DE10339988B4 - Verfahren zur Herstellung einer antireflektierenden Schicht - Google Patents
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Abstract
Verfahren
zur Herstellung einer antireflektierenden Schicht, wobei das Verfahren
umfasst:
Bilden einer zu strukturierenden Materialschicht (204) über einem Substrat (201);
Bilden einer amorphen Kohlenstoffschicht (205) mit einer ersten Dicke über der Materialschicht (204);
Bilden einer Siliziumdioxidschicht (206) mit einer zweiten Dicke (206b) im Bereich von 5 bis 50 nm bei einer Temperatur von 370°C oder weniger durch plasmaunterstützte chemische Dampfabscheidung mit TEOS als Vorstufenmaterial auf der amorphen Kohlenstoffschicht (205),
wobei die erste und die zweite Dicke so gewählt werden, dass eine Reflektivität bei einer spezifizierten Belichtungswellenlänge erzeugt wird, die 2% oder weniger beträgt.
Bilden einer zu strukturierenden Materialschicht (204) über einem Substrat (201);
Bilden einer amorphen Kohlenstoffschicht (205) mit einer ersten Dicke über der Materialschicht (204);
Bilden einer Siliziumdioxidschicht (206) mit einer zweiten Dicke (206b) im Bereich von 5 bis 50 nm bei einer Temperatur von 370°C oder weniger durch plasmaunterstützte chemische Dampfabscheidung mit TEOS als Vorstufenmaterial auf der amorphen Kohlenstoffschicht (205),
wobei die erste und die zweite Dicke so gewählt werden, dass eine Reflektivität bei einer spezifizierten Belichtungswellenlänge erzeugt wird, die 2% oder weniger beträgt.
Description
- GEBIET DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
- Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen die Herstellung integrierter Schaltungen und betrifft insbesondere die Herstellung kleiner Schaltungselemente, etwa einer Gateelektrode eines Feldeffekttransistors, auf einem Substrat mittels moderner Schrumpfätzverfahren, die fortgeschrittene Maskentechniken erfordern, wobei die Abmessungen der Schaltungselemente deutlich kleiner als das Auflösungsvermögen der beteiligten lithographischen Technik sind.
- BESCHREIBUNG DES STANDS DER TECHNIK
- Die Tendenz vergangener Jahre, die Strukturgrößen von Schaltungselementen in integrierten Schaltungen ständig zu reduzieren, wird sich auch in der nahen Zukunft fortsetzen, wobei reproduzierbare und stabile Prozesse zu entwickeln sind, die die Herstellung einer großen Anzahl integrierter Schaltungen in einer kosteneffizienten Weise ermöglichen. Gegenwärtig enthalten modernste integrierte Schaltungen, die als Massenprodukte verfügbar sind, Elemente mit Abmessungen, die deutlich unterhalb des optischen Auflösungsvermögens der Lithographievorrichtung liegen, die zum Übertragen eines Musters von einer Maske in eine auf einem Substrat gebildete Materialschicht verwendet wird. Minimale Abmessungen von Schaltungselementen betragen gegenwärtig 100 nm und weniger, wobei die Wellenlänge der zur optischen Übertragung von Mustern von der Maske auf die Substratoberfläche verwendeten Strahlung im tiefen ultravioletten Bereich, beispielsweise bei 248 nm und in jüngst entwickelten Techniken bei ungefähr 193 nm liegt. In diesem Wellenlängenbereich ist die Absorption der optisch durchlässigen Elemente, etwa der Linsen, beträchtlich und steigt bei einer weiteren Reduzierung der Wellenlänge deutlich an. Daher ist ein bloßes Verringern der Wellenlänge der Lichtquelle für Lithographievorrichtungen nicht eine naheliegende Entwicklung und kann nicht in einfacher Weise in die Massenproduktion von Schaltungselementen mit Strukturgrößen von 50 nm und darunter implementiert werden. Daher sind moderne Schrumpfprozesse erforderlich, um die endgültig gewünschte Abmessung aus der minimalen Abmessung zu gewinnen, die mit Lackstrukturelementen mittels Lithographie erreicht werden können.
- Daher ist das Gesamtauflösungsvermögen für das zuverlässige Übertragen von Schaltungsmustern von einer Maske auf ein Substrat einerseits durch die intrinsische optische Auflösung der photolithographischen Vorrichtung, die Eigenschaften der in dem photolithographischen Strukturierungsvorgang beteiligten Materialien, etwa dem Photolack und antireflektierenden Beschichtungen (ARC), die vorgesehen sind, um die nachteilige Streuung und die Wirkungen der stehenden Wellen in dem Photolack zu minimieren, und zum anderen durch Abscheide- und Ätzverfahren, die bei der Herstellung der Lackschicht und der ARC-Schicht und beim Ätzen dieser Schichten nach der Belichtung beteiligt sind, bestimmt. Insbesondere das äußerst nicht lineare Verhalten des Photolacks ermöglicht es in Kombination mit modernen ARC-Schichten und Lithographiemaskentechniken, Lackmuster herzustellen mit Abmessungen, die deutlich unterhalb des intrinsischen optischen Auflösungsvermögens der Photolithographievorrichtung liegen. Ferner wird ein weiterer der Lithographie nachgeschalteter Schrumpfätzprozess angewendet, um die Strukturgröße des Lackmusters weiter zu reduzieren, das als eine Ätzmaske in nachfolgenden anistropen Ätzschritten zum Übertragen des Lackmusters in die darunter liegende Materialschicht dient. Somit ermöglicht es dieser Lackschrumpfprozess, die kritische Abmessung der Gateelektrode auf eine Größe zu reduzieren, die deutlich unterhalb der Wellenlänge der Photolithographie liegt.
- Es ist jedoch von höchster Bedeutung, den Lackschrumpfprozess präzise zu steuern, um somit eine genau definierte Maske für den nachfolgenden anisotropen Ätzprozess zur Strukturierung des Gateschichtstapels zu bilden, da eine Variation der Gatelänge sich unmittelbar als eine entsprechende Variation der Arbeitsgeschwindigkeit des fertiggestellten Bauteils auswirkt. Da die ständige Reduzierung der Bauteile es erfordert, das Konzept des Lackschrumpfens immer weiter auszudehnen, um die gewünschte reduzierte kritische Abmessung für eine gegebene Belichtungswellenlänge zu erreichen, muss die Photolackschichtdicke dem erhöhten Lackmaterialabtrag während des Schrumpfprozesses angepasst werden, wodurch die optischen Eigenschaften des Schichtstapels, der sich aus dem Lack und der darunter liegenden antireflektierenden Beschichtung (ARC) zusammensetzt, deutlich beeinträchtigt wird. Insbesondere die Reflektivität der unten liegenden ARC-Schicht beeinflusst deutlich die Linienbreite nach der Lithographie und ruft Schwankungen hervor, die nicht in effizienter Weise durch den nachfolgenden Schrumpfprozess innerhalb der eng gesteckten Prozesstoleranzen, die durch die Entwurfsregeln vorgegeben sind, kompensiert werden kann.
- Aus diesem Grunde wurde in jüngerer Vergangenheit eine Prozesstechnik entwickelt, die die Bildung einer amorphen Kohlenstoffschicht in Kombination mit einer dielektrischen Deckschicht als eine unten liegende ARC vorschlägt, wodurch eine deutlich verbesserte Steuerung der Reflektivität gegeben ist. Ferner kann der Kohlenstoff/Deck-Schichtstapel in einfacher Weise entsprechend dem geschrumpften Lackstrukturelement mit einer reduzierten Photolackdicke strukturiert werden, wodurch ein massives Maskenelement bzw. ein Hartmaskenelement in dem Kohlenstoff/Deck-Schichtstapel gebildet wird, das zum Ätzen der Polysiliziumschicht dient.
- Mit Bezug zu den
1a bis1c wird nunmehr ein typischer konventioneller Prozessablauf zur Herstellung einer Gateelektrode eines Feldeffekttransistors auf der Grundlage eines Kohlenstoff/Deck-Schichtstapels detaillierter beschrieben. -
1a zeigt schematisch eine Querschnittsansicht eines Halbleiterbauteils100 vor dem Strukturieren einer Materialschicht auf der Grundlage modernster Photolithographie unter Anwendung einer Wellenlänge von 248 nm oder 193 nm und auf der Grundlage eines modernen Ätzprozesses mittels einer Hartmaske, die wiederum mittels einem Photolackmaskenstrukturelement strukturiert ist, das durch einen entsprechenden Lackschrumpfprozess geschrumpft wird. - Das Halbleiterbauelement
100 umfasst ein Substrat101 , beispielsweise ein Siliziumsubstrat oder SOI (Silizium auf Isolator) Substart mit einer darauf ausgebildeten Materialschicht, die zu strukturieren ist, etwa einem Gateschichtstapel102 mit einer Gateisolationsschicht103 und einer Polysiliziumschicht104 . Eine amorphe Kohlenstoffschicht105 ist auf der Polysiliziumschicht104 ausgebildet, gefolgt von einer Deckschicht106 , die konventioneller Weise aus Siliziumdioxid, Siliziumoxynitrid, stickstofffreien dielektrischen Schichten und dergleichen, aufgebaut ist, wobei Siliziumoxynitrid verwendet werden kann auf Grund der Eigenschaft, die optischen Eigenschaften davon durch Variieren des Sauerstoff/Stickstoffverhältnisses einstellen zu können. Die amorphe Kohlenstoffschicht105 und die Deckschicht106 sind so gestaltet, dass diese in Kombination als eine effiziente antireflektierende Beschichtung für die spezifizierte Belichtungswellenlänge und für die Art des verwendeten Photolacks dienen. Wie zuvor erläutert ist, kann die Reflektivität einer antireflektierenden Beschichtung während der Strukturierung einer Polysiliziumschicht die Genauigkeit des Lackschrumpfprozesses merklich beeinflussen, wodurch auch die schließlich erhaltene Gatelänge des Polysiliziumstrukturelements beeinflusst wird. Für eine Gatelänge von 50 nm oder weniger ist eine Abweichung von weniger als 1 nm erforderlich, um die Bauteilspezifikation zu erfüllen. Somit ist ein hohes Maß an Gleichförmigkeit der Reflektivität, die von der durch die Schichten106 und105 gebildeten antireflektierenden Beschichtung über das gesamte Substrat101 hinweg sowie von Substrat zu Substrat geliefert wird, erforderlich, um die Schwankungen der Größe eines Photolackmaskenstrukturelements107 mit einer anfänglichen lateralen Größe108 und einer anfänglichen Höhe109 zu reduzieren. - Ein typischer Prozessablauf zur Herstellung des Halbleiterbauelements
100 , wie es in1a dargestellt ist, kann die folgenden Prozesse umfassen. Zunächst wird der Gateschichtstapel102 gebildet, wobei die Gateisolationsschicht103 mittels fortschrittlicher Oxidations- und/oder Abscheideprozesse gebildet wird, um die erforderliche Dicke und Materialzusammensetzung für ein Gatedielektrikum zu erhalten. Nachfolgend wird die Polysiliziumschicht104 mittels chemischer Dampfabscheidung bei geringem Druck (LPCVD) entsprechend gut etablierter Prozessrezepte abgeschieden. Danach wird die amorphe Kohlenstoffschicht105 mittels plasmaunterstützer CVD aus geeigneten Vorstufenmaterialien abgeschieden, wobei eine Dicke der Schicht105 in Hinblick auf ihre optischen Eigenschaften sowie in Hinblick auf ihre Ätzselektivität während eines nachfolgenden anisotropen Ätzprozesses zum Strukturieren der Polysiliziumschicht104 eingestellt wird. Als nächstes wird die Deckschicht106 , die beispielsweise Siliziumoxynitrid aufweist, durch PECVD abgeschieden, wobei die Dicke und die Materialzusammensetzung der Deckschicht106 so gewählt werden, um die erforderliche Phasenverschiebung der spezifizierten Belichtungswellenlänge zu bewerkstelligen, wodurch in Verbindung mit der amorphen Kohlenstoffschicht105 die Rückreflexion der belichtenden Strahlung während der lithographischen Belichtung reduziert werden. Danach wird eine Schicht Photolack abgeschieden, dessen Eigenschaften an die spezifizierte Belichtungswellenlänge, die während der Lithographie verwendet wird, angepasst sind, wobei eine Dicke der Lackschicht im Wesentlichen der anfänglichen Höhe109 des Lackmaskenstrukturelements107 entspricht mit Ausnahme eines gewissen Maßes an Schrumpfung während etwaiger der Belichtung vor und nachgeschalteter Ausbackprozesse. Um ein hohes Auflösungsvermögens des Lithographieprozesses in Hinblick auf eine gegebene Fokustiefe zu erreichen, ist es notwendig, die Lackschicht mit einer Dicke von ungefähr 100 bis 300 nm – abhängig von der angewendeten Belichtungswellenlänge – vorzusehen. Die Größenreduzierung des Lackmaskenstrukturelements107A , das in gestrichelten Linien dargestellt ist, nach der Belichtung und Entwicklung der Lackschicht von einer anfänglichen lateralen Größe108 auf eine gewünschte endgültige laterale Größe108A ist jedoch auch mit einer entsprechenden Reduzierung der anfänglichen Höhe109 auf eine endgültige Höhe109A begleitet. Die endgültige Höhe109A kann unter Umständen nicht ausreichend sein, um als eine Ätzmaske zur Strukturierung der Polysiliziumschicht104 direkt zu dienen, was einen typischen Prozessablauf für Halbleiterbauelemente darstellt, die eine Gatelänge in der Größenordnung von ungefähr 80 bis 100 nm erfordern. Aus diesem Grunde ist die amorphe Kohlenstoffschicht105 vorgesehen und kann in einfacher Weise durch eine reaktive Ionenätzung strukturiert werden, wobei die endgültige Höhe109A des Lackmaskenstrukturelements107 nach der Durchführung eines Lackschrumpfprozesses, das zu dem größenreduzierten Lackmaskenstrukturelement107A führt, ausreichend ist, um eine zuverlässige Strukturierung der amorphen Kohlenstoffschicht105 und der Deckschicht106 zu ermöglichen. Die Deckschicht106 ist notwendig, um im Wesentlichen einen direkten Kontakt der Lackschicht mit der darunter liegenden amorphen Kohlenstoffschicht105 zu vermeiden, woraus ansonsten sich eine Lackvergiftung und eine erhöhte Defektrate des schließlich erhaltenen Polysiliziumstrukturelements ergeben könnte. Der Grund kann in einer chemischen Reaktion zwischen dem Kohlenstoff und dem Photolack an der entsprechenden Grenzfläche sein, wobei möglicherweise die optischen Eigenschaften des Photolacks geändert und damit unzureichend entwickelte Lackbereiche hervorgerufen werden, die dann in die Polysiliziumleitung104 abgebildet werden könnten. -
1b zeigt schematisch das Halbleiterbauelement100 nach Beendigung des Lackschrumpfprozesses und der nachfolgenden reaktiven Ionenätzung, um mittels dem größenreduzierten Lackmaskenstrukturelement107A eine Hartmaske zu bilden, die aus dem Rest105A der Kohlenstoffschicht105 und dem Rest106A der Deckschicht106 aufgebaut ist. Danach wird das größenreduzierte Lackmaskenstrukturelement107A vor dem anisotropen Ätzen der Polysiliziumschicht104 entfernt, wobei der Rest der dünnen Deckschicht106A ebenfalls aufgebraucht wird, während der amorphe Kohlenstoffschichtrest105A für die erforderliche Ätzselektivität sorgt und das Übertragen der lateralen Abmessung108A in die Polysiliziumschicht104 ermöglicht. -
1c zeigt schematisch das Halbleiterbauelement100 nach Beendigung des anisotropen Ätzprozesses, wodurch ein Polysiliziumstrukturelement104A gebildet wird, das im Wesentlichen die laterale Größe108A aufweist. Obwohl der oben dargestellte Prozessablauf die Herstellung von Polysiliziumstrukturelemente104A ermöglicht, die eine laterale Größe108A von 50 nm und weniger aufweisen, stellt sich heraus, dass eine moderat hohe Defektrate der Polysiliziumstrukturelemente104A beobachtet wird. Entsprechend ausgeführte Untersuchungen scheinen anzudeuten, dass die Defektrate mit der Art der Deckschicht106 , die zum Definieren der Harzmaske105A verwendet wird, korreliert ist. Beispielsweise zeigt eine Deckschicht106 , die Siliziumoxynitrid aufweist, eine beträchtliche Defektrate, wodurch sich der Herstellungsprozess als unzuverlässig erweist, während das Vorsehen einer Deckschicht106 in Form einer Siliziumdioxidschicht die Möglichkeit birgt, die Defektrate zu reduzieren, wobei ein entsprechender konventioneller Abscheideprozess jedoch nicht in zuverlässiger Weise in Übereinstimmung mit gegenwärtig verfügbaren Prozessrezepten steuerbar ist. - Angesichts der zuvor erkannten Probleme besteht daher ein Bedarf für einen verbesserten Prozess zur Herstellung einer Deckschicht zum Strukturieren von Polysiliziumstrukturelementen mittels einer Kohlenstoffhartmaske, wobei eine Defektrate reduziert und die Prozesszuverlässigkeit verbessert ist.
-
JP 08148569A -
US 6,028,014 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bildung einer Siliziumdioxidschicht auf Halbleitern unter Verwendung eines Sauerstoffplasmas und TEOS. -
US 6,066,577 beschreibt ein Verfahren zur Verbesserung des Widerstandes eines Metalls gegen Korrosion, wenn es Fluor ausgesetzt ist. Dies wird erreicht durch eine Siliziumdioxidbarrierenschicht zwischen dem Isolatormaterial und dem Metall. -
US 5,681,425 beschreibt eine TEOS-Plasmaschutztechnologie, worin das TEOS-Plasma die Oberfläche einer Oxidschicht schützt. -
US 5,998,100 beschreibt ein Herstellungsverfahren, das eine Mehrfachschicht als Antireflexionsschicht verwendet. Die Antireflexionsschicht wird als Oxid/Kohlenstoffkomplexschicht mit dazwischenliegender Siliziumnitridtrennschicht ausgebildet. -
US 5,462,898 beschreibt Verfahren zur Passivierung von Siliziumvorrichtungen bei niedrigen Temperaturen, um eine niedrige Schnittstellenzustandsdichte und eine niedrige Rekombinationsgeschwindigkeit zu erreichen, während die Trägerlebenszeit erhalten bleibt. Es wird offenbart, wie Siliziumoxidschichten bei 250°C abgeschieden werden. -
US 2001/0045655A1 offenbart eine Halbleitervorrichtung und dessen Herstellung, worin amorphe Kohlenstoffschichten und Siliziumoxidschichten verwendet werden. -
US 2002/0086509A1 beschreibt die Herstellung einer Kontaktfläche auf einer Halbleitervorrichtung. - Die Offenlegungsschrift
DE 43 20 033 A1 offenbart ein Verfahren zur Bildung eines Metallmusters bei der Herstellung einer Halbleitereinrichtung. Zur Strukturierung der Halbleitereinrichtung wird eine poröse Antireflektionsschicht verwendet. - ÜBERBLICK OBER DIE ERFINDUNG
- Im Allgemeinen richtet sich die vorliegende Erfindung an ein Verfahren zur Herstellung einer Siliziumdioxiddeckschicht auf einer amorphen Kohlenstoffhartmaskenschicht zum Strukturieren eines Polysiliziumstrukturelements. Ohne die vorliegende Erfindung auf die folgende Erläuterung einschränken zu wollen, wird angenommen, dass das Vorsehen einer Siliziumdioxidschicht, die mittels plasmaunterstützter chemischer Dampfabscheidung bei Temperaturen von 370°C und weniger gebildet wird, die Defektrate der schließlich erhaltenen Polysiliziumstrukturelemente deutlich reduzieren kann. Basierend auf dieser Erkenntnis ist der plasmaunterstüzte CVD-Prozess zur Herstellung einer Siliziumdioxidschicht so gestaltet, um eine zuverlässige Steuerung einer Dicke der Siliziumdioxidschicht innerhalb eines Bereiches von 5 bis 50 nm zu ermöglichen, wie dies zur Bereitstellung der gewünschten optischen Eigenschaften in Kombination mit der darunter liegenden amorphen Kohlenstoffschicht erforderlich ist. Da typischerweise ein plasmaunterstütztes CVD-Prozess auf Basis von TEOS eine erhöhte Abscheiderate bei geringeren Temperaturen zeigt, die erfindungsgemäß zur Reduzierung der Defektrate erforderlich sind, wird in einigen Ausführungsformen der Abscheideprozess so gesteuert, um eine reduzierte Abscheiderate hervorzurufen, um damit eine zuverlässige Steuerung der Schichtdicke zu ermöglichen, wodurch die geforderten optischen Eigenschaften des Siliziumdioxid/amorphen Kohlenstoffschicht-Stapels sichergestellt sind.
- Entsprechend diesen Prinzipien wird ein erfinderisches Verfahren gemäß Anspruch 1 bereitgestellt.
- KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
- Weitere Vorteile, Aufgaben und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den angefügten Patentansprüchen definiert und gehen deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung hervor, wenn diese mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen studiert wird; es zeigen:
-
1a bis1c schematisch Querschnittsansichten eines Halbleiterbauelements während diverser Herstellungsstadien zur Bildung eines Polysiliziumlinienelements mittels einer amorphen Kohlenstoffhartmaske gemäß einem konventionellen Prozessablauf; und -
2a bis2e schematisch Querschnittsansichten einer Halbleiterstruktur während diverser Herstellungsphasen zum Strukturieren einer Polysiliziumschicht mittels einer Kohlenstoffhartmaske unter Verwendung einer Siliziumdioxiddeckschicht, die bei geringer Temperatur gebildet ist, gemäß anschaulicher Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. - DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
- Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug zu den Ausführungsformen beschrieben ist, wie sie in der folgenden detaillierten Beschreibung sowie in den Zeichnungen dargestellt sind, sollte es selbstverständlich sein, dass die folgende detaillierte Beschreibung sowie die Zeichnungen nicht beabsichtigen, die vorliegende Erfindung auf die speziellen offenbarten anschaulichen Ausführungsformen einzuschränken, sondern die beschriebenen anschaulichen Ausführungsformen stellen lediglich beispielhaft die diversen Aspekte der vorliegenden Erfindung dar, deren Schutzbereich durch die angefügten Patentansprüche definiert ist.
- Mit Bezug zu den
2a bis2c werden nunmehr weitere anschauliche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung detaillierter beschrieben. - In
2a umfasst eine Halbleiterstruktur200 ein Substrat201 , beispielsweise ein Siliziumsubstrat, ein SOI (Silizium auf Isolator) Substrat oder ein anderes geeignetes Substrat mit einer darauf ausgebildeten Halbleiterschicht, die zur Herstellung für Schaltungselemente geeignet ist. Eine Materialschicht204 , die gemäß spezifizierter Entwurfsregeln zu strukturieren ist, ist über dem Substrat201 gebildet, wobei die Materialschicht204 ein Teil eines Schichtstapels202 sein kann. Beispielsweise kann der Schichtstapel202 einen Gateschichtstapel mit einer Gateisolationsschicht203 und der Materialschicht204 in Form einer Polysiliziumschicht repräsentieren. Der Schichtstapel202 kann jedoch beliebige andere geeignete Materialschichten aufweisen, die für die Herstellung von Schaltungselementen gegenwärtiger und zukünftiger Bauteilgenerationen erforderlich sind. Eine Kohlenstoffschicht205 , die im Wesentlichen aus amorphen Kohlenstoff aufgebaut ist, ist über dem Schichtstapel202 angeordnet, wobei eine Dicke der Kohlenstoffschicht205 in Hinblick auf eine Ätzselektivität zu der darunter liegenden Materialschicht204 gewählt wird, die in einem nachfolgenden anisotropen Ätzprozess zur Herstellung von Schaltungselementen zu strukturieren ist, etwa von Gateelektroden für modernste Feldeffekttransistoren mit einer Gatelänge von weniger als 80 nm und insbesondere von weniger als 50 nm. Beispielsweise kann der betrachtete anisotrope Ätzprozess eine Ätzselektivität der Kohlenstoffschicht205 zu der Polysiliziumschicht204 von ungefähr 1:10 oder weniger definieren, so dass eine Dicke der Kohlenstoffschicht205 zu ungefähr 30 bis 50% der Dicke der Polysiliziumschicht204 gewählt wird, um eine ausreichende Sicherheitsgrenze zu gewährleisten. - Ein typischer Prozessablauf zur Herstellung der Halbleiterstruktur
200 , wie sie in2a gezeigt ist, kann Prozesse enthalten, wie sie zuvor mit Bezug zu1a beschrieben sind, und daher wird eine detaillierte Beschreibung davon hier weggelassen. Es sollte jedoch in diesem Zusammenhang angemerkt werden, dass die Kohlenstoffschicht205 durch plasmaunterstützte CVD mit einer geeigneten Abscheideanlage hergestellt werden kann. Beispielsweise kann in einer Ausführungsform die Kohlenstoffschicht205 mit einer Abscheideanlage gebildet werden, die von Applied Materials unter dem Handelsnamen Producer oder DXZ erhältlich ist. -
2b zeigt schematisch die Halbleiterstruktur200 in einem fortgeschrittenen Herstellungsstadium. Die Halbleiterstruktur200 ist der Einwirkung einer Gasumgebung220 ausgesetzt, die in der gleichen Abscheideanlage erzeugt werden kann, die zuvor für die Herstellung der Kohlenstoffschicht205 verwendet wurde, oder es kann eine andere geeignete Abscheideanlage verwendet werden. In Hinblick auf die Anlagenausnutzung und den Durchsatz kann in einer speziellen Ausführungsform die oben spezifizierte Abscheideanlage von Applied Materials eingesetzt werden. Die gasförmige Umgebung220 kann durch einen spezifizierten Druck im Bereich von ungefähr 600 Pa bis 867 Pa (4.5 Torr bis 6.5 Torr), beispielsweise ungefähr 733 Pa (5.5 Torr) definiert sein. Ferner kann ein inertes Trägergas, etwa Helium, und eine reaktive Komponente, etwa Sauerstoff, der gasförmigen Umgebung220 zugeführt werden, um eine geeignete Gasmischung und Konzentration über der Kohlenstoffschicht205 bereitzustellen. In einer speziellen Ausführungsform werden das Trägergas und der Sauerstoff mit im Wesentlichen ähnlichen Durchflussraten zugeführt, wobei der Wert – abhängig von den Gegebenheiten der Abscheideanlage – im Bereich von 2500 sccm bis 3500 sccm, beispielsweise bei ungefähr 3000 sccm liegen kann. Gleichzeitig wird flüssiges TEOS (Tetraethyl-Ortho-Silikat) mittels eines entsprechenden Flüssigkeitsinjektionssystems zugeführt, wie es typischerweise in konventionellen PECVD-Anlagen enthalten ist. Eine typische Zufuhrrate des TEOS kann im Bereich liegen – abhängig von den geometrischen Eigenheiten der Abscheideanlage – von ungefähr 400 mg/Minute bis 600 mg/Minute, beispielsweise ungefähr 500 mg/Minute. Während der Einwirkung der gasförmigen Umgebung220 auf die Halbleiterstruktur200 wird das Substrat201 auf einer im Wesentlichen konstanten Temperatur gehalten, die gleich oder kleiner als 370°C ist, und in einer speziellen Ausführungsform kann das Substrat301 auf einer Temperatur von ungefähr 280°C bis 330° gehalten werden; z. B. kann das Substrat201 auf ungefähr 300° gehalten werden. Die gasförmige Umgebung220 wird so erzeugt, um die Halbleiterstruktur200 für eine nachfolgende Siliziumdioxidabscheidung bei geringer Temperatur „vorzubereiten", in der die Abscheiderate ausreichend reduziert ist, um die Steuerung der Dicke und damit der optischen Eigenschaften der schließlich erhaltenen Siliziumdioxidschicht zu ermöglichen. - In speziellen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann der Erzeugung der gasförmigen Umgebung
220 ein oder mehrere Stabilisierungsschritte vorausgehen, um das Substrat201 auf die gewünschte Temperatur zu bringen, ohne dass ein deutlicher Gasdurchfluss vorhanden ist, oder ohne Pumpen zum Reduzieren des Umgebungsdruckes, der um das Substrat201 herum vorherrscht. Ferner kann der Abstand des Substrats201 in Bezug auf einen Sprühkopf, der Trägergase und reaktive Gase während der Abscheidung liefert, auf einen gewünschten Wert, wie er während des eigentlichen Abscheideschrittes benutzt wird, eingestellt werden. Des weiteren kann dann ein Trägergas, etwa Helium, eingeführt werden und nachfolgend kann ebenso Sauerstoff der gasförmigen Umgebung zugeführt werden, während der Druck auf einen Bereich von ungefähr weniger als 10 Torr eingestellt wird, aber dennoch deutlich höher als der Druck während des eigentlichen Abscheideschritts. - In einem weiteren Stabilisierungsschritt kann der Druck auf den eigentlichen Abscheidedruck abgesenkt werden, während eine erhöhte Menge an flüssigem TEOS, beispielsweise im Bereich von ungefähr 700 mg/Minute (mg/m), der gasförmigen Umgebung
220 zugeführt wird, um die Oberfläche des Substrats201 und die gasförmige Umgebung220 mit gasförmigen TEOS zu „fluten". Anschließend kann ein Anpassungsschritt so ausgeführt werden, um die TEOS-Zufuhrrate auf die eigentliche Zufuhrrate während der Abscheidung einzustellen, wie sie oben spezifiziert ist, um damit die Umgebung220 für eine geeignet geringe Siliziumdioxidabscheiderate „vorzubereiten". -
2c zeigt schematisch die Halbleiterstruktur200 während der eigentlichen Abscheidung des Siliziumdioxids. Dazu wird eine Plasmaatmosphäre220A erzeugt, indem eine entsprechende Plasmaanregungseinrichtung (nicht gezeigt), wie sie typischerweise in konventionellen PECVD-Anlagen vorgesehen ist, eingeschaltet wird. Während der Abscheidung werden die Parameter der gasförmigen Umgebung220 , wie sie mit Bezug zu2b beschrieben sind, im Wesentlichen konstant gehalten, wobei eine Abscheiderate im Bereich von ungefähr 200 nm bis 400 nm/Minute erreicht wird. Somit ist die Abscheiderate ausreichend hoch, um einen vernünftigen Durchsatz sicherzustellen, während andererseits eine Steuerung der Dicke206b einer Siliziumdioxidschicht206 , die auf der Kohlenstoffschicht205 gebildet ist, erreicht wird, indem die Abscheidezeit geeignet ausgewählt wird. - Die Abscheidezeit wird so gewählt, dass die Dicke
206B im Bereich von ungefähr 5 nm bis 50 nm erhalten wird, und in anderen speziellen Ausführungsformen von ungefähr 8 nm bis 40 nm innerhalb von ungefähr 3 bis 10 Sekunden. Wie zuvor erläutert ist, können die optischen Eigenschaften der Siliziumdioxidschicht206 durch Steuern der Dicke206B so eingestellt werden, dass in Kombination mit der Kohlenstoffschicht205 die gewünschte geringe Reflektivität bei der spezifizierten Belichtungswellenlänge erreicht wird. Da der Brechungsindex des PECVD-abgeschiedenen Siliziumdioxids gut bekannt ist, oder da die entsprechenden Daten für die oben spezifizierten Abscheideparameter einfach bestimmt werden, indem ein entsprechendes Testsubstrat mit einer darauf gebildeten Siliziumdioxidschicht, die durch die oben spezifizierten Abscheideparameter hergestellt wurde, gemessen wird, kann ein geeigneter gewünschter Wert für die Dicke206B im Voraus bestimmt werden und die Abscheidung kann in Hinblick auf die gewünschte Dicke gesteuert werden. - Der Prozess des Abscheidens des Siliziumdioxids zur Herstellung der Schicht
206 kann unterbrochen werden, indem die Plasmaanregungseinrichtung die aktiviert und/oder indem die TEOS-Zufuhr unterbrochen wird. Anschließend kann ein Pumpschritt ausgeführt werden, wobei die TEOS-Zufuhr unterbrochen ist und die Durchflussrate des Trägergases, etwa des Heliums, und die Sauerstoffdurchflussrate reduziert ist. In einer Ausführungsform kann die Sauerstoffdurchflussrate um mehr als 50% im Vergleich zu Durchflussrate bei der Abscheidung reduziert werden, während die Heliumdurchflussrate kleiner als die Sauerstoffdurchflussrate ist. Schließlich kann die Sauerstoffzufuhr unterbrochen werden, während eine Heliumzufuhr beibehalten wird und anschließend kann die Zufuhr aller Gase unterbrochen werden, während weiterhin Reaktionsnebenprodukte durch ständiges Pumpen abgeführt werden. - In einer speziellen Ausführungsform kann ein Abscheiderezept zum Erzeugen der gasförmigen Umgebung
220 , zum Stabilisieren derselben, zum Bereitstellen der Plasmaatmosphäre220A und zum Entfernen von Gasreaktionsprodukten durch Pumpen verwendet werden, wobei das Rezept die folgenden Schritte umfasst:
Stabilisierung der Umgebungsatmosphäre des Substrats201 bei einer Temperatur von ungefähr 300°C ohne Gaszufuhr, für 7 bis 12 Sekunden;
Konfigurieren einer entsprechenden Prozesskammergeometrie, d. h. Einstellen eines Abstands zwischen dem Sprühkopf und dem Substrat201 entsprechend der eigentlichen Abscheidegeometrie, während weiterhin kein Gasfluss stattfindet und wobei die Temperatur auf der Abscheidetemperatur für ungefähr 8 bis 12 Sekunden gehalten wird;
Einführen von Helium mit einer Durchflussrate, die im Wesentlichen der Abscheidedurchflussrate entspricht, für ungefähr 4 bis 6 Sekunden;
Erzeugen der gasförmigen Umgebung220 durch Zufuhr von Sauerstoff mit der Abscheidedurchflussrate von beispielsweise ungefähr 2000 sccm bei einem erhöhten Druck von ungefähr 1200 Pa (9 Torr) für 8 bis 12 Sekunden lang;
Aktivieren der TEOS-Zufuhr mit einer erhöhten Zufuhrrate von beispielsweise 750 mg bis 850 mg/Minute, während der Umgebungsdruck auf den Abscheidedruck reduziert wird, beispielsweise auf ungefähr 733 Pa (5.5 Torr);
Herunterfahren des TEOS-Anteils in der gasförmigen Umgebung220 auf einen erforderlichen Abscheidewert durch Reduzieren der Zufuhrrate auf ungefähr 450 mg bis 550 mg/Minute für 13 bis 17 Sekunden lang, während die restlichen Parameter im Wesentlichen konstant gehalten werden;
Erzeugen der Plasmaatmosphäre220A mit im Wesentlichen ungeänderten Parametern, wobei die Abscheidezeit in einem Intervall von ungefähr 3 bis 8 Sekunden gesteuert wird, um somit die endgültige Siliziumdioxiddicke in einem Bereich von ungefähr 5 nm bis 50 nm zu erhalten;
Reduzieren der Helium- und Sauerstoffdurchflussraten, während die TEOS-Zufuhr und die Plasmaerzeugung unterbrochen sind, wobei die Heliumdurchflussrate auf ungefähr 1000 sccm bis 1200 sccm und die Durchflussrate des Sauerstoffs auf ungefähr 1200 sccm bis 1400 sccm für 2 bis 5 Sekunden eingestellt wird;
Unterbrechen der Sauerstoffzufuhr, während die Heliumzufuhr beibehalten wird oder während die Heliumdurchflussrate auf ungefähr 1200 sccm bis 1400 sccm erhöht wird, wobei Reaktionsnebenprodukte abgepumpt werden; und
Unterbrechen der Zufuhr aller Gase, wobei weiterhin Nebenprodukte für ungefähr 9 bis 13 Sekunden lang abgepumpt werden. -
2d zeigt schematisch die Halbleiterstruktur200 nach Beendigung der Abscheidung der Siliziumdioxidschicht206 gemäß einer der oben beschriebenen Abscheideverfahren. Ferner ist eine Lackschicht107 auf der Siliziumdioxidschicht206 gebildet, wobei die Siliziumdioxidschicht206 in Kombination mit der Kohlenstoffschicht205 als eine antireflektierende Beschichtung dient, um die Reflektion eines eingestrahlten UV-Lichtstrahles222 zu reduzieren, der in die Lackschicht207 als ein reflektierter oder gestreuter Lichtstrahl223 mit einer Intensität von ungefähr von 2% oder weniger zurückgestreut wird. Wie zuvor erläutert ist, ist die Lackschicht207 an die Photolithographie, d. h. die spezifizierte Belichtungswellenlänge, angepasst, wobei zusätzlich eine Dicke der Lackschicht207 so gewählt ist, um die erforderliche Abdeckung während eines nachfolgenden Ätzprozesses zur Strukturierung der Schichten206 und205 bereitzustellen. Zum Beispiel ist in einem 193 nm-Lithographieprozess die Lackschichtdicke durch die Fokustiefe der Photolithographieanlage beschränkt und somit sind typischerweise dünnere Lackschichten im Vergleich zu einer 248 nm-Lithographie erforderlich. Auf Grund des gut steuerbaren Abscheideprozesses zur Herstellung der Siliziumdioxidschicht206 kann jedoch die Reflektivität, d. h. das Intensitätsverhältnis der Strahlen223 und222 , auf 2% oder sogar weniger reduziert werden. Gleichzeitig bietet die Siliziumdioxidschicht, die gemäß dem zuvor beschriebenen Niedrigtemperaturprozess hergestellt ist, eine ausreichend stabile Grenzfläche zu der Kohlenstoffschicht205 und unterdrückt ferner zuverlässig eine chemische Reaktion zwischen dem Photolack in der Schicht207 und der Kohlenstoffschicht205 , wodurch die Defektrate in den schließlich erhaltenen strukturierten Polysiliziumstrukturelementen deutlich verringert wird. Nach Belichtung und Entwicklung der Lackschicht207 wird ein Lackschrumpfprozess mit einer gut etablierten Ätzchemie ausgeführt, um die letztlich gewünschte laterale Größe eines entsprechenden Lackstrukturelements zu erhalten, das dann als eine Ätzmaske zur Strukturierung der Schichten206 und205 verwendet wird. Entsprechende Ätzrezepte sind gut etabliert und ermöglichen die Strukturierung der Schichten206 und205 mittels eines Durchstoß-Ätzschrittes und eines nachfolgenden anisotropen Ätzprozesses mit einer anfänglichen Höhe der Lackschicht207 von ungefähr 300 nm oder sogar weniger. -
2e zeigt schematisch mehrere Polysiliziumstrukturelemente204A , die noch von den Ätzhartmaskenstrukturelementen205A aus Kohlenstoff bedeckt sind, während der Rest der Deckschicht206 während des Ätzprozesses zur Strukturierung der Polysiliziumschicht204 zur Bildung des Polysiliziumstrukturelements204A mit im Wesentlichen der gewünschten lateralen Größe208A „konsumiert" wurde. Auf Grund des plasmaunterstützten CVD-Prozesses mit niedriger Temperatur ist eine Defektrate, d. h. die Anzahl der Polysiliziumstrukturelemente204A , die beschädigt oder die nicht den Spezifikationen entsprechen, oder die ansonsten Polysiliziumreste aufweisen, oder die eine merkliche Abweichung in der lateralen Größe aufweisen, reduziert, so dass Polysiliziumstrukturelemente204A mit der gewünschten lateralen Größe208A von 50 nm und weniger, beispielsweise von 45 nm und weniger, mit einer 193 nm-Lithographie oder sogar mit einer 248 nm-Lithographie hergestellt werden können. Abhängig von den Eigenschaften des Photolithographie- und Ätzprozesses kann eine Defektrate der Polysiliziumstrukturelemente, etwa der Strukturelemente204A , die auf Testsubstraten mit einer 193 nm-Lithographielack hergestellt sind, ungefähr 10 × geringer sein, als bei Strukturelementen, die in einem konventionellen Prozessablauf unter Anwendung von beispielsweise einer Siliziumoxynitrid-Deckschicht hergestellt werden. Man nimmt an, dass die deutlich reduzierte Defektrate auf einem reduzierten Anteil an Lackvergiftung beruht, die durch eine Reaktion zwischen Stickstoff und dem 193 nm-Lack hervorgerufen wird. - Es gilt also: die vorliegende Erfindung stellt eine verbesserte Technik zur Herstellung einer Siliziumdioxidschicht mittels eines plasmaunterstützten CVD-Prozesses bei geringer Temperatur bereit, die eine gute Prozesssteuerung auf Grund der moderat geringen Abscheiderate ermöglicht, so dass die optischen Eigenschaften der Siliziumdioxidschicht in präziser Weise an die darunter liegende Kohlenstoffschicht angepasst werden können, die dann gemeinsam als eine effiziente antireflektierende Beschichtung mit einer Reflektivität von 2% oder weniger dienen. Des weiteren erzeugt der PECVD-Abscheideprozess bei geringer Temperatur eine reduzierte Defektrate im Vergleich zu konventionellen Abläufen, wodurch die Prozessstabilität erhöht und die Möglichkeit für eine weitere Bauteilgrößenreduzierung auf der Grundlage einer 248 nm oder 193 nm-Lithographie erreicht wird.
- Weitere Modifizierungen und Variationen der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann angesichts dieser Beschreibung offenkundig. Daher ist diese Beschreibung als lediglich anschaulich und für die Zwecke gedacht, dem Fachmann die allgemeine Art und Weise des Ausführens der vorliegenden Erfindung zu vermitteln. Selbstverständlich sind die hierin gezeigten und beschriebenen Formen der Erfindung als die gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen zu betrachten.
Claims (13)
- Verfahren zur Herstellung einer antireflektierenden Schicht, wobei das Verfahren umfasst: Bilden einer zu strukturierenden Materialschicht (
204 ) über einem Substrat (201 ); Bilden einer amorphen Kohlenstoffschicht (205 ) mit einer ersten Dicke über der Materialschicht (204 ); Bilden einer Siliziumdioxidschicht (206 ) mit einer zweiten Dicke (206b ) im Bereich von 5 bis 50 nm bei einer Temperatur von 370°C oder weniger durch plasmaunterstützte chemische Dampfabscheidung mit TEOS als Vorstufenmaterial auf der amorphen Kohlenstoffschicht (205 ), wobei die erste und die zweite Dicke so gewählt werden, dass eine Reflektivität bei einer spezifizierten Belichtungswellenlänge erzeugt wird, die 2% oder weniger beträgt. - Das Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst: Steuern einer Abscheiderate während der plasmaunterstützten chemischen Dampfabscheidung auf einen Bereich von 200 bis 400 nm/Minute.
- Das Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Abscheiderate auf einen Bereich von 280 bis 320 nm/Minute eingestellt wird.
- Das Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Siliziumdioxid bei einer Temperatur von 330°C oder weniger abgeschieden wird.
- Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Siliziumdioxid bei einer Temperatur in einem Bereich von 320°C bis 280°C abgeschieden wird.
- Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Siliziumdioxid bei einer Temperatur von 300°C abgeschieden wird.
- Das Verfahren nach Anspruch 2, das ferner Steuern einer Abscheiderate durch Einstellen eines Druckes der Plasmaatmosphäre auf einen Bereich von 600 bis 867 Pa (4.5 bis 6.5 Torr) umfasst.
- Das Verfahren nach Anspruch 7, das ferner Einstellen einer TEOS-Zufuhr auf 600 mg/Minute oder weniger umfasst.
- Das Verfahren nach Anspruch 8, wobei die TEOS-Zufuhr auf einen Bereich von 550 mg/Minute bis 450 mg/Minute eingestellt wird.
- Das Verfahren nach Anspruch 9, wobei die TEOS-Zufuhr auf 500 mg/Minute eingestellt wird.
- Das Verfahren nach Anspruch 1, das ferner Zuführen von Helium und Sauerstoff mit im Wesentlichen gleichen Durchflussraten zu einer Plasmaatmosphäre während der plasmaunterstützten chemischen Dampfabscheidung umfasst.
- Das Verfahren nach Anspruch 1, das ferner Zuführen von Helium und Sauerstoff zu einer Umgebung des Substrats (
201 ) vor dem Abscheiden des Siliziumdioxids umfasst. - Das Verfahren nach Anspruch 11, das ferner umfasst: Entfernen von Reaktionsnebenprodukten nach dem Abscheiden des Siliziumdioxids durch Pumpen, während Helium und Sauerstoff mit Durchflussraten zugeführt werden, die kleiner als die Durchflussraten während der Abscheidung sind.
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