DE60024244T2 - Verfahren zur Herstellung einer Schablone, welche geeignet ist zur Herstellung von Metalllinien mit einer Breite im Submikrobereich - Google Patents

Verfahren zur Herstellung einer Schablone, welche geeignet ist zur Herstellung von Metalllinien mit einer Breite im Submikrobereich Download PDF

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Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entfernung einer einfachen Photoresistschicht zur Herstellung von strukturierten Metallschichten auf einem geeigneten Substrat. Das vorliegende Verfahren liefert eine gemusterte Photoresistschicht, welche eine excellente Photoresistprofilabgrenzung und einen negativen Anstieg in den Seitenwänden des Photoresistprofils aufweist, wobei beides mithilft, die Produktivität durch Verringerung der Produktionszeit zu erhöhen.
  • Metallmusterherstellung ist ein Schlüsselverfahren zur Herstellung von intergrierten Schaltkreisen. Zwei Ätzmethoden sind seit vielen Jahren angewendet worden. Das erste entwickelte Verfahren war das Nassätzverfahren. Trockenätzen wurde später entwickelt. Mit dem Ansteigen an Wissen über die Rolle des Metalls beim Verbessern der Performance von integrierten Schaltkreisen wurden mehr metallische Materialien verwendet und in der Herstellung von integrierten Schaltkreisen eingesetzt. Entfernungstechniken wurden vor einigen Jahren vorgestellt, um die Nachteile, welche inhärent mit sowohl Nass- als auch Trockenätzen verbunden sind, zu umgehen. Solche Entfernungsverfahren eliminieren die Notwendigkeit der Ätzselektivität zwischen Metall, Photoresist und Substrat. Sie eliminieren des Weiteren die vielen Schwierigkeiten, welche mit dem Strukturieren von reflektiven Topographien auf der Oberfläche des Substrats verbunden sind. Nahezu jedes Metall, Metalllegierungen oder Metallzusammensetzung kann dann auf dem Photoresistfilm abgelagert werden. Daher können Metalle basierend auf ihrer Elektromigration oder anderen Performanceüberlegungen ausgesucht werden, mehr als auf der Basis der Ätzselektivität. Des Weiteren, werden andere Nachteile wie Silikonrückstände, welche in dem Bereich zwischen den Leitern zurückbleiben, Leiterbreitenreduktion, welche mit dem lateralen Ätzen verbunden ist, und das Ansteigen von Freiraum zwischen benachbarten Leitern in einem Nassätzen, werden eliminert. Die Herstellung von Seitenwänden mit einer negativen Neigung ist der Schlüsselschritt in einem Entfernungsprozess.
  • Im Gegensatz zu dem typischen Verfahren, welches ein Photoresist und eine Maskierung verwendet, wobei die Flächen der gewünschten Metallbeschichtung geschützt werden und die anderen Flächen ungeschützt und weggeätzt werden, steht der Entfernungsprozess. In einem Entfernungsverfahren wird das Substrat mit einem dünnen Film eines Photoresists in allen Bereichen ausgenommen, wo Metallbeschichtung erwünscht wird, beschichtet. Das Metall wird dann abgelagert und bedeckt das gesamte Substrat mit der Metallschicht auf dem Photoresist und in Kontakt mit der Oberfläche des Substrats in den Bereichen, welche von dem Photoresist nicht geschützt sind. Der Photoresist wird dann entfernt und die ungewünschte Metallschicht wird von dem Substrat entfernt. Nur die gewünschte Metallstruktur wird auf der Oberfläche des Substrats zurückgelassen.
  • Ein Entfernungsverfahren zur Strukturierung mit Metalllinien auf einem Substrat erlaubt es, den Bedarf eines chemischen oder Plasmaätzens zu eliminieren oder zu minimieren, wenn solch ein Verfahrensschritt unerwünscht oder inkompatibel mit dem Verfahren oder den Materialien, welche eingesetzt werden, ist. Beim Behandeln von Galliumarsenid (GaAs) Substraten verlangt der typische Metallbeschichtungsprozess die Verwendung eines Metallcomposits, um die Metallkontakte und Leiterbahnen zu bilden. Typische Metalle, welche in solchen Verfahren eingesetzt werden, schließen Aluminium, Gold, Nickel, Chrom, Platin, Tantal und Titan ein. Die gewünschte Struktur kann 2 oder 3 Schichten dieser Metalle verwenden, oftmals in Kombination. Das chemische Ätzen dieser Metalle würde sehr starke und harsche Chemikalien benötigen, welche auch das GaAs-Substrat angreifen würden und die Performance des resultierenden Mikroelektronik-Bauteils herabsetzen würden.
  • In Fällen, wo strikte Linienbreitenkontrolle verlangt wird, wird oft ein Lift-off-Prozess eingesetzt. Ein nasschemisches Ätzen ist normalerweise von Natur aus isotrop. Durch das Verfahren verursachte Abweichungen weisen Metallfilme oft Variationen in der Dicke der abgelagerten Schicht über dem Substrat auf. Solche Variationen der Filmdicke verlangen, dass das Substrat (zum Beispiel ein Wafer) für einen längeren Zeitraum geätzt werden muss, um sicher zu sein, dass vollständiges Ätzen stattgefunden hat. Dies resultiert in einer Linienbreite, welche reduziert wird, wenn das isotrope chemische Ätzen unter der Photoresistschablone stattfindet. Die extremsten Vorgänge finden dabei statt, wenn die Filmdicke bei einem Minimum liegt. Allerdings hängt der Lift-off-Prozess vor allem an der Kontrolle des Photoresists. Daher wird eine konsistente Linienbreite unabhängig von Variationen der Dicke der Metallschicht oder Variationen im Ätzverfahren erhalten.
  • Ein typisches Lift-off-Verfahren, welches im Stand der Technik offenbart wird, und welches eine positive Phototresist-Zusammensetzung verwendet, enthält: 1) Beschichten eines geeigneten Substrats mit einer einzelnen Schicht eines Photoresists, 2) Hitzebehandlung des beschichteten Substrats, um den Photoresist auf der Oberfläche des Substrats zu befestigen, 3) Eintauchen des hitzebehandelten Substrats in einem Bad eines aromatischen Lösungsmittel wie Chlorbenzol, 4) erneute Hitzebehandlung des beschichteten Substrats, 5) Aussetzen der Photoresistschicht gegenüber aktinischer Strahlung in Form des gewünschten Musters, 6) Entwickeln der belichteten Photoresistschicht um unbelichtete Anteile zu entfernen, wodurch das Aussehen des gewünschten Musters in der Photoresistschicht geformt wird, 7) Ablagern einer Metallschicht über der gemusterten Photoresistsschicht und Belichten der Substratoberfläche, 8) Eintauchen des Substrats in einem Lösungsmittelbad, um die Photoresistschicht und die Metallschicht, welche auf der Photoresistschicht abgelagert ist, zu entfernen, während ein Muster von abgelagertem Metall auf der Oberfläche des Substrats zurückbleibt.
  • US Patent 4,814,258 betrifft ein Metall-Lift-off-Verfahren, welches ein GaAs-Substrat verwendet, welches eine Einebnungsschicht aus Polydimethylglutarimid (PMGI) aufweist, welche an die Oberfläche des GaAs-Substrats angrenzt und eine Photoresistschicht benachbart zur PMGI-Einebnungsschicht aufweist. Das offenbarte Verfahren umfasst: 1) Einweichen der Photoresistschicht und der PGMI-Einebnungsschicht mit einem Lösungsmittel, um dadurch die Löslichkeit der Photoresistschicht zu erniedrigen und die Löslichkeit der PGMI-Einebnungsschicht zu erhöhen, 2) Entwickeln der PGMI-Einebnungsschicht, wobei ein hinterschnittenes Profil zwischen der Einebnungsschicht und der Photoresistschicht gebildet wird. In einer bevorzugten Ausführungsform dieses Verfahrens des Standes der Technik wird der Entwicklungsschritt durch flutartiges Belichten des Substrats mit nominellem Licht durchgeführt, wobei die Photoresistschicht positive Maskierungseigenschaften im Vergleich zu der PGMI-Einebnungsschicht aufweist.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zur Bereitstellung eines Musters auf einem geeigneten Substrat, welches in einem einschichtigen Metall-Lift-off-Verfahren zur Herstellung von Metallstrukturen auf einem geeigneten Substrat, wie Galliumarsenid oder Siliciumwafer, geeignet ist. Das betroffene Verfahren, wie in Anspruch 1 definiert, umfasst:
    • 1) Beschichten eines geeigneten Substrats mit einer Schicht eines flüssigen positiven Photoresists;
    • 2) Weiches Sacken des beschichteten Substrats aus Schritt 1, um im Wesentlichen das Photoresistlösungsmittel von der Photoresistschicht zu entfernen;
    • 3) Inkontaktbringen der Photoresistschicht auf dem weich gebackenen beschichteten Substrat aus Schritt 2 mit einem Ammoniumhydroxid-Entwickler, bevorzugt einem Tetramethylammoniumhydroxid(TMAH)-Entwickler, und am meisten bevorzugt ein Tetramethylammoniumhydroxidentwickler, welcher von ungefähr 0,005 Vol.-% bis 0,5 Vol.-% eines C1-C4-Alkylenglykolalkylethers, bevorzugt ein Propylenglykolalkylether wie Propylenglykolmethylether, enthält;
    • 4) Platzieren einer Schablone, welche ein Muster aufweist über der Photoresistschicht auf dem weich gebackenen beschichteten Substrat aus Schritt 3;
    • 5) Belichten von Bereichen der Photoresistschicht mit aktinischer Strahlung, wie der I-Linie, auf dem leicht gebackenen beschichteten Substrat aus Schritt 3 durch die Schablone aus Schritt 4;
    • 6) Backen der Phototresistschicht auf dem weich gebackenen beschichteten Substrat aus Schritt 5 nach der Belichtung; und
    • 7) gegebenenfalls, flutartiges Belichten der Photoresistschicht auf dem leicht gebackenen beschichteten Substrat aus Schritt 6 mit aktinischer Strahlung, wie mit einer Breitbandbelichtung;
    • 8) Entwickeln der Photoresistschicht auf dem beschichteten Substrat aus Schritt 6 oder 7 mit einem wässrigen alkalischen Entwickler, wie einem Ammoniumhydroxid, bevorzugt einem Tetramethylammoniumhydroxidentwickler.
  • In Schritt 1 wird der positive Photoresist bevorzugt auf einem sich drehenden Substrat, beispielsweise einem Galliumarsenid oder Siliciumwafer, aufgebracht. Die bevorzugte Rotationsgeschwindigkeit ist von ungefähr 1000 U/min bis ungefähr 6000 U/min, mehr bevorzugt von ungefähr 2000 U/min bis ungefähr 5000 U/min. Das weiche Backen in Schritt 2 wird bevorzugt bei einer so niedrigen Temperatur wie möglich, von ungefähr 45°C bis ungefähr 75°C, mehr bevorzugt von ungefähr 50°C bis ungefähr 60°C, am meisten bevorzugt von ungefähr 55°C bis ungefähr 60°C für einen Zeitraum von ungefähr 60 Sekunden bis ungefähr 180 Sekunden, bevorzugt von ungefähr 60 Sekunden bis ungefähr 120 Sekunden, durchgeführt.
  • Das vorliegende Verfahren stellt Profile mit Seitenwänden bereit, die im Wesentlichen eine negative Steigung am Anfang der Photoresistseitenwand haben, was ein Metallablagerungsverfahren möglich macht, in dem im Wesentlichen kein Metall auf den Seitenwänden abgelagert wird. Dies stellt sicher, dass klare Unterbrechungen zwischen dem Metall, das entfernt werden muss und dem Metall, das erhalten bleibt, bestehen und stellt das leitende Metallmuster auf dem Substrat bereit. Es verringert darüber hinaus auch überschüssige Metallablagerungen, welche zusätzlich zu dem sanften Metallprofil vorhanden sind, welches mehr bevorzugt ist.
  • Die vorliegende Erfindung stellt auch eine verbesserte wässrige Entwicklerlösung eines Ammoniumhydroxids, bevorzugt eines Tetramethylammoniumhydroxids, in Wasser bereit, wobei die Entwicklungslösung von ungefähr 0,005 Vol.-% bis ungefähr 0,5 Vol.-% eines C1-C4-Alkylenglykol C1-C4-Alkylethers enthält, bevorzugt eines Propylenglykolalkylethers wie einem Propylenglykolmethylether, und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Entwicklers bereit. Dieses Verfahren umfasst:
    • 1) Bereitstellen einer Entwicklerlösung einer wässrigen alkalischen Verbindung, bevorzugt Ammoniumhydroxid, am meisten bevorzugt ein Tetramethylammoniumhydroxid, in Wasser, bevorzugt von ungefähr 0,20 bis ungefähr 0,30 normal („N"); und
    • 2) Mischen der Entwicklerlösung aus Schritt 1 mit einem C1-C4-Alkylenglykol C1-C4-Alkylether in einer Menge ausreichend um eine Entwicklerlösung bereitzustellen, welche von ungefähr 0,005 Vol.-% bis ungefähr 0,5 Vol.-% des besagten C1-C4-Alkylenglykol C1-C4-Alkylethers enthält.
  • Die beanspruchte Erfindung wird durch die folgenden Beispiele illustriert:
  • Beispiel 1
  • 995 ml einer wässrigen Entwicklerlösung von Tetramethylammoniumhydroxid in Wasser (0,261 N AZ® 300 MIF Entwickler erhältlich durch Clariant Corp.) wurde bereitgestellt. 5 ml Propylenglykolmethylether (PGME) wurde ebenso bereitgestellt. Das PGME wurde mit dem 300 MIF-Entwickler vermischt. Die resultierende Entwicklerlösung enthielt 0,5 Vol.-% PGME.
  • Beispiel 2
  • Ein Volumenteil der Entwicklerlösung, welche in Beispiel 1 hergestellt worden ist, wurde mit 9 Volumenteilen 0,261 N AZ® 300 MIF Entwickler vermischt. Die resultierende Entwicklerlösung enthielt 0,05 Vol.-% PGME.
  • Beispiel 3
  • Ein Volumenteil der Entwicklerlösung, welche in Beispiel 2 hergestellt worden ist, wurde mit 9 Volumenteilen 0,261 N AZ® 300 MIF Entwickler vermischt. Die resultierende Entwicklerlösung enthielt 0,005 Vol.-% PGME.
  • Beispiel 4
  • Ein 4-inch Hexamethyldisilazan (HMDS) grundierter Galliumarsenidwafer wurde bei 3500 U/min mit AZ® 7908 flüssigem Photoresist (erhältlich von Clariant Corp.) bis zu einer Filmdicke von 0,90 Mikrometern beschichtet. Der beschichtete Wafer wurde dann weich bei 90°C für 60 Sekunden auf einer heißen Platte gebacken. Der weich gebackene Wafer wurde dann für 2 Minuten in den Entwickler getaucht, welche hergestellt worden ist gemäß dem Verfahren von Beispiel 1 (Imprägnier-Schritt). Der beschichtete Wafer wurde dann auf einem 0,54 NA i-Line Stepper bei einer 300 mJ/cm2 (mJ) Dosis belichtet, wobei ein Auflösungstestmaske verwendet worden ist. Der belichtete Wafer wurde dann nach der Belichtung (PEBed) auf einer heißen Platte für 45 Sekunden bei 145°C gebacken. Der Wafer wurde dann in eine AZ® 300 MIF Entwicklerlösung für 2 Minuten getaucht, abgespült mit deionisiertem (DI) Wasser und getrocknet. Beobachtung einer Scanning Electron Micrograph (SEM) Photographie des Nominal 0,5 Mikrometer isolierten Freiraums offenbarte einen 0,16 Mikrometer Überhang auf jeder Seitenwand der Profile.
  • Beispiel 5
  • Ein 4-inch Hexamethyldisilazan (HMDS) grundierter Galliumarsenidwafer wurde bei 3500 U/min mit AZ® 7908 flüssigem Photoresist (erhältlich von Clariant Corp.) bis zu einer Filmdicke von 0,90 Mikrometern beschichtet. Der beschichtete Wafer wurde dann weich bei 90°C für 60 Sekunden auf einer heißen Platte gebacken. Der weich gebackene Wafer wurde dann für 2 Minuten in den Entwickler getaucht, welche hergestellt worden ist gemäß dem Verfahren von Beispiel 3. Der beschichtete Waver wurde dann auf einem 0,54 NA i-Line Stepper bei einer 340 mJ/cm2 (mJ) Dosis belichtet, wobei eine Auflösungstestmaske verwendet worden ist. Der belichtete Wafer wurde dann nach der Belichtung (PEBed) in einem Ofen für 45 Sekunden bei 145°C gebacken. Der PEBed Wafer wurde dann mit einer Perkin Elmer® Ausrichterstation (welche Breitbandbestrahlung umfassend die Wellenlängen zwischen 365 und 436 Nanometern [nm] abgibt) bei einer Dosis von 80 mJ flutbelichtet. Der Wafer wurde dann in eine AZ® 300 MIF Entwicklerlösung für 1 Minute getaucht, abgespült mit deionisiertem (DI) Wasser und getrocknet. Beobachtung einer Scanning Electron Micrograph (SEM) Photographie des Nominal 0,5 Mikrometer isolierten Freiraums offenbarte einen 0,25 Mikrometer Überhang auf jeder Seitenwand der Profile.
  • Beispiel 6
  • Ein 4-inch Hexamethyldisilazan (HMDS) grundierter Galliumarsenidwafer wurde bei 3500 U/min mit AZ® 7908 flüssigem Photoresist (erhältlich von Clariant Corp.) bis zu einer Filmdicke von 0,90 Mikrometern beschichtet. Der beschichtete Wafer wurde dann weich bei 90°C für 60 Sekunden auf einer heißen Platte gebacken. Der weich gebackene Wafer wurde dann für 2 Minuten in den Entwickler getaucht, welcher hergestellt worden ist gemäß dem Verfahren von Beispiel 1 (Imprägnier-Schritt). Der beschichtete Waver wurde dann auf einem 0,54 NA i-Line Stepper bei einer 300 mJ/cm2 (mJ) Dosis belichtet, wobei ein Auflösungstestmaske verwendet worden ist. Der belichtete Wafer wurde dann nach der Belichtung (PEB) in einem Ofen für 45 Sekunden bei 145°C gebacken. Der Wafer wurde dann in eine AZ® 300 MIF Entwicklerlösung für 2 Minuten getaucht, abgespült mit deionisiertem (DI) Wasser und getrocknet. Beobachtung einer Scanning Electron Micrograph (SEM) Photographie des Nominal 0,5 Mikrometer isolierten Freiraums offenbarte einen 0,09 Mikrometer Überhang auf jeder Seitenwand der Profile.
  • Vergleichsbeispiel 7
  • Das Verfahren aus Beispiel 4 wurde ohne Imprägnier-Schritt oder Flutbelichtung wiederholt. Beobachtung einer Scanning Electron Micrograph (SEM) Photographie der nominalen 0,5 Mikrometer isolierten Freiräume offenbarte keine messbaren Überhänge auf irgendeiner der Seitenwände der Profile.

Claims (10)

  1. Verfahren zur Herstellung von gemusterten Photoresistschichten, welche einen Photoresistprofil-Überhang und eine negative Neigung in den Seitenwänden des Photoresistprofils aufweisen, umfassend: 1) Beschichten eines Substrats mit einer Schicht aus einem flüssigen positiven Photoresist; 2) Sanftes Brennen des beschichteten Substrats aus Schritt 1, um im Wesentlichen Photoresistlösungsmittel von der Photoresistschicht zu entfernen; 3) Inkontaktbringen der Photoresistschicht auf dem sanft gebrannten beschichteten Substrat aus Schritt 2 mit einem Ammoniumhydroxid-Entwickler, welcher von etwa 0,005 Vol.-% bis 0,5 Vol.-% eines C1-C4-Alkylenglykol-C1-C4-alkylethers enthält; 4) Platzieren einer Maske, die ein Muster aufweist, über der Photoresistschicht auf dem sanft gebrannten beschichteten Substrat aus Schritt 3; 5) Belichten von Teilen der Photoresistschicht mit actinischer Strahlung, auf dem sanft gebrannten beschichteten Substrat aus Schritt 3, durch die Maske aus Schritt 4; 6) Erhitzen der Photoresistschicht auf dem sanft gebrannten beschichteten Substrat aus Schritt 5 nach der Belichtung; und 7) gegebenenfalls Flutlichtbelichtung der Photoresistschicht auf dem sanft gebrannten beschichteten Substrat aus Schritt 6 mit actinischer Strahlung; 8) Entwickeln der Photoresistschicht auf dem beschichteten Substrat aus Schritt 6 oder 7 mit einem wässrigen alkalischen Entwickler.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei in Schritt 3 der Entwickler ein Tetramethylammoniumhydroxid-Entwickler ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei in Schritt 3 der C1-C4-Alkylenglykol-C1-C4-alkylether ein Propylenglykol-C1-C4-alkylether ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei in Schritt 3 der C1-C4-Alkylenglykol-C1-C4-alkylether Propylenglykolmethylether ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei in Schritt 8 der wässrige alkalische Entwickler ein Ammoniumhydroxid ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei in Schritt 8 der wässrige, alkalische Entwickler Tetramethyl-Ammoniumhydroxid ist.
  7. Wässrige alkalische Tränkflüssigkeit enthaltend eine Lösung eines Ammoniumhydroxids in Wasser, wobei die Lösung des Weiteren von etwa 0,005 Vol.-% bis etwa 0,5 Vol.-% Propylenglykolmethylether enthält.
  8. Wässrige alkalische Tränkflüssigkeit nach Anspruch 7, welche eine Normalität von etwa 0,20 bis etwa 0,30 aufweist.
  9. Verfahren zur Herstellung einer wässrigen alkalischen Tränkflüssigkeit nach Anspruch 7, umfassend: a) Bereitstellen einer Lösung einer wässrigen alkalischen Verbindung in Wasser; und b) Vermischen der Lösung aus Schritt a mit Propylenglykolmethylether in einer Menge ausreichend um eine Tränkflüssigkeit enthaltend von etwa 0,005 Vol.-% bis etwa 0,5 Vol.-% Propylenglykolmethylether zu erhalten.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die resultierende wässrige alkalische Tränkflüssigkeit eine Normalität von etwa 0,20 bis etwa 0,30 aufweist.
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