DE10359991B4

DE10359991B4 - Phasenschiebermaske

Info

Publication number: DE10359991B4
Application number: DE10359991A
Authority: DE
Inventors: Christoph Dr. Nölscher
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2003-09-30
Filing date: 2003-12-19
Publication date: 2006-05-11
Anticipated expiration: 2023-12-20
Also published as: DE10359991A1

Abstract

Phasenschiebermaske für die Projektion eines auf der Maske gebildeten Musters (1) von Strukturelementen auf einen Halbleiterwafer, umfassend:
– einen ersten Anteil (4) des im Falle einer lithographischen Projektion zu bildenden Musters (1), bei dem erste Strukturelemente (50, 53, 54) des Musters (1) als erhabene Stege aus einem semitransparenten, phasenschiebenden Material, das auf einer ebenen Oberfläche eines transparenten Maskensubstrates (58) der Phasenschiebermaske angeordnet ist, derart gebildet sind, dass ein das Maskensubstrat (58) innerhalb der ersten Strukturelemente (50, 53, 54) transmittierender Lichtstrahl einen Phasensprung von 180 +/– 20 Grad gegenüber einem das Maskensubstrat (58) auf der ebenen Oberfläche außerhalb der ersten Strukturelemente (50, 53, 54) transmittierenden Lichtstrahl erfährt;
– einen vom ersten Anteil (4) getrennten zweiten Anteil (6) des im Falle einer lithographischen Projektion zu bildenden Musters, bei dem zweite Strukturelemente (52, 55) des Musters durch Gräben mit eng benachbarten Grabenkanten in der ebenen Oberfläche des Maskensubstrates (58) mit einer...

Description

Die Erfindung betrifft eine Phasenschiebermaske für die Projektion eines auf der Maske gebildeten Musters von Strukturelementen auf ein Substrat. Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur Herstellung des Musters auf der Maske.

Integrierte Schaltungen werden mittels photolithographischer Projektion von Mustern, die auf Photomasken gebildet sind, auf Halbleiterwafer hergestellt. Für jede Ebene wird dabei in der Regel eine Maske mit dem der Schaltungsebene entsprechenden Muster verwendet.

Hochintegrierte Schaltungen, wie beispielsweise dynamische oder nichtflüchtige Speicher sowie Logikbausteine, werden zur Zeit mit Schaltungselementen hergestellt, deren Breite bis herunter zu 70 nm reicht. Im Beispiel der Speicherbausteine gilt dies beispielsweise für die sehr dicht und periodisch angeordneten Muster von schmalen Wort- oder Bitleitungen sowie gegebenenfalls der entsprechenden Kontaktierungen oder Speichergräben.

Dabei kann es oftmals vorkommen, dass die entsprechenden hochintegrierten Strukturmuster in einer Schaltungsebene mit dem die Strukturelemente elektrisch anschließenden Peripheriebereich gemeinsam angeordnet sind. Strukturelemente, beispielsweise Leiterbahnen, solcher Peripheriebereiche unterliegen zumeist relaxierten Anforderungen an die Strukturbreite. Auf der für die Bildung der Schaltungsebene einzusetzenden Photomaske sind demnach gemeinsam dichte, oftmals periodische Anordnungen von Strukturelementen sowie isolierte oder halbisolierte, größer dimensionierte Strukturelemente gemeinsam in einem Muster angeordnet.

Es ist bekannt, dass bei der lithographischen Projektion Strukturelemente, deren Breite jeweils in der Nähe der Auflösungsgrenze des betreffenden Belichtungsgerätes liegt, aufgrund der optischen Abbildungseigenschaften anders als größer dimensionierte, nicht-periodische Strukturelemente in die Bildebene übertragen werden. Dies liegt einerseits an der nur begrenzten numerischen Apertur des Belichtungsgerätes, andererseits auch an den individuellen Belichtungseinstellungen in dem Gerät. Bei Vorhandensein von Linsenaberrationen, beispielsweise aufgrund von Linsenfehlern, können sich die unterschiedlichen Abbildungseffekte verstärken, welches insbesondere Linienbreitenvariationen oder auch Lagegenauigkeitsfehler in den Strukturmusteranteilen sichtbar werden.

1 zeigt in vereinfachter Darstellung einen Ausschnitt aus einem Schaltungslayout bzw. ein auf einem Halbleiterwafer zu bildendes Muster 1, das sowohl dicht und periodisch angeordnete Strukturelemente 14 wie auch isoliert oder halbisoliert angeordnete Strukturelemente 10, 12, 16 aufweist. In der Darstellung dunkel gezeichnete Flächen stellen auf dem Wafer erhabene Strukturelemente, d.h. nicht geätzte Flächen dar.

Das Strukturelement 10 entspricht beispielsweise einem Kontaktloch, welches durch Bestrahlung einer entsprechenden Öffnung auf der Maske in eine photoempfindliche Schicht auf dem Wafer (Positivresist), anschliessendes Entwickeln und Übertragen in eine unterliegende Schicht in einem Ätzschritt hergestellt werden kann.

2 zeigt einen Lösungsansatz für das genannte Problem der gleichzeitigen Abbildung dichter, periodischer Strukturelemente auf der einen Seite und isolierter oder semiisolierter Strukturelemente auf der anderen Seite. Der Lösungsansatz basiert auf der Verwendung von Halbton-Phasenmasken. Die zur Bildung der auf dem Wafer noch unbelichteten Resistflächen (dunkel gezeichnete Flächen in 1) notwendigen lichtabschattenden Strukturelemente werden auf der Maske dabei nicht opak sondern semitransparent ausgeführt. Die Lichtdurchlässigkeit beträgt beispielsweise 6 % Transmission bei einer Wellenlänge von 193 nm unter Einsatz von Schrägbeleuchtung.

Die semitransparenten Strukturelemente 25, 26 liegen sowohl in dichter und periodischer Anordnung als auch in Form isolierter Linien vor. Sie besitzen auf der Maske – bezogen auf den Wafermaßstab – zum Ausgleich des Line-Shortening Effektes eine im Vergleich zu den auf dem Wafer zu bildenden Strukturelementen 14 größere Länge. Die isolierte Linie 26, aber auch die Hellstrukturen 28, 24 werden durch sogenannte SRAF-Strukturen (Subresolution Assist Features) 22, 27 unterstützt, welche aufgrund ihrer unterhalb der Auflösungsgrenze des Belichtungsgerätes liegenden Breite nicht auf den Wafer printen, d.h. als tatsächliche Lackstrukturen auf dem Wafer entstehen.

Zum Zwecke der Bildung eines Maskenvorhaltes werden die als Spalte in dem semitransparenten Bereich 20 ausgeführten Strukturelemente 28, 24 analog größer ausgeführt, als die auf dem Wafer zu bildenden isolierten bzw. semiisolierten Strukturelemente 10, 12, welches in den Figuren durch die schwach gestrichelten Linien hervorgehoben ist.

Der Einsatz der SRAF-Strukturen 22, 27 bewirkt eine Abbildung der isolierten oder semiisolierten Strukturelemente, als wenn diese sich in einem dichten Umfeld von weiteren Strukturelementen befinden würden. Dadurch wird der Unterschied zwischen dichten Feldern und isolierten Strukturen bei der optischen Projektion gemindert. Ein Nachteil der Verwendung von Halbton-Phasenmasken besteht jedoch darin, dass gerade beispielsweise im Zellenfeld von Speichern mit 70 nm breiten Strukturelementen aus Linien und Spalten der sogenannte Mask Error Enhancement Factor (MEF) besonders große Werte annimmt. Dieser Faktor repräsentiert den Effekt, dass bei nahe an der Auflösungsgrenze liegenden Strukturen Fehler auf der Maske nicht linear in entsprechend gebildete Breiten auf dem Wafer übertragen werden. Das damit noch zur Verfügung stehende CD-Toleranzbudget (CD: critical dimension) ist damit im allgemeinen frühzeitig ausgeschöpft.

Ein weiterer Lösungsansatz besteht darin, transparente und phasenschiebende Strukturelemente im Bereich der dichten, hochintegrierten Musteranteile einzusetzen. Hierbei ist vorzugsweise Schrägbeleuchtung einzustellen. Die Strukturbildung auf einem Wafer erfolgt aufgrund der destruktiven Interferenz an der Bildposition der Phasenkanten der phasenschiebenden Strukturelemente zu der jeweils das Strukturelement umgebenden transparenten, nicht phasenschiebenden Oberfläche. Dieses Vorgehen wird auch als CPL-Technik (Chromless Phase Edge Lithography) bezeichnet. Die Strukturelemente werden dabei so schmal ausgeführt, dass zwei benachbarte Phasenkanten zu einer Linienbildung im Resist eines Wafers führen, wobei die Linien sich in ihren Flanken überlagern und somit zu einer gemeinsamen Linie verschmelzen. Breitere Linien werden mit einem undurchlässigen Absorber, beispielsweise Chrom, gebildet.

Ein Beispiel ist in 3 zu sehen. Dichte, periodische Anordnungen von Strukturelementen 34 sind darin als volltransparente, phasenschiebende Flächen in die Oberfläche 39 eines Maskensubstrates eingeätzt. Die Ätztiefe in das Substrat, beispielsweise Quarz, wird derart gewählt, dass eine Phasenverschiebung von 180° gegenüber einfallendem Licht im Vergleich zur umgebenden Oberfläche des Maskensubstrates 39 erreicht wird. SRAF-Strukturen 37 aus Absorber- oder semitransparentem Halbtonmaterial können ebenfalls vorgesehen sein, um das Abbildungsverhalten halbisolierter Linien zu verbessern. Breitere Linien können aus einer Kombination von absorbierenden Strukturelementen 38 sowie von phasenschiebenden Strukturelementen 381, 382 ermöglicht werden. Helle, zur Bildung der Strukturelemente 10, 12 dienende Bereiche im opaken Umfeld 30 können in ihrem Abbildungsverhalten durch RIM-Strukturelemente 32, 33 verbessert werden, die ein steileres Intensitätsprofil an den Kanten der jeweiligen Strukturelemente liefern.

Auch dieser Lösungsansatz besitzt Nachteile dahingehend, dass das Prozessfenster für die im Chrom oder anderen Absorbermaterialien ausgeführten Bereiche geringer ist als für die vergleichbaren semitransparenten Bereiche einer Halbton-Phasenmaske gemäß 2. Des weiteren sind die genannten RIM-Strukturelemente nur sehr schwierig in der erforderlichen Genauigkeit herzustellen. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass aufgrund der sehr schmalen volltransparenten, phasenschiebenden Strukturelemente in dem dichten Feld von Linien und Spalten ein engmaschiges Koordinatengitter für das Maskenschreiben benötigt wird und daher das Datenvolumen für den Maskenschreibprozess sowie die Maskeninspektion übermäßig erhöht wird. Zuletzt ist noch auf eine erhöhte Fehleranfäl ligkeit bei der Erzeugung, der Messung sowie bei der Fehlersuche in den Strukturelementeanordnungen hinzuweisen.

Eine Verbesserung des in 3 gezeigten Lösungsansatzes besteht indem in 4 gezeigten streifen-ähnlichen Strukturmuster. Durch sich abwechselnde Anordnungen von Chromstreifen 43, 46 und volltransparenten, phasenschiebenden Strukturelementen 44, 45 können die Anforderungen an die Auflösung beim Maskenschreibprozess etwas relaxiert werden, während ein hoher Grad an Maßhaltigkeit für die auf dem Wafer zu bildenden Strukturelemente erreicht wird. Die genannten Nachteile in Bezug auf die Probleme der Herstellung von RIM-Strukturen, des reduzierten Prozessfensters für die Chrombereiche sowie für die Fehleranfälligkeit bleiben allerdings auch hier bestehen.

In der WO 03/062923 A1 wird eine Photomaske mit einem Muster beschrieben, bei dem benachbart zu einem lichtdurchlässigen Bereich auf einem transparenten Substrat ein phasenschiebender Bereich und ein semitransparenter Bereich angeordnet sind. Der phasenschiebende Bereich führt einen Phasensprung von etwa 180° herbei und wird in einer Ausführungsform als Graben im transparenten Substrat ausgeführt. Das Strukturelement des Musters wird mit einem Anteil aus phasenschiebendem Material gebildet.

In der US 5,565,286 A ist eine Phasenschiebermaske nebst Herstellungsverfahren beschrieben, die Eigenschaften einer Halbton-Phasenmaske und einer alternierenden Phasenmaske kombiniert.

In der US 2003/0064300 A1 ist eine Halbton-Phasenmaske gezeigt, bei der semi-transparente Bereiche für dichte Struk turmuster eine andere Transmission aufweisen als semi-transparente Bereiche isoliert angeordneter Strukturmuster.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Mittel bereitzustellen, mit dem das Prozessfenster für die Abbildung eines Musters von einer Maske auf einen Halbleiterwafer mit sehr unterschiedlichen Graden an Periodizität und/oder Integrität vergrößert wird. Es ist weiterhin eine Aufgabe der Erfindung, die Herstellung von Strukturen in hochintegrierten Schaltungen zu ermöglichen, deren Breite noch geringer ist, als sie mit bisher verwendeten Maskentechniken möglich war. Es ist weiterhin eine Aufgabe der Erfindung, Masken mit verbesserter Qualität herstellen zu können.

Die Aufgabe wird in einem ersten Aspekt gelöst durch eine Phasenmaske für die Projektion eines auf der Maske gebildeten Musters von Strukturelementen auf einen Halbleiterwafer umfassend:

– einen ersten Anteil des im Falle einer lithographischen Projektion zu bildenden Musters, bei dem erste Strukturelemente des Musters als erhabene Stege aus einem semitransparenten, phasenschiebenden Material, das auf einer ebenen Oberfläche eines transparenten Maskensubstrates der Phasenschiebermaske angeordnet ist, derart gebildet sind, dass ein das Maskensubstrat innerhalb der ersten Strukturelemente transmittierender Lichtstrahl einen Phasensprung von 180 +/– 20 Grad gegenüber einem das Maskensubstrat auf der ebenen Oberfläche außerhalb der ersten Strukturelemente transmittierenden Lichtstrahl erfährt;
– einen vom ersten Anteil getrennten zweiten Anteil des im Falle einer lithographischen Projektion zu bildenden Musters, bei dem zweite Strukturelemente des Musters durch Gräben mit eng benachbarten Grabenkanten in der ebenen Oberfläche des Maskensubstrates mit einer Tiefe derart gebildet sind, dass ein das Maskensubstrat innerhalb der Gräben transmittierender Lichtstrahl einen Phasensprung von 180 +/– 20 Grad gegenüber einem das Maskensubstrat auf der ebenen Oberfläche außerhalb der Gräben transmittierenden Lichtstrahl erfährt, wobei der zweite Anteil des Musters frei von semitransparentem, phasenschiebendem Material ist.

Die Aufgabe wird in einem zweiten Aspekt gelöst durch eine Phasenmaske für die Projektion eines auf der Maske gebildeten Musters von Strukturelementen auf einen Halbleiterwafer umfassends:

– einen ersten Anteil des im Falle einer lithographischen Projektion zu bildenden Musters, bei dem erste Strukturelemente des Musters als erhabene Stege aus einem semitransparenten, phasenschiebenden Material, das auf einer ebenen Oberfläche eines transparenten Maskensubstrates der Phasenschiebermaske angeordnet ist, derart gebildet sind, dass ein das Maskensubstrat innerhalb der ersten Strukturelemente transmittierender Lichtstrahl einen Phasensprung von 180 +/– 20 Grad gegenüber einem das Maskensubstrat auf der ebenen Oberfläche außerhalb der ersten Strukturelemente transmittierenden Lichtstrahl erfährt;
– einen vom ersten Anteil getrennten zweiten Anteil des im Falle einer lithographischen Projektion zu bildenden Musters, bei dem zweite Strukturelemente des Musters durch Stege mit eng benachbarten Stegkanten innerhalb einer mit der Tiefe in die Oberfläche des Maskensubstrates eingeätzten Oberfläche derart gebildet sind, dass ein das Maskensubstrat innerhalb der Stege transmittierender Lichtstrahl einen Phasensprung von 180 +/– 20 Grad gegenüber einem das Maskensubstrat auf der ebenen Oberfläche außerhalb der Stege transmittierenden Lichtstrahl erfährt, wobei der zweite Anteil des Musters frei von semitransparentem, phasenschiebendem Material ist.

Die Aufgabe wird außerdem gelöst durch ein Verfahren zum Bilden des Musters auf der Phasenschiebermaske, umfassend die Schritte:

– Bereitstellen eines Maskenrohlings mit einem Maskensubstrat, einer semitransparenten, phasenschiebenden Schicht, einer Absorberschicht und einem photoempfindlichen Resist,
– Belichten und Entwickeln des Resists, so dass von dem ersten Anteil zu bildende Hellgebiete und von dem zweiten Anteil zu bildende Hell- und Dunkelgebiete in dem Resist geöffnet werden,
– Übertragen der Hellgebiete des ersten Anteils zur Bildung der ersten Strukturelemente und der Hell- und Dunkelgebiete des zweiten Anteils des Musters in die Absorberschicht und in die semitransparente Schicht in einem Ätzschritt,
– Entfernen des Resists und erneutes Auftragen eines weiteren Resists,
– Belichten und Entwickeln des weiteren Resists zum Abdecken von durch die übertragenen Hellgebiete des ersten Anteils gebildeten Öffnungen in der Absorber- und der semitransparenten Schicht und zum Öffnen a) der auf der Maske zu bildenden Dunkelgebiete, oder b) der auf der Maske zu bildenden Hellgebiete des zweiten Anteils des Musters in dem Resist,
– Übertragen der durch die Dunkel- oder durch die Hellgebiete des zweiten Anteils gebildeten Öffnungen von dem Resist in das Maskensubstrat bis zu einer Tiefe, welche einen Phasenunterschied von 180 +/– 20° der durchtretenden Lichtstrahlen gegenüber Maskenbereichen ohne Absorber, die keine Maskensubstratätzung erfahren haben, repräsentiert, in einem Ätzschritt zur Bildung der zweiten Strukturelemente, wobei die zweiten Strukturelemente a) als Steg im Falle der übertragenen Hellgebiete oder b) als Graben im Falle der übertragenen Dunkelgebiete mit jeweils eng benachbarten Steg- oder Grabenwänden gebildet werden und die ersten Strukturelemente aus semitransparentem Material während des Ätzschritts zur Bildung der zweiten Strukturelemente von der Absorberschicht geschützt werden;
– Entfernen des weiteren Resists,
– Entfernen der Absorberschicht zum Freilegen der semitransparenten, erhabenen Stege der ersten Strukturelemente.

Das Muster der erfindungsgemäßen Phasenmaske umfaßt demnach erste Anteile, welche in Halbton-Phasenmaskentechnik gebildet sind, sowie zweite Anteile, welche in CPL-Technik hergestellt sind. Vorzugsweise werden die gemäß der CPL-Technik gebildeten eng benachbarten Graben- oder Stegwände als Strukturelemente in jenen Bereichen eines Schaltungslayouts auf der Photomaske gebildet, in welchem dichte Anordnungen von feinen Strukturelementen erforderlich sind, ggfs. auch für isolierte oder halbisolierte feine Strukturen. Strukturen größerer Breite werden vorzugsweise in Halbtonphasenmaskentechnik gebildet.

Grundsätzlich ist es auch möglich, isolierte oder halbisolierte feine Strukturen in dieser Technik zu bilden. Die Erfindung deckt beide Möglichkeiten ab.

Während die Gräben also eine Vertiefung innerhalb des sie umgebenden, transparenten Maskensubstrates repräsentieren, sind die semitransparenten Strukturelemente gemäß der Halbtonphasenmaskentechnik als erhabene Strukturen mit einer begrenzten Lichtdurchlässigkeit aus semitransparentem Material auf der Oberfläche des ansonsten transparenten Maskensubstrates gebildet.

Die Strukturgebung in dem Resist auf einem Halbleiterwafer erfolgt bei den semitransparenten Strukturelementen aufgrund der lichtabschattenden Wirkung des semitransparenten Materials. Bei diesem Material kann es sich beispielsweise um Molybdän-Silizid handeln. Typische Werte der Transmission liegen bei 6 %, andere Werte in dem Bereich unterhalb von 10 sowie aber auch jenseits davon – gültig für die sogenannten HT-HTPSM (High Transmission Halftone Phase Shift Mask) mit Transmissionen von bis zu 30 % können auf einer erfindungsgemäßen Maske ebenso eingesetzt werden. Auch ein bis zur Lichtdurchlässigkeit gedünntes Chrom oder ein neuartiges Material wie TaHF sind erfindungsgemäß einsetzbar. Kennzeichnend ist die Lichtdurchlässigkeit sowie die phasenschiebende Eigenschaft des semitransparenten Materials. Ein Zusammenwirken der Semitransparenz eines ersten Materials und der phasenschiebenden Eigenschaft eines weiteren, genau im Bereich des betreffenden Strukturelements angeordneten phasenschiebenden Materials ist hier natürlich eingeschlossen.

Mit diesen Eigenschaften – Semitransparenz und Phasenverschiebung – können besonders vorteilhaft isolierte oder semiisolierte Strukturen von einer Maske auf einen Wafer abgebildet werden. Dort, wo die Halbtonphasenmaskentechnik Schwachpunkte aufzeigt, nämlich im Bereich dichter Strukturen mit Strukturelementen, deren Breite im Bereich der Auflösungsgrenze eines Belichtungsapparates für die Projektion auf einen Wafer liegt, brauchen gemäß einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung diese Elemente z.B. nicht in Form semitransparenter, erhabener Strukturelemente ausgeführt werden, sondern vielmehr als chromlose Strukturelemente.

Da die chromlosen Strukturelemente lediglich in Form von Gräben vorliegen, ist sowohl das Grabeninnere als auch die die Gräben umgebende Oberfläche des Maskensubstrates durch im wesentlichen vollständige Transparenz gekennzeichnet. Die Tiefe der Gräben ist jedoch dergestalt, dass aufgrund einer Phasenverschiebung von 180° mit einer Unsicherheit von beispielsweise 20 % eine destruktive Interferenz des transmittierten Lichtes im Bereich der Grabenkanten stattfindet. Durch hin reichend schmale Gräben lassen sich zwei gegenüberliegende Grabenkanten so nahe beieinander anordnen, dass deren lichtabschattender Effekt zur Bildung einer langen, schmalen Linie genutzt werden kann. Die die Gräben repräsentierenden zweiten Strukturelemente werden daher in jenen Anteilen des Musters eingesetzt, in welche besonders geringe Strukturbreiten bei hoher Integrität (Dichte) vorliegen.

Ein besonderer Effekt tritt aufgrund der vorliegenden Erfindung dadurch ein, dass für beide Musteranteile – jene mit isolierten oder semiisolierten Strukturelementen sowie jene mit dichten, periodischen und sehr schmalen Strukturelementen – durch die entsprechende Ausbildung in Form von semitransparenten bzw. grabenartigen Strukturelementen im wesentlichen gleiche Bedingungen für die Ausbildung von Prozessfenstern geschaffen werden. Im Ergebnis führt dies zu einer effektiven Vergrößerung des gemeinsamen Prozessfensters in einer gemeinsamen Belichtung.

Das Vorhandensein weiterer, völlig opaker Strukturelemente ist gemäß der Erfindung nicht unbedingt erforderlich, soll hier jedoch auch nicht ausgeschlossen sein. Auch die Bildung von SRAF-Hilfsstrukturen sowohl im Bereich der semitransparenten Strukturelemente wie auch unterstützend für die grabenartigen Strukturelemente ist gemäß einer besonderen Ausgestaltung ebenfalls vorgesehen.

Weitere Ausgestaltungen sehen eine Breite der grabenartigen zweiten Strukturelemente im Bereich der 90 nm, 70 nm oder 60 nm Knoten (Technologiegenerationen, bei denen die angegebene Breite die minimal erzielbare Strukturgröße darstellt) vor, da bei deren Einsatz anstatt von beispielsweise semitransparenten Strukturelementen oder zebrastreifenartigen Struktur elementen gemäß dem Stand der Technik die Abbildung einen wesentlich geringeren bis vernachlässigbaren Mask Error Enhancement Factor (MEEF) aufweist. Dadurch steigt die Gleichmäßigkeit (Uniformity) der Abbildung und somit auch die Qualität der Herstellung integrierter Schaltungen.

Die Erfindung soll näher erläutert werden anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe einer Zeichnung. Darin zeigen:

1 ein auf einem Wafer zu bildendes Muster von Strukturelementen;

2 ein zur Bildung des in 1 gezeigten Musters auf dem Wafer heranzuziehendes Muster auf einer Photomaske in Halbtonphasenmaskentechnik (Stand der Technik);

3 wie 2, jedoch in CPL- und RIM-Phasenmaskentechnik (Stand der Technik);

4 Abwandlung von 3 gemäß dem Stand der Technik mit streifenförmiger Anordnung von CPL-Strukturen und Chromstreifen (Stand der Technik);

5 zwei erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele jeweils eines Musters auf einer Phasenmaske, welche zur Bildung des in 1 gezeigten Musters auf dem Wafer herangezogen werden, mit semitransparenten ersten Strukturelementen und graben- oder mesaartigen, absorberfreien zweiten Strukturelementen;

6 ein Diagramm mit einem Vergleich der Prozessfenster in einer Abbildung mit der erfindungsgemäßen Phasenmaske (Kurve 80) nach 5 und mit der Halbtonphasenmaske (Kurve 70) nach 2.

7 ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel in Trench-Technik und die Abfolge der Herstellung des Musters nach 5a auf der Maske;

8 ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel in der Mesa-Technik und die Abfolge der Herstellung des Musters nach 5b auf der Maske.

5a und 5b zeigen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung. Ähnlich wie die in den 2 bis 4 gezeigten Beispiele gemäß dem Stand der Technik sind die in 5a und 5b gezeigten Ausführungsbeispiele eines auf einer erfindungsgemäßen Photomaske zu bildenden Musters beschaffen, das in 1 gezeigte Muster auf einem Wafer in einem lithographischen Projektionsschritt bilden zu können.
Das Muster umfaßt auf einem volltransparenten Maskensubstrat 58 bzw. auf dessen ebener Oberfläche eine Anzahl von innerhalb einer semitransparenten Schicht gebildeter erster Strukturelemente 50, 53, 54. Durch Öffnungen innerhalb des ausgedehnten semitransparenten Strukturelementes 50 werden Hellgebiete eines ersten Anteils des Musters definiert, welche die auf dem Wafer zu bildenden Kontaktlochöffnungen 10 oder halbisolierte Spalte 12 (vgl. 1) im Falle einer Belichtung bilden. Die gestrichelten Linien geben das auf dem Wafer zu erzielende Ergebnis an. Zur Unterstützung der optischen Abbildungseigenschaften sind als Spalte ausgebildete SRAF-Hilfsstrukturen 51 vorgesehen.
Dunkelstrukturen im hellen Umfeld werden durch semitransparente Strukturelemente 54 gebildet. Zur Unterstützung der Abbildungseigenschaften eines nachfolgend zu beschreibenden dichten, in den Ausführungsbeispielen periodischen Feldes von schmalen Strukturelementen sind weiter semitransparente oder opake Hilfsstrukturelemente 53 vorgesehen. Sie unterstützen die optischen Abbildungseigenschaften eines semiisolierten Strukturelementes 55, dessen Prozessfenster an dasjenige der gleichfalls abzubildenden periodisch angeordneten Strukturelemente 52 anzupassen ist.
Die Strukturelemente 52, 55 sind in dem in 5a gezeigten Beispiel (im Folgenden „Trench-Variante") als von der ebenen Oberfläche des Maskensubstrates 58 umgebene Gräben gebildet. Bei dem Maskensubstrat 58 kann es sich beispielsweise um Quarz oder auch um CaF handeln, weitere dem Fachmann bekannte Materialien sind nicht ausgeschlossen.
Analog sind die Strukturelemente 52, 55 in dem in 5b gezeigten Beispiel (im Folgenden „Mesa-Variante") als Stege gebildet, die von der bis zu einer Tiefe eingeätzten Maskensubstratoberfläche 58' umgeben sind. Die Oberfläche der Stege entspricht der ursprünglichen, ungeätzten Oberfläche des Maskensubstrates 58.
In Abhängigkeit von der Belichtungswellenlänge und den optischen Eigenschaften des Maskensubstratmaterials besitzen die Gräben der Strukturelemente 52, 55 (5a) und das eingeätzte Substrat 58' (5b) eine Tiefe, so dass ein entsprechend einfallender Lichtstrahl innerhalb der Gräben eine Phasendrehung von etwa 180° im Vergleich zu einem Lichtstrahl der die angrenzende Oberfläche des Maskensubstrates 58 transmittiert, erfährt. An den Graben- bzw. Stegkanten wird da durch destruktive Interferenz erreicht. Die Grabenkanten bilden sich daher als Linien mit einer vorbestimmten Breite in dem Resist auf dem Wafer ab, wobei die Gräben der Strukturelemente 52, 55 selbst eine Breite besitzen, so dass die in dem Resist auf dem Wafer im Falle einer Projektion gebildeten Linien als Abbild der gegenüberliegenden Grabenkanten miteinander verschmelzen.
Bedingung für diese Auslöschung ist die Nachbarschaft zweier Grabenwände unterhalb der Auflösungsgrenze des Abbildungssystems, wobei zwischen den geätzten Grabenwänden ungeätztes Maskensubstrat (Mesa-Variante) oder geätztes Maskensubstrat (Trench-Variante) vorliegen kann.
Ein Verfahren zur Herstellung der in 5a und 5b gezeigten Anordnung von Strukturelementen in einem Muster 1 sieht vor, dass beispielsweise aus dem in 1 gezeigten Layout der auf dem Wafer zu bildenden Strukturen die schmalsten Strukturelemente 14, 16 und/oder dichte, periodische Anordnungen von Strukturelementen 14 ausgewählt werden. Beispielsweise kann ein maximaler Grenzwert für eine Strukturbreite oder einer Gitterkonstante angegeben werden. Strukturelemente mit geringeren Breiten als dieser Grenzwert werden ausgewählt. Den ausgewählten Elementen wird die Eigenschaft zugeordnet, bei der Herstellung der Photomaske im Rahmen eines Quarzätzschrittes gebildet zu werden. Die anderen Strukturelemente 18, 8 des Layouts des auf dem Wafer zu bildenden Musters 1 werden mit der Eigenschaft versehen, bei der Maskenherstellung im Rahmen der Öffnung einer Schicht aus semitransparentem Material gebildet zu werden.
Das semitransparente Material ist beispielsweise Molybdän-Silizid oder ein gleichwertiges Material. Die Dicke dieser Schicht ist vorzugsweise dergestalt, dass einfallendes Licht mit einem Phasenhub von 180° bei einer Unsicherheit von maximal 20° gegenüber einem das umgebende, nicht geätzte Maskensubstrat 58 transmittierenden Lichtstrahl beaufschlagt wird.
Die eigentliche Maskenherstellung erfolgt bevorzugt durch einen ersten Maskenlithographieschritt mit einer Ätzung von absorbierendem Material, beispielsweise Chrom, das auf einer Molybdän-Silizidschicht angeordnet ist, mit Elektronenlithographie. Natürlich sind optische Maskenlithographie mit tiefem W oder andere moderne Techniken für die Maskenbelichtung nicht ausgeschlossen.
7 zeigt eine Abfolge von Schritten zur Herstellung des in 5a gezeigten Musters, 8 zeigt eine Abfolge von Schritten zur Herstellung des in 5b gezeigten Musters.
Zunächst wird ein auf beiden Schichten (Cr und MoSi) angeordneter Resist in einem Maskenschreibgerät bestrahlt. Die bestrahlten und entwickelten Strukturen werden in die Chrom- und die Molybdän-Silizidschicht in einem anisotropen Ätzschritt übertragen. Die Ausdehnung der bestrahlten und bis zum Maskensubstrat 58 geätzten Flächen entspricht in den 7a und 8a den hell gezeichneten Flächen. Stehengebliebene Resiststrukturen 101 einschließlich der darunter verborgenen Absorberstrukturen sind dunkel eingezeichnet.
Es wird der zweite Maskenlithographieschritt durchgeführt, in welchem die Öffnungen der im Quarz des Maskensubstrates 58 zu ätzenden 180°-Bereiche freigelegt werden. Diese Flächen entsprechen in 7b und 8b den nicht vom weiteren Resist 102 oder absorbierender ätzresistenter Schicht 103 eingenommenen Bereichen. Ein demgemäß bestrahlter Resist wird entwickelt und als Ätzmaske für den Quarzätzschritt in das Maskensubstrat 58 verwendet. Die Ätztiefe wird in Abhängigkeit von der Lichtwellenlänge des für die Projektion auf dem Wafer vorgesehenen Belichtungsapparates ausgewählt.
Die 7c und 8c entsprechen den 5a und 5b.
Zusammen mit den Strukturelementen 52, 55 bzw. dem in das Quarzsubstrat 58 geätzten Gräben können RIM-Strukturen oder Phasenassiststrukturen unmittelbar an die semitransparenten Strukturelemente 50, 54 angrenzend bzw. darin befindlich gebildet werden. D.h., durch die gemeinsame Ätzung mit den Strukturelementen 52 ist kein zusätzlicher Mehraufwand erforderlich. Der für den zweiten Maskenlithographieschritt aufgebrachte Resist wird nun entfernt und der noch auf dem semitransparenten Material bzw. der Molybdän-Silizidschicht vorhandene Absorber (Chromschicht) kann nun entfernt werden. Die durch den ersten Maskenlithographieschritt definierten Bereiche liegen nun als erhabene, semitransparente Strukturelemente 50, 54 vor, die im zweiten Maskenlithographieschritt definierten Bereiche liegen nun als transparente, phasenschiebende Gräben vor, welche die Strukturelemente 52, 55 bilden, entweder als Trench (5a) oder als Mesa (5b).
Ein Anwendungsbeispiel der schematisch in den 1, 5 dargestellten Muster betrifft eine Wortleitungsebene (Gate Conductor Level) in einem dynamischen Speicherbaustein. Die Schaltungsebene umfaßt eine Anzahl parallel angeordneter, langer Leiterbahnen, die Wortleitungen, welche am Rande des betreffenden Zellenfeldes des Speicherbausteines mit peripheren Anschlußleitungen, z.B. Pads, versehen sind. Die Wortleitungen besitzen eine Strukturbreite von 90 nm. Die Pads und die Anschlußleitungen zum Kontaktieren der Pads besitzen Breiten von weit mehr als 100 nm. Es wird für die Abbildung ein 10 %iges Toleranzbudget für die Strukturbreite (Critical Dimension) vorgegeben. Maskenfehler werden zu +/– 10 nm auf einer Maske angenommen, die vierfach verkleinert abgebildet wird.
Aufgrund von deren Periodizität oder alternativ aufgrund der geringen Strukturbreite werden ausschließlich die Wortleitungen des Speicherzellenfeldes ausgewählt, um für deren Bildung auf der Photomaske als Strukturelemente 52, 55 Gräben in der Oberfläche des Maskensubstrates 58 vorzusehen. Die restlichen Strukturelemente auf der Maske, die zur Bildung der Support- und Peripheriestrukturen einschließlich der Pads dienen, werden als semitransparente Strukturelemente 50, 54 ausgebildet.
In 6 ist das Ergebnis einer Simulation der Projektion mit der entsprechenden Photomaske auf einem Wafer in Bezug auf den Dosisspielraum als Funktion des Defokus (Prozessfenster) dargestellt. Die Kurve 80 zeigt, dass ein 5 %iger Dosisspielraum, welcher einem objektiven Gütekriterium für die Abbildung bei 0.4 μm Tiefenschärfe (Defokus) entspricht, nahezu erreicht wird. Bei einer Verringerung des Maskenfehlers (Gleichförmigkeit der Strukturbreiten auf der Maske) sind noch bessere Ergebnisse – insbesondere das Erreichen des genannten Gütekriteriums – zu erwarten.
Die Kurve 70 zeigt ein mit der Halbtonphasenmaskentechnik (analog 2) erzieltes Ergebnis in Bezug auf das Prozessfenster. Offensichtlich ist das Prozessfenster bei diesem Beispiel gemäß dem Stand der Technik (2) erheblich reduziert. Eine unter den genannten Bedingungen zufriedenstellende Abbildung kann für die 90 nm Knoten für die Wortlei tungsebene mit den Mitteln des Standes der Technik kaum erreicht werden.
Weitere Anwendungen der erfindungsgemäßen Phasenschiebermaske betreffend im Falle dynamischer Speicherbausteine als integrierte Schaltungen die Ebenen zur Bildung aktiver Gebiete im Speicherzellenfeld, welche im Unterschied zur Peripherie in CPL-Technik gebildet werden. Die Anwendung wird hier besonders vorteilhaft, weil das Speicherzellenfeld und der Peripheriebereich in dieser Ebene nicht miteinander verbunden sind.
Ein weiteres Beispiel betrifft die unterste Metallisierungsebene (Bitleitungen), welche im Bereich des Speicherzellenfeldes wiederum in CPL-Technik ausgeführt werden, wobei die aus dem Zellenfeld in den Support- oder Peripheriebereich laufenden Bahnen auf der Maske einen Übergang eines grabenartigen Strukturelementes 52 zu einem erhabenen, semitransparenten Strukturelement 54 erfordern.
Im Anwendungsbereich der Logikschaltungen kommen häufig isolierte oder semiisolierte, hingegen sehr dünne Leiterbahnen vor. Hier wird nicht nach der Periodizität ausgewählt, sondern ausschließlich nach der Strukturbreite, wobei die sehr dünnen Leiterbahnen als grabenartige Strukturelemente 52 ausgebildet werden, während der Rest als semitransparente Strukturelemente 54 ausgeführt werden.

1: Muster
8 – 18: Strukturelemente im Schaltungslayout bzw. zu bilden auf dem Wafer
19: Substrat
20 – 27: Strukturelemente eines Musters auf Maske in Halbtonphasenmaskentechnik
28: transparentes Maskensubstrat
30, 37, 38: opake Strukturelemente
32, 33, 381: Strukturelemente in RIM-Technik (Gräben)
34, 382: Strukturelemente in CPL-Technik (Gräben)
37: SRAF-Hilfsstrukturen
39: transparentes Maskensubstrat
40, 44, 46: opake Strukturelemente teils in Streifentechnik
43, 45, 42: Strukturelemente in RIM- und Streifentechnik
48: transparentes Maskensubstrat
50, 54, 53: semitransparente Strukturelemente (erfindungsgemäß)
52, 55: grabenartige Strukturelemente (erfindungsgemäß)
51: SRAF-Hilfsstrukturen als Spalter in semitransparenter Schicht
58: volltransparentes Maskensubstrat
80: Prozessfensterkurve (erfindungsgemäß)
70: Prozessfensterkurve (Stand der Technik, Halbtonphasenmaske
101: Resist (1. Belichtungsschritt)
102: weiterer Resist (2. Belichtungsschritt)
103: weitere Absorberschichten

Claims

Phasenschiebermaske für die Projektion eines auf der Maske gebildeten Musters (1) von Strukturelementen auf einen Halbleiterwafer, umfassend: – einen ersten Anteil (4) des im Falle einer lithographischen Projektion zu bildenden Musters (1), bei dem erste Strukturelemente (50, 53, 54) des Musters (1) als erhabene Stege aus einem semitransparenten, phasenschiebenden Material, das auf einer ebenen Oberfläche eines transparenten Maskensubstrates (58) der Phasenschiebermaske angeordnet ist, derart gebildet sind, dass ein das Maskensubstrat (58) innerhalb der ersten Strukturelemente (50, 53, 54) transmittierender Lichtstrahl einen Phasensprung von 180 +/– 20 Grad gegenüber einem das Maskensubstrat (58) auf der ebenen Oberfläche außerhalb der ersten Strukturelemente (50, 53, 54) transmittierenden Lichtstrahl erfährt; – einen vom ersten Anteil (4) getrennten zweiten Anteil (6) des im Falle einer lithographischen Projektion zu bildenden Musters, bei dem zweite Strukturelemente (52, 55) des Musters durch Gräben mit eng benachbarten Grabenkanten in der ebenen Oberfläche des Maskensubstrates (58) mit einer Tiefe derart gebildet sind, dass ein das Maskensubstrat (58) innerhalb der Gräben transmittierender Lichtstrahl einen Phasensprung von 180 +/– 20 Grad gegenüber einem das Maskensubstrat (58) auf der ebenen Oberfläche außerhalb der Gräben transmittierenden Lichtstrahl erfährt, wobei der zweite Anteil (6) des Musters frei von semitransparentem, phasenschiebendem Material ist.
Phasenschiebermaske für die Projektion eines auf der Maske gebildeten Musters (1) von Strukturelementen auf einen Halbleiterwafer, umfassend: – einen ersten Anteil (4) des im Falle einer lithographischen Projektion zu bildenden Musters (1), bei dem erste Strukturelemente (50, 53, 54) des Musters als erhabene Stege aus einem semitransparenten, phasenschiebenden Material, das auf einer ebenen Oberfläche eines transparenten Maskensubstrates (58) der Phasenschiebermaske angeordnet ist, derart gebildet sind, dass ein das Maskensubstrat (58) innerhalb der ersten Strukturelemente (50, 53, 54) transmittierender Lichtstrahl einen Phasensprung von 180 +/– 20 Grad gegenüber einem das Maskensubstrat (58) auf der ebenen Oberfläche außerhalb der ersten Strukturelemente (50, 53, 54) transmittierenden Lichtstrahl erfährt; – einen vom ersten Anteil (4) getrennten zweiten Anteil (6) des im Falle einer lithographischen Projektion zu bildenden Musters, bei dem zweite Strukturelemente (52, 55) des Musters durch Stege mit eng benachbarten Stegkanten innerhalb einer mit der Tiefe in die Oberfläche des Maskensubstrates (58) eingeätzten Oberfläche (58') derart gebildet sind, dass ein das Maskensubstrat (58) innerhalb der Stege transmittierender Lichtstrahl einen Phasensprung von 180 +/– 20 Grad gegenüber einem das Maskensubstrat (58) auf der ebenen Oberfläche außerhalb der Stege transmittierenden Lichtstrahl erfährt, wobei der zweite Anteil (6) des Musters frei von semitransparentem, phasenschiebendem Material ist.
Phasenschiebermaske nach Anspruch 1 oder 2, bei der weitere durch Gräben gebildete Strukturelemente wenigstens teilweise unmittelbar als RIM-Strukturen an die ersten Strukturelemente (50, 53, 54) angrenzen.
Phasenschiebermaske nach Anspruch 1, bei der die durch Gräben gebildeten zweiten Strukturelemente (52, 55) vollständig von einer ebenen Oberfläche umgeben sind, welche von jeglichem Material freigelegt ist.
Phasenschiebermaske nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die durch eng benachbarte Graben- oder Stegwände gebildeten zweiten Strukturelemente (52, 55) jeweils eine Breite besitzen, welche geringer als ein oder gleich einem vorbestimmter/n Grenzwert ist.
Phasenschiebermaske nach Anspruch 5, bei der der Grenzwert 90 Nanometer beträgt.
Phasenschiebermaske nach Anspruch 5, bei der der Grenzwert 70 Nanometer beträgt.
Phasenschiebermaske nach Anspruch 5, bei der der Grenzwert 60 Nanometer beträgt.
Phasenschiebermaske nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der die durch semitransparentes, phasenschiebendes Material gebildeten ersten Strukturelemente (50, 53, 54) jeweils eine Breite besitzen, welche größer als der vorbestimmte Grenzwert ist.
Phasenschiebermaske nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der – das Muster (1) eine Schaltungsebene eines Speicherbausteins mit einem Zellenfeld repräsentiert; – der erste Anteil (4) alle im Support- oder Peripheriebereich außerhalb des Zellenfelds angeordneten Strukturelemente umfasst; und – der zweite Anteil (6) alle innerhalb des Zellenfeldes angeordneten Strukturelemente umfasst.
Verfahren zum Bilden des Musters auf der Phasenschiebermaske nach einem der Ansprüche 1 bis 10 umfassend die Schritte: – Bereitstellen eines Maskenrohlings mit einem Maskensubstrat, einer semitransparenten, phasenschiebenden Schicht, einer Absorberschicht und einem photoempfindlichen Resist, – Belichten und Entwickeln des Resists, so dass von dem ersten Anteil (4) zu bildende Hellgebiete und von dem zweiten Anteil (6) zu bildende Hell- und Dunkelgebiete in dem Resist geöffnet werden, – Übertragen der Hellgebiete des ersten Anteils (4) zur Bildung der ersten Strukturelemente (50, 54, 55) und der Hell- und Dunkelgebiete des zweiten Anteils (6) des Musters (1) in die Absorberschicht und in die semitransparente Schicht in einem Ätzschritt, – Entfernen des Resists (101) und erneutes Auftragen eines weiteren Resists (102), – Belichten und Entwickeln des weiteren Resists zum Abdecken von durch die übertragenen Hellgebiete des ersten Anteils (4) gebildeten Öffnungen in der Absorber- und der semitransparenten Schicht und zum Öffnen a) der auf der Maske zu bildenden Dunkelgebiete, oder b) der auf der Maske zu bildenden Hellgebiete des zweiten Anteils (6) des Musters (1) in dem Resist, – Übertragen der durch die Dunkel- oder durch die Hellgebiete des zweiten Anteils (6) gebildeten Öffnungen von dem Resist in das Maskensubstrat (58) bis zu einer Tiefe, welche einen Phasenunterschied von 180 +/– 20° der durchtretenden Lichtstrahlen gegenüber Maskenbereichen ohne Absorber, die keine Maskensubstratätzung erfahren haben, repräsentiert, in einem Ätzschritt zur Bildung der zweiten Strukturelemente, wobei die zweiten Strukturelemente (52, 55) a) als Steg im Falle der übertragenen Hellgebiete oder b) als Graben im Falle der übertragenen Dunkelgebiete mit jeweils eng benachbarten Steg- oder Grabenwänden gebildet werden und die ersten Strukturelemente aus semitransparentem Material während des Ätzschritts zur Bildung der zweiten Strukturelemente von der Absorberschicht (103) geschützt werden; – Entfernen des weiteren Resists, – Entfernen der Absorberschicht zum Freilegen der semitransparenten, erhabenen Stege der ersten Strukturelemente.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem im Falle der Ätzschritte die Ätzung jeweils anisotrop ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem das erste und das zweite Muster, mit welchen jeweils ein Resist auf der Phasenschiebermaske belichtet wird, derart ausgeführt werden, dass keines der ersten Strukturelemente unmittelbar an eines der zweiten Strukturelemente angrenzt.