DE102006051764A1 - Entwickler und Verfahren zum Entwickeln und zum fotolithografischen Strukturieren - Google Patents

Abstract

Eine belichtete Fotolackschicht wird entwickelt, indem gleichzeitig oder nacheinander ein herkömmlicher Entwickler und ein Amin bzw. eine ein Amin enthaltende Lösung auf die belichtete Fotolackschicht aufgebracht und nach einer vorbestimmten Einwirkzeit jeweils wieder abgewaschen werden.

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Entwickler für eine Fotolackschicht sowie ein Verfahren zum Entwickeln einer belichteten Fotolackschicht und ein Verfahren zum fotolithografischen Strukturieren einer Fläche.
• Bei der fotolithografischen Erzeugung von Strukturen bei der Herstellung von mikroelektronischen oder auch mikromechanischen Bauelementen haben sich in den letzten Jahren chemisch verstärkte Lacke (CAR = Chemically Amplified Resist) durchgesetzt. Ein typischer chemisch verstärkter Lack enthält Polymermoleküle und PAG-Moleküle (PAG = Photo Acid Generator). Jedes Polymermolekül weist in der Regel zwischen 16 und 200 Esterreste auf. Durch Wechselwirkung eines Photons mit einem PAG-Molekül entsteht ein Säuremolekül. In einem der Belichtung der Fotolackschicht nachfolgenden PEB-Schritt (PEB = Post Exposure Bake) diffundiert das Säuremolekül bei erhöhter Temperatur in der Fotolackschicht und reagiert mit den Esterresten an den Polymermolekülen. Durch die Wechselwirkung zwischen dem Säuremolekül und den Esterresten werden Schutzgruppen abgespalten und Carbonsäurereste freigelegt. Während ein Polymermolekül mit Esterresten in einem unpolaren Lösungsmittel löslich ist und in einem polaren Lösungsmittel nur eine geringe Löslichkeit aufweist, weist ein Polymermolekül mit Carbonsäureresten eine erhöhte Löslichkeit in einem polaren Lösungsmittel auf. In einem nachfolgenden Entwicklungsschritt werden Polymermoleküle mit freigelegten Carbonsäureresten in einem wässrigen und damit polaren Entwickler gelöst.
• Durch den Einsatz chemisch verstärkter Fotolacke konnten die für eine vollständige Belichtung erforderlichen Lichtdosen und deshalb auch die Belichtungszeiten deutlich verringert und damit der Durchsatz erhöht und die Fertigungskosten gesenkt werden. Auf einer sehr kleinen Größenskala von einigen wenigen Nanometern (nm) tritt jedoch bei chemisch verstärkten Fotolacken gegenüber nicht verstärkten Fotolacken erhöhte Kantenrauhigkeit (LER = Line Edge Roughness) auf. Eine gute Zusammenfassung zu dieser Problematik bietet der Artikel "Lithographic Importance of Acid Diffusion in Chemically Amplified Resists" von Steenwinckel et al. (Proc. SPIE VOL. 5753 (2005), S. 269-280).
• Der Nachteil jeder Kantenrauhigkeit besteht darin, dass sie die Kapazität zwischen benachbarten Leitungen und damit den Blindwiderstand erhöht. Diese Kantenrauhigkeit gewinnt mit zunehmender Miniaturisierung bzw. immer kleineren Strukturen an Bedeutung. Die aktuelle "International Technology Load Map for Semiconductors – 2005 Ed." (siehe beispielsweise http://www.itrs.net) zeigt im Kapitel "Lithography" bereits für die nahe Zukunft Grenzen auf, insbesondere Problemstellungen, für die es derzeit noch keinerlei Lösung gibt. Dazu gehört ab 2008 auch die geforderte "Low Frequency Line width Roughness" von weniger als 8% der Resist-CD (ibid, Tabellen 77a, b).
• Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Entwickler, ein Verfahren zum Entwickeln einer belichteten Fotolackschicht und ein Verfahren zum fotolithografischen Strukturieren zu schaffen, die eine geringere Kantenrauhigkeit ermöglichen.
• Diese Aufgabe wird durch einen Entwickler gemäß Anspruch 1, ein Verfahren gemäß Anspruch 6 und ein Verfahren gemäß Anspruch 13 gelöst.
• Die vorliegende Erfindung beruht auf der Idee, einem Entwickler ein Amin zuzusetzen. Dadurch wird die Löslichkeit von Polymermolekülen im Randbereich zwischen belichteten und unbelichteten Bereichen einer Fotolackschicht erhöht. Die erhöhte Löslichkeit der Polymermoleküle im Randbereich hat eine Glättung des Randes zur Folge. Eine resultierende reduzierte Kantenrauhigkeit hat unter Anderem eine verminderte Kapazität zwischen benachbarten Leitungen und damit einen verminderten Blindwiderstand zur Folge.
• Verschiedene Mechanismen können zur erhöhten Löslichkeit der Polymermoleküle im Randbereich zwischen belichteten und unbelichteten Bereichen einer Fotolackschicht beitragen. Einen Beitrag leistet eine auf mikroskopischen Größenskalen beobachtete Fernwirkung zwischen Säure- und Basenmolekülen, die eine Anreicherung von Amin-Molekülen an Orten, an denen eine erhöhte Konzentration an Carbonsäureresten vorliegt, bewirkt. In belichteten Bereichen einer Fotolackschicht weisen deren Polymermoleküle jeweils eine hohe bis maximale Anzahl an Carbonsäureresten und damit eine hohe Löslichkeit im wässrigen, leicht alkalischen Entwickler auf. In belichteten Bereichen wird die Fotolackschicht deshalb im Entwicklungsschritt schnell entfernt. Am Rand zwischen einem belichteten und einem unbelichteten Bereich einer Fotolackschicht liegen Polymermoleküle vor, an denen nur eine kleine Anzahl an Carbonsäureresten freigelegt ist, und die deshalb nur eine geringe Löslichkeit in herkömmlichem Entwickler aufweisen. In der Nähe der Carbonsäurereste der noch nicht gelösten Polymermoleküle am Rand zwischen dem belichteten und dem unbelichteten Bereich reichert sich das Amin an. Die erhöhte Aminkonzentration hat eine erhöhte Löslichkeit der Polymermoleküle zur Folge. Dazu kann beitragen, dass das Amin mit weiteren Funktionen bzw. Resten an den Polymermolekülen reagiert, insbesondere mit Anhydridfunktionen.
• Einen weiteren Beitrag leistet die Geometrie des Randbereichs. Je zerklüfteter bzw. rauer die Kante bzw. der Rand des unbelichteten Bereichs der Fotolackschicht ist, und je mehr Carbonsäurereste freiliegen, desto höher ist dort auch die Aminkonzentration. Je glatter der Rand des unbelichteten Bereichs der Fotolackschicht ist, desto weniger Carbonsäurereste liegen frei, und desto geringer ist auch die Aminkonzentration. Wenn (fast) alle Polymermoleküle mit auch nur teilweise freigelegten Carbonsäureresten entfernt sind, liegen (fast) nur noch Polymermoleküle ohne freiliegende Carbonsäurereste vor. Die Aminkonzentration und die Löslichkeit der Polymermoleküle sinken.
• Gemäß einer vorteilhaften Variante der vorliegenden Erfindung wird eine belichtete Fotolackschicht im Entwicklungsschritt zunächst einem herkömmlichen Entwickler und anschließend einer ein Amin enthaltenden Flüssigkeit ausgesetzt.
• Vorteilhaft sind insbesondere primäre Amine, wie Benzylamin oder Ethanolamin oder sekundäre Amine, wie Methyl-Benzylamin oder Diethanolamin, aber auch andere aromatische oder aliphatische primäre oder sekundäre Amine. Der Massenanteil des oder der Amine in dem Entwickler beträgt vorzugsweise 0,25% bis 7,5%
• Alternativ zu dem beschriebenen flüssigen Aggregatszustand des Entwicklers und des das Amin enthaltenden Mediums können der Entwickler und/oder das das Amin enthaltende Medium beispiels weise in Form eines Dampfes oder eines Gases oder eines Aerosols auf die Photolackschicht aufgebracht werden.
• Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden 1 näher erläutert. 1 zeigt ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens zum fotolithografischen Strukturieren einer Fläche, das vorzugsweise in ein Verfahren zum Herstellen eines mikroelektronischen oder mikromechanischen Bauelements integriert ist, und das insbesondere ein Verfahren zum Entwickeln einer belichteten Fotolackschicht umfasst. In einem ersten Schritt 11 wird eine zu strukturierende Oberfläche eines Substrats mit einer Fotolackschicht beschichtet, beispielsweise durch Aufschleudern eines zunächst flüssigen Fotolacks und anschließende Trocknung und/oder Aushärtung des Fotolacks zu einer festen Fotolackschicht. In einem zweiten Schritt 12 werden Teile bzw. Bereiche der Fotolackschicht belichtet, beispielsweise durch Abbilden einer Maske auf die Fotolackschicht mittels sichtbarem oder UV-Licht oder Röntgenstrahlung oder durch energetische Elektronen- oder Ionen- oder andere Partikel-Strahlung. In einem dritten Schritt 13 wird die Fotolackschicht während eines vorbestimmten Zeitintervalls gebacken bzw. auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt erhitzt (Post Exposure Bake). In einem vierten Schritt 14 wird ein Entwickler auf die Fotolackschicht aufgebracht. Dazu wird vorzugsweise das Substrat oder die Oberfläche des Substrats mit der Fotolackschicht in den flüssigen Entwickler eingetaucht oder einem den Entwickler enthaltenden Dampf oder Gas oder Aerosol ausgesetzt. In einem fünften Schritt 15 wird ein Amin auf die Fotolackschicht aufgebracht. Dazu wird vorzugsweise das Substrat oder die Oberfläche des Substrats mit der Fotolackschicht in eine das Amin enthaltende wässrige Lösung eingetaucht oder einem das Amin enthaltenden Dampf oder Gas oder Aerosol ausgesetzt. Der vierte Schritt 14 und der fünfte Schritt 15 werden vorzugsweise gleichzeitig ausgeführt, indem der Entwickler das Amin enthält. In einem sechsten Schritt 16 werden der Entwickler und das Amin abgewaschen, beispielsweise mit destilliertem Wasser. Wenn der vierte Schritt 14 und der fünfte Schritt 15 gemeinsam ausgeführt werden, wird im sechsten Schritt 16 der Entwickler auch gemeinsam mit dem Amin von der Oberfläche des Substrats abgewaschen. Wenn der vierte Schritt 14 und der fünfte Schritt 15 separat ausgeführt werden, wird der sechste Schritt 16 in zwei Teilschritten ausgeführt, dessen erster zwischen dem vierten und dem fünften Schritt 14, 15 ausgeführt wird, um den Entwickler abzuwaschen, bevor das Amin auf die Fotolackschicht aufgebracht wird. In einem siebten Schritt 17 wird die Oberfläche des Substrats mithilfe und entsprechend der in den ersten sechs Schritten 11 bis 16 erzeugten Fotolackmaske strukturiert.

Claims (13)

1. Entwickler für eine Photolackschicht, dadurch gekennzeichnet, dass der Entwickler ein Amin enthält.
2. Entwickler nach Anspruch 1, bei dem das Amin ein aromatisches Amin oder ein aliphatisches Amin ist.
3. Entwickler nach Anspruch 2, bei dem das Amin Benzylamin oder Methyl-Benzylamin oder Ethanolamin oder Diethanolamin ist.
4. Entwickler nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Massenanteil des Amins in dem Entwickler zwischen 0,25% und 7,5% beträgt.
5. Entwickler nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Entwickler zum Entwickeln einer Photolackschicht aus einem chemisch verstärkten Photolack ausgebildet ist, wobei der chemisch verstärkte Photolack Polymermoleküle mit jeweils 16 bis 200 Carbonsäureresten und PAG-Moleküle, die bei Absorption von Photonen Säuremoleküle freisetzen, umfasst.
6. Verfahren zum Entwickeln einer belichteten Photolackschicht, mit folgenden Schritten: Aufbringen von Entwickler auf die Photolackschicht; Aufbringen eines Amins auf die Photolackschicht; Abwaschen des Entwicklers nach einer vorbestimmten Einwirkzeit.
7. Verfahren nach Anspruch 6, ferner mit folgendem Schritt vor dem Aufbringen von Entwickler auf die Photolackschicht: Erwärmen der Photolackschicht auf eine vorbestimmte Temperatur während eines vorbestimmten Zeitintervalls.
8. Verfahrne nach Anspruch 6 oder 7, bei dem die Photolackschicht ein Polymer mit einer Anhydridfuktion enthält und das Amin mit der Anhydridfunktion reagiert.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei dem ein Entwickler, der ein Amin enthält, verwendet wird, und bei dem der Schritt des Aufbringens eines Amins während des Schritts des Aufbringen des Entwicklers ausgeführt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, bei dem das Amin ein aromatisches Amin oder ein aliphatisches Amin ist.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, bei dem ein Entwickler, der Benzylamin oder Methyl-Benzylamin oder Ethanolamin oder Diethanolamin enthält, verwendet wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11, bei dem ein Entwickler, der ein Amin mit einem Massenanteil zwischen 0,25% und 7,5% enthält, verwendet wird.
13. Verfahren zum photolithographischen Strukturieren einer Fläche, mit folgenden Schritten: Beschichten der Fläche mit einer Photolackschicht; Belichten von Teilen der Photolackschicht; Entwickeln der Photolackschicht nach einem Verfahren nach Anspruch 6 bis 11.