DE3028308A1

DE3028308A1 - Verfahren zum erzeugen von reliefstrukturen aus strahlungsempfindlichen lacken auf einem substrat, insbesondere fuer die herstellung von integrierten halbleiterschaltungen

Info

Publication number: DE3028308A1
Application number: DE19803028308
Authority: DE
Inventors: William George Prof. El Cerreto Calif. Oldham
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1980-07-25
Filing date: 1980-07-25
Publication date: 1982-02-25

Description

Verfahren zum Erzeugen von Reliefstrukturen aus
strahlungsempfindlichen Lacken auf einem Substrat, insbesondere für die Herstellung von integrierten Halbleiterschaltungen.
Die vorliegende Patentanmeldung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von Reliefstrukturen auf einem Substrat, insbesondere für die Herstellung von integrierten Halbleiterschaltungen unter Anwendung von strahlungsempfindlichen Lacken auf der Basis von Phenol-Kondensationsharzen mit einer vom Diazo-Typ bestehenden photo aktiven Komponente, bei dem die photoaktisXre Komponente im Lack durch Bestrahlung chemisch abgebaut wird und sich bei der anschließenden Entwicklung der Lackschicht ein unterschiedliches Lösungsverhalten der belichteten Bereiche in Abhängigkeit vom Feuchtegehalt der Bestrahlungsatmosphäre bemerkbar macht.
Die vorliegende Erfindung geht auf einen Aufsatz von J. Pacansky und J. R. Lyerla aus dem IBM J. Res. Develop.
Vol. 23, No. 1, Januar 1979 auf den Seiten 42 bis 51, insbesondere Seite 50, zurück, aus dem der photochemische Zerfallsmechanismus für Photolacke auf der Basis methylierter Phenolharze oder Novolak mit photo aktiven Komponenten aus Diazo-o-naphtochinonen zu entnehmen ist In diesem Aufsatz wird festgestellt, daß bei dem Zerfall der photoaktiven Komponente durch Bestrahlung im Uv-Licht die Entstehung der verschiedenen Reaktionsprodukte von dem Feuchte gehalt der bei der Bestrahlung herrschenden Atmosphäre abhängig ist. So entsteht bei der Bestrahlung im Vakuum (wasserfrei) neben der Vernetzung des Harzes ein Ester. Bei der anschließenden ganzflächigen Be- strahlung an Luft findet eine Säurebildung in Form von 3-Indencarboxylsäure in den vorher unbelichteten Bereichen statt. Durch diesen Effekt wird bei der anschließenden alkalischen Entwicklung im gleichen Entwickler ein unterschiedliches Lösungsverhalten der beiden nacheinander bestrahlten Bereiche festgestellt, wobei die Bereiche, in denen als Abbauprodukt 3-Indencarboxylsäure auftritt um mehr als zwei Größenordnungen leichter löslich sind als die Bereiche, in denen als Abbauprodukt ein Ester auftritt. Der gleiche Effekt tritt auch auf, wenn die Belichtung in umgekehrter Reihenfolge stattfindet, das heißt, erst eine maskierte Bestrahlung an Luft und dann eine ganzflächige Bestrahlung im Vakuum durchgeführt wird. Der Unterschied ist nur, daß im ersten Fall ein negatives Bild, im zweiten Fall ein positives Bild entsteht.
Aus dem IEEE Transaction on Electron Devices, Vol. ED 25, No. 4, April 1978, sind aus einem Aufsatz von Shaw und Hatzakis auf den Seiten 425 bis 430, insbesondere Seite 428 die Lösungsgeschwindigkeiten in Entwicklern von Positiv-Photolacken vom Diazotyp nach Elektronenbestrahlung und normaler Belichtung zu entnehmen. Dabei ergibt sich aus Figur 4, daß nach erfolgter Elektronenbestrahlung die Lösungsgeschwindigkeit ab einer bestimmten Schichtdicke zunimmt oder höher ist, als bei der UV-Bestrahlung.
Die Erfindung nutzt die Vorteile der in den IBM-Aufsatz aufgezeigten Erkenntnisse zur Lösung der Aufgabe, Reliefstrukturen aus einem hochauflösenden, hochätzbeständigen Negativ-Elektronenlack, wie sie für die Herstellung von Leiterbahnen in integrierten Halbleiterschaltungen im 1- Xum-Bereich erforderlich sind, durch Bildumkehr zu erzeugen und schlägt ein Verfahren der eingangs genannten Art vor, welches erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß die auf einem Substrat aufgebrachte l#chtempfind- liche Lackschicht mit einem den Reliefstrukturen entsprechenden Muster im Vakuum mit Elektronenstrahlung beaufschlagt wird, wobei die photoaktive Komponente in den entsprechenden Bereichen chemisch abgebaut wird, daß dann das mit der Lackschicht versehene Substrat einer ganzflächigen Uv-Bestrahlung in feuchter Atmosphäre ausgesetzt wird, wobei die photoaktive Komponente in den Bereichen der Lackschicht, die nicht mit der Elektronenstrahlung beaufschlagt war, chemisch abgebaut wird und daß abschließend die gesamte Anordnung in einem Entwickler behandelt wird, wobei die belichteten Bereiche der nicht mit der Elektronenstrahlung beaufschlagten Lackschicht gelöst werden, während die mit der Elektronenstrahlung belichteten Bereiche praktisch nicht gelöst werden.
Dabei liegt es im Rahmen der Erfindung, daß als lichtempfindliche Lackschicht eine Mischung aus substituierten Diazo-orto-naphtochinonen als photoaktive Komponente in Phenolharzen vom Novolak-Typ und als Entwickler eine wäßrige alkalische Entwicklerlösung mit oder ohne organische Ammoniumbasen verwendet wird.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel nach der Lehre der Erfindung wird die Elektronenbestrahlung mit einer Dosis im Bereich von 20 bis 30 /uC (Coulomb)/cm2 und die W-Bestrahlung in feuchter Atmosphäre mit einer Dosis im Bereich von 100 bis 1000 mJ/cm2 durchgeführt.
Durch das Verfahren nach der Lehre der Erfindung ergeben sich gegenüber den bekannten Verfahren der Herstellung von Reliefstrukturen mittels der Elektronenstrahllithographie, bei der bis jetzt nur Positiv-Resists verwendet wurden, folgende Vorteile: 1. Es wird ein negativ-arbeitender Lack erhalten, der wenig oder fast keine Quellung (swelling) und eine ge- ringe Strahlenempfindlichkeit aufweist.
2. Es wird eine hohe Auflösung im Bereich von 0,5 bis 1 /um, abhängig von den Ausgangslackdicken erreicht.
3. Der Lack ist sowohl als Positiv- als auch als Negativ-Lack verwendbar.
4. Das Verfahren ist mit den normalen photolithographischen Prozeß schritten der Halbleitertechnologie, wie Aufschleudern, Aufbringen von Haftvermittlern, Entwickeln, Lackentfernung und Ätzmaskierungen voll kompatibel.
5. Der Lack weist eine gute stabile Trockenätzresistenz (Plasmaätzen) auf.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels, welches die Herstellung einer Reliefstruktur auf einer Aluminiummetallisierung betrifft, anhand der Figuren 1 bis 5 noch näher erläutert. Dabei zeigen die Figuren 1 bis 4 im Schnittbild eine Anordnung während der Durchführung des erfindungsgemaßen Verfahrens und die Figur 5 in einem Diagramm die erzielte unterschiedliche Löslichkeit im Entwickler.
Figur 1: Auf ein mit einer Metallisierung 2 aus Aluminium versehenes Substrat 1 wird eine strahlungsempfindliche Lackschicht 3, bestehend aus einer Mischung von substituiertem Diazo-o-naphtochinon als photoaktive Komponente in Novolak (AZ-Resist) in einer Schichtdicke von 1 bis 2 /um auf gebracht.
Figur 2: In dieser Lackschicht 3 wird im Vakuum (üblicherweise 10 5 - 10 6 Torr) durch Elektronenstrahlschreiben (siehe Pfeile 4) mit einer Dosis von 20 bis 30 /uC/cm2 eine Reliefstruktur entsprechend einem vorgegebenen Muster erzeugt, wobei in der Lackschicht 3 im Bereich 5 die photoaktive Komponente abgebaut wird. Dabei bildet sich neben einer Vernetzung des Harzes durch photochemische Reaktionen in der Verbindung ein Ester, welcher überwiegend die Ursache für die schwerere Löslichk#eit im Entwickler nach der späteren Uv-Bestrahlung ist.
Figur 3: Nach der Erzeugung der Struktur (5) mittels der Elektronenstrahllithographie (4) wird die Anordnung (1, 2, 3, 5) einer ganzflächigen Uv-Bestrahlung (siehe Pfeile 6) mit einer Dosis von 100 bis 1000 mJ/cm2{Y#euchter Atmosphäre ausgesetzt, wobei der elektronenbestrahlte Bereich 5 unverändert bleibt, während die photoaktive Komponente im restlichen Bereich 7 der Lackschicht 3 abgebaut wird und 3-Indencarboxylsäure entsteht, welche die Ursache für die leichtere Löslichkeit dieser Lackschichtbereiche 7 bei der nachfolgenden alkalischen Entwicklung ist. Eine Vernetzung der Harzkomponente im Lackbereich 7 findet hier nicht statt.
Figur 4: Die Anordnung (1, 2, 5, 7) wird dann in einem alkalischen Entwicklungsbad behandelt, wobei die zuletzt belichteten (UV-Bestrahlung in feuchter Atmosphäre) Teile 7 der Lackschicht 3 abgelöst werden, während der Bereich 5 der Lackschicht 3 nur in seinem oberen Bereich 8 leicht angelöst wird. Die Figur 4 zeigt die Anordnung nach der Entwicklung. Die strichpunktierte Linie 9 zeigt die Dicke der ursprünglichen Lackschicht 3 an.
Ein Vergleich der unterschiedlichen Lösungsgeschwindigkeit im Entwickler ist aus einem Diagramm in Figur 5 ersichtlich. Dabei ist im logarithmischen Maßstab als Ordinate die Löslichkeit S/So im Entwickler und als Abszisse die Bestrahlungsdosis D in /uC/cm2 aufgetragen. Die durchge- zogene Kurve entspricht der Uv-Bestrahlung in feuchter Atmosphäre, die strichlinierte Kurve der Elektronenbestrahlung im Vakuum (H20-frei) und die strichpunktlerte Kurve der Bestrahlung der Lackschicht ohne photoaktive Koaponente.
5 Patentansprüche 5 Figuren

Claims

Patentanspriiche .

1. Verfahren zum Erzeugen von Relie##£=#strukturen auf einem Substrat, insbesondere für die Herstellung von integrierten Haibleiterschaltungen, unter Anwendung von strahlungsempfindlichen Lacken auf der Basis von Phenol-Kondensationsharzen mit einer vom Diazo-Typ bestehenden photo~ aktiven Komponente, bei dem die photoaktive Komponente im Lack durch Bestrahlung chemisch abgebaut wird und sich bei der anschließenden Entwicklung der Lackschicht ein unterschiedliches Lösungsverhalten der belichteten Bereiche in Abhängigkeit vom Feuchtegehalt der Bestrahlungsatmosphäre bemerkbar macht, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die auf einem Substrat aufgebrachte lichtempfindliche Lackschicht mit einem den Reliefstrukturen entsprechendem Muster im Vakuum mit Elektronenstrahlung beaufschlagt wird, wobei die photoaktive Komponente in den entsprechenden Bereichen chemisch abgebaut wird, daß dann das mit der Lackschicht versehene Substrat einer ganzflächigen Uv-Bestrahlung in feuchter Atmosphäre ausgesetzt wird, wobei die photoaktive Komponente in den Bereichen der Lackschicht, die nicht mit der Elektronenstrahlung beaufschlagt war, chemisch abgebaut wird und daß abschließend die gesamte Anordnung in einem Entwickler behandelt wird, wobei die beliehteten Bereiche der nicht mit der Elektronenstrahlung beaufschlagten Lackschicht gelöst werden, während die mit der Elektronenstrahlung belichteten Bereiche nicht gelöst werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß als lichtempfindliche Lackschicht eine Mischung aus substituierten Diazo-o-.

naphtochinonen als photoaktive Kcmponenten in Phenolharzen vom Novolak-Typ verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß als entwickler eine wäßrige alkalische Entwicklerlösung mit oder ohne organische Ammoniumbasen verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Elektronenbestrahlung mit einer Dosis im Bereich von 20 bis 30 /uC/cm2 und die Uv-Bestrahlung in feuchter Atmosphäre mit einer Dosis im Bereich von 100 bis 1000 mJ/cm2 durchgeffihrt wird.

5. Lichtempfindliche Lackschicht aus Phenolkondensationsharzen wie Novolake mit einer photo aktiven Komponente aus substituierten Diazo-o-naphtochinonen, insbesondere für die Herstellung von Reliefstrukturen in integrierten Halbleiterschaltungen nach einem Verfahren nach Anaspruch 1 bis 4, -g e k e n n z e i c h n e t d u r c h die Verwendung als Negativ-Resist für Eleftronenbestrahlung.