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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Bestrahlungsverfahren unter Verwendung
von photolithographischen Masken zur Strukturierung von strahlungsempfindlichen
Resistschichten auf Halbleitersubstraten für die Herstellung von integrierten
bzw. hochintegrierten Halbleiterbauelementen.
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Im
Zuge der immer kleiner werdenden Strukturabmessungen zur Erzeugung
von integrierten bzw. hochintegrierten Halbleiterbauelementen wird eine
maßgetreue
photolithographische Übertragung von
Maskenstrukturen auf strahlungsempfindliche Resistschichten immer
wichtiger. Inzwischen werden Halbleiterbauelemente mit Strukturlinienbreiten
von 180 nm und weniger zur kommerziellen Verwendung in großem Volumen
hergestellt, so daß die
Anforderungen an die strukturierenden Prozeßschritte höchsten Standards genügen müssen. Die
photolithographische Übertragung
von Maskenstrukturen auf strahlungsempfindliche Resistschichten
ist dabei eine der herausragenden Techniken zur Strukturierung von
Schichten auf Halbleiterbauelementen.
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Die
photolithographische Übertragung
von Maskenstrukturen auf eine strahlungsempfindliche Resistschicht
erfolgt dabei in mehreren Schritten. Nach der Justage der Maske über dem
mit der strahlungsempfindlichen Resistschicht überdeckten Substrat folgt die
Bestrahlung der strahlungsempfindlichen Resistschicht durch die
Maske zur Selektion des zu entfernenden (oder stehenzulassenden)
Resistschichtmaterials. Die Bestrahlung der strahlungsempfindlichen
Resistschicht kann dabei im Schattenrißverfahren erfolgen, wobei
die Maske auf der Resistschicht aufliegt (Kontakt-Belichtung) oder
dicht über der
Resistschicht aufgebracht ist (Proximity-Belichtung). Für höchstauflösende Strukturierung
wird die Bestrahlung dagegen über
eine sogenannte Projektionsbelichtung durchgeführt. Das durch die Maske durchgetretene
Licht wird dabei in einem Projektionsobjektiv auf die Resistschicht
fokussiert, wobei das Projektionsobjektiv möglichst viele durch die Maskenstruktur
erzeugte höhere
Beugungsordnungen abbildet. Durch dieses Abbildungsverfahren kann
eine minimale übertragbare
Strukturlinienbreite, bmin, von bmin = k1(λ/NA) (1) von der
Maske auf die Resistschicht abgebildet werden; λ ist in diesem Fall die Wellenlänge, mit
der belichtet wird, und NA die numerische Apertur, d. h. im wesentlichen
das Verhältnis
des halben Objektivfensterdurchmessers zum Abstand zwischen Wafer und
Objektiv. Im Bereich der Auflösungsgrenze nimmt
die Proportionalitätskonstante
k1 Werte k1 < 0,5 an, und es
müssen
besondere Maßnahmen
zur Kontrastverstärkung
getroffen werden, um ein ausreichendes Prozeßfenster in der Lithographie
zu gewährleisten.
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Wenn
die strahlungsempfindliche Resistschicht eine positive Resistschicht
ist, so bewirkt die Belichtung an den belichteten Stellen eine chemische
Veränderung
des Resistschichtmaterials, das bei der Entwicklung aus der Resistschicht
herausgespült
werden kann. Ist die strahlungsempfindliche Resistschicht dagegen
eine negative Resistschicht, so wird bei der Entwicklung das nicht
belichtete Material herausgespült.
Um die gleiche Struktur wie bei dem positiven Resist zu erhalten,
muß die
Maske im. wesentlichen komplementär zur Maske für den positiven
Resist strukturiert sein.
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Nach
der Bestrahlung und weiteren Schritten, wie der Initialisierung
der sogenannten „PAG" (photo acid generator) dem
sogenannten „PEB" (post exposure bake)
sowie der Einstellung des Diffusionsgradienten und damit des Resistprofils,
folgt die Entwicklung der Resistschicht durch Besprühen oder Aufschleudern
mit Entwicklerflüssigkeit,
die das markierte Resistschichtmaterial selektiv ablöst (oder
selektiv resistent läßt). Nach
der Trocknung des Substrats erhält
man schließlich
den strukturierten Resist, der i. A. zum Abschluß einem Temperaturschritt zur Aushärtung unterzogen
wird.
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Die
minimale Strukturlinienbreite auf der Maske, die nach der Erzeugung
der Resiststruktur tatsächlich
erzeugt wird, ist am Ende aus mehreren Gründen größer als aus (1) errechnet.
Zum einen hat die Resistschicht eine endliche Dicke, so daß die Abbildung
leicht verschmiert; weiterhin wirkt der Entwickler isotrop, so daß bei der
Entwicklung der Resistschicht der Resist auch in lateraler Richtung
abgetragen wird. Die minimale Strukturlinienbreite auf der Maske,
die für
die Erzeugung einer Resistschichtstruktur auf einem Halbleitersubstrat
benötigt wird,
hängt daher
von vielen Parametern ab und wird für jeden Strukturierungsprozeß einzeln
bestimmt.
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Die
Maske besteht z. B. aus einem unstrukturierten Quarzglassubstrat,
das auch im UV-Bereich lichtdurchlässig ist und auf dem eine dünne lichtundurchlässige Schicht,
meist aus Schwarzchrom, aufgebracht ist. Die Schwarzchromschicht
erzeugt zusammen mit den durchlässigen
Bereichen die Maskenstruktur, die auf die Resistschicht abgebildet
wird. Die Schwarzchromschicht erzeugt dabei die abgedunkelten Bereiche
auf der Resistschicht während der
lichtdurchlässige
Bereich die belichteten Bereiche auf dem Resist erzeugt. Ist der
Resist positiv, so wird die Abtragungsrate des Resists im Entwickler
in den belichteten Bereichen im Vergleich zu den unbelichteten Bereichen
drastisch erhöht
und durch den Entwicklungsschritt abgetragen. Ist der Resist negativ,
so vernetzt der Resist in den belichteten Bereichen, so daß bei der
Entwicklung überwiegend
die unbelichteten Bereiche abgetragen werden. Für eine maßgetreue Strukturübertragung
ist es weiterhin wichtig, eine über
den zu belichtenden Bereich homogene Belichtungsdosis zu gewährleisten.
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Zur
Beeinträchtigung
der Maßtreue
können verschiedene
Effekte beitragen. Zum einen verursacht der endliche Resistkontrast γ, der ein
Maß für den Resistabtragungsgradienten
bei gegebener Belichtungsdosis ist, eine Verrundung von ursprünglich eckigen
Maskenstrukturen. Weiterhin können
Interferenzeffekte, Beugungseffekte und Streulicht, die an Strukturelementen
der Maske, der Resistschicht und/oder der vorstrukturierten Substratoberfläche entstehen,
dazu führen,
daß die
effektive Belichtungsdosis in den Resistschichtbereichen nicht homogen
ist.
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Insbesondere
am Rand eines Gebiets mit relativ dicht angeordneten Strukturen
ergeben sich häufig
Probleme, daß die
Strukturen am Rand des Gebiets nicht korrekt abgebildet werden.
Während die
Strukturen im Inneren des Gebiets unter geeigneten Bestrahlungsbedingungen
sich gegenseitig stützen,
fällt dieser
positive Effekt am Rande des Gebiets weg. So kommt es am Rand des
Gebiets unter nicht optimalen Fokusbedingungen beispielsweise zu
Einschnürungen
an den Strukturen und/oder es wird ein sogenanntes „Abkippen" der Strukturen beobachtet. Dies
führte
zu einem erhöhtem
Defektrisiko und zu deutlichen Ausbeuteverlusten.
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Aus
der
US 5,856,241 A ist
ein Verfahren zur Bestrahlung von strahlungsempfindlichen Resistschidhten
auf Halbleitersubstraten für
die Herstellung von integrierten Halbleiterprodukten bekannt, wobei
bei der Bestrahlung eine photolithographische Maske verwendet wird.
Dabei sind in einem Gebiet mittels einer strahlungsundurchlässigen Schicht
oder einer Halbtonschicht Hauptstrukturen ausgebildet, die auf die
Resistschicht übertragen
werden. Weiterhin sind am Rand des Gebiets Dummystrukturen angeordnet, die
so ausgebildet sind, daß das
durch die Dummystrukturen gebildete Muster bei der Bestrahlung in
die Resistschicht übertragen
wird und die so erzeugten Strukturen in dem fertiggestellten Halbleitersubstrat keinen
vorgegebenen Zweck erfüllen.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Bestrahlungsverfahren
bereitzustellen, welches die beschriebenen Probleme vermindert bzw.
ganz vermeidet.
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Diese
Aufgabe wird von dem erfindungsgemäßen Bestrahlungsverfahren gemäß dem unabhängigen Patentanspruch
1 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen,
Ausgestaltungen und Aspekte der vorliegenden Erfindung ergeben sich
aus den abhängigen
Patentansprüchen,
der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
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Das
erfindungsgemäße Bestrahlungsverfahren
besitzt den Vorteil, dass durch eine Kombination von Dummystrukturen,
deren Muster in die Resistschicht abgebildet wird, und Hilfsstrukturen,
deren Muster nicht in die Resistschicht abgebildet wird, eine deutliche
Verbesserung der Abbildungseigenschaften der Hauptstrukturen am
Rand des Gebiets erzielen lassen. Insbesondere können Einschnürungen an den
Strukturen und/oder es kann ein sogenanntes „Abkippen" der Strukturen bei nicht optimalen
Fokusbedingungen deutlich vermindert bzw. ganz vermieden werden.
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Eine ähnliche
Wirkung läßt sich
auch einzig mit der Hilfe von Dummystrukturen ohne die Verwendung
von Hilfsstrukturen erzielen. Da in diesem Fall jedoch eine größere Anzahl
von Dummystrukturen bzw. größere Dummystrukturen
verwendet werden müssen,
hat eine derartige Ausführungsform
den Nachteil, dass der Flächenbedarf
auf dem Halbleitersubstrat deutlich vergrößert ist. Insbesondere kann durch
die Verwendung von Hilfsstrukturen der Abstand zwischen zwei benachbarten
Gebieten von Hauptstrukturen deutlich verkleinert werden. Der alleinige
Einsatz von Dummystrukturen hat darüber hinaus den Nachteil, dass
die zusätzlichen
Dummystrukturen bzw. die größeren Dummystrukturen
mit weiteren bereits bestehenden oder noch zu erzeugenden Strukturen,
beispielsweise Substratkontakten, am Rand des Gebiets überlappen
können,
wodurch unerwünschte
Leckpfade entstehen können. Weiterhin
weisen in dem Fall, dass nur Dummystrukturen verwendet werden, die
Dummystrukturen in der Regel eine kompliziertere Form bzw. Anordnung
auf, was sich negativ auf den Designaufwand bei der Erstellung der
Maske auswirkt.
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Unter
einer Halbtonschicht wird im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung
eine zu einem gewissen Prozentsatz strahlungsdurchlässige Schicht
verstanden, welche die Phase der durch sie hindurchtretenden Strahlung
um einen vorgegebenen Betrag verschiebt. Je nach Anwendungsfall
können
die Haupt- bzw. Hilfsstrukturen aus Teilbereichen der strahlungsundurchlässigen Schicht
bzw. der Halbtonschicht oder als Öffnungen in der strahlungsundurchlässigen Schicht
bzw. der Halbtonschicht ausgebildet sein.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Bestrahlungsverfahrens sind
die Hauptstrukturen im wesentlichen parallel in eine erste Richtung
ausgerichtet. Durch eine parallele Ausrichtung der Hauptstrukturen
entstehen regelmäßige Anordnungen,
die sich in der Regel gut abbilden lassen. Die Hauptstrukturen bzw.
die Teilstücke, aus
denen die Hauptstrukturen häufig
zusammengesetzt sind, besitzen in der Regel eine Form, die entlang
einer Richtung (Längsrichtung)
eine deutlich größere Ausdehnung
besitzt als in einer dazu senkrechten Richtung. Typischerweise weisen
die Hauptstrukturen bzw. deren Teilstücke eine rechteckähnliche
Form auf, die deutlich länger
als breit ist. Dementsprechend kann man sagen, daß die Hauptstrukturen
bzw. die Teilstücke
der Hauptstrukturen in eine Richtung, nämlich ihre Längsrichtung, ausgerichtet
sind. Entsprechendes gilt auch für
die Dummystrukturen bzw. Hilfsstrukturen.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Bestrahlungsverfahrens sind
die Dummystrukturen im wesentlichen parallel ausgerichtet. Dabei
ist es insbesondere bevorzugt, wenn die parallel zu den Hauptstrukturen
in die erste Richtung ausgerichtet sind.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Bestrahlungsverfahrens
sind eine Vielzahl von im wesentlichen parallel, vorzugsweise in
die erste Richtung, ausgerichteten Hilfsstrukturen vorgesehen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren der Zeichnung näher dargestellt.
Es zeigen:
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1 eine
photolithographische Maske, die in einem Bestrahlungsverfahren gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet wird,
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2 eine
photolithographische Maske, die in einem Bestrahlungsverfahren gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
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1 zeigt
eine photolithographische Maske, die in einem Bestrahlungsverfahren
gemäß einer ersten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet wird, in einer Aufsicht. Die
in 1 gezeigte Ausführungsform weist ein strahlungsdurchlässiges Substrat
(nicht gezeigt), beispielsweise aus Quarzglas, auf das eine strahlungsundurchlässige Schicht
aufgebracht ist. Als Material für
die strahlungsundurchlässige
Schicht kann beispielsweise Schwarzchrom eingesetzt werden. Anstatt
einer strahlungsundurchlässigen
Schicht kann jedoch auch eine Schicht aus Halbton-Material, beispielsweise
eine MoSizOxNy-Schicht,
verwendet werden.
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Die
strahlungsundurchlässige
Schicht wurde strukturiert, so daß Hauptstrukturen 2,
Dummystrukturen 3 und Hilfsstrukturen 4a und 4b ausgebildet sind.
Dabei sind die Hauptstrukturen 2 so ausgebildet, daß das durch
die Hauptstrukturen 2 gebildete Muster bei einer Bestrahlung
in die Resistschicht übertragen
wird und die durch die Hauptstrukturen 2 erzeugten Strukturen
auf dem Halbleitersubstrat in dem fertigstellten Halbleiterprodukt
einen vorgegebenen Zweck erfüllen.
In dem in 1 gezeigten Beispiel bilden
die von den Hauptstrukturen 2 erzeugten Strukturen auf
dem Halbleitersubstrat die sogenannten „Aktiv Areas".
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Die
Dummystrukturen 3 sind ebenfalls so ausgebildet, daß das durch
die Dummystrukturen 3 gebildete Muster bei einer Bestrahlung
in die Resistschicht übertragen
wird. Jedoch erfüllen
die durch die Dummystrukturen 3 erzeugten Strukturen auf
dem Halbleitersubstrat in dem fertigstellten Halbleiterprodukt keinen
vorgegebenen Zweck.
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Weiterhin
sind auf der in 1 gezeigten Maske Hilfsstrukturen 4a und 4b vorgesehen,
die so ausgebildet sind, daß das
durch die Hilfsstrukturen 4a und 4b gebildete
Muster bei einer Bestrahlung nicht in die Resistschicht übertragen
wird.
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Die
in 1 gezeigten Hauptstrukturen 2 bilden
ein Gebiet 5 von im wesentlichen dicht angeordneten Hauptstrukturen,
welche auf Grund der dichten Anordnung ausreichend gute Abbildungseigenschaften
aufweisen, so dass im Inneren des Gebiets 5 in der Regel
keine weiteren Maßnahmen
zur Verbesserung der Abbildungseigenschaften eingesetzt werden müssen. Während sich
somit die Strukturen im Inneren des Gebiets 5 unter geeigneten
Bestrahlungsbedingungen gegenseitig stützen, fällt dieser positive Effekt
am Rande des Gebiets 5 weg. Daher würde es am Rand des Gebiets 5 unter
nicht optimalen Fokusbedingungen beispielsweise zu Einschnürungen an
den Strukturen und/oder zu einem „Abkippen" der Strukturen kommen. Diese negativen
Effekte treten verstärkt
an dem unteren Rand des Gebiets auf, da hier die kurzen Seiten der
Hauptstrukturen 2 den Rand des Gebiets 5 bilden.
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Die
in 1 gezeigte Maske vermeidet diese Schwierigkeiten
weitgehend dadurch, dass am unteren Ende des durch eine Kombination
von Dummystrukturen und Hilfsstrukturen vorgesehen sind, wodurch
sich eine deutliche Verbesserung der Abbildungseigenschaften der
Hauptstrukturen am Rand des Gebiets erzielen läßt. Insbesondere können Einschnürungen an
den Strukturen und/oder es kann ein sogenanntes „Abkippen" der Strukturen bei nicht optimalen
Fokusbedingungen deutlich vermindert bzw. ganz vermieden werden.
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Die
Hauptstrukturen 2 sind bei der in 1 gezeigten
Maske im wesentlichen parallel in eine erste Richtung (Y-Richtung) ausgerichtet.
Die Dummystrukturen 3 sind ebenfalls im wesentlichen parallel
in diese erste Richtung (Y-Richtung)
ausgerichtet. Hingegen ist die Hilfsstruktur 4a senkrecht
zu den Haupt- bzw. Dummystrukturen in eine zweite Richtung (X-Richtung)
ausgerichtet.
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Zur
Verbesserung der Abbildungseigenschaften der Hauptstrukturen 2 am
rechten Rand des Gebiets 5 ist eine weitere Hilfsstruktur 4b vorgesehen,
die parallel zu den Haupt- bzw. Dummystrukturen in die erste Richtung
(Y-Richtung) ausgerichtet ist.
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Insbesondere
am unteren Rand des Gebiets 5 läßt sich eine ähnliche
Wirkung auch einzig mit der Hilfe von Dummystrukturen ohne die Verwendung von
Hilfsstrukturen erzielen. Da in diesem Fall jedoch eine größere Anzahl
von Dummystrukturen bzw. größere Dummystrukturen
verwendet werden müssen, hat
eine derartige Ausführungsform
den Nachteil, dass der Flächenbedarf
auf Halbleitersubstrat deutlich vergrößert ist. Insbesondere kann
durch die Verwendung von Hilfsstrukturen der Abstand zwischen zwei
benachbarten Gebieten von Hauptstrukturen deutlich verkleinert werden.
Der alleinige Einsatz von Dummystrukturen hat darüber hinaus
den Nachteil, dass die zusätzlichen
Dummystrukturen bzw. die größeren Dummystrukturen
mit weiteren bereits bestehenden oder noch zu erzeugenden Strukturen,
beispielsweise Substratkontakten, am Rand des Gebiets überlappen
können,
wodurch unerwünschte Leckpfade
entstehen können.
Weiterhin weisen in dem Fall, dass nur Dummystrukturen verwendet
werden, die Dummystrukturen in der Regel eine kompliziertere Form
bzw. Anordnung auf, was sich negativ auf den Designaufwand bei der
Erstellung der Maske auswirkt.
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2 zeigt
eine photolithographische Maske, die in einem Bestrahlungsverfahren
gemäß einer weiteren
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet wird, in einer Aufsicht. Die
in 2 gezeigte Maske weist ebenfalls ein strahlungsdurchlässiges Substrat
(nicht gezeigt), beispielsweise aus Quarzglas auf, auf das eine
strahlungsundurchlässige
Schicht aufgebracht ist. Als Material für die strahlungsundurchlässige Schicht
kann beispielsweise Schwarzchrom eingesetzt werden. Anstatt einer strahlungsundurchlässigen Schicht
kann jedoch auch eine Schicht aus Halbton-Material, beispielsweise
eine MoSizOxNy-Schicht,
verwendet werden.
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Die
strahlungsundurchlässige
Schicht wurde wiederum so strukturiert, daß Hauptstrukturen 2, Dummystrukturen 3 und Hilfsstrukturen 4 ausgebildet sind.
Im Gegensatz zu der in 1 gezeigten Maske sind bei der
in 2 gezeigten Maske alle Hilfsstrukturen 4,
auch die Hilfsstrukturen 4 am unteren Rand des Gebiets 5,
parallel zu den Haupt- bzw. Dummystrukturen in die erste Richtung
(Y-Richtung) ausgerichtet.