ausbildenden Lichtpole werden durch Abstände der Strukturen in der Fotomaske definiert. Die Lage der Lichtpole im Beleuchtungspupillengebiet ist definiert durch im Layout der Fotomaske vorkommende Gitterkonstanten g gemäß σ_center = 0,5 λ/g/NA, wobei mit σ_center der Abstand der Lichtpole in der dipolartigen Lichtverteilung beschrieben werden kann. Beispielsweise werden die HIS-Struktur und das Linien-Spalt Gitter durch zwei verschiedene Gitterkonstanten beschrieben, wobei das Linien-Spalt Gitter durch eine Gitterkonstante und die HIS-Struktur im Wesentlichen durch eine weitere Gitterkostante beschrieben sind. Die HIS-Struktur ist im Vergleich zum Linien-Spalt Gitter komplizierter, wird aber durch die parallel zum Linien-Spalt Gitter orientierte Balkenstruktur, der sich eine Gitterkonstante zuordnen lässt, dominiert. Ein gleichzeitiges Abbilden von der HIS-Struktur und dem Linien-Spalt Gitter lässt sich also durch die doppelte dipolartige Lichtverteilung optimieren. Die Abstände der Lichtpole, die die jeweilige dipolartige Lichtverteilung ausbilden, werden dann mit der oben angegebenen Formel bestimmt.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 eine vereinfachte Darstellung einer Abbildungseinrichtung,
2 Skizze einer Linien-Spalt Gitterstruktur und einer HIS-Struktur,
3 eine herkömmliche Beleuchtungsverteilung,
4 Kontrast in Abhängigkeit vom Defokus im Luftbild des Linien-Spalt Gitters,
5 Luftbilder der HIS-Struktur erzeugt mit einer herkömmlichen Abbildungseinrichtung,
6 Schnittlinien durch die HIS-Struktur und das Linien-Spalt Gitter,
7 eine optimierte Beleuchtungsverteilung für eine erfindungsgemäße Abbildungseinrichtung,
8 Kontrast in Abhängigkeit vom Defokus im Luftbild des Linien-Spalt Gitters bei optimierter Beleuchtungsverteilung,
9 Luftbilder der HIS-Struktur bei optimierter Beleuchtungsverteilung,
10, 11 und 12 herkömmliche und optimierte Beleuchtungsverteilungen und Luftbilder der HIS-Struktur im Vergleich.
Die 1 bis 5 wurden in der Beschreibungseinleitung bereits näher erläutert.
Um die Güte von erfindungsgemäßen Abbildungseinrichtungen 1, die sich von herkömmlichen Abbildungseinrichtungen 1 durch ihre optimierte Beleuchtungsverteilung 32 unterscheiden, zu belegen, werden Simulationsrechnungen durchgeführt. Dabei werden die bei einer bestimmten Beleuchtungsverteilung 32 erzeugten Luftbilder der HIS-Struktur 42 und des Linien-Spalt Gitters 43 die in einer Fotomaske 4 enthalten sind, berechnet und bewertet. Das Luftbild stellt eine Intensitätsverteilung des Lichtes im Bildraum dar. Um die Rechenzeiten nicht allzu lang werden zu lassen und dennoch eine Aussage über die Güte der Abbildung treffen zu können, wird das Luftbild entlang mehrerer Schnittlinien 411 ausgewertet. Für die Bewertung der Abbildung der Linien-Spalt Gitterstruktur 43 genügt es das Luftbild entlang einer Schnittlinie 411 durch die Linien-Spalt Gitterstruktur 43 aus zu werten. Auf Grund der Komplexität der HIS-Struktur 42 wurden die Luftbilder entlang von elf Schnittlinien 411 durch die HIS-Struktur 42 bewertet.
In der 6a ist die Schnittlinie 411 durch die Linien-Spalt Gitterstruktur 43 zu sehen. Die elf Schnittlinien 411 durch die HIS-Struktur 42 sind den 6b bis l entnehmbar. Die 6b bis l zeigen jeweils Ausschnitte aus der HIS-Struktur 42.
In der 7 ist eine erste Variante einer für eine erfindungsgemäße Abbildungseinrichtung optimierten Beleuchtungsverteilung 32, für die die Luftbilder entlang der Schnittlinien gemäß der 6 bewertet wurden, dargestellt. Die Beleuchtungsverteilung 32 besteht aus Lichtpolen 321, die in der 7 als helle Rechtecke eingezeichnet sind. Die Lichtpole 321 weisen eine höhere Lichtintensität auf als das umgebende Gebiet, hier schraffiert eingezeichnet. Alle vier eingezeichneten Lichtpole 321 liegen mit ihrem Zentrum auf der y-Achse eines gedachten und hier eingezeichneten x,y-Achsenkreuzes. Wie der 7 zu entnehmen ist, sind die Lichtpole 321 achsensymmetrisch verteilt. Jeweils zwei Lichtpole 321 mit demselben Abstand zum Ursprung des Achsenkreuzes bilden eine dipolartige Lichtverteilung 322 aus. Es wird zwischen der eingezeichneten inneren dipolartigen Beleuchtungsverteilung 322b und der eingezeichneten äußeren dipolartigen Beleuchtungsverteilung 322a unterschieden. Gemäß der 7 sind die Lichtpole 321 als Rechtecke ausgebildet, wobei die Lichtpole der äußeren dipolartigen Lichtverteilung 322a größer dimensioniert sind, als die Lichtpole 321 der inneren dipolartigen Lichtverteilung 322b.
Als ein Bewertungskriterium für die Güte der Abbildung wurde der Kontrast im Luftbild in Abhängigkeit vom Defokus verwendet.
In der 8 ist der Kontrast im Luftbild des Linien-Spalt Gitters 43 für die optimierte Beleuchtungsverteilung 32 gemäß der 7 in Abhängigkeit vom Defokus dargestellt. Die Lichtpole 321 für die äußere dipolartige Lichtverteilung 322a haben die Abmaße 0,15 × 0,3 und die Lichtpole 321 für die innere dipolartige Lichtverteilung 322b die Abmaße 0,15 × 0,2. An der Abszisse ist der Defokus in Mikrometern und an der Ordinate der Kontrast in dimensionslosen Einheiten aufgetragen. Die Kurve beschreibt die Abhängigkeit des Kontrastes vom Defokus. Wie man aus der Kurve entnehmen kann, weist der Kontrast für einen Defokus von 0,15 μm einen Wert von 55% auf. Dieser Wert liegt deutlich über dem Wert, der mit der nicht optimierten Beleuchtungsverteilung 32 gemäß der 3 erzielt wurde und bei 43% lag.
In der 9 ist das Luftbild der HIS-Struktur 42 gemäß der 61 für drei verschiedene Fokusstellungen a) optimaler Fokus, b) Defokus 0,125 μm, c) Defokus 0,15 μm dargestellt. Berechnet wurden die Luftbilder mit der in der Figurenbeschreibung der 8 angegebenen Beleuchtungsverteilung 32. Die Grauabstufungen und die Achsenbeschriftung entsprechen denen der 5. Wie man der 9a entnehmen kann, ergeben sich für die beste Fokuslage keine kritischen Bereiche. Die Strukturen werden mit einer hohen Qualität bezüglich des Kontrastes und der Maßhaltigkeit abgebildet. In der 9b ist das Luftbild bei einem Defokus von 0,125 μm dargestellt.
Wie man sieht, wird die HIS-Struktur 42 mit einer sehr hohen Qualität auch im Defokus abgebildet. Alle Spalten sind geöffnet, die Linien werden noch fast maßhaltig abgebildet. Ein ähnliches Resultat ergibt sich bei einem Defokus von 0,15 μm, dargestellt in der 9c. Auch hier wird eine deutlich höhere Abbildungsqualität mit der optimierten Beleuchtungsverteilung 32 erreicht, als mit der nicht optimierten Beleuchtungsverteilung 32 gemäß der 3.
Die Abbildungseinrichtung 1, die die optimierte Beleuchtungsverteilung 32 gemäß der 7 aufweist, erreicht also eine deutlich höhere Abbildungsqualität und damit auch ein größeres Prozessfenster als die Abbildungseinrichtung 1, die die nicht optimierte Beleuchtungsverteilung 32 aufweist. In den 10 bis 12 werden noch einmal Luftbilder, die für unterschiedliche Varianten von optimierten Beleuchtungsverteilungen 32 berechnet wurden, mit solchen verglichen, die für nicht optimierte herkömmliche Beleuchtungsverteilungen 32 berechnet wurden.
Die 10a zeigt die herkömmliche quadrupolartige Beleuchtungsverteilung 32 mit Lichtpolen 321 auf der x- und der y-Achse. Für den inneren Radius R_i ist ein Wert von 0,76 und den äußeren Radius R_a ein Wert von 0,96 angegeben. Die Breite der Lichtpole errechnet sich aus der Differenz von innerem Radius und äußerem Radius zu 0,2. Bei einem Defokus von 0,15 μm wird im Luftbild der Linien-Spalt Gitterstruktur 43 ein verbleibender Kontrast von 43% ermittelt.
Die 10b, c und d zeigen das Luftbild der HIS-Struktur 42, das mit der Beleuchtungsverteilung 32 gemäß der 10a berechnet wurde, für den besten Fokus, 10b, für einen Defokus von 0,125 μm, 10c, und einen Defokus von 0,15 μm, 10d. Wie man aus der Figur entnehmen kann, werden bei einem Defokus von 0,125 μm die Strukturen nicht mehr maßhaltig abgebildet. Die Spalten sind außerdem nicht mehr vollständig geöffnet. Bei einem Defokus von 0,15 μm ist diese Tendenz verstärkt zu beobachten.
Bei der optimierten Beleuchtungsverteilung 32 gemäß der 10e sind alle Lichtpole 321 auf einer Achse angeordnet und weisen dieselbe Größe auf. Die Radien für die äußere dipolartige Lichtverteilung 322a sind 0,76 und 0,96. Die Abmessungen aller Lichtpole 321 betragen 0,2 × 0,2. Für die innere dipolartige Beleuchtungsverteilung 322b sind die Radien mit 0,2 und 0,4 angegeben. Der Kontrast im Luftbild des Linien-Spalt Gitters 43 wurde bei dieser optimierten Beleuchtungsverteilung zu 46% berechnet, also eine Verbesserung gegenüber der herkömmlichen Beleuchtungsverteilung 32 gemäß der 10a. Die Luftbilder der HIS-Struktur 42 bei dieser Beleuchtungsverteilung 32 sind den 10f, g und h entnehmbar. 10f zeigt das Luftbild bei der besten Fokusstellung, 10g bei einem Defokus von 0,125 und 10h bei einem Defokus von 0,15. Wie der 10f zu entnehmen ist, wird die HIS-Struktur 42 bei der optimierten Beleuchtungsverteilung 32 gemäß 10e deutlich maßhaltiger abgebildet, als bei der herkömmlichen Beleuchtungsverteilung 32. Die Luftbilder g und h zeigen geringfügige Abweichungen in der Maßhaltigkeit, jedoch bleiben die Spalten geöffnet. Im Vergleich zur herkömmlichen Beleuchtungsverteilung 32 weisen die Luftbilder der 10f, g und h eine deutlich bessere Abbildungsqualität auf.
Die Beleuchtungsverteilung 32 gemäß der 10i unterscheidet sich von der Beleuchtungsverteilung der 10e darin, dass die Lichtpole 321b der inneren dipolartigen Lichtverteilung 322b andere Abmessungen aufweisen, als die Lichtpole 321 der äußeren dipolartigen Lichtverteilung 322a. Für die Lichtpole 321 der äußeren dipolartigen Lichtverteilung 322a erge ben sich die Abmaße zu 0,2 × 0,3 und für die Lichtpole 321 der inneren dipolartigen Lichtverteilung 322b zu 0,2 × 0,2. Mit dieser Beleuchtungsverteilung 32 wird der Kontrast im Luftbild des Linien-Spalt Gitters bei einem Defokus von 0,15 μm zu 52% berechnet. Die Beleuchtungsverteilung 32 gemäß der 10i stellt also hinsichtlich des Kontrastes im Linien-Spalt Gitter 43 eine weitere Verbesserung dar. Die Luftbilder der HIS-Struktur 42 für oben beschriebene Fokuslagen sind in den 10j, k, l enthalten. Vergleicht man die Luftbilder der 10j, k, l mit denen der f, g, h, so ergeben sich keine signifikanten Unterschiede. Auf jeden Fall ist die Abbildungsqualität gegenüber der herkömmlichen Beleuchtungsverteilung deutlich verbessert.
Die herkömmliche quadrupolartige Beleuchtungsverteilung 32 gemäß der 11a unterscheidet sich von der Beleuchtungsverteilung 32 gemäß der 10a bezüglich des inneren Radius R_i, der hier den Wert von 0,78 und des äußeren Radius R_a der hier den Wert von 0,93 aufweist. Die Breite der Lichtpole berechnet sich zu 0,15. Bei einem Defokus von 0,15 μm wird hier im Luftbild der Linien-Spalt Gitterstruktur 43 ein verbleibender Kontrast von 47% ermittelt.
Die 11b, c und d zeigen das Luftbild der HIS-Struktur 42, das mit der Beleuchtungsverteilung 32 gemäß der 11a berechnet wurde, für den besten Fokus, 11b, für einen Defokus von 0,125 μm, 11c, und einen Defokus von 0,15 μm, 11d. Wie man aus der Figur entnehmen kann, werden bei einem Defokus von 0,125 μm die Strukturen maßhaltiger, als bei der Beleuchtungsverteilung gemäß der 10a, abgebildet. Die Spalten sind außerdem noch vollständig geöffnet. Bei einem Defokus von 0,15 μm ist die Abbildungsqualtät jedoch ähnlich schlecht oder sogar noch schlechter, als die bei der Beleuchtungsverteilung gemäß der 10a.
Die optimierte Beleuchtungsverteilung 32 dargestellt in der 11e unterscheidet sich von der gemäß der 10e durch die Radien. Die Radien für die äußere dipolartige Lichtverteilung 322a sind 0,78 und 0,93. Die Abmessungen aller Lichtpole 321 betragen 0,15 × 0,27. Für die innere dipolartige Beleuchtungsverteilung 322b sind die Radien mit 0,23 und 0,38 angegeben. Der Kontrast im Luftbild des Linien-Spalt Gitters 43 wurde bei dieser optimierten Beleuchtungsverteilung zu 51% berechnet, also eine Verbesserung gegenüber der herkömmlichen Beleuchtungsverteilung 32 gemäß der 11a. Die Luftbilder der HIS-Struktur 42 bei dieser Beleuchtungsverteilung 32 sind den 11f, g und h entnehmbar. 11f zeigt das Luftbild bei der besten Fokusstellung, 11g bei einem Defokus von 0,125 μm und 11h bei einem Defokus von 0,15 um. Wie der 11f zu entnehmen ist, wird die HIS-Struktur 42 bei der optimierten Beleuchtungsverteilung 32 11e maßhaltig abgebildet. Die Luftbilder g und h zeigen geringfügige Abweichungen in der Maßhaltigkeit, aber die Spalten bleiben durchgängig geöffnet. Im Vergleich zur herkömmlichen Beleuchtungsverteilung 32 weisen die Luftbilder der 11f, g und h eine deutlich bessere Abbildungsqualität auf.
Die Beleuchtungsverteilung 32 in der 11i unterscheidet sich von der Beleuchtungsverteilung gemäß der 11e darin, dass die Lichtpole 321b der inneren dipolartigen Lichtverteilung 322b andere Abmessungen aufweisen, als die Lichtpole 321 der äußeren dipolartigen Lichtverteilung 322a. Für die Lichtpole 321 der äußeren dipolartigen Lichtverteilung 322a ergeben sich die Abmaße zu 0,15 × 0,27 und für die Lichtpole 321 der inneren dipolartigen Lichtverteilung 322b zu 0,15 × 0,2. Mit dieser Beleuchtungsverteilung 32 wird der Kontrast im Luftbild des Linien-Spalt Gitters bei einem Defokus von 0,15 μm zu 55% berechnet. Die Beleuchtungsverteilung 32 gemäß der 11i stellt also eine hinsichtlich des Kontrastes im Linien-Spalt Gitter 43 eine weitere Verbesserung dar. Die Luftbilder der HIS-Struktur 42 für oben beschriebene Fokuslagen sind in den 11j, k, l enthalten. Vergleicht man die Luftbilder der 11j, k, l mit denen der f, g, h, so ergeben sich keine signifikanten Unterschiede. Die Abbildungsqualität gegenüber der herkömmlichen Beleuchtungsverteilung ist jedoch deutlich verbessert.
Die herkömmliche quadrupolartige Beleuchtungsverteilung 32 gemäß der 12a unterscheidet sich von der Beleuchtungsverteilung 32 gemäß der 11a bezüglich des inneren Radius R_i, der hier den Wert von 0,81 und des äußeren Radius R_a der hier den Wert von 0,91 aufweist. Die Breite der Lichtpole berechnet sich zu 0,1. Bei einem Defokus von 0,15 μm wird hier im Luftbild der Linien-Spalt Gitterstruktur 43 ein verbleibender Kontrast von 48% ermittelt.
Die 12 b, c und d zeigen das Luftbild der HIS-Struktur 42, das mit der Beleuchtungsverteilung 32 gemäß der 12a berechnet wurde, für den besten Fokus, 12b, für einen Defokus von 0,125 μm, 12c, und einen Defokus von 0,15 μm, 12d. Wie man aus der Figur entnehmen kann, werden bei einem Defokus von 0,125 μm und einem Defokus von 0,15 μm die Strukturen mit einer ähnlichen Qualität, wie bei der Beleuchtungsverteilung 32 gemäß der 11a abgebildet.
Die optimierte Beleuchtungsverteilung 32 dargestellt in der 12e unterscheidet sich von der gemäß der 11e durch die Radien. Die Radien für die äußere dipolartige Lichtverteilung 322a sind 0,81 und 0,91. Die Abmessungen aller Lichtpole 321 betragen 0,1 × 0,1. Für die innere dipolartige Beleuchtungsverteilung 322b sind die Radien mit 0,25 und 0,35 angegeben. Der Kontrast im Luftbild des Linien-Spalt Gitters 43 wurde bei dieser optimierten Beleuchtungsverteilung 32 zu 54% berechnet, also eine Verbesserung gegenüber der herkömmlichen Beleuchtungsverteilung 32 gemäß der 12a. Die Luftbilder der HIS-Struktur 42 bei dieser Beleuchtungsverteilung 32 sind den 12f, g und h entnehmbar. 12f zeigt das Luftbild bei der besten Fokusstellung, 12g bei einem Defokus von 0,125 μm und 12h bei einem Defokus von 0,15 μm. Wie der 12f zu entnehmen ist, wird die HIS-Struktur 42 bei der optimierten Beleuchtungsverteilung 32 12e maßhaltig abgebildet. Die Luftbilder g und h zeigen geringfügige Abweichungen in der Maßhaltigkeit und die Spalten bleiben durchgängig geöffnet. Im Vergleich zur herkömmlichen Beleuchtungsverteilung 32 weisen die Luftbilder der 12f, g und h eine deutlich bessere Abbildungsqualität auf.
Die in der 12i dargestellte Beleuchtungsverteilung 32 unterscheidet sich von der Beleuchtungsverteilung gemäß der 12e darin, dass alle Lichtpole 321 die Abmessungen 0.1 × 0.4 aufweisen. Mit dieser Beleuchtungsverteilung 32 wird der Kontrast im Luftbild des Linien-Spalt Gitters bei einem Defokus von 0,15 μm zu 55% berechnet. Die Beleuchtungsverteilung 32 gemäß der 12i stellt also eine hinsichtlich des Kontrastes im Linien-Spalt Gitter 43 eine weitere Verbesserung dar. Die Luftbilder der HIS-Struktur 42 für oben beschriebene Fokuslagen sind in den 12j, k, l enthalten. Vergleicht man die Luftbilder der 12j, k, l mit denen der 12f, g, h, so ergeben sich keine signifikanten Unterschiede. Die Abbildungsqualität gegenüber der herkömmlichen Beleuchtungsverteilung ist jedoch deutlich verbessert.

1: Abbildungseinrichtung
11: Projektionsobjektiv
111: Pupillengebiet
21: Lichtquelle
22: Kondensorlinse
3: Beleuchtungspupillengebiet
31: Vorrichtung
32: Beleuchtungsverteilung
321: Lichtpol
322: dipolartige Lichtverteilung
322a: äußere dipolartige Lichtverteilung
322b: innere dipolartige Lichtverteilung
4: Fotomaske
41: Strukturen
42: HIS-Struktur
43: Linien-Spalt Gitter
5: Halbleiterwafer

Claims

Optische Abbildungseinrichtung (1) mit einer Vorrichtung (31) zum Erzeugen einer Beleuchtungsverteilung (32) in einem Beleuchtungspupillengebiet (3) für eine fotolithografische Abbildung von Strukturen (41) von einer Fotomaske (4) in eine Fotolackschicht oberhalb eines Halbleiterwafers (5), wobei – die von der Vorrichtung erzeugte Beleuchtungsverteilung (32) eine gerade Anzahl von Lichtpolen (321), die größer als zwei ist aufweist, wobei jeweils zwei einen gleichen Abstand vom Ursprung aufweisende Lichtpole (321) eine dipolartige Lichtverteilung (322) ausbilden, und – die Lichtpole (321) im Beleuchtungspupillengebiet (3) in der Weise angeordnet sind, dass alle Lichtpole (321) auf ein und derselben Achse eines gedachten x,y-Achsenkreuzes mit Ursprung im Zentrum des Beleuchtungspupillengebietes (3) liegen.
Optische Abbildungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsverteilung (32) achsensymmetrisch bezüglich der x- und der y-Achse des x,y-Achsenkreuzes ist.
Optische Abbildungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die dipolartigen Lichtverteilungen (322) unterschiedliche integrale Lichtintensitäten aufweisen.
Optische Abbildungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die dipolartigen Lichtverteilungen (322) gleiche integrale Lichtintensitäten aufweisen.
Optische Abbildungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsverteilung (32) 4 Lichtpole (321) aufweist.
Optische Abbildungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die integrale Lichtintensität einer äußeren dipolartigen Lichtverteilung (322a) größer als die integrale Lichtintensität einer inneren dipolartigen Lichtverteilung (322b) ist.
Optische Abbildungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die integrale Lichtintensität einer äußeren dipolartigen Lichtverteilung (322a) gleich der integralen Lichtintensität einer inneren dipolartigen Lichtverteilung (322b) ist.
Vorrichtung zum Erzeugen der Beleuchtungsverteilung (32) im Beleuchtungspupillengebiet (3) der in einem der Ansprüche 1 bis 7 beschriebenen Abbildungseinrichtung (1), dadurch gekennzeichnet, dass die von der Vorrichtung (31) erzeugte Beleuchtungsverteilung (32) die in einem der Ansprüche 1 bis 7 beschriebenen Merkmale aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (31) eine Blende ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (31) ein diffraktiv optisches Element ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (31) ein Linsensystem ist.
Verfahren zur Bestimmung der Beleuchtungsverteilung (32) im Beleuchtungspupillengebiet (3) der nach einem der Ansprüche 1 bis 7 beschriebenen Abbbildungseinrichtung (1), dadurch gekennzeichnet, dass – die Beleuchtungsverteilung (32) aus den dipolartigen Lichtverteilungen (322) bestehend vorgesehen wird und – die Abstände der die dipolartigen Lichtverteilungen (322) ausbildenden Lichtpole (321) durch Abstände der Strukturen (41) in der Fotomaske (4) definiert werden.