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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Verringerung von Abbildungsfehlern einer eine quasi monochromatische
Lichtquelle und ein Linsensystem aufweisenden Belichtungsvorrichtung
zum Abbilden von auf einer Maske vorgegebenen Nutzstrukturen auf
ein Halbleitersubstrat. Außerdem
betrifft die Erfindung eine Maske zur Durchführung eines Verfahrens.
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Durch Linsenaberrationen werden periodische,
formal gleich große
Strukturen in einer kleinsten abzubildenden Dimension, einer sogenannten kritischen
Dimension unterschiedlich bzw. unsymmetrisch abgebildet. 6a zeigt eine dem Stand
der Technik entsprechende Maske mit einem Muster zur Herstellung
von tiefen Gräben
in einem Halbleitersubstrat für
die DRAM-Produktion. 6b zeigt ein zu einem Maskenausschnitt 2 in 6a gehörendes Luftbild. Ein solches
Luftbild wird auf einem Substrat bei einer Belichtung durch den
Maskenausschnitt 2 mit quasi monochromatischem Licht erhalten.
In diesem Maskenausschnitt 2 sind weiße Bereiche der Maske lichtdurchlässig bzw.
transparent, während schwarze
Bereiche nahezu lichtundurchlässig
bzw. opak mit einer Lichttransmission von 6% sind. Tatsächlich werden
die Luftbilder durch Simulation gewonnen: Ein Rechner berechnet
die auf dem Substrat erhaltenen Bilder, wenn dieses von der Lichtquelle durch
die Maske hindurch belichtet wird. Versuche haben die weitgehende Übereinstimmungen
von Simulation mit tatsächlichen
Ergebnissen bestätigt. Wie
man sieht, wird ein zentrales Rechteckpaar aus Rechtecken 5 links-rechts
asymmetrisch abgebildet, d.h. die beiden Rechtecke fallen bezüglich ihrer
Breite verschieden zueinander aus. Außerdem können die einzelnen Rechtecke im
Luftbild bezüglich
ihrer Länge
verschieden zueinander ausfallen. Weiterhin zeigen die äußeren Längskanten
des Rechteckpaares eine starke konvexe Verrundung, während die
inneren Kanten eine leicht konkave Linienführung aufweisen. Diese Asymmetrien
in der Abbildung sind ein starker Nachteil, der sich bei immer kleiner
werdenden Strukturen noch weiter verschärft. Um das Problem zu beheben,
wurden bisher Belichtungseinstellungen, Prozessparameter optimiert
und Geräte-Spezifikationen verschärft. Mit
diesen Maßnahmen
konnten aber die oben angedeuteten Abbildungsfehler nur mit geringem
Erfolg vermindert werden.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe
zugrunde, ein Verfahren und eine Maske zur Durchführung des
Verfahrens zur Verfügung
zu stellen, durch das bzw. die die genannten Abbildungsfehler deutlich verringert
werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das
Verfahren nach Patentanspruch 1 bzw. mit einer Maske nach Patentanspruch
3 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens
besteht darin, dass beliebige gleich große bzw. symmetrische Nutzstrukturen
auf einer Maske durch das Aufbringen von Hilfsstrukturen, die das
Beugungsspektrum der Nutzstrukturen verändern, auch gleich groß bzw. symmetrisch
abgebildet werden können.
Die Hilfsstrukturen weisen eine Dimensionierung, die unterhalb der
durch die Wellenlänge
der Lichtquelle und eine numerische Apertur des Linsensystems bestimmten
Auflösungsgrenze
liegt, auf. Dies bedeutet, dass die Hilfsstrukturen nicht mit auf das
mit einer lichtempfindlichen Schicht versehene Halbleitersubstrat
abgebildet werden. Durch geeignete Plazierung und Dimensionierung
der Hilfsstrukturen, die mit derselben Perio denlänge wie die Nutzstrukturen
versehen werden, also "auf
pitch" liegen, wird
ein regelmäßiges, periodisches
Gitter erzeugt, so dass Unterschiede in der Abbildung von auf der Maske
gleichen Strukturen reduziert werden. Sehr vorteilhaft ist auch
die Möglichkeit
einer schnellen Ermittlung der Hilfsstrukturen für beliebige Nutzstrukturen
mit Hilfe von Computersimulationen.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand
der in den Zeichnungen dargestellten Beispiele näher erläutert. Es zeigen:
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1a eine
schematische Darstellung einer Maske nach einem ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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1b ein
mit einem Maskenausschnitt der Maske der 1a erhaltenes Luftbild,
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2a eine
schematische Darstellung einer Maske nach einem zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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2b ein
mit einem Maskenausschnitt der Maske der 2a erhaltenes Luftbild,
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3a eine
schematische Darstellung einer Maske nach einem dritten Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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3b ein
mit einem Maskenausschnitt der Maske der 3a erhaltenes Luftbild,
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4a eine
schematische Darstellung einer alternierenden Phasenshiftmaske nach
einem vierten Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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4b ein
mit einem Maskenausschnitt der Maske der 4a erhaltenes Luftbild,
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5 eine
schematische Darstellung einer Belichtungsvorrichtung in Wechselwirkung
mit einer Computersimulation,
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6a eine
schematische Darstellung einer zum Stand der Technik gehörenden Maske,
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6b ein
mit einem Maskenausschnitt der Maske der 6a erhaltenes Luftbild,
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7a eine
schematische Darstellung einer Maske mit waagerechten Hilfsstrukturen,
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7b ein
mit einem Maskenausschnitt der Maske der 7a erhaltenes Luftbild,
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8 eine
Darstellung der Asymmetrie in der kritischen Dimension in Abhängigkeit
von der Position im Belichtungsschlitz für die Masken der 1a, 6a bzw. 7a,
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9 eine
Darstellung der Asymmetrie in der kritischen Dimension in Abhängigkeit
von der Position im Belichtungsschlitz für die Masken der 2a, 3a bzw. 4a,
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10 eine
Darstellung des Belichtungsspielraumes in Abhängigkeit von der Tiefenschärfe für die zum
Stand der Technik gehörende
Maske der 6a,
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11 eine
Darstellung des Belichtungsspielraumes in Abhängigkeit von der Tiefenschärfe für die zum
Stand der Technik gehörende
Maske von 6a bei Quadrupolbeleuchtung,
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12 eine
Darstellung des Belichtungsspielraumes in Abhängigkeit von der Tiefenschärfe für die Maske
mit den waagerechten Hilfsstrukturen nach 7a,
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13 eine
Darstellung des Belichtungsspielraumes in Abhängigkeit von der Tiefenschärfe für die Maske
nach dem ersten Ausführungsbeispiel der
Erfindung von 1a,
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14 eine
Darstellung des Belichtungsspielraumes in Abhängigkeit von der Tiefenschäfe für die Maske
nach dem zweiten Ausführungsbeispiel der
Erfindung von 2a,
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15 eine
Darstellung des Belichtungsspielraumes in Abhängigkeit von der Tiefenschärfe für die Maske
nach dem dritten Ausführungsbeispiel der
Erfindung von 3a und
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16 eine
Darstellung des Belichtungsspielraumes in Abhängigkeit von der Tiefenschärfe für die Phasenshiftmaske
nach dem vierten Ausführungsbeispiel
der Erfindung von 4a.
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1a zeigt
eine erfindungsgemäße Maske 1 und
zwar speziell eine Positivmaske mit periodisch wiederkehrenden transparenten,
in der Figur weißen Abschnitten
und nahezu opaken, in der Figur schwarzen Abschnitten. Ein Maskenausschnitt 2 ist
gesondert herausgestellt. Bei einer Positivmaske sind die transparenten
Bereiche die abzubildenden Bereiche, während bei einer Negativmaske
die nahezu opaken Bereiche die abzu bildenden Bereiche sind. Die
Erfindung ist in gleicher Weise auf Positivmasken und auf Negativmasken
anwendbar. Die Maske 1 ist mit Nutzstrukturen, nämlich den
transparenten Rechtecken 5 und zusätzlich mit Hilfsstrukturen,
nämlich
transparenten Streifen 7, 8 mit einer speziellen
Dimensionierung versehen: Die Abmessungen dieser Streifen 7, 8 liegen
unterhalb der durch die Wellenlänge
der Lichtquelle und die numerische Apertur des Linsensystems bestimmten
Auflösungsgrenze.
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Da die Hilfsstruktur direkt mit der
Nutzstruktur verbunden ist, weist sie eine Periodizität mit der gleichen
Periodenlänge
wie die Nutzstruktur auf.
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Im dargestellten Beispiel sind die
Hilfsstrukturen die transparenten Streifen 7, 8,
deren lange Seiten parallel zu einer einzigen Richtung angeordnet
sind, nämlich
parallel zu den Längskanten
der eine Länge
L aufweisenden transparenten Rechtecke 5.
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Die Streifen 7, 8 befinden
sich an den eine Länge
Q aufweisenden Querseiten der Rechtecke 5 und verbinden
jeweils zwei Rechtecke 5 miteinander.
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Die erfindungsgemäße Maske 1 wird bevorzugt
zur Erzeugung eines "tiefen
Grabenmusters (deep trench pattern)", wie es zur DRAM-Produktion verwendet
wird, eingesetzt. Daher sind die transparenten Rechtecke 5 innerhalb
des sich auf der Maske 1 periodisch wiederholenden rechteckigen
Maskenausschnittes 2 mit einer horizontalen bzw. langen Kante
der Länge λ1 und einer
vertikalen bzw. kurzen Kante der Länge λ1/2 in der Art und Weise angeordnet,
dass die Rechtecke 5 symmetrisch um die vertikale Symmetrieachse
des Maskenausschnittes 2 mit der Längsseite parallel zur Vertikalen
angeordnet sind, einander gegenüberliegen
und ein Rechteckpaar bilden. In den Randbe reichen des Maskenausschnittes 2 sind
insgesamt vier, jeweils die horizontalen Kanten des Maskenausschnittes 2 berührende kurze
Rechtecke 6 einer Längsseite
der Länge
L/2 und einer Querseite des Länge
Q angeordnet. Diese Rechtecke 6 bilden zusammen mit entsprechenden Rechtecken 6 benachbarter
Maskenausschnitte wiederum Rechtecke 5.
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Die transparenten Streifen 7, 8 sind
mit einer Breite C versehen, die kleiner als die Querseite Q ist und
beispielsweise im Wesentlichen 2/5Q beträgt. Innerhalb des Maskenausschnittes 2 erscheinen
sie mit zwei verschiedenen Längen,
nämlich
mit einer Länge
S2 entsprechend dem Abstand zwischen den beiden
sich in den jeweiligen Randbereichen befindlichen kurzen Rechtecken 6 und
einer Länge
S1, die dem vertikalen Abstand zwischen
der Querseite der zentrierten Rechtecke 5 und der nächstgelegenen horizontalen
Kante des Maskenausschnittes 2 entspricht. Die unterschiedlichen
Längen
S2 und S1 existieren
nur im Maskenausschnitt und ergeben sich aus der speziellen Anordnung
der Rechtecke. Auf der Gesamtmaske weisen alle Streifen die Länge S2 auf.
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Die Querseiten der zentrierten Rechtecke 5 sind
mit den Streifen 7 der Länge S1 (S1 > Q)
versehen, und die Querseiten der kurzen Rechtecke 6 in den
Randbereichen sind mit den die kurzen Rechtecke 6 verbindenden
Streifen 8 der Länge
S2 versehen (S2 > S1,
S2 > Q).
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Wesentlich ist an diesem Ausführungsbeispiel,
dass hier jeweils ein Streifen 7, 8 zentriert
an jeder Querseite der Rechtecke 5, 6 angeordnet
ist.
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Die Maske nach dem Ausführungsbeispiel von 2a unterscheidet sich von
der Maske nach 1a dadurch,
dass an den Querseiten der Rechtecke 5, 6 jeweils
zwei Streifen 7, 8 an geordnet sind und dass die
Streifen 7, 8 bündig mit den Längskanten
der Rechtecke 5, 6 abschließen.
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Die Maske nach dem Ausführungsbeispiel von 3a unterscheidet sich von
der Maske nach 1a durch
die Anordnung der Streifen 7, 8 in bezug auf die
Rechtecke 5, 6 und durch Streifen 11 im Maskenausschnitt 2.
Der jeweilige Streifen 7 an den Querseiten des zentrierten
Rechteckpaares ist zu den jeweiligen Außenkanten der einzelnen Rechtecke 5 hin
verschoben in der Art und Weise, dass der Streifen 7 nicht
bündig
mit den jeweiligen Außenkanten
der Rechtecke 5 abschließt, sondern um eine kleine
Strecke ε,
die im Wesentlichen Q/10 entspricht, nach innen verschoben ist.
Genau mittig zwischen den Rechtecken 5 befindet sich ein
Streifen 11, der in den Eckbereichen zwischen diesen Rechtecken 5 angeordnet
ist.
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Im Maskenausschnitt 2 berührt er dessen
horizontale Kante und ist mit der Länge S1 versehen. Die
die kurzen Rechtecke 6 in den Randbereichen verbindenden
Streifen 8 sind zum Mittelpunkt des Maskenausschnittes 2 hin
verschoben, in der Art und Weise, dass sie nicht bündig mit
den Längskanten der
kurzen Rechtecke 6 abschließen, sondern um die kleine
Strecke ε zu
den vertikalen Kanten des Maskenausschnittes 2 hin verschoben
sind. Weiterhin befindet sich im Maskenausschnitt 2 ein
die vertikalen Kanten des Maskenausschnittes berührender zentrierter Streifen 11 der
Länge S2 und der Breite Q/5.
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Bei der Maske des Ausführungsbeispieles von 4a handelt es sich um eine
alternierende Phasenshiftmaske 30. Sie unterscheidet sich
von der Maske 1 in 1a dadurch,
dass wechselweise, hier angedeutet durch die punktiert geschwärzten Bereiche 12, 13, 14, 15 der
transparenten abzubildenden Rechtecke 5, 6 und
Hilfsstrukturen 7, 8, die Phase des Lichtes um
180 Grad gedreht wird.
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Um die Wirkungsweise der einzelnen
erfindungsgemäßen Masken
beurteilen zu können,
sind in den 1b bis 4b und 6b die zu den jeweiligen Maskenausschnitten
der 1a bis 4a und 6a gehörenden Luftbilder dargestellt.
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Die dem Stand der Technik entsprechende Maske
in der 6a zeigt bei
Simulation des Luftbildes mit Aberrationen in der 6b die bereits oben beschriebenen unerwünschten
Links-Rechts Asymmetrien
bezüglich
der Breite des abzubildenden Rechteckpaares. Auf der Abszisse bzw.
Ordinate sind dabei die horizontalen bzw. vertikalen Positionen
auf der Maske 2 in Nanometer angegeben.
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Das Luftbild in 1b zeigt gegenüber dem Luftbild von 6b eine deutliche Verbesserung.
Die äußeren und
inneren Längskanten
eines Rechteckes weisen sehr viel geringere Abweichungen voneinander
auf. Das Rechteckpaar erscheint im Luftbild bezüglich der Links-Rechs-Asymmetrie
deutlich symmetrischer.
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Im Luftbild in der 2b lässt
sich derselbe Effekt erkennen; allerdings sind hier die Strukturen
in der Vertikalen nicht so klar voneinander getrennt.
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Das Luftbild in der 3b zeigt dieselbe Tendenz einer Verbesserung
bezüglich
der Links-Rechts Asymmetrie wie in 1b,
allerdings weisen hier die Längskanten
eine Abweichung voneinander auf.
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Das zur Phasenshiftmaske 30 von 4a gehörende Luftbild in der 4b weist eine deutliche Abweichung
der beiden Längskanten
eines Rechteckes voneinander auf, ist aber bezüglich der Links-Rechts Asymmetrie
eine Verbesserung.
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5 ist
eine schematische Darstellung einer Belichtungsvorrichtung 24,
bestehend aus einer Lichtquelle 25, der darunterliegenden
Maske 1, einem Linsensystem 27 und einem auf einer
Haltevorrichtung 9 liegenden, scheibenförmigen Halbleitersubstrat 28.
Die Belichtungsvorrichtung 24 steht in Wechselwirkung mit
einem Rechner 29. In diesem Rechner 29 werden
Simulationsrechnungen für
verschiedene Maskenstrukturen ausgeführt, wie diese in den 1a bis 4a, 6a und
auch 7a gezeigt sind.
Die Ergebnisse sind in den jeweils zugehörigen 1b bis 4b, 6b und 7b veranschaulicht. Abhängig von
diesen Ergebnissen wird eine geeignete Maske für die tatsächliche Belichtung ausgewählt.
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In der bereits erwähnten 6a ist eine dem Stand der
Technik entsprechende Maske für
die DRAM-Produktion mit einem Muster zur Herstellung von tiefen
Gräben
im Halbleitersubstrat schematisch dargestellt.
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6b zeigt
das zum Maskenausschnitt 2 in 6a gehörende Luftbild. Wie man sieht,
wird das zentrale Rechteckpaar Links-Rechts asymmetrisch abgebildet,
d.h die beiden Rechtecke differieren bezüglich ihrer Breite. Außerdem zeigen
die äußeren Längskanten
des Rechteckpaares eine starke konvexe Verrundung, während die
inneren Kanten eine leicht konkave Linienführung aufweisen.
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Die Maske in der 7a unterscheidet sich von der Maske in
der 6a durch die zusätzlich angeordneten
waagerechten Hilfsstrukturen 31. Das zugehörige Luftbild
in der 7b weist eine
so starke Verzerrung der Maskenstrukturen auf, dass diese Maske
als weniger brauchbar anzusehen ist. Es ist also von Bedeutung,
Simulationen zur Auswahl geeigneter Hilfsstrukturen vorzunehmen.
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Um die Güte der erfindungsgemäßen Masken
einschätzen
zu können,
sind in den folgenden 8 bis 16 die auf Simulationsrechnungen
basierenden Resultate graphisch dargestellt. Es wurde mit den folgenden
Parametern simuliert: Belichtungsvorrichtung: Scanner; numerische
Apertur: 0,68; Füllfaktor
bei annularer Beleuchtung: 0,8/0,533, bei Quadrupol-Beleuchtung:
0,65/0,15, Sigma für
alternierende Phasenshiftmasken: 0,3.
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In der 8 sind
auf der Ordinate die Asymmetrie A in der kleinsten abzubildenden
Dimension, hier der Breite 32 eines Rechteckes 5,
bei dessen Abtastung (Scan) in Richtung dieser Breite 32,
die sogenannte kritische Dimension in Nanometer, über der
Position P im Belichtungsschlitz auf der Abszisse aufgetragen. Asymmetrie
in der kritischen Dimension bedeutet die Abweichung in der Breite
an der Stelle L/2 des Luftbildes der beiden zu einem Rechteckpaar auf
der Maske 1 gehörenden
Rechtecke 5 voneinander. Es ist die Asymmetrie A in der
kritischen Dimension von Luftbildern der Masken, dargestellt in
den 6a, 7a und 1a,
gemessen und über
der Position im Belichtungsschlitz aufgetragen. Im einzelnen ergeben
sich eine Kurve (b) für
die Maske der 7a, eine
Kurve (c) für
die Maske der 1a, eine
Kurve (a) für
die Maske der 6a bei
Quadrupolbeleuchtung und eine Kurve (d) für die Maske der 6a bei annularer Beleuchtung.
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Ein Vergleich der Kurven (a) bis
(d) ergibt, dass die erfindungsgemäße Maske (Kurve (c)) von 1a bei verbesserter Abbildungsqualität nicht deutlich
schlechter ist als die zum Stand der Technik gehörende Maske von 6a bei annularer Beleuchtung
(Kurve (d)).
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In 9 ist
wie in 8 die Asymmetrie
A in der kritischen Dimension über
der Positon P im Belichtungsschlitz aufgetragen. Es sind hier die
erfindungsgemäßen Masken
von 2a in einer Kurve (e),
von 3a in einer Kurve
(f) und von 4a in einer
Kurve (g) vermessen. Auch diese Masken schneiden nicht deutlich
schlechter ab als die zum Stand der Technik gehörende Maske von 6a.
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Die 10 bis 15 machen eine Aussage über das
Prozessfenster der einzelnen Masken. Dabei ist wieder die Variation
in der Breite der Luftbilder an der Stelle L/2 der abzubildenden
Rechtecke 5, also die Variation der Breite im Bereich der
Mitte von deren Länge
L (vgl. 1), als Bezugsgröße verwendet.
Dabei wird von einer Sollbreite von 180 nm und einer erlaubten Abweichung
von +/– 18
nm ausgegangen.
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In der 10 ist
für die
zum Stand der Technik gehörende
Maske der 6a der Belichtungsspielraum
B in Prozent auf der Ordinate in Abhängigkeit von der Tiefenschärfe T in
Mikrometern aufgetragen. Je größer die
Fläche
unterhalb der Kurve ist, desto größer ist das Prozessfenster.
Der unterhalb der Kurve eingetragene CPW-Wert ist ein Maß für diese
Fläche.
In 11 ist für die zum
Stand der Technik gehörende
Maske von 6a noch das
Prozessfenster bei Quadrupolbeleuchtung dargestellt.
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In den 12 bis 16 sind im Vergleich dazu die
Prozessfenster der Masken der 7a und
der Ausführungsbeispiele
der 1a, 2a, 3a und 4a dargestellt.
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Insgesamt lässt sich feststellen, dass
die erfindungsgemäßen Masken
bei verbesserter Abbildungsqualität bessere Prozessfenster aufweisen
als die zum Stand der Technik gehörende Maske.
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- 1
- Maske
- 2
- Maskenausschnitt
- 5
- Rechteck
- 6
- kurzes
Rechteck
- 7
- Streifen
der Länge
S1
- 8
- Streifen
der Länge
S2
- 9
- Haltevorrichtung
- 11
- Streifen
- 12
- kurzes
Phasenshiftdreieck
- 13
- Phasenshiftstreifen
der Länge
S2
- 14
- Phasenshiftrechteck
- 15
- Phasenshiftstreifen
der Länge
S1
- 24
- Belichtungsvorrichtung
- 25
- monochromatische
Lichtquelle
- 27
- Linsensystem
- 28
- Halbleitersubstrat
- 29
- Rechner
für Simulation
- 30
- Phasenshiftmaske
- 31
- waagerechte
Hilfsstrukturen