DE69723829T2 - Rohlinge für gedämpfte eingebettete halbton-phasenschiebermasken - Google Patents

Description

• HINTERGRUND DER ERFINDUNG
• Die vorliegende Erfindung betrifft Phasenschieber-Photomaskenrohlinge in der Photolithographie mit Licht kurzer Wellenlänge (d. h. < 400 nm). Spezieller betrifft die vorliegende Erfindung Phasenschieber-Photomaskenrohlinge, die die Phase von durchgelassenem Licht dämpfen und um 180° relativ zur Ausbreitung des Lichts auf der gleichen Weglänge in Luft ändern. Derartige Photomaskenrohlinge sind auf dem Gebiet allgemein als dämpfende (integrierte), Phasenschieber-Photomaskenrohlinge oder Halbton-Phasenschieber-Photomaskenrohlinge bekannt.
• In der Elektronikindustrie ist man bestrebt, die optische Lithographie zur Herstellung von Integrierten Schaltkreisen hoher Dichte auf kritische Abmessungen von 0,25 mm und kleiner auszubauen. Um dieses zu erzielen, müssen lithographische Photomaskenrohlinge mit Licht kurzer Wellenlänge, d. h. < 400 nm, arbeiten. Man zielt für die zukünftige optische Lithographie auf zwei Wellenlängen mit 248 nm (KrF-Laser-Wellenlängen) und 193 nm (ArF-Laser-Wellenlängen). Eine Phasenschieber-Photomaske verstärkt den Leiterbildkontrast kleiner Schaltkreismerkmale durch destruktive optische Interferenz.
• Das Konzept einer Phasenschieber-Photomasken und eines Photomaskenrohlings, die das Licht dämpfen und dessen Phase ändern, wurde von H. I. Smith in der US-P 4890309 („Lithography Mask with a p-Phase Shifting Attenuator") offenbart. Bekannte dämpfende, integrierte Phasenschieber-Photomaskenrohlinge lassen sich hauptsächlich in zwei Kategorien unterteilen: (1) Cr-basierte Photomaskenrohlinge, die Cr, Cr-Oxid, Cr-Carbid, Cr-Nitrid, Cr-Fluorid oder Kombinationen davon enthalten; und (2) SiO₂- oder Si₃N₄-basierende Photomaskenrohlinge, die SiO₂ oder Si₃N₄ zusammen mit einem überwiegend lichtundurchlässigen Material enthalten, wie beispielsweise MoN oder MoSi₂. Allgemein werden die letzteren Materialien bezeichnet als „MoOSiN".
• Cr-basierende Photomaskenrohlinge haben den Vorteil, dass sie chemisch dauerhaft sind und die meisten der vertrauten Verarbeitungsschritte übernehmen können, die für lichtundurchlässige Cr-Photomaskenrohlinge entwickelt worden sind. Die zweite Kategorie der Photomaskenrohlinge basiert auf SiO₂- oder Si₃N₄-Nutzung ihrer Transparenz bis in das tiefe UV und die Leichtigkeit des Trockenätzens mit der harmloseren Chemie auf Fluorbasis. Die Notwendigkeit zur Entwicklung der Photomaskenrohlinge bei noch kürzeren Wellenlängen (< 200 nm) macht die auf Cr-basierende Chemie jedoch noch weniger wünschenswert, was darauf zurückzuführen ist, dass Photomaskenrohlinge, die ausschließlich auf Cr basieren (d. h. Oxide, Nitride, Carbide, Fluoride oder Kombinationen davon), bei diesen Wellenlängen optisch zu stark absorbieren. Der Vorteil von „MoSiON" Photomaskenrohlingen in diesem Kurzwellenregime besteht darin, dass sie zu Si-reich sind und dementsprechend im Vergleich zu dem Quarz (SiO₂)-Substrat eine relativ schwache Ätzselektivität haben. Daher erfordern sie eine Ätzbarriere, eine zusätzliche Schicht eines Materials, das in einem Fluor-Ätzmittel geätzt wird.
• Darüber hinaus gibt es in der Literatur Fundstellen zu dämpfenden, integrierten Phasenschieber-Photomaskenrohlingen, die hydrierte, amorphe Kohlenstoffschichten, Tantal und dessen Verbindungen mit einer Schicht von Cr-Metall oder eine oder mehrere Schichten aufweisen, die aus einer Hafnium-Verbindung bestehen.
• ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
• Die Erfindung umfasst dämpfende, integrierte Phasenschieber-Photomaskenrohlinge, die in der Lage sind, eine Phasenverschiebung von 180° zu erzeugen und einen optischen Transmissionsgrad von mindestens 0,001 bei ausgewählten Lithographiewellenlängen < 400 nm haben, wobei der Photomaskenrohling mindestens eine Lage einer Aluminium-Verbindung und mindestens eine elementare Metallkomponente aufweist, die optisch stärker absorbiert als die Aluminium-Verbindung bei den ausgewählten Lithographiewellenlängen < 400 nm, wobei der Photomaskenrohling ein Cermet-Photomaskenrohling ist.
• Beispiele für bevorzugte Aluminiumverbindungen sind Aluminiumnitrid, Aluminiumoxynitrid und Aluminiumoxid. Diese Verbindungen sind bei kurzer Wellenlänge relativ lichtdurchlässig, robust, ätzfähig und haben relativ zu einem Quarz-Substrat eine Ätzselektivität. Die optisch stärker absorbierende Komponente wird ausgewählt aus elementaren Metallen.
• In einem anderen Aspekt umfasst die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen des dämpfenden, integrierten Phasenschieber-Photomaskenrohling, der in der Lage ist, eine Phasenverschiebung um 180° zu erzeugen und der einen optischen Transmissionsgrad von mindestens 0,001 bei ausgewählten Lithographiewellenlängen < 400 nm hat, welches Verfahren umfasst: Abscheiden auf ein Substrat mindestens einer Schicht einer Aluminium-Verbindung und mindestens einer elementaren Metallkomponente, die bei den ausgewählten lithographischen Wellenlängen < 400 nm stärker optisch absorbiert als die Aluminium-Verbindung.
• Diese und andere Merkmale der Erfindung werden bei einem weiteren Lesen der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung und die beigefügten Ansprüche offensichtlich.
• KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• Es zeigen:
• 1 ein Röntgenbeugungsdiagramm eines Al/AlN-Cermet-Photomaskenrohlings der vorliegenden Erfindung, hergestellt in einer 6% N₂/Ar-Gasmischung;
• 2 ein Röntgenbeugungsdiagramm eines Al/AlN-Cermet-Photomaskenrohlings der vorliegenden Erfindung, mit einem Gehalt von 10% N₂/Ar-Gasmischung;
• 3 ein Röntgenbeugungsdiagramm eines Al/AlN-Cermet-Photomaskenrohlings der vorliegenden Erfindung, mit einem Gehalt von 20% N₂/Ar-Gasmischung;
• 4 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Brechzahl (n) und des Partialdruckes von N₂ während des Sputterns der Cermet-Photomaskenrohlinge;
• 5 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem dekadischen Absorptionsvermögen (k) und dem N₂-Partialdruck während des Sputterns der Cermet-Photomaskenrohlinge;
• 6 eine graphische Darstellung der Transmission (%T) des integrierten Phasenschiebers als Funktion des N₂-Partialdruckes für die Cermet-Photomaskenrohlinge.
• DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
• Wie auf dem Gebiet bekannt, unterscheidet sich ein „Photomaskenrohling" von einer „Photomaske" darin, dass der letztere Begriff zur Beschreibung eines Photomaskenrohlings nach seiner Belichtung verwendet wird. Obgleich hierin diesem Brauch nach Möglichkeit gefolgt wurde, erkennt die Fachwelt, dass diese Unterscheidung kein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung ist. Dementsprechend gilt als selbstverständlich, dass der hierin verwendete Begriff „Photomaskenrohlinge" im breitesten Sinn unter Einbeziehung sowohl belichteter als auch unbelichteter Photomaskenrohlinge zu verstehen ist.
• Die Phasenschieber-Photomaskenrohlinge der vorliegenden Erfindung sind Cermet-Photomaskenrohlinge. Das bevorzugte Verfahren zur Herstellung der Cermet-Photomaskenrohlinge ist das physikalische Beschichten aus der Gasphase (z. B. Sputtern oder Bedampfen), wobei jedoch andere dem Fachmann auf dem Gebiet bekannte Verfahren zum Abscheiden von Materialien auf einem Substrat zur Anwendung gelangen können.
• CERMETS
• Der Begriff „Cermets" wird zur Bezeichnung von Photomaskenrohlingen verwendet, die ein in einer keramischen Matrix homogen oder inhomogen dispergiertes elementares Metall aufweisen. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung werden Cermets als M/AlX bezeichnet, worin M eine geringe Konzentration eines Metalles bezeichnet und AlX sich auf eine keramische Matrix einer Aluminium-Verbindung bezieht.
• Cermets, wie beispielsweise Al/AlN oder Ru/Al₂O₃, wurden entweder durch Sputtern oder Elektronenstrahlbedampfung hergestellt. Im Fall des Sputterns wurde eine Kammer aus rostfreiem Stahl bis zu einem Hintergrunddruck von mindestens 1 × 10^–4 Pa mit einer Kryopumpe vor den Sputterexperimenten evakuiert. Geeignet sind entweder eine Turbomolekular- oder Diffusionspumpe. Von uns wurden Metalltargets zwischen 5 cm und 20 cm Durchmesser verwendet. Für die Erzeugung von Cermets haben sich das DC-Magnetron, HF-Magnetron und HF-Diode-Sputtern als wirksam erwiesen. Beim Sputtern von Cermets kann das Target ein einzelnes Metall sein, wie beispielsweise Al/AlN, oder ein mehrkomponentiges Target. Die Bedingungen des Sputterns bestimmen die chemische Zusammensetzung im Fall eines elementaren Metalltargets (während das Verhältnis der Targetbestandteile die chemische Zusammensetzung in einem mehrkomponentigen Material bestimmt).
• Vor dem Abscheiden von Filmen auf Substraten wurde das Metalltarget vorgesputtert oder vorkonditioniert, indem es in reinem Ar für mindestens 30 Minuten gesputtert wurde, um eine reine, reaktionsfähige Oberfläche zu erzeugen. Danach wurden die Filme in Ar und einem Partialdruck von N₂ zur Erzeugung eines Nitrids oder O₂ zur Erzeugung eines Oxids oder O₂ plus N₂ zur Erzeugung eines Oxynitrids gesputtert. Typische Sputter-Gesamtdrücke betragen 1,3 × 10^–2 Pa oder weniger, um das Wachstum dichter Filme zu fördern. Allerdings ließen sich höhere Drücke dann verwenden, wenn es vorteilhaft wäre, andere Filmeigenschaften zu modifizieren, wie beispielsweise die Spannung.
• Im Fall der Herstellung von Cermets mit Hilfe der Elektronenstrahlbedampfung wurde das Vakuumsystem mit einer Turbomolekularpumpe bis zu einem Hintergrunddruck von weniger als 1 × 10^–4 Pa vor dem Aufdampfen der Filme evakuiert. Bei der Verdampfung der Aluminium-Verbindung und des Metalles wurden separate Verdampfungsquellen verwendet. Die Abscheidungsraten an Material jeder dieser durch Elektronenstrahl beheizten Quellen wurden unabhängig überwacht und Quarzkristall-Mengenregler kontrolliert. Die chemische Zusammensetzung von Cermets, die mit Hilfe dieser Verdampfungsmethode erzeugt werden, ließe sich mit Hilfe der relativen Abscheidungsraten kontrollieren.
• Der Begriff „Mehrfachlagen" wird zur Bezeichnung von Photomaskenrohlingen verwendet, die alternierende Lägen der Al-Verbindung mit Lagen der stärker optisch absorbierenden Komponente aufweisen.
• Composite-Photomaskenrohlinge unterscheiden sich von den Cermet-Photomaskenrohlingen darin, dass die stärker optisch absorbierende Komponente ein Metalloxid oder -nitrid ist, während es in Cermets ein elementares Metall ist.
• OPTISCHE EIGENSCHAFTEN
• Die optischen Eigenschaften (Brechzahl „n" und dekadisches Absorptionsvermögen „k") wurden mit Hilfe der winkelabhängigen, spektroskopischen Ellipsometrie mit drei Einfallswinkeln von 186 bis 800 nm entsprechend einem Energiebereich von 1,5 bis 6,65 eV in Kombination mit Daten der optischen Reflexion und Transmission ermittelt. Die optischen Konstanten wurden diesen Daten gleichzeitig unter Anwendung eines optischen Modells des Films angepasst, das weniger dichte (50%) Grenzflächenschichten an dem Substrat und der Oberseite des Films zuließ. Aus der Kenntnis der spektralen Abhängigkeit der optischen Eigenschaften können die Filmdicke entsprechend der 180°-Phasenverschiebung, der optische Transmissionsgrad und Reflexionsgrad errechnet werden. Siehe allgemein bei O. S. Heavens, Optical Properties of Thin Solid Films, S. 55–62, Dover, NY, 1991, worauf hiermit Bezug genommen wird.
• BEISPIELE
• BEISPIELE 1 BIS 8: Al/AlN-CERMETS
• HERSTELLUNG
• In Tabelle 1 sind die Bedingungen der synthetischen Herstellung von Al/AlN-Cermets zusammengefasst, worin P der Gesamtdruck von Ar + N₂ ist, %N ist der prozentuale Anteil von N₂ in der Ar + N₂-Gasmischung, Pw ist die Leistung und Vs ist die an dem Al-Target angelegte Spannung, R ist die Abscheidungsrate für den Film und d ist dessen Dicke. Das Target war Al mit einem Durchmesser von 7,6 cm, HF Magnetron-gesputtert in einem Sputtersystem mit Kryopumpe mit einem typischen Hintergrunddruck von etwa 2,6 × 10^–5Pa. Vor dem Sputtern der Filme wurde das Al-Target in 1,3 Pa Ar bei 500 W für etwa 1 Stunde vorgesputtert. Dadurch war gewährleistet, dass vor dem Einführen von N₂ die Targetoberfläche hoch reaktionsfähiges metallisches Al war. AlN wurde gebildet, wenn die Filme reaktiv von einem Al-Target in einem Partialdruck von etwa 20% N₂/80% Ar gesputtert wurden, während metallische Al-Filme gebildet wurden, wenn das Sputtern in Ar allein erfolgte. Das Sputtern bei einem intermediären Partialdruck erzeugte Filme aus AlN- und Al-Phasen.
• Anhand der Röntgenbeugung waren in mindestens 20% N₂ gesputterte Filme einphasiges AlN mit der Wurtzit-Struktur und c-Achsen-Textur. Bei einem N₂-Partialdruck kleiner als 10% schienen explizit sowohl Al- als auch AlN-Peaks in den Röntgenbeugungsdiagrammen. Bei 6% N₂ wurde die Beugung durch Al-Peaks dominiert, wobei lediglich Spurenmengen an AlN nachweisbar waren. Obgleich bei 10% N₂ mit der Röntgenbeugung, die eine Empfindlichkeit von etwa 5% kristalline Phasen hat, lediglich AlN nachgewiesen wurde, ist die Zunahme der optischen Absorption des Films ein impliziter Nachweis für das Vorhandensein von Al. Diese Röntgenbeugungsdiagramme sind in 1 bis 3 gezeigt.
• Die Abscheidungsrate des Cermet war zwischen 14% und 20% N₂ nahezu bei etwa 3A/s konstant, was darauf hinweist, dass das Al-Target mit Stickstoff gesättigt war und in Übereinstimmung mit dem Wachstum von einphasigen AlN-Filmen steht, was mit Hilfe der Röntgenbeugung nachgewiesen wird. Unterhalb von 14% N₂ nahmen die Abscheidungsraten rasch zu, womit das Einsetzen eines metallischen Modes des Sputterns signalisiert wird, d. h. die Sputtergeschwindigkeit überschreitet die Eintrittsgeschwindigkeit von N an der Target- und Substratoberfläche, womit die Konzentration oder der Fluss von N zur Erzeugung einphasiger AlN-Filme unzureichend ist. Unter diesen Bedingungen wird ein Cermet aus Al plus AlN gebildet, wobei die Bildung eines Al/AlN-Cermets bei Partialdrücken von N₂ kleiner als 14% ebenfalls mit der gleichzeitigen Zunahme der optischen Absorption in Übereinstimmung steht.
• TABELLE 1

  
• OPTISCHE- UND PHASENSCHIEBEREIGENSCHAFTEN
• 4 und 5 fassen die Abhängigkeit der optischen Konstanten von Al/AlN-Cermets bei 248 nm und 193 nm von dem N₂-Partialdruck während des Sputterns zusammen. Das entscheidende Merkmal dieser Daten war das Einsetzen einer raschen Änderung der optischen Konstanten in der Nähe von 13% N₂ genau dort, wo die Abscheidungsrate zunahm, was den Übergang des Al-Targets von einem Stickstoff-gesättigten Mode zu einem Stickstoffmangel oder stärker metallischen Zustand signalisiert. Die Bildung von Al/AlN-Cermets in Filmen, die im N-Mangel-Target-Mode gesputtert sind, reduziert n und erhöht k, was in Übereinstimmung mit den optischen Konstanten von Al (n = 0,1 und k = 2,2) bei 193 nm steht. Einen ähnlichen Trend gab es bei 248 nm, wo n langsamer mit dem N₂-Sputtergasdruck variierte.
• In 6 sind der optische Transmissionsgrad bei 193 nm und 248 nm berechnet für Filmdicken entsprechend einer 180°-Phasenverschiebung in Al/AlN-Cermets als Funktion der relativen AlN-Konzentration zusammengestellt. Cermets mit attraktiven Eigenschaften für einen Phasenschieber-Photomaskenrohling wurden bei N₂-Partialdrücken zwischen 10 und 13% erreicht, wofür wir Al-Metallkonzentrationen von weniger als 10% geschätzt haben. Speziell wurde bei 11% N₂ eine 180°- Phasenverschiebung bei 193 nm in einem 46 Å dicken Film mit 6% Transmission und bei 248 nm in einem 970 Å dicken Film mit 12,4% Transmission erreicht.
• BEISPIEL 9: Ru/Al₂O₃-CERMETS
• HERSTELLUNG
• Es wurden Ru/Al₂O₃-Cermets mit Hilfe der Elektronenstrahlbedampfung unter Verwendung separater Quellen für Ru und Al₂O₃ hergestellt. Vor der Bedampfung wurde die Vakuumkammer mit einer Turbomolekularpumpe bis zu einem Hintergrunddruck von etwa 7 × 10^–5 Pa evakuiert. Die Quellmaterialien waren 99,6%iges Al₂O₃ mit 2,5 cm × 2,5 cm × 0,051 cm zu kleinen Stücken zerteilt, die sich in einen mit Kohlenstoff ausgekleideten, wassergekühlten Cu-Herd packen ließen und ein Volumen von etwa 8 cm³ hatten. Unmittelbar in den anderen wassergekühlten Cu-Herd wurde ein Ru-Knopf einer Reinheit von 99,95% und mit einem Volumen von etwa 5 cm³ gelegt. Es wurden Quarz-Substrate mit einer Dicke von 2,286 mm und einer Abmessung von 2,5 cm × 3,8 cm mit Hilfe von Metallklammern an einem Aluminium-Drehtisch befestigt, positioniert oberhalb und in gleichem Abstand (etwa 64 cm Entfernung) von den Ru- und Al₂O₃-Quellen.
• Metallabdeckungen schirmten die Substrate von einer Bedampfung ab, bis die Bedampfungsraten von Al₂O₃ und Ru, die mit Hilfe von Quarzkristall-Mengenreglern überwacht und kontrolliert waren, stabilisiert waren. Die Elektronenstrahlströme zu den Ru- und Al₂O₃-Quellen wurden allmählich bis 57 mA bzw. 75 mA bei einer Strahlspannung von etwa 11 kV erhöht, was zu mittleren Abscheidungsraten von 1,5 Å/s für Ru-Metall und etwa 8,8 Å/s für Al₂O₃ entsprechend etwa 15 Vol.% Ru in dem Ru/Al₂O₃-Cermet führte, der wuchs. Nachdem sich diese Raten stabilisiert hatten wurde die Abschirmung geöffnet, womit die rotierenden (3 bis 5 U/min) Quarz-Substrate der Bedampfung von Al₂O₃ und Ru gleichzeitig exponiert wurden. Die Abscheidung wurde aufrecht erhalten, bis eine Gesamtfilmdicke von etwa 1.000 Å die Substrate gleichförmig beschichtete, wonach die Abdeckung geschlossen wurde und die Elektronenstrahlströme zu den Quellen abgesperrt wurden.
• OPTISCHE- UND PHASENSCHIEBEREIGENSCHAFTEN
• Aus der winkelabhängigen spektroskopischen Ellipsometrie und den Daten für die optische Reflexion und Transmission wurden die optischen Eigenschaften (Brechzahl und dekadisches Absorptionsvermögen) bei 193 nm und 248 nm ermittelt. Bei 193 nm wurde die komplexe Brechzahl (n-i k) mit 1,88-i 0,46 ermittelt und bei 248 nm mit 1,93-i 0,31. Bei diesen beiden Wellenlängen wurde von uns ein optischer Transmissionsgrad der Filmdicke entsprechend einer 180°-Phasenverschiebung berechnet. Bei 248 nm kann eine 180°-Phasenverschiebung in diesem 15%-Ru/Al₂O₃-Cennet in einem 1.350 Å dicken Film erzielt werden, der eine Transmission von 10,1% hat; bzw. erreicht 1.116 Å dicker Film bei 193 nm eine 180°-Phasenverschiebung mit einer Transmission von 3%. Für integrierte Phasenschieber-Photomaskenrohlinge liegen beide Konstruktionen in einem attraktiven Bereich der optischen Transmission.

Claims (9)

1. Dämpfender, integrierter Phasenschieber-Photomaskenrohling mit der Fähigkeit zur Erzeugung einer Phasenverschiebung von 180° und mit einem optischen Transmissionsgrad von mindestens 0,001 bei ausgewählten lithographischen Wellenlängen kleiner als 400 nm, wobei der Photomaskenrohling mindestens eine Schicht einer Aluminium-Verbindung aufweist und mindestens eine elementare Metallkomponente, die optisch stärker absorbiert als die Aluminium-Verbindung bei den ausgewählten lithographischen Wellenlängen kleiner als 400 nm, wobei der Photomaskenrohling ein Cermet-Photomaskenrohling ist.
2. Photomaskenrohling nach Anspruch 1, bei welchem die Aluminium-Verbindung ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Aluminiumnitrid, Aluminiumoxynitrid und Aluminiumoxid.
3. Photomaskenrohling nach Anspruch 1, bei welchem die ausgewählte lithographische Wellenlänge 193 nm, 248 nm und 365 nm beträgt.
4. Verfahren zum Herstellen eines Photomaskenrohlings nach Anspruch 1, welches Verfahren umfasst: Abscheiden auf ein Substrat mindestens einer Schicht einer Aluminium-Verbindung und mindestens einer elementaren Metallkomponente, die bei den ausgewählten lithographischen Wellenlängen kleiner als 400 nm stärker optisch absorbiert als die Aluminium-Verbindung.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Schritt des Beschichtens ein physikalisches Beschichten aus der Gasphase umfasst.
6. Verfahren nach Anspruch 5, bei welchem der Schritt des physikalischen Beschichtens aus der Gasphase ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Sputtern und Bedampfung.
7. Verfahren nach Anspruch 4, bei welchem die Aluminium-Verbindung ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Aluminiumnitrid, Aluminiumoxynitrid und Aluminiumoxid.
8. Verfahren nach Anspruch 4, bei welchem die abgeschiedene Schicht das im Inneren der Aluminium-Verbindung dispergierte elementare Metall aufweist.
9. Verfahren nach Anspruch 4, bei welchem die ausgewählte lithographische Wellenlänge 193 nm, 248 nm und 365 nm beträgt.