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ERFINDUNGSGEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Fotolithographie zur
Halbleiterherstellung und insbesondere das Ausbilden quadratischer
Kontaktlöcher
und ähnlicher
Strukturmerkmale unter Verwendung konstruktiver Interferenz von
Nebenkeulenausbildungen.
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ALLGEMEINER
STAND DER TECHNIK
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Mit
weiterem Schrumpfen der Größen von Halbleiterstrukturmerkmalen
in den Submikrometerbereich werden die Effekte der Lichtbeugung
während
fotolithographischer Prozesse ausgeprägter. Tiefultraviolett-(UV)-Belichtungswerkzeuge
verwenden Lichtquellen mit einer Wellenlänge von 248 nm. Wenn solche
Werkzeuge zum Ausbilden von Halbleiterbauelementen mit Strukturmerkmalgrößen von 200
bis 300 nm verwendet werden, werden die Effekte der Lichtbeugung
recht ausgeprägt.
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Ein
Bereich, bei dem Beugungseffekte ein besonderes Problem darstellen,
ist die Ausbildung von kleinen rechteckigen Strukturmerkmalen wie etwa
Kontaktlöchern
und Durchgangslöchern.
Quadratische Strukturmerkmale auf einer Fotomaskenstruktur werden
aufgrund von Beugung bei Belichtung des Substratwafers abgerundet.
Abgerundete Löcher
weisen einen größeren Widerstand
als rechteckige Kontaktlöcher ähnlicher
Größe auf,
was zu einem größeren Kontaktwiderstand
führt.
Um den erhöhten
Widerstand zu verhindern, würde
ein rundes Kontaktloch mit größerem Durchmesser
erforderlich sein, was zu einer niedrigeren Packungsdichte (d.h. einer
größeren Beabstandungsanforderung)
führt.
In jedem Fall ist das abgerundete Kontaktloch weniger wünschenswert
als ein rechteckiges Kontaktloch ähnlicher Größe.
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Es
ist wohlbekannt, daß der
Einsatz von gedämpften
Phasenverschiebungsmasken die mit der Lichtbeugung bei Produkten
mit einer kleinen Strukturmerkmalsgröße assoziierten Probleme ausgleicht. Der
Stand der Technik bietet viele Lösungen
an, die darauf abzielen, Nebenkeulenmuster zu eliminieren, die aus
Beugungseffekten entstehen. Beispielsweise lehrt Tzu die Verwendung
eines undurchsichtigen Rings um die Phasenverschiebungsstrukturmerkmale
herum, um die Effekte der Nebenkeulenausbildung zu reduzieren, und
zwar in US-Patent 5,935,736. Choi et al. lehren die Ausbildung von
offenen „Schein"-Gebieten in der
Phasenverschiebungsmaske, wobei die Scheingebiete gestatten, daß Licht
unbehindert und um 180 Grad außer
Phase mit gebeugtem Licht, das ansonsten Nebenkeulen unter dem Scheingebiet
ausbilden würde,
hindurchtritt, und zwar im US-Patent 5,591,550. Garza lehrt im US-Patent
5,795,682 auch die Verwendung von Schutzringen, die mit Seitenkeulenmustern
destruktiv interferieren und sie somit eliminieren. Sugawara lehrt
die Verwendung von abwechselnden Mustern von phasenverschiebenden
und nicht-phasenverschiebenden Mustern, um eine destruktive Interferenz
von Nebenkeulenmustern zu verursachen, und zwar in US-Patent 5,487,963.
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Im
US-Patent 5,229,230 sind Hilfsmuster um ein Hauptmuster herum angeordnet.
Zwischen den Hilfsmustern und dem Hauptmuster wird eine Phasenverschiebung
von 180° eingeführt, um
die Form des Hauptmusters zu verbessern.
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Der
Mangel bei dem Stand der Technik besteht darin, daß die verschiedenen
Techniken zum Reduzieren oder Eliminieren der Nebenkeulenausbildung
sich nicht der Notwendigkeit widmen, in dichten Mustern von kleinen
Strukturmerkmalen gute rechteckige Muster auszubilden. Die vorliegende
Erfindung überwindet
den Mangel im Stand der Technik, wie aus der folgenden Beschreibung
bevorzugter Ausführungsformen
der Erfindung hervorgeht.
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KURZE DARSTELLUNG DER
ERFINDUNG
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In
einem Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren bereit
zum Ausbilden eines quadratischen Lochs auf einer Oberfläche, das
folgendes umfaßt:
Beschichten der Oberfläche
mit einer Fotolackschicht und Belichten der Fotolackschicht mit
einer Lichtquelle, wobei die Lichtquelle eine partielle Kohärenz Sigma
von etwa 0,3–,6
aufweist und durch eine Fotomaske läuft. Die Fotomaske umfaßt mehrere
quadratische lichtdurchlässige
Fenster, wobei jedes Fenster auf einer Seite etwa 200–250 nm groß ist, wodurch
Licht von der Lichtquelle, das durch ein erstes Fenster läuft, einen
ersten Abschnitt des gewünschten
quadratischen Strukturmerkmals auf der Oberfläche belichtet, wobei sich der
erste Abschnitt in der Mitte des quadratischen Strukturmerkmals
befindet, und wodurch Licht, das durch jedes Fenster läuft, das
sich neben dem ersten Fenster befindet, Beugungsmuster ausbildet.
Die Beugungsmuster interferieren konstruktiv, um einen zweiten Abschnitt
des gewünschten
quadratischen Strukturmerkmals auf der Oberfläche zu belichten, wobei der zweite
Abschnitt im Eckgebiet des gewünschten Strukturmerkmals
liegt. Schließlich
wird eine Fotolackschicht selektiv aufgelöst, um belichtete Abschnitte
der Fotolackschicht zu entfernen, und die Abschnitte der Oberfläche, die
unter den Abschnitten der Fotolackschicht liegen, die entfernt wurden,
werden geätzt,
um quadratische Löcher
auszubilden.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
obigen Merkmale der vorliegenden Erfindung lassen sich bei Betrachtung
der folgenden Beschreibungen in Verbindung mit beiliegenden Zeichnungen
klarer verstehen. Es zeigen:
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1 ein
System zum fotolithographischen Ausbilden von strukturierten Strukturmerkmalen
auf der Oberfläche
eines Substrats;
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2a und 2b eine
gedämpfte
Phasenverschiebungsfotomaske nach dem Stand der Technik und das
Spektralintensitätsprofil
von Licht, das durch ein kleines Strukturmerkmal auf der Fotomaske
läuft;
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2c und 2d das
resultierende Belichtungsmuster einschließlich Nebenkeulenausbildung für ein einzelnes
kleines Strukturmerkmal auf einer gedämpften Phasenverschiebungsfotomaske
nach dem Stand der Technik und für
ein Array aus kleinen Strukturmerkmalen auf der gedämpften Phasenverschiebungsfotomaske
nach dem Stand der Technik;
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3a und 3b in
Draufsicht eine bevorzugte Ausführungsform
einer Phasenverschiebungsmaske beziehungsweise ein resultierendes
Belichtungsmuster; und
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4a bis 4g Prozeßschritte
zum Ausbilden eines quadratischen Kontaktlochs.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG VON VERANSCHAULICHENDEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die
Herstellung und Verwendung der verschiedenen Ausführungsformen
werden unten ausführlich
erörtert.
Es sei jedoch angemerkt, daß die vorliegende
Erfindung viele anwendbare erfindungsgemäße Konzepte bereitstellt, die
in einer großen Vielfalt
spezifischer Kontexte verkörpert
werden können.
Die erörterten
spezifischen Ausführungsformen sind
lediglich veranschaulichend für
spezifische Möglichkeiten,
die Erfindung herzustellen und zu verwenden, und begrenzen nicht
den Schutzbereich der Erfindung.
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1 veranschaulicht
in schematischer Form einen fotolithographischen Verarbeitungsstepper 10.
Der Stepper umfaßt
eine Lichtquelle 2, mit der eine lichtempfindliche Schicht
(eine Fotolackschicht) 4, die auf einem Halbleiterwafer 6 oder
einem ähnlichen
Substrat ausgebildet wird, beleuchtet wird. Strukturen werden auf
der Fotolackschicht 4 ausgebildet, indem Licht von der
Lichtquelle 2 durch eine Fotomaske 8 geschickt
wird, auf der die zu übertragende
Struktur ausgebildet ist. Das Licht läuft auch durch eine Fokussierlinse 9,
bevor es auf die Schicht 4 auftrifft.
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Weitere
Einzelheiten werden nun für
eine bevorzugte Ausführungsform
der Fotomaske 8 bereitgestellt. Die 2a und 2b veranschaulichen eine
Fotomaske 8 mit einer einzelnen darauf ausgebildeten Struktur,
wobei die Struktur eine quadratische Öffnung ist. Die Struktur besteht
aus einem Fenstergebiet 10, das von dämpfenden Gebieten 12 umgeben
ist. Das dämpfende
Gebiet 12 wird ausgebildet, indem die Fotomaske mit einem
undurchsichtigen Material beschichtet wird wie etwa Molybdänsilizid
im Fall eines Belichtungslichts mit einer Wellenlänge von
248 nm (für
Belichtungslichter mit anderen Wellenlängen würde ein anderes undurchsichtiges Material
verwendet werden, wie in der Technik wohlbekannt ist). Diese Beschichtung
sorgt bevorzugt für einen
Durchlässigkeitsgrad
von Licht von etwa 6%, obwohl ein Durchlässigkeitsgrad im Bereich von
4% bis 20% annehmbare Ergebnisse liefern wird. Man beachte aus 2b,
daß durch
das Gebiet 12 hindurchtretendes Licht sich um die Hälfte einer
Wellenlänge
weiter durch die Fotomaske ausbreitet als Licht, das durch das offene
Fenster 10 hindurchläuft, was
zu einer Phasenverschiebung von 180° zwischen Licht, das durch das
offene Fenster 10 und das Gebiet 12 läuft, führt. Diese
Phasenverschiebung reduziert im allgemeinen, aber eliminiert nicht,
die Intensität
der Beugungsmuster 16, die ausgebildet werden, wenn Licht
durch das offene Fenster 10 hindurchläuft, wie in 2b gezeigt.
Die Kurve 14 von 2b stellt
die Intensität
von Licht dar, das durch die Fotomaske 8 hindurchtritt
und auf die Fotolackschicht 4 auftrifft. Wie gezeigt ist
die Lichtintensität am
höchsten
unter dem offenen Fenster 10, wo das Licht von der Lichtquelle 2 im
wesentlichen ungehindert durch die Fotomaske 8 hindurchtritt.
Eine Beugung des Lichts zweiter Ordnung führt zu Spitzen 16. Etwa
6% des Lichts von der Lichtquelle 2 tritt wie oben erörtert um
180° phasenverschoben
durch das dämpfende
Gebiet 12 hindurch, was die Nebenkeulenausbildung reduziert,
aber nicht eliminiert.
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2c veranschaulicht
die resultierende Struktur auf der Oberfläche der Fotolackschicht 4. Man
beachte, daß zwei
Strukturmerkmale auf der Schicht belichtet sind. Das erste Strukturmerkmal 18 entspricht
dem Gebiet unter dem offenen Fenster 10. Man beachte, daß das Strukturmerkmal
aufgrund einer Eckabrundung und anderen bekannten Beugungsphänomenen
im wesentlichen rund ist. Auch eine Nebenkeule 20 ist ausgebildet,
die dem Gebiet der Lichtintensität 16 entspricht,
das sich aus der Beugung von Licht ergibt, das durch das offene
Fenster 10 hindurchtritt.
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2d veranschaulicht
das resultierende Belichtungsmuster, wenn mehrere offene Fenster 10 auf
der Fotomaske 8 ausgebildet sind. Für jedes derartige offene Fenster 10 wird
ein Strukturmerkmal 18 auf der Fotolackschicht 4 belichtet.
Wieder zeigen die Strukturmerkmale 18 die Eckabrundungseffekte
der Beugung, die sich aus dem Belichtungsprozeß ergeben. Außerdem gezeigt
sind die Strukturmerkmale 22, die jenen Gebieten entsprechen,
wo Nebenkeulen 20 von benachbarten offenen Fenstern 10 konstruktiv
derart miteinander interferieren, daß die kombinierte Intensität der Nebenkeulen 20 in
den Gebieten 22 ausreicht, um die Fotolackschicht 4 vollständig zu
belichten. Dies führt
dazu, daß auf
dem Halbleiterwafer 6 unbeabsichtigte und unerwünschte Strukturmerkmale
ausgebildet werden, was möglicherweise zu
Kurzschlüssen,
unerwünschten
Stromwegen und anderen leistungsverringernden Ergebnissen führt.
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Bei
den bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung werden unerwünschte Nebenkeulenstrukturmerkmale 22 eliminiert
und die Eckabrundung des Kontaktlochs 18 wird minimiert, indem
offene Fenster 10 relativ zueinander so positioniert werden,
daß für ein offenes
Fenster 10 die mit dem umgebenden offenen Fenster 10 assoziierten Nebenkeulen
konstruktiv miteinander in dem Gebiet interferieren, wo ansonsten
eine Eckabrundung des Kontakts 18 auftreten würde. Indem
die Nebenkeulen so positioniert werden, daß sie dort auftreten, wo es wünschenswert
ist, den Fotolack zu belichten, werden unerwünschte Strukturmerkmale 22 eliminiert, und
die Gestalt des gewünschten
Strukturmerkmals 18 wird verbessert. Die folgenden Absätze veranschaulichen
weiter die Erfindung mit bevorzugten Ausführungsbeispielen.
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Beispiel 1
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3a veranschaulicht
eine erste beispielhafte Fotomaske 8, mit der eine Struktur
aus kleinen quadratischen Kontaktlöchern 18 erzeugt wird.
Die Fotomaske 8 umfaßt
ein dämpfendes
Gebiet 12 und offene Fenster 10. Das resultierende
Muster auf der Fotolackschicht 4 ist in 3b gezeigt.
Die gewünschte
Struktur, die auf der Fotolackschicht 4 belichtet werden
soll, ist ein Array aus quadratisch geformten Kontaktlöchern der
Größe 225 nm
mal 225 nm. Die Fotolackschicht 4 bestand aus einer 5000 Angström dicken
Schicht aus Fotoresist JSR M22G, die erhältlich ist von JSR Corp., Tokio,
Japan, mit einer Bodenantireflexbeschichtung mit einer Dicke von etwa
900 Angström.
Der Wafer wurde mit einem DUV Scanner S203B von Nikon mit einer
numerischen Apertur von 0,68 belichtet.
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Die
Fotomaske selbst wurde unter Verwendung einer Technologie der gedämpften Phasenverschiebungsfotomaske
formuliert, wobei ein dämpfendes
Gebiet 12 einen Durchlässigkeitsgrad
von 6% lieferte. Die Struktur auf der Fotomaske war 4X der gewünschten
Struktur auf der Schicht 4, wobei eine entsprechende Verkleinerung über eine
Fokussierlinse 9 bewerkstelligt wird. Eine Tief-UV-Lichtquelle 12 sorgt für einen
partiell kohärenten
Lichtstrahl mit einer Wellenlänge
von 248 nm. Simulationen diktierten, daß Nebenkeulen 20 in
den gewünschten
Eckgebieten der Kontaktlöcher 18 konstruktiv
interferieren würden,
wenn die 225 nm-Kontaktlöcher mit
einer Teilung von 350 nm beabstandet wären (bei Verwendung einer Lichtquelle
mit einer Wellenlänge
von 248 nm). Somit wurden offene Fenster 10 auf einer Fotomaske 8 mit
einer Teilung von 350 nm strukturiert.
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Um
die Fotolackschicht 4 in den Nebenkeulengebieten ausreichend
zu belichten, wurde die Schicht mit einer Rate von 78 mJ/cm2 überbelichtet. Die
partielle Kohärenz
der Lichtquelle 2 wurde mit einem Sigma von 0,44 ausgewählt, um
ausreichende Nebenkeulen zu erzeugen, damit die Eckgebiete der Kontaktlöcher 18 belichtet
werden. Eine niedrigere partielle Kohärenz würde zu einer stärkeren Nebenkeulenausbildung
führen
(das Intensitätsverhältnis zwischen
der Hauptspitze und der Nebenkeule würde kleiner werden). Eine größere partielle
Kohärenz würde somit
zu einer geringeren Nebenkeulenausbildung führen. Je nach der Größe des Kontaktmaskenstrukturmerkmals
kann dann die partielle Kohärenz ohne
weiteres in Hinblick auf eine optimale Nebenkeulenausbildung eingestellt
werden. In der Regel würde
eine partielle Kohärenz
im Bereich von 0,3–0,65
zur wünschenswerten
Nebenkeulenausbildung für
die am meisten erwünschten
Strukturmerkmalgrößen und
Teilungen führen.
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Die
resultierende belichtete Fotolackschicht 4 ist in 3b dargestellt.
Man beachte, daß eine Struktur
aus quadratischen Kontaktlöchern
aus der Kombination aus abgerundeten Strukturmerkmalen 18,
die den Hauptabschnitt des Kontaktlochs bilden, und Nebenkeulen strukturmerkmalen 22,
die die Eckabschnitte bilden, gebildet wird. Wenngleich zu Veranschaulichungszwecken
separat gezeigt, bilden die Strukturmerkmale 18 und 22 in
der eigentlichen Praxis ein einzelnes Strukturmerkmal (Kontaktloch). Man
beachte, daß man
ein neuartiges und verbessertes Ergebnis erhält, wenn die Nebenkeulenstrukturmerkmale
vorteilhaft verwendet werden, anstatt, wenn man versucht, jene Strukturmerkmale
zu minimieren oder zu eliminieren, wie im Stand der Technik gelehrt
wird.
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In
den folgenden Beispielen werden zur weiteren Verarbeitung einer
integrierten Schaltung nur ausgewählte der resultierenden Kontaktlöcher 18 benötigt. Die
anderen Kontaktlöcher 18 sind
nur erforderlich, um sicherzustellen, daß die ausgewählten Kontaktlöcher die
gewünschte
quadratische Gestalt aufweisen. Eine weitere Verarbeitung wird deshalb bevorzugt,
um unnötige
Kontaktlöcher
zu eliminieren.
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Beispiel 2
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Bei
diesem Beispiel ist die Fotolackschicht 4 unter Verwendung
der Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche belichtet
worden, was zu der in 3b dargestellten Struktur führt. Für die Schaltung
wird jedoch nur das am weitesten in der Mitte liegende Kontaktloch 18 benötigt, wobei
die umgebenden Kontaktlöcher
lediglich deshalb ausgebildet worden sind, um sicherzustellen, daß das am weitesten
in der Mitte liegende Kontaktloch eine annehmbare quadratische Gestalt
aufweist, und um unerwünschte
Nebenkeulenstrukturmerkmale zum Ausbilden um das gewünschte Kontaktloch
herum zu verhindern.
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Um
die unnötigen
Kontaktlöcher
zu blockieren (zu entfernen), wird eine zweite Belichtung verwendet,
die eine zweite Fotolackschicht und eine blockierende Fotomaske
beinhaltet. Diese blockierende Fotomaske wird ein offenes Fenster 10 aufweisen, das
nur den gewünschten
(am weitesten in der Mitte liegenden) Kontaktloch entspricht, und
die übrigen Kontaktlöcher werden
unter ein dämpfendes
Gebiet 12 der blockierenden Fotomaske plaziert. Auf diese Weise
wird nur das gewünschte
Kontaktloch während
des zweiten Belichtungsschritts belichtet. Um zu verhindern, daß die erste
Fotolackschicht 4 zusammen mit den belichteten Abschnitten
der zweiten Fotolackschicht aufgelöst wird, kann die erste Fotolackschicht
vor dem zweiten fotolithographischen Schritt durch Strahlungsexposition,
chemisches Vernetzen, Elektronenstrahlexposition oder andere wohlbekannte
Vernetzungsverfahren vernetzt werden.
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Beispiel 3
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Bei
diesem Beispiel wurde die Fotolackschicht 4 unter Verwendung
der Verfahren der vorausgehenden Beispiele belichtet, was zu der
in 3b dargestellten Struktur führt. Die 4a bis 4g veranschaulichen
die Prozeßschritte
zum Eliminieren der unnötigen
Kontaktlöcher, 4a liefert eine
Querschnittsansicht des Halbleiterwafers 6 einschließlich eines
auf dem Wafer ausgebildeten leitenden Gebiets 24 und einer
auf dem leitenden Gebiet ausgebildeten isolierenden Schicht 26.
Die Fotolackschicht 4 ist wie oben beschrieben fotolithographisch verarbeitet
worden, was zu der in 4a dargestellten strukturierten
Schicht 4 führt.
Wie dem Fachmann ersichtlich ist, soll das gewünschte Kontaktloch 10' einen leitenden
Weg durch die isolierende Schicht 26 bereitstellen, durch
die ein elektrischer Kontakt mit einem vergrabenen leitenden Gebiet 24 hergestellt werden
kann.
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In 4b wird
eine isolierende Schicht 26, die bevorzugt eine Siliziumdioxid-
oder Polysiliziumschicht ist, unter Verwendung bekannter Ätztechniken
geätzt.
Drei Kontaktlöcher
werden aufgrund der Struktur der Fotolackschicht 4 in die
Schicht geätzt. In 4c wird
die Fotolackschicht 4 entfernt. In 4d wird
eine zweite Fotolackschicht 28 aufgebracht, und eine blockierende
Struktur wird in der Schicht 28 ausgebildet. Diese blockierende
Struktur wird nur über
dem gewünschten
Kontaktloch 10' ausgebildet.
Nachdem eine zweite Fotolackschicht 28 mit der blockierenden
Struktur belichtet worden ist, werden die unbelichteten Abschnitte
der Schicht 28 entfernt, wie in 4e gezeigt.
Als nächstes
werden unnötige
Kontaktlöcher 10 mit
einem Isolatormaterial 30 gefüllt, wie etwa plasma-abgeschiedenem Polymer,
aufgeschleudertem Polymer oder dergleichen, wie in 4f gezeigt.
Auf diese Weise werden die unnötigen
Kontaktlöcher
entfernt. Schließlich
wird, wie in 4g gezeigt, die verbleibende
Fotolackschicht 28 entfernt, wodurch nur ein einzelnes
Kontaktloch 10 an der gewünschten Stelle zurückbleibt.
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Wie
aus den oben beschriebenen Beispielen ersichtlich ist, kann die
vorliegende Erfindung in zahlreichen Ausführungsformen verkörpert werden.
Quadratische Kontaktlöcher
können
für eine
Vielzahl fotolithographischer Prozesse erhalten werden, vorausgesetzt
Teilung und Größe der offenen
Fenster werden so eingestellt, daß eine Nebenkeulenausbildung im
Gebiet der Kontaktlochecken verursacht wird, und vorausgesetzt,
die Beleuchtungsbedingungen (insbesondere partielle Kohärenz) werden
so eingestellt, daß die
Fotolackschicht ausreichend belichtet wird. Andere Lichtquellen,
wie etwa üblicherweise
verwendete Lichtquellen mit einer Wellenlänge von 193 nm und 365 nm,
können
mit den Lehren der vorliegenden Erfindung verwendet werden, vorausgesetzt,
die partielle Kohärenz,
die numerische Apertur und der Brennpunkt sind, wie hier beschrieben,
für die
Größe und Teilung
der gewünschten
rechteckigen Strukturmerkmale ordnungsgemäß eingestellt.
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Wenngleich
die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf veranschaulichende
Ausführungsformen
beschrieben worden ist, soll diese Beschreibung nicht in einem beschränkenden
Sinne ausgelegt werden. Es versteht sich, daß sich die vorliegende Erfindung
auch auf maschinenlesbare Medien bezieht, auf denen Retikeldesigns
gespeichert sind, die die Anforderungen der vorliegenden Erfindung
erfüllen,
oder Programminstruktionen zum Ausführen von Verfahren der vorliegenden
Erfindung. Verschiedene Modifikationen und Kombinationen der veranschaulichenden
Ausführungsformen
sowie andere Ausführungsformen
der Erfindung ergeben sich dem Fachmann bei Bezugnahme auf die Beschreibung.
Deshalb sollen die beigefügten
Ansprüche
alle derartigen Modifikationen oder Ausführungsformen einschließen.