DE19609297A1 - Projektionsbelichtungsverfahren und hierfür verwendbare Maske - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Projektionsbelichtungsver­ fahren und eine hierfür verwendbare Maske.

Es ist allgemein bekannt, daß mittels Fotolithographie unter­ schiedliche Strukturen in Halbleiterbauelementen erzeugt wer­ den können. Bei dieser fotolithographischen Technik zur Strukturerzeugung wird auf eine Schicht, z. B. eine isolieren­ de oder eine leitfähige Schicht, in welcher eine Struktur auszubilden ist, ein Fotoresistfilm aufgebracht, dessen Lös­ lichkeit in Abhängigkeit von einer Bestrahlung, z. B. mittels Röntgenstrahlen oder ultraviolettem Licht, variiert. Nachdem ein vorbestimmter Bereich des Fotoresistfilms dem Licht aus­ gesetzt wurde, wird eine Fotoresistfilmstruktur dadurch er­ zeugt, daß ein Teil mit einer hohen Löslichkeit gegenüber ei­ ner Entwicklungslösung entfernt wird. Der freigelegte Teil des Films, in welchem die Struktur auszubilden ist, wird dann durch Ätzen entfernt, so daß unterschiedliche Strukturen, wie Verdrahtungen oder Elektroden, erzeugt werden können.

Dementsprechend spielen Belichtungsgeräte für den Struktur­ bildungsprozeß eine bedeutsame Rolle. Es gibt unterschiedli­ che Typen von Belichtungsgeräten, z. B. Kontaktbelichtungsge­ räte, Abstandsbelichtungsgeräte und Projektionsbelichtungsge­ räte. In jüngerer Zeit werden als Projektionsbelichtungsgerä­ te aufgrund von deren höheren Auflösungsfähigkeiten bei der Strukturerzeugung hauptsächlich Stepper eingesetzt, wie sie von GCA aus USA sowie Nikon und Cannon aus Japan gefertigt werden.

Da eine immer höhere Integration für integrierte Halbleiter­ schaltkreise gefordert wird, wird die minimale Strukturele­ mentabmessung sehr gering. Dementsprechend wird für das Be­ lichtungsgerät eine Lichtquelle mit einer kürzeren Wellenlän­ ge benötigt, die im Bereich zwischen einer Wellenlänge von 0,365µm der i-Linie bis zu einer Wellenlänge von 0,248µm im tiefen UV-Bereich liegt. Beispielsweise wird für 256M-DRAMs eine minimale Strukturelementabmessung von etwa 0,25µm benö­ tigt, was nahezu dem Wert einer Belichtungswellenlänge einer Stepperanlage entspricht, die einen KrF-Excimerlaser als Lichtquelle verwendet. In diesem Fall wird eine Fotore­ siststruktur auf einem Wafer aufgrund der durch die Maske verursachten Beugung und Interferenz des einfallenden Lichtes merklich deformiert. Besonders die Deformation bei feinen Strukturen mit einer der Wellenlänge der belichtenden Licht­ quelle entsprechenden Abmessung ist schwerwiegend.

Um die obige Schwierigkeit zu überwinden, ist zur Auflösungs­ verbesserung bereits ein Phasenschiebungsverfahren unter Ver­ wendung einer Maskenstruktur vorgeschlagen worden. Bei dem Phasenschiebungsverfahren wird die Struktur unter Verwendung einer Maske, die ein Phasenschiebungselement beinhaltet, nachfolgend als Phasenschiebungsmaske bezeichnet, belichtet. Die Phasenschiebungsmaske erhöht die Auflösung bzw. die Tie­ fenschärfe durch Ausnutzen von wenigstens partieller Lichtin­ terferenz, um eine Struktur mit einer gewünschten Abmessung zu belichten. Wenn das Licht ein Maskensubstrat oder einen phasenschiebenden Film passiert, verringert sich die Licht­ wellenlänge auf den Wert der Wellenlänge dividiert durch den Brechungsindex. Es tritt daher eine Lichtwegdifferenz für Lichtstrahlen gleicher Phase auf, je nachdem, ob die Phasen­ schiebung vorliegt oder nicht. Dabei gilt θ=2πt(n-1)/λ mit der Lichtwegdifferenz θ, dem Brechungsindex n des phasen­ schiebenden Elementes, der Dicke t des phasenschiebenden Ele­ mentes und der verwendeten Wellenlänge λ. Wenn θ=π ist, be­ sitzt das durch das phasenschiebende Element hindurchgetrete­ ne Licht die umgekehrte Phase. Da folglich das Licht, das durch einen lichttransparenten Bereich hindurchtritt, und dasjenige, das durch ein phasenschiebendes Element hindurch­ tritt, um 180° außer Phase sind, geht die Lichtstärke im Grenzbereich der Struktur gegen null, was durch Anordnen des phasenschiebenden Elementes an der Kante der Maskenstruktur zu einer Erhöhung des Kontrastes führt.

Die Fig. 1A bis 1C zeigen Ansichten zur Veranschaulichung des minimalen Rastermaßes, das für die Strukturbildung er­ reichbar ist, wenn eine herkömmliche Transmissionsmaske bzw. eine Phasenschiebungsmaske verwendet werden. Spezieller zeigt

Fig. 1A eine Ansicht, welche die Verteilung der Amplitude und der räumlichen Frequenz, d. h. Wellenzahl, illustriert, wenn die herkömmliche Transmissionsmaske verwendet wird, während die Fig. 1B und 1C Ansichten darstellen, welche die Ver­ teilung von Amplitude und räumlicher Frequenz, d. h. Wellen­ zahl, illustrieren, wenn eine herkömmliche Phasenschiebungs­ maske vom Levenson-Typ bzw. eine Grauton-Phasenschiebungs­ maske verwendet werden.

Allgemein ist das minimale Rastermaß zur Strukturerzeugung bei einer Struktur vom Linien-Zwischenraum-Typ wie folgt ge­ geben:

Rastermaß < 1/ν_c, ν_c=NA/λ (1)

Dabei bezeichnen NA die numerische Apertur einer Linse, λ die Wellenlänge des verwendeten Lichtes und ν_c den kritischen Wert der räumlichen Frequenz. Gleichung (1) bezieht sich auf die in Fig. 1A gezeigte, übliche Transmissionsmaske. Für eine Phasenschiebungsmaske verringert sich die Differenz δν der räumlichen Frequenz zwischen dem Licht 0. Ordnung und dem Licht 1. Ordnung durch Einstellen der Phasendifferenz zwi­ schen den benachbarten Strukturelementen auf 180°, so daß das für die Strukturerzeugung erreichbare Rastermaß verringert werden kann. Dies liegt daran, daß die Amplitudenperiodenlän­ ge d′ der Phasenschiebungsmaske gleich 2d ist, während sie bei der üblichen Transmissionsmaske d beträgt, wenn Licht un­ ter Verwendung einer Maske mit dem Rastermaß d projiziert wird, wie in den Fig. 1A und 1B gezeigt. Denn da der Un­ terschied δν der räumlichen Frequenz zwischen dem Licht 0. Ordnung und dem Licht 1. Ordnung durch 1/d′ gegeben ist, nimmt d′ bei der Transmissionsmaske den Wert d an, während er bei der Phasenschiebungsmaske den Wert 2d annimmt. Als Ergeb­ nis hiervon kann das minimale Rastermaß bei der Phasenschie­ bungsmaske, die im Bereich zwischen -ν_c bis ν_c implementiert werden kann, verglichen mit der Transmissionsmaske um den Faktor 1/2 verringert werden.

Des weiteren bewirkt, wie in Fig. 1C gezeigt, ein Phasenun­ terschied von 90° zwischen den benachbarten Strukturelemen­ ten, daß die Amplitudenperiodenlänge d′ den Wert 4d annimmt und damit den Wert für δν verglichen mit der Transmissions­ maske beträchtlich auf 1/4 verringert. Als Ergebnis hiervon nimmt auch das minimale, zur Implementierung der Struktur er­ reichbare Rastermaß nur 1/4 des Wertes der Transmissionsmaske an.

Die Herstellung von Phasenschiebungsmasken vom Grauton-Typ ist jedoch äußerst aufwendig und kompliziert, wobei sich eine genaue Justierung derselben als praktisch unmöglich heraus­ stellt und die Maske in der Praxis kaum verwendbar ist.

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstel­ lung eines Projektionsbelichtungsverfahrens und einer hierfür verwendbaren Maske zugrunde, mit denen aufgrund eines Phasen­ unterschieds zwischen benachbarten Maskenstrukturelementen eine vergleichsweise hohe Auflösung erzielbar ist.

Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung eines Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ei­ ner Maske mit den Merkmalen des Anspruchs 3. Damit kann das minimale, zur Strukturbildung erreichbare Rastermaß reduziert werden, ohne daß Licht mit einer kürzeren Wellenlänge benö­ tigt wird und ohne daß die numerische Apertur erhöht wird, indem bei gegebener Wellenlänge einer Lichtquelle und gegebe­ ner numerischer Apertur der Unterschied δν der räumlichen Frequenz durch die Maske reduziert wird.

Bei einer Weiterbildung des Verfahrens und der Maske wird die Phasendifferenz auf ndtanθ gesetzt, wobei n den Brechungsin­ dex des Maskensubstrates, d das Rastermaß der Maske und θ den Schrägungswinkel des Maskensubstrats bezeichnen.

Eine bevorzugte, nachfolgend beschriebene Ausführungsform der Erfindung sowie die zu deren besserem Verständnis oben be­ schriebenen, herkömmlichen Beispiele sind in den Zeichnungen dargestellt, in denen zeigen:

Fig. 1A bis 1C Ansichten zur Veranschaulichung des minimalen Rastermaßes, welches bei Verwendung einer herkömmli­ chen Transmissionsmaske bzw. herkömmlicher Phasen­ schiebungsmasken erreichbar ist, und

Fig. 2A bis 2C Ansichten zur Veranschaulichung eines erfin­ dungsgemäßen Projektionsbelichtungsverfahrens, bei dem eine Maske mit verbesserter Auflösung verwendet wird, die ein Maskensubstrat mit einer schräg verlau­ fenden Fläche beinhaltet.

In Fig. 2A ist eine erfindungsgemäße Maske mit verbesserter Auflösung dargestellt, während in den Fig. 2B und 2C die Verteilung der Amplitude bzw. der räumlichen Frequenz darge­ stellt ist, wenn eine Struktur unter Verwendung der erfin­ dungsgemäßen, auslösungsverbessernden Maske erzeugt wird.

Bezugnehmend auf die Fig. 2A bis 2C ist zu erkennen, daß die Oberseite eines Maskensubstrats (10) um einen vorgegebe­ nen Winkel (θ) bezüglich einer zur Lichteinfallsrichtung senkrechten Ebene, die parallel zur Unterseite des Masken­ substrates (10) ist, geneigt verläuft und daß an der Unter­ seite des Maskensubstrats (10) eine lichtundurchlässige Mas­ kenstruktur (12) ausgebildet ist. Bei dieser erfindungsgemä­ ßen Maske ist der Schrägwinkel (θ) der Oberseite des Masken­ substrats (10) so gewählt, daß die Phasendifferenz zwischen zwei benachbarten Strukturelementen den Wert ndtanθ annimmt, wobei n den Brechungsindex von Glas, d. h. dem Material des Maskensubstrats (10), und d das Rastermaß bezeichnen. Auf­ grund einer solchen Phasendifferenz zwischen zwei Struktur­ elementen nimmt, wie in Fig. 2B dargestellt, die Amplituden­ periodenlänge d′ den Wert d′=L·d mit L=λ/ndtanθ an. Dement­ sprechend ist dann der Unterschied δν der räumlichen Fre­ quenz, d. h. der Wellenlängenunterschied zwischen dem Licht 0. Ordnung und dem Licht 1. Ordnung gegeben durch 1/(L·d). Folg­ lich kann der Wert von L durch Wahl eines geeigneten Wertes für den Schrägwinkel (θ) gesteuert werden. Da sich bei gege­ bener Wellenlänge und numerischer Apertur (NA) einer gewähl­ ten Lichtquelle der Wert von δν abhängig vom Rastermaß (d) verringert, kann das minimale, zur Strukturerzeugung erreich­ bare Rastermaß den Wert (1/L) annehmen, so daß eine sehr fei­ ne Struktur erhalten werden kann, ohne eine Lichtquelle mit kürzerer Wellenlänge zu benötigen und ohne die numerische Apertur (NA) zu erhöhen.

Es versteht sich, daß die vorliegende Erfindung nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt ist, sondern Va­ riationen und Modifikationen hiervon umfaßt, soweit sie in den Schutzbereich der Patentansprüche fallen.

Claims (5)

1. Verfahren zur Projektionsbelichtung unter Verwendung einer Maske, dadurch gekennzeichnet, daß ein Objekt unter Verwendung eines für die belichtende Strahlung wenigstens be­ reichsweise transparenten Maskensubstrates belichtet wird, dessen eine, in Strahlungseinfallsrichtung vordere oder hin­ tere Seitenfläche um einen vorgegebenen Winkel (θ) bezüglich einer Richtung senkrecht zur Einfallsrichtung der belichten­ den Strahlung geneigt ist und auf dessen gegenüberliegender Seitenfläche eine für die belichtende Strahlung undurchlässi­ ge Schichtstruktur in einem regelmäßigen Muster gebildet ist, so daß zwischen benachbarten Schichtstrukturelementen eine Phasendifferenz aufgrund der schräg verlaufenden Seite des Maskensubstrates auftritt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, weiter dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Phasendifferenz den Wert n·d·tanθ annimmt, wobei n den Brechungsindex des Maskensubstrats, d das Raster­ maß der Maske und θ den Schrägwinkel der schräg verlaufenden Maskensubstrat-Seitenfläche bezeichnen.

3. Maske zur Projektionsbelichtung, gekennzeichnet durch

• - ein für die belichtende Strahlung wenigstens bereichswei­ se transparentes Maskensubstrat (10), dessen eine, in Strahlungseinfallsrichtung vordere oder hintere Seiten­ fläche um einen vorgegebenen Winkel (θ) bezüglich einer Richtung senkrecht zur Einfallsrichtung der belichtenden Strahlung geneigt ist und
• - eine für die belichtende Strahlung undurchlässige Schichtstruktur (12), die als regelmäßiges Muster auf der der schräg verlaufenden Seitenfläche gegenüberliegenden Seitenfläche des Maskensubstrats (10) gebildet ist.

4. Maske nach Anspruch 3, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die schräg verlaufende Seitenfläche die in Einfallsrich­ tung der belichtenden Strahlung vordere und die gegenüberlie­ gende Seitenfläche die in Einfallsrichtung der belichtenden Strahlung hintere Seitenfläche des Maskensubstrates (10) sind, wobei aufgrund des schräg verlaufenden Maskensubstrats eine Phasendifferenz zwischen benachbarten Maskenstrukturele­ menten auftritt.

5. Maske nach Anspruch 4, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Phasendifferenz den Wert n·d·tanθ annimmt, wobei n den Brechungsindex des Maskensubstrats, d das Rastermaß der Maske und θ den Schrägwinkel des schräg verlaufenden Masken­ substrats bezeichnen.