DE69518809T2

DE69518809T2 - Selbstausrichtende Justiermarken für Phasenverschiebungsmasken

Info

Publication number: DE69518809T2
Application number: DE69518809T
Authority: DE
Inventors: John Joseph Demarco; Christophe Pierrat
Original assignee: AT&T Corp
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1994-10-28
Filing date: 1995-10-18
Publication date: 2001-02-01
Anticipated expiration: 2015-10-19
Also published as: JPH08227139A; US5633103A; TW278201B; EP0709735A3; KR960015074A; DE69518809D1; EP0709735B1; EP0709735A2; JP3455346B2; KR100399533B1

Description

Allgemeiner Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft die optische Lithographie, wie beispielsweise diejenige, die zur Herstellung von integrierten Halbleiterschaltungsbauelementen und anderen Bauelementen verwendet wird. Insbesondere betrifft die Erfindung optische lithographische Masken und Verfahren zur Herstellung derartiger Masken zur Verwendung in optischen lithographischen Systemen zur Herstellung derartiger Bauelemente. Diese Masken werden insbesondere dann auch als "Retikel" bezeichnet, wenn sie in optischen Systemen mit anderen Vergrößerungsfaktoren als Eins verwendet werden.
Bei der Herstellung integrierter Schaltungen ist es beispielsweise wünschenswert, pro Halbleiterwafer so viele Transistoren wie möglich zu haben. Somit ist es wünschenswert, Transistorgrößen so klein wie möglich zu machen. Analog ist es wünschenswert, jede andere Strukturgröße, wie beispielsweise die Strukturgröße eines Metallisierungsstreifens - das heißt seine Breite - oder einer Apertur in einer Isolierschicht, die beispielsweise mit Metall gefüllt werden soll, um elektrische Verbindungen zwischen einer Metallisierungsebene und einer anderen herzustellen, so klein wie möglich zu machen.
Wenn auf eine Photoresistschicht belichtet werden soll, die sich auf dem Halbleiterwafer in einem optischen lithographischen System befindet, wobei das entsprechende Strukturmerkmal eine Breite gleich W aufweist, muß gemäß der geometrischen Optik ein Strukturmerkmal mit einer Breite gleich C auf der Maske (dem Retikel) angeordnet sein. Wenn weiterhin dieses Strukturmerkmal mit einer Breite gleich C eine einfache Apertur in einer undurchlässigen Schicht ist, dann ist gemäß der geometrischen Optik das Verhältnis W/C = m, wobei m als die "seitliche Vergrößerung" bekannt ist. Wenn Beugungseffekte wichtig werden, wird jedoch anstelle eines scharfen Schwarzweißbilds ein Beugungsmuster des Objektstrukturmerkmals C auf der Photoresistschicht gebildet, wodurch die Kanten des Bilds undeutlich werden. Infolgedessen verschlechtert sich die Auflösung der Strukturmerkmale des Retikels bei Fokussierung auf die Photoresistschicht und Übertragung auf das Werkstück.
Im Stand der Technik ist dieses Beugungsproblem durch Techniken wie beispielsweise die Verwendung von phasenverschiebenden Teilen ("phasenverschiebende Strukturmerkmale") auf der Maske gelindert worden. Die Maske ist deshalb dann als "Phasenverschiebungsmaske" bekannt, und deshalb wird im folgenden die Maske ebenfalls als "die Phasenverschiebungsmaske" bezeichnet. Diese phasenverschiebenden Strukturmerkmale verleihen dem von der Lichtquelle ausgehenden Lichtstrahl eine Phasenverschiebung φ, wobei φ in der Regel ungefähr gleich π(= 180º) ist.
Phasenverschiebende Strukturmerkmale können entweder undurchlässig (das heißt mit einem optischen Intensitätstransmissionskoeffizienten T ungefähr gleich 0) oder teilweise transparent (das heißt, wobei der Wert von T vorteilhafterweise im ungefähren Bereich 0,05 bis 0,15 liegt, wobei in der Regel T ungefähr gleich 0,10 ist) - alle bei Messung bezüglich der Lichtstrahlung der Wellenlänge λ. Bei einer Phasenverschiebungsmaske werden somit die Strukturmerkmale, wie beispielsweise dasjenige, das in Form einer einfachen Apertur C in der Maske gezeigt ist, komplizierter als lediglich einfache Aperturen und enthalten die oben erwähnten phasenverschiebenden Strukturmerkmale.
Zur Verwendung in dem optischen lithographischen System weist die Phasenverschiebungsmaske in der Regel zwei grundlegende Bereiche auf: (a) Strukturmerkmalsbereiche und (b) Ausrichtungsbereiche. Das heißt, die Phasenverschiebungsmaske weist die folgenden grundlegenden Bereiche auf: (a) Strukturmerkmalsbereiche, wodurch die durch sie auf der Photoresistschicht gebildeten Bilder Bauelementstrukturmerkmalen des Halbleiterwafer oder eines anderen Werkstücks entsprechen (wie beispielsweise ausgewählte Bereiche des Werkstücks, wo Fremdionen implantiert werden, oder ausgewählte Bereiche des Werkstücks, wo Teile des Werkstücks entfernt werden) und (b) Werkstückherstellungsausrichtungsbereiche davon, wodurch die auf der Photoresistschicht gebildeten Bilder Werkstückherstellungsausrichtungsmarkierungen entsprechen.
Wie in der Technik bekannt, wird das Werkstück in einem Step-and-Repeat-Bewegungsvorgang zum Bilden von Bildern auf der Photoresistschicht in Chip- ("Einzelchip-")-Untergebiete unterteilt: Jedes Untergebiet wird in der Regel durch eine resultierende Step-and-Repeat-Position des Werkstücks definiert und umgeben (durch die Photoresistschicht überlegt). Jedes entsprechende Untergebiet der Photoresistschicht wird nacheinander dem Lichtstrahl in dem System ausgesetzt. Um das System für den Step-and-Repeat-Prozeß auszurichten, sind auf der Maske zusätzlich zu den Werkstückausrichtungsherstellungsmarkierungen Step-and- Repeat-Ausrichtungsmarkierungen erforderlich.
Wie in der Technik weiterhin bekannt ist, bewirkt eine unerwünschte Brechung von Lichtstrahlung in einem optischen lithographischen System ein unerwünschtes Austreten von Lichtstrahlung aus einem Bereich auf der Photoresistschicht in einen anderen. Während eines Step-and-Repeat-Vorgangs werden durch dieses Austreten Bereiche der Photoresistschicht, die über benachbarten Chipuntergebieten des Werkstücks liegen, einem unerwünschten Lichtstrahlungshintergrund ausgesetzt, falls sich die benachbarten Chipuntergebiete in geringer Nähe befinden. Dieses Austreten bewirkt deshalb eine unerwünschte Verschlechterung der Definitionsschärfe von Strukturmerkmalen benachbarter Chipuntergebiete. Zusätzlich zu diesem (Step-and- Repeat-)Austreten kann ein unerwünschtes Lichtstrahlungsaustreten aus den Strukturmerkmalsbereichen in die Ausrichtungsbereiche auf der Photoresistschicht die Definitionsschärfe (Kontrastverhältnis) der Bilder der Ausrichtungsmarkierungen auf der Photoresistschicht unerwünscht reduzieren; und dieses Austreten kann somit eine Verschlechterung der Definitionsschärfe der Positionen der letztendlich in dem Werkstück gebildeten Strukturmerkmale bewirken.
Um diese Lichtstrahlungshintergründe zu minimieren - anstatt die Entfernung zwischen Chips (wie durch den Step-and-Repeat-Vorgang definiert) oder die Entfernung zwischen Strukturmerkmalsbereichen und Ausrichtungsbereichen zu erhöhen, wodurch wertvoller Strukturmerkmalsraum auf dem Werkstück geopfert würde - wird im Stand der Technik auf der Maske zwischen den Ausrichtungsbereichen und den Grenzen der Chipuntergebiete sowie zwischen den Strukturmerkmalsbereichen und den Ausrichtungsbereichen eine undurchlässige Blendenschicht eingeführt. Im Interesse der Wirtschaftlichkeit bei der Verarbeitung haben Techniker im Stand der Technik diese Blendenschicht gleichzeitig mit der Bildung der undurchlässigen Schichten (T = 0) der phasenverschiebenden Bereiche gebildet. In Fällen jedoch, in denen die phasenverschiebenden Strukturmerkmale teilweise transparent sind (d. h. in Fällen, in denen T ≠ 0), würde ein derartiges Verfahren Ausrichtungsmarkierungen und Blendenschichten erzeugen, die gleichermaßen teilweise transparent wären, wodurch die Ausrichtung der Photoresistschicht während des Step-and-Repeat-Vorgangs sowie während der Belichtung mit dem Lichtstrahl in dem System beeinträchtigt würde und ein unerwünschtes Ausmaß an Austreten fortdauern würde.

Kurze Darstellung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung beinhaltet eine Phasenverschiebungsmaske, die in dem optischen lithographischen System verwendet werden kann. Die erfindungsgemäße Maske weist teilweise transparente phasenverschiebende Strukturmerkmale zusammen mit Ausrichtungsmarkierungen auf, die verstärkt (undurchlässig gemacht) werden und bezüglich der phasenverschiebenden Strukturmerkmale sich selbst justieren. Die sich derart selbst justierenden verstärkten Ausrichtungsmarkierungen sind entweder Werkstückherstellungsausrichtungsmarkierungen, Step- and-Repeat-Ausrichtungsmarkierungen oder beide. Das Austreten von Lichtstrahlung wird dank einer zwischen Strukturmerkmalsbereichen und Ausrichtungsbereichen der Maske angeordneten undurchlässigen Blendenschicht reduziert. Die Maske kann ebenfalls eine verstärkte (undurchlässige) Blendenschicht aufweisen, die das Austreten von Lichtstrahlung aus den Strukturmerkmalsbereichen zu den Ausrichtungsbereichen auf der Photoresistschicht 101 verhindert. Bei einigen Ausführungsformen weist die Maske weiterhin eine verstärkte Blendenschicht auf, um das Austreten von Lichtstrahlung von einem Chipbereich zu einem anderen zu verhindern. Die Erfindung beinhaltet auch ein Verfahren zur Herstellung derartiger Masken.
Bei einer spezifischen Ausführungsform umfaßt eine Phasenverschiebungsmaske gemäß der Erfindung:
(a) ein Substrat, das für Lichtstrahlung einer Wellenlänge λ transparent ist; Merkmale in Form von teilweise transparenten, strukturierten Schichtelementen 11 ("Maskenabbildungsstrukturmerkmalen 11"); ein zweites Gebiet mit einem teilweise transparenten, begrenzten Schichtelement 12 ("Ausrichtungsmarkierungsblende 12"); ein drittes Gebiet mit teilweise transparenten, strukturierten Schichtelementen 13 ("Ausrichtungsmarkierungen 13"); und ein viertes Gebiet mit einem teilweise transparenten, begrenzten Schichtelement 14 ("Chipblende"). Diese vier Gebiete werden mit einer Photoresistschicht 15, in der Regel AZ5206 von der Firma Hoechst Celanese Corporation mit Adresse Electronics Products Division, 3070 Highway 22 West, Somerville, NJ 08876, beschichtet.
Wie weiterhin in Fig. 1 angedeutet, wird ein direktschreibender Elektronenstrahl e&supmin; auf die Resistschicht 15 in Gebieten davon gerichtet, die nur über dem ersten Gebiet und einem benachbarten Teil des zweiten Gebiets liegen. Somit wird die Photoresistschicht 15 durch den Elektronenstrahl e&supmin; in allen Gebieten davon beschossen, die über den strukturierten Maskenabbildungsstrukturmerkmalen 11 und einem benachbarten Teil der Maskenblende 12 liegen, aber nicht in irgendeinem Gebiet, das über irgendeiner der Ausrichtungsmarkierungen 13 oder der Chipblende 14 liegt. Entweder vor, nach oder gleichzeitig mit dem Beschuß der Photoresistschicht 15 mit dem Elektronenstrahl e&supmin; wird die untere Oberfläche des Substrats 10 mit einem Ultraviolettstrahl UV&sub1; auf einmal belichtet, wodurch die Photoresistschicht 15 dem Ultraviolettstrahl UV&sub1; in denjenigen Gebieten davon und nur denjenigen Gebieten davon ausgesetzt wird, die über den seitlichen Räumen zwischen benachbarten der teilweise transparenten Elemente 11, 12, 13 und 14 liegen, d. h. nicht in solchen Gebieten, die über irgendwelchen der teilweise transparenten Elemente 11, 12, 13 oder 14 liegen. Die Wellenlänge λ&sub1; des Ultraviolettstrahls UV&sub1; ist in der Regel im ungefähren Bereich 350 bis 450 nm.
Die Photoresistschicht 15 wird dann bei einer ausreichenden Temperatur und über eine ausreichende Zeit hinweg gehärtet, um die Gebiete davon, die dem UV&sub1;-Strahl, dem e&supmin;-Strahl oder beiden ausgesetzt worden sind, zu vernetzen. Somit werden (Fig. 2) die Gebiete 31, aber nicht die Gebiete 21 der Photoresistschicht vernetzt. Als nächstes (Fig. 3) wird die obere Oberfläche der Photoresistschicht mit einem weiteren Ultraviolettstrahl UV&sub2; bestrahlt, wodurch die unvernetzten Gebiete 21 der Photoresistschicht, aber nicht ihre vernetzten Gebiete 31, in einer standardmäßigen Entwicklungslösung, wie beispielsweise einer Lösung von TMAH (Tetramethylammoniumhydroxid) in Wasser mit einer Normalität im ungefähren Bereich von 0,1 bis 0,5, löslich werden. Die Wellenlänge(n) des Strahls UV&sub2; ist/sind in der Regel im wesentlichen die gleichen wie die des Strahls UV&sub1;; das heißt, die beiden Strahlen UV&sub1; und UV&sub2; weisen im wesentlichen den gleichen spektralen Inhalt auf. Eine geeignete Entwicklungslösung entfernt die Gebiete 21 des Photoresist, wodurch nur die Gebiete 31 des Photoresist intakt bleiben - wie in Fig. 4 angezeigt. Auf diese Weise werden entsprechende Bereiche der teilweise transparenten Elemente 12, 13 und 14 (aber nicht die Maskenabbildungsstrukturmerkmale 11) freigelegt.
Dann wird (Fig. 5) auf die obere Oberfläche der verbleibenden Gebiete 31 der Photoresistschicht eine Schicht 21, 25 aus Chrom (Cr) oder Chromoxid gesputtert, und gleichzeitig wird auf die freigelegten Bereiche der Elemente 12, 13 beziehungsweise 14 eine Schicht aus Chrom oder Chromoxid gesputtert 22, 23, 24. Die Dicke dieser Schicht aus Chrom oder Chromoxid ist vorteilhafterweise sehr dünn, in der Regel ungefähr 50 nm. Die Zusammensetzung dieser Schicht ist nur insoweit wichtig, daß sie ausreichend undurchlässig ist und daß sie an den darunterliegenden Schichten 12 und 13 gut haftet. Es wird bevorzugt, daß diese Schicht aus Chrom oder Chromoxid dünner ist als ungefähr ein Drittel der Größe (H-h), wobei H die Höhe der Photoresistschicht 31 und h die übliche Dicke der teilweise transparenten Elemente 11, 12, 13 und 14 darstellt.
Als nächstes (Fig. 6) wird die Schicht 21, 25 aus Chrom oder Chromoxid durch einen Abhebeprozeß entfernt, das heißt durch einen Prozeß des Auflösens der verbleibenden Gebiete 31 der Photoresistschicht mittels einer Resistablösungslösung, die die verbleibenden vernetzten Gebiete 31 der Photoresistschicht angreift. Diese Ablösungslösung ist in der Regel ein Keton, Aceton oder ein Methylethylketon. Während dieses Abhebeprozesses wird die Chrom- oder Chromoxidschicht 22, 23, 24 nicht entfernt: Das heißt, der über den Elementen 12, 13 beziehungsweise 14 liegende Teil des Chroms oder Chromoxids bleibt als Verstärkungsschichten 32, 33 beziehungsweise 34 intakt. Auf diese Weise verstärkt der verbleibende Teil des Chroms oder Chromoxids die Ausrichtungsmarkierungsblende 12, die Ausrichtungsmarkierungen 13 und die Chipblende 14, wodurch die folgenden Stücke gebildet werden: Eine verstärkte Ausrichtungsmarkierungsblendenschicht 12, 32; verstärkte Ausrichtungsmarkierungen 13, 33; und eine verstärkte Chipblende 14, 34.
Die verstärkte Ausrichtungsmarkierungsblende 12, 32 justiert sich bezüglich der Maskenabbildungsstrukturmerkmale 11 von selbst, da die strukturierte Schicht 12 gleichzeitig mit diesen Maskenabbildungsstrukturmerkmalen 11 definiert und hergestellt wurde. Um diese Selbstjustierung zu erzielen, muß die Kante des über der Ausrichtungsmarkierungsblende 12 liegenden Elektronenstrahls e&supmin; (Fig. 1) offensichtlich nicht präzise auf die Kante der Ausrichtungsmarkierungsblende 12 selbst ausgerichtet sein; es reicht aus, daß die Kante des Strahls e&supmin; irgendwo auf diese Ausrichtungsmarkierungsblende 12 fällt, vorzugsweise an einer Stelle darauf, die von den Ausrichtungsmarkierungen 13 entfernt ist. Analog justieren sich die verstärkten Ausrichtungsmarkierungen 13, 33 bezüglich der verstärkten Chipblende 14, 34 von selbst.
Die Dicke der teilweise transparenten Schichten 11, 12, 13 und 14 liegt beispielhaft im ungefähren Bereich von 20 nm bis 35 nm, in der Regel ungefähr 32 nm. Die Dicke der Chrom- oder Chromoxidschichten 21, 22, 23 und 24 liegt beispielhaft im ungefähren Bereich von 40 nm bis 60 nm, in der Regel ungefähr 50 nm. Die Breite jedes der Maskenabbildungsstrukturmerkmale 11 liegt in der Regel im ungefähren Bereich von 1 um bis 10 um. Die Breite der Ausrichtungsblende 12 kann beliebig zwischen ungefähr 2 um und 5 cm liegen. Die Breiten der Ausrichtungsmarkierungen 13 können im ungefähren Bereich von 5 um bis 50 um liegen, je nach derartigen Faktoren wie die im System zu verwendende Stepper-Vorrichtung. Die Breite der Chipblende 14 ist in der Regel größer als ungefähr 0,5 cm.
Obwohl die Erfindung ausführlich anhand einer spezifischen Ausführungsform beschrieben worden ist, können zahlreiche Modifikationen daran vorgenommen werden, ohne von dem Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Anstatt Chromoxynitrid können die Schichten 11, 12, 13 und 14 im wesentlichen eine Dicke von Molybdänsilicidoxid sein, das für die Lichtstrahlen der Wellenlänge λ teilweise transparent ist, wobei in diesem Fall die Schichten 21, 22, 23, 24 und 25 im wesentlichen Chrom oder Chromoxid mit einer ausreichenden Dicke sein können, um für die Strahlung λ undurchlässig zu sein. In jedem Fall brauchen die Schichten 22, 23 und 24 (und somit die Schichten 32, 33 und 34) nicht selbst für die Lichtstrahlung der Wellenlänge λ undurchlässig zu sein: nur die jeweiligen Kombinationen der Schichten 32, 33 und 34 mit den Schichten 12, 13 beziehungsweise 14 müssen dafür undurchlässig sein.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer lithographischen Phasenverschiebungsmaske mit einem halbtransparenten Gebiet und einem undurchlässigen Gebiet, mit folgenden Schritten:

(a) Bereitstellen eines transparenten Substrats, bei dem auf einer Fläche eine strukturierte erste Schicht aus erstem Material angeordnet ist, das eine erste Dicke aufweist und für Lichtstrahlung einer Wellenlänge λ transparent ist, die die lithographische Belichtungswellenlänge ist, wobei jeweilige Teile der strukturierten ersten Schicht in mindestens ersten und zweiten Bereichen der Fläche angeordnet sind;

(b) Ausbilden einer Photoresistschicht mit einer zweiten Dicke über der strukturierten ersten Schicht, wobei die zweite Dicke größer als die erste Dicke ist;

(c) Beschießen der Photoresistschicht mit einem Elektronenstrahl auf alle ihre Gebiete, die über dem ersten Bereich liegen, auf nur einen Teil des Gebiets, das über dem zweiten Bereich liegt, und auf ein Gebiet der Photoresistschicht, das zwischen dem ersten Bereich und dem über dem zweiten Bereich liegenden beschossenen Gebiet liegt;

(d) Richten eines Lichtstrahls überall auf die Bodenfläche der Photoresistschicht vor, während oder nach Schritt (c), wobei die Wellenlänge des Lichtstrahls nicht λ ist und wobei die strukturierte erste Schicht für den Lichtstrahl undurchlässig ist;

(e) Entwickeln der Photoresistschicht, wodurch nur diejenigen seitlichen Teile der Photoresistschicht nach dem Entwickeln intakt sind, die entweder (1) durch den Elektronenstrahl beschossen wurden oder (2) in dem zweiten Bereich angeordnet sind, aber weder durch den Elektronenstrahl beschossen wurden noch über der strukturierten Schicht liegen;

(f) Abscheiden einer zweiten Schicht aus chemisch von dem ersten Material verschiedenem zweitem Material überall auf der oberen Fläche der verbleibenden intakten Teile der Photoresistschicht und auf allen Bereichen der strukturierten ersten Schicht, über denen keine verbleibenden Teile der Photoresistschicht liegen, wobei die zweite Schicht ausreichend dick ist, um zusammen mit der strukturierten ersten Schicht für die Strahlung der Wellenlänge λ undurchlässig zu sein; und

(g) Ablösen der verbleibenden Teile der Photoresistschicht, wodurch die zweite Schicht bei allen ihren Gebieten, die über den verbleibenden Teilen der Photoresistschicht liegen, entfernt wird, aber nicht von irgendwelchen Gebieten entfernt wird, die nicht über der verbleibenden Photoresistschicht liegen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin gekennzeichnet, nach Schritt (d), aber vor Schritt (e), durch den Schritt des Härtens der Photoresistschicht.

3. Verfahren zur Herstellung einer lithographischen Lichtmaske nach Anspruch 2, gekennzeichnet, nach dem Härtschritt, aber vor Schritt (e), durch den Schritt (h) Richten eines anderen Lichtstrahls überall auf die obere Fläche der Photoresistschicht.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtstrahlen der Schritte (d) und (h) jeweilige spektrale Inhalte aufweisen, die im wesentlichen gleich sind.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht durch Sputtern von Chrom, Sauerstoff und Stickstoff abgeschieden wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Schritt (f) das Abscheiden von Chrom oder Chromoxid einschließt, wodurch die strukturierte Schicht bereitgestellt wird.