DE10219122B4

DE10219122B4 - Verfahren zur Herstellung von Hartmasken

Info

Publication number: DE10219122B4
Application number: DE10219122A
Authority: DE
Inventors: Michael Dr. Sebald; Ernst-Christian Dr. Richter
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2002-04-29
Filing date: 2002-04-29
Publication date: 2005-01-05
Anticipated expiration: 2022-04-30
Also published as: US7018748B2; US20030203314A1; DE10219122A1

Abstract

Verfahren zum Erzeugen strukturierter Hartmasken, umfassend die folgenden Schritte:
(a) Bereitstellen eines Substrats;
(b) Aufbringen einer Starterkomponente auf das Substrat, wobei eine Starterschicht erhalten wird;
(c) Aufbringen eines Fotolacks auf die Starterschicht;
(d) Strukturierung des Fotolacks, wodurch ein strukturierter Fotolack mit Stegen und zwischen den Stegen angeordneten Gräben erhalten wird, wobei in den Gräben die Starterschicht freigelegt ist;
(e) Aufbringen eines Hartmaskenmaterials auf dem strukturierten Fotolack, wodurch in den Gräben ein mit der Starterschicht in Kontakt stehender Hartmaskenanteil erhalten wird;
(f) selektives Aushärten des in den Gräben mit der Starterschicht in Kontakt stehenden Hartmaskenanteils;
(g) Entfernen von nicht ausgehärtetem Hartmaskenmaterial;
(h) Entfernen des strukturierten Fotolacks, so dass eine Hartmaske erhalten wird, in welcher die Stege des strukturierten Fotolacks Gräben entsprechen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von strukturierten Hartmasken.
Bei der Herstellung von Mikrochips erfolgt die Strukturierung der Halbleitersubstrate mit lithografischen Verfahren. Dazu wird zunächst ein lichtempfindlicher Fotolackfilm auf dem Substrat aufgetragen und anschließend abschnittsweise belichtet. Die abschnittsweise Belichtung kann durch direktes Beschreiben mit einem Elektronenstrahl erfolgen oder auch indem eine Maske, welche die nötigen Informationen über die abzubildende Struktur enthält, in den Strahlengang zwischen Lichtquelle und Fotolack angeordnet wird. Die Belichtung mit einer Fotomaske erfolgt im Allgemeinen mit sehr kurzwelligem monochromatischem Licht, welches beispielsweise mit einem Laser erzeugt wird. In der industriellen Fertigung von Mikrochips wird gegenwärtig Licht mit einer Wellenlänge von bis hinab zu 193 nm verwendet. Gegenwärtig werden intensive Forschungsbemühungen unternommen, um die zur Zeit verwendeten lithografischen Verfahren auch für noch kürzere Wellenlängen, insbesondere 157 nm, anzupassen. Durch die Belichtung erfolgt eine chemische Modifikation des Fotolacks, wodurch selektiv nur die belichteten oder nur die unbelichteten Abschnitte des Fotolackfilms in einem Entwickler löslich werden. In einem Entwicklungsschritt werden dann die löslichen Abschnitte des Fotolackfilms abgelöst, und das unter dem Fotolackfilm angeordnete Substrat wird freigelegt. Die unlöslichen Abschnitte des Fotolacks bilden eine Fotolackstruktur aus, welche das unter dem Fotolackfilm angeordnete Substrat vor einem Angriff, beispielsweise durch Ätzmedien, schützt. Man unterscheidet positive Fotolacks, bei welchen die belichteten Abschnitte des Fotolackfilms in eine lösliche Form überführt werden, sowie negative Fotolacks, bei welchen die belichteten Bereiche in eine unlösliche Form überführt werden, beispiels weise durch eine Vernetzung der im Fotolack enthaltenen Polymere, und nach der Entwicklung auf dem Substrat als strukturierter Fotolack verbleiben. Um Fehlbelichtungen durch Reflexe zu vermeiden, ist unterhalb des Fotolackfilms im Allgemeinen ein Antireflexfilm angeordnet, welcher die einfallende Strahlung absorbiert, beispielsweise durch Interferenz. Diese Antireflexfilme werden meist durch Sputtern auf das Substrat aufgebracht, wobei eine genaue Kontrolle der Schichtdicke des zu erzeugenden Antireflexfilms erforderlich ist. Nach dem Strukturieren des Fotolackfilms liegt der Antireflexfilm bzw. das Substrat in den Gräben der Fotolackstruktur frei und kann mit einem Ätzmedium abgetragen werden. Durch diesen Ätzvorgang wird die durch den strukturierten Fotolack vorgegebene Struktur also in das Substrat übertragen. Dazu können zum Beispiel nasschemische Verfahren verwendet werden. Insbesondere bei Strukturen mit sehr geringen Abmessungen oder Strukturen, welche sehr tief in das Substrat eingeätzt werden, wie zum Beispiel Gräben für Deep Trench Kondensatoren, wird jedoch zum Ätzen im Allgemeinen ein Plasma verwendet. Das Plasma kann eine Vorzugsrichtung aufweisen, wodurch das Substrat anisotrop geätzt werden kann. Dadurch ist auch eine maßstabsgetreue Übertragung der durch den strukturierten Fotolack vorgegebenen Struktur in das Substrat möglich, wobei Gräben mit einer Tiefe von bis zu 50 μm erzeugt werden können. Für die Erzeugung derartiger Strukturen sind relativ lange Ätzzeiten erforderlich. Der strukturierte Resist muss daher eine ausreichende Ätzresistenz aufweisen, um auch zum Ende des Ätzvorgangs noch eine ausreichende Schichtdicke aufzuweisen, um die Struktur fehlerfrei in das Substrat übertragen zu können. Dies bereitet jedoch erhebliche Schwierigkeiten. Um eine genaue Abbildung der zu erzeugenden Struktur im Fotolackfilm zu ermöglichen, wird dieser sehr dünn ausgeführt, um eine ausreichende Tiefenschärfe zu gewährleisten. Die aus dem Fotolackfilm erzeugte Struktur weist daher ebenfalls eine sehr geringe Schichtdicke auf. Eine ausreichende Beständigkeit der aus dem Fotolack erzeugten Struktur gegenüber einem Ätzplasma ist daher meist nicht gegeben. Ferner umfassen die Fotolacke als wesentlichen Bestandteil meist organische Polymere. Im Sauerstoffplasma werden diese Polymere sehr leicht zu Kohlendioxid und Wasser oxidiert. Die Maske würde daher sehr schnell abgetragen werden, weshalb eine Übertragung der Struktur in das Substrat nicht erfolgreich durchgeführt werden kann. Um diese Schwierigkeiten zu überwinden, wird mit der aus dem Fotolack erzeugten Maske zunächst eine Maske aus einem Material erzeugt, welches eine hohe Beständigkeit gegenüber dem zum Ätzen des Substrats verwendeten Plasma aufweist. Dazu wird auf dem zu ätzenden Substrat zunächst eine Schicht aus einem Hartmaskenmaterial aufgebracht. Die Dicke dieser Schicht wird relativ groß gewählt, um während des Ätzens des Substrats eine ausreichende Beständigkeit des Hartmaskenmaterials gegenüber dem Ätzplasma zu gewährleisten. Auf die Hartmaskenschicht wird eine Antireflexschicht aufgebracht, beispielsweise durch Sputtern. Auf die Antireflexschicht wird schließlich eine Schicht aus einem Fotolack aufgebracht. Der Fotolackfilm wird nun, wie oben beschrieben, belichtet und entwickelt, so dass ein strukturierter Fotolack erhalten wird. In den Gräben des strukturierten Fotolacks liegt wiederum die Antireflexschicht frei. Mit einem Plasma wird nun zunächst in den Gräben die Antireflexschicht abgetragen und anschließend die Struktur mit einem geeigneten Ätzplasma in die Hartmaskenschicht übertragen. Abschließend wird der strukturierte Fotolack entfernt, beispielsweise durch Ablösen in einem Lösungsmittel. Auf dem Substrat ist nun eine Struktur aus einem Hartmaskenmaterial angeordnet, welche eine im Vergleich zur Ätzresistenz des Fotolackfilms erheblich höhere Beständigkeit gegenüber dem zum Ätzen des Substrats verwendeten Plasma aufweist. Mit einem geeigneten Ätzplasma wird nun das in den Gräben freiliegende Substratmaterial abgetragen und so die durch die Hartmaske vorgegebene Struktur in das Substrat übertragen. Abschließend wird die Hartmaske entfernt, beispielsweise mit einem geeigneten Plasma oder durch Ablösen mit einem geeigneten Lösungsmittel.
Durch die zum Abscheiden und zum Strukturieren der Schicht aus dem Hartmaskenmaterial erforderlichen Plasmaschritte ist die Verwendung einer derartigen Hartmaske zeitaufwändig und teuer. Die Herstellung von Mikrochips steht jedoch unter einem hohen Kostendruck, da relativ rasch nach der Markteinführung eines neuen Mikrochips ein erheblicher Preisverfall einsetzt. Es besteht daher ein beständiger Bedarf nach einer Weiterentwicklung der Herstellungsverfahren um die Herstellung von Mikrochips zu vereinfachen und damit kostengünstiger durchführen zu können.

Im Einzelnen ist aus der DE 198 44 102 C2 ein Herstellverfahren für eine Halbleiterstruktur bekannt. Bei diesem Herstellverfahren wird zunächst auf einem Halbleiterkörper eine Siliziumdioxidschicht abgeschieden. Sodann wird auf diese Siliziumdioxidschicht eine Antireflexschicht aufgebracht. Es schließt sich sodann ein Strukturieren der Siliziumdioxidschicht und der Antireflexschicht zu einer Maske an. Mittels dieser Maske wird der Halbleiterkörper geätzt. Anschließend wird die Antireflexschicht entfernt. Schließlich wird die noch die Siliziumdioxidschicht mittels einer Ätzlösung abgetragen.

Weiterhin beschreibt die US 6,159,863 ein Verfahren zum Herstellen einer Hartmaske auf einem Halbleiterkörper. Bei diesem Verfahren werden zunächst auf die Oberfläche des Halbleiterkörpers eine dielektrische Schicht und eine Metallschicht aufgetragen. Sodann wird eine Schicht aus dem Hartmaskenmaterial abgeschieden. Diese Schicht aus dem Hartmaskenmaterial wird anschließend mittels Fotolackschicht strukturiert, so dass eine Hartmaske entsteht. Diese Hartmaske wird anschließend zum Ätzen der darunter liegenden Metallschicht verwendet.

Schließlich ist aus der US 6,103,630 ein Verfahren zum Herstellen einer Hartmaske bekannt. Bei diesem Verfahren wird ein SF₆-Gas eingesetzt, um das Unterätzen des für die Hartmaske verwendeten Metalles zu verbessern.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Erzeugung von strukturierten Hartmasken zur Verfügung zu stellen welches einfach und kostengünstig durchgeführt werden kann.

Die Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren zur Erzeugung von strukturierten Hartmasken, umfassend die folgenden Schritte:

(a) Bereitstellen eines Substrats;
(b) Aufbringen einer Starterkomponente auf das Substrat, wobei eine Starterschicht erhalten wird;
(c) Aufbringen eines Fotolacks auf die Starterschicht;
(d) Strukturierung des Fotolacks, wodurch ein strukturierter Fotolack mit Stegen und zwischen den Stegen angeordneten Gräben erhalten wird, wobei in den Gräben die Starterschicht freigelegt ist;
(e) Aufbringen eines härtbaren Hartmaskenmaterials auf den strukturierten Fotolack, wodurch in den Gräben ein mit der Starterschicht in Kontakt stehender Hartmaskenanteil erhalten wird;
(f) selektives Aushärten des in den Gräben mit der Starterschicht in Kontakt stehenden Hartmaskenanteils;
(g) Entfernen von nicht ausgehärtetem Hartmaskenmaterial;
(h) Entfernen des strukturierten Fotolacks, so dass eine Hartmaske erhalten wird, in welcher die Stege des strukturierten Fotolacks Gräben bilden.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird die Hartmaske durch eine chemische Reaktion aus dem Hartmaskenmaterial erzeugt, welche in den von dem strukturierten Fotolack vorgegebenen Gräben ausgehärtet wird. Das Hartmaskenmaterial muss härtbar sien, d.h. es muss gezielt in eine Form überführt werden können, die eine hohe Ätzresistenz gegenüber einem Plasma aufweist. Als Starterschicht wird daher eine Schicht aus einer Starterkomponente verwendet, welche eine Aushärtung des Hartmaskenmaterials bewirken kann. Der Aushärtungsvorgang beginnt in den Abschnitten des Hartmaskenmaterials, welche sich unmittelbar an die Starterschicht anschließen, und schreitet dann in diejenigen Bereiche des Hartmaskenmaterials fort, welche weiter von der Starterfläche entfernt angeordnet sind. Dadurch kann die Aushärtung des Hartmaskenmaterials so gesteuert werden, dass das Hartmaskenmaterial selektiv nur in den Gräben des strukturierten Fotolacks ausgehärtet wird. Eine Kontrolle der Aushärtung des Hartmaskenmaterials kann beispielsweise durch die Dauer erreicht werden, während der eine Aushärtung des Hartmaskenmaterials erfolgt. Es kann jedoch auch die Geschwindigkeit der Aushärtung beeinflusst werden, indem beispielsweise die Dosis der Starterkomponente in der Starterschicht an die Reaktionszeit angepasst wird, während der eine Aushärtung des Hartmaskenmaterials erfolgen soll. Ferner kann die Aushärtung des Hartmaskenmaterials zum Beispiel auch über die Temperatur gesteuert werden. Dazu kann das Substrat, im Allgemeinen ein Siliziumwafer, beispielsweise auf eine Hotplate gelegt und von der Substratrückseite erhitzt werden.

Da die Hartmaske in den Gräben des strukturierten Fotolacks durch eine chemische Aushärtung direkt erzeugt wird, entfallen die bei den bisher durchgeführten Verfahren erforderlichen Abscheide- und Ätzschritte, in welchem die vom strukturierten Fotolack vorgegebene Struktur in die Hartmaskenschicht übertragen wird. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst daher im Vergleich zu dem bisher üblichen Verfahren zur Herstellung einer Hartmaske einen Arbeitsschritt weniger und erfordert kein teures und aufwändiges Plasmaabscheiden und Ätzen des Hartmaskenmaterials in einem Plasma. Dadurch kann das erfindungsgemäße Verfahren mit wesentlich einfacheren Vorrichtungen durchgeführt werden, was Kostenvorteile ergibt.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst ein Substrat bereitgestellt. Das Substrat kann an sich beliebig gestaltet sein. Im Allgemeinen wird ein Siliziumwafer als Substrat verwendet, in welchem auch bereits mikroelektronische Bauelemente integriert sein können. Es ist aber auch möglich, Substrate aus anderen Materialien zu verwenden, zum Beispiel Glas oder Polymermaterialien. Auf das Substrat wird die Starterkomponente aufgebracht. Die Starterkomponente wird entsprechend zum Hartmaskenmaterial ausgewählt und muss eine Aushärtung des Hartmaskenmaterials initiieren können. Die Starterkomponente wird vorzugsweise in Lösung aufgebracht. Dabei können übliche Verfahren verwendet werden, beispielsweise Tauchverfahren oder Sprühverfahren. Besonders bevorzugt wird die Lösung der Starterkomponente auf das Substrat aufgeschleudert, da dies eine gleichmäßige Schichtdicke der Starterschicht bei einer definierten Schichtdicke ermöglicht. Die Starterkomponente kann jedoch auch lösungsmittelfrei aufgebracht werden, beispielsweise durch Aufdampfen. Wird die Starterkomponente als Lösung aufgebracht, wird das Lösungsmittel nach dem Auftragen verdampft. Dazu kann das Substrat kurzfristig erwärmt werden, um einerseits das Lösungsmittel vollständig zu verdampfen und andererseits eine gleichmäßige Schichtqualität der Starterschicht zu gewährleisten. Die Temperatur wird dabei so gewählt, dass einerseits das Lösungsmittel möglichst vollständig aus der Starterschicht ausgetrieben wird und andererseits die Starterkomponente nicht thermisch zersetzt wird. Auf die Starterschicht wird anschließend ein Fotolack aufgebracht. Der Fotolack wird vorzugsweise ebenfalls als Lösung aufgebracht, wobei beispielsweise die oben aufgeführten Verfahren angewendet werden können. Als Fotolack wird vorzugsweise ein fotoempfindlicher Lack verwendet, wie er für die Strukturierung von Halbleitern üblich ist und beispielsweise von kommerziellen Herstellern angeboten wird. Es können sowohl negativ arbeitende Fotolacke verwendet werden, wie auch positiv arbeitende Fotolacke. Bevorzugt werden positiv arbeitende Fotolacke verwendet. Besonders bevorzugt werden chemisch verstärkte Fotolacke verwendet, da diese eine hohe Lichtempfindlichkeit aufweisen und somit kürzere Belichtungszeiten ermöglichen. Wird der Fotolack in Lösung aufgebracht, wird das Substrat anschließend erwärmt, um das Lösungsmittel möglichst vollständig zu verdampfen und eine gleichmäßige Schichtqualität des Lackfilms zu erhalten. Das Lösungsmittel des Fotolacks wird dabei so gewählt, dass die Starterschicht möglichst wenig angelöst wird und keine Vermischung von Starterschicht und Lackschicht eintritt.

Der Fotolackfilm wird nun in üblicher Weise strukturiert. Dazu wird der Fotolack zunächst abschnittsweise belichtet, wozu beispielsweise eine Fotomaske, welche die Information über die abzubildende Struktur enthält, im Strahlengang zwischen Lichtquelle und Fotolackfilm angeordnet wird. Der belichtete Fotolack wird anschließend in üblicher Weise getempert und dann mit einem Entwickler entwickelt, so dass selektiv entweder die belichteten Abschnitte (bei Positivlacken) oder die unbelichteten Bereiche (bei Negativlacken) abgelöst werden. Auf der Substratoberfläche sind nun erhabene Bereiche aus dem Material des Fotolacks angeordnet, welche im Weiteren als Stege bezeichnet werden. Zwischen den Stegen sind Gräben angeordnet, in denen die Starterschicht freigelegt ist.

Auf dem strukturierten Fotolack wird nun ein Hartmaskenmaterial aufgebracht. Das Hartmaskenmaterial wird bevorzugt ebenfalls in Lösung aufgebracht, wobei die oben genannten Verfahren angewendet werden können. Bevorzugt wird das Hartmaskenmaterial als Lösung auf die Oberfläche des Substrats aufgeschleudert. Auf diese Weise werden die Gräben des strukturierten Fotolacks mit dem Hartmaskenmaterial aufgefüllt. Wird das Hartmaskenmaterial als Lösung aufgeschleudert, werden die Bedingungen bevorzugt so gewählt, dass ein möglichst geringer Anteil an überschüssigem Hartmaskenmaterial auf der Oberfläche des Substrats verbleibt.

In den Gräben des strukturierten Fotolacks steht das Hartmaskenmaterial nun in Kontakt mit der Starterkomponente, wodurch das Hartmaskenmaterial selektiv in den Gräben ausgehärtet werden kann. Nach dem selektiven Aushärten des Hartmaskenmaterials werden nicht ausgehärtete Anteile des Hartmaskenmaterials entfernt, indem diese beispielsweise mit einem Lösungsmittel abgelöst werden. Abschließend wird das Material des strukturierten Fotolacks entfernt, so dass eine Hartmaske erhalten wird, in welcher die Stege des strukturierten Fotolacks Gräben bilden. Die erhaltene Hartmaske bildet also ein negatives Abbild des strukturierten Fotolacks. Der strukturierte Fotolack wird vorzugsweise mit einem Lösungsmittel entfernt, wobei die Entfernung des nicht ausgehärteten Hartmaskenmaterials und des Materials des strukturierten Fotolacks bevorzugt in einem gemeinsamen Schritt durchgeführt wird. Es ist jedoch auch möglich, das Material des strukturierten Fotolacks mit anderen Verfahren zu entfernen, beispielsweise mit Hilfe eines Sauerstoffplasmas. Sofern ausgehärtetes Hartmaskenmaterial auf der Oberseite des strukturierten Fotolacks verblieben ist, kann dieses vor dem Ablösen des Materials des strukturierten Fotolacks entfernt werden, beispielsweise durch eine mechanische Bearbeitung, wie Schleifen oder Polieren.

Die erhaltene Hartmaske kann direkt einen Bestandteil des herzustellenden Mikrochips bilden und beispielsweise als zwischen Leiterbahnen angeordnetes Dielektrikum wirken. Dazu werden die Gräben der Hartmaske mit einem leitfähigen Material ausgefüllt, beispielsweise Polysilizium oder bevorzugt Kupfer. Die Hartmaske kann jedoch auch als Maske für eine Strukturierung des unter der Hartmaske angeordneten Substrats dienen. Bei dieser Ausführungsform wird die durch die Gräben der Hartmaske vorgegebene Struktur in das Substrat übertragen. Dazu wird vorzugsweise ein geeignetes Plasma verwendet.

Wie bereits einleitend erwähnt, wird unter dem Fotolackfilm im Allgemeinen eine Antireflexschicht angeordnet, durch welche Reflexe im Fotolack vermieden werden sollen. Die Reflexe können sonst zu einer fehlerhaften Abbildung der zu erzeugenden Struktur führen. Dazu wurde bei herkömmlichen Verfahren eine separate Antireflexschicht aufgetragen, welche nach der Strukturierung des Fotolackfilms mit nasschemischen Verfahren oder in einem Plasmaätzschritt in den in den Gräben freiliegenden Abschnitten wieder entfernt werden muss. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Starterschicht als Antireflexschicht ausgebildet. Dies kann beispielsweise erreicht werden, indem die Schichtdicke der Starterschicht entsprechend gewählt wird oder der Starterschicht entsprechende absorbierende Substanzen beigegeben werden. Die Starterschicht kann dann gemeinsam mit den auf ihr angeordneten Stegen des strukturieren Fotolacks abgelöst werden, so dass auch hier eine Vereinfachung des Verfahrens gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren erreicht werden kann.

Die Starterkomponente kann in Substanz die Starterschicht ausbilden. Es kann jedoch auch vorteilhaft sein, die Starterkomponente in einer Matrix zu fixieren. Auf diese Weise kann die Starterkomponente zum Beispiel einfacher auf dem Substrat fixiert werden, oder es kann die Starterschicht durch das Material der Matrix in seinen physikalischen Eigenschaften, beispielsweise in seinen Antireflexeigenschaften, modifiziert werden. Dazu wird die Starterschicht von einer Polymermatrix gebildet, in welcher die Starterkomponente enthalten ist. Die Starterkomponente kann dann beispielsweise aus der Starterschicht in das Hartmaskenmaterial diffundieren oder es kann die Starterkomponente durch äußere Energiezufuhr z.B. durch Erwärmen oder Belichten aktiviert werden und dann an der O berfläche der Starterschicht eine Aushärtung des Hartmaskenmaterials initiieren.

Die Starterkomponente wird in Abhängigkeit vom Hartmaskenmaterial ausgewählt und muss eine Aushärtung des Hartmaskenmaterials initiieren können. Die Starterkomponente kann daher in vielfältiger Weise ausgestaltet sein. Die Starterkomponente kann beispielsweise eine Säure oder eine Base sein und beispielsweise eine anionische oder kationische Polymerisation des Hartmaskenmaterials auslösen. Die Starterkomponente kann jedoch auch ein Radikalstarter sein, welcher beispielsweise durch Bestrahlung oder Erwärmen aktiviert wird und eine radikalische Polymerisation des Hartmaskenmaterials initiiert. Ebenso ist es auch möglich, die Starterkomponente als Oxidationsmittel oder als Reduktionsmittel auszugestalten, welche eine Aushärtung des Hartmaskenmaterials, beispielsweise in einer anionischen oder einer kationischen Polymerisation initiieren.

Bevorzugt ist die Starterkomponente zunächst in einer inerten Form in der Starterschicht enthalten und wird erst durch eine äußere Energiezufuhr in eine aktive Form überführt. Auf diese Weise lässt sich die Prozessführung wesentlich vereinfachen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist dazu die Starterkomponente als fotoaktivierbare Verbindung ausgebildet. Nach der Strukturierung des Fotolacks kann das Substrat dann mit einer geeigneten Wellenlänge belichtet werden, um beispielsweise Säuren oder Basen freizusetzen oder freie Radikale zu erzeugen. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Starterkomponente als thermisch aktivierbare Verbindung ausgebildet. Zum Aushärten des Hartmaskenmaterials wird das Substrat nach dem Auftragen des Hartmaskenmaterials erhitzt, indem es beispielsweise auf eine Hotplate gegeben wird. Als fotoaktivierbare Verbindungen oder thermisch aktivierbare Verbindungen können übliche Verbindungen verwendet werden, wie sie beispielsweise aus der Prozessierung von Fotolacken bekannt sind. Die Starterkomponente wird dabei ge eignet so ausgewählt, dass sie selektiv aktiviert werden kann, also beispielsweise nicht in den zuvor durchgeführten Arbeitsschritten freigesetzt wird.

Eine weitere Möglichkeit, eine Aushärtung des Hartmaskenmaterials zu erreichen, besteht darin, als Starterkomponente ein Material für eine stromlose Galvanik vorzusehen. Dazu enthält die Starterschicht entsprechende Keime. Diese Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist insbesondere dann geeignet, wenn die Hartmaske aus einem metallischen Material aufgebaut ist. Die in der Starterschicht vorgesehenen Keime lösen sich während der Abscheidung der Metallstrukturen auf. Die Starterschicht kann beispielsweise durch die oberste Schicht eines Halbleitersubstrats gebildet werden, in welche als Keime eine Dotierung eingebracht worden ist.

In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Starterschicht als stromleitende Schicht ausgebildet. Die stromleitende Schicht kann dabei entweder als separate Schicht auf dem Substrat abgeschieden sein. Es ist jedoch auch möglich, die Leitfähigkeit des Substrats an der Oberfläche durch eine entsprechende Dotierung zu erhöhen, um so eine stromleitende Schicht auszubilden. Das Halbleitermaterial wird dann in einem galvanischen Prozess auf der Oberfläche der Starterschicht abgeschieden, wobei selektiv nur in den freiliegenden Abschnitten der Starterschicht eine Abscheidung des Materials erfolgt. Diese Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens eignet sich ebenfalls besonders für die Herstellung von Hartmasken aus metallischen Materialien.

Als Hartmaskenmaterial kann an sich jedes Material verwendet werden, das durch eine Starterkomponente in ein Material überführt werden kann, das eine hohe Ätzresistenz gegenüber dem zum Ätzen des Substrats verwendeten Plasma aufweist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens enthält das Hartmaskenmaterial polymerisierbare Monomere oder Oligomere. Durch die Starterkomponente kann dann eine Polymerisation ausgelöst werden, durch welches das Hartmaskenmaterial in eine unlösliche Form überführt wird, welche auf dem Substrat bzw. der Starterschicht haftet. Geeignet sind zum Beispiel monomere oder oligomere ungesättigte Kohlenwasserstoffe, welche einen hohen Anteil an siliziumhaltigen Gruppen aufweisen. Es können jedoch auch andere monomere oder oligomere Verbindungen verwendet werden, welche die geforderten Eigenschaften aufweisen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform enthält das Hartmaskenmaterial eine polymere Vorläuferverbindung. Diese polymere Vorläuferverbindung kann beispielsweise eine zum ausgehärteten Hartmaskenmaterial unterschiedliche Polarität aufweisen. Die polymere Vorläuferverbindung kann dann zunächst in einem geeigneten Lösungsmittel gelöst und auf dem strukturierten Fotolack bzw. in den von diesen ausgebildeten Gräben aufgebracht werden. Nach Verdampfen des Lösungsmittels kann die polymere Vorläuferverbindung durch einen als Starterkomponente wirkenden Katalysator in ein Polymer überführt werden, das eine andere Polarität aufweist und in dem für den Auftrag der polymeren Vorläuferverbindung verwendeten Lösungsmittel nicht mehr löslich ist. Dies kann beispielsweise durch eine Cyclisierungsreaktion erreicht werden, in welcher ein Poly-o-hydroxyamid in ein entsprechendes Carbazol überführt wird. Nach einer kontrollierten selektiven Aushärtung der polymeren Vorläuferverbindung kann überschüssiges Material mit dem zuvor verwendeten Lösungsmittel wieder abgelöst werden, wobei nur die ausgehärteten Abschnitte des Polymers auf dem Substrat verbleiben.

Wie bereits erwähnt, kann die Hartmaske auch aus einem metallischen Material bestehen, das beispielsweise durch ein galvanisches Verfahren erzeugt wird. Das Hartmaskenmaterial enthält dazu ein Metallsalz oder eine Organometallverbindung. Das Metallsalz kann dann zum metallischen Material reduziert werden. Je nach Oxidationsstufe der Organometallverbindung erfolgt die Aushärtung ebenfalls durch eine Reduktion oder, sofern das Metall bereits in der Oxidationsstufe 0 vorliegt, durch eine Zersetzung der Organometallverbindung.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform enthält das Hartmaskenmaterial oberflächenaktivierte metallische, halbmetallische oder nichtmetallische Nanopartikel. Unter oberflächenaktivierten Nanopartikeln werden dabei Nanopartikel verstanden, die auf ihrer Oberfläche funktionelle Gruppen tragen, die löslichkeitsvermittelnd wirken, oder die eine reaktive Gruppe umfassen, die beispielsweise eine Reaktion mit einer weiteren Gruppe eingehen können, um so eine Verknüpfung der Nanopartikel bewirken. Beispiele für geeignete Gruppen sind Hydroxy-, Carboxy-, Amino oder Thiolgruppen oder auch polymerisierbare Doppelbindungen. Diese Gruppen können in geeigneten Molekülen enthalten sein, die über eine weitere Gruppe verfügen, durch welche sie an die Oberfläche des Nanopartikels gebunden werden. Das Nanopartikel wird dazu zunächst in eine reaktive Form überführt, indem es z.B. an der Oberfläche chloriert wird, und dann mit der anzubindenden Verbindung umgesetzt. Unter Abspaltung von Chlorid kann die die funktionellen Gruppe umfassende Verbindung dann beispielsweise über eine Hydroxygruppe oder eine Aminogruppe an der Oberfläche des Nanopartikels fixiert werden. Diese Nanopartikel können dann durch die Starterkomponente ausgefällt oder polymerisiert werden und so eine Hartmaske ausbilden. Die Nanopartikel können dabei auch in eine Polymermatrix eingebunden werden, indem das Hartmaskenmaterial zum Beispiel entsprechende polymerisierbare Monomere enthält.

Der strukturierbare Fotolack, mit welchem die Gräben erzeugt werden, in denen die Starterkomponente freiliegt, unterliegt an sich keinen besonderen Beschränkungen. Es können handelsübliche Fotolacke verwendet werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Fotolack ein fotoempfindlicher Negativlack. In der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herge stellten Hartmaske bilden die belichteten Bereiche dann Gräben aus.

Es ist jedoch auch möglich, als Fotolack einen fotoempfindlichen Positivlack zu verwenden. In diesem Fall bildet die Hartmaske eine negative Struktur aus, das heißt, die belichteten Bereiche des Fotolacks entsprechen in der Hartmaske Stegen. Diese Ausführungsform ist besonders bevorzugt, da zu positiven Fotolacken eine große Erfahrung insbesondere auch für die industrielle Anwendung vorliegt.

Die Erfindung wird anhand eines Beispiels sowie unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert. Dabei zeigt:
1 Arbeitsschritte, die bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren durchlaufen werden;
2 Arbeitsschritte, die beim erfindungsgemäßen Verfahren durchlaufen werden.
1 zeigt ein zu strukturierendes Substrat 1, das beispielsweise aus SiO₂ aufgebaut ist. Auf dem Substrat 1 ist eine Hartmaske 2 angeordnet, die beispielsweise durch Plasma-CVD-Abscheidung auf dem zu strukturierenden Substrat 1 aufgebracht worden ist (CVD = Chemical Vapor Deposition; chemische Gasphasenabscheidung). Das Hartmaskenmaterial kann beispielsweise aus Polysilizium bestehen. Auf die Oberfläche der Hartmaskenschicht 2 wird nun zunächst eine Antireflexschicht 3 aufgebracht, indem beispielsweise eine Lösung eines die Antireflexschicht 3 bildenden Materials auf der Hartmaskenschicht 2 aufgeschleudert wird. Das Lösungsmittel wird durch kurzfristiges Erwärmen entfernt, so dass eine feste Antireflexschicht 3 erhalten wird. Anschließend wird ein Fotolackfilm aufgeschleudert, und durch erneutes Erwärmen das Lösungsmittel aus dem Fotolack entfernt. Der Fotolackfilm wird nun belichtet und anschließend entwickelt, wobei je nach verwende tem Fotolack (positiver oder negativer Fotolack) die belichteten bzw. unbelichteten Bereiche abgelöst werden. Es werden, wie in 1B dargestellt, Stege 4 erhalten, zwischen denen Gräben 5 angeordnet sind. In einem Plasmaätzschritt wird zunächst die am Grund der Gräben 5 freiliegende Antireflexschicht 3 und anschließend die Hartmaskenschicht 2 entfernt. Je nach den verwendeten Materialien kann dazu auch ein Wechsel des Plasmasystems erforderlich sein. Man erhält die in 1C dargestellte Anordnung. Auf dem Substrat 1 sind Stege 4 angeordnet, welche in ihrem obersten Abschnitt aus dem Fotolackmaterial aufgebaut sind, unter welchem eine Schicht aus der Antireflexschicht 3 und der Hartmaskenschicht 2 angeordnet ist. In den Gräben 5 liegt nun das Substrat 1 frei. Das Lackmaterial der Stege 4 sowie der Antireflexschicht 3 wird nun entfernt, indem diese Materialien beispielsweise durch ein geeignetes Lösungsmittel abgelöst werden. Auf dem Substrat 1 bleiben, wie in 1D dargestellt, nur die von der Hartmaskenschicht 2 gebildeten Abschnitte der Stege 4 zurück, welche eine Hartmaske auf dem Substrat 1 ausbilden. Mit einem geeigneten Plasma werden nun die ungeschützten Abschnitte des Substrats 1 anisotrop geätzt, so dass Gräben 6 erhalten werden, welche beidseitig von Stegen 7 begrenzt werden, welche in ihrem oberen Abschnitt vom Material der Hartmaskenschicht 2 und in ihrem unteren Abschnitt aus dem Material des Substrats 1 gebildet werden. Abschließend wird das Hartmaskenmaterial 2 entfernt, beispielsweise nasschemisch oder mit einem geeigneten Plasma, wobei die in 1F dargestellte Anordnung erhalten wird. Die Stege 7 aus dem Substratmaterial 1 entsprechen in ihren Dimensionen den Lackstegen 4, die durch Belichtung in ihren Abmessungen definiert wurden. Die durch die Belichtung des Fotolacks definierte Struktur ist also direkt in die Substratschicht 1 übertragen worden.
2 zeigt den Ablauf bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Zunächst wird auf einem Substrat 1 eine Starterschicht 8 aufgetragen. Dazu wird beispielsweise eine Lösung einer Starterkomponente durch Aufschleudern auf dem Sub strat 1 aufgetragen. Das Substrat 1 wird kurzfristig erwärmt, beispielsweise auf einer Hot Plate, um das Lösungsmittel zu verdampfen und in der Starterschicht 8 vorhandene Unregelmäßigkeiten auszuheilen. Anschließend wird auf die Starterschicht 8 ein Fotolack aufgetragen und wie bei 1 beschrieben strukturiert, so dass Stege 4 und Gräben 5 erhalten werden. In den Gräben 5 liegt die Starterschicht 8 frei. Auf die in 2a dargestellte strukturierte Oberfläche wird nun ein Hartmaskenmaterial 9 aufgebracht, indem beispielsweise eine Lösung des Hartmaskenmaterials aufgeschleudert wird. In den Gräben 5 steht das Hartmaskenmaterial 9 mit der Starterschicht 8 in Kontakt, so dass die in der Starterschicht 8 enthaltene Starterkomponente eine Aushärtung des Hartmaskenmaterials initiieren kann. Durch Wahl der Reaktionsbedingungen, wie Reaktionstemperatur, Reaktionsdauer oder Konzentration der Starterkomponente in der Starterschicht 8 wird die Aushärtung so gesteuert, dass nur ein Abschnitt 10 des Hartmaskenmaterials 9 ausgehärtet wird. Überschüssiges nicht ausgehärtetes Hartmaskenmaterial 9 wird nun mit einem Lösungsmittel weggewaschen, wobei gleichzeitig auch die Stege 4 des Fotolacks abgelöst werden. Auf der Oberfläche der Starterschicht 8 und des Substrats 1 bleiben, wie in 2C dargestellt, lediglich Abschnitte 10 des ausgehärteten Hartmaskenmaterials zurück. Durch anisotropes Ätzen mit einem Plasma kann nun in den zwischen den Abschnitten 10 angeordneten Gräben 11 freiliegendes Material der Starterschicht 8 bzw. des Substrats 1 entfernt werden, so dass Stege 12 erhalten werden, die in ihrem oberen Abschnitt vom ausgehärteten Hartmaskenmaterial 10 und in ihrem unteren Abschnitt im Wesentlichen vom Material des Substrats 1 gebildet werden. Abschließend werden die Abschnitte 10 des ausgehärteten Hartmaskenmaterials und gegebenenfalls Abschnitte der Starterschicht 8 entfernt, beispielsweise durch Ätzen mit einem Plasma oder durch nasschemische Verfahren, so dass die in 2E dargestellte Anordnung erhalten wird. Die Stege 12 bestehen nun aus dem Material des Substrats 1 und bilden ein negatives Abbild der von den Stegen 4 vorgegebenen Struktur. Die in 2A darge stellten Gräben 5 entsprechen in 2E den Stegen 12. So wird aus der mit einem positiven Fotolack erzeugten Struktur 4 ein negatives Abbild 12 erzeugt.
Beispiel:
Auf einem Substrat wird wie bei herkömmlichen Antireflexschichten aus Lösung in einem geeigneten Lösungsmittel, zum Beispiel PGNEA, Butyllactat, Cyclohexanon etc., durch Aufschleudern und anschließendem Temperaturtrockenschritt, welcher beispielsweise bei Temperaturen von 70 bis 280°C für eine Dauer von 40 bis 300 Sekunden durchgeführt wird, eine Starterschicht erzeugt. Die dabei eingestellte Schichtdicke wird entsprechend der optimalen Antireflexwirkung eingestellt. Geeignete Schichtdicken sind zum Beispiel Dicken im Bereich von 10 bis 200 nm. Danach wird ein Fotolack aufgeschleudert und bei vom Hersteller empfohlenen Bedingungen (Temperatur/Zeit) getrocknet. Die genauen Bedingungen zum Trocknen des Fotolacks werden entsprechend den optimalen Abbildungseigenschaften des Fotolacks ausgewählt. Geeignete Temperaturen liegen im Bereich von 90 bis 150°C. Die Trockendauer wird geeignet im Bereich von 30 bis 120 s gewählt. Die Schichtdicke des Fotolacks wird entsprechend der vom Lithografieverfahren bereitgestellten Schärfentiefe sowie der erforderlichen Dicke der Hartmaske gewählt, wobei die Fotolackschichtdicke mindestens der Dicke der zu erzeugenden Hartmaske entspricht. Typische Fotolackschichtdicken liegen im Bereich von 50 bis 2000 nm. Der Fotolack wird je nach Lithografieverfahren mit sichtbarem Licht (λ = 436 nm), nahem UV-Licht (λ = 365 nm), tiefem Ultraviolettlicht (λ = 248 nm bzw. 193 nm), fernem Ultraviolettlicht (λ = 157 nm bzw. 126), EUV-Licht (λ = 13 nm), Röntgenstrahlen, Elektronenstrahl oder Ionenstrahlen durch eine Maske oder durch Direktschreiben belichtet, gegebenenfalls einem Temperaturschritt unterworfen und abschließend in einem geeigneten Medium im Puddle-, Sprüh- oder Tauchverfahren entwickelt. Je nach Verwendung eines Positiv- oder Negativ- Fotolacks werden dabei die belich teten bzw. unbelichteten Bereiche des Fotolacks gelöst und es werden Reliefstrukturen in der Fotolackschicht erhalten. In den Fotolackgräben ist die Starterschicht freigelegt, während mit den Fotolackstegen die Starterschicht abgedeckt ist. Nach der Entwicklung und Spülung kann optional ein Temperaturschritt verwendet werden, der eine abschließende Trocknung des Substrats und – je nach chemischer Wirkungsweise der Starterschicht – eine Aktivierung der Starterschicht gewährleistet. Beispielsweise wird ein Temperaturschritt im Bereich von 90 bis 200°C/30 – 120 s auf der Hot Plate verwendet. Die bisher beschriebenen Verfahrensschritte entsprechen den bekannten Standard-Lithografieverfahren.
Auf dem strukturierten Fotolack wird nun eine Lösung des Hartmaskenmaterials aufgeschleudert, wobei auch andere Verfahren verwendet werden können, beispielsweise Sprüh- oder Tauchverfahren oder ein Behandeln aus der Gasphase. Nach dem Aufschleudern wird das Substrat mit der überstehenden Lösung des Hartmaskenmaterials beispielsweise für 10 bis 180 s (bevorzugt 40 bis 120 s) bei Raumtemperatur stehengelassen. Je nach Art der verwendeten Kombination aus Starterschicht und Hartmaskenmaterial kann es aber auch erforderlich sein, nach dem Aufschleudern einen Temperaturschritt auf einer Hot Plate anzuwenden, zum Beispiel im Bereich von 80 bis 200°C bei einer Zeit von 10 bis 180 s. Während der Reaktionszeit tritt eine Reaktion des Hartmaskenmaterials bzw. des gasförmigen Agens mit der in der Starterschicht enthaltenen Starterkomponente ein und es findet eine kontrollierte Schichtabscheidung statt. Abschließend wird mit einem Lösungsmittel nachgespült und das Substrat anschließend getrocknet. Dabei wird das zum Spülen verwendete Lösungsmittel und die Prozessbedingungen bevorzugt so gewählt, dass während der Spülung nicht nur die überstehende, nicht ausgehärtete Hartmaskenmaterialschicht entfernt wird, sondern gleichzeitig auch die Fotolackstrukturen. Die so erzeugte Hartmaske wird mit üblichen Plasmaätzverfahren in das unterliegende Substrat übertragen, wobei zunächst die Ätzung der Starterschicht, zum Beispiel in einem sauerstoffhaltigen Plasma, und anschließend die Ätzung des Substrats erfolgt. Mit der geeigneten Auswahl von Agentien für das Hartmaskenmaterial lässt sich für die Ätzung des Substrats eine sehr hohe Ätzselektivität verwirklichen, die bisher nur mit der bisher bekannten Hartmaskentechnik verwirklicht werden konnte. Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt dabei in der einfachen Prozessführung, die das Weglassen der teuren und bisher nötigen Einzelprozessschritte der Abscheidung der Hartmaskenschicht sowie der Ätzung der Hartmaskenschicht ermöglicht.

Claims

Verfahren zum Erzeugen strukturierter Hartmasken, umfassend die folgenden Schritte: (a) Bereitstellen eines Substrats; (b) Aufbringen einer Starterkomponente auf das Substrat, wobei eine Starterschicht erhalten wird; (c) Aufbringen eines Fotolacks auf die Starterschicht; (d) Strukturierung des Fotolacks, wodurch ein strukturierter Fotolack mit Stegen und zwischen den Stegen angeordneten Gräben erhalten wird, wobei in den Gräben die Starterschicht freigelegt ist; (e) Aufbringen eines Hartmaskenmaterials auf dem strukturierten Fotolack, wodurch in den Gräben ein mit der Starterschicht in Kontakt stehender Hartmaskenanteil erhalten wird; (f) selektives Aushärten des in den Gräben mit der Starterschicht in Kontakt stehenden Hartmaskenanteils; (g) Entfernen von nicht ausgehärtetem Hartmaskenmaterial; (h) Entfernen des strukturierten Fotolacks, so dass eine Hartmaske erhalten wird, in welcher die Stege des strukturierten Fotolacks Gräben entsprechen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die durch die Gräben der Hartmaske vorliegende Struktur in das Substrat übertragen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Hartmaskenmaterial in Lösung auf den strukturierten Fotolack aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Starterschicht als Antireflexschicht ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Starterschicht von einer Polymermatrix gebildet wird, in welcher die Starterkomponente enthalten ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Starterkomponente eine Säure, eine Base, ein Radikalstarter, ein Oxidationsmittel oder ein Reduktionsmittel verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Starterkomponente als fotoaktivierbare Verbindung ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, wobei die Starterkomponente als thermisch aktivierbare Verbindung ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Starterschicht mit Keimen für eine stromlose Galvanik versehen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Starterschicht als stromleitende Schicht ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Hartmaskenmaterial polymerisierbare Monomere oder Oligomere enthält und die polymerisierbaren Monomeren und/oder Oligomeren zum Aushärten polymerisiert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Hartmaskenmaterial eine polymere Vorläuferverbindung enthält, die in einem bestimmten Lösungsmittel löslich ist, und die polymere Vorläuferverbindung zum Aushärten in ein Polymer umgewandelt wird, das in dem bestimmten Lösungsmittel nicht mehr löslich ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Hartmaskenmaterial mit einem Metallsalz oder einer Organometallverbindung versehen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Hartmaskenmaterial mit oberflächenaktivierten metallischen, halbmetallischen oder nichtmetallischen Nanopartikeln versehen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Fotolack ein fotoempfindlicher Negativlack verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 14, wobei als Fotolack ein fotoempfindlicher Positivlack verwendet wird.