DE102004041679B4 - Verfahren zur lithgraphischen Herstellung einer Struktur in einer strahlungsempfindlichen Schicht und ein strukturiertes Halbleitersubstrat mit Oberflächenstruktur - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur lithographischen Herstellung einer Struktur in einer strahlungsempfindlichen Schicht, insbesondere bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen, wobei:
a) auf und/oder in einem Substrat (10) mindestens eine Absorptionsschicht (1) zur gezielten Absorption von Lithographiestrahlung (11) angeordnet wird, wobei in dem Substrat (10) eine Vertiefung mit einer Füllung (40) und einer Kragenschicht (31) ausgebildet ist, und
b) die Lithographiestrahlung (11) unter einem Einstrahlwinkel (α) kleiner 90° gemessen zur Oberflächennormale (50) so auf die Absorptionsschicht (1) und eine strahlungsempfindliche Schicht (2) eingestrahlt wird, dass in Abhängigkeit von der Absorption der Absorptionsschicht (1) und des Winkels (α) durch mindestens partielle Abschattung die Struktur (20) einseitig in der strahlungsempfindlichen Schicht (2) erzeugt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
die strahlungsempfindliche Schicht in Form einer Resistschicht (2) in der Vertiefung über der Füllung (40) und über der Kragenschicht (31) aufgebracht wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein strukturiertes Halbleitersubstrat nach Anspruch 15.
  • Bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen (z. B. DRAM-Speicherchips) ist es für manche Verfahrensschritte notwendig, Substrukturen zu erzeugen, z. B. innerhalb von Vertiefungen in einem Substrat eine weitere Strukturierung mittels Ätz- oder Abscheideverfahren vorzunehmen.
  • Mit den üblichen Ätzverfahren können zwar durch isotrope oder anisotrope Ätzung unterschiedliche Strukturen hergestellt werden, die aber alle symmetrisch zur Ätzrichtung sind.
  • Aus der Druckschrift US 2004/0 029 343 A1 ist bekannt, eine keramische Schicht in einer Vertiefung neben einer Kragenschicht anzuordnen und mit Ionen zu bestrahlen, um die Ätzbarkeit der keramischen Schicht zu verändern. Der Ionenstrahl wird zum Teil an einer Kante der Vertiefung absorbiert, so dass eine einseitige Struktur in der keramischen Schicht entsteht.
  • Darüber hinaus ist aus der Druckschrift US 6 194 268 B1 bekannt, in einer Vertiefung eine Resistschicht aufzubringen und diese schräg zu belichten, so dass eine Seite der Schicht durch eine Kante der Vertiefung abgeschattet ist und eine einseitige Struktur in der Resistschicht entsteht.
  • Für bestimmte Anwendungen, z. B. Kontaktierungen ist es jedoch wünschenswert, asymmetrische Substrukturen herzustellen. Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren anzugeben, mit dem Strukturen geschaffen werden können, die einseitig in einer bestehenden Struktur angeordnet sind.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Dazu wird zunächst auf und/oder in dem Substrat, insbesondere vor dem Aufbringen der strahlungsempfindlichen Schicht, mindestens eine Absorptionsschicht zur gezielten Absorption von Lithographiestrahlung angeordnet. Unter einer Absorptionsschicht wird hier eine Schicht verstanden, die Anteile der verwendeten Lithographiestrahlung absorbiert.
  • Die Lithographiestrahlung wird dabei unter einem Einstrahlwinkel α kleiner 90° gemessen zur Oberflächennormale auf die Absorptionsschicht und eine strahlungsempfindliche Schicht eingestrahlt, so dass in Abhängigkeit von der Absorption der Absorptionsschicht und des Winkels α durch mindestens partielle Abschattung die Struktur einseitig in der strahlungsempfindlichen Schicht erzeugt wird. Die Abschattung ist somit ein Resultat der Absorption in der Absorptionsschicht.
  • In dem Substrat ist eine Vertiefung mit einer Füllung und einer Kragenschicht ausgebildet, wobei die strahlungsempfindlichen Schicht in Form einer Resistschicht in der Vertiefung über der Füllung und über der Kragenschicht aufgebracht wird.
  • Vorteilhaft ist es, wenn als Absorptionsschicht eine siliziumhaltige, z. B. Si3N4-Schicht, auf das Substrat aufgebracht wird.
  • Eine Photoresistschicht ist vorteilhaft, da diese auf einen Kontrastunterschied (nicht abgeschatteter Bereich – abgeschatteter Bereich) empfindlich reagiert.
  • Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Vertiefung ein Deep Trench oder eine Stegstruktur ist.
  • Mit Vorteil liegt die Wellenlänge λ der Lithographiestrahlung zwischen 2 und 100 nm, insbesondere ist sie kleiner als 15 nm.
  • Auch ist es vorteilhaft, wenn die Wellenlänge λ der Lithographiestrahlung klein gegenüber der Abmessung der zu schaffenden Struktur ist, insbesondere kleiner als die halbe Strukturbreite.
  • Wenn die Lithographiestrahlung unter einem Winkel α zwischen 3 und 80°, gemessen zur Oberflächennormalen, auf die Absorptionsschicht eingestrahlt wird, liegt eine "schräge" Einstrahlung vor, die gezielt zu einer Abschattung mittels der strahlungsempfindlichen Schicht verwendet werden kann.
  • Durch die Belichtung entsteht in der strahlungsempfindlichen Schicht ein belichteter und ein unbelichteter Bereich. Je nach Notwendigkeit ist es insbesondere vorteilhaft, wenn einer der beiden Bereiche selektiv zum anderen entfernt wird.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform erzeugt durch die Bestrahlung in der strahlungsempfindlichen Schicht im belichteten Teil eine einseitige, d. h. asymmetrische, insbesondere im Wesentlichen trapezförmige Struktur.
  • Zur Erzielung komplexerer Strukturen kann vorteilhafterweise die Richtung der Lithographiestrahlung und/oder der Einstrahlwinkel während einer Belichtung verändert werden.
  • Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn die Struktur anschließend zur Herstellung eines buried strap verwendet wird.
  • Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Füllung aus Polysilizium und die Kragenschicht aus Siliziumdioxid ausgebildet wird. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die in der Resistschicht durch Lithographiestrahlung einseitig erzeugte Struktur nach Entfernung einen Teil der Kragenschicht freilegt, so dass anschließend die Kragenschicht einseitig geätzt wird und anschließend zur Herstellung eines buried strap mit Polysilizium gefüllt wird.
  • Mit Vorteil wird nach dem Entfernen des belichteteten Bereiches (d. h. der belichteten Struktur) der entstandene Hohlraum mit einem Abscheideverfahren aufgefüllt und anschließend der unbelichtete Teil selektiv entfernt.
  • Ferner ist es vorteilhaft, wenn vor dem Entfernen des unbelichteteten Bereiches das abgeschiedene Material planarisiert wird.
  • Die Aufgabe wird auch durch ein strukturiertes Halbleitersubstrat zur Verwendung bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen gemäß Anspruch 15 gelöst.
  • Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 schematische Schnittdarstellung durch ein Substrat mit einer Vertiefung und schräg einfallender Lithographiestrahlung;
  • 2 schematische Schnittdarstellung gemäß 1 nach einer Entwicklung einer Resistschicht;
  • 3 schematische Schnittdarstellung gemäß 2 nach einer asymmetrischen Ätzung einer Kragenschicht;
  • 4 schematische Schnittdarstellung gemäß 3 nach einer Füllung der Vertiefung und isotroper Rückätzung;
  • 5A, B Darstellung der Absorptionslängen in Si und Si3N4 in Abhängigkeit von der Wellenlänge;
  • 6 Darstellung der Absorptionslänge in Photoresist;
  • 7A, B Darstellung der Reflektivität an Si3N4 und Photoresist;
  • In 1 ist schematisch, d. h. nicht maßstabsgetreu, eine Schnittansicht durch eine Vertiefung 30 (hier ein Deep Trench für eine Speicherzelle in einem DRAM-Speicherchip) in einem Substrat 10 aus Silizium dargestellt. Die 1 zeigt dabei eine Momentaufnahme aus einem an sich bekannten Herstellungsprozess von Speicherbauelementen aus Siliziumwafern.
  • Der untere Teil 40 der Vertiefung 30 ist mit polykristallinem Silizium gefüllt. Seitlich ist die Vertiefung 30 mit einer Kragenschicht (Collar) 31 versehen, die z. B. aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder anderen siliziumhaltigen Verbindungen besteht.
  • Auf dem Substrat 10 ist eine Absorptionsschicht 1 aus Si3N4 angeordnet. Die Absorptionsschicht 1 absorbiert die im Winkel α einfallende Lithographiestrahlung 11 zum Teil, um damit eine Struktur 20 in einer nur zum Teil belichteten, strahlungsempfindlichen Schicht 2 zu schaffen. Die strahlungsempfindliche Schicht 2 weist somit einen belichteten Teil (d. h. die Struktur 20) und einen unbelichteten, von der Absorptionsschicht 1 abgeschatteten Bereich auf. Die absorbierte Lithographiestrahlung 11 ist in 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.
  • Im vorliegenden Fall wird als Lithographiestrahlung 11 EUV-Licht (also mit einer Wellenlänge λ in der Größenordnung von 13,4 nm) verwendet. Grundsätzlich muss die Wellenlänge λ klein gegenüber der gewünschten Strukturgröße sein. Klein bedeutet hier, dass Beugungseffekte unbedeutend sind. Typischerweise ist die Wellenlänge λ kleiner als die Hälfte der Strukturgröße.
  • Im vorliegenden Fall ist die Wellenlänge ca. dreimal kleiner als die Öffnung der Vertiefung 30, damit Beugungseffekte möglichst unterdrückt werden. Bei einer Öffnung eines Deep Trench 30 von ca 50 nm, beträgt die Wellenlänge weniger als 15 nm (d. h. EUV-Strahlung). Licht unterhalb der Absorptionskante für Si-Verbindungen bei 12,3 nm ist vorteilhaft.
  • Der Einstrahlwinkel α beträgt typisch zwischen 3 und 80°, hier 30° gemessen zur Oberflächennormale 50 der Absorptionsschicht 1 (d. h. 0° bedeutet eine senkrechte Einstrahlung). Die Einstrahlrichtung kann während der Bestrahlung drehen, so dass eine ringabschnittsförmige Struktur 20 mit einem im Wesentlichen dreieckigen Querschnitt in der Vertiefung 2 erzeugt wird.
  • Die Absorption in der Absorptionsschicht 1, hier Si3N4, muss bei der Wellenlänge λ der Lithographiestrahlung 11 hoch sein. Dies führt dazu, dass in der strahlungsempfindlichen Schicht 2, hier bestehend aus einem Photoresist, nur dort eine Bestrahlung erfolgt, wo die Lithographiestrahlung 11 ungehindert auftreffen kann. Im linken Teil der strahlungsempfindlichen Schicht 2 bildet sich die Struktur 20 aus, d. h. die Struktur des Photoresists verändert sich in einem im Wesentlichen dreieckigen Bereich. Rechts davon, im von der Absorptionsschicht 1 abgeschatteten Teil der strahlungsempfindlichen Schicht 2 findet keine Bestrahlung und damit auch keine Veränderung in der strahlungsempfindlichen Schicht 2 statt.
  • Die Seitenwände der Vertiefung 30 weisen eine geringe Reflektivität für die Lithographiestrahlung 11 auf, so dass in den abgeschatteten Bereich möglichst wenig Streustrahlung gelangt. Dies wird anhand 7A und 7B im Detail dargestellt.
  • In 2 ist der Zustand dargestellt, der nach der Entwicklung der Resistschicht 2 entsteht. Die belichtete Struktur der 20 (siehe 1) wurde hier entfernt, so dass eine im Wesentlichen dreieckige Struktur entsteht. Damit ist es möglich, in der Vertiefung 30 eine einseitige (oder auch asymmetrische) Ätzung vorzunehmen, indem nur eine Seite der Kragenschicht 31 geätzt wird.
  • In der 3 ist der Zustand nach der Ätzung der linken Seite der Vertiefung 30 dargestellt. Die Kragenschicht 31 ist an einer Seite entfernt.
  • Nach diesem Verfahrenschritt wird die Vertiefung mit Polysilizium aufgefüllt und anschließend isotrop mit einem RIE Verfahren geätzt. Dieser Zustand ist in 4 dargestellt. Dadurch wird das Polysilizium bis zu einem vorbestimmten Maß aus der Vertiefung entfernt. Seitlich zu der Füllung 40 ist eine Kontaktschicht 32 aus Polysilizium angeordnet, die als buried strap weiter verwendet werden kann.
  • 5A zeigt die Absorptionslänge einer Strahlung in Silizium in Abhängigkeit von der Wellenlänge. 5B zeigt die Absorptionslänge einer Strahlung in Si3N4 in Abhängigkeit von der Wellenlänge.
  • In 6 ist die Absorptionslänge in einem Photoresist in Abhängigkeit von der eingestrahlten Wellenlänge in einer halblogarithmischen Darstellung aufgetragen. Mit zunehmender Wellenlänge sinkt die Absorptionslänge ab. Bei einer Wellenlänge von 10 nm beträgt die Absorptionslänge ca. 0,3 μm (300 nm). Im EUV-Bereich liegt die typische Absorptionslänge zwischen 170 bis 300 nm.
  • In 7A und 7B sind die Reflektivitäten für eine Wellenlänge von 10 nm in Abhängigkeit vom Einstrahlwinkel der Strahlung aufgetragen. 7A zeigt die Reflektivität von Silizium, 7B zeigt die Reflektivität eines Photoresists. In allen Fällen zeigt sich, dass bei einem Einstrahlwinkel α > 20° die Reflektivität sehr gering ist.
  • Die Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in diesen Ausführungsbeispielen anhand der Schaffung einer asymmetrischen Struktur 20 in einer Vertiefung 30 dargestellt. Alternativ kann das Verfahren aber auch in Zusammenhang mit der Schaffung einer Stegstruktur verwendet werden. Die Absorptionsschicht 1 ist dann auf dem Steg angeordnet, so dass die schräg einfallende Lithographiestrahlung eine dreieckige Struktur 20 neben dem Steg in einer strahlungsempfindlichen Schicht 2 entstehen lässt.
  • Alternativ kann das erfindungsgemäße Verfahren auch bei anderen Materialien (z. B. III-V Halbleitern) und anderen Wellenlängen (z. B. UV oder Deep-UV) verwendet werden.
  • Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, die von dem erfindungsgemäßen Verfahren und dem erfindungsgemäßen Halbleitersubstrat auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch machen.
    • 1
    Absorptionsschicht
    2
    strahlungsempfindliche Schicht (Resist)
    10
    Substrat
    11
    Lithographiestrahlung
    20
    Struktur in lichtempfindlicher Schicht
    30
    Vertiefung
    31
    Kragenschicht (Collar)
    32
    buried strap
    40
    verfüllter unterer Teil der Vertiefung
    50
    Oberflächennormale
    α
    Einstrahlwinkel des Lithographiestrahlung

Claims (15)

  1. Verfahren zur lithographischen Herstellung einer Struktur in einer strahlungsempfindlichen Schicht, insbesondere bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen, wobei: a) auf und/oder in einem Substrat (10) mindestens eine Absorptionsschicht (1) zur gezielten Absorption von Lithographiestrahlung (11) angeordnet wird, wobei in dem Substrat (10) eine Vertiefung mit einer Füllung (40) und einer Kragenschicht (31) ausgebildet ist, und b) die Lithographiestrahlung (11) unter einem Einstrahlwinkel (α) kleiner 90° gemessen zur Oberflächennormale (50) so auf die Absorptionsschicht (1) und eine strahlungsempfindliche Schicht (2) eingestrahlt wird, dass in Abhängigkeit von der Absorption der Absorptionsschicht (1) und des Winkels (α) durch mindestens partielle Abschattung die Struktur (20) einseitig in der strahlungsempfindlichen Schicht (2) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die strahlungsempfindliche Schicht in Form einer Resistschicht (2) in der Vertiefung über der Füllung (40) und über der Kragenschicht (31) aufgebracht wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Absorptionsschicht (1) eine siliziumhaltige, z. B. Si3N4-Schicht, auf das Substrat (10) aufgebracht wird.
  3. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung ein Deep Trench oder eine Stegstruktur ist.
  4. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge λ der Lithographiestrahlung zwischen 2 und 100 nm liegt, insbesondere kleiner als 15 nm.
  5. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge λ der Lithographiestrahlung klein gegenüber der Abmessung der zu schaffenden Struktur (20) ist, insbesondere kleiner als die halbe Strukturbreite.
  6. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lithographiestrahlung unter einem Winkel (α) zwischen 3 und 80°, gemessen zur Oberflächennormalen, auf die Absorptionsschicht (1) eingestrahlt wird.
  7. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im belichteten Teil eine im wesentlichen trapezförmige Struktur (2) erzeugt wird.
  8. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtung der Lithographiestrahlung und/oder der Einstrahlwinkel während einer Belichtung verändert wird.
  9. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Erzeugung der Struktur (20) in der strahlungsempfindlichen Schicht (2) die Struktur (20) selektiv entfernt wird.
  10. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung (40) aus Polysilizium und die Kragenschicht (31) aus Siliziumdioxid ausgebildet ist.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Resistschicht (2) durch die Lithographiestrahlung einseitig erzeugte Struk tur (20) nach Entfernung einen Teil der Kragenschicht (31) freilegt, so dass anschließend die Kragenschicht (31) einseitig geätzt wird und anschließend zur Herstellung eines buried strap (32) mit Polysilizium gefüllt wird.
  12. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Entfernen des belichteten Bereiches der entstandene Hohlraum mit einem Abscheideverfahren aufgefüllt wird und anschließend der unbelichtete Teil selektiv entfernt wird.
  13. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Entfernen des unbelichteten Bereiches das abgeschiedene Material planarisiert wird.
  14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen der Absorptionsschicht (1) vor dem Aufbringen der strahlungsempfindlichen Schicht erfolgt.
  15. Strukturiertes Halbleitersubstrat zur Verwendung bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen, mit einer Absorptionsschicht (1) zur mindestens teilweisen Absorption von Lithographiestrahlung (11), die unter einem Winkel von weniger als 90° gemessen zur Oberflächennormalen auf die Absorptionsschicht (1) fällt und einer strahlungsempfindlichen Schicht (2), die zumindest teilweise von der Absorptionsschicht (1) gegenüber der Lithographiestrahlung (11) abgeschattet ist, und die nur in einer Seite einen belichteten Abschnitt (20) aufweist, wobei das Halbleitersubstrat (10) eine Vertiefung mit einer Füllung (40) und einer Kragenschicht (31) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die strahlungsempfindliche Schicht in Form einer Re sistschicht (2) in der Vertiefung über der Füllung (40) und über der Kragenschicht (31) angeordnet ist.
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