DE4443957C2 - Photolithographisches Verfahren zur Herstellung einer Struktur in einer Halbleitervorrichtung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Struktur mit einer gewünschten Dimension in einer Halbleitervorrichtung und insbesondere auf ein Verfahren zur Herstellung einer antireflektierenden Filmstruktur unter einem Photolackfilm vom positiven Typ, um den Photokontrast beim Herstellen einer Struktur mit kritischen Dimensionen un­ ter Verwendung eines photolithographischen Verfahrens zu ver­ bessern.

Beim Herstellen einer Struktur mit einer kritischen Di­ mension unter Verwendung eines photolithographischen Verfah­ rens wird durch eine Maske auf einen Photolackfilm treffen­ des Licht hν von der Oberfläche einer Schicht reflektiert, die unter dem Photolackfilm angeordnet ist. Das reflektierte Licht wird dann von der Oberfläche des Photolackfilms re­ flektiert. Diese Umkehrung des reflektierten Lichts wird mehrere Male wiederholt, so daß Energie auf den Photolack­ film übertragen wird.

Die Fig. 3A und 3B sind Querschnitte, die jeweils ein herkömmliches Verfahren zur Herstellung eines Photolackfilms zeigen.

Entsprechend dem herkömmlichen Verfahren werden eine untere Schicht 14 und ein Photolackfilm 13 der Reihe nach auf einem Halbleitersubstrat 10 geformt, wie in Fig. 3A gezeigt. Danach wird der Photolackfilm 13 unter Verwendung einer Maske 12, die aus einer Chromstruktur auf einem Quarz­ substrat besteht, einer Lichtquelle 11 ausgesetzt. Während der Belichtung wird das Licht 11 teilweise von der Oberflä­ che des Photolackfilms 13 reflektiert, während es teilweise durch den Photolackfilm 13 hindurchgeht. Das durch den Pho­ tolackfilm 13 hindurchgehende Licht wird von der Oberfläche der unteren Schicht 14 reflektiert. Das reflektierte Licht, das mit dem Bezugszeichen 16 bezeichnet ist, wird von der Oberfläche des Photolackfilms 13 reflektiert. Da eine solche Reflexion mehrfach wiederholt wird, wird der Photolackfilm auch in solchen Bereichen belichtet, die nicht belichtet werden sollen. Während der Belichtung wird das die Maske 12 erreichende Licht an den Kanten jeder Chromstruktur der Maske 12 gebeugt, wenn es durch die Maske hindurchgeht. Die­ ses Beugungslicht fällt dann auf einen nicht zu belichtenden Bereich des Photolackfilms 13. Dieses einfallende Licht, das mit dem Bezugszeichen 17 bezeichnet ist, wird dann von der Oberfläche der unteren Schicht 1 reflektiert.

Danach wird eine Entwicklung durchgeführt, um den be­ lichteten Bereich des Photolackfilms 13 zu entfernen und da­ durch eine Photolackstruktur 13A zu formen. Fig. 3B zeigt einen Zustand, in dem die Photolackstruktur 13A eingekerbte Bereiche jeweils an den Seitenwänden der Struktur besitzt.

Wenn der Linienabstand zwischen benachbarten Chromstruk­ turen der in Fig. 3 gezeigten Maske ungefähr gleich der Wellenlänge des belichtenden Lichts ist, treten starke Beu­ gungsphänomene auf, wenn das Licht durch die Maske 12 geht. Diese starke Beugung führt zu einem stark verschlechterten Profil in der Photolackstruktur.

Die Intensitätsverteilung des aus der Maske austretenden Lichts kann durch eine Modulationstransferfunktion erhalten werden. Die Intensitätsverteilung des Lichts, also seine Mo­ dulation M, kann durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden:

wobei Imax und Imin die maximale beziehungsweise die mi­ nimale Lichtintensität angeben.

Allgemein hängt die Modulation von dem Linienabstand zwischen benachbarten Chromstrukturen auf der Maske ab. Zum Beispiel nimmt die Modulation ab, wenn der Linienabstand ab­ nimmt. Bei einer geringeren Modulation M wird die Lichtin­ tensität in dem Photolackfilm ineffektiv verteilt. In diesem Falle ist es möglich, daß keine Photolackstruktur erzeugt wird. Und selbst wenn eine Photolackstruktur geformt wird, hat sie keine vertikalen Oberflächen an ihren Kanten.

Außerdem führt eine Modulation mit einem geringen Kon­ trast zu einem geringen Prozeßspielraum. In diesem Fall wird die Herstellung von Halbleitervorrichtungen schwierig.

Zur Beseitigung der genannten Probleme ist es bekannt, Einfluß auf die Reflexionseigenschaften des Substrats zu nehmen.

Aus der EP 0 379 604 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Siliciumnitrid-Antireflexschicht bekannt, das bei Photolitho­ graphieprozessen bei der Strukturierung von Metalleiterbahnen für hochintegrierte Halbleiterschaltungen verwendet wird.

Die EP 0 083 397 A2 zeigt ein Verfahren zur Herstellung hochintegrierter Schaltungen, wobei ein positiver Photolack auf eine Metallstruktur aufgebracht wird, deren Reflektivität höher ist als die ihrer Umgebung, wodurch der Photolack direkt über der Metallstruktur mehr belichtet wird als in der Umge­ bung der Metallstruktur.

Die US 3,506,441 beschreibt ein Verfahren zur Vermeidung von Pinholes, wobei zwei photolithographische Prozesse hinterein­ ander durchgeführt werden.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung zur Verfügung zu stellen, das in der Lage ist, das Einker­ bungsphänomen, das in dem Photolackfilm auftritt, zu verhin­ dern und dadurch das Profil des Photolackfilms weiter zu verbes­ sern.

Diese Aufgabe wird durch das im Patentanspruch 1 definierte Verfahren gelöst.

Weitere Gesichtspunkte der vorliegenden Er­ findung werden deutlicher aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefüg­ ten Zeichnungen.

Die Fig. 1A bis 1E sind Querschnitte, die jeweils ein Verfahren zum Herstellen einer Photolackstruktur nach der vorliegenden Erfindung zeigen.

Fig. 2 zeigt Graphen, die jeweils die Belichtungslicht- Energieverteilungen zeigen, die mit einem herkömmlichen Ver­ fahren und dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung er­ halten werden.

Die Fig. 3A und 3B sind Querschnitte, die jeweils ein herkömmliches Verfahren zum Erzeugen eines Photolackfilms zeigen.

Die Fig. 1A bis 1E sind Querschnitte, die jeweils ein Verfahren zum Herstellen einer Photolackstruktur nach der vorliegenden Erfindung zeigen.

Entsprechend dem vorliegenden Verfahren werden über ei­ nem Halbleitersubstrat 10 eine untere Schicht 14 und ein an­ tireflektierender Film 15 in dieser Reihenfolge abgeschie­ den, wie in Fig. 1A gezeigt. Über dem antireflektierenden Film 15 wird ein erster Photolackfilm 13 abgeschieden. Unter Verwendung einer Maske 12 mit einem herkömmlichen Aufbau wird der erste Photolackfilm 13 durch eine Lichtquelle 11 belichtet. Der erste Photolackfilm 13 besitzt eine Dicke von etwa 500 nm, um eine anschließende Strukturierung des anti­ reflektierenden Films 15 zu ermöglichen. Der antireflektie­ rende Film 15 kann ein TiN-Film, ein Si₃N₄-Film oder ein zu­ sammengesetzter Film aus SiO_xN_y : H sein. Der antireflektie­ rende Film 15 besitzt eine Dicke von ungefähr 25 nm bis 200 nm. Das meiste durch den ersten Photolackfilm 13 gehende Licht wird in dem antireflektierenden Film 15, der unter dem ersten Photolackfilm 13 angeordnet ist, absorbiert, ohne daß es von der Oberfläche des antireflektierenden Films 15 re­ flektiert wird.

Danach wird eine Entwicklung durchgeführt, wie in Fig. 1B gezeigt. Durch die Entwicklung wird ein Bereich des er­ sten Photolackfilms 13, der belichtet wurde, entfernt, wo­ durch eine erste Photolackstruktur 13B erzeugt wird. Da das meiste des auf jeden belichteten Bereich des Photolackfilms 13 einfallende Licht in dem antireflektierenden Film 15 ab­ sorbiert wird, wird die Lichtintensität verringert. Als Er­ gebnis wird die Kante des belichteten Bereichs des ersten Photolackfilms 13 nicht belichtet und bleibt daher nach der Entwicklung zurück, wie in Fig. 1B gezeigt.

Anschließend wird ein nicht mit der ersten Photolack­ struktur 13B bedeckter Bereich des antireflektierenden Films 15 geätzt, wodurch eine antireflektierende Filmstruktur 15A erzeugt wird, wie in Fig. 1C gezeigt. Da die erste Photo­ lackstruktur 13B die Kante des belichteten Bereichs des Pho­ tolackfilms 13 umfaßt, umfaßt auch die antireflektierende Filmstruktur 15A einen Bereich des antireflektierenden Films 15, der unter der Kante des belichteten Bereichs des Photo­ lackfilms 13 angeordnet ist. Als Ergebnis besitzt die anti­ reflektierende Filmstruktur 15A eine größere Dimension als die gewünschte Dimension.

Die erste Photolackstruktur 13B wird dann entfernt. Über der gesamten freiliegenden Oberfläche der resultierenden Struktur wird dann ein zweiter Photolackfilm 19 mit einer Dicke von 1000 nm abgeschieden, wie in Fig. 1D gezeigt. Wieder unter Verwendung der Maske 12 wird der Photolackfilm 19 belichtet.

Während der Belichtung wird das auf den zweiten Photo­ lackfilm 19 auftreffende Licht 11 von der Oberfläche der un­ teren Schicht 14 in dem Belichtungsbereich reflektiert, so daß seine Intensität erhöht wird. In dem Nicht-Belichtungs­ bereich wird das Licht 11 von der antireflektierenden Film­ struktur 15A vollständig absorbiert, so daß seine Intensität verringert wird. Als Ergebnis wird der Lichtkontrast erhöht. Insbesondere absorbiert die in dem Belichtungsbereich ver­ bliebene, antireflektierende Filmstruktur 15A das ein­ fallende Licht, wodurch verhindert wird, daß das Licht auf einen Bereich des zweiten Photolackfilms 19 reflektiert wird, der in einem Nicht-Belichtungsbereich angeordnet ist. Danach wird eine Entwicklung durchgeführt, wie in Fig. 1E gezeigt. Durch die Entwicklung wird ein belichteter Be­ reich des zweiten Photolackfilms 19 entfernt, wodurch eine zweite Photolackfilmstruktur 19A geformt wird. Wie in Fig. 1E gezeigt, besitzt die zweite Photolackfilmstruktur 19A ein vertikales Profil an jeder Seitenwand. Das bedeutet, daß die zweite Photolackstruktur 19A die gewünschte Dimension be­ sitzt.

Folglich kann eine gewünschte Struktur der unteren Schicht 14 erhalten werden, wenn ein Teil der unteren Schicht 14 unter Verwendung der zweiten Photolackfilmstruk­ tur 19A als Maske geätzt wird.

Fig. 2 zeigt Graphen, die jeweils Belichtungslicht-En­ ergieverteilungen zeigen, die entsprechend einem herkömmli­ chen Verfahren und entsprechend dem Verfahren nach der vor­ liegenden Erfindung erhalten wurden. In Fig. 2 stellen die X-Achse und die Y-Achse die longitudinale Achse der Maske beziehungsweise die Belichtungslichtenergie dar. Der mit dem Bezugszeichen 8 bezeichnete Graph gibt die Intensität des entsprechend einem herkömmlichen Verfahren erhaltenen Lichts an, wohingegen der mit dem Bezugszeichen 9 bezeichnete Graph die Intensität des entsprechend der vorliegenden Erfindung erhaltenen Lichts angibt.

Unter Bezugnahme auf die Graphen findet man, daß im Falle der vorliegenden Erfindung die Lichtintensität in dem Nicht-Belichtungsbereich mit einem geringen Wert beibehalten wird, während sie im Belichtungsbereich auf demselben Wert gehalten wird wie im herkömmlichen Fall. Das kommt daher, daß erfindungsgemäß das einfallende oder reflektierte Licht in der antireflektierenden Filmstruktur mit einer größeren Dimension als die gewünschte Dimension absorbiert wird. Folglich weist die vorliegende Erfindung eine minimale In­ tensität I′min auf, die niedriger ist als die minimale In­ tensität Imin im herkömmlichen Fall, während sie dieselbe maximale Intensität aufweist. Als Ergebnis wird erfindungs­ gemäß eine Verbesserung im Lichtkontrast erhalten. Folglich ist es möglich, den Belichtungsprozeßspielraum zu erhöhen und einfacher eine Struktur mit einer kritischen Dimension zu erzeugen.

Entsprechend der vorliegenden Erfindung können die fol­ genden Effekte erzielt werden.

Erstens kann die Belichtungslicht-Energieverteilung, also die Lichtintensität, wahlweise gesteuert werden, um eine Verbesserung im Lichtkontrast zu erreichen. Folglich ist es möglich, eine Struktur mit einer sehr kleinen kriti­ schen Dimension herzustellen.

Zweitens besitzt die Photolackstruktur ein vertikales Profil an jeder ihrer Sei­ tenwände, da das von der unteren Schicht reflektierte Licht selektiv absorbiert oder reflektiert wird.

Drittens kann die in dem Belichtungsbereich verteilte Belichtungsenergie erhöht werden, um ein unerwünschtes Üb­ rigbleiben des Photolackfilms zu vermeiden.

Viertens wird der "Stehende-Wellen-Effekt" teilweise ver­ mieden.

Fünftens wird das Auftreten des Einkerbungsphänomens in der Photolackfilmstruktur vermieden.

Auch wenn hier aus Darstellungsgründen bevorzugte Aus­ führungsbeispiele offengelegt wurden, ist für den Fachmann klar, daß verschiedene Modifikationen, Hinzufügungen und Er­ setzungen möglich sind, ohne vom Umfang und Wesen der Erfin­ dung, wie sie in den beigefügten Patentansprüchen definiert ist, abzuweichen.

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung einer Struktur mit einer ge­ wünschten Dimension in einer Halbleitervorrichtung, wobei das Verfahren folgende Schritte umfaßt:

• - Beschichten einer unteren, zu strukturierenden, reflek­ tierenden Schicht (14) mit einem antireflektierenden Film (15);
• - Beschichten des antireflektierenden Films (15) mit einem ersten Photolackfilm (13) vom positiven Typ und Unter­ werfen des ersten Photolackfilms (13) unter ein Belich­ tungsverfahren unter Verwendung einer Maske (12) und unter ein Entwicklungsverfahren, wodurch eine erste Photolackstruktur (13B) erzeugt wird;
• - Ätzen eines belichteten Bereichs des antireflektieren­ den Films (15), wodurch eine antireflektierende Film­ struktur (15A) geformt wird, die eine größere Dimension als die gewünschte Dimension aufweist;
• - Entfernen der ersten Photolackstruktur und Beschichten der gesamten freiliegenden Oberfläche der resultieren­ den Struktur, die nach dem Entfernen der ersten Photo­ lackstruktur erhalten wird, mit einem zweiten Photo­ lackfilm (19) vom positiven Typ;
• - Unterwerfen des zweiten Photolackfilms (19) unter ein Belichtungsverfahren unter Verwendung der Maske (12) und unter ein Entwicklungsverfahren, wodurch eine zwei­ te Photolackstruktur (19A) mit vertikalem Profil er­ zeugt wird, und
• - Ätzen des belichteten Bereichs der antireflektierenden Filmstruktur und anschließendes Ätzen der unteren Schicht, wodurch eine untere Schichtstruktur mit der gewünschten Dimension erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der antireflektierende Film aus einem Film mit einer ho­ hen Lichtabsorptionsrate besteht.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Photolackfilm eine Dicke von etwa 500 nm auf­ weist, um eine Strukturierung des antireflektierenden Films zu ermöglichen.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der antireflektierende Film eine Dicke von 260 nm bis 200 nm besitzt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der antireflektierende Film aus einem Si₃N₄- oder TiN-Film besteht.