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Die
vorliegende Beschreibung bezieht sich auf die Strukturierung von
Halbleiterschichten unter Anwendung von Phasenverschiebung und Hilfselementen.
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Moderne
mikroelektronische Geräte
werden im Allgemeinen in einem lithographischen Verfahren hergestellt.
Dabei wird eine Halbleiterscheibe mit einer Schicht Resist überzogen.
Diese Resistschicht wird dann einem Beleuchtungslicht ausgesetzt,
wobei das Licht durch eine Maske geleitet wird. Die Maske regelt
die Amplitude des auf den Wafer fallenden Lichtes. Daraufhin wird
die Maskenschicht entwickelt und das nicht belichtete Resist entfernt,
und das belichtete Resist erzeugt auf dem Wafer ein Bild der Maske.
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Zur
Strukturierung der verschiedenen Schichten von Halbleitergeräten werden
verschiedene Masken verwendet. Einige Schichten, wie zum Beispiel
Metall und Transistoren enthaltende Schichten, erfordern Masken,
die Strukturelemente mit höheren
Seitenverhältnissen,
d.h. Verhältnissen
Länge/Breite über 2,5,
strukturieren können.
Diese Strukturelemente sind nur in einer Dimension klein. Andere
Schichten, wie zum Beispiel Kontakt- und Verbindungsschichten, erfordern
Masken für
Strukturelemente mit niedrigen Seitenverhältnissen, d.h. Verhältnissen
Länge/Breite
unter 2,5. Diese Strukturelemente sind in beiden Dimensionen klein.
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Fortgesetzte
Verbesserungen in der Lithographie haben das Drucken von zunehmend
feinen Strukturelementen ermöglicht
und kleinere Geräteabmessungen
sowie Geräte
mit höherer
Dichte möglich
gemacht. Das hat die im Bereich integrierte Schaltungen (IC) tätige Industrie
dazu befähigt,
leistungsfähigere
und wirtschaftlichere Halbleitergeräte herzustellen. Während die
Strukturelemente, die alle kleiner sind als die Wellenlänge des
die Struktur auf den Wafer übertragenden
Lichtes, zunehmend kleiner werden, bereitet die genaue Übertragung
der Struktur auf den Wafer immer mehr Schwierigkeiten.
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Zur
Lösung
dieses Problems wurden bei der Entwicklung von Masken zum Strukturieren
von Schichten mit Strukturelementen mit hohen Seitenverhältnissen zwei
separate Verfahren zur Anwendung gebracht – Phasenverschiebung und der
Einsatz von Hilfselementen. Phasenschiebermasken blockieren nicht
nur das Licht, sondern ändern
auch selektiv die Phase des durch die Maske gehenden Lichtes zur
Verbesserung der Auflösung
der Strukturelemente auf dem Wafer. Bei Strukturelementen, die kleiner
als die Wellenlänge
und in kleinen Abständen angeordnet
sind, ändern
optische Verzerrungen sowie die Diffusions- und Belastungswirkung
von Photoresist- und Ätzprozessen
die gedruckten Zeilenränder.
Bei Phasenverschiebung des auf benachbarte Strukturelemente fallenden
Lichtes, so dass gewisse offene Bereiche in der Maske im Wesentlichen
die ganze darauf fallende Strahlung durchlassen und nahe liegende
oder umgebende offene Bereiche die ganze darauf fallende Strahlung übertragen,
verursacht bei einer Verschiebung von ca. 180 Grad das Überströmen von
Licht zwischen einem Strukturelement und dem nächsten eine Auslöschung,
die am Rand des Strukturelements einen guten Kontrast ergibt. Bei
Einsatz der Phasenverschiebung können verschachtelte
Strukturelemente näher
zusammen gerückt
und dennoch genau strukturiert werden.
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Im
Gegensatz dazu dienen Hilfselemente zur Strukturierung von vereinzelten
Strukturelementen mit hohem Seitenverhältnis. Hilfselemente sind Retikel-
oder Maskenelemente, die zum Verschachteln dieser anderenfalls vereinzelten
Strukturelemente verwendet werden, um die Vorteile von Photoresist und
zur Strukturierung von verschachtelten Elementen optimierten Werkzeugen
zu nutzen. Hilfselemente sind im Idealfall so beschaffen, dass sie
klein genug sind, um sich nicht selbst auf den Wafer zu übertragen,
aber so groß,
dass proximale Strukturelemente die Eigenschaften von verschachtelten
annehmen. Hilfselemente haben außerdem den Vorteil, dass sie
die Einheitlichkeit des Wafers verbessern, indem sie dafür sorgen,
dass alle Strukturelemente als verschachtelte strukturiert werden.
Derartige Hilfselemente kommen in einer Photomaske nach Anspruch
1 und in einem Verfahren zur Strukturierung einer lichtempfindlichen
Schicht nach Anspruch 10 zur Anwendung.
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US 5,229,230 offenbart eine
Photomaske, wobei eine rechteckige Struktur zur Übertragung auf eine Resistfolie
sowie eine Vielzahl von Zusatzstrukturen in einer Lichtschutzschicht
vorgesehen sind, die auf einer durchsichtigen Platte gebildet ist.
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EP 1 174 764 bezieht sich
auf Masken mit Hilfselementen zur Anwendung in Verfahren zur Herstellung
von Geräten
unter Einsatz eines lithographischen Projektionsapparats.
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JP 11 143 047 A offenbart
eine Halbtonmaske mit Phasenverschiebung, wobei die durchscheinenden
Zusatzstrukturen am Rand einer Hauptstruktur angeordnet sind.
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US 5,302,477 offenbart ein
phasenverschobenes Retikel, wobei aneinander liegende Strukturen invertierte
Phasen für
die Struktur- und Phasenschieberelemente aufweisen, sowie Verfahren
zur Herstellung des Retikels.
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Kroyan
et al. (Protokoll der SPIE, SPIE, Bellingham, VA, US, Band 3679,
Teil 1–2,
Nr. 3679, Seiten 630–638
XP001083867 ISSN: 0277-786X) behandeln die Auswirkung von Unterauflösungs-Hilfselementen
auf die Tiefenschärfe
und Einheitlichkeit von Kontaktfenstern für 193-mm-Lithographie.
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US 6,355,382 offenbart eine
Photomaske, bei welcher der Kontrast der Lichtintensität einer
zu übertragenden
Struktur (Hauptstruktur) auf einer Bildebene verstärkt wird,
während
die Übertragung
eines Zusatzelements unterdrückt
wird. Die Photomaske weist eine erste Zusatzstruktur auf, die oberhalb und
unterhalb sowie links und rechts von einer zu übertragenden Hauptstruktur
angeordnet ist, woraus sich ein durchsichtiges Substrat mit einer
mit der Hauptstruktur fluchtenden Oberfläche ergibt, mit einem dem Phasenunterschied
mit Bezug auf die Hauptstruktur entsprechenden Höhenunterschied, d.h. K mal
360°, sowie
im Winkel von 45° bezüglich der
Hauptstruktur liegende zweite Zusatzstrukturen. Die zweite Zusatzstruktur
ergibt einen dem Phasenunterschied entsprechenden Höhenunterschied
mit Bezug auf die ersten Zusatzstrukturen. Der Kontrast der ersten
Zusatzstrukturen wird durch die zweiten Zusatzstrukturen reduziert,
wodurch die Tiefenschärfe
gesteigert wird.
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BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
die Anwendung von Hilfselementen nach dem Stand der Technik im Zusammenhang mit
Primärelementen
mit hohem Seitenverhältnis.
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2 zeigt
die Anwendung von Hilfselementen bei der Herstellung von Primärelementen
mit niedrigem Seitenverhältnis.
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3a zeigt
die Anwendung von Hilfselementen mit niedrigem Seitenverhältnis bei
der Herstellung von Primärelementen
mit niedrigem Seitenverhältnis.
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3b zeigt
eine alternative Anwendung von Hilfselementen mit niedrigem Seitenverhältnis bei
der Herstellung von Primärelementen
mit niedrigem Seitenverhältnis.
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3c zeigt
die Anwendung von Hilfselementen mit niedrigem Seitenverhältnis bei
der Herstellung von Primärelementen
mit niedrigem Seitenverhältnis
gemäß der Erfindung.
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4a, 4b, 5a, 5b und 6 zeigen
die Bildintensitätskurven
von Masken.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG
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1 zeigt
einen Teil einer Maske 100 nach dem Stand der Technik zur
Strukturierung einer Geräteschicht
mit hohem Seitenverhältnis.
Mehrere Strukturelemente 110, 120 und 121 der
gleichen Phase sind zu sehen. Strukturelement 110 ist zum
Beispiel ein Primärelement
(d.h. ein auf den Wafer zu strukturierendes Element) zur Strukturierung
einer Metall- oder Transistorschicht mit hohem Seitenverhältnis. Strukturelemente 120 und 121 sind
Hilfselemente mit hohem Seitenverhältnis, die zum Verschachteln
des Strukturelements 110 dienen und diesem die selben Eigenschaften
verleihen, die andere verschachtelte Strukturelemente auf der Maske 100 aufweisen.
Da nun dafür
gesorgt wird, dass alle Primärelemente
die Eigenschaften von verschachtelten Elementen aufweisen und nicht
einige davon verschachtelte und andere vereinzelte Eigenschaften haben,
wird der Wafer einheitlicher strukturiert.
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2 veranschaulicht
die Anwendung der selben Hilfselemente bei der Strukturierung von Strukturelementen
mit niedrigem Seitenverhältnis, wie
zum Beispiel Kontakten und Verbindungen. Die Maske 200 umfasst
ein Primärelement 210 mit niedrigem
Seitenverhältnis,
das zum Beispiel ein Kontakt sein kann, sowie Hilfselemente 220–223 mit
hohem Seitenverhältnis.
Die Hilfselemente 220–223 mit
hohem Seitenverhältnis
verschachteln das Primärelement 210 mit
niedrigem Seitenverhältnis
und verleihen ihm die selben Eigenschaften, die andere verschachtelte
Strukturelemente auf der Maske 200 aufweisen. Die Anwendung
von Hilfselementen bei der Strukturierung von Strukturelementen
mit niedrigem Seitenverhältnis
befähigt
den Konstrukteur zur Verbesserung der Bildqualität von vereinzelten Strukturelementen
und zum Erzielen einer Einheitlichkeit, die sonst nur im Zusammenhang
mit dem Einsatz von Hilfselementen bei der Strukturierung von Strukturelementen
mit hohem Seitenverhältnis
erreichbar ist.
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3a, 3b und 3c veranschaulichen
die Anwendung von phasenverschobenen Hilfselementen mit niedrigem
Seitenverhältnis
bei der Strukturierung von Strukturelementen mit niedrigem Seitenverhältnis, wie
zum Beispiel Kontakten und Verbindungen. Wie gezeigt bestehen die
Masken 310, 340 und 370 aus einer Mehrzahl
von Bereichselementen 315, 371 und 374–376 der
Phase A (z.B. 180 Grad) und einer Mehrzahl von Bereichselementen 311–314, 341–344, 372, 373 und 377 der Phase
B (z.B. 0 Grad). Strukturelemente 315, 371 und 372 sind
Primärelemente
wie zum Beispiel Kontakte, die auf den Wafer strukturiert werden
sollen. Strukturelemente 311–314, 341–344 und 373–377 sind
Hilfselemente, die zum Verschachteln der Strukturelemente 315, 371 und 372 dienen
und diesen die selben Eigenschaften verleihen, die andere verschachtelte
Strukturelemente auf den Masken 310, 340 und 370
aufweisen. Die Hilfselemente 311–314, 341–344 und 373–377 sind
im Idealfall so bemessen, dass sie groß genug sind, um die nötige Auslöschung zu
gewährleisten,
aber so klein, dass sie keine Struktur auf dem Wafer erzeugen.
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In 3a, 3b und 3c dienen
die Hilfselemente zur Nutzung der Abbildungsvorteile von alternativen
Phasenschiebermasken bei der Strukturierung von Strukturelementen
mit niedrigem Seitenverhältnis,
wie zum Beispiel Kontakt- und Verbindungsschichten. Die zur Strukturierung
von eng aneinander liegenden Kontakten dienenden Maskenöffnungen
lassen Licht durch, das in Bezug auf benachbarte Kontakte um eine
halbe Wellenlänge
(im vorliegenden Beispiel 0 bzw. 180 Grad) phasenverschoben wurde.
Diese Phasenverschiebung lässt sich
mit einer Reihe von allgemein bekannten Verfahren erreichen, darunter Ätzen des
Glases auf der Maske oder Auftragen einer Strukturfolie auf das Substrat.
Wie 3a und 3b zeigen,
können Unterauflösungs-Hilfselemente (311–314 und 341–344)
in der Nähe
von vereinzelten Strukturelementen (Strukturelement 315)
auf der Maske platziert werden. Unterauflösungs-Hilfselemente sind Hilfselemente, die
auf dem Wafer kein Strukturelement erzeugen, da das Bild nicht auf
das Photoresist übertragen
wird. Wie 3c zeigt, können phasenverschobene Hilfselemente
(z.B. 312) jedoch auch in ungefähr gleichem Abstand von Strukturelementen mittlerer
Trennung (z.B. 315 und 371) platziert werden.
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Die
phasenverschobenen Hilfselemente in 3a, 3b und 3c können mit
Hilfe eines Layoutmanipulators, wie zum Beispiel HerculesTM von Avant! Corporation, Fremont, Kalifornien
oder CalibreTM von Mentor Graphics Corporation,
Wilsonville, Oregon, erzeugt werden. Die Bemessung, Trennung und
Phasenzuordnung der Hilfselemente können mittels vom Benutzer generierten
Befehlen manipuliert werden. Die synthesierte phasenverschobene Kontaktanordnung
mit phasenverschobenen Hilfselementen kann durch optische Abstandkorrektur (OPC)
auf Regel- oder Modellbasis mit einem Werkzeug wie zum Beispiel
ProteusTM von Avant! weiter manipuliert
werden. Diese Werkzeuge manipulieren die Maskengröße der Kontakte
nach einem feinen Maßstab,
so dass Primärelemente
mit unterschiedlichen Nachbarstrukturen auf dem Wafer mit gleichen Größen strukturiert
werden.
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3a und 3b veranschaulichen
zwei alternative Verfahren zur Anwendung von Hilfselementen bei
der Strukturierung des Strukturelements 315, die in den
Rahmen der vorliegenden Erfindung fallen. Die Einführung der
Hilfselemente 311–314 bei Maske 310 und
der Hilfselemente 311–314 und 341–344 bei
Maske 340 verleiht nicht nur dem Strukturelement 315 die
Eigenschaften eines verschachtelten Elements, sondern befähigt auch
die Maske dazu, die Phasenverschiebung zur weiteren Definition der
Grenzen und zur weiteren Verbesserung des Bildkonstrastes des Strukturelements 315 zu
nutzen. Infolge der Einführung
der Hilfselemente 311–314 und 341–344,
die dem zu strukturierenden Element 315 gegenüber um 180
Grad phasenverschoben sind, kann die zwischen den Hilfselementen 311–314 und 341–344 und
dem Strukturelement 315 entstehende Auslöschung eine
schärfere
Grenzlinie am Rand des Strukturelements 315 schaffen und
dessen Bildkontrast verbessern. Das wird in 5a und 5b veranschaulicht,
und die allgemeine Auswirkung der Phasenverschiebung ist in 4a und 4b ersichtlich.
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4a und 4b zeigen
Bildintensitätskurven
für eine
gedämpfte
Phasenschiebermaske bzw. eine alternative Phasenschiebermaske für einen
Kontakte mit einem Abstand von 260 nm, unter Anwendung einer Wellenlänge von
193 nm und von Linsenparametern von 0,6NA, 0,8 bzw. 0,3 Sigma.
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4a und 4b zeigen
Simulationsergebnisse für
die Strukturierung eines verschachtelten 140-nm-Kontakts. Die Intensitätskurven 410 und 420 zeigen
die Intensität
der Strahlung auf der Bildebene als Funktion des Abstandes in Mikrometern
(um). Wie gezeigt ergibt die Intensität, die durch Einsatz einer
alternierenden Phasenschiebermaske zur Erzeugung eines Primärelements
wie zum Beispiel eines Kontakts erreicht wird (Intensitätskurve 410)
ein wesentlich schärferes
Bild als dasjenige, das bei Einsatz einer dämpfenden Phasenschiebermaske
erreicht wird (Intensitätskurve 420).
Die Steigung der Intensitätskurve 410 bei
ca. 0,190 nm und 0,340 nm veranschaulicht die Schärfe des
auf dem Wafer erscheinenden Strukturelements. Angesichts der Intensität zwischen
ca. 0,190 nm und 0,340 nm kann ein 140-nm-Kontakt genau strukturiert
werden. Im Gegensatz dazu ist die Intensitätskurve 420 bei ca. 0,190
nm und 0,340 nm wesentlich weniger steil, woraus sich ein matteres
Bild bzw. mit größerer Wahrscheinlichkeit
ein nicht aufgelöstes
Strukturelement ergibt.
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5a und 5b veranschaulichen
die Vorteile des Einsatzes von phasenverschobenen Hilfselementen
beim Verschachteln eines Einzelkontakts. 5a und 5b zeigen
die Bildintensitätskurven
für einen
Einzelkontakt bzw. für
einen Einzelkontakt mit phasenverschobenen Hilfselementen für 260-nm-Kontakte
bei einer Wellenlänge
von 193 nm und Linsenparametern von 0,6NA bzw. 0,3 Sigma.
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Der
Kontakt ist 140 nm breit auf der Maske, während die Hilfselemente 100 nm
breit sind. Der Mittenabstand zwischen Kontakt und Hilfselementen beträgt 260 nm.
Die Lichtintensität
an der Oberfläche des
Wafers für
die Simulation, deren Ergebnisse in 5b zu
sehen sind, liegt dem gewünschten
Intensitätswert
näher als
die Lichtintensität
in 5a. Bezüglich
des simulierten Kontaktelements beträgt die Lichtintensität des Kontaktelements
in 5a nur 0,25 (siehe Spitzenwert 580),
während die
des selben Kontaktelements in 5b über 0,35
beträgt (siehe
Spitzenwert 540). Außerdem
ist die Steigung der Kurve 520 größer an den Rändern (Abstände von ca.
0,500 und 0,620 definieren den 120-nm-Kontakt) als die der Kurve 510,
was ein schärferes
Bild andeutet. Im Idealfall ist die von den Hilfselementen erzeugte
Intensität,
die in 5b bei 530 und 550 zu
sehen ist, so gering, dass die Hilfselemente nicht auf den Wafer
gedruckt werden.
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6 veranschaulicht
die Vorteile, die mit phasenverschobenen Hilfselementen zu erreichen sind. 6 zeigt
die Intensitätskurve
für einen
Einzelkontakt mit phasenverschobenen Hilfselementen für 260-nm-Kontakte
bei einer Wellenlänge
von 193 nm und Linsenparametern von 0,6NA bzw. 0,3 Sigma.
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Wie
bei 5a und 5b ist
der Kontakt 140 nm breit, während die Hilfselemente 100 nm
breit sind. Der Mittenabstand zwischen Kontakt und Hilfselementen
beträgt
260 nm. Wie 5b und 6 zeigen,
wird die Intensität
durch den Einsatz von phasenverschobenen Hilfselementen optimiert (siehe
Spitzenwerte 540 und 640). Außerdem veranlasst die Phasenverschiebung
eine Auslöschung
zwischen dem Kontaktelement (Spitzenwerte 540 und 640)
und den Hilfselementen (Spitzenwerte 530, 550, 630 und 650).
Diese Auslöschung
erscheint als Talpunkte 560, 570, 660 und 670 in
der Intensitätskurve. Der
Einsatz von eng aneinander liegenden Hilfselementen gleicher Phase
verbessert das Bild nicht. Die Grenzen zwischen den eng aneinander
liegenden Strukturelementen können
nur durch Phasenverschiebung und mit Hilfe der durch Auslöschung erreichbaren
Definition aufgelöst
werden. Ohne Phasenverschiebung ist der Kontrast ggf. schwach, so dass
der Wafer nicht strukturiert wird.
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Wie
in 3c zu sehen ist, haben Strukturelemente im typischen
Fall minimale Abmessungen. Außerdem
umfassen die Konstruktionsregeln minimale Abstandsanforderungen
zwischen den Einzelteilen der Strukturelemente. Durch Einsatz von Hilfselementen
mit alternierender Phasenverschiebung kann der Mindestabstand zwischen
Hilfselementen und Kontakten reduziert werden. Hilfselemente verbessern
daher den Bildkontrast von Einzelkontakten, die zu nahe beieinander
angeordnet sind, um Hilfselemente gleicher Phase zu unterstützen.
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3c veranschaulicht
ferner den gleichzeitigen Einsatz von alternierend phasenverschobenen Primärelementen
und phasenverschobenen Hilfselementen. Alternierend phasenverschobene
Hilfselemente kommen nur bei denjenigen Teilen der Strukturelemente 315, 371 und 372 zum
Einsatz, die keine benachbarten der Phasenverschiebung fähigen Primärelemente
aufweisen. Da zum Beispiel Primärelemente 371 und 372 benachbart
angeordnet sind, lassen sich die Vorteile der Phasenverschiebung
auch dadurch erreichen, dass die Phase des Primärelements 371 im Verhältnis zum
Primärelement 372 verschoben
wird. Da die Primärelemente 371 und 372 verschachtelt
sind, erübrigt
sich das Einfügen
eines Hilfselements zwischen den beiden Strukturelementen. Angesichts
des relativ großen
gegenseitigen Abstandes der Strukturelemente 315 und 371 lassen sich
jedoch durch Einfügen
des phasenverschobenen Strukturelements 312 die Vorteile
der Phasenverschiebung nutzen. Phasenverschobene Hilfselemente 311, 313–314 und 373–377 sind
auch an den Rändern
der Primärelemente 315, 371 und 372 angeordnet,
um dort einen schärferen
Kontrast zu ergeben.
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3a, 3b und 3c ist
zu entnehmen, dass die Hilfselemente 311–314, 341–344 und 373–377 zur
Verschärfung
des Bildes der Strukturelemente 315, 371 und 372 ein
niedriges Seitenverhältnis
haben und quadratisch oder annähernd
quadratisch sein können.
Bei Anwendung von Hilfselementen mit niedrigem Seitenverhältnis kann
die Mindestabmessung des Hilfselements größer sein als die eines Hilfselements
mit hohem Seitenverhältnis, ohne
ein unerwünschtes
Strukturelement auf dem Wafer zu belichten. Das trifft deshalb zu,
weil die Fläche
des Hilfselements bestimmt, ob es auf den Wafer strukturiert wird.
Die Herstellung der Maske wird ebenfalls erleichtert, wenn die Mindestabmessung des
Hilfselements nicht zu klein werden kann, da dieses das kleinste
Element auf der herzustellenden und zu untersuchenden Maske bildet.
Das Hilfselement wird im Allgemeinen groß genug bemessen, um die Strukturierung
des Primärelements
zu verbessern, aber klein genug, um kein unerwünschtes Strukturelement auf
dem Wafer zu erzeugen.
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Bezüglich von 1, 2 und 3a–c versteht
sich, dass die Strukturelemente 110, 210, 315, 371 und 372 lediglich
zur Veranschaulichung dienen und die Geräteschicht zahlreiche andere Strukturelemente
aufweisen kann; außerdem
können die
Strukturelemente je nach der zu formenden Geräteschicht auch anders konfiguriert
sein. Es versteht sich ferner, dass im typischen Fall zahlreiche
weitere Strukturelemente in anderen Bereichen der Geräteschicht
angeordnet sind, die nicht im Bild gezeigt sind.
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Mehrere
Ausführungsformen
der Erfindung wurden oben beschrieben. Es können jedoch selbstverständlich verschiedene Änderungen
vorgenommen werden. Phasenverschobene Hilfselemente können zum
Beispiel bei Strukturelementen mit hohem Seitenverhältnis zum
Einsatz kommen. Andere Ausführungsformen
liegen daher im Umfang der unten stehenden Ansprüche.