DE2338160A1 - Verfahren zur vorbereitung eines plaettchens fuer die halbleiterherstellung - Google Patents

Verfahren zur vorbereitung eines plaettchens fuer die halbleiterherstellung

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Description

Telefon (O 70 31) 289 73 -66 74 32
Case 758 · 23. Juli 1973
BL/is
Hewlett-Packard Company
1501 Page Mill Road
Palo Alto
California 94304
U.S.A.
VERFAHREN ZUR VORBEREITUNG EINES PLÄTTCHENS FÜR DIE HALBLEITERHERSTELLUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Vorbereitung eines Plättchens für die Halbleiterherstellung durch Übertragung eines Flächenmusters von einer mit diesem bedruckten Maske auf das Plättchen, wobei auf das Plättchensubstrat eine Isolierschicht aus einem oder mehreren isolierenden Materialien sowie eine Schicht aus lichtempfindlichem Material aufgebracht werden.
Moderne Verfahren zur Herstellung von miniaturisierten Halbleiterbauelementen beinhalten viele Stufen der Beschichtung und Ätzung eines Plättchens aus geeignetem Material. Mit der Verkleinerung der seitlichen Abmessungen der Bauelemente sind bei den üblichen Maskierungsverfahren für die Festlegung der zu ätzenden Bereiche des Plättchens ernsthafte Schwierigkeiten aufgetreten. Das übliche Verfahren zur Festlegung dieser Bereiche besteht darin, daß auf "das Plättchen eine Schicht aus lichtempfindlichem Material, z. B. einem positiv oder negativ lichtbeständigen Material aufgebracht wird und daß dann ausgewählte Bereiche des lichtbeständigen Materials
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belichtet werden. Im Falle von handelsüblichen negativ lichtbeständigen Materialien, z.B. KTFR, werden die belichteten Bereiche in einem Entwickler unlöslich gemacht, während die nicht belichteten Bereiche aufgelöst werden. Im Falle von handelsüblichen positiv lichtbeständigen Materialien, z.B. AZ-1350, werden die belichteten Bereiche in einem Entwickler ausgewaschen, während die nicht belichteten Bereiche 'bestehen bleiben. In beiden Fällen bildet das auf dem Plättchen verbleibende lichtbeständige Material ein Muster für die nachfolgende Ätzung einer Isolierschicht, z.B. eines Oxids unterhalb der lichtbeständigen Schicht. Das Muster soll dabei ein getreues Abbild eines Originalmusters sein, welches von einer mit dem Muster bedruckten Maske auf die lichtempfindliche Schicht übertragen worden ist.
Bei einem bekannten Verfahren zur übertragung des Musters, genannt Kontaktmaskendruck, werden Maske und Plättchen in engen Kontakt miteinander gebracht, um ihre einander zugewandten Oberflächen in parallelen Ebenen relativ zueinander auszurichten. Maske und Plättchen werden dann ein wenig voneinander entfernt und gegeneinander bewegt, um das Maskenmuster zum Muster auf der Oberfläche der lichtempfindlichen Schicht auszurichten, indem Maske und Plättchen durch ein Mikroskop betrachtet werden. Maske und Plättchen werden dann wieder in gegenseitigen Kontakt gebracht und durch eine Lichtquelle beleuchtet, um die lichtempfindliche Schicht zu belichten. Die Hauptschwierigkeit bei der Benutzung dieses Verfahrens zur Herstellung von Bauelementen, deren kleinste Abmessung weniger als 1,0 ym beträgt, besteht darin, daß das Licht an den das Muster bildenden Schlitzen auf der Maske gebeugt wird, so daß die Bilder· der Schlitze auf der lichtempfindlichen Schicht breiter sind als die tatsächlichen Schlitze auf der Maske. Darüber hinaus ist die Breite der Schlitzbilder nicht einheitlich, da die Größe der Aufspreizung des Lichtstrahles von der Dicke der verbleibenden dünnen Luftschicht zwischen der Maske und der lichtempfindlichen Schicht abhängt, und die Dicke der Luftschicht von einer zur anderen Stelle auf dem Plättchen leicht variieren kann."Zusätzliche Probleme ergeben sich aus der Abnützung sowohl der Maske als auch des Plättchens als Ergebnis des physikalischen Kontaktes zwischen beiden.
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Um diese Probleme zu überwinden, ist ein anderes Verfahren eingeführt worden, welches Maskenprojektionsdruck genannt wird und bei dem die Maske nicht in Kontakt mit dem Plättchen kommt. Bei diesem Verfahren passiert das Licht zunächst die Maske und wird dann über ein Linsensystem geleitet, welches als umgekehrtes Mikroskop wirkt und das Maskenbild um einen bestimmten Faktor, beispielsweise den Faktor 10, verkleinert. Das Bild wird dann auf das Plättchen projiziert, wo die lichtempfindliche Schicht belichtet wird und das Muster reproduziert wird. Die Ausrichtung erfolgt wiederum optisch, wobei die Auflösungsprobleme des Objektives dadurch gemildert werden, daß das Mikroskop schrittweise versetzt wird, so daß kleine Bereiche auf dem Plättchen nacheinander ausgerichtet und belichtet werden. Das Blickfeld jedes Bereiches ist dann klein genug, um sicherzustellen, daß das umgekehrte Mikroskop ein angemessenes Auflösungsvermögen hat.
Bei der Benutzung dieses Projektionsdruckverfahrens ergibt sich jedoch eine Schwierigkeit, die daher rührt, daß das zur· Belichtung verwendete Licht monochromatisch sein muß, was wiederum erfordert, daß das von dem Licht belichtete lichtempfindliche Material ein positiv lichtbeständiges Material sein muß.
Diese Erfordernisse ergeben sich daraus, daß das zur Verkleinerung des Bildes benutzte Linsensystem die Fähigkeit haben muß, in einem großen Bereich 1 ym breite Einzelheiten aufzulösen. Dies kann mit tragbarem Aufwand nur erreicht werden, wenn das System für monochromatisches Licht ausgelegt ist. Nun ist es aber bekannt, daß monochromatisches Licht zwar positiv lichtbeständige Materialien richtig belichten kann, daß dies jedoch nicht für negativ lichtbeständige Materialien gilt. Das Maskenprojektionsdruckverfahren erfordert dementsprechend die Benutzung eines positiv lichtbeständigen Materials, z. B. AZ-1350.
Die beim Stand der Technik sich aus den oben genannten Erfordernissen ergebenden Probleme lassen sich am leichtesten anhand von Fig. 1 verstehen, welche einen Querschnitt durch ein typisches Plättchen zur Herstellung von Halbleiterbauelementen zeigt. Die Schicht 1 ist ein Substrat aus einem Halbleitermaterial, z. B.
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Silicium, auf welches eine Schicht aus Isoliermaterial 2, z.B. ein Oxid aufgebracht ist. Auf die Isolierschicht 2 ist eine Schicht aus lichtempfindlichem Material 3 aufgetragen.
Der mit I bezeichnete Pfeil stellt zur Belichtung auf das Plättchen einfallendes monochromatisches Licht dar, welches bereits· eine Maske und ein umgekehrtes Mikroskop (nicht dargestellt) passiert hat, welches das Bild verkleinert und es auf das Plättchen fokussiert. Der Lichtstrahl I geht durch die Schicht aus lichtempfindlichem Material 3 hindurch und dringt in die Isolierschicht 2 ein, wobei normalerweise an der Grenze zwischen den Schichten 2 und 3 nur eine geringe Reflexion auftritt, da der Brechungsindex des lichtempfindlichen Materiales sehr nahe am Brechungsindex des Isoliermaterials liegt. Nach Passieren der Isolierschicht wird ein Teil des Lichtes, dargestellt durch I-, an der Grenze zwischen Isolierschicht und Substrat 1 reflektiert. Dieser Lichtanteil wird zurück durch die Isolierschicht in die lichtempfindliche Schicht übertragen. Im allgemeinen sind die Wellen I und I1 optischen Interferenzen in der lichtempfindlichen Schicht unterworfen, wodurch eine stehende Welle entsteht, deren im lichtempfindlichen Material verteilten Knoten eine minimale Belichtung und deren Schwingungsbäuche eine maximale Belichtung bewirken. Wenn die Intensität des einfallenden Lichtes so ist, daß die richtige Belichtung in den Schwingungsbäuchen gegeben ist, werden die Bereiche des Materiales in der Nähe der Knoten unterbelichtet. Das führt dazu, daß die lichtempfindliche Schicht durch die Entwicklung nicht vollständig geöffnet wird, um.das Ätzen der Isolierschicht zu ermöglichen. Wenn andererseits die Intensität des Lichtes vergrößert wird, um die Schwingungsknoten vollständig zu belichten und somit das lichtempfindliche Material zu öffnen, werden die Bereiche in der Nähe der Schwingungsbäuche überbelichtet, was zu einer schwachen Musterfestlegung auf dem Plättchen führt. Beide der angeführten Konsequenzen aus der optischen Interferenz in der lichtempfindlichen Schicht sind bei der Arbeit in Größenordnungen von 1 ym unannehmbar.
Ein zusätzliches Problem beim Stand der Technik gemäß Fig. 1 besteht darin, daß die handelsüblichen positiv lichtbeständigen
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Materialien, die zur Erzielung einer guten Belichtung durch beim Ausrichtungsvorgang der Projektionsmaske benutztes monochromatisches Licht benutzt werden müssen, sehr schlecht auf den Materialien haften, die sich für die Benutzung als Isolierschicht eignen.
Der vorliegenden Erfindung lieget u.a. die Aufgabe zugrunde, die Amplitude der stehenden Wellen zu reduzieren, die eine nicht einheitliche Belichtung über die lichtempfindliche Schicht verursachen. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, einen sicheren Weg zur Befestigung der lichtempfindlichen Schicht auf der Oxidschicht vorzusehen. -
Zur Lösung dieser Aufgaben ist erfindungsgemäß bei einem Verfahren der eingangs genannten Gattung vorgesehen, daß eine reflektionsdämpfende Schicht aus einem oder mehreren festen Materialien zwischen der Isolierschicht und der Schicht aus lichtempfindlichem Material aufgebracht wird, um die Amplitude des von den übrigen Schichten in die Schicht aus lichtempfindlichem Material reflektierten Lichtes zu verringern.
Die reflexionsdämpfende Schicht kann aus Metall, z.B. aus Molybdän bestehen, auf welchem das lichtempfindliche Material gut haftet und das auch dazu benutzt werden kann, die reflektierte Welle in dem lichtempfindlichen Bereich zu eliminieren. Die Metallschicht wird auf das Oxid unter Benutzung bekannter Verfahren aufgebracht, z.B. durch Aufspritzen. Die lichtempfindliche Schicht wird dann auf das Metall aufgetragen, auf welchem sie fest haftet.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird eine dünne Metallschicht aufgebracht, die genug Licht durchläßt, damit das von der Oxid-Substrat-Grenze reflektierte und zurück durch das Metall in das lichtempfindliche Material übertragene Licht das Licht auslöscht, das unmittelbar von dem Metall zurück in das lichtempfindliche Material reflektiert wird, vorausgesetzt, daß die verschiedenen Reflexionen sich in ihrer Phase um 180° unterscheiden. Die Dicke der Oxidschicht ist so gewählt, daß die reflektierten Wellen die passende Phasenbeziehung aufweisen, und die Dicke der Metallschicht ist so gewählt, daß ein passender
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Anteil des Lichtes übertragen wird, um eine vollständige Auslöschung der reflektierten Wellen in dem lichtempfindlichen Material zu erzielen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist auf dem Oxid eine dicke Metallschicht mit niedrigem Reflexionsvermögen aufgebracht, so daß nur ein kleiner Teil des auf das Metall auffallenden Lichtes zurück in das lichtempfindliche Material reflektiert wird. Durch dieses Vorgehen wird das Problem der nicht einheitlichen Belichtung nicht vollständig verhütet, jedoch wird die Einheitlichkeit wesentlich verbessert. Da die Ergebnisse nicht von der Dicke der Oxidschicht abhängen, ist ein derartiges Vorgehen in Fällen angebracht, wo die Dicke des Oxids schwierig zu steuern ist.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt, der den Stand der Technik darstellt und auf den bereits oben Bezug genommen wurde;
Fig. 2 einen Querschnitt zur Veranschaulichung eines bevorzugten Ausführungsbeispieles der vorliegenden Erfindung, bei welchem eine reflexionsmindernde Schicht zur Erzeugung von reflektierten Lichtwellen benutzt wird, die sich in der lichtempfindlichen Schicht gegenseitig auslöschen; und
Fig. 3 einen Querschnitt zur Veranschaulichung einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei welcher eine reflexionsmindernde Schicht benutzt wird, um einen großen Anteil des auf sie fallenden Lichtes zu absorbieren.
In Fig. 2 stellt die Schicht 1 das Substrat eines Plättchens aus einem geeigneten Halbleitermaterial, z.B. Silicium, dar.
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Einige andere, ebenfalls benutzbare Materialien sind Germanium, Galliumarsenid, Tantalnitrid, Molybdän oder Galliumarsenid mit epitaxial gezüchtetem Germanium auf der Oberfläche. Eine Isolierschicht 2 aus einem Material wie Siliciumdioxid (SiO2), aufgespritztem Quarz , Siliciumnitrid (Si3N4), Aluminiumoxid (Al2O3) oder Siliciummonoxid (SiO) ist wie beim Stand der Technik auf das Substrat aufgetragen. Der Bereich 4, der als reflexionsmindernde Schicht bezeichnet werden soll, besteht aus einem oder mehreren festen Materialien, z.B. Molybdän, Chrom, Gold, Nickel oder Tanitalnitrid. Eine Schicht aus lichtempfindlichem Material 3, wie sie auch gemäß dem Stand der Technik benutzt wird, ist auf die reflexionsmindernde Schicht 4 aufgetragen. Durch passende Auswahl der Dicke der reflexionsmindernden Schicht 4 und der Dicke der darunterliegenden Schicht aus Isoliermaterial 2 ist es möglich, daß jegliches Licht an einer Reflexion zurück in die lichtempfindliche Schicht 3 gehindert wird und daß folglich eine optische Interferenz und die daraus resultierende beim Stand der Technik vorhandene stehende Welle in der lichtempfindlichen Schicht zu eliminieren. Gleichzeitig ist es möglich, das Material für diese reflexionsmindernde Schicht so auszuwählen, daß das lichtempfindliche Material darauf fest haftet, wodurch die beim Stand der Technik vorhandenen Schwierigkeiten mit dem Nichthaften vermieden werden.
Der mit I bezeichnete Pfeil ist ein monochromatischer Lichtstrahl, der durch das beim Maskenprojektionsdruckverfahren benutzte umgekehrte Mikroskop auf das Plättchen fokussiert wird. Das Licht hat eine mit einem Muster versehene Maske passiert und wird benutzt, um dieses Muster auf das Plättchen zu übertragen, indem die lichtempfindliche Schicht 3 belichtet wird. I1 ist der Teil des Lichtstrahles, der durch die reflexionsmindernde Schicht 4 hindurch in die Isolierschicht 2 gelangt, während I„ der Teil des einfallenden Strahles ist, der von der reflexionsmindernden Schicht 4 reflektiert wird. (Wenn die reflexionsmindernde Schicht 4 dünn im Vergleich zur Wellenlänge des Lichtes ist, ist es gü ,<:tig, die von der oberen und der unteren Oberfläche der reflexionsmindernden Schicht 4 reflektierten Wellen als eine einzige kombinierte Reflexion zu betrachten, die in Fig. 2
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mit I_ bezeichnet ist.) I3 ist der Teil von I1, der von der Grenze zwischen dem Substrat 1 und der Isolierschicht 2 reflektiert wird, und I4 ist der Teil von I3, der durch die reflexionsmindernde Schicht 4 hindurch zurück in die lichtempfindliche Schicht 3 gelangt. Der Teil von I3, der an der Grenze zwischen Isolierschicht 2 und reflexionsmindernder Schicht 4 zurück in die Isolierschicht 2 reflektiert wird/ ist mit I5 bezeichnet, während I4. den Teil von Ic darstellt, der von der Grenze zwischen Substrat 1 und Isolierschicht 2 reflektiert wird. Schließlich ist I7 der Teil von I-, der durch die reflexionsmindernde Schicht 4 zurück
in die lichtempfindliche Schicht 3 gelangt. Es werden hier nur Reflexionen erster und zweiter Ordnung betrachtet, da Reflexionen höherer Ordnung im Verhältnis zu den ersten beiden Ordnungen vernachlässigbar kleine Amplituden haben. In der lichtempfindliche Schicht 3 sind dann die einfallende Welle I, die sich in Richtung auf die reflexionsmindernde Schicht 4 ausbreitet, sowie eine reflektierte Welle vorhanden, die die Summe aus I3, I. und I7 darstellt und sich in vom Substrat 1 des Plättchehs abgewandter Richtung ausbreitet.
Um die reflektierte Welle in der lichtempfindlichen Schicht 3 zu eliminieren, müssen die Amplituden- und Phasenbeziehungen zwischen den Wellen I3, I. und I7 so gewählt werden, daß die Interferenz zwischen diesen Wellen zu einer vollständigen Auslöschung führt. Dies kann dadurch erreicht werden, daß die Dicke h2 der Isolierschicht 2 so gewählt wird, daß I4 um 180° phasenverschoben gegenüber I3 ist, wobei I7 nahezu in Phase mit I2 gebracht wird. Die Gleichungen für die Phasenänderungen der reflektierten Wellen sind bekannt und finden sich z.B. im "American Institute of Physics Handbook", 2. Auflage 19 63, Seiten 6-1O4, 6-105. Unter Benutzung der Gleichungen dieser Quelle wird dann die Dicke h1 der reflexionsmindernden Schicht so ausgewählt, daß die Amplitude der Welle I. gleich der Summe der Amplituden der Wellen I3 und I7 ist. Da I. um 180° phasenverschoben zu I2 und I7 ist, ergibt sich eine vollständige Auslöschung zwischen diesen drei Wellen, und es wird kein Licht zurück in die lichtempfindliche Schicht 3 reflektiert. Die lichtempfindliche Schicht 3 wird dann ausschließlich durch die einfallende Welle I gleichmäßig belichtet.
409810/082 3·
In Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Der durchgezogene, mit I bezeichnete Pfeil stellt eine auf eine lichtempfindliche Schicht 3 fallende Lichtwelle dar, während der gestrichelte Pfeil I1 einen Teil von I darstellt, der durch eine Schicht 4 absorbiert wird, die für die Wellenlänge des einfallende Lichtes undurchsichtig ist und.die mehrere aufeinanderfolgend angeordnete verschiedene Materialien aufweisen kann. Der Bereich 2 ist eine Isolierschicht, und der Bereich 1 ist das Plättchensubstrat. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung ist die undurchsichtige Schicht 4 genügend dick und lichtabsorbierend, daß ein großer Teil des einfallenden Lichtes in der Schicht absorbiert wird, während nur ein kleiner Anteil I9 zurück in die lichtempfindliche Schicht 3 reflektiert wird. Obwohl dieses reflektierte Licht noch optisch mit dem einfallenden Licht in der lichtempfindlichen Schicht 3 interferiert, führt der große Unterschied zwischen der Amplitude des reflektierten Lichtes und der Amplitude des einfallenden .Lichtes zu einer wesentlich gleichförmigeren Belichtung als es nach dem Stand der Technik der Fall ist. Der Vorteil der Benutzung einer dicken absorbierenden Schicht wie in diesem Aus^ führungsbeispiel der Erfindung liegt darin, daß die Verringerung der Amplitude der reflektierten Welle nicht von der Dicke der darunterliegenden Isolierschicht abhängt, so daß dieses Verfahren in den Fällen benutzt werden kann, wo es schwierig wäre, die Dicke dieser Schicht zu steuern.
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Claims (7)

Case 758 Hewlett-Packard Company 23. Juli 1973 Patentansprüche
1.) Verfahren zur Vorbereitung eines Plättchens für die Halbleiterherstellung durch übertragung eines Flächenmusters von einer mit diesem bedruckten Maske auf das Plättchen, wobei auf das Plättchensubstrat eine Isolierschicht aus einem oder mehreren isolierenden Materialien sowie eine Schicht aus lichtempfindlichem Material aufgebracht werden, dadurch gekennzeichnet, daß eine reflexionsmindernde Schicht aus einem oder mehreren festen Materialien zwischen der Isolierschicht und der Schicht aus lichtempfindlichem Material aufgebracht wird, um die Amplitude des von den übrigen Schichten in die Schicht aus lichtempfindlichem Material reflektierten Lichtes ai verringern.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht so dick gemacht wird, daß in der lichtempfindlichen Schicht eine erste, von der Grenze zwischen dem Plättchensubstrat und der Isolierschicht reflektierte Welle entsteht, die um 180° phasenverschoben zu einer zweiten, von der reflexionsmindernden Schicht in die Schicht aus lichtempfindlichem Material zurückreflektierten Welle ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die reflexionsmindernde Schicht so dick gemacht wird, daß der Anteil des durch sie hindurch geleiteten Lichtes so groß ist, daß in der Schicht aus lichtempfindlichem Material die Amplitude der ersten Welle gleich der Summe der Amplituden der zweiten Welle und einer dritten Welle ist, die ein zweites Mal von der Grenze zwischen Plättchensubstrat
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und Isolierschicht reflektiert wird, nachdem sie einmal von der Grenze zwischen Plättchensubstrat und Isolierschicht zurück in die reflexionsmindernde Schicht reflektiert worden ist und dann von der reflexionsmindernden Schicht zur Grenze zwischen Plättchensubstrat und Isolierschicht reflektiert worden ist. .
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die der Schicht aus lichtempfindlichem Material
. . benachbarte reflexionsmindernde Schicht ein für die Wellenlänge des Lichtes undurchsichtiges Material verwendet wird, so daß ein großer Anteil des auf die reflexionsmindernde Schicht fallenden Lichtes absorbiert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für das Plättchensubstrat Silicium, Germanium, Galliumarsenid, Tantalnitrid, Molybdm oder Galliumarsenid mit epitaxial auf der Oberfläche gezüchtetem Germanium verwendet wird, daß als Material für die Isolierschicht Siliciumdioxid (SiO2) , aufgespri'tzter Quarz, Siliciumnitrid (Si_N.), Aluminiumoxid (Al3O3) oder Siliciummonoxid (SiO) verwendet wird und daß als Material für die reflexionsmindernde Schicht Molybdän, Chrom, Gold, Aluminium, Nickel cl r Tantalnitrid verwendet wird.
6. Verfahren nac Ansp1ach 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für das Plättchensubstrat Silicium, Germanium, Galliumarsenid, Tantalnitrid, Molybdän oder Galliumarsenid mit auf der Oberfläche epitaxial gezüchtetem Germanium verwendet wird, daß als Material für die Isolierschicht Siliciumdioxid (SiO2), aufgespritzter Quarz, Siliciumnitrid (Si3N4), Aluminiumoxid (Al3O3) oder Siliciummonoxid (SiO) verwendet wird und daß als Material für die reflexionsmindernde Schicht Molybdän, Chrom, Gold, Kupfer, Nickel, Aluminium oder Tantalnitrid verwendet wird.
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7. Verfahren nach Anspruch 1/ dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der ref lexionsinindernden Schicht und die Dicke der Isolierschicht so gewählt werden, daß zwischen den von anderen Schichten zurück in die lichtempfindliche Schicht reflektierten Lichtwellen eine Aus,löschung stattfindet·
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