DE2918535A1

DE2918535A1 - Verfahren und vorrichtung zur elektronenlithographie

Info

Publication number: DE2918535A1
Application number: DE19792918535
Authority: DE
Inventors: Richard E Johnson; Addison Brooke Jones
Original assignee: Rockwell International Corp
Current assignee: Boeing North American Inc
Priority date: 1978-05-08
Filing date: 1979-05-08
Publication date: 1979-11-15
Also published as: IT7948958A0; JPS54146969A; GB2020849B; FR2425661A1; IT1117161B; JPS588130B2; GB2020849A

Description

8. Mai 1979 79-T-3535

ROCKWELL INTERNATIONAL CORPORATION, El Segundo, Kalifornien 90245, V.St.A.

Verfahren und Vorrichtung zur Elektronenlithographie

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Mikroschaltungen ganz allgemein und speziell auf eine Elektronenstrahlvorrichtung zur Erzeugung von Mikroschaltungen mit hoher Dichte und Auflösung. Die Erfindung bezieht sich auf die Transmissions- oder Durchlässigkeits-Elektronenlithographie.

In den vergangenen Jahren wurden verschiedene Verfahren sowie Techniken entwickelt, um Halbleitervorrichtungen und miniaturisierte Schaltungen- herzustellen. Anfangs wurden die Schaltungen dadurch hergestellt, daß. man durch Resist- oder Fotolack-Masken ätzte, und zwar unter Verwendung einer sogenannten "Naßätzung". Zudem wurden chemische Dämpfe zur Durchführung des Ätzverfahrens benutzt. Kürzlich wurden Trocken-Ätzverfahren, wie beispielsweise Ionen-Fräsen und Plasma-Fräsen, vorgeschlagen, um Halbleitervorrichtungen mit kleineren Abmessungen herzustellen. Zudem wurden Verfahren wie das Ionenbombardement und dgl. benutzt, um Halbleitervorrichtungs-Gebiete zu ändern.

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Da jedoch die Vorrichtungen, immer kleiner und kleiner werden, ist eine Lithographie mit höherer Auflösung erforderlich. Zu diesem Zweck wird die Elektronenstrahllithographie und die Röntgenstrahllithographie zur Replizierung von Mustern mit hoher Auflösung auf mit Resistmaterial überzogene Wafers untersucht. Infolge der großen Informationsmenge, die durch ein hochdichtes Muster repräsentiert wird (beispielsweise bis zu 10 - 10 Bits/cm ),können unerwünscht·lange Belichtungszeiten für ein Wafer oder eine Maske erforderlich sein, und zwar selbst bei Elektronenstrahlmikro-Herstellungsdatenraten von bis zu 10 Hz. Darüber hinaus ist die Stabilisierung eines eine sehr hohe Intensität aufweisenden Strahls mit einer sehr kleinen Punktgröße (weniger als 0,1 Mikron) bei diesen Dichten nicht ohne weiteres erreichbar. Zudem müssen die Schreibraten häufig reduziert werden, um die Resistmaterialien niedriger Empfindlichkeit, aber hoher Auflösung, angemessen zu belichten, und zwar insbesondere im Falle von Mustern mit sehr hoher Dichte. Bei der Röntgenstrahlenlithographie sind Schwellenmit sehr hoher Leistung für eine schnelle Belichtung erforderlich wegen des schlechten Wirkungsgrades der Röntgenstrahlenerzeugung durch ein festes Target bombardierende Elektronen. Selbst wenn somit eine Flutbelichtung, an Stelle eines Abtastverfahrens, verwendet wird, so kann eine sehr schnelle Belichtung nur dann erreicht werden, wenn empfindliche Resistmaterialien sowie eine Mehrfach-Kilowatt-Punktquelle für Röntgenstrahlen verwendet wird. Die Schwierigkeiten und Gefahren liegen dabei für den Fachmann auf der Hand.

Andererseits machen die derzeit zur Belichtung von mit Fotoresistmaterial überzogenen Wafers während der Herstellung von Masken und Mikroschaltungen verwendeten Elektronenstrahlen Stunden erforderlich, um eine Belichtung von hoher Intensität zu erzeugen. Darüber hinaus werden Elektronen derzeit zur Belichtung von Mustern mit einer Auflösung von besser als 0,1 Mikron bei mit Resistmaterial überzogenen Substraten verwendet. Die derzeit verwendeten Verfahren sind die folgenden: 1) Vektorabtastung; 2) Rasterabtastung; 3) Belichtungen mit veränderbarer öffnung; 4) Kathodenprojektionsdrucken

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oder -kopieren und 5) Projektions-Reduktions-Drucken oder -Kopieren mit Schablonenmasken. Die ersten drei oben genannten Verfahren machen einen beweglichen Elektronenstrahl zur Belichtung der Muster unter Computersteuerung erforderlich. Das heißt die Musterdefinition wird durch ein Programm vorgesehen, welches die Arbeitsweise des Computers steuert. Der Computer bewirkt die Ablenkung des Elektronenstrahls und dessen Ein- und Ausschaltung, um Musterelemente auf ein mit Resistmaterial überzogenes Substrat aufzubelichten. Diese Verfahren sind von Natur aus langsam. Das Verfahren mit veränderbarer Öffnung oder Apertur verspricht beträchtlich schneller zu sein als die anderen Verfahren dann, wenn es in der Zukunft entsprechend entwickelt wird.

Beim Kathodenprojektionsdrucken werden die aus einer speziell hergestellten Maske durch eine Flut von UV-Strahlung angeregten Fotoelektronen auf die Ebene des mit Resistmaterial überzogenen Wafers fokussiert. Dieses Verfahren macht außerordentliche Schritte zur Verminderung der Musterverformungen erforderlich.

Beim Schablonenprojektions-Reduktionsdrucken wird die Elektronenstrahltransmission oder -durchlässigkeit durch Perforationen oder Öffnungen in einem Metallblech oder einer anderen Membran verwendet. Dieses Verfahren verwendet die Endvergrösserung des Elektronenstrahls zur Erreichung einer kleinen Merkmalsgröße. Dieses Verfahren macht einen Schritt und Wiederholvorgang erforderlich und kann nicht ohne weiteres isolierte Inseln reproduzieren, und zwar infolge der Schablone an sich. .Die Nähen-Schatten-Abbildung mit der Schablonenmaske in dichter Nachbarschaft zu dem mit Resistmaterial überzogenen Wafer ist ein mögliches, damit in Beziehung stehendes Verfahren, wurde aber noch nicht verwendet wegen der Schwierigkeit der Herstellung von Schablonenmasken vor Auflösung.

In der US-Patentanmeldung Nr. 810,469 von A.B. Jones mit dem Titel "High Resolution Mask and Method of Fabrication Thereof", eingereicht am 27. Juni 1977, ist eine Maske be-

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schrieben, welche gestattet, daß Elektronen hindurchverlaufen wegen einer extrem dünnen Membran, die aber auch eine Musterdefinition vorsieht durch das Aufbringen von Materialien, die für den Elektronenstrahl undurchsichtig oder opak sind. Durch die Einführung dieser Maske wird die Transmissionsoder Durchlässigkeits-Elektronenlithographie (TEL) möglich.

Zusammenfassung der Erfindung. Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von feinlinigen, eine hohe Auflösung aufweisenden Masken und Mikroschaltungen. Das erfindungsgemäße Verfahren verwendet Elektronenstrahlen, die in einer Flutbelichtungsart aufgebracht werden, wobei Belichtungen mit relativ hoher Geschwindigkeit erzeugt werden können.

Die Vorrichtung sieht Mittel vor, um den Elektronenstrahl auf das mit Resistmaterial überzogene Wafer aufzubringen. Wenn die Elektroden das mit Resistmaterial bedeckte Wafer belichten, so wird die Natur des Resist geändert, so daß Teile des Resist ohne weiteres vom Wafer entsprechend üblichen Verfahren entfernt werden können. Es können entweder positive oder negative Resistmaterialien verwendet werden.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten, der Erfindung ergeben sich insbesondere aus den Ansprüchen sowie aus der Beschreibung von Ausführungsbeispxelen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:

Fig. .1 eine schematische Darstellung des Röntgenstrahlen verwendenden Belichtungssystems;

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Belichtungs-

systems der Fig. 1 modifiziert, um als ein Durchgangs-Elektronenlithographiesystem zu arbeiten;

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Fig. 3 eine schematische Darstellung eines breit

kollimierten. Quellenbelichtungssystems;

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines SEM

oder Abtastlinien-Quellen-Belichtungssystems;

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Projek

tionsdruck- oder -kopiersystems.

Es sei nunmehr ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Röntgenstrahlen-Belichtungssystems. Typischerweise ist ein Anodentarget oder -ziel aus geeignetem Material vorgesehen. Der Strahl aus Elektronen (Ε-Strahl) wird gegen das Target oder die Anode durch eine geeignete E-Strahl-Versorgungsquelle gerichtet. Wenn der Ε-Strahl auf die Anode auftrifft, so erzeugt er sowohl rückgestreute Elektronen als auch sogenannte weiche Röntgenstrahlen. In dem bekannten Rontgenstrahlensystem werden die weichen Röntgenstrahlen durch eine geeignete Maske in enger Nachbarschaft zu einem mit Resistmaterial überzogenen Wafer projiziert, um ein Muster in dem Resistmaterial zu erzeugen, wie es durch die Maske definiert ist. Bei den bekannten Röntgenstrahlensystemen sind die von der Anode rückgestreuten Elektronen unerwünscht. Infolgedessen ist ein Deflektor oder eine Ablenkvorrichtung vorgesehen, um die- rückgestreuten Elektronen aus dem System zu entfernen. Die Ablenkvorrichtung weist schematisch ein Paar von leitenden Platten auf, die zwischen entsprechende Potentialquellen geschaltet sind, um ein elektrostatisches Feld zur Ablenkung der rückgestreuten Elektronen zu erzeugen. Die Ablenkvorrichtung kann durch elektrostatische, elektromagnetische oder sogar permanentmagnetische Vorrichtungen gebildet sein, die verwendet werden, um zu verhindern, daß die rückgestreuten Elektronen auf das Röntgenstrahlfenster oder die Maske auftreffen.

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Fig. 2 zeigt ein abgewandeltes Belichtungssystem, welches dem Belichtungssystem der Fig. 1 insoferne ähnelt, als ein Elektronenstrahl gegen die Anode gerichtet wird, um weiche Röntgenstrahlen und rückgestreute Elektronen zu erzeugen. Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 2 ist jedoch eine Maske vorgesehen, wie beispielsweise eine solche wie sie in der obenerwähnten US-Patentanmeldung beschrieben ist. Diese Maske ist im wesentlichen transparent, für die rückgestreuten Elektronen und auch die weichen Röntgenstrahlen (mit Ausnahme natürlich der das Muster definierenden undurchsichtigen Zonen). In diesem Ausführungsbeispiel wird der Deflektor oder die Ablenkvorrichtung entweder entfernt oder mit Potentialquellen derart verbunden, daß die Ablenkvorrichtung ineffektiv ist hinsichtlich der Entfernung rückgestreuter Elektronen aus dem Belichtungsgebiet* Somit laufen sowohl die weichen Röntgenstrahlen als auch die rückgestreuten Elektronen, durch die Maske und beeinflussen das mit Resistmaterial überzogene Wafer.

Es ist wohlbekannt, daß nur annähernd ein Elektron von

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10 Elektronen,die auf das Target auftreffen, ein Röntgenstrahlphoton erzeugt. Bis zu 50% der auf das Target auftreffenden Elektronen erzeugen jedoch rückgestreute Elektronen mit wenig oder keinem Energieverlust. Somit ist eine beträchtlich größere Energiemenge in den rückgestreuten Elektronen verfügbar, als mit Röntgenstrahlen allein. Infolgedessen kann durch die· Verwendung eines Systems, welches die rückgestreuten Elektronen mit einer im wesentlichen dafür transparenten Maske verwendet, das Wafer in einem Bruchteil der für die übliche Rontgenstrahlenbelichtung erforderlichen Zeit belichtet werden. Als eine weitere Folge davon kann eine mit niedriger Leistung arbeitende Röntgenstrahlenquelle als eine Hochleistungs-Elektronenquelle für die Großflächen-Flutbelichtungs-Lithographie durch die Maske verwendet werden. Es wurde beispielsweise festgestellt, daß durch das erfindungsgemäße in Fig. 2 gezeigte Verfahren sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung Belichtungszeiten von Sekunden erreicht werden, und nicht Belichtungszeiten

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von Stunden, die erforderlich sind bei der Verwendung als ein Röntgenstrahl-Lithographiesystem. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß Elektronenenergien von 20 Kilovolt oder weniger und dünneres Muster definierendes Absorbermaterial verwendet werden können als für die häufig gebrauchten Al K Röntgenstrahlen, auf welche Weise die hohe Auflösefähigkeit der TEL erhöht wird.

Fig. 3 zeigt ein erweitertes Quellensystem. Beim System der Fig. 3 wird die beispielsweise oben beschriebene Maske in enger Nachbarschaft zu einem r.esistüberzogenen Wafer angeordnet. Die Nähen-Positionierung wird gegenüber der Kontakt- oder Berührungspositionierung bevorzugt, um so die Maskenlebensdauer zu erhöhen und die allmähliche Musterverschlechterung zu verhindern.

Bei einer Breitquellenbelichtung wird ein kollimierter breiter Strahl vorgesehen und für eine Flutbelichtung verwendet. Das heißt, der breite Belichtungs-E-Strahl belichtet die gesamte Maske und den Wafer gleichzeitig. Wiederum macht das Durchgangselektronenlithographiesystem eine Maske erforderlich, die für den Elektronenstrahl transparent ist. Dieser Vorgang ist deutlich schneller als das Röntgenstrahl- oder andere Elektronenstrahl-Lithographieverfahren. Es muß natürlich darauf hingewiesen werden, daß der breite E-Strahl in irgendeiner Weise kollimiert werden muß, um ein hohes Auflösungsmuster in dem Resistmaterial zu erzeugen. Eine geeignete breite Strahlbelichtung kann erfolgen unter Verwendung eines TEM (Transmissions- oder Durchlässigkeits-Elektronenmikroskop) .

In Fig. 4 ist die Quelle ein SEM (scanning electron microskope = abtastendes Elektronenmikroskop) oder eine fokussierte Zeilenquelle. Bei einer SEM- oder Zeilenquellen-Belichtung wird ein defokussierter Ε-Strahl von einer Zeilen- oder Punktquelle über das zu belichtende Gebiet gerastert. Dieser Strahl

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läuft durch die Maske und belichtet das resistüberzogene Wafer entsprechend dem durch die Maske definierten Muster. Der Strahl wird über die Maske und das Wafer bewegt, um das Maskenmuster auf das Wafer zu transmittieren oder zu übertragen. Wiederum ist die Maske in dichter Nähe zum Wafer zur Erhöhung der Auflösung angeordnet.

Pig. 5 zeigt eine schematische Darstellung eines Projektionsdruckverfahrens. In diesem Beispiel ist ein fokussierter E-Strahl durch eine geeignete Quelle vorgesehen. Der fokussierte Ε-Strahl läuft durch eine Maske der oben beschriebenen Art und erzeugt ein Bild der Maske auf dem resistüberzogenen Wafer. Die Fokussierung des Ε-Strahls nach Durchgang durch die Maske wird durch, geeignete elektronische Linsen erreicht. Durch geeignete Anordnung der Fokussierung des Ε-Strahls und das Vorsehen (Deposition) zwischen der Maske und dem Wafer kann ein Vergrößerungs-Entvergrößerungs(Verkleinerungs)- oder 1:1-Projektionsdruck erfolgen.

Obwohl, die in den Figuren gezeigten Quellen als SEM¹S, TEM's oder andere Vorrichtungen bezeichnet wurden, so ist doch darauf hinzuweisen, daß eine Zeilen- oder Breitgebiet-Quelle ohne weiteres vorgesehen sein kann. Demgemäß kann eine Zeilenquelle von der Natur eines linearen erhitzten Fadens vorgesehen sein. Das Bild des Fadens kann über die Maske getastet werden, die sich in dichter Nachbarschaft (beispielsweise einige Mikron) gegenüber dem resistüberzogenen Wafer befindet. Ein solcher heißer Faden oder Draht erzeugt eine gleichförmige Emissionscharakteristik, und es können entweder elektromagnetische oder elektrostatische Ablenkvorrichtungen zur Erzeugung des Abtasteffekts verwendet werden.

Eine breitflächige Elektronenstrahlquelle kann hergestellt werden durch Extrahieren von Elektronen aus einer breitflächigen Glühentladung in einer Weise analog dem Verfahren zur Ionenextraktion in Ionen-Rückstoßvorrichtungen oder aus einem gleichförmig beleuchteten Fotoemitter, wobei mit jeder dieser Arten von Quellen eine große oder zweidimensionale Quelle er-

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halten und die Abtastung minimiert oder eliminiert werden kann.

Zur Aufrechterhaltung hoher Auflösung können die Abmessungen der Vorrichtung derart eingestellt werden, daß die Kollimation des Elektronenstrahls als ein Ergebnis des Abstandes zwischen der Quelle und dem resistüberzogenen Wafer auftritt. Wenn umgekehrt dichtere Anordnungen gewünscht sind, so kann ein Gitter oder eine ähnliche Vorrichtung zur Kollimierung des Elektronenstrahls verwendet werden. Diese Anordnungen sind allgemein von den Breitquellen- oder TEM-Betriebsarten umfaßt.

Die Erfindung zeigt somit eine Vorrichtung zur Erzeugung von Mustern in dem Resistmaterial, welches ein Wafer überzieht, wobei die Muster von einer Feinlinientype mit hoher Auflösung sind. Diese Mustertype ist außerordentlich zweckmäßig für die Mikroschaltungs-Herstellungsverfahren. Die Erfindung sieht die Hochauflösungsmuster wesentlich schneller vor als irgendeines der bekannten Verfahren, wie beispielsweisen Rontgenstrahlenlithographxe oder die bekannten Elektronenlithographieverfahren.

Abwandlungen des oben beschriebenen Systems liegen im Rahmen der Erfindung, wobei insbesondere auch auf die Ansprüche allgemein verwiesen sei.

Zusammenfassend sieht die Erfindung kurz gesagt ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Erhalt einer Feinlinienlithographie mit hoher Auflösung vor. Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung gestatten die Herstellung von Mikroschaltungen hoher Dichte unter Verwendung von Elektronenstrahlbelichtungen der Fluttype, wobei relativ kurze Belichtungszeiten erforderlich sind. Die Vorrichtung sieht Mittel vor, um Elektronenstrahlquellen aufzubauen, welche die Belichtung der fotoresistüberzogenen Wafers während der Herstellung der Masken und/oder Mikroschaltungen ausführen.

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Claims

Patentansprüche

1.1 Verfahren zur Herstellung von eine hohe Auflösung aufweisenden Feinlinien-lithographischen-Strukturen, gekennzeichnet' durch folgende Schritte: Vorsehen einer Quelle energiereicher Elektronen, Vorsehen einer Maske, welche die energiereichen Elektronen,mit der Ausnahme in vorgeschriebenen Mustergebieten, durchläßt, und Leitung der energiereichen Elektronen durch die Maske zur Reproduzierung des Mustergebiets in einer Verwendungsvorrichtung . -. . '

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den Schritt .der

Leitung der energiereichen Elektronen von der Quelle zu einer Targetanode zur Erzeugung weicher Röntgenstrahlen und sekundärer energiereicher Elektronenemission, und Leitung der sekundären energiereichen Elektronenemission und der weichen Röntgenstrahlen durch die Maske.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle der energiereichen Elektronen eine relativ große Fläche besitzt, um die gesamte Maske einer Flutbelichtung zu unterwerfen.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-3, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle energiereicher Elektronen eine Linearkonfiguration besitzt und einen linearen Elektronenstrahl erzeugt, und wobei die Quelle bewirkt, daß der lineare Elektronenstrahl über die Maske rastergetastet wird. .

5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüchen, insbesondere nach Anspruch 1,. gekennzeichnet durch den Schritt des Fokussierens der energiereichen Elektronen auf die Anwendungsvorrichtung nach Durchgang durch die Maske, um die Größe und die Bildvergrößerung des Mustergebiets

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auf der Verwendungsvorrichtung zu steuern.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere naai Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mustergebiete der Maske Abmessungen in der Grössenordnung von einem Mikron oder weniger besitzen.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mustergebiete der Maske ringartige Konfigurationen mit internen Öffnungen darinnen aufweisen.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Maske in enger Nachbarschaft zu, aber mit Abstand von der Benutzungsvorrichtung angeordnet ist.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem . oder mehreren der oben genannten Ansprüche, gekennzeichnet durch eines oder mehrere der folgenden Merkmale: eine Quelle energiereicher Elektronen und eine die energiereichen Elektronen, mit der Ausnahme in vorgeschriebenen Mustergebieten, durchlassende Maske, welche die energiereichen Elektronen zur Reproduzierung des Mustergebiets in einer Verwendungsvorrichtung leitet.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die sekundäre, energiereiche Elektronenemission und die weichen Röntgenstrahlen durch die Maske geleitet werden.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 und/oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle der energiereichen Elektronen eine relativ große Fläche besitzt.

12. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 9-11, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle energiereicher Elektronen eine Linearkonfiguration besitzt und einen linearen Elektronenstrahl über die Maske rastertastet.

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13. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mustergebiete der Maske Abmessungen in der Größenordnung von einem Mikron oder weniger besitzen.

14.- Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mustergebiete der Maske ringartige Konfigurationen mit internen Öffnungen darinnen aufweisen.

1.5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Maske in enger Nachbarschaft zu, aber mit Abstand von der Benutzungsvorrichtung angeordnet ist.

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