DE19633320C2 - Verfahren zur verkleinernden Abbildung einer Maske auf einem Substrat und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Korpuskularstrahl-Lithographieverfahren zur verkleinernden Abbildung einer Maske durch Ionen auf einem Halbleitersubstrat, bei dem die Maske mit einem annähernd parallelen, flächigen Strahlbünden durch ein Ablenksystem abgerastert wird und ein verkleinertes Abbild der Maske auf dem Halbleitersubstrat erzeugt wird. Weiterhin wird eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens angegeben.

Gattungsgemäße Verfahren dienen dazu, strukturierte Masken mittels Ionenstrahlen verkleinert auf Halbleitersubstraten abzubilden. Ohne den Umweg über photolithographische Verfahrensschritte lassen sich beispielsweise durch Abbildung der Maske mit Ionen, deren Energien größer als 100 keV sind, Strukturverfahren wie Ion Beam Etching, Dotieren, Sputtern und dergleichen durchführen.

Nach dem Stand der Technik ist es bekannt, die Maske vollständig auszu­ leuchten und gleichzeitig auf das Substrat zu projizieren. Dieses Verfahren ermöglicht es allerdings nicht, die in der Praxis unvermeidlichen Linsenfehler des Abbildungssystems, wie Bildwölbung, Astigmatismus oder Verzeichnung zu korrigieren. Auch ist bei niedrigen Energien die Fokussierung, d. h. die räumliche Auflösung und damit die minimale erreichbare Strukturbreite durch die Coulombabstoßung der geladenen Strahlpartikel limitiert. Die Energie kann allerdings nicht beliebig vorgegeben werden, da diese durch die jeweils angestrebten Effekte vorgegeben ist. Darüber hinaus bringt eine Vergrößerung der Energie einen erheblichen Mehraufwand im Hinblick auf die Ablenkung und Fokussierung des Strahlbündels der herkömmlichen Systeme mit sich.

Weiterhin ist aus der DE 27 02 445 A1 ein korpuskularstrahloptisches Gerät zur verkleinernden Abbildung einer Maske auf ein zu bestrahlendes Präparat bekannt, bei dem nicht die gesamte Maske gleichzeitig abgebildet wird, sondern bei dem die Maske mit einem mindestens annähernd parallelen, flächenhaften Strahlbündel abgerastert wird. Durch diese Maßnahme wird zwar die Auflösung erhöht, indem man die realen Fehler des Kondensorlinsensystems mitberücksichtigt. Der dadurch erreichte Gewinn an Genauigkeit wird allerdings dadurch relativiert, daß die Abbildung über ein Projektionslinsensystem erfolgt, welches aus einer langbrennweitigen Zwischenlinse und einer kurzbrennweitigen Abbildungslinse zusammengesetzt ist. Der Abstand der Linsen ist dabei gleich der Summe ihrer Brennweiten, wobei die Maske in der vorderen Brennebene der Zwischenlinse liegt.

Ein wesentlicher, prinzipieller Nachteil der vorgenannten Vorrichtung und des damit durchgeführten Verfahrens ergibt sich aus dem unvermeidbaren, zwi­ schen den Linsen liegenden Zwischenfokus. Durch die Coulomb-Wechselwir­ kung kommt es in diesem Bereich zu einer Abstoßung der geladenen Partikel, wodurch die Auflösung, d. h. die unterste Strukturgröße ebenfalls begrenzt wird. Auch sind bei der Verwendung von Linsen mit kurzen Feldbreiten, d. h. geringen Abbildungsfehlern, und akzeptablen Objektweiten lediglich Verkleinerungen im Bereich 1 : 10 erzielbar. Dies ist insbesondere im Hinblick auf die geforderten, immer kleineren Strukturbreiten hinderlich.

Die US 4 001 493 schlägt ein Aufzeichnungssystem für einen Datenträger mit besonders hoher Datendichte vor. Dabei wird mittels eines modulierten Elektronenstrahls die Information auf eine mit einem auf Elektronen empfindlichen Lack beschichtete rotierende Scheibe geschrieben. Eine mit entsprechenden Öffnungen versehene Objektmaske wird hierzu mittels einer geeigneten Elektronenoptik stark verkleinernd auf die Oberfläche des Datenträgers abgebildet. Das vorbekannte Abbildungssystem besteht aus einer Lochblende in Kombination mit einer elektrostatisch arbeitenden Abbildungslinse. Mittels dieser Optik wird ein Verkleinerungsfaktor von bis zu 250 erreicht.

Das Konzept des vorbekannten Aufzeichnungssystems würde sich prinzipiell auch für halbleitertechnologische Anwendungen eignen. Trotzdem ergeben sich einige wesentliche Einschränkungen aufgrund der unvermeidbaren Nachteile des vorbekannten Elektronen-Aufzeichnungssystems. Zunächst ist der Linsenfehler der einzelnen elektrostatischen Linse nur schwer beherrschbar. Den unerwünschten Ungenauigkeiten in der Abbildung versucht das vorbekannte Aufzeichnungssystem durch die Verwendung einer Lochblende zu begegnen, durch welche die Abbildungslinse nur in ihrem zentralen Bereich durchstrahlt wird. Dies führt jedoch nachteiligerweise zu einem erheblichen Verlust an verfügbarer Strahlungsintensität. Des weiteren wird bei dem Aufzeichnungssystem die gesamte Objektmaske ausgeleuchtet. Ein derartiges System eignet sich jedoch aus den obengenannten Gründen nicht für die in der Halbleiterfertigung benötigten großflächigen, komplexen Masken. Hier ist eine Abrasterung der Maske mit dem Korpuskularstrahl unumgänglich.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Lösung für die vorgenannten Probleme anzugeben, insbeson­ dere eine stark verkleinernde Abbildung mit möglichst hoher Auflösung, das heißt möglichst geringen Strukturbreiten zu ermöglichen, wobei gleichzeitig eine bestmögliche Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Strahlungsintensität gewährleistet sein soll.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt das erfindungsgemäße Verfahren vor, daß die Abbildung durch eine einzige Abbildungslinse erzeugt wird, die in Strahlrichtung hinter der Maske angeordnet ist, wobei über ein im Strahlengang angeordnetes Multipol-Element die Bildfehler der Abbildungslinse in Abhängigkeit von der Ablenkung korrigiert werden.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird die Maske mit einem flächenhaften, mindestens annähernd parallelen Ionenstrahlbündel abgerastert. Dabei bedeutet annähernd parallel, daß die Randstrahlen von der Abbildungslinse abgebildet werden. Diese an sich bekannte Vorgehensweise zur Ausleuchtung der Maske läßt sich in der Praxis mit hinreichender Geschwindigkeit ausführen, so daß sie für eine industrielle Massenfertigung von Halbleiterbauelementen oder in der Mikrosystemtechnik geeignet ist.

Durch die erfindungsgemäße einstufige Abbildung durch die einzige Abbil­ dungslinse ohne Zwischenfokus wird dabei erreicht, daß selbst langsame Ionen mit Energien von einigen keV scharf, d. h. mit hoher Auflösung fokussierbar sind. Darüber hinaus ergibt sich als weiterer Vorteil, daß die Abbildungsfehler einer einzigen Linse relativ gut beherrschbar sind, so daß die durch einen zweiten Fokus zwischen Maske und Target, d. h. Substrat, unvermeidbar auftretenden zusätzlichen Fehler vermieden werden.

Durch die Verwendung einer Abbildungslinse mit einer optimalen Feldbreite und geringen Linsenfehlern lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren besonders große Verkleinerungsverhältnisse von 1 : 20 bis zu 1 : 100 erreichen. Die untere Grenze für die erreichbaren Strukturbreiten läßt sich auf << 100 nm senken, indem das Verfahren mit einem energiestabilen Beschleuniger durchgeführt wird, bei dem ΔE/E < 5 × 10^-5 ist.

Durch die Verwendung des zusätzlich im Strahlengang angeordneten Multipol- Elementes wird erreicht, daß Bildfehler, wie transversale chromatische Apparation, Bildwölbung, Astigmatismus und Verzeichnung, wirksam korrigiert werden können. Da in dem erfindungsgemäßen nur jeweils der Bildfehler des geometrischen Teilbereiches korrigiert wird, den das Strahlbündel zu einem bestimmten Zeitpunkt abrastert, läßt sich die gesamte Fläche der strukturierten Maske unabhängig von der Ablenkspannung und damit vom Ablenkwinkel in gleichbleibender Qualität auf dem Substrat abbilden. Durch diese Maßnahme wird das Auflösungsvermögen und das nutzbare Verkleinerungsverhältnis erheblich gesteigert.

Vorzugsweise wird das Ionenstrahlbündel immer durch die Mittelachse der Abbildungslinse geführt. Indem das Ablenksystem auf diese Weise angesteuert wird, wird die Abbildungslinse immer im optimalen Betriebsbereich mit besonders geringen Abbildungsfehlern gefahren.

Vorzugsweise wird der Strahlstrom in der Linsenmitte gemessen und als Eingangsgröße eines Regelkreises benutzt. Der Regelkreis weist eine Steuer­ elektronik auf, die Abweichungen des beispielsweise mittels einer segmen­ tierten Blende abgegriffenen Strahlstroms erfaßt und beispielsweise die Strahldosis konstant regelt und über die automatische Angleichung der Ablenkspannungen die optimale Strahllage justiert.

Die Durchführung des Verfahrens setzt eine Vorrichtung voraus, mit einer Strahlquelle zur Erzeugung eines annähernd parallelen Ionenstrahlbündels, welches ein Ablenksystem, eine Maske und Abbildungslinsen durchläuft, wobei ein verkleinertes Abbild der Maske auf einem Halbleitersubstrat erzeugt wird und wobei im Strahlengang zwischen Maske und Substrat eine einzige Abbildungslinse und ein die Bildfehler dieser Abbildungslinse in Abhängigkeit von der Strahl-Ablenkung korrigierendes Multipol-Element angeordnet sind.

Dadurch wird ein zweiter Fokus zwischen Maske und Target und somit Ver­ zerrungen durch Coulomb-Wechselwirkung vermieden. Darüber hinaus entfal­ len zusätzliche, durch eine zweite Linse verursachte Linsenfehler. Indem die Linse eine möglichst kurze Feldbreite besitzt, sind hohe Verkleinerungsver­ hältnisse bei relativ kurzen Objektweiten und geringen Abbildungsfehlern möglich. Die optimale Feldgeometrie wird unter besonderer Berücksichtigung der maximalen Feldstärke, dem Ionenstrom und dem für den jeweiligen An­ wendungszweck erforderlichen Massenenergie-Produkt ausgelegt.

Das im Strahlengang in Strahlrichtung hinter der Maske angeordnete Multipol- Element ermöglicht die Einschaltung von Dipol-, Quadropol- und höheren Multipolfeldern in den Verlauf des Strahlbündels. Durch die Anordnung der Multipoleinheit in der Nähe der Mitte der Abbildungslinse können die geometrischen Bildfehler, wie Bildwölbung, Astigmatismus und Verzeichnung durch entsprechende, von der Ablenkung abhängige Feldbeschaltungen korrigiert werden. Durch Überlagerung von Dipol- und Quadropolfeldern lassen sich geometrischer Astigmatismus und Verzeichnung ausgleichen. Zusätzlich kann durch Überlagerung von elektrischen und magnetischen Dipolfeldern gleicher Ablenkstärke in sogenannten Wienfiltern der transversale chromatische Fehler korrigiert werden.

Bevorzugt wird als Abbildungslinse eine magnetische Linse, insbesondere ein supraleitendes Solenoid verwendet. Eine derartige supraleitende Abbildungs­ linse mit magnetischen Feldstärken von einigen Tesla und optimiertem Feld­ verlauf gewährleistet geringe ionenoptische Fehler und ermöglicht eine einfache Justierung.

Zweckmäßigerweise weist das Ablenksystem zwei Ablenkeinheiten auf. Die erste Ablenkeinheit, die beispielsweise aus Paaren von elektrostatischen Ablenkplatten gebildet wird, lenkt das Strahlbündel auf einen vorbestimmten Bereich der Maske. Mittels der zweiten Ablenkeinheit, die beispielsweise wiederum als Ablenkplattenpaare ausgebildet ist, wird das Strahlbündel wieder in Richtung auf die Mittelachse der Abbildungslinse hin abgelenkt.

Besondere Vorzüge ergeben sich unter Umständen daraus, daß das Ab­ lenksystem drei Ablenkeinheiten aufweist. Dabei ist im Gegensatz zur An­ ordnung mit zwei Ablenkeinheiten die zweite Ablenkeinheit in zwei in Strahl­ richtung hintereinander liegende Plattenpaare geteilt. Die Maske ist in Strahl­ richtung zwischen den beiden Plattenpaaren angeordnet. Die zweite und die dritte Ablenkeinheit, d. h. die erste und zweite Hälfte der geteilten Ablenkeinheit, sind mit unterschiedlicher Polung so geschaltet, daß das Strahlenbündel, d. h. der Ionenstrahl senkrecht auf die Maske trifft. In der dritten Ablenkeinheit, d. h. in der zweiten Hälfte wird das Strahlbündel so abgelenkt, daß es immer durch die Mittelachse der Abbildungslinse geführt wird.

Besonders vorteilhaft im Hinblick auf eine hohe erreichbare Auflösung ist es, daß die Strahlquelle eine energiestabile Partikelquelle, d. h. ein Ionen- oder Elektronenbeschleuniger ist. Ein solcher Beschleuniger zeichnet sich durch eine eng definierte Energieverteilung, beispielsweise ΔE/E < 5 × 10^-5 aus. Auf diese Weise wird die chromatische Aberration, d. h. die durch die Energieunschärfe bedingte Fokusunschärfe, erheblich reduziert, wodurch sich Strukturen in der Größenordnung von << 100 nm problemlos erzeugen lassen.

Zweckmäßigerweise ist in der Linsenmitte der Abbildungslinse eine segmen­ tierte Blende angeordnet. Diese dient einerseits dazu, die Divergenz zu be­ schränken und somit den sphärischen Fehler möglichst gering zu halten. Au­ ßerdem kann daran der Implantationsstrom, d. h. die Strahldosis abgegriffen und kontrolliert werden. Die Segmentierung ermöglicht weiterhin, einen ab­ weichenden Strahlverlauf zu detektieren und über einen automatischen Re­ gelkreis die Ablenkspannung des zweiten bzw. dritten Plattenpaares auto­ matisch so anzugleichen, daß der Strahl optimal justiert wird.

Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen im einzelnen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer ersten Ausführungsform;

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer zweiten Ausführungsform.

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer ersten Ausführungsform, die als ganzes mit dem Bezugs­ zeichen 1 versehen ist. In der Darstellung von rechts wird durch eine Blende 2 ein Ionenstrahl, d. h. ein Ionen-Strahlbündel 3 eingestrahlt. Dieses wird bei­ spielsweise in einem energiestabilen Beschleuniger erzeugt und weist eine geringe Energieunschärfe auf.

Mittels einer ersten Ablenkeinheit 4, die z. B. aus Paaren elektrostatischer Ablenkplatten besteht, wird der Ionenstrahl 3 abgelenkt. Mittels einer zweiten Ablenkeinheit 5, die wiederum z. B. ein elektrostatisches Plattenpaar aufweist, wird der Ionenstrahl 3 unter definiertem Winkel auf eine Maske 6 gelenkt.

Die Ablenkeinheiten 4 und 5 sind an eine Steuereinheit 7 angeschlossen. Diese erzeugt die Ablenkspannungen, so daß der Ionenstrahl 3 die Maske 6 abrastert.

Im Strahlengang hinter der Maske 6 befindet sich eine einzige Abbildungslin­ se 8, die beispielsweise als supraleitendes Solenoid ausgebildet ist. Die Ab­ bildungslinse 8 fokussiert den Ionenstrahl 3 auf einem Substrat 9, beispiels­ weise einem Halbleiter wafer.

In der Mitte der Abbildungslinse 8 ist eine Blende 10 justiert, die bevorzugt segmentiert ausgebildet ist.

Im Strahlengang vor der Abbildungslinse 8 ist eine Multipoleinheit 11 ange­ ordnet, die ebenfalls an die Steuereinheit 7 angeschlossen ist. In dieser Mul­ tipoleinheit 11 sind Feldkonfigurationen einstellbar, die mindestens einen Quadrupol- und Dipolanteil aufweisen. Mit der Steuereinheit 7 können diese Anteile in Abhängigkeit von der an den Ablenkeinheiten 4 und 5 anliegenden Ablenkspannungen vorgegeben werden.

Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer zweiten Ausfüh­ rungsform, wobei für identische Bestandteile die gleichen Bezugszeichen Verwendung finden. Im wesentlichen ist diese Vorrichtung 1 gleich aufgebaut wie die in Fig. 1 dargestellte, der Unterschied besteht darin, daß neben der darin mit 5a bezeichneten zweiten Ablenkeinheit in Strahlrichtung hinter der Maske 6 eine dritte Ablenkeinheit 5b angeordnet ist. Im wesentlichen handelt es sich bei den Ablenkeinheiten 5a und 5b um zwei Hälften einer geteilten Ablenkeinheit, die mit unterschiedlicher Polung betrieben werden. Dadurch wird erreicht, daß der Ionenstrahl 3 senkrecht auf die Maske 6 auftrifft.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der axial einge­ strahlte Ionenstrahl 3, der eine geringe Energieunschärfe aufweist, zunächst durch die Blende 2 geometrisch geformt. Mittels der ersten Ablenkeinheit 4 wird er rasterförmig abgelenkt, wobei die zweite Ablenkeinheit 5 bzw. die zweite und dritte Ablenkeinheit 5a und 5b dafür sorgen, daß der Ionenstrahl 3 zunächst die Maske 6 abrastert und anschließend durch die Mittelebene der Abbildungslinse 8 geführt wird.

Dadurch, daß die Objektweite zwischen Maske 6 und der einzigen Abbil­ dungslinse 8 in der Größenordnung von 2 bis 10 m liegt, wird ein hohes Verkleinerungsverhältnis erreicht.

Dadurch, daß nur eine einzige fokussierende Linse 8 verwendet wird, die vorzugsweise als supraleitendes Solenoid mit kurzer Feldbreite ausgebildet ist, werden die Abbildungsfehler auf dem Substrat 9 bereits relativ gering gehalten.

Dies erreicht man zusätzlich dadurch, daß der Ionenstrahl 3 mittels der Ablenkeinheiten 4, 5 bzw. 4, 5a, 5b immer in die Linsenmitte der Abbil­ dungslinse 8 gelenkt wird.

Die Strahljustierung kann erfolgen, indem die in Linsenmitte angeordnete Blende 10 segmentiert ausgebildet ist und Abweichungen im gemessenen Strahlstrom an die Steuereinheit 7 weitergegeben werden, die automatisch die Ablenkspannungen an den Ablenkeinheiten 4, 5, 5a, 5b so einstellt, daß der Strahl automatisch richtig justiert wird.

Weitere Abbildungsfehler wie transversale chromatische Aberration, Bild­ wölbung, Astigmatismus und Verzeichnung werden mit der Multipoleinheit 11 korrigiert, indem diese von der Steuereinheit 7 aus in Abhängigkeit von der an den Ablenkeinheiten 4, 5, 5a, 5b anliegenden Ablenkspannungen betrieben wird. Diese Regelung erfolgt ebenfalls automatisch.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich beispielsweise mit einer Vorrichtung 1 mit hoher Betriebsgeschwindigkeit und -sicherheit durchführen und ermöglicht optimale Abbildungsverhältnisse bei beliebigen Energien des Ionenstrahls 3.

Claims (12)

1. Korpuskularstrahl-Lithographieverfahren zur verkleinernden Abbildung einer Maske (6) durch Ionen auf einem Halbleitersubstrat (9), bei dem die Maske mit einem annähernd parallelen, flächigen Strahlbündel (3) durch ein Ablenksystem (4, 5) abgerastert wird und ein verkleinertes Abbild der Maske (6) auf dem Halbleitersubstrat (9) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildung durch eine einzige Abbildungslinse (8) erzeugt wird, die in Strahlrichtung hinter der Maske (6) angeordnet ist, wobei über ein im Strahlengang angeordnetes Multipol-Element (11) die Bildfehler der Abbildungslinse (8) in Abhängigkeit von der Ablenkung korrigiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlbündel (3) durch die Mittelebene der Abbildungslinse (8) gelenkt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlstrom in der Linsenmitte gemessen wird und als Eingangsgröße eines Regelkreises benutzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Regelkreis die Strahllage justiert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Regelkreis die Strahldosis geregelt wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einer Strahlquelle zur Erzeugung eines annähernd paralleln Ionen- Strahlbündels (3), welches ein Ablenksystem (4, 5), eine Maske (6) und Abbildungslinsen durchläuft, wobei ein verkleinertes Abbild der Maske (6) auf einem Halbleitersubstrat (9) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang zwischen Maske (6) und Substrat (9) eine einzige Abbildungslinse (8) und ein die Bildfehler dieser Abbildungslinse (8) in Abhängigkeit von der Strahl-Ablenkung korrigierendes Multipol-Element angeordnet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildungslinse (8) eine magnetische Linse ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Linse (8) ein supraleitendes Solenoid ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Ablenksystem zwei Ablenkeinheiten (4, 5) aufweist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Ablenksystem drei Ablenkeinheiten (4, 5a, 5b) aufweist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlquelle eine energiestabile Partikelquelle ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in der Linsenmitte eine segmentierte Blende (10) angeordnet ist.