DE4422038A1 - Belichtungsmethode zum Herstellen von Halbleiterbauelementen und dafür verwendete Diffraktionsmaske - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Diffraktions- oder Blindmaske (dummy mask), die in einem Lithographieverfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements verwendet wird, und insbesondere ein Belichtungsverfahren und eine Blindmaske, die zum Ausbilden einer Struktur auf einem Wafer mit Hilfe von gebeugtem Licht verwendet wird, um eine ultrafeine Struktur zu erzielen.

Im allgemeinen wird das Muster einer Maske auf einen Wafer durch Anwendung eines Steppers übertragen. Falls das Maskenmuster sehr fein ist, wird das auf die Maske einfallende Licht in seinem Beugungswinkel vergrößert, wenn es aus der Maske heraustritt, wodurch seine Auflösung verschlechtert wird. Folglich kann das Muster auf den Wafer nur schlecht übertragen werden.

Eine herkömmliche Belichtungstechnik zum Übertragen eines Musters auf einen Wafer wird nun mit Bezugnahme auf die Fig. 5 und 6 beschrieben.

Fig. 5 ist eine schematische Darstellung, mit der der Lichtweg in einem Stepper erläutert wird. Dieser Lichtweg wird erzeugt, falls das Licht 1 auf die mit einem Muster versehene Maske 4 vertikal einfällt.

Da die Maske 4 mit einem feinen Muster versehen ist, wird der Beugungswinkel des durch die Maske 4 hindurchtretenden Lichtes vergrößert. Folglich wird das aus einem Projektionsobjektiv 5 austretende Licht auf einem Wafer 6 schlecht fokussiert. Ferner kann eine große Verschlechterung in der Auflösung auftreten, falls der Wafer 6 ungenau positioniert ist.

Um dieses Problem zu lösen, wurde eine Belichtungsmethode mit schrägem Lichteinfall vorgeschlagen, mit der eine verbesserte Tiefenschärfe erreicht werden kann. Um solch einen schrägen Lichteinfall zu erreichen, wird ein modifizierter Beleuchtungsmechanismus zum Zuführen des Lichtes zu dem Stepper unter einem bestimmten Winkel verwendet. Jedoch ist dieser modifizierte Beleuchtungsmechanismus in seiner Größe und Gestaltung begrenzt, da er in einer Belichtungsvorrichtung installiert werden muß. Ferner kann die Linienbreite eines auf einem Wafer ausgebildeten Musters in Abhängigkeit von der Gestaltung des modifizierten Beleuchtungsmechanismus variiert werden. Folglich kann die Einheitlichkeit der Musterliniendichte verschlechtert werden.

Fig. 6 ist eine schematische Darstellung, mit der eine andere herkömmliche Belichtungsmethode illustriert wird, die im Vergleich zu der oben beschriebenen und in Fig. 5 dargestellten Methode eine Verbesserung mit sich bringt. Bei dieser Methode wird eine eine Lichtdiffraktion verwirklichende Blindmaske verwendet, durch welche ein Wafer belichtet wird.

Wenn das vertikal einfallende Licht 1 durch die entsprechend dem Diffraktionsprinzip hergestellte Blindmaske 2 hindurchtritt, wird das Licht 1 gebeugt. Das gebeugte Licht tritt durch einen Fresnel-Bereich 7 hindurch und in eine mit einem vorbestimmten Muster versehene Maske 4 ein. Das aus der Maske 4 austretende Licht tritt durch ein Projektionsobjektiv 5 hindurch und überträgt danach das Muster auf einen Wafer 6. Das durch den Fresnel-Bereich 7 hindurchgetretene und auf die Maske 4 mit dem Muster einfallende Licht enthält Lichtkomponenten, nämlich eine Lichtkomponente 8 mit einer Beugung nullter Ordnung, eine Lichtkomponente 8′ mit einer Beugung minus erster Ordnung und eine Lichtkomponente 8′′ mit einer Beugung plus erster Ordnung, welche die Ausbildung einer Struktur wesentlich beeinflussen.

Die gebeugten Lichtkomponenten 20′ und 20′′, welche aus der Lichtkomponente 8 mit einer Beugung nullter Ordnung stammen, die in die Maske 4 mit dem auf den Wafer 6 zu übertragenden Muster eintreten, fallen auf das Projektionsobjektiv 5 entlang derselben Wege ein, wie die Lichtkomponenten im Falle der aus Fig. 5 ersichtlichen Ausführungsform. Folglich weist die Lichtkomponente 8 mit einer Beugung nullter Ordnung eine kleine Tiefenschärfe auf. Andererseits fallen die Lichtkomponenten 8′ und 8′′ mit einer Beugung minus erster bzw. plus erster Ordnung auf die Maske 4 mit dem Muster schräg ein, wodurch sie eine große Tiefenschärfe aufweisen. Dies bedeutet, daß die auf das Projektionsobjektiv 5 einfallenden gebeugten Lichtkomponenten 9′ und 9′′, welche aus der Lichtkomponente 8′ mit einer Beugung minus erster Ordnung bzw. der Lichtkomponente 8′′ mit einer Beugung plus erster Ordnung stammen, eine größere Tiefenschärfe aufweisen als die Tiefenschärfe der gebeugten Lichtkomponenten 20′ und 20′′. Folglich kann eine eine hervorragende Auflösung zeigende Struktur erhalten werden.

In Fig. 6 bezeichnet das Bezugszeichen 9 eine Lichtkomponente, die unter einem Winkel außerhalb des Einfallsbereichs des Projektionsobjektivs 5 gebeugt ist.

Obwohl eine Verbesserung in der Tiefenschärfe mit Hilfe des schrägen Einfalles erreicht wird, weist die herkömmliche Methode das in der Ausbildung von ultrafeinen Strukturen auftretende Problem noch immer auf, da der Wafer einer beträchtlichen Menge von Lichtkomponenten ausgesetzt ist, welche auf die Maske mit dem zu übertragenden Muster vertikal einfallen.

Daher wird durch die Erfindung die Aufgabe gelöst, die oben genannten in dem Stand der Technik auftretenden Probleme zu vermeiden und dementsprechend eine Belichtungsmethode zum Herstellen von Halbleiterbauelementen und eine dafür verwendete Diffraktionsmaske zu schaffen, mit deren Hilfe eine ultrafeine Struktur ausgebildet werden kann, indem das Einfallslicht gebeugt und diejenigen Lichtkomponenten, welche auf eine mit einem Muster versehene Maske vertikal einfallen, kontrolliert oder ausgeblendet werden, wodurch die Tiefenschärfe vergrößert und die Auflösung verbessert werden.

Entsprechend einem Aspekt wird durch die Erfindung eine Belichtungsmethode zum Herstellen eines Halbleiterbauelements bereitgestellt, bei dem ein aus einer Lichtquelle einer Belichtungsvorrichtung emittiertes und auf eine mit einem vorbestimmten Muster versehene Fotomaske gestrahltes Licht zuerst von einem ersten an einem lichtdurchlässigen Substrat ausgebildeten Muster gebeugt wird, und das Licht, das in dem vorangehenden Diffraktionsschritt nicht gebeugt wurde und auf die Fotomaske vertikal einfallen würde, von einem zweiten an dem lichtdurchlässigen Substrat ausgebildeten Muster ausgeblendet wird.

Entsprechend einem anderen Aspekt wird durch die Erfindung eine Diffraktionsmaske geschaffen, mit der verhindert wird, daß Licht auf eine mit einem Muster versehene Fotomaske vertikal einfällt, und welche ein eine vorbestimmte Dicke aufweisendes lichtdurchlässiges Substrat, eine Mehrzahl von ersten Mustern, welche auf einer Fläche des lichtdurchlässigen Substrats voneinander jeweils in gleichem Abstand angeordnet sind, wobei jedes erste Muster eine vorbestimmte Form und eine vorbestimmte Größe aufweist, und eine Mehrzahl von zweiten Mustern aufweist, welche an einer anderen, unterhalb der mit den ersten Mustern versehenen Fläche angeordneten Fläche voneinander jeweils in gleichem Abstand angeordnet sind, wobei jedes zweite Muster eine vorbestimmte Form und eine vorbestimmte Größe aufweist, derart, daß es nicht von dem jeweils zugeordneten ersten Muster überlappt ist.

Andere Merkmale und Aspekte der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen mit Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung, mit der eine erfindungsgemäße Blindmaske zum Ausblenden des auf eine mit einem Muster versehene Maske vertikal einfallenden Lichtes erläutert wird;

Fig. 2 eine schematische Darstellung, mit der ein Belichtungszustand erläutert wird, bei dem die Blindmaske nach Fig. 1 zum Ausblenden des vertikal einfallenden Lichtes verwendet wird;

Fig. 3 eine Draufsicht der Blindmaske nach Fig. 1;

Fig. 4 eine schematische Darstellung der Blindmaske nach Fig. 1, mit der die Anordnung und die Abmessungsverhältnisse zwischen jedem Diffraktionsmuster und jedem zugeordneten Kontrollmuster erläutert werden, welche beide an der Blindmaske angeordnet sind;

Fig. 5 eine schematische Darstellung, mit der eine herkömmliche Belichtungsanordnung zum Ausbilden einer Struktur auf einem Wafer erläutert wird; und

Fig. 6 eine schematische Darstellung, mit der ein Belichtungszustand erläutert wird, bei dem eine herkömmliche Blindmaske zum Ausblenden des vertikal einfallenden Lichtes verwendet wird.

Im folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung mit Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 beschrieben.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung, mit der eine erfindungsgemäße Blindmaske zum Entfernen von Licht erläutert wird, das auf eine mit einem Muster versehene Maske vertikal einfallen würde. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, weist die erfindungsgemäße Blindmaske ein lichtdurchlässiges Substrat 12 auf, das an seiner oberen Fläche mit einer Mehrzahl von Diffraktionsmustern 11 versehen ist, mit deren Hilfe das aus einer Lichtquelle auf die Blindmaske einfallende Licht primär gebeugt wird. Das lichtdurchlässige Substrat 12 weist an seiner unteren Fläche ebenfalls eine Mehrzahl von Kontrollmustern 13 zum Ausblenden des vertikal einfallenden Lichtes auf, das von den Diffraktionsmustern 11 nicht gebeugt wurde. Es ist zwar unmöglich, das durch das lichtdurchlässige Substrat 12 vertikal durchgelassene Licht mit Hilfe der Kontrollmuster 13 vollständig auszublenden. Jedoch wird eine beträchtliche Menge des vertikal gestrahlten Lichtes von den Kontrollmustern 13 entfernt.

Zwar wurde die Blindmaske entsprechend der dargestellten erfindungsgemäßen Ausführungsform derart beschrieben, daß sie ein einziges lichtdurchlässiges Substrat 12 aufweist, das an seiner oberen und seiner unteren Fläche mit den Diffraktionsmustern 11 zum Beugen des Lichtes bzw. mit den Kontrollmustern 13 zum Ausblenden des vertikal einfallenden Lichtes versehen ist. Sie kann jedoch von einem Paar gesonderter lichtdurchlässiger Substrate gebildet sein, von denen das eine die Diffraktionsmuster 11 und das andere die Kontrollmuster 13 aufweist.

Das lichtdurchlässige Substrat 2 kann aus einem Quarzfilm oder einem Siliziumoxidglasfilm (SOG-Film) sein. Sowohl jedes Diffraktionsmuster 11 wie auch jedes Kontrollmuster 13 kann aus einem Chromfilm oder einem Phasenumkehr-Materialfilm wie einem SOG-Film sein.

Fig. 2 ist eine schematische Darstellung, mit der der Belichtungszustand erläutert wird, wenn die Blindmaske nach Fig. 1 zum Entfernen des vertikal einfallenden Lichtes verwendet wird. In Fig. 2 bezeichnet das Bezugszeichen 43 eine Kontrollmaske, welche die Blindmaske ist, die die aus Fig. 1 ersichtlichen Diffraktionsmuster 11 und Kontrollmuster 13 aufweist. Die vertikal verlaufende Lichtkomponente des auf die Blindmaske 43 einfallenden Lichtes wird von der Blindmaske 43 ausgeblendet und die verbleibenden Komponenten des Lichtes treten durch einen Fresnel-Bereich 47 hindurch. Das aus dem Fresnel-Bereich 47 austretende Licht tritt in die mit einem Muster versehenen Maske 44 ein. Dabei fällt das durch die Blindmaske 43 hindurchgetretene Licht auf die Maske 44 mit dem Muster schräg ein, wie dies im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben wurde. Folglich weisen die durch ein Projektionsobjektiv 45 durchtretenden Lichtkomponenten 49′ und 49′′ eine große Tiefenschärfe auf. In Fig. 2 bezeichnet das Bezugszeichen 49 eine Lichtkomponente, die unter einem Winkel außerhalb des Einfallbereichs des Projektionsobjektivs 45 gebeugt ist.

Falls alle vertikal einfallenden Lichtkomponenten mit einer Beugung nullter Ordnung von den Kontrollmustern 13 entfernt werden, tritt eine Verringerung der Belichtungsenergie auf, wodurch die Belichtungszeit verlängert wird. In dieser Hinsicht wird es bevorzugt, daß die Kontrollmuster 13 aus halblichtdurchlässigem Material sind, das Licht in einem Maße von 8 bis 10% durchlassen kann.

In den Fig. 3 und 4 ist eine Methode zum Ausbilden der die Diffraktionsmuster 11 und die Kontrollmuster 13 aufweisenden Blindmaske 43 dargestellt.

Aus Fig. 3 ist eine Draufsicht der erfindungsgemäßen Blindmaske ersichtlich. Die Menge des Lichtes, mit der der Wafer belichtet wird, wird dadurch gesteuert, daß der Abstand c zwischen den Diffraktionsmustern 11 und den Kontrollmustern 13 der Blindmaske geeignet eingestellt wird, derart, daß die Belichtungsenergie des Lichtes aus der Lichtquelle an die Lichtempfindlichkeit des an dem Wafer angebrachten Fotoresistfilmes angepaßt ist. Falls zum Ausbilden der Diffraktionsmuster 11 ein Phasenumkehrmaterial verwendet wird, wird die Dicke jedes Diffraktionsmusters 11 für den gleichen oben beschriebenen Zweck ebenfalls eingestellt.

Sowohl jedes Diffraktionsmuster 11 wie auch jedes zugeordnete Kontrollmuster 13 sind derart angeordnet, daß sie miteinander optisch-geometrisch gesehen einen vorbestimmten Winkel Φ, unter Berücksichtigung eines numerischen Aperturwertes eines verwendeten Steppers, wie aus Fig. 4 ersichtlich, einschließen. Der Abstand d zwischen den Diffraktionsmustern und den Kontrollmustern 13 ist groß genug, daß ein Fraunhofer- Bereich erzeugt wird. Die Anordnung der Kontrollmuster 13 ist ebenfalls geeignet eingestellt, damit der Nachteil, der bei der Belichtungsmethode mit schräg einfallendem Licht auftritt, nämlich die Nichteinheitlichkeit in den Abmessungen einer Bildstruktur, vermieden wird. Insbesondere treten die aus dem Diffraktionsmuster 11 austretenden Lichtkomponenten minus erster und plus erster Ordnung durch jedes Kontrollmuster 13 zentral hindurch, wenn der Abstand d zwischen den Diffraktionsmustern 11 und den Kontrollmustern 13 durch die folgende Gleichung gegeben ist:

wobei a den Abstand zwischen zwei benachbarten Diffraktionsmustern 11, p die Summe aus der Breite eines jeden Diffraktionsmusters 11 und dem Abstand a, und λ die Wellenlänge des Lichtes bezeichnen.

Bevorzugt ist die Breite b jedes Kontrollmusters 13 gleich oder größer als p/2.

Wie aus der Beschreibung ersichtlich, werden durch die Erfindung eine Belichtungsmethode zum Herstellen eines Halbleiterbauelements und eine dafür verwendete Blindmaske geschaffen, mit deren Hilfe das Auflösungsvermögen und die Tiefenschärfe verbessert bzw. vergrößert werden können, wodurch die Auflösung eines feinen Musters zum Erreichen einer hohen Integration eines Halbleiterbauelements verbessert wird.

Claims (6)

1. Belichtungsmethode zum Herstellen eines Halbleiterbauelements, bei dem
ein aus einer Lichtquelle einer Belichtungsvorrichtung emittiertes und auf eine mit einem vorbestimmten Muster versehene Fotomaske gestrahltes Licht zuerst von einem ersten an einem lichtdurchlässigen Substrat ausgebildeten Muster gebeugt wird, und
das Licht, das in dem vorangehenden Diffraktionsschritt nicht gebeugt wurde und auf die Fotomaske vertikal einfallen würde, von einem zweiten auf dem lichtdurchlässigen Substrat ausgebildeten Muster entfernt wird.

2. Diffraktionsmaske, mit der verhindert wird, daß Licht auf eine mit einem Muster versehene Fotomaske vertikal einfällt, mit:
einem eine vorbestimmte Dicke aufweisenden lichtdurchlässigen Substrat;
einer Mehrzahl von ersten Mustern, welche an einer Fläche des lichtdurchlässigen Substrats voneinander jeweils in gleichem Abstand angeordnet sind, wobei jedes erste Muster eine vorbestimmte Form und eine vorbestimmte Größe aufweist, und
einer Mehrzahl von zweiten Mustern, welche an einer anderen, unterhalb der mit den ersten Mustern versehenen Fläche angeordneten Fläche voneinander jeweils in gleichem Abstand angeordnet sind, wobei jedes zweite Muster eine vorbestimmte Form und eine vorbestimmte Größe aufweist, derart, daß es von dem jeweils entsprechenden ersten Muster nicht überlappt ist.

3. Diffraktionsmaske nach Anspruch 2, bei der das lichtdurchlässige Substrat ein Paar gesonderter lichtdurchlässiger Substratkörper aufweist, von denen der eine mit den ersten Mustern und der andere mit den zweiten Mustern versehen ist.

4. Diffraktionsmaske nach Anspruch 2, bei der das lichtdurchlässige Substrat einen einzigen lichtdurchlässigen Substratkörper mit einer mit den ersten Mustern versehenen oberen Fläche und einer mit den zweiten Mustern versehenen unteren Fläche aufweist.

5. Diffraktionsmaske nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei der jedes zweite Muster von dem jeweils entsprechenden ersten Muster in einem Vertikalabstand (d) angeordnet ist, der durch die folgende Gleichung angegeben ist: wobei a den Abstand zwischen zwei benachbarten ersten Mustern, p die Summe der Breite eines jeden ersten Musters und des Abstandes zwischen zwei benachbarten ersten Mustern, und λ die Wellenlänge des Lichtes bezeichnen.

6. Diffraktionsmaske nach Anspruch 5, bei der jedes zweite Muster eine Breite hat, die gleich der oder größer als die Hälfte der Summe aus der Breite eines jeden ersten Musters und dem Abstand zwischen zwei benachbarten ersten Mustern ist.