DE112010004081B4

DE112010004081B4 - Rezeptur für die Rotationsbeschichtung und Verfahren zum Ablösen eines ionenimplantierten Fotolacks

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Publication number: DE112010004081B4
Application number: DE112010004081T
Authority: DE
Inventors: George Gabriel Totir; Mahmoud Khojasteh; Ali Afzali-Ardakani; Ronald Wayne Nunes
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: GlobalFoundries Inc
Priority date: 2009-12-21
Filing date: 2010-12-03
Publication date: 2013-08-14
Anticipated expiration: 2030-12-04
Also published as: KR101454979B1; US8455420B2; TW201137937A; JP2013508961A; US20120276724A1; KR20120101358A; CN102714157B; TWI493599B; US8563408B2; DE112010004081T5; US20110151653A1; US8252673B2; US20120270763A1; GB2488653A; WO2011080023A2; WO2011080023A3; GB2488653B; GB201203506D0; CN102714157A; JP5106713B1

Abstract

Verfahren mit Entfernen eines ionenimplantierten Fotolackmaterials von einem Halbleitersubstrat, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen eines strukturierten Fotolacks auf einer Oberfläche einer Halbleiterstruktur, wobei sich in dem strukturierten Fotolack mindestens eine Öffnung befindet, die eine obere Oberfläche eines Halbleitersubstrats der Halbleiterstruktur freilegt; Einlagern von Dotanden in die freiliegende obere Oberfläche des Halbleitersubstrats sowie in den strukturierten Fotolack durch Ionenimplantation; Bilden eines Polymerfilms, der ein Oxidationsmittel enthält, zumindest auf freiliegenden oberen Oberflächen des ionenimplantierten und strukturierten Fotolacks; Durchführen eines Temperschrittes, der eine Reaktion zwischen dem Polymerfilm und dem ionenimplantierten und strukturierten Fotolack verursacht, bei welcher ein modifizierter strukturierter Fotolack gebildet wird, der in wässrigen, sauren oder organischen Lösemitteln löslich ist; und Entfernen des veränderten strukturierten Fotolacks von der Halbleiterstruktur unter Verwendung eines wässrigen, sauren oder organischen Lösemittels.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung von Halbleiterbauelementen und insbesondere das Entfernen oder Ablösen eines ionenimplantierten Fotolackmaterials und zugehöriger Rückstände des Fotolackmaterials von einer Oberfläche einer Halbleiterstruktur während deren Bearbeitung.
Die Herstellung integrierter Schaltkreise (integrated circuit, IC) auf einem Halbleitersubstrat beinhaltet die Verwendung eines Vorfertigungsprozesses (front-end-of-the-line, FEOL), während dessen auf einer Oberfläche des Halbleitersubstrats ein oder mehrere Halbleiterbauelemente wie zum Beispiel Transistoren gebildet werden. Bei einem typischen FEOL-Prozess werden verschiedene ausgewählte Bereiche des Halbleitersubstrats durch Ionenimplantation mit Verunreinigungen (z. B. Dotanden) wie beispielsweise Phosphor, Bor oder Arsen versetzt, um p-leitende und/oder n-leitende Bereiche zu erzeugen. Das Dotieren der ausgewählten Bereiche des Substrats beginnt mit dem Aufbringen einer Fotolackschicht. Die Fotolackschicht wird nach dem Aufbringen üblicherweise getrocknet und ausgehärtet. Der Fotolack ist lichtempfindlich und kann durch Belichten mit ausgewählten Formen von Strahlungsenergie verändert werden. Das Belichten des Fotolacks wird in einem fotolithografischen Schritt durchgeführt, in welchem das Substrat durch eine Maske einer Strahlungsenergie ausgewählter Wellenlängen ausgesetzt wird. Diese Maske definiert diejenigen Bereiche des mit Fotolack beschichteten Substrats, die der Strahlung ausgesetzt bzw. nicht ausgesetzt werden. Normalerweise werden die der Strahlung ausgesetzten Bereiche des Fotolacks verändert und können durch Entwickeln entfernt werden. Bei diesem Verfahren der Musterübertragung (von der Maske auf das Substrat) bleibt der Fotolack auf den Bereichen des Substrats zurück, die durch die Maske abgedeckt wurden.
Dann werden mittels Ionenimplantation die Dotanden der Verunreinigungen in diejenigen Bereiche des Substrats eingelagert, die nicht durch den Fotolack geschützt sind. Anschließend an diesen Schritt muss der gesamte Fotolack entfernt werden, bevor die Substrate in Diffusionsöfen getempert, oxidiert oder bearbeitet werden. Gegenwärtig wird der Fotolack nach dem Implantationsschritt durch Nassätzen, Trockenätzen oder eine Kombination von Nassätzen und Trockenätzen entfernt. Bei Nassätzprozessen wird normalerweise eine Mischung von Schwefelsäure und Wasserstoffperoxid verwendet, um den Fotolack und andere möglicherweise vorhandene organische Verunreinigungen zu entfernen. Der Fotolack kann auch unter Verwendung von Trockenätzprozessen entfernt werden, bei denen üblicherweise die Plasmaoxidation Verwendung findet. Bei einem Plasmaprozess wird die Quelle eines Oxidationsmittels wie beispielsweise Sauerstoff in ein Plasmafeld eingeleitet, das entweder durch Hochfrequenz- oder Mikrowellenenergie angeregt wird.
Die aktuellen Entwicklungsrichtungen bei der Herstellung von ICs haben dazu geführt, dass die Dotierung immer stärker wird. Dies wurde durch Erhöhen der Energie und der Dichte des während des Ionenimplantationsprozesses auf das Substrat gerichteten Ionenflusses erreicht. Das führt dazu, dass auch die Oberfläche des Fotolacks, der bestimmte Bereiche des Substrats vor dem Ionenimplantationsprozess abschirmt, selbst verändert wird. Aufgrund der hohen Energiewerte und Flussdichte erfahren die Oberflächenschichten des Fotolacks eine chemische und physikalische Veränderung. Ferner bewirken die mit dem Ionenbeschuss verbundenen höheren Temperaturen ein Tempern und Aushärten der obersten Oberflächenschicht des Fotolacks. Außerdem bewirkt der Ionenfluss, dass Dotandatome in den Fotolack implantiert werden. Darüber hinaus kommt es im Fotolack zu starker Vernetzung, wodurch er den Ablöseprozessen nach dem Implantationsschritt stärker widersteht. Die veränderte Oberflächenschicht des ionenimplantierten Fotolacks wird in der Technik üblicherweise als verkrustete Oberflächenschicht bezeichnet.
Die herkömmlichen Techniken zum Entfernen des ionenimplantierten Fotolacks mit der verkrusteten Oberflächenschicht beinhalten auch eine Kombination von Trocken- und Nassätzen oder einen Nassätzprozess unter Verwendung eines Chemismus auf der Grundlage von Schwefelsäure, üblicherweise eine Mischung von Schwefelsäure und Wasserstoffperoxid. Allen Ablöseverfahren nach dem Stand der Technik ist ein Nachteil gemeinsam, dass der nach der Ionenimplantation auf der Substratoberfläche zurückbleibende verkrustete Fotolack nur unvollständig entfernt wird.
Die Patentanmeldung WO 2008/039730 A1 offenbart Zusammensetzungen für Nacharbeit von Scheiben, die mikroelektronische Geräte aufweisen, d. h. Entfernen eines Fotolacks von zurückgewiesenen Scheiben ohne die unterliegende Strukturen, wie Deckschichten, Zwischenebene-Isolationsschichten, Ätzstopp-Schichten und Durchschaltungsschichten, zu beschädigen. Halbwässerige Zusammensetzungen enthalten mindestens ein Alkali und/oder ein basisches Salz eines Erdalkalimetalls, mindestens ein organisches Lösungsmittel, Wasser, wahlweise mindestens ein quaternäres basisches Ammoniumsalz, wahlweise mindestens einen Metallkorrosionsinhibitor und wahlweise mindestens ein wasserlösbarer oberflächenaktiver Polymerstoff.
Die Patentschrift US 6 009 888 A offenbart ein Verfahren zum Entfernen eines Polymers von einer Scheibe nach einem Trockenätzen eines Nitrids oder einer Polysilizium-Schicht, wobei die Scheibe während einer Immersion in einem Peroxidsulfat (S₂O₈ ^2–)/HCl nassen Bad mit einem UV Laser bestrahlt wird.
Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass beim Entfernen des Fotolacks mittels der herkömmlichen Techniken zu viel Halbleitermaterial, z. B. Si, von der Struktur abgetragen wird sowie Dotandenmaterial verloren geht und möglicherweise die bruchempfindlichen Halbleiterstrukturen beschädigt werden. Wenn während des Ionenimplantationsprozesses auf der Oberfläche des Substrats metallische Gate-Elektroden vorhanden sind, können diese bei den oben erwähnten Fotolackablöseverfahren nach dem Stand der Technik durch Oxidation beschädigt werden.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird auf einem Fotolackmaterial nach der Ionenimplantation eine Polymersicht gebildet, die ein Oxidationsmittel enthält. Die Polymerschicht wird aus einer wässrigen Rezeptur für die Rotationsbeschichtung gebildet, die ein wasserlösliches Polymer mit mindestens einer sauren funktionellen Gruppe und mindestens einem Oxidationsmittel beinhaltet, welches ein Metall der Lanthanidengruppe enthält. Es wird ein Temperschritt durchgeführt, der eine Reaktion zwischen der Polymerschicht und dem ionenimplantierten Fotolack auslöst, sodass die verkrusteten Teile des ionenimplantierten Fotolacks sowie die vernetzten Bereiche des ionenimplantierten Fotolacks in einem wässrigen, sauren oder organischen Lösemittel löslich gemacht werden. Zum vollständigen Entfernen des ionenimplantierten Fotolacks und aller Fotolackrückstände von der Struktur wird ein Fotolackablöseschritt in einem wässrigen, sauren oder organischen Lösemittel ausgeführt.
Wahlweise kann ein abschließender Reinigungsschritt ausgeführt werden. Die oben erwähnten Bearbeitungsschritte können bei jedem Prozess zur Herstellung von Halbleiterbauelementen und zu jedem Zeitpunkt des Fertigungsprozesses ausgeführt werden. Zum Beispiel kann die obige Bearbeitung auf einem nackten Halbleitersubstrat oder auf einem bereits bearbeiteten Halbleitersubstrat erfolgen, das mindestens einen Gate-Elektrodenstapel beinhaltet.
Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung, bei denen ein metallisches Gate-Elektrodenmaterial wie beispielsweise TiN vorliegt, kann die obige Bearbeitung ohne Schädigung des metallischen Gate-Elektrodenmaterials durchgeführt werden. Das heißt, die obige Bearbeitung kann im Gegensatz zur üblicherweise verwendeten Ablösetechnologie wie beispielsweise durch Nassätzen unter Verwendung von Schwefelsäure und Wasserstoffperoxid, wobei das metallische Gattermaterial stark angegriffen wird, erfolgen, ohne dass hierbei in erheblichem Umfang Teile des metallischen Gate-Elektrodenmaterials entfernt werden.
Bei einem Aspekt wird ein Verfahren zum Entfernen eines Fotolackmaterials nach der Ionenimplantation von einer Oberfläche eines Halbleitersubstrats bereitgestellt. Das Verfahren beinhaltet das Bereitstellen eines strukturierten Fotolacks auf einer Oberfläche der Halbleiterstruktur. In dem strukturierten Fotolack befindet sich mindestens eine Öffnung, welche eine obere Oberfläche eines Halbleitersubstrats der Halbleiterstruktur freilegt. Dotandionen werden sowohl in die freiliegende Oberfläche des Halbleitersubstrats als auch in den strukturierten Fotolack eingelagert. Zumindest auf den freiliegenden oberen Oberflächen des nunmehr ionenimplantierten und strukturierten Fotolacks wird ein dünner Polymerfilm gebildet, der ein Oxidationsmittel enthält.
Ein Temperschritt wird ausgeführt, der eine Reaktion zwischen dem dünnen Polymerfilm und dem ionenimplantierten und strukturierten Fotolack auslöst. Durch die Reaktion wird ein veränderter strukturierter Fotolack gebildet, der in wässrigen, sauren oder organischen Lösemitteln löslich ist. Der veränderte strukturierte Fotolack wird durch Ablösen in einem wässrigen, sauren oder organischen Lösemittel von der Halbleiterstruktur abgelöst. Bei einigen Ausführungsformen wird ein Reinigungsschritt ausgeführt, nachdem der veränderte strukturierte Fotolack von der Struktur entfernt worden ist.
Bei einem anderen Aspekt der Erfindung wird eine Rezeptur für die Rotationsbeschichtung bereitgestellt, die in einen Polymerfilm eingearbeitet werden kann, der ein Oxidationsmittel enthält. Bei diesem Aspekt der Erfindung beinhaltet die Rezeptur für die Rotationsbeschichtung eine wässrige Lösung eines wasserlöslichen Polymers, das mindestens eine funktionelle Gruppe von Carbonsäure und mindestens ein Oxidationsmittel enthält, wobei Letzteres ein Metall der Lanthanidengruppe enthält.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die wässrige Lösung als wasserlösliches Polymer Polystyrolsulfonsäure, die mindestens eine saure funktionelle Gruppe enthält, und Cerammoniumnitrat als Oxidationsmittel, das mindestens ein Metall der Lanthanidengruppe enthält.
Die vorliegende Erfindung, die bei einer Ausführungsform eine Rezeptur für die Rotationsbeschichtung und ein Verfahren zum Ablösen eines ionenimplantierten und strukturierten Fotolacks von einer Halbleiterstruktur bereitstellt, wird nunmehr unter Bezugnahme auf die folgende Erörterung und die der vorliegenden Erfindung beiliegenden Zeichnungen ausführlicher beschrieben. Zu beachten ist, dass die Zeichnungen der vorliegenden Patentanmeldung nur zur Veranschaulichung dienen und als solche nicht maßstabsgerecht sind.
1 zeigt eine bildliche Darstellung (in Form einer Querschnittsansicht), die eine ursprüngliche Struktur veranschaulicht, die einen strukturierten Fotolack mit mindestens einer darin vorhandenen Öffnung beinhaltet, welche eine obere Oberfläche eines Halbleitersubstrats der ursprünglichen Struktur freilegt, die bei einer Ausführungsform der Erfindung verwendet werden kann.
2 zeigt eine bildliche Darstellung (in Form einer Querschnittsansicht), welche die Struktur von 1 nach der Ionenimplantation veranschaulicht, bei welcher Dotanden in die freiliegende obere Oberfläche des Halbleitersubstrats und des strukturierten Fotolacks eingelagert werden.
3 zeigt eine bildliche Darstellung (in Form einer Querschnittsansicht), welche die Struktur von 2 nach dem Bilden eines Polymerfilms, der ein Oxidationsmittel enthält, auf freiliegenden Oberflächen des mindestens einen ionenimplantierten und strukturierten Fotolacks veranschaulicht.
4 zeigt eine bildliche Darstellung (in Form einer Querschnittsansicht), welche die Struktur von 3 nach dem Tempern des ionenimplantierten und strukturierten Fotolacks veranschaulicht, auf dem sich der dünne Polymerfilm befindet.
5 zeigt eine bildliche Darstellung (in Form einer Querschnittsansicht), welche die Struktur von 4 nach dem Ablösen des Fotolacks veranschaulicht.
In der folgenden Beschreibung werden zahlreiche spezielle Einzelheiten dargelegt, beispielsweise bestimmte Strukturen, Komponenten, Materialien, Abmessungen, Bearbeitungsschritte und -techniken, um ein Verständnis einiger Aspekte der vorliegenden Erfindung zu ermöglichen. Die Erfindung kann auch ohne diese speziellen Einzelheiten praktisch genutzt werden. In anderen Fällen sind bestens bekannte Strukturen oder Bearbeitungsschritte nicht beschrieben worden, um die Erfindung nicht zu verschleiern.
Es ist klar, dass sich ein Element wie eine Schicht, ein Bereich oder ein Substrat, wenn es als „auf” oder „oberhalb” eines anderen Elements befindlich bezeichnet wird, unmittelbar auf dem anderen Element befinden kann oder dass auch Zwischenelemente vorhanden sein können. Wird hingegen ein Element als „unmittelbar auf” oder „unmittelbar oberhalb” eines anderen Elements bezeichnet, sind keine Zwischenelemente vorhanden. Es ist auch klar, dass sich ein Element, wenn dieses als „unterhalb” oder „unter” dem anderen Element bezeichnet wird, unmittelbar unterhalb oder unter dem anderen Element befinden kann oder Zwischenelemente vorhanden sein können. Wird hingegen ein Element als „unmittelbar unterhalb” oder „unmittelbar unter” einem anderen Element bezeichnet, sind keine Zwischenelemente vorhanden.
Gemäß den obigen Ausführungen wird eine Rezeptur für die Rotationsbeschichtung bereitgestellt, die zum Ablösen eines ionenimplantierten und strukturierten Fotolacks von einer Halbleiterstruktur geeignet ist. Die Rezeptur für die Rotationsbeschichtung beinhaltet eine wässrige Lösung eines wasserlöslichen Polymers, das mindestens eine saure funktionelle Gruppe und mindestens ein Oxidationsmittel enthält, wobei Letzteres ein Metall aus der Lanthanidengruppe enthält. Die Rezeptur für die Rotationsbeschichtung wird auf einen ionenimplantierten und strukturierten Fotolack aufgebracht und getempert, um einen veränderten strukturierten Fotolack zu bilden, der die durch Ionenimplantation eingelagerten Dotanden enthält. Der veränderte strukturierte Fotolack ist in wässrigen, sauren oder organischen Lösemitteln löslich. Insofern können die oben erwähnten Lösemittel zum vollständigen Ablösen des veränderten strukturierten Fotolacks sowie möglicherweise vorhandener Fotolackrückstände verwendet werden. An das Ablösen des veränderten strukturierten Fotolacks kann sich ein Reinigungsschritt, z. B. Spülen, anschließen.
Nunmehr wird auf die 1 bis 5 Bezug genommen, die verschiedene Stufen der Halbleiterfertigung vor und nach den Schritten Ionenimplantation und Ablösen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigen. 1 veranschaulicht eine ursprüngliche Halbleiterstruktur 10, die bei einer Ausführungsform der Erfindung verwendet werden kann. Die ursprüngliche Halbleiterstruktur 10 beinhaltet mindestens einen strukturierten Fotolack 14 mit mindestens einer darin befindlichen Öffnung 16, der oberhalb eines Halbleitersubstrats 12 angeordnet ist. Wie dargestellt legt die mindestens eine Öffnung 16 des strukturierten Fotolacks 14 einen Teil des Halbleitersubstrats 12 in einem Bereich frei, in dem anschließend ein oder mehrere Dotanden durch Ionenimplantation eingelagert werden sollen.
Bei dem Halbleitersubstrat 12 kann es sich um ein nacktes Halbleitermaterial oder um ein bearbeitetes Halbleitermaterial handeln, das verschiedene Isolatorbereiche und/oder Halbleiterbauelemente wie beispielsweise metallische Gate-Elektroden auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats beinhaltet. Die Isolatorbereiche und/oder Halbleiterbauelemente können unter Verwendung von FEOL-Berarbeitungstechniken gebildet werden. Das Halbleitersubstrat 12 beinhaltet ein beliebiges Halbleitermaterial, darunter im Sinne einer nicht abschließenden Aufzählung Si, SiGe, SiGeC, SiC, Ge-Legierungen, GaAs, InAs, InP und andere III/V- oder II/VI-Verbindungshalbleiter. Bei dem Substrat 12 kann es sich zusätzlich zu diesen genannten Typen auch um eine Halbleiterschichtstruktur handeln, zum Beispiel Si/SiGe, Si/SiC, Silicium-auf-Isolator (SOI) oder Silicium-Germanium-auf-Isolator (SGOI). Bei einigen Ausführungsformen handelt es sich bei dem Halbleitersubstrat 12 um ein siliciumhaltiges Halbleitermaterial, d. h. ein Halbleitermaterial, das Silicium enthält. Das Halbleitersubstrat 12 kann eine einkristalline Ausrichtung oder mindestens zwei koplanare Oberflächenbereiche beinhalten, die unterschiedliche Kristallausrichtungen aufweisen (letzteres Substrat wird in der Technik als Mischsubstrat bezeichnet).
Bei einer (nicht gezeigten) Ausführungsform wird auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats 12 ein metallischer Gate-Elektrodenstapel gebildet, der mindestens ein Gate-Dielektrikum und eine metallische Gate-Elektrode beinhaltet. Bei Verwendung einer solchen Ausführungsform schützt der strukturierte Fotolack 14 normalerweise den metallischen Gate-Elektrodenstapel und lässt einen Teil des Halbleitersubstrats 12 mit der Grundfläche des metallischen Gate-Elektrodenstapels frei. Bei einer solchen Ausführungsform beinhaltet das Gate-Dielektrikum ein beliebiges Gate-Isolatormaterial, darunter zum Beispiel Halbleiter- oder Metalloxide, -nitride und/oder -oxynitride. Zum Beispiel kann das Gate-Dielektrikum Siliciumoxid, Siliciumnitrid, Siliciumoxynitrid, Aluminiumoxid, Titanoxid, Hafniumoxid, Zirkoniumoxid und daraus gebildete mehrschichtige Stapel beinhalten. Die metallische Gate-Elektrode des metallischen Gate-Elektrodenstapels beinhaltet ein beliebiges Metall, Metallnitrid und/oder Metallsilicid. Bei einer Ausführungsform der Erfindung besteht die metallische Gate-Elektrode aus TiN. Bei einigen Ausführungsformen kann zusammen mit dem Elektrodenmaterial der metallischen Gate-Elektrode oder an dessen Stelle ein siliciumhaltiges Gate-Elektrodenmaterial verwendet werden.
Der die mindestens eine Öffnung 16 beinhaltende strukturierte Fotolack 14 wird gebildet, indem zuerst eine Deckschicht aus Fotolackmaterial auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats 12 aufgebracht wird. Das Fotolackmaterial kann ein beliebiges Fotolackmaterial enthalten, darunter ein Positiv-Fotolackmaterial oder ein Negativ-Fotolackmaterial. Bei einem „Positiv”-Fotolack wird der beim fotolithografischen Schritt belichtete Teil des Fotolacks durch einen herkömmlichen Entwickler entfernt, während der unbelichtete Teil des Fotolacks nicht entfernt wird. Bei einem „Negativ”-Fotolack wird der beim fotolithografischen Schritt belichtete Teil des Fotolacks durch einen herkömmlichen Entwickler nicht entfernt, während der unbelichtete Teil des Fotolacks entfernt wird. Der Fotolack kann fotochemische Säurebildner, basische Zusätze und/oder Lösemittel enthalten.
Die Deckschicht aus Fotolackmaterial wird unter Verwendung herkömmlicher Techniken auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats 12 gebildet, wie zum Beispiel Rotationsbeschichtung, Tauchbeschichtung, Verdampfung, Abscheiden aus einer chemischen Lösung und chemische Gasphasenabscheidung. Nach dem Aufbringen der Deckschicht auf das Fotolackmaterial wird diese üblicherweise unter Verwendung von Verarbeitungsbedingungen getrocknet und ausgehärtet. Dann wird das Fotolackmaterial den üblichen fotolithografischen Schritten unterzogen, wozu das Belichten der Deckschicht mit einem gewünschten Strahlungsmuster und anschließend das Entfernen von Teilen des belichteten Fotolackmaterials unter Verwendung eines herkömmlichen Entwicklers gehört, um zum Beispiel die in 1 gezeigte Struktur zu bilden.
Bezug nehmend auf 2 wird nunmehr die Struktur von 1 veranschaulicht, nachdem mindestens ein Dotand unter Verwendung des strukturierten Fotolacks 14 als Ionenimplantationsmaske in die freiliegenden Teile des Halbleitersubstrats 12 eingelagert wurde. Wie in 2 dargestellt, wird in dem freiliegenden Teil des Halbleitersubstrats 12 ein Dotandenbereich 18 gebildet. Die Tiefe oder Dicke des Dotandenbereichs 18 hängt von der Ionenenergie oder der Intensität des Ionenbeschusses ab. Die Dichte des Ionenflusses ist für das Ausmaß der Dotierung entscheidend.
Außerdem werden Dotanden auch in den strukturierten Fotolack eingelagert und bilden einen ionenimplantierten und strukturierten Fotolack 14', der eine verkrustete Oberflächenschicht 15 beinhaltet. Die verkrustete Oberflächenschicht 15 kann aus aufgekohlten und stark vernetzten Polymerketten bestehen. Die verkrustete Oberflächenschicht 15 ist in der Regel an Wasserstoff verarmt und mit den implantierten Atomen imprägniert. Die verkrustete Oberflächenschicht 15 ist dichter als der übrige Teil 13, z. B. der Hauptmasse, des ionenimplantierten und strukturierten Fotolacks 14'. Die relative Dichte der verkrusteten Oberflächenschicht 15 hängt von dem Ionenfluss ab, während die Dicke der verkrusteten Oberflächenschicht 15 von der Ionenenergie abhängt.
Die oben beschriebene Implantation von Dotanden kann mittels Plasmaimmersions-Ionenimplantation oder mittels Ionenstrahl-Ionenimplantation durchgeführt werden. Die Arten der implantierten Atome können variieren und beinhalten Atome aus der Gruppe VA des Periodensystems der Elemente, d. h. eines von P, As und Sb, oder Atome aus der Gruppe IIIA des Periodensystems der Elemente, d. h. eines von B, Al, Ga und In. Bei einer Ausführungsform der Erfindung beinhalten die Dotanden mindestens eines von B, P und As. Die Dosis der implantierten Dotanden kann variieren, jedoch ist die Dosis der implantierten Dotanden in der Regel größer als 10¹⁵ Atome/cm². Die Energie der implantierten Atome kann ebenfalls variieren, wobei bei einer Ausführungsform der Erfindung normalerweise eine Energie von 1 keV bis zu 50 keV verwendet wird.
Es wird darauf hingewiesen, dass während dieses Schrittes geringe Mengen eines Materials auf die Seitenwände des strukturierten Fotolacks aufgesputtert werden können. Dieses gesputterte Material kann einen Teil der implantierten Atome, anderes im Plasma oder im Ionenstrahl enthaltenes Material und Nebenprodukte der Implantation enthalten. Die tatsächlich innerhalb des aufgesputterten Materials enthaltenen Atome hängen von der Zusammensetzung des Substrats 12 vor der Ionenimplantation, vom Fotolack und den implantierten Atomen ab.
Es wird außerdem darauf hingewiesen, dass sich die verkrustete Oberflächenschicht 15 schwieriger ablösen lässt als der verbleibende Teil 13 des ionenimplantierten und strukturierten Fotolacks 14'. Die Abtragungsraten der verkrusteten Oberflächenschicht 15 können um 50% oder 75% geringer als beim verbleibenden Teil 13 des ionenimplantierten und strukturierten Fotolacks 14' sein. Darüber hinaus kann der verbleibende Teil 13 des ionenimplantierten und strukturierten Fotolacks 14' bei höheren Temperaturen (von ungefähr 150°C) ausgasen und sich in Bezug auf die verkrustete Oberflächenschicht 15 ausdehnen. Der gesamte Fotolack kann somit „aufplatzen”, da der darunter liegende Fotolack einen Druck unter der verkrusteten Oberflächenschicht 15 aufbaut. Das Aufplatzen des Fotolacks darstellt eine Quelle von Partikeln und Prozessfehlern, weil sich die Rückstände nur äußerst schwer von der Oberfläche des Substrats sowie von den Oberflächen der zur Bearbeitung der Struktur verwendeten Werkzeuge entfernen lassen.
Unter Bezugnahme auf 3 wird nunmehr die Struktur von 2 nach der Bildung eines Polymerfilms veranschaulicht, der ein Oxidationsmittel zumindest auf der freiliegenden oberen Oberfläche, z. B. der verkrusteten Oberflächenschicht 15, des ionenimplantierten und strukturierten Fotolacks 14' enthält. In 3 wird der gebildete Polymerfilm mit der Bezugsnummer 20 bezeichnet. Der Polymerfilm 20, der das Oxidationsmittel enthält, weist eine Dicke von 0,1 Mikrometer bis 10 Mikrometer auf, wobei üblicherweise eine Dicke von 1 Mikrometer bis 5 Mikrometer gewählt wird. Bei dem Oxidationsmittel des Polymerfilms 20 handelt es sich um ein Oxidationsmittel, das ein Metall aus der Gruppe der Lanthaniden enthält und im Folgenden beschrieben wird. Bei dem Polymeranteil des Polymerfilms 20 handelt es sich um ein wasserlösliches Polymer, das ebenfalls im Folgenden beschrieben wird.
Der das Oxidationsmittel enthaltende Polymerfilm 20 wird aus einer Rezeptur für die Rotationsbeschichtung gebildet, die eine wässrige Lösung eines wasserlöslichen Polymers beinhaltet, welches mindestens eine saure funktionelle Gruppe und mindestens ein Oxidationsmittel enthält, wobei Letzteres ein Metall der Lanthanidengruppe enthält. Die Rezeptur für die Rotationsbeschichtung wird unter Verwendung eines beliebigen herkömmlichen Rotationsbeschichtungsprozesses auf den ionenimplantierten und strukturierten Fotolack 14' aufgebracht. Kurz gesagt wird eine überschüssige Menge der oben erwähnten Rezeptur für die Rotationsbeschichtung auf die in 2 gezeigte Struktur aufgebracht, die dann in einem Rotationsbeschichter mit hoher Drehzahl in Drehung versetzt wird, um die Rezeptur für die Rotationsbeschichtung durch Fliehkraft zu verteilen. Die Rezeptur für die Rotationsbeschichtung wird vom Rand der in 2 gezeigten Struktur abgeschleudert und die Drehung wird so lange fortgesetzt, bis die gewünschte Dicke des Polymerfilms 20 erreicht ist. Die zur Bildung des Polymerfilms 20 verwendete Rezeptur für die Rotationsbeschichtung wird üblicherweise bei einer Drehzahl von 750 Umdrehungen pro Sekunde bis 3.000 Umdrehungen pro Sekunde aufgebracht. Beim Aufbringen der Rezeptur für die Rotationsbeschichtung auf die in 2 gezeigte Struktur können auch andere Drehzahlen und Beschichtungszeiten verwendet werden.
Wie oben ausgeführt wird die zur Bildung des das Oxidationsmittel enthaltenden Polymerfilms 20 verwendete Rezeptur für die Rotationsbeschichtung aus einer Rezeptur für die Rotationsbeschichtung gebildet, die eine wässrige Lösung eines wasserlöslichen Polymers, welches mindestens eine saure funktionelle Gruppe und mindestens ein Oxidationsmittel enthält, beinhaltet, wobei Letzteres ein Metall der Lanthanidengruppe enthält. Bei einer Ausführungsform umfasst die Rezeptur für die Rotationsbeschichtung 5 Gew.-% bis 50 Gew.-% eines wasserlöslichen Polymers, das mindestens eine saure funktionelle Gruppe enthält, und 5 Gew.-% bis 50 Gew.-% des mindestens einen Oxidationsmittels, das ein Metall der Lanthaniden enthält, und im Übrigen Wasser. Bei einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Rezeptur für die Rotationsbeschichtung 10 Gew.-% bis 35 Gew.-% eines wasserlöslichen Polymers, das mindestens eine saure funktionelle Gruppe enthält, und 15 Gew.-% bis 25 Gew.-% des mindestens einen Oxidationsmittels, das ein Metall der Lanthaniden enthält, und im Übrigen Wasser.
Die bei der vorliegenden Erfindung verwendeten wasserlöslichen Polymere enthalten beliebige Polymere, Copolymere oder Oligomere, die mindestens eine saure funktionelle Gruppe (z. B. eine Carbonsäuregruppe oder eine Sulfonsäuregruppe) enthalten und in Wasser gelöst werden können. Beispiele geeigneter wasserlöslicher Polymere, die bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, sind im Sinne einer nicht abschließenden Aufzählung Polyacrylsäure, Polymethacrylsäure, Polymaleinsäure, Polystyrolsulfonsäure, Polytetrafluorstyrolsulfonsäure, Poly(ethylen-malein)säure und Polystyrolcarbonsäure.
Das mindestens eine Oxidationsmittel, das ein Metall der Lanthanidengruppe enthält, enthält Nitrate (z. B. Ammoniumnitrat), Chlorate, Perchlorate, Bromate, Perbromate, Permanganate (z. B. Kaliumpermanganat), Chromate und Dichromate von Metallen der Lanthanidengruppe. Nach der IUPAC-Terminologie umfassen die Metalle der Lanthanidengruppe die fünfzehn Elemente mit den Atomzahlen 57 bis 71 von Lanthan bis Lutetium. Alle Metalle der Lanthanidengruppe zählen zur Gruppe der f-Block-Elemente, bei denen die 4f-Elektronenschale aufgefüllt wird, ausgenommen ist lediglich das Lutetium, welches zur Gruppe der d-Block-Lanthaniden zählt. Bei einer Ausführungsform der Erfindung enthält das verwendete Lanthanidenmetall Cer (Ce). Bei noch einer anderen Ausführungsform wird als Oxidationsmittel, das ein Metall der Lanthanidengruppe enthält, Lanthanidenmetall-Ammoniumnitrat verwendet. Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird als das mindestens eine Oxidationsmittel, das ein Metall der Lanthanidengruppe enthält, Cerammoniumnitrat verwendet.
Die Rezeptur für die Rotationsbeschichtung wird unter Verwendung herkömmlicher Techniken hergestellt. Bei einer Ausführungsform wird die Rezeptur für die Rotationsbeschichtung durch Hinzufügen des mindestens einen Oxidationsmittels, das ein Metall der Lanthanidengruppe enthält, zu einer wässrigen Lösung hergestellt, die ein wasserlösliches Polymer enthält, welches mindestens eine saure funktionelle Gruppe enthält.
Unter Bezugnahme auf 4 wird nunmehr die Struktur von 3 nach dem Durchführen eines Temperschrittes dargestellt. Der Temperschritt verursacht eine Reaktion zwischen dem Polymerfilm und dem ionenimplantierten und strukturierten Fotolack 14' mit der verkrusteten Oberflächenschicht 15, in der ein veränderter strukturierter Fotolack 14'' gebildet ist. Insbesondere ist der entstandene veränderte strukturierte Fotolack 14'' in wässrigen, sauren oder organischen Lösemitteln löslicher als der entsprechende ionenimplantierte und strukturierte Fotolack 14'. Die Dünnschicht 14'' kann mit einer Dünnschicht abgedeckt werden, die durch die thermische Veränderung der Dünnschicht 20 gebildet wurde und in 4 mit der Bezugsnummer 20' bezeichnet wird. Der Temperschritt wird üblicherweise bei einer Temperatur von 80°C bis 160°C durchgeführt, wobei eher noch eine Tempertemperatur von 100°C bis 140°C bevorzugt wird. Der Temperschritt kann in einer Inertatmosphäre durchgeführt werden, darunter zum Beispiel He, Ar und/oder Ne. Alternativ kann der Temperschritt in Vakuum ausgeführt werden. Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung wird das Tempern unter Standardbedingungen, z. B. in Luft bei Raumtemperatur und Raumtemperaturfeuchtigkeit, auf einer vorgeheizten Heizplatte durchgeführt.
Unter Bezugnahme auf 5 wird nunmehr die Struktur von 4 nach dem Entfernen des veränderten strukturierten Fotolacks 14'' und der veränderten Dünnschicht 20' von der Struktur dargestellt. Das Entfernen des veränderten strukturierten Fotolacks 14'' und der veränderten Dünnschicht 20' kann erfolgen, indem die in 4 gezeigte Struktur z. B. durch Spülen mit einem wässrigen Lösemittel, einem sauren Lösemittel oder einem organischen Lösemittel in Kontakt gebracht wird. Der Kontakt kann bei Raumtemperatur (d. h. bei einer Temperatur von 20°C bis 40°C) oder bei einer erhöhten Temperatur von mehr als 70°C hergestellt werden. Die Dauer dieses Kontakts kann variieren und ist für die praktische Umsetzung der vorliegenden Erfindung nicht von entscheidender Bedeutung. Üblicherweise dauert dieser Kontakt 5 Minuten bis 20 Minuten, wobei eine Kontaktdauer von 15 Minuten bis 25 Minuten üblicherweise eher gewählt wird.
Bei einer Ausführungsform wird als wässriges Lösemittel Wasser verwendet. Wenn Wasser verwendet wird, erfolgt das Inkontaktbringen mit dem Wasser üblicherweise bei einer Temperatur von 80°C bis 100°C. Die Dauer des Kontakts mit dem Wasser beträgt üblicherweise 10 Minuten bis 30 Minuten.
Wie oben ausgeführt können auch saure Lösemittel und organische Lösemittel verwendet werden. Beispiele von sauren Lösemitteln, die verwendet werden können, sind im Sinne einer nicht abschließenden Aufzählung Schwefelsäure, Salpetersäure, Phosphorsäure, Methansulfonsäure, Trifluormethansulfonsäure, Essigsäure und Trifluoressigsäure. Beispiele von organischen Lösemitteln, die verwendet werden können, sind im Sinne einer nicht abschließenden Aufzählung Tetrahydrofuran (THF), Diethylenglycol-diethylenether, n-Methylpyrrolidon (NMP), Dimethylformamid (DMF), Dioxane oder eine Mischung dieser organischen Lösemittel und Wasser.
Es wird darauf hingewiesen, dass die obige Bearbeitung zum vollständigen Entfernen des ionenimplantierten und strukturierten Fotolacks 14' einschließlich der verkrusteten Oberflächenschicht 15 von der Struktur führt. Es wird auch darauf hingewiesen, dass das Entfernen des ionenimplantierten und strukturierten Fotolacks 14'' ohne nennenswerte Verluste an Substrat 12 oder Dotanden innerhalb des Dotierungsbereichs 18 erfolgt. Darüber hinaus und bei Ausführungsformen, bei denen metallische Gate-Elektroden vorhanden sind, verursacht die obige Technik keine Schäden an den metallischen Gate-Elektroden. Dies lässt sich durch Messen der Dicke der metallischen Gate-Elektrode vor und nach dem Entfernen des ionenimplantierten Fotolacks nachweisen. Wenn die obigen Bearbeitungstechniken angewendet werden, sind nur geringe oder keine Verluste der metallischen Gate-Elektroden zu beobachten, da die Dicke der metallischen Gate-Elektroden vor und nach der obigen Bearbeitung im Wesentlichen gleich ist.
Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die in 5 gezeigte Struktur nach dem Ablösen des ionenimplantierten Fotolacks von der Struktur einem Reinigungsschritt unterworfen werden. Wenn ein Reinigungsschritt durchgeführt wird, kann eine der oben erwähnten Säuren verwendet werden. Der wahlweise durchzuführende Reinigungsschritt kann bei Raumtemperatur oder bei einer erhöhten Temperatur innerhalb der oben beim Schritt zum Ablösen des Fotolacks erwähnten Bereiche durchgeführt werden. Die Dauer dieses Kontakts kann variieren und ist für die praktische Umsetzung der vorliegenden Erfindung nicht von entscheidender Bedeutung. Üblicherweise beträgt die Dauer dieses Kontakts 5 Minuten bis 30 Minuten, wobei üblicherweise eher eine Kontaktdauer von 10 Minuten bis 20 Minuten gewählt wird. Bei einer Ausführungsform wird der Reinigungsschritt unter Verwendung von H₂SO₄ durchgeführt. Bei einer solchen Ausführungsform erfolgt der Kontakt mit H₂SO₄ üblicherweise bei Raumtemperatur und dauert von 10 bis 30 Minuten.

Claims

Verfahren mit Entfernen eines ionenimplantierten Fotolackmaterials von einem Halbleitersubstrat, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen eines strukturierten Fotolacks auf einer Oberfläche einer Halbleiterstruktur, wobei sich in dem strukturierten Fotolack mindestens eine Öffnung befindet, die eine obere Oberfläche eines Halbleitersubstrats der Halbleiterstruktur freilegt; Einlagern von Dotanden in die freiliegende obere Oberfläche des Halbleitersubstrats sowie in den strukturierten Fotolack durch Ionenimplantation; Bilden eines Polymerfilms, der ein Oxidationsmittel enthält, zumindest auf freiliegenden oberen Oberflächen des ionenimplantierten und strukturierten Fotolacks; Durchführen eines Temperschrittes, der eine Reaktion zwischen dem Polymerfilm und dem ionenimplantierten und strukturierten Fotolack verursacht, bei welcher ein modifizierter strukturierter Fotolack gebildet wird, der in wässrigen, sauren oder organischen Lösemitteln löslich ist; und Entfernen des veränderten strukturierten Fotolacks von der Halbleiterstruktur unter Verwendung eines wässrigen, sauren oder organischen Lösemittels.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der strukturierte Fotolack oberhalb mindestens eines metallischen Gate-Elektrodenstapels angeordnet ist, der sich auf dem Halbleitersubstrat befindet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem strukturierten Fotolack um einen Positiv- oder einen Negativ-Fotolack handelt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Ionenimplantation mit einer Ionendosierung von 10¹⁵ Atomen/cm² oder mehr durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Ionenimplantation mit einer Energie von 1 keV oder mehr durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei durch die Ionenimplantation auf dem ionenimplantierten und strukturierten Fotolack eine verkrustete Oberflächenschicht gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Dotanden ein Atom aus den Gruppen IVA oder IIIA des Periodensystems der Elemente beinhalten.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Ionenimplantation eine Plasmaimmersions-Ionenimplantation oder eine Ionenstrahl-Ionenimplantation beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bilden des Polymerfilms das Aufbringen einer Rezeptur durch Rotationsbeschichtung umfasst, die eine wässrige Lösung eines wasserlöslichen Polymers umfasst, welches mindestens eine saure funktionelle Gruppe und mindestens ein Oxidationsmittel enthält, wobei Letzteres ein Metall der Lanthanidengruppe enthält.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei es sich bei dem wasserlöslichen Polymer, das die mindestens eine saure funktionelle Gruppe enthält, um Polystyrolsulfonsäure und bei dem Oxidationsmittel, das ein Metall der Lanthanidengruppe enthält, um Cerammoniumnitrat handelt.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die wässrige Lösung 5 Gew.-% bis 50 Gew.-% des wasserlöslichen Polymers, das die mindestens eine saure funktionelle Gruppe enthält, und 5 Gew.-% bis 50 Gew.-% des Oxidationsmittels, das ein Metall der Lanthanidengruppe enthält, und im Übrigen aus Wasser besteht.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die wässrige Lösung 10 Gew.-% bis 35 Gew.-% des wasserlöslichen Polymers, das die mindestens eine saure funktionelle Gruppe enthält, und 15 Gew.-% bis 25 Gew.-% des Oxidationsmittels, das ein Metall der Lanthanidengruppe enthält, und im Übrigen aus Wasser besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Tempern bei einer Temperatur von 80°C bis 160°C durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Tempern in Luft, in einer Inertgasatmosphäre oder unter Vakuum durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Entfernen des veränderten strukturierten Fotolacks das Inkontaktbringen der Struktur mit Wasser beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Inkontaktbringen mit Wasser bei einer Temperatur von 80°C bis 100°C durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner einen Reinigungsschritt umfasst, wobei der Reinigungsschritt nach dem Entfernen des veränderten strukturierten Fotolacks durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Reinigungsschritt das Inkontaktbringen der Struktur mit einer Säure beinhaltet.
Rezeptur für die Rotationsbeschichtung, die eine wässrige Lösung eines wasserlöslichen Polymers, welches mindestens eine funktionelle Gruppe von Carbonsäure und mindestens ein Oxidationsmittel enthält, umfasst, wobei Letzteres ein Metall der Lanthanidengruppe enthält.
Rezeptur für die Rotationsbeschichtung nach Anspruch 19, wobei das wasserlösliche Polymer, welches die mindestens eine saure funktionelle Gruppe enthält, ausgewählt wird aus Polyacrylsäure, Polymethacrylsäure, Polymaleinsäure, Poly(ethylen-malein)säure und Polystyrolcarbonsäure.
Rezeptur für die Rotationsbeschichtung nach Anspruch 19, wobei das mindestens eine Oxidationsmittel, das ein Metall der Lanthanidengruppe enthält, Cer als Lanthanidenmetall beinhaltet.
Rezeptur für die Rotationsbeschichtung nach Anspruch 19, wobei es sich bei dem wasserlöslichen Polymer, das die mindestens eine saure funktionelle Gruppe enthält, um Polystyrolsulfonsäure und bei dem mindestens einen Oxidationsmittel, das das Metall der Lanthanidengruppe enthält, um Cerammoniumnitrat handelt.
Rezeptur für die Rotationsbeschichtung nach Anspruch 19, wobei die wässrige Lösung 5 Gew.-% bis 50 Gew.-% des wasserlöslichen Polymers, das die mindestens eine saure funktionelle Gruppe enthält, und 5 Gew.-% bis 50 Gew.-% des mindestens einen Oxidationsmittels, das ein Metall der Lanthanidengruppe enthält, und im Übrigen aus Wasser besteht.
Rezeptur für die Rotationsbeschichtung nach Anspruch 22, wobei die wässrige Lösung 10 Gew.-% bis 35 Gew.-% des wasserlöslichen Polymers, das die mindestens eine saure funktionelle Gruppe enthält, und 15 Gew.-%bis 25 Gew.-% des mindestens einen Oxidationsmittels, das das Metall der Lanthanidengruppe enthält, und im Übrigen Wasser umfasst.
Rezeptur für die Rotationsbeschichtung nach Anspruch 19, wobei das Oxidationsmittel, das das Metall der Lanthanidengruppe enthält, ausgewählt wird aus einem Lanthanidenmetallnitrat, einem Lanthanidenmetallchlorat, einem Lanthanidenmetallperchlorat, einem Lanthanidenmetallbromat, einem Lanthanidenmetallperbromat, einem Lanthanidenmetallpermanganat, einem Lanthanidenmetallchromat und einem Lanthanidenmetalldichromat.