DE3588185T2 - Verfahren zur Herstellung von gemusterten Photoschutzlackschichten - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von gemusterten Photoschutzlackschichten

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Description

    Technischer Bereich
  • Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Bildung einer Schicht aus strukturiertem Fotolack auf einem Substrat, die den Schritt des Ausbildens einer Schicht von polymerem Fotolackmaterial auf dem genannten Substrat beinhalten.
  • Eine besondere Anwendung der Erfindung ist eine fotolithografische Sperrschichtmaskierung, wie sie in der Halbleiter-Prozeßtechnologie angewendet wird.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Die Herstellung von Halbleiterbauelementen für großintegrierte Schaltungen durch Ausbilden von strukturiertem Fotolack, hier gleichbedeutend als Resist bezeichnet, Grenzschichten auf Halbleiterwafern, hier gleichbedeutend als Substrate bezeichnet, erfordert, daß solche Fotolackschichten ausreichend präzise geformt und positioniert sind, um eine zuverlässige Herstellung von äußerst klein strukturierten Konfigurationen zu erlauben, und ferner, daß solche Schichten frei von störenden Lochdefekten sind. Es ist allgemein bekannt, daß durch die Anwesenheit solcher "Loch"-Defekte beim Maskieren dielektrischer Schichten ein unerwünschtes Durchätzen und nachfolgende Kurzschlußpfade nach der Metallisierung in solchen Schichten entstehen können. Da ein Defekt in einem einzigen Leitweg oder Bauelement zur Folge haben kann, daß ein ganzer IC-Chip, der aus mehreren tausend solcher Bauelementen besteht, funktionsunfähig wird, hat die Eliminierung solcher Mängel zur Entwicklung einer Reihe verschiedener Techniken geführt, deren Ziel es ist, deren Auftreten auf ein absolutes Minimum zu reduzieren. Die nachfolgenden Diskussionen befassen sich hauptsächlich mit der Anwendung solcher Grenzschichten als Ätzgrenzschichten; die Beschränkungen des Standes der Technik und die Vorteile der vorliegenden Erfindung gegenüber diesen lassen sich daher gleichermaßen in bezug auf die übliche Praxis des Einsetzens solcher Strukturen als selektive Masken für Autrags-, Ionenimplantations-, Diffusions-, Abhebevorgänge usw. anwenden.
  • Positive Fotolacke, die derzeit für Halbleiterbearbeitungsvorgänge bevorzugt werden, werden gewöhnlich aus einem Polymer hergestellt, das in einem geeigneten Trägerlösungsmittel zur Erzeugung eines Lacks aufgelöst wird, und dieser Lack wird mit konventionellen Aufschleudertechniken aufgetragen, um eine dünne massive Schicht über einem Substrat zu bilden, nachdem das Trägerlösungsmittel durch Verdampfung entfernt wurde. Danach wird die Resistschicht selektiv einer Strahlung mit depolymerisierender Wellenlänge ausgesetzt, die durch eine strukturierte Maske geleitet wird, oder alternativ kann eine solche aktinische Strahlung auch direkt projiziert werden, wodurch eine lokale Depolymerisation des bestrahlten Resists zur Bildung eines Monomer bewirkt wird. Durch ein nachfolgendes Eintauchen des resistbeschichteten Substrats in ein Entwicklerlösungsmittel, das die Fähigkeit hat, das resultierende Monomer aufzulösen, ohne dabei das unexponierte Polymer in starkem Maße anzugreifen, wird eine Retention der gewünschten polymeren Fotolackstruktur bewirkt. Alternativ kann die selektiv exponierte Schicht "trockenentwickelt" werden, indem sie ionischen Plasmen bestimmter Gase mit ähnlichen selektiven Auflösungseigenschaften ausgesetzt wird.
  • Zur Erzielung einer maximalen Auflösung, d.h. um die kleinsten Öffnungen im Resist zu erzeugen, muß die Stärke der Resistschicht auf Werte von 500 Nanometer oder weniger gehalten werden. Leider haben Resistgrenzschichten von dieser geringen Stärke sehr häufig Mängel in Zusammenhang mit zufallsmäßigen Lochdefekten. Solche Mängel entstehen aus einer Reihe verschiedener Gründe, wie beispielsweise aufgrund von Staubpartikeln im fotolithografischen System und aufgrund von Maskendefekten.
  • Ein besonderes Problem in Zusammenhang mit der Fotolackauflösung entsteht aufgrund der vielschichtigen Natur gegenwärtiger Halbleiterbauelemente für integrierte Schaltungen. Die Oberflächentopografie von Wafern für integrierte Schaltungen in den letzen Phasen der Fertigung ist bei weitem nicht planar und ist gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Stufen, die jeweils in der allgemeinen Größenordnung von mehreren hundert Nanometern liegen, wobei solche Stufen die Ränder von Metallisierungen, Nitridverkappungsschichten und einer Reihe verschiedener anderer Schichtbegrenzungen repräsentieren, die den jeweiligen angewendeten Herstellungsprozessen eigen sind. Zur Erzielung der für die derzeit gewünschten kleinen Geometrien erforderlichen Auflösung müssen Fokus- und Randdefekte durch Benutzen einer äußerst planaren Fotolackoberfläche bei der Exposur auf ein Minimum reduziert werden. Wenn die Fotolackschicht zu dünn ist, dann wird dadurch die Oberflächentopografie des Substrats gewöhnlich vervielfältigt. Es wird somit in den letzten Phasen der Herstellung notwendig, Fotolackfilme mit erheblich größerer Dicke zu benutzen, um die Oberflächentopografie zu ebnen. Die gewählte Stärke solcher "Planarisierungs"-Schichten liegt gewöhnlich bei zwei- bis dreitausend Nanometern.
  • Zur Erzielung einer maximalen Strukturauflösung in einer mit einer Resistschicht einer solchen Dicke erzeugten Sperrschicht ist es bekannt, einen dreischichtigen Maskierungsaufbau mit einer relativ dicken Fotolackschicht mit einer Stärke von 2 Mikron oder mehr auszubilden, die mit mehreren dünnen Ergänzungs-Grenzschichten bedeckt ist. In der Praxis ist die oberste Schicht ein dünner Fotolack, und die nächsttiefere Schicht wird aus einem anorganischen Material wie Siliziumdioxid ausgebildet. Mit Hilfe einer komplexen Reihe von Strukturexposuren, Ätzungen und zwei separaten Fotolack-Entwicklungsschritten wird ein Maskierungsaufbau mit ausreichender Auflösung erzielt, um die Ätzgrenzschicht des Substrats herzustellen. Die Figuren 2A-2C zeigen ein solches bekanntes System, das nachfolgend ausführlicher erörtert wird. Eine ausführliche Diskussion dieser Technik befindet sich auch in dem Artikel "Multilayer Resists for Fine Line Optical Lithography" (Vielschichtige Resiste für feinlinige optische Lithografie) von Ong et al, Solid State Technology, S. 155- 160 (Juni 1984).
  • Die oben erwähnten Verfahren sind nicht nur recht komplex, sondern sie erfordern auch automatisch mehrere manuelle Handhabungsvorgänge, die zusätzliche Kosten und ein Beschädigungsrisiko beinhalten. Eine in den letzten Phasen der Bearbeitung auftretende Waferbeschädigung ist ein erhebliches Risiko, da die einzelnen Wafer in dieser Phase bereits recht wertvoll geworden sind.
  • Aus der EP-A-0 103 337 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelementes bekannt, bei dem eine fotosensitive Lackschicht, die ein polymeres Material und einen Sensibilisator mit einer Diazogruppe und einer Ketongruppe beinhaltet, auf einem Substrat ausgebildet wird. Die Lackschicht wird dann einer selektiven Strukturierungsstrahlung unterzogen, die in einer Ausgestaltung die bestrahlten Teile einer Oberflächenschicht der Lackschicht entwicklungsfähig macht. Nach der Strukturierungsstrahlung, aber vor der Entwicklung, wird die Lackschicht einer Zwischenbehandlung unterzogen, die einen ersten und einen zweiten Strahlungsvorgang beinhaltet. Während der ersten Strahlung wird eine Esterverbindung in einer oberen Schicht der Teile der Lackschicht ausgebildet, die durch die Strukturierungsstrahlung nicht bestrahlt wurden. In einem zweiten Strahlungsvorgang wird wenigstens ein Teil des Sensibilisators in den Teilen der Lackschicht unter der Oberflächenschicht in eine Säure umgewandelt. Somit werden Unterschiede im Hinblick auf die Löslichkeit, wenn die Lackschicht entwickelt wird, in den Teilen der Lackschicht erzielt, die während der Strukturierungsstrahlung in der Richtung der Dicke der Lackschicht nicht exponiert wurden.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der vorgegebenen Art bereitzustellen, bei dem eine hochauflösende strukturierte Fotolackschicht auf einfache Weise bereitgestellt werden kann.
  • Daher wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Schicht aus strukturiertem Fotolack auf einem Substrat bereitgestellt, umfassend die folgenden Schritte: Ausbilden einer Schicht aus polymerem Fotolackmaterial auf dem genannten Substrat, und Umwandeln gewählter, relativ dünner Zonen an der Oberfläche der genannten Schicht in eine monomere Form durch Aussetzen der genannten gewählten Zonen einer Energie mit einer depolymerisierenden Wellenlänge; gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: selektives Härten der genannten Schicht, um von einer Oberflächenzone des genannten polymeren Fotolackmaterials eine Oberflächenschicht zu bilden, die für weitere Energie mit depolymerisierender Wellenlänge im wesentlichen undurchlässig ist, ohne die genannten gewählten Zonen materiell zu beeinflussen; Aussetzen der genannten Schicht depolymerisierender Energie, gegenüber der die genannte Oberflächenschicht im wesentlichen undurchlässig ist, und Benutzen der genannten Oberflächenschicht als Maske, um auf diese Weise die Umwandlung von Zonen der genannten Schicht in eine monomere Form zu bewirken, die von den genannten gewählten Zonen über die gesamte Dicke der genannten Schicht verlaufen; und Herausentwickeln des monomeren Materials.
  • Es wurde gefunden, daß bestimmte Härtungstechniken, die bestimmte polymere positive Fotolacke in den Lösungsmitteln, in denen sie sonst aufgelöst würden, unlöslich machen, selektiv nur auf den polymeren Abschnitten einer exponierten, aber noch nicht entwickelten Schicht anwendbar machen, so daß es nicht notwendig ist, die Schicht zu entwickeln, um das exponierte Monomer vor dem Härten davon zu entfernen, wie dies früher die Praxis war. Solche selektiven Härtungstechniken beinhalten eine sachgemäß geregelte Gesamtaussetzung gegenüber Plasmen bestimmter Gase oder einem positiven Ionenbombardement, und werden so ausgelegt, daß sie ultraviolette Strahlung über einem Bereich von Wellenlängen beinhalten, die vernetzen, aber nicht depolymerisieren.
  • Der Begriff "aktinisch" wird nachfolgend ausschließlich zur Beschreibung einer normalen depolymerisierenden Strahlung verwendet.
  • Die Erfindung nutzt die Entdeckung aus, daß die selektiv gehärteten und vernetzten Oberflächenzonen der Fotolackschicht als Abschirmung während der nachfolgenden aktinischen Bestrahlung fungieren, die sonst sämtliches darunterliegendes Polymer der ersten Schicht depolymerisieren würde. Insbesondere verhindert die Funktion der Maskierung der gehärteten Bereiche in der Fotolackschicht gegenüber aktinischer Strahlung eine Depolymerisation der darunterliegenden Fotolackschicht.
  • Beispiele für kommerziell erhältliche Fotolackmaterialien, die die obengenannten selektiven Härtungsmerkmale aufweisen, sind vom positiven Fotolacktyp AZ4210, der von der American Hoerch Corporation hergestellt wird, und vom positiven Fotolacktyp HPR204, der von Hunt Chemical Company hergestellt wird.
  • Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung bei Anwendung auf die Produktion von Strukturen mit guter Auflösung auf relativ dicken "planarisierenden" Fotolackschichten, wird eine Schicht gewählter Dicke aufgetragen und dann einer aktinischen Strahlungsstruktur ausreichend lang unterzogen, so daß nur die Oberflächenzonen der Schicht polymerisiert werden. Der Fotolackfilm wird dann selektiv mit einer der obengenannten Methoden gehärtet, so daß auf jeder unexponierten polymerischen Zone eine gegenüber aktinischer Strahlung undurchlässige Maskierungsschicht aus gehärtetem Polymer entsteht. Somit wird die ursprüngliche Maskenstruktur als hochauflösende Struktur auf der Oberfläche der dicken Fotolackschicht vervielfältigt. Eine nachfolgende allgemeine "flutende" Exposur durch aktinische ultraviolette Strahlung depolymerisiert selektiv nur die unmaskierten Zonen der dicken Fotolackschicht, die unmittelbar unterhalb der zuvor exponierten Oberflächenbereiche liegen.
  • Gemäß der Praxis der vorliegenden Erfindung wird die komplexe Serie der oben beschriebenen Vorgänge zur Herstellung hochauflösender Strukturen in dicken, planarisierenden Fotolackschichten unnötig. Außerdem braucht nur eine einzige Fotolackschicht aufgetragen zu werden, im Gegensatz zu den gleichförmigen Maskensystemen des Standes der Technik.
  • Eine alternative Vorgehensweise ist in dem US-Patent Nr. 4,352,820 offenbart, das an Howard et al ausgegeben wurde und die Benutzung einer zweischichtigen Resistzusammensetzung beschreibt, wobei die obere dünne Schicht aus Resist als hochauflösende Maske benutzt wird, um eine Elektronenstrahlbeseitigung der unteren Fotolackschicht zu steuern. Rückstreuelektronen ergeben ein gewisses Maß an Unterätzen, um die Auflösung des Systems zu regeln. Aufgrund der Natur des Unterätzprozesses ergibt sich eine grundsätzliche Beschränkung auf ungestützten Abschnitten zwischen Löchern (Spalte 4, Zeilen 60-63), und diese Beschränkung entfällt in dem Prozeß der vorliegenden Erfindung.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Eine Ausgestaltung der Erfindung wird nachfolgend beispielhaft unter Bezugnahme auf die Begleitzeichnungen beschrieben, die folgendes zeigen:
  • Die Figuren 1A-1D sind Querschnittsansichten eines Substrats, das einem einzigen Planarisierungsschicht- Fotolackprozeß gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung unterzogen wird, wobei folgendes dargestellt ist: eine lokale Oberflächenexposur der gewünschten Zonen des Fotolacks, eine selektive Härtung der Außenfläche des polymeren Fotolacks, um ihn selektiv gegen ultraviolette Strahlung undurchlässig zu machen, eine Flutung der Struktur, um jeweils die depolymerisierte Oberflächenschicht bis herunter auf das Substrat und die resultierende Struktur nach der Entwicklung zu erweitern; und
  • die Figuren 2A-2C beschreiben die entsprechenden Schritte eines bekannten dreischichtigen Prozesses, der zur Erzielung desselben Ergebnisses wie in Fig. 1D gezeigt benutzt wird, wobei jeweils folgendes dargestellt ist: die anfängliche Strukturabbildung einer oberen Fotolackschicht, die Benutzung einer entwickelten Struktur in dieser Schicht, um Öffnungen in einer anorganischen Zwischenschicht zu ätzen, und die resultierende Endstruktur, nachdem Öffnungen in der Zwischenschicht als Maske für eine selektive Entfernung von Fotolack in der unteren Schicht benutzt wurden.
  • Beste Art der Durchführung der Erfindung
  • Das Merkmal des selektiven Härtens bestimmter Prozesse auf bestimmten positiven Fotolacken, wie oben erwähnt, ermöglicht eine erhebliche Verbesserung bei der Herstellung von hochauflösenden und lochfreien Fotolack- Maskenstrukturen mit dicken "planarisierenden" Fotolackschichten. Ausführlicher ausgedrückt, es wurde gefunden, daß, wenn ein massiver polymerer Film aus positivem Fotolack, wie beispielsweise vom Typ AZ4210, der von American Hoechst Corporation hergestellt wird, oder vom Typ HPR204, der von Hunt Chemical Company hergestellt wird, örtlich standardmäßiger aktinischer Strahlung mit einer Wellenlänge von etwa 400 Nanometer ausgesetzt wird, wodurch die exponierten Bereiche von einer polymeren in eine monomere Form umgewandelt werden, und als nächstes allgemein einem Entladungsplasma eines gewählten Gases oder Gasgemisches unterzogen werden, dann treten zwei Dinge auf: Zunächst wird die Oberfläche der polymeren Zonen im wesentlichen durch polymeres Fotolack-Trägerlösungsmittel unlöslich gemacht, während die monomeren Zonen in dem standardmäßigen Entwickler auf Natriumhydroxidbasis löslich bleiben, der benutzt wird, um das Monomer selektiv zu extrahieren, d.h. um die Strukturbilder zu entwickeln; und zweitens, die auf diese Weise behandelten oder "selektiv gehärteten" polymeren Zonen werden im wesentlichen undurchlässig gegenüber nachfolgenden Exposuren von aktinischer Strahlung, die gewöhnlich deren Depolymerisierung verursachen würde.
  • Ein solches selektives Härten wurde mit Hilfe von Stickstoff-, Helium- oder Argonplasmas und mit anderen Formen von positivem Ionenbombardement, z.B. Sputterungsbombardement und Ionenimplantation oder mit Hochenergiestrahlung mit ultraviolettem Licht mit einer Wellenlänge erzielt, die das Polymer vernetzt, ohne es in die monomere Form umzuwandeln.
  • Die Figuren 1A-1D zeigen die Anwendung der aktinischen Strahlungsabschirmungsaktion selektiv vernetzter Abschnitte einer Fotolackschicht, wie sie auf die Herstellung hochauflösender Strukturen auf einer dicken, planarisierenden Fotolackschicht angewendet wird. In Fig. 1A wird ein topologisch nicht planares Substrat 50, das mit einer dicken Fotolackschicht von einer Stärke in der Größenordnung von 2400 Nanometern beschichtet wurde, einer aktinischen Strahlung 60 durch eine Maske ausgesetzt, die sich aus einer Platte 54 mit einer undurchlässigen Maskierungsschicht 56 und Öffnungen 58-58 darin zusammensetzt. Die Intensität und Dauer der Bestrahlung werden so geregelt, daß entsprechende monomere Zonen 62-62 nur auf eine Tiefe von vorzugsweise 400 Nanometer ausgebildet werden, wie durch Begrenzungen 63-63 angedeutet wird. Fig. 1A stellt zwar die Struktur der monomeren latenten Bildzonen 62-62 mit einer Kontakttyp-Maskierung hergestellt dar, sie ist jedoch in gleichem Maße auch auf projizierte aktinische Bilder anwendbar.
  • Die Fotolackschicht 52 wird als nächstes (Fig. 1B) einem der oben beschriebenen selektiven Härtungsmittel 64 ausgesetzt, wodurch vernetzte Oberflächenbereiche 66 an allen Punkten ausgenommen über den monomeren Zonen 62 auf der Oberfläche der Fotolackschicht 52 entstehen. An dieser Stelle wird eine Maske für eine aktinische Bestrahlung über der gesamten Oberfläche der Fotolackschicht 52 "fixiert".
  • Da die vernetzten Oberflächenabschnitte 66-66-66 im wesentlichen undurchlässig gegenüber aktinischer Strahlung sind, wird dadurch, daß sie nachfolgend allgemein geflutet oder flächendeckend aktinischer Strahlung 60-60 ausgesetzt (Fig. 1C) werden, eine vollständige Exposur nur der ursprünglichen monomeren Zonen bewirkt. Dauer und Intensität der Flutungsexposur werden so gewählt, daß sie ausreichen, um zu gewährleisten, daß die polymeren Zonen der Fotolackschicht 52 unter den flachen monomeren Zonen 63-63 in Fig. 1B vollständig in monomere Zonen umgewandelt werden, die Begrenzungen 68-68 bis hinab zum Substrat 50 haben. Durch eine nachfolgende konventionelle Entwicklung werden diese monomeren Schichten wie in Fig. 1D gezeigt entfernt, um Ätzöffnungen 70-70 zu hinterlassen, wodurch die Herstellung der Fotolackmaskierungsschicht vollendet wird.
  • Dies steht im Gegensatz zu einem bekannten Prozeß zur Herstellung einer dreischichtigen Maske, wie in den Figuren 2A-2C illustriert. Fig. 2A zeigt eine dicke planarisierende Fotolackschicht 73, die aus PMMA oder einem ähnlichen Material besteht und über einem Substrat 74 aufgetragen wird, und darüber wird eine dünne ergänzende Ätzgrenzschicht 76 aufgetragen. Diese Grenzschicht besteht typischerweise aus aufgetragenem Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid mit einer Stärke von etwa 50 bis 100 Nanometern. Über diese anorganische Grenzschicht wird der hochauflösende Fotolackfilm 78 mit einer Stärke im Bereich von 500 Nanometern aufgetragen. Diese obere Schicht 78 wird auf konventionelle Weise zunächst aktinischer Strahlung 60- 60, die durch die undurchlässige Schicht 56 auf der Platte 54 strukturiert wird, und dann einem Entwicklungszyklus ausgesetzt. Auf diese Weise wird eine hochauflösende Öffnungsstruktur in der Fotolackschicht 78 ausgebildet, wobei ausgewählte Zonen der darunterliegenden Siliziumdioxid- oder Nitridgrenzschicht 76 exponiert werden. Die Grenzschicht 76 wird dann mit der oberen Fotolackschicht 78 als die Ätzgrenzschicht selektiv weggeätzt (Fig. 2B), um eine hochauflösende Struktur von Öffnungen 80-80 in der dünnen Grenzschicht 76 zu bilden. Als nächstes wird die Öffnungsstruktur 80-80 in der Grenzschicht 76 selbst als Maske zum selektiven Strukturieren der unteren Fotolackschicht 72 benutzt (Fig. 2C), vorzugsweise durch direktes anisotropes Plasmaätzen oder alternativ durch konventionelle fotolithografische Bearbeitung, um die tiefe Öffnungsstruktur 82-82 zu erzeugen. Die resultierende Maskengrenzstruktur ist dann bereit, um das Ätzen des Substrats zu regeln.
  • Daraus wird ersichtlich, daß der nun offenbarte einfache einschichtige Prozeß benutzt werden kann, um eine Maskenstruktur mit einer Auflösung zu erzeugen, die mit der vergleichbar ist, die durch den bekannten komplexen vielschichtigen Prozeß hergestellt wird.

Claims (2)

1. Verfahren zur Herstellung einer Schicht aus strukturiertem Fotolack auf einem Substrat (50), umfassend die folgenden Schritte: Ausbilden einer Schicht aus polymerem Fotolackmaterial (52) auf dem genannten Substrat (50) und Umwandeln gewählter, relativ dünner Zonen (62) an der Oberfläche der genannten Schicht (52) in eine monomere Form durch Aussetzen der genannten gewählten Zonen (62) einer Energie mit einer depolymerisierenden Wellenlänge; gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: selektives Härten der genannten Schicht (52), um von einer Oberflächenzone des genannten polymeren Fotolackmaterials eine Oberflächenschicht (66) zu bilden, die für weitere Energie mit depolymerisierender Wellenlänge im wesentlichen undurchlässig ist, ohne die genannten gewählten Zonen (62) materiell zu beeinflussen; Aussetzen der genannten Schicht (52) depolymerisierender Energie, gegenüber der die genannte Oberflächenschicht (66) im wesentlichen undurchlässig ist, und Benutzen der genannten Oberflächenschicht (66) als Maske, um auf diese Weise die Umwandlung von Zonen der genannten Schicht (52) in eine monomere Form zu bewirken, die von den genannten gewählten Zonen (66) über die gesamte Dicke der genannten Schicht (52) verlaufen; und Herausentwickeln des monomeren Materials.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Schritt des weiteren Aussetzens mit einer flächendeckenden Aussetzung der genannten Schicht (52) bewirkt wird.
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