NL1012118C2 - Werkwijze voor het vormen van een lithografisch patroon. - Google Patents

Description

WERKWIJZE VOOR HET VORMEN VAN EEN LITHOGRAFISCH PATROON

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op de fabricagetechniek van gecompliceerde lithografische patronen met gebruikmaking van geladen deeltjes.

5 De onderhavige uitvinding kan worden toegepast op het gebied van de micro- elektronica voor lithografische vorming van geïntegreerde schakelingen, geheugens en optische elementen die een aantal elementen van een geleidende structuur hebben die binnen het nanometergebied vallen.

Tot op heden is de moderne micro-elektronica ontwikkeld door de microschake-10 lingselementen successievelijk van het microngrootte- tot submicrongrootte-gebied te reduceren. Maar steeds toenemende dringende eisen bij het ontwikkelen van elementen met nanometergrootte leiden tot het zoeken naar nieuwe technieken van lithografische vorming van een geleidende structuur die een hoge resolutie waarborgen, hetgeen hierbij een minimum grootte van de elementen van de geleidende structuur die worden 15 ontwikkeld behelst, die een maximale toelaatbare dichtheid van een geleidend structuurelement per lengte-eenheid of oppervlakte-eenheid zonder een contact daartussen bepaalt.

Eén werkwijze uit de stand van de techniek voor het vormen van een patroon door middel van lithografische beeldvorming (zie US-octrooi # 5.376.505) bestaat eruit 20 dat een substraat dat een stralingsgevoelig materiaal draagt wordt bestraald, door een masker heen, met een bundel geladen deeltjes, met als resultaat dat het materiaal wordt getransformeerd om op het substraat een patroon te vormen dat overeenkomt met het maskerpatroonsjabloon. De geladen deeltjes worden versneld tot een snelheid die overeenkomt met de golflengte van Broglie en waarvan de maximum waarde onder de 25 vooraf ingestelde projectienauwkeurigheid ligt. De bundel wordt tot stand gebracht door deeltjes die binnen een zekere ruimtehoek langs verschillende paden bewegen, waardoor de deeltjes ook onder verschillende hoeken op het substraatoppervlak vallen. Om een vooraf ingestelde nauwkeurigheid bij het vormen van een lithografisch patroon te verkrijgen wordt toevlucht genomen tot het aftasten van een aantal maskergebieden 30 zodat de bundel zijn positie verandert bij het lopen van transparante gebieden (dat wil zeggen maskerpatroonsjabloon) naar afgeschermde gebieden, en vice versa.

De bundeldeeltjes verschillen op brede schaal van elkaar wat betreft de gemiddelde ladingwaarde daarvan, met andere woorden, er ontstaat dispersie met betrekking 1012118 ·» 2 tot de energie van geladen deeltjes. In zoverre als dergelijke deeltjes onder verschillende hoeken op het masker vallen, wordt het beeld van de transparante maskergebie-den (dat wil zeggen maskerpatroonsjabloon) op het substraat onscherp. Deze verschijnselen verhinderen dat er een hoge resolutie wordt verkregen, dat wil zeggen, ze maken 5 het onmogelijk om separate patroonelementen te verkrijgen die lineaire dimensies hebben in de orde van nanometereenheden. Bovendien maakt de maskeraftasting die bij de bekende werkwijze wordt verschaft het proces ingewikkelder en beïnvloedt zijn pro-ductie-rendement ongunstig.

Een andere werkwijze voor het vormen van een lithografisch patroon op een stra-10 lingsgevoelig oppervlak is bekend (zie US octrooi # 5.561.008) en bestaat eruit dat een masker met een daarin gemaakt patroonsjabloon eenmalig wordt blootgesteld aan het effect van een bundel geladen deeltjes. Wanneer de geladen bundel eenmaal het masker is gepasseerd, wordt deze bundel gefocusseerd op een oppervlak (dat wil zeggen substraat) dat een stralingsgevoelig materiaal draagt dat daarop is aangebracht, met als 15 resultaat dat het materiaal wordt getransformeerd om op het substraat een patroon te vormen dat overeenkomt met het maskerpatroonsjabloon.

Het is algemeen bekend dat elke willekeurige bron van geladen deeltjes verre van ideaal is, omdat de deeltjes met betrekking tot him energie dispersie kunnen vertonen, en de trilling zelf een eindige hoekafwijking kan hebben. De aanwezigheid van ener-20 giedispersie in geladen deeltjes is een bron van chromatische afwijkingen in de beeld-vormingssystemen en de aanwezig van hoekafwijking in een geladen bundel is een bron van sferische afwijkingen. De bovengenoemde afwijkingstypes zijn, afgezien van de golflengte van Broglie, die overeenkomt met de geladen deeltjes, een factor die een maximale resolutie regelt die behaald kan worden in beeldvormingssystemen.

25 Derhalve is de hoge resolutie die vereist is in de micro-elektronica voor het fabri ceren van integrale schakelingen en andere dergelijke producten niet bereikbaar, tenzij speciale beperkingen worden opgelegd aan de parameters van de energiedispersie van een geladen bundel (chromatische afwijkingen) en van de divergentie van een bundel die op een masker valt (sferische afwijkingen).

30 De onderhavige uitvinding heeft als belangrijkste doelstelling het verschaffen van een werkwijze voor het vormen van een lithografisch patroon, die, als gevolg van het tot stand brengen van een geladen bundel die een definitieve hoekafwijking heeft en het waarborgen van een vooraf ingestelde energiedispersie van geladen deeltjes, in staat is 1012118 3 een lithografisch patroon te maken, waarbij een aantal van zijn elementen lineaire dimensies in de orde van nanometereenheden heeft

De bovenstaande doelstelling wordt bereikt als gevolg van het feit dat bij een werkwijze voor het vormen van een lithografisch patroon dat de stappen omvat van het 5 tot stand brengen van een geladen bundel, primair focusseren van de geladen bundel, bestralen met de gefocusseerde geladen bundel van een masker dat een patroonsjabloon heeft, secundair focusseren van de geladen bundel die is gemoduleerd tijdens het passeren van het masker, om op de stralingsgevoelige laag onder verwerking een lithografisch patroon overeenkomstig het sjabloon van het verkleinde maskerpatroon te vor-10 men, overeenkomstig de uitvinding dergelijke geladen deeltjes worden geïsoleerd in de bundel die de energiedispersie hebben die valt binnen 0,1 en 5,0 eV, en de bundeldeel-tjes waarvan de energiedispersie buiten het genoemde gebied liggen worden verwijderd uit de bundel, waarbij de primaire geladen bundelfocussering wordt uitgevoerd totdat de bundeldivergentiewaarde van 5-10'2 tot 10"4 rad wordt verkregen.

15 Het is als gevolg van het feit dat de voorgestelde werkwijze zorgt voor het focus seren van de geladen bundel die op het maskeroppervlak valt tot zijn divergentiewaarde die valt binnen 5Ί0*2 tot 10"4 rad, dat sferische afwijking die optreedt bij het projecteren van het beeld van het maskerpatroonsjabloon op de stralingsgevoelige laag in grote mate is gereduceerd. Aan de andere kant maakt isolatie van de geladen deeltjes die een 20 energiedispersie in het gebied van 0,1 tot 5,0 eV hebben het mogelijk, in tegenstelling tot de bekende werkwijzen, om chromatische afwijking te reduceren.

Over het geheel genomen is het als gevolg van gereduceerde sferische en chromatische afwijkingen dat de voorgestelde werkwijze de resolutie vergroot, waardoor het haalbaar wordt om een aantal elementen van de geleidende structuur te verkrijgen 25 die lineaire dimensies in de orde van nanometereenheden hebben.

Hieronder zal de uitvinding worden geïllustreerd aan de hand van een beschrijving van specifieke uitvoeringsvormen daarvan met verwijzing naar de begeleidende tekening, die een schematisch diagram van de verwerkingseenheid toont, waarin de voorgestelde werkwijze wordt uitgevoerd.

30 De begeleidende tekening toont een schematisch diagram van de verwerkings eenheid, waarbij de voorgestelde werkwijze wordt uitgevoerd.

De werkwijze voor het vormen van een lithografisch patroon volgens de uitvinding bestaat uit de volgende stappen. Eerst wordt een bundel van geladen deeltjes, dat 1012’ i ft 4 wil zeggen elektronen of ionen, gevormd met gebruik van een bron 1 van de geladen deeltjes die een bepaalde energie en een bepaalde energiedispersie heeft die binnen 0,1 en 5,0 eV valt. Dan worden de bundel de deeltjes waarvan de energiedispersie buiten dit gebied uit de bundel verwijderd.

5 Thans bestaan er dergelijke elektronenbronnen die in staat zijn de genoemde energiedispersie van elektronen te verschaffen. Steeds wanneer een ionenbron wordt gebruikt (zoals thermionisch, gasontlading, oppervlakteplasma, fotodesorptie, of andere bronnen), wordt een ionenbundel door het Wien-filter (niet getoond) geleid, hetgeen een vereiste deeltjesenergiedispersie verschaft.

10 De aldus gevormde geladen bundel wordt gefocusseerd door middel van een systeem van lenzen 2 en wordt naar een masker 3 gestuurd dat een patroonsjabloon heeft.

Het systeem van de lenzen 2, bijvoorbeeld elektromagnetische of elektrostatische lenzen, verschaft primaire focussering van de vooraf gevormde geladen bundel, zodat 15 de bundeldivergentie tussen 5 * 10'2 en 10-4 rad ligt. Bundeldivergentie in het genoemde gebied kan worden bereikt in moderne elektronenmicroscopen die de vereiste apertuur-grootte hebben, bijvoorbeeld in verlichtingssystemen van GEM 4000 FX transmissie-microscopen.

De aldus gevormde geladen bundel passeert het masker 3, wordt ruimtelijk ge-20 moduleerd met betrekking tot intensiteit, en draagt informatie over het sjabloon van het patroon van het masker 3. Dan wordt de geladen bundel blootgesteld aan secundaire focussering op een stralingsgevoelige laag 5, met gebruikmaking van een systeem van lenzen 4 (elektronen- of ionenlenzen). Bestraling van een aantal gebieden van de laag 5 met de geladen bundel modificeert de chemische samenstelling van de oppervlaktelaag 25 door de atomen van een bepaalde soort selectief te verwijderen van de laag 5. Derhalve worden in de loop van de bestraling van de laag 5 omstandigheden tot stand gebracht om de materialen van de stralingsgevoelige laag 5 in een geleidende en een niet-gelei-dende component te scheiden, waarvan de laatste wordt verplaatst binnen het materiaal en praktisch geen invloed heeft op zijn eigenschappen, terwijl de geleidende compo-30 nent in de laag van het materiaal blijft om zo een veelheid van de geleidende structuurelementen te verschaffen die lineaire afmetingen in de orde van nanometereenheden hebben.

Derhalve wordt een lithografisch patroon op de stralingsgevoelige laag tot stand 10121 18 5 gebracht dat overeenkomt met het verkleinde maskerpatroonsj abloon. De stralingsgevoelige laag kan in feite het oppervlak van een substraat zijn waarop de laag van egn materiaal dat getransformeerd kan worden onder het effect van straling wordt aangebracht. Als een dergelijk materiaal kunnen oxiden, hydriden, of nitriden van metalen 5 worden gebruikt. Het verdient de voorkeur dat als een metaalhydride lanthaan- of ytter-biumhydride wordt gebruikt, als een metaaloxide uraniumdioxide, en als een metaalni-tride galliumnitride; echter, de lijst van metaalverbindingen die hierboven is genoemd is niet beperkt en er kan gebruik worden gemaakt van willekeurige andere materialen die geschikt zijn voor het doel.

10 De bovengenoemde materialen worden bij de bekende werkwijzen tamelijk zelden gebruikt, hoewel het dergelijke materialen zijn die in staat zijn tot het verplaatsen van de niet-geleidende component van de stralingsgevoelige laag in het substraat-materiaal wanneer deze laag in de loop van de bestraling wordt verdeeld in een geleidende en een niet-geleidende component.

15 Het feit dat de geladen bundel die op het masker is gericht een divergentie van 5*10‘2 tot 1 O'4 rad heeft reduceert de sferische afwijking aanzienlijk die optreedt wanneer het beeld van het patroonsjabloon op het oppervlak wordt geprojecteerd dat wordt bestraald. Er is experimenteel gebleken dat wanneer de geladen-bundel-divergentie meer dan 5· 10'2 rad is, een sferische afwijking leidt tot het vervormen en het onscherp 20 maken van het patroon, waardoor het onmogelijk wordt om de elementen van een lithografisch patroon te verkrijgen die lineaire afmetingen hebben die gelijk zijn aan een paar nanometer. Wanneer daarentegen de bundeldivergentie minder dan 10"4 rad is, wordt de geladen-bundel-dichtheid aanzienlijk gereduceerd, hetgeen op zijn beurt een langere belichtingstijd behelst met slechts een verwaarloosbare verhoging van de reso-25 lutie, zodat dit in het geval van massafabricage economisch niet te verantwoorden is.

Zoals experimentele studies hebben getoond reduceert het feit dat de bundel is gevormd uit geladen deeltjes die een energiedispersie van 0,1 tot 5 eV hebben de chromatische afwijking wanneer het maskerpatroonsjabloon wordt geprojecteerd op het oppervlak dat wordt bestraald, waardoor de resolutie wordt verhoogd. Het reduceren 30 van de energiedispersie van de deeltjes onder 0,1 eV is onverdedigbaar, omdat er geen verdere merkbare verhoging van de resolutie optreedt. Als, aan de andere kant, de genoemde dispersie 5 eV overschrijdt, maakt de resulterende chromatische afwijking het onmogelijk om de elementen van een lithografisch patroon te verkrijgen die lineaire 10121 1 8 6 afmetingen hebben die gelijk zijn aan een paar nanometer.

Om het begrip van de essentie van de hier voorgestelde werkwijze en van zijn voordelig eigenschappen te bevorderen, worden hieronder een aantal specifieke bij wijze van voorbeeld gegeven uitvoeringsvormen daarvan gegeven.

5 Voorbeeld 1

Een wafel die 5x5x0,4 mm meet en is bekleed met een stralingsgevoelige laag is geplaatst in de bestralingskamer van de verwerkingseenheid die hierboven is beschreven en wordt in een houder in zijn positie gefixeerd. In het hier beschouwde voorbeeld is de wafel gemaakt van siliciumoxide en een 20 nm dikke laag van een stralingsge-10 voelig materiaal is aangebracht op het wafeloppervlak. Het stralingsgevoelige materiaal is in dit geval lanthaanhydride. Een siliciummasker is vóór de wafel geplaatst, waarbij het masker verschijnt als een plaat die 50x50x0,4 mm meet die een daarin gemaakt patroonsjabloon heeft in de vorm van rijen van ronde gaten die een diameter van 100 nm hebben en van lijnen die elk 100 nm breed zijn en 3 mm lang, waarbij de patroon-15 elementen op 1000 nm afstand van elkaar liggen. Dan wordt een vacuüm van 10"9 torr tot stand gebracht in de bestralingskamer, eerst met gebruikmaking van een onderdruk-pomp en een turbomoleculaire pomp, dan een pomp van het ionentype. Als een bron van geladen deeltjes wordt een elektronenkanon gebruikt dat een thermionische wol-fraamkathode heeft. Dan worden dergelijke bedrijfsomstandigheden van het elektro-20 nenkanon ingesteld die een energiedispersie van elektronen van 0,1 tot 5,0 eV verschaf-fen.Voor dit doeleinde wordt een sluiter die de elektronenbundel absorbeert geplaatst dwars op de weg daarvan. Wanneer het elektronenkanon eenmaal de normale bedrijfsomstandigheden heeft bereikt wordt de sluiter geopend om een eenmalige belichting te bewerkstelligen. Een elektronenbundel die een divergentie heeft van 5-1 O*2 tot 10"4 rad 25 wordt gevormd, met gebruikmaking van een systeem van elektromagnetische lenzen. Interactie tussen de gemoduleerde elektronenbundel en lanthaanhydride leidt tot het selectief verwijderen van waterstofatomen van de stralingsgevoelige laag en het vormen van een lithografisch patroon. Een gemiddelde elektronenenergie is 300 keV, een elektronenbundelstroom 100 mcA. De resultaten zijn hieronder in tabel 1 aangegeven. 30 Voorbeeld 2

De werkwijze wordt uitgevoerd met dezelfde parameters als in voorbeeld 1 met de enige uitzondering dat als een bron van geladen deeltjes een ionenbron wordt gebruikt die generering van waterstofionen verschaft die een energie in de orde van 1 keV

1012118 7 hebben, en als een stralingsgevoelig materiaal wordt ytterbiumhydride gebruikt, waarvan de laagdikte 10 nm is. Een gemiddelde elektronenenergie is 1000 keV, een elektro-nenbundelstroom 60 mcA. Het gebruikte masker heeft hetzelfde patroonsjabloon als in voorbeeld 1. De resultaten zijn weergegeven in tabel 2 hieronder.

5

Tabel 1

Energiedispersie van Bundeldivergentie, Belichtingstijd, s Afmeting van pa- elektronen, eV rad troonelement, nm 3 frÏÏf2 36ÖÖ Ï5 2 510*2 3600 9 1 5-10'2 3600 9 0,5 510'2 3600 9 0,5 10"4 7200 6 0,5 10"* 72000 6 0,1 10·4 72000 5 1012118

Claims (2)

1. 8 «
2. 1. Werkwijze voor het vormen van een lithografisch patroon omvattende het tot stand brengen van een geladen bundel, primair focusseren van de vooraf gevormde 5 geladen bundel, bestralen van een masker dat een patroonsjabloon heeft, met de gefo-cusseerde geladen bundel, secundair focusseren van de geladen bundel die is gemoduleerd terwijl hij het masker passeert om op de stralingsgevoelige laag onder verwerking een lithografisch patroon te vormen dat overeenkomt met het verkleinde maskerpa-troonsjabloon, 10 met het kenmerk, dat dergelijke geladen deeltjes zijn geïsoleerd in de bundel die hun energiedispersie in het gebied van 0,1 tot 5,0 eV hebben liggen en dat de geladen deeltjes waarvan de energiedispersie buiten het genoemde gebied ligt worden verwijderd uit de bundel, waarbij de primaire focussering van de geladen bundel wordt bewerkstelligd totdat een bundeldivergentie van 5*10‘2 tot 10"4 rad wordt verkregen. 25 ****** 1012118