DE3604342A1 - Verfahren zur erzeugung eines musters - Google Patents

Verfahren zur erzeugung eines musters

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Description

Henkel, Feiier, Hänzel & Partner Patentanwälte
Dr phil G. Henkel Dr. rer. nat. L. Feiler Dipl.-Ing. W. Hänzel Dipl.-Ing. D. Kottmann
KABÜSHIKI KAISHA TOSHIBA, Kawasaki, Japan
Möhlstraße 37 D-8000 München 80
Tel.: 089/982085-87 Telex: 529802 hnkld Telefax (Gr. 2+3): 089/981426
Telegramm: ellipsoid
CMK-60P749-3
Verfahren zur Erzeugung eines Musters
Verfahren zur Erzeugung eines Musters
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines Musters, insbesondere ein Verfahren zur selektiven Ausbildung eines Musters auf einem Substrat unter Ausnutzung einer photoinduzierten Reaktion.
Derzeit werden zur Herstellung von Halbleitervorrichtungen verwendete Muster ausschließlich durch Photoätzung (PEP) gebildet. Hierbei wird ein Substrat mit einer Photoresistmasse beschichtet, danach das beschichtete Substrat belichtet und schließlich ein Resistmuster entwickelt.
Im Falle der Behandlung einer Halbleiteroberfläche dient ein durch PEP gebildetes Resistmuster als Maske für die Ätzung der Halbleiteroberfläche, wobei das Muster der Maske auf die Halbleiteroberfläche übertragen wird. Das unter Anwendung einer Photoätzung durchgeführte Verfahren zur Herstellung des Musters erfordert jedoch zahlreiche Verfahrensstufen, wodurch es sehr teuer wird.
Kürzlich wurde über ein Verfahren zur Erzeugung eines Resistmusters und eine Ätztechnik berichtet, bei der man sich einer photoinduzierten Reaktion bedient. Bei Durchführung dieser Maßnahmen kann man die übliche Photoätzung weglassen, wodurch man die Anzahl der Verfahrensstufen und somit die Herstellungskosten deutlich senken kann.
Unter Ausnutzung einer photochemischen Reaktion wird auf einem Halbleitersubstrat selektiv ein Material abgelagert. Danach wird die Oberfläche des Halbleitersubstrats behandelt, wobei die abgelagerte Materialschicht als Maske dient. Hierbei kann man im Vergleich zu einem üblichen, mit einer Photoätzung arbeitenden Verfahren auf drei bis vier Stufen verzichten. Darüber hinaus reicht es auch noch aus, auf dem Halbleitersubstrat nur eine einzige Ätzung durchzuführen, wenn man sich einer photoinduzierten Reaktion bedient.
Verfahren zur Erzeugung von Mustern unter Ausnutzung einer photoinduzierten Reaktion kranken jedoch daran, daß insbesondere bei der Herstellung feiner Muster das Muster beispielsweise infolge Lichtbeugung verschwommen wird, d.h. nach diesem Verfahren kann man kein scharfes Muster herstellen.
/\ Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein unter Ausnutzung einer photoinduzierten Reaktion durchzuführendes Verfahren zur Erzeugung eines Musters zu schaffen, das unter Vermeidung der geschilderten Nachteile einschlägiger bekannter Verfahren auch die genaue Herstellung sehr feiner Muster gestattet.
Gegenstand der Erfindung ist somit ein Verfahren zur Erzeugung eines Musters, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß man für ein Reaktionsfeld sorgt, in dem eine photoinduzierte Reaktion eintritt, wenn ein Substrat zur Ausbildung eines Musters auf dem Substrat mit Licht belichtet wird, in dem Reaktionsfeld die Bedingungen für die Herstellung einer nicht-linearen Beziehung zwischen der Lichtintensität und der Geschwindigkeit der photoinduzierten Reaktion schafft und in dem Reaktionsfeld unter den (genannten) Bedingungen selektiv das Substrat
mit Licht belichtet, um an den belichteten Stellen des Substrats entsprechend der selektiven Belichtung selektiv ein Muster auszubilden.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Im einzelnen zeigen:
Fig. 1 die Intensitätsverteilung von durch eine Maske
auf ein Substrat projiziertem Licht; 10
Fig. 2 eine graphische Darstellung, aus der eine
lineare Beziehung zwischen der Lichtintensität und der Geschwindigkeit der photoinduzierten Reaktion ersichtlich ist;
15
Fig. 3 die Ablagerung des Reaktionsprodukts im Falle, daß die Lichtintensität und die Geschwindigkeit der photoinduzierten Reaktion in linearer Beziehung stehen;
20
Fig. 4 eine graphische Darstellung, aus der eine nichtlineare Beziehung zwischen der Lichtintensität und der Geschwindigkeit der photoinduzierten Reaktion ersichtlich ist;
25
Fig. 5 die Ablagerung des Reaktionsprodukts im Falle, daß die Lichtintensität und die Geschwindigkeit der photoinduzierten Reaktion in nicht-linearer Beziehung stehen;
30
Fig. 6 eine schematische Darstellung der zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendeten Vorrichtung;
Fig. 7 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Lichtintensität und der Ablationsgeschwindigkeit eines organischen Films und
Fig. 8 eine Querschnittsdarstellung zur Erläuterung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Bevor die Erfindung konkret erläutert wird, wird zunächst näher auf das der Erfindung zugrundeliegende Prinzip eingegangen.
Es ist wichtig, bei der Ausbildung insbesondere eines feinen Musters auf einem Substrat durch Belichten (desselben) durch eine Photomaske der Lichtbeugung Beachtung zu schenken. Fig. 1 zeigt die Intensitätsverteilung von Licht 11 auf der Substratoberfläche. Die ausgezogene Linie in Fig. 1 zeigt ganz typisch, daß die Lichtintensität auf der Substratoberfläche entsprechend opaken Stellen 12a einer Photomaske 12 infolge Lichtbeugung nicht Null wird. Wenn die Beugung nicht in Betracht gezogen wird, sollte die Intensitätsverteilung - wie durch die gestrichelte Linie angedeutet - einer rechteckigen Form folgen. In anderen Worten gesagt, wird auch die den opaken Stellen 12a der Maske 12 entsprechende Substratoberfläche tatsächlich mit Licht niedriger Intensität belichtet.
Es ist ferner wichtig, die Beziehung zwischen der Lichtintensität und der Geschwindigkeit der photoinduzierten Reaktion zu verstehen. Wenn es beispielsweise zu einer Photoablagerungsreaktion kommt, wird die Lichtintensität durch die Dicke der durch die photochemische Reaktion gebildeten Ablagerung widergespiegelt. Wenn die Reaktionsgeschwindigkeit direkt proportional zur Lichtintensität ist (vgl. Fig. 2)f bildet sich auf der gesamten Oberfläche
eines Substrats 31 eine Ablagerung 32 ungleichmäßiger Stärke (vgl. Fig. 3). Stehen dagegen die Lichtintensität und die Reaktionsgeschwindigkeit zueinander in nichtlinearer Beziehung (vgl. Fig. 4), bildet sich eine Ablagerung 52 lediglich auf denjenigen Oberflächenstellen eines Substrats 51, die durchsichtigen Stellen 12b einer Photomaske 12 entsprechen (vgl. Fig. 5). Daraus folgt, daß man mit höchster Genauigkeit ein feines Muster erzeugen kann, wenn man zwischen der Lichtintensität und der Geschwindigkeit der photochemischen Reaktion eine nicht-lineare Beziehung herstellt.
Es ist ein direktes Ätzverfahren bekannt, bei welchem ohne Verwendung einer Ätzmaske eine photoinduzierte Reaktion durchgeführt wird. Dieses Verfahren gestattet auch die Ausbildung eines scharfen Ätzmusters durch Schaffung einer nicht-linearen Beziehung zwischen der Ätzgeschwindigkeit und der Lichtintensität.
Kurz gesagt, schafft die Erfindung spezielle Bedingungen für die Herstellung einer nicht-linearen Beziehung zwischen der Geschwindigkeit der photoinduzierten Reaktion und der Lichtintensität in dem Reaktionsfeld, in welchem durch photoinduzierte Reaktion ein feines Muster erzeugt werden soll.
Die photoinduzierte Reaktion, deren man sich im Rahmen des Verfahrens gemäß der Erfindung bedient, umfaßt eine photochemische Reaktion und eine Photoablation bzw. -abtragung. Das erfindungsgemäß ausgebildete Muster umfaßt ein Muster des selektiv auf einem Substrat abgelagerten photochemischen Reaktionsprodukts und ein durch selektives Ätzen des Substrats gebildetes Ätzmuster. Das bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendete Substrat kann beispielsweise aus
einem Halbleitersubstrat selbst oder einem Halbleitersubstrat, dessen Oberfläche mit einem Film, z.B. einem metallischen Film, einem isolierenden Film, einem Halbleitermaterialfilm oder einem organischen Film bedeckt ist/ bestehen.
Die im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens durchgeführten selektiven Ätz- und Ablagerungsmaßnahmen laufen wie folgt ab:
10
A. Selektive Ätzung
I. Ätzung, basierend auf photochemischer Reaktion
Die Erfindung ermöglicht eine genaue Ätzung eines metallischen Films, eines isolierenden Films und eines Halbleitermaterialfilms, z.B. eines Siliziumfilms, insbesondere eines η -Polysiliziumfilms und eines nichtdotierten Polysiliziumfilms. In diesem Falle wird ein Substrat mit einem (darauf gebildeten) derartigen Film in ein Vakuumgefäß gelegt. Danach wird in das Vakuumgefäß zusammen mit einem eine Ablagerung bildenden Gas ein Ätzgas in Form von Cl- oder eines Gemischs aus Cl~ und F2 eingeführt. Wird das Substrat selektiv durch
beispielsweise eine Photomaske mit Licht belichtet, bildet sich auf dem nicht-belichteten Teil des Substrats eine aus dem eine Ablagerung bildenden Gas stammende Ablagerung. Die gebildete Ablagerung dient als Ätzmaske. Der abgelagerte Film wird auf den belichteten Stellen selektiv entfernt, wobei (entsprechende) Substratteile freigelegt werden. Diese werden dann durch das Ätzgas geätzt.
Die Ätzung mit Cl2 oder einem Cl2/F2-Gemisch ist isotrop. Die Ätzgeschwindigkeit ist direkt proportional zur
Lichtintensität. Zwischen der Ätzgeschwindigkeit und der Lichtintensität wird jedoch eine nicht-lineare Beziehung geschaffen, indem das die Ablagerung bildende Gas in das Reaktionsfeld eingeführt wird. Die aus dem eine Ablagerung bildenden Gas entstandene und hauptsächlich aus einem Polymeren bestehende Ablagerung sollte an den belichteten Stellen rascher entfernt werden als an den nicht-belichteten Stellen. Diesem Erfordernis genügende, eine Ablagerung bildende Gase sind beispielsweise Tetramethylsilan, Methylmethacrylat und fluorierte Kohlenwasserstoffe, wie Tetrafluorethylen.
Das Ätzgas wird in das Vakuumgefäß bei einem Dijuck von 66,5 - 1 330 Pa eingeführt. Die Menge an in das Vakuumgefäß eingeführtem, eine Ablagerung bildendem Gas beträgt 1 - 20% des Ätzgases. Sofern damit die Ablagerung entfernt werden kann, kann man sich erfindungsgemäß jeder Art von Licht bedienen. In der Regel arbeitet man im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens mit UV-Licht.
Die Ätztemperatur reicht in der Regel von 10 - 400C.
Die Intensität des UV-Lichts liegt zwischen 0,1 und 0,5 W/cm2 .
II. Selektive Ätzung, basierend auf einer Photoablation nt. oder -abtragung
Die auf einer Photoablation basierende Ätzung ist nicht von einer chemischen Reaktion begleitet. In diesem Falle wird der belichtete Filmteil durch Auflösen (Wegschmelzen) und Verdampfen selektiv entfernt. Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet eine genaue Ätzung eines organischen Films, insbesondere eines Polymethylmethacrylatfilms oder eines Films aus einem polymeren fluorierten Kohlenwasserstoff, z.B. eines Polytetrafluorethylen ilms . Die Ätzung erfolgt durch selektive Belichtung des organischen Films mit Licht unter Vakuum,
beispielsweise 13/3 Pa oder weniger. Der organische Film kann auch durch selektives Projizieren von Licht in einem aktiven Gas, z.B. gasförmigem Chlor, bei einem Druck von 13/3 - 133 Pa weggeätzt werden. In der Regel bedient man sich im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens eines KrF- oder ArF-Laserlichts einer Intensität von 0,1 - 3 W/cm2. Wenn die Photoablation unter den angegebenen Bedingungen durchgeführt wird, wird eine nicht-lineare Beziehung zwischen der Lichtintensität und der Ablationsgeschwindigkeit (Ätzgeschwindigkeit) geschaffen, was eine genaue Ätzung ermöglicht.
B. Selektive Ablagerung
Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet eine genaue Ausbildung eines Musters aus einem organischen Material auf einem Substrat durch photochemische Reaktion. Insbesondere wird ein reaktionsfähiges Gas, wie Methylmethacrylat oder ein fluorierter Kohlenwasserstoff, wie Tetrafluorethylen, mit Licht eines KrF-Lasers (249 nm) oder eines ArF-Lasers belichtet, um das reaktionsfähige Gas zu polymerisieren. Das Ergebnis dieser Belichtung ist, daß auf der nicht-belichteten Substratoberfläche selektiv ein polymerer Film gebildet wird. Die Intensität des Laserlichts reicht von 0,5-2 W/cm2. Unter den angegebenen Bedingungen wird eine nicht-lineare Beziehung zwischen der Geschwindigkeit der Polymerisationsreaktion und der Lichtintensität = geschaffen.
Das zur selektiven Ablagerung dienende reaktionsfähige Gas wird durch Mikrowellenentladung zur Bildung aktiver Reaktionsteilnehmer angeregt. Wenn das angeregte reaktionsfähige Gas, d.h. die aktiven Reaktionsteilnehmer, mit einem in einem Vakuumgefäß befindlichen und vom Entladungs-
feld entfernten Substrat in Berührung gebracht wird, bildet sich auf der gesamten Substratoberfläche ein polymerer Film. Das Substrat mit dem darauf gebildeten polymeren Film wird dann - wie beschrieben - selektiv mit dem Laserlicht belichtet, wodurch die belichteten Stellen des polymeren Films gelöst und entfernt werden. Da - wie beschrieben - zwischen der Lichtintensität und der Geschwindigkeit der Auflösung des Polymeren eine nicht-lineare Beziehung geschaffen wird, bleibt der polymere Film selektiv an den nicht-belichteten Stellen ungelöst, so daß ein polymeres Filmmuster entsteht.
Die Fig. 6 veranschaulicht eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Vorrichtung.
wie aus der Figur hervorgeht, ist in der Vorrichtung ein Vakuumgefäß 61 mit einem durchsichtigen Fenster 62 auf seiner Oberseite und einem an ein Gasauslaßsystem angeschlossenen Gasauslaß 64 auf seiner Unterseite vorgesehen. Ferner ist seitlich an das Vakuumgefäß 61 ein Quarzrohr 65 mit einem Gaseinlaß 66 angeschlossen. Im Inneren des Vakuumgefäßes 61 ist ein Trageteil zum Halten des zu behandelnden Substrats S vorgesehen. Um das Quarzrohr 65 herum ist ein an einen Mikrowellenoszillator 68 angeschlossener Wellenleiter herumgelegt.
Ferner ist über dem Vakuumgefäß 61 eine Lichtquelle 69 angeordnet. Das Substrat S wird^nach der Passage durch eine Photomaske 71, ein Lichtprojektionssystem 72 und das durchsichtige Fenster 62 des Vakuumgefäßes 61, mit dem aus der Lichtquelle 69 emittierten Licht belichtet.
Anhand der Fig. 8 wird eine weitere Ausführungsform der Erfindung erläutert. In diesem Falle wird ein Substrat 81 einer reaktionsfähigen Gasatmosphäre ausgesetzt und selektiv mit Licht 83 über eine Photomaske 82 mit opaken Stellen 82a belichtet, wobei auf der gesamten Oberfläche
des Substrats 81 ein von dem reaktionsfähigen Gas gebildeter polymerer Film entsteht. Gleichzeitig wird in dieser Stufe weiteres Licht 84 parallel zum Substrat 81 projiziert. Wenn das Licht 84 eine ein bestimmtes Niveau übersteigende Intensität besitzt, findet eine photochemische Reaktion statt, wobei der polymere Film selektiv weggeätzt oder gelöst und somit auf dem Substrat 81 ein polymeres Filmmuster 85 gebildet wird.
Das folgende Beispiel soll das Verfahren gemäß der Erfindung näher veranschaulichen.
Beispiel
Unter Verwendung der in Fig. 6 dargestellten Vorrichtung werden erfindungsgemäß eine Ätzmaske gebildet und unter Verwendung der gebildeten Ätzmaske eine Ätzung durchgeführt. Zu diesem Zweck wird ein Halbleitersubstrat S mit einer auf seiner gesamten Oberfläche vorhandenen, 600 nm dicken Schicht aus η -Polysilizium in das Vakuumgefäß 61 eingebracht. Ein in das Quarzrohr 65 eingeleitetes Tetrafluorethylengas wird durch Mikrowellenentladung aus dem an den Mikrowellenoszillator 68 angeschlossenen Wellenleiter angeregt. Das angeregte Gas wird mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 30 SCCM in das Vakuumgefäß 61 eingeleitet, um auf der auf dem Substrat S befindlichen Polysiliziumschicht einen 100 nm dicken polymeren Film auszubilden. Der gebildete polymere Film stammt von dem angeregten Tetrafluorethylen und enthält Kohlenstoff und Fluor. Nach Bildung des polymeren Films wird die Einleitung des Tetrafluorethylengases in das Vakuumgefäß 61 beendet.
Danach wird das Substrat S mit einem KrF-Laserlicht (249 nm), das aus der Lichtquelle 69 emittiert wurde und
die Photomaske 71 passiert hat, belichtet. Der polymere Film wird bei der Bestrahlung mit Laserlicht durch Auflösung und Verdampfung entfernt. Zwischen der Ablationsgeschwindigkeit und der Laserlichtintensität herrscht, wie aus Fig. 7 hervorgeht, eine nicht-lineare Beziehung. Auf diese Weise läßt sich durch Einstellen der Lichtintensität derart, daß die Lichtintensitätsverteilung auf der Oberfläche des Substrats S im Bereich A von Fig. 7, d.h. zwischen 0 und 1,0 W/cm2, liegt, mit hoher Präzision ein polymeres Filmmuster einer Strichbreite von 1500 nm herstellen.
Nach Ausbildung des polymeren Filmmusters wird das Vakuumgefäß 61 genügend evakuiert, worauf in das Vakuumgefäß 61 gasförmiges Cl2 und gasförmiges Tetramethylsilan mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 50 SCCM bzw. 10 SCCM eingeleitet werden, um in dem Vakuumgefäß einen Gesamtdruck von 6 650 Pa zu liefern. Während der Einleitung dieser Gase wird der Mikrowellenoszillator 68 nicht betätigt. Das diese Gase enthaltende Vakuumgefäß wird nun mit UV-Licht aus der Lichtquelle 69 belichtet. Bei Verwendung von gasförmigem Cl~ alleine wird ein Polysiliziumfilm isotrop geätzt. Wenn zusätzlich gasförmiges Tetramethylsilan verwendet wird, wird jedoch das von dem gasförmigen Tetramethylsilan herrührende Polymere lediglich auf der Stelle des PoIyethylenfilms (Ätzmaske), die nicht mit Licht belichtet wird, abgelagert. Da der abgelagerte polymere Film dazu dient, ein Unterschneiden der Ätzmaske zu verhindern, wird der η -Polysiliziumfilm vertikal geätzt. Auf diese Weise erhält man ein höchst präzises und scharfes Muster eines η -Polysiliziumfilms.
Wie beschrieben, ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren die Herstellung selbst feiner Muster mit hoher Präzision.
Y2
Das erfindungsgemäße Verfahren, das anhand einer Ätzung und Ablagerung näher erläutert wurde, ist nicht auf Ätzung und Ablagerung beschränkt. So dürfte es auch möglich sein, das der Erfindung zugrundeliegende Prinzip auf die Bildung eines Oxidfilmmusters unter Durchführung einer Photooxidationsreaktion und auf die Bildung eines Fremdatombereichs durch photoinduzierte Diffusion anzuwenden.
- Leerseite -

Claims (10)

PATENTANSPRÜCHE *
1. Verfahren zur Erzeugung eines Musters, dadurch gekennzeichnet, daß man für ein Reaktionsfeld sorgt, in dem eine photoinduzierte Reaktion eintritt, wenn ein Substrat zur Ausbildung eines Musters auf dem Substrat mit Licht belichtet wird; in dem Reaktionsfeld die Bedingungen für die Herstellung einer nichtlinearen Beziehung zwischen der Lichtintensität und der Geschwindigkeit der photoinduzierten Reaktion schafft und in dem Reaktionsfeld unter den (genannten) Bedingungen selektiv das Substrat mit Licht belichtet, um an den belichteten Stellen des Substrats entsprechend der selektiven Belichtung selektiv ein Muster auszubilden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Substrat mit einem auf seiner Oberfläche ausgebildeten Film aus einem metallischen Material, einem isolierenden Material oder einem Halbleitermaterial verwendet und das Substrat in Gegenwart eines eine Ablagerung bildenden Gases und eines reaktionsfähxgen Ätzgases, bestehend aus einem Cl3-Gas oder einem Gemisch aus einem Cl3-GaS und einem F2-GaS, selektiv mit Licht belichtet, um den mit Licht belichteten Filmteil selektiv wegzuätzen.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der auf der Oberfläche des Substrats gebildete Film η -Polysilizium enthält.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man als eine Ablagerung bildendes Gas Methylmethacrylat oder Tetramethylsilan verwendet.
5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man als Licht UV-Licht benutzt.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man auf der Oberfläche des Substrats einen organischen Film, nämlich einen Polymethylmethacrylatfilm oder einen Film aus einem polymeren fluorierten Kohlenwasserstoff ausbildet und das Substrat in einem Vakuum oder einer Aktivgasatmosphäre selektiv mit Licht belichtet, um den belichteten Teil des organischen Films selektiv wegzuätzen.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß man als Licht ein KrF-Laserlicht oder ein ArF-Laserlicht benutzt.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das Substrat in einer Atmosphäre eines eine Ablagerung bildenden Gases, nämlich in gasförmigem Methylmethacrylat oder in einem gasförmigen fluorierten Kohlenwasserstoff lagert und das Substrat selektiv mit Licht belichtet, um das die Ablagerung bildende Gas zu polymerisieren und auf diese Weise das gebildete Polymere selektiv auf dem nicht mit Licht belichteten Teil des Substrats abzulagern.
9. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß man als Licht ein KrF-Laserlicht benutzt.
10. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß man den organischen Film bildet, indem man an
einer von dem Reaktionsfeld entfernten Stelle zur Erzeugung aktiver Reaktionsteilnehmer ein reaktionsfähiges Gas, aus dem der organische Film entsteht, aktiviert und die aktiven Reaktionsteilnehmer in das Reaktionsfeld einführt.
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