DE19630050A1 - Herstellverfahren für eine Lackmaske - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Herstellverfahren für eine Lack­ maske auf einem Substrat mit einem Graben.

Ein wesentliches Ziel bei der Fertigung integrierter Schalt­ kreise auf einem Halbleitersubstrat ist die Reduzierung des Flächenbedarfs eines Schaltkreises. Eine Möglichkeit der Reduzierung der benötigten Scheibenfläche ist die Nutzung der dritten Dimension, indem ausgehend von der Substratoberfläche Gräben in die Tiefe erzeugt werden. Die Wände dieser Gräben können dann ebenfalls von der Schaltung bzw. ihren Bauelemen­ ten genutzt werden, so daß die Schaltungsfläche quasi gefal­ tet wird.

Diese Vorgehensweise wird insbesondere bei der Herstellung von hochintegrierten ROMs eingesetzt, wie sie beispielsweise in den deutschen Patentanmeldungen Nr. 19514834 und 19510042 beschrieben werden. Die Grabenwände müssen dann während des Herstellverfahrens in gezielter Weise behandelt werden, bei­ spielsweise müssen zur Herstellung von vertikalen Transisto­ ren an den Wänden an vorgegebenen Stellen Dotierstoffe durch Implantation oder Diffusion eingebracht werden. Ein Weg zur Programmierung eines solchen vertikalen Transistors ist eine Implantation in seinen Kanalbereich, wobei die Implantation unter einem schrägen Winkel (d. h. nicht parallel oder senk­ recht zur Grabenwand) und mit Hilfe einer Lackmaske erfolgen muß. Die Lackmaske muß an den zu implantierenden Stellen der Grabenwand Öffnungen besitzen und die nicht zu implantieren­ den Stellen vollständig bedecken.

In vielen Fällen soll an einer Wand des Grabens ein Transi­ stor implantiert werden, während an der gegenüberliegenden Grabenwand keine Implantation stattfinden soll. Das bedeutet, daß innerhalb des Grabens eine Öffnung in der Lackmaske vor­ handen sein muß, deren Durchmesser geringer als die Graben­ breite ist, beispielsweise halb so groß.

Um die maximale Integrationsdichte zu erreichen, ist es aber wünschenswert, daß die Breite der Gräben gleich der fototech­ nisch minimal erzeugbaren Strukturbreite F ist. In der Lack­ maske muß dann eine Öffnung mit dem Durchmesser 0,5 F her­ stellbar sein, dies ist fototechnisch nicht mehr herstellbar. Aufgrund von Beugungseffekten ist eine Strukturierung der Lackmaske bis in die Gräben hinein nicht möglich. Fig. 2 stellt die Situation dar, die mit optischer Strukturierung, d. h. Belichten und Entwickeln eines aufgebrachten Fotolacks, erreichbar ist. Die Grabenwände können nicht freigelegt wer­ den, eine Implantation in die Grabenwände ist daher nicht möglich.

Dieses Problem kann durch die Verwendung von zwei Lackmasken gelöst werden, wobei je eine zur Implantation von rechter bzw. linker Grabenwand eingesetzt wird. Allerdings ist die Verwendung von zwei Lackmasken umständlich und kosteninten­ siv, insbesondere bei einer sogenannten Multilevel-Program­ mierung, wo für jede Programmierebene zwei Masken nötig wären.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Herstellung einer Lack­ maske über einem Graben der minimalen optisch erzeugbaren Strukturbreite F, die eine erste Grabenseite bedeckt und die gegenüberliegende zweite Grabenseite freilegt.

Die Erfindung sieht vor, im Anschluß an eine optische Struk­ turierung der Lackschicht (d. h. Belichten und Entwickeln) diese anisotrop zu ätzen, so daß die Lackkontur parallel nach unten versetzt wird. Wesentlich ist, daß die Dicke des nicht­ belichteten Lacks nach dem Entwickeln größer ist als die Grabentiefe, damit an den nichtbelichteten Stellen die Substratoberfläche zwischen benachbarten Gräben nach der ani­ sotropen Ätzung noch mit Lack bedeckt ist. Auf diese Weise ist es möglich, die zweite Grabenwand im wesentlichen frei zu­ legen, während die erste vollständig mit Lack bedeckt bleibt. Vorzugsweise wird die Grabenwand vollständig freigelegt, und die Atzung stoppt auf dem Grabenboden.

Eine derartige Lackmaske kann für eine schräge Implantation der Grabenwände bei der Herstellung eines ROM genutzt werden. Sie kann aber auch zur Strukturierung einer abgeschiedenen hochdotierten Schicht, die mittels Austreiben des Dotierstoffes zur Dotierung der Grabenwände dienen soll, ein­ gesetzt werden.

Ferner kann die Lackmaske auch bei einem Graben mit einer schrägen Seitenwand eingesetzt werden.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbei­ spielen, die in den Zeichnungen dargestellt sind, näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 bis 4 einen Querschnitt durch ein Halbleitersubstrat, an dem ein Ausführungsbeispiel der Erfindung verdeutlicht wird,

Fig. 5 bis 6 eine weitere Anwendung der erfindungsgemäßen Lackmaske.

Fig. 1: In einem Silizium-Halbleitersubstrat 1, dessen Ober­ fläche mit 1′ bezeichnet ist, befindet sich ein Graben 2. Der Graben besitzt eine erste Grabenwand 2a und eine gegenüber­ liegende zweite Grabenwand 2b, die beispielsweise im wesent­ lichen senkrecht zur Oberfläche 1′ verlaufen, sowie einen Grabenboden 2c. Auf der Substratoberfläche 1′ entspricht die Breite des Grabens der optisch minimal erzeugbaren Struktur­ breite F. In Längsrichtung (d. h. senkrecht zur Zeichenebene) kann die Ausdehnung größer sein. Wie in der Zeichnung darge­ stellt sind benachbart zum Graben 2 und vorzugsweise parallel zu ihm weitere Gräben angeordnet.

Fig. 2: Auf das so strukturierte Halbleitersubstrat 1 wird eine Fotolackschicht 3 aufgetragen, deren Schichtdicke größer ist als die Grabentiefe T. Die Fotolackschicht 3 wird mit der sogenannten Programmiermaske 4 belichtet. Die Programmier­ maske ist an denjenigen Stellen offen, an denen später die Grabenwand implantiert werden soll. Die Löcher in der Programmiermaske haben mindestens die Kantenlänge F und sind vorzugsweise im Rahmen von Justiertoleranzen über der Graben­ kante zentriert. Dort, wo die Öffnung in der Maske mit den lackgefüllten Gräben überlappt, wird der Lack nach der Ent­ wicklung aufgrund der Beugungseffekte nur leicht aus den Gräben entfernt. Im Allgemeinen bleibt der überwiegende Teil des Grabens mit Lack gefüllt. Die Belichtung wird vorzugs­ weise so bemessen, daß der belichtete Lack an der Substrat­ oberfläche 1′ nach der Entwicklung entfernt ist und die Ober­ fläche 1′ freiliegt. An den nicht belichteten Stellen ent­ spricht die Schichtdicke des Lacks 3 über der Substratober­ fläche 1′ im wesentlichen der ursprüngliche aufgebrachten Dicke, über dem Graben ist sie um die Grabentiefe T größer. Zumindest muß die Lackdicke im Bereich oberhalb der ersten Grabenwand größer sein als die Grabentiefe T. Im Bereich oberhalb der zweiten Grabenwand ist die Lackdicke vorzugs­ weise kleiner sein als T. Die Differenz dieser beiden Lack­ dicken muß mindestens T betragen, wenn die zweite Grabenwand vollständig freigelegt werden soll, während die erste Graben­ wand vollständig bedeckt bleibt. Durch die Differenz der beiden Lackdicken wird vorgegeben, bis zu welcher Tiefe die zweite Grabenwand später freigelegt wird bei vollständiger Bedeckung der ersten Grabenwand. Im Hinblick auf die gestellte Aufgabe ist es daher sinnvoll, daß diese Differenz größer als die halbe Grabentiefe ist.

Fig. 3: Zur Erzeugung der Lackmaske 3′ wird anschließend der Lack 3 im betrachteten Gebiet ganzflächig anisotrop geätzt, zum Beispiel mittels eines Sauerstoffplasmas. Die Atzung erfolgt selektiv zur Substratoberfläche 1′ (zum Beispiel Silizium bzw. dem im Ätzprozeß entstehenden Siliziumoxid). Die Topographie der Lackoberfläche wird dadurch parallel nach unten versetzt, die Topographie des Substrats 1 bleibt unver­ ändert erhalten. Der Ätzprozeß wird vorzugsweise dann ge­ stoppt, wenn der Grabenboden 2c frei liegt. Dann ist die erste Grabenwand 2a vollständig mit Lack bedeckt und die gegenüberliegende zweite Grabenwand 2b ist vollständig frei­ gelegt. In dem Graben 2 befindet sich quasi ein Loch im Lack mit einer Abmessung unterhalb der Strukturbreite F. Dies ist möglich, da eine Ionenätzung in ihrer Auflösung nicht durch die für eine Fototechnik begrenzende Beugung limitiert ist. Bei dem Ätzprozeß wird auch der nichtbelichtete Lack auf der Substratoberfläche 1′ gedünnt. Da die Lackdicke größer als die Grabentiefe T gewählt ist, wird der Lack hier nicht voll­ ständig entfernt.

Fig. 4: Nun folgt die schräge Implantation mit Ionen 5 in die Kanalbereiche der herzustellenden vertikalen Transisto­ ren. Die Dünnung des nicht belichteten Lacks 3′ auf der Ober­ fläche 1′ ist vorteilhaft, da hierdurch das Aspektverhältnis des Loches (d. h. Tiefe/Breite) verringert wird und somit der Implantationswinkel und damit die Projektion des Implanta­ tionsstromes auf die Grabenwand vergrößert werden können. Dies ermöglicht die Verwendung von kleineren Implantations­ dosen für eine vorgegebene zu erreichende Dotierstoffkonzen­ tration an der Grabenwand.

Fig. 5: Das Verfahren zur Herstellung der beschriebenen Lackmaske kann auch bei anderen Prozessen integriert werden, insbesondere bei Dotierung der Seitenwände eines Grabens durch Ausdiffusion aus einer hochdotierten Schicht. In Fig. 5 ist auf dem mit Gräben 2 versehenen Substrat 1 eine hochdo­ tierte Schicht 6 konform aufgebracht (beispielsweise eine Polysiliziumschicht oder eine Arsen-Teos-Schicht), und auf dieser ist wie oben beschrieben die Lackmaske 3′ hergestellt (Die Bezugsziffern entsprechen denen in Fig. 1-4). Der Ätzprozeß muß dabei selektiv zur hochdotierten Schicht gewählt werden.

Fig. 6: Durch die Öffnungen in der Lackmaske wird dann die hochdotierte Schicht 6 geätzt, beispielsweise in einem Naß­ ätzprozeß. Für ein gleiches Programmierergebnis muß hier ent­ sprechend das Negativ der oben beschriebenen Programmiermaske verwendet werden, da die Dotierung an den mit Lack bedeckten Stellen erfolgt. Nach Entfernung der Lackmaske wird der Dotierstoff mit bekannten Verfahren in das Substrat ausge­ trieben.

Auch eine sogenannte Multilevel-Programmierung ist mit der erfindungsgemäß hergestellten Lackmaske vorteilhaft durch­ führbar. Beispielsweise wird für eine 4-Level-Programmierung der beschriebene Verfahrensablauf dreimal mit jeweils ver­ schiedenen Programmiermasken 4 und vorgewählten Implantationsdosen durchgeführt.

Claims (10)

1. Herstellverfahren für eine Lackmaske auf einem Substrat (1) mit einem Graben (2) der Breite F und der Tiefe T, wobei die Lackmaske eine erste Grabenwand (2a) bedeckt und die ge­ genüberliegende zweite Grabenwand (2b) im wesentlichen frei läßt, mit folgenden Schritten

• - Aufbringen einer Fotolackschicht (3), deren Schichtdicke auf der Substratoberfläche (1′) außerhalb des Grabens größer ist als die Grabentiefe (T),
• - Belichten und Entwickeln der Fotolackschicht (3) derart, daß die Lackschichtdicke im Bereich oberhalb der ersten Grabenwand (2a) größer ist als die Grabentiefe (T) und die Differenz der Lackschichtdicken im Bereich oberhalb der ersten (2a) und der zweiten Grabenwand (2b) größer als die halbe Grabentiefe (T) ist,
• - Erzeugen der Lackmaske (3′) durch anisotropes Ätzen der Fo­ tolackschicht (3) selektiv zum Substrat, bis die zweite Grabenwand (2b) im wesentlichen freigelegt ist.

2. Herstellverfahren nach Anspruch 1, bei dem nach dem Ent­ wickeln der Fotolackschicht (3) der Bereich oberhalb der zweiten Grabenwand freigelegt ist.

3. Herstellverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, bei dem der Ätzprozeß die zweite Grabenwand vollständig freilegt.

4. Herstellverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Ätzprozeß in einem Sauerstoffplasma durchgeführt wird.

5. Herstellverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem nach dem Ätzprozeß eine Implantation der zweiten Graben­ wand (2b) erfolgt.

6. Herstellverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Grabenbreite F durch die minimale optisch erzeugbare Strukturbreite vorgegeben ist.

7. Herstellverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 6, bei dem vor Aufbringen der Fotolackschicht (3) auf dem Substrat (1) eine hochdotierte Schicht (6) aufgebracht wird und der Ätzprozeß selektiv zu der hochdotierten Schicht (6) erfolgt.

8. Herstellverfahren nach Anspruch 7, bei dem nach dem Ätz­ prozeß die freiliegende hochdotierte Schicht (6) entfernt wird.

9. Herstellverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die erste und/oder zweite Seitenwand senkrecht zur Substratoberfläche (1′) verläuft.

10. Verwendung einer Lackmaske nach einem der Ansprüche 1 bis 6, 8 als Implantationsmaske bei der Herstellung eines ROM.