DE19503393C2 - Halbton-Phasenschiebermaske und Verfahren zur Herstellung derselben - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Phasenschie­ bermaske, und insbesondere eine Halbton-Phasenschiebermaske, durch die verhindert werden kann, daß Licht unerwünschte Be­ reiche unter der Maske durchdringt, so daß ein Photoresistmu­ ster mit hochgradig glattem Profil erhalten werden kann. Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Her­ stellung einer derartigen Halbton-Phasenschiebermaske.

Die EP 0 567 169 A1 beschreibt eine Phasenschiebermaske und deren Herstellungsverfahren. Die Phasenschiebermaske besteht aus gleichförmig lichtabsorbierenden Phasenschieberstrukturen, die die Chrommuster herkömmlicher Masken ersetzen. Die Phasen­ schiebermaske besteht dabei aus lichtundurchlässigen absorbie­ renden Schichten und aus phasenverschiebenden Schichten, wobei der Umfang der Phasenverschiebung zur Optimierung des Bildes angepaßt wird.

Um dem jüngsten Trend einer hohen Integration von Halbleiter­ vorrichtungen zu entsprechen, ist es erforderlich, daß Drähte hinsichtlich ihrer Abmessung und des Abstands zwischen ihnen vermindert oder verkleinert werden können, und daß Einheits­ elemente, wie beispielsweise Transistoren und Kondensatoren kleiner werden. Dadurch werden die ausgebildeten Muster fei­ ner, während die Anzahl der Schritte, die zur Herstellung hochintegrierter Halbleiter erforderlich sind, allgemein grö­ ßer wird.

Beim Durchführen eines typischen photolithographischen Prozes­ ses für eine Halbleitervorrichtung wird eine Maske verwendet, die ein transparentes Substrat, wie beispielsweise Quarz um­ faßt, auf dem optisch undurchsichtige Muster durch Aufbringen von Chrom oder Aluminium und Ätzen derselben mit einem Ionen­ strahl ausgebildet werden. Unter Verwendung der typischen Mas­ ke ist es jedoch schwierig, ein feines Muster kleiner oder feiner als die Lichtauflösung auszubilden. Tatsächlich ist es unmöglich, feine Muster mit einer Linienweite von 0,5 µm oder weniger unter Verwendung eines aktuellen Photoresists und ak­ tueller Belichtungsanlagen zu erhalten.

Extrem hochintegrierte Halbleitervorrichtungen, wie bei­ spielsweise ein DRAM mit 64 M oder mehr, erfordern feine Muster von 0,4 µm oder weniger bzw. feiner. Verschiedene Be­ mühungen sind unternommen worden, um diese Bedürfnisse zu erfüllen. Bei einer Bemühung zur Entwicklung hochintegrier­ ter Halbleitervorrichtungen wurden Phasenschiebermasken ent­ wickelt. Tatsächlich lassen sich ultrafeine Muster durch Phasenschiebermasken durchaus erzeugen.

Eine Phasenschiebermaske umfaßt allgemein ein Quarzsubstrat, optisch undurchsichtige Muster und eine Phasenschiebermate­ rialschicht. Die Phasenschiebermaterialschicht ist entlang der optisch undurchsichtigen Muster auf dem Quarzsubstrat ausgebildet und dient zur Verschiebung eines Lichtstrahls mit einem Winkel von 180°. Eine derartige Phasenschiebermas­ ke ist dazu ausgelegt, die Amplitute eines Lichtstrahls, der bei Belichtungsprozessen auf einen Wafer gerichtet wird, konstant zu halten, und die Belichtung zu minimieren, die durch eine Interferenz zwischen einem Licht, das das Phasen­ schiebermaterial durchsetzt und einem Licht verursacht wird, das ein Muster benachbart zu der Phasenschiebermaterial­ schicht durchsetzt, wodurch die Auflösung des Photoresist­ filmmusters verbessert wird.

Um das Kontrastverhältnis von auf einen Photoresistfilm ge­ richtetem Licht zu verbessern, wird das Phasenschiebermate­ rial mit einem Brechungsindex n in der Schiebermaske mit ei­ ner Dicke derart ausgebildet, daß die Phase von mit einer Wellenlänge λ einfallendem Licht mit einem Winkel von 160 bis 200° verschoben wird. Wenn es sich bei dem einfallenden Licht um die G-Linie oder I-Linie handelt und das Phasen­ schiebermaterial ein Oxid, Nitrid oder ein Aufschleuderglas (spin-on-glass) ist (auf das nachfolgend als "SOG" Bezug ge­ nommen wird), reicht die Dicke des Phasenschiebermaterials von 3400 bis 4000 Å. Eine derartige Phasenschiebermaske er­ möglicht Muster mit einer Weite von 0,3 µm oder weniger selbst dann, wenn herkömmliche Photoresistfilme und Belich­ tungsanlagen verwendet werden.

Unter Phasenschiebermasken wird eine Halbton-Phasenschieber­ maske verwendet, um inter alia Kontaktlochmuster auszubil­ den, und seine Prozeßtauglichkeit hat sich als besser als 50% oder mehr herausgestellt. Bei Verfahren zur Herstellung von Halbleitervorrichtungen ist die Halbton-Phasenschieber­ maske beim Ausbilden feiner Kontaktlöcher im 64 M-Maßstab oder darüber besonders nützlich.

Um den Hintergrund der Erfindung besser verstehen zu können, wird nunmehr in bezug auf die Fig. 1 und 2 eine herkömmliche Halbton-Phasenschiebermaske erläutert.

In Fig. 1 ist ein Querschnitt einer herkömmlichen Phasen­ schiebermaske gezeigt. Wie aus dieser Figur hervorgeht, um­ faßt die herkömmliche Phasenschiebermaske ein Quarzsubstrat 11, auf dem ein Halbton-Lichtdurchdringungsfilmmuster 13 zu­ sammen mit einem Phasenschieberfilmmuster 15 derart ausge­ bildet ist, daß ein Fenster erzeugt wird, durch das das Quarzsubstrat 11 freigelegt wird. Das Halbton-Lichtdurch­ dringungsfilmmuster 13 besteht aus Chrom- oder Aluminiumoxid und hat eine Dicke, daß etwa 5 bis 20% eines einfallenden Lichts hindurchdringen können. Das Phasenschieberfilmmuster 15 besteht aus einem Oxid, Nitrid oder SOG vorbestimmter Dicke.

Wenn Licht auf eine derartige Halbton-Phasenschiebermaske gerichtet wird, wird die Lichtintensität am zentralen Be­ reich des Fensters maximiert und an der Grenze zwischen dem Fenster und dem Muster auf Null reduziert. Die Lichtintensi­ tät an fensterfreien Bereichen wird, obwohl sehr schwach, in einer Menge von etwa 5 bis 20% des einfallenden Lichts er­ mittelt. Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, daß das Licht das Halbton-Lichtdurchdringungsfilmmuster 13 durch­ dringt. Die Intensität des hindurchtretenden Lichts ist na­ türlich proportional zu demjenigen der (eingesetzten) Licht­ quelle. Die Intensität dieses Lichts ist außerdem nicht kon­ stant, sondern selbst an Bereichen unterschiedlich, in denen kein Fenster vorgesehen ist.

In dem Fall, daß ein positiver Photoresistfilm 18, der auf ein Halbleitersubstrat 17 aufgetragen ist, durch Verwendung einer derartigen Halbton-Phasenschiebermaske beleuchtet wird, wird der Bereich des positiven Photoresistfilms 18, der nicht mit einem Muster versehen werden soll, aufgrund der Durchdringung von Licht durch den Lichtschirm belichtet oder beleuchtet und wird dadurch nach der Entwicklung mit einem Muster versehen, wie in Fig. 2 gezeigt. Infolge davon wird ein Photoresistfilm­ muster erhalten, das eine unebene Oberfläche hat.

Ein derartiges Photoresistfilmmuster mit gestufter Oberfläche ist ein Faktor, der die Herstellungsausbeute und die Zuverläs­ sigkeit einer Halbleitervorrichtung verschlechtert. Wenn die­ ses herkömmliche Photoresistfilmmuster beispielsweise als Ätz­ maske oder Ionenimplantationsmaske verwendet wird, kann eine Schicht unter der Maske beschädigt oder Ionen können in unnö­ tige Bereiche implantiert werden.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, die beim Stand der Technik auftretenden Probleme zu überwinden und eine Halbton-Phasenschiebermaske zu schaffen, mit der Licht daran gehindert werden kann, in unerwünschte Bereiche unter der Maske hindurchzudringen, so daß ein Photoresistmu­ ster mit einem hochgradig glatten Profil erhalten werden kann. Außerdem soll durch die Erfindung ein Verfahren zur Herstel­ lung einer derartigen Halbton-Phasenschiebermaske geschaffen werden.

Gelöst wird diese Aufgabe hinsichtlich der Halbton-Phasen­ schiebermaske durch eine Halbton-Phasenschiebermaske mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen und hinsichtlich des Her­ stellungsverfahrens durch ein Verfahren mit den im Anspruch 4 angegebenen Merkmalen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unter­ ansprüchen angegeben.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen bei­ spielhaft näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Querschnittsansicht einer herkömmli­ chen Halbton-Phasenschiebermaske,

Fig. 2 eine schematische Querschnittsansicht eines Photore­ sistfilmmusters auf einem Halbleitersubstrat, das unter Ver­ wendung der Halbton-Phasenschiebermaske von Fig. 1 ausgebildet ist,

Fig. 3 eine schematische Querschnittsansicht einer erfindungs­ gemäßen Halbton-Phasenschiebermaske und

Fig. 4 bis 9 schematische Querschnittsansichten zur Erläute­ rung eines Verfahrens zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Halbton-Phasenschiebermaske.

Die Fig. 1 und 2 sind einleitend anhand des Standes der Tech­ nik erläutert worden. Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Fig. 3 bis 9 näher erläutert, wobei für gleiche Teile die­ selben Bezugsziffern verwendet werden.

In Fig. 3 ist eine erfindungsgemäße Halbton-Phasenschiebermas­ ke gezeigt. Wie aus dieser Figur hervorgeht, umfaßt die Halb­ ton-Phasenschiebermaske ein transparentes Substrat, beispiels­ weise ein Quarzsubstrat 21, ein optisch undurchsichtiges Mu­ ster 24, beispielsweise aus Chrom, das auf dem transparenten Substrat 21 ausgebildet ist, und ein Phasenschiebermuster 25', das mit einem Halbton-Lichtdurchdringungsfilmmuster 23' abge­ deckt ist, wobei das Phasenschiebermuster 25' neben dem op­ tisch undurchlässigen Muster 24 derart vorgesehen ist, daß ein Fenster zum Belichten eines vorbestimmten Bereichs des trans­ parenten Substrats 12 erzeugt ist.

Während das Phasenschiebermuster 25' aus einem Material be­ steht, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus SOG, einem Oxid und einem Nitrid besteht, besteht das Halbton-Licht­ durchdringungsfilmmuster 23' aus Chrom- oder Aluminiumoxid. Gemäß der vorliegenden Erfindung hat der Halbton-Lichtdurch­ dringungsfilm 23 eine Dicke von 100 bis 150 Å, so daß 5 bis 20% eines einfallenden Lichts hindurchdringen können.

Im Gegensatz zu der herkömmlichen Phasenschiebermaske ver­ hindert die erfindungsgemäße Halbton-Phasenschiebermaske das Eindringen oder Durchdringen von Licht in Bereichen, in de­ nen kein Fenster vorhanden ist. Wenn ein Belichtungsprozeß mit der erfindungsgemäßen Halbton-Phasenschiebermaske durch­ geführt wird, kann deshalb ein Photoresistfilmmuster mit glatter Oberfläche erhalten werden. Die erfindungsgemäße Halbton-Phasenschiebermaske hat deshalb den Vorteil, inter alia feine Kontaktlöcher auszubilden.

Die bevorzugten Verfahrensschritte zur Ausbildung der in Fig. 3 gezeigten Halbton-Phasenschiebermaske werden nachfol­ gend allgemein in Verbindung mit den Fig. 4 bis 9 erläutert.

Wie in Fig. 4 gezeigt, werden auf einem transparenten Substrat 21, beispielsweise einem Quarzsubstrat, aufeinan­ derfolgend eine Phasenschieberschicht 25 aus Oxid, Nitrid oder SOG und eine Halbton-Lichtdurchdringungsmaske 23 aus Chrom- oder Aluminiumoxid ausgebildet. Die Halbton-Licht­ durchdringungsschicht 23 wird mit einer Dicke von etwa 100 bis 150 Å ausgebildet, damit 5 bis 20% eines einfallenden Lichts hindurchdringen können.

Wie in Fig. 5 gezeigt, werden die Halbton-Lichtdurchdrin­ gungsschicht 23 und die Phasenschieberschicht 25 einer Io­ nenstrahlätzung ausgesetzt, um ein Fenster auszubilden, das einen vorbestimmten Bereich des transparenten Substrats 21 freilegt.

Wie in Fig. 6 gezeigt, wird daraufhin ein negativer Ab­ deckungsphotoresistfilm über die resultierende Struktur von Fig. 5 aufgetragen und daraufhin einem Lichtstrahl ausge­ setzt, der eine größere Energie hat, als diejenige, die zum Aushärten des negativen Photoresistfilms erforderlich ist, wobei der Lichtstrahl von der Rückseite des transparenten Substrats 21 einfällt, wobei der Photoresistfilm abschlie­ ßend entwickelt wird, um ein Photoresistfilmmuster 28 auszu­ bilden, das das Fenster und einen Kantenbereich der Halbton- Lichtdurchdringungsschicht 23 bedeckt. Das bedeutet, daß dieser photolithographische Prozeß das Fenster als Schlitz verwendet, von dem ausgehend der Strahl gebrochen wird, wo­ bei die verbleibende Phasenschieberschicht 25 und die Halb­ ton-Lichtdurchdringungsschicht 23 als Maske verbleiben. Durch die Brechung ist der belichtete Bereich des Photore­ sistfilms weiter als das Fenster.

Wie in Fig. 7 gezeigt, wird das Photoresistfilmmuster 28 daraufhin durch Ausglühen bei einer Temperatur von 130°C oder darüber mit dem Ziel ausgehärtet, es in die Lage zu versetzen, einen darauffolgenden Ätzprozeß zu überdauern, und ein Ätzprozeß wird durchgeführt, um ein Halbton-Licht­ durchdringungsmuster 23' und ein Phasenschiebermuster 25', das mit dem Fenster versehen ist, auszubilden, wobei das Photoresistfilmmuster 28 als Maske dient.

Über der resultierenden Struktur wird daraufhin, wie in Fig. 8 gezeigt, Chrom- oder Aluminiumoxid mit einer Dicke nieder­ geschlagen, die ausreicht, um Licht abzuschirmen, um eine optisch undurchsichtige Schicht 24 auszubilden.

Zuletzt wird, wie in Fig. 9 gezeigt, das Photoresistfilmmu­ ster 28 zusammen mit einem Bereich der optisch undurchsich­ tigen Schicht 24, die das Photoresistfilmmuster 28 bedeckt, durch Abziehen beseitigt. Dadurch bleibt eine optisch un­ durchsichtige Schicht 24 zurück, die sämtliche Bereiche des transparenten Substrats 21 bis auf den vorbestimmten freizu­ legenden Bereich bedeckt.

Wie vorstehend beschrieben, wird die erfindungsgemäße Halbtonphasenschiebermaske durch ein Verfahren zubereitet, das allgemein darin besteht, ein Phasenschiebermuster, das mit einem Halbton-Lichtdurchdringungsmuster abgedeckt ist, wobei beide mit einem Fenster versehen sind, auf einem vor­ bestimmten Bereich eines transparenten Substrats auszubil­ den, und ein optisch undurchsichtiges Muster auszubilden, das das gesamte transparente Substrat mit Ausnahme des Pha­ senschiebermusters bedeckt, wobei das Fenster die Intensität des hindurchgehenden Lichts in Bereichen außerhalb des Fen­ sters und der Phasenschiebermaske auf Null vermindert.

Die vorliegende Erfindung kann deshalb das Problem lösen, daß ein unerwünschter Bereich belichtet wird, und es kann ein Photoresistfilmmuster mit einem hochwertigen Profil un­ ter Verwendung der erfindungsgemäßen Halbton-Phasenschieber­ maske erhalten werden. Dieses Photoresistfilmmuster kann als Maske zum Ätzen oder für eine Ionenimplantation verwendet werden, wodurch die Beschädigung einer Schicht unter der Maske verhindert wird. Die erfindungsgemäße Halbton-Phasen­ schiebermaske bewirkt dadurch eine Verbesserung der Produk­ tionsausbeute und der Zuverlässigkeit einer Halbleitervor­ richtung.

Weitere Merkmale, Vorteile und Ausführungsformen der vorste­ hend beschriebenen Erfindung ergeben sich für den Fachmann aus dem Studium der vorstehenden Beschreibung. Obwohl spezi­ elle Ausführungsformen der Erfindung im einzelnen erläutert worden sind, können Abwandlungen und Modifikationen dieser Ausführungsformen durchgeführt werden, ohne vom Geist und Umfang der beanspruchten Erfindung abzuweichen.

Claims (7)

1. Halbton-Phasenschiebermaske mit
einem transparenten Substrat (21), auf dem ein Phasen­ schiebermuster (25'), welches von einem Halbton-Lichtdurch­ dringungsmuster (23') überzogen ist, in einem ersten Flächenbereich der Substratoberfläche vorgesehen ist,
wobei ein Teil des Lichts, welches auf den ersten Flächen­ bereich trifft, durch beide Muster (23', 25') hindurch­ dringt,
einem Fenster, welches in das von dem Halbton-Lichtdurch­ dringungsmuster (23') überzogenen Phasenschiebermuster (25') geätzt ist und durch welches ein zweiter Flächenbe­ reich der Substratoberfläche dem einfallenden Licht direkt ausgesetzt ist, und mit
einer optisch undurchsichtigen Schicht (24), welche die übrige Substratoberfläche abdeckt und welche einfallendes Licht von der Substratoberfläche abschirmt.

2. Halbton-Phasenschiebermaske nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbton-Lichtdurchdringungsmuster (23') aus Chrom- oder Aluminiumoxid besteht.

3. Halbton-Phasenschiebermaske nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbton-Lichtdurchdringungsmuster (23') etwa 100 bis 150 Å dick ist, so daß etwa 5 bis 20% des einfallenden Lichtes das Muster durchdringen.

4. Verfahren zur Herstellung einer Halbton-Phasenschiebermas­ ke, welches die folgenden Schritte aufweist:
Überziehen eines transparenten Substrates (21) mit einer Phasenschieberschicht (25) und einer Halbton-Lichtdurch­ dringungsschicht (23),
selektives Ätzen der Phasenschieberschicht (25) und der darüberliegenden Halbton-Lichtdurchdringungsschicht (23) zur Ausbildung eines Fensters, welches einen vorbestimmten Oberflächenbereich des Substrates (21) freilegt,
Auftragen eines negativen Abdeckungsphotoresistfilms über der resultierenden Struktur,
Belichten des aufgetragenen Photoresistfilms mittels Licht, welches von der Rückseite des transparenten Substrates (21) einfällt,
Entwickeln des belichteten Photoresistfilms zur Ausbildung eines Photoresistfilmmusters (28), welcher das Fenster und einen um das Fenster herum gelegenen Randbereich der Halbton-Lichtdurchdringungsschicht (23) bedeckt,
selektives Ätzen der Phasenschieberschicht (25) und der darüberliegenden Halbton-Lichtdurchdringungsschicht (23) mit dem Photoresistfilmmuster (28) als Maske zur Ausbildung eines Phasenschiebermusters (25') und eines Halbton-Licht­ durchdringungsmusters (23'),
Auftragen einer optisch undurchsichtigen Schicht (24) über der resultierenden Struktur,
Entfernen des Photoresistfilmmusters (28),
wobei die undurchsichtige Schicht (24) als optisch undurch­ sichtiges Muster um das Fenster und dessen mit Phasen­ schieber- und Halbton-Lichtdurchdringungsmuster (23', 25') überzogenen Randbereich herum verbleibt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht, mit welchem der Photoresistfilm belichtet wird, eine größere Energie aufweist als zum Aushärten des negativen Photoresistfilms notwendig ist.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Photoresistfilmmuster (28) bei einer Temperatur von etwa 130° oder darüber vor dem selektiven Ätzen ausgehärtet wird.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbton-Lichtdurchdringungsmuster (23') mit einer Dicke von 100 bis 150 Å ausgebildet wird, damit etwa 5 bis 20% des einfallenden Lichtes das Muster durchdringen.