DE69029603T2 - Verfahren zur Kontrastoptimierung für Fotolacke - Google Patents

Description

Erfindungsgebiet
• Diese Erfindung betrifft Photolack, der zum Herstellen integrierter Schaltungen durch einen lithographischen Prozeß verwendet wird, und im besonderen das Optimieren des Kontrastes des Photolackes durch Steuern der Dicke des Photolackes.
Hintergrund der Erfindung
• Die Herstellung integrierter Schaltungen schließt das Plazieren gesteuerter Mengen von Verunreinigungen in winzige Bereiche ein, die sich auf einem Halbleitersubstrat befinden und später miteinander verbunden werden. Dies wird im allgemeinen durch einen lithograpischen Prozeß zustandegebrcht, der das Auftragen eines dünnen Photolackfilmes auf ein Substrat, in der Regel Silizium oder Siliziumdioxid, und Aussetzen des Photolackes einer Strahlung, z.B. ultraviolettes Licht, Röntgenstrahlen, Elektronenstrahlen, Ionenstrahlen oder dergleichen, umfaßt. Ein Strahlungshindernis, z.B. eine Maske oder eine Maskenvorlage, wird zwischen der Strahlungsquelle und der Photolackschicht plaziert, um die Photolackschicht selektiv mit einem gewünschten Muster zu belichten. Die der Strahlung ausgesetzten Bereiche sind in einem als Entwickler bekannten Lösungsmittel entweder löslich und unlöslich. Wenn der belichtete Photolack löslich ist, wird eine positive Abbildung erzeugt, und der Photolack wird als ein Positivresist bezeichnet, während, wenn der belichtete Photolack in dem Entwickler unlöslich ist, eine negative Abbildung in der Photolackschicht erzeugt wird und der Photolack als ein Negativresist bezeichnet wird.
• Nach der Entwicklung werden die durch den Photolack nicht bedeckten Bereiche des Substrats weiteren Bearbeitungsschritten unterworfen, während die durch den Photolack noch bedeckten Bereiche des Substrats durch den Photolack vor diesen Prozeßschritten geschützt werden. Dieser Prozeß wird in einer in der Technik bekannten Weise wiederholt, bis die gewünschte integrierte Schaltung fertigestellt ist.
• Da integrierte Schaltungen komplexer werden, ist es erwünscht, daß ein einziger Chip immer mehr aktive und passive elektrische Elemente enthält. Dies wird am besten erreicht, indem die physikalische Größe der aktiven und passiven Elemente verringert wird, anstatt die physikalische Größe des Chips zu erhöhen. Kleinere Abmessungen werden jedoch durch das Auflösungsvermögen des lithographischen Prozesses begrenzt und schließt Hardwarebeschränkungen, wie z.B. die mechanische Stabilität des Systems, die optischen Eigenschaften der Linse, der Lichtquelle usw., ein. Optische und Prozeßmerkmale des Photolackes beeinflussen ebenfalls die bestmögliche Auflösung, die mit einem lithographischen System erreicht werden kann.
• Bisher ist beim Stand der Technik der Kontrast der Photolackschicht erhöht worden, um die Auflösung des lithographischen Systems zu verbessern. Dies wird in einer bekannten Weise durch die Verwendung von Mehrschicht-Photolacken (MLR) mit verschiedenen Eigenschaften sowie durch Bedecken des Photolackes mit einer Kontrastverstärkungsschicht (CEM) zustandegebracht. Beide Verfahren sind nicht nur teuer, sondern fügen auch dem Gesamtprozeß Komplexität hinzu und haben aufgrund der durch die komplexere Bearbeitung verursachten erhöhten Fehlerhaftigkeit eine geringere Ausbeute zur Folge.
• Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, die Auflösung eines lithographischen Prozesses, der einen Photolack verwendet, durch Optimieren des Kontrastes des Photolackes zu verbessern.
• Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung ist, den Kontrast eines Photolackes zu optimieren, ohne dem lithographischen Prozeß Komplexität hinzuzufügen.
Zusammenfassung der Erfindung
• Erfindungsgemäß wird der Kontrast einer in einem lithographischen Prozeß verwendeten Photolackschicht optimiert, indem die nichtlineare Beziehung des Kontrastes der Photolackschicht in bezug auf ihre Dicke bestimmt und dann über einem Substrat eine Photolackschicht mit einer Dicke gebildet wird, die einem gewünschten Kontrastwert entspricht, der durch die nichtlineare Beziehung des Kontrastes zu der Dicke der Photolackschicht angegeben wird.
• Die Funktion der nichtlinearen Beziehung zwischen dem Kontrast und der Photolackdicke ist eine gedämpfte sinusförmige Kurve derart, daß die Differenz zwischen maximalen und minimalen Kontrastwerten abnimmt, wenn die Photolackdicke zunimmt, sowie bei höheren Maximalwerten des Kontrastes, wenn die Photolackdicke abnimmt. Obwohl der Effekt für Maxima größer ist, steigen auch Minimalwerte des Kontrastes an, wenn die Photolackdicke abnimmt.
• Die Lichtmenge, die benötigt wird, um eine gegebene Photolackdicke vollständig zu belichten, verändert sich ebenfalls in einer sinusförmigen Weise mit der Photolackdicke, und eine Phasendifferenz kann zwischen der Funktion des sinusförmigen Kontrastes im Verhältnis zu der Photolackdicke und der Funktion des sinusförmigen Belichtungslichtes im Verhältnis zu der Photolackdicke bestehen. Es ist möglich, die Lichtquelle und den Photolack so auszuwählen, daß eine vorbestimmte Phasendifferenz hervorgebracht wird.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
• Diese Erfindung wird aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen deutlich werden.
• Fig. 1 zeigt die Kennlinie eines Photolackes.
• Fig. 2 zeigt die erfindungsgemäße nichtlineare Funktion des Kontrastes im Verhältnis zu der Photolackdicke.
• Fig. 3 zeigt Strahlung, die in einem lithographischen Prozeß durch den Photolack zurückreflektiert wird.
• Fig. 4 zeigt die Funktion der Entfernungs-Belichtungsstrahlung Eo im Verhältnis zu der Photolackdicke.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
• Sowohl der Kontrast als auch die Empfindlichkeit von Photolack können in einer bekannten Weise gemessen werden, indem eine gegebene Dicke einer Photolackschicht sich ändernden Strahlungsdosen ausgesetzt und dann die Photolackdicke gemessen wird, die nach dem Entwickeln für jede Strahlungsdosis übrigbleibt. Diese Information wird geplottet, um die Kennlinie eines Photolackes zu erlangen. Eine solche Kennlinie 11 wird in Fig. 1 gezeigt, worin jeder Punkt 10 einer gegebenen Strahlungsdosis und der nach dem Entwickeln verbleibenden Photolackdicke entspricht. Der Schnittpunkt der Kurve 11 mit der X-Achse ergibt die Mindeststrahlungsdosis, die benötigt wird, um nach dem Entwicklungsschritt die gegebene Photolackdicke völlig zu entfernen. Durch Wiederholen dieses Prozesses für denselben Photolack und dieselbe Strahlungsquelle, aber unter Verwendung unterschiedlich dicker Photolackschichten, können die Empfindlichkeits- und Kontrasteigenschaften des einzelnen Photolackes bestimmt werden.
• Erfindungsgemäß wird die Steigung der Kurve 11 ermittelt, wenn sie die X- oder Strahlungsdosisachse schneidet, um den Kontrast der gegebenen Photolackschichtdicke zu finden, und wird gegen die Photolackdicke aufgetragen, die nach dem Entwickeln durch die Schnittpunkt-Strahlungsdosis entfernt wird. Jeder Punkt 12 der Kurve 14 von Fig. 2 entspricht folglich der Steigung des Schnittpunkts der Kurve 11 von Fig. 1 mit der X-Achse für verschieden dicke Photolackschichten.
• Eine Durchsicht von Fig. 2 zeigt, daß die Funktion des Kontrastwertes γ eines gegebenen Photolackes im Verhältnis zur Photolackdicke oder Kurve 14 nichtlinear, gedämpf und sinusartig, d.h. ähnlich einer gedämpften Sinuswelle ist. Wie durch Fig. 2 gezeigt nimmt der maximale Absolutwert des Kontrastes zu, wenn die Photolackdicke abnimmt, ebenso die Differenz zwischen den Maximal- und Minimalwerten 15 und 16 des Kontrastes. Außerdem arbeitet die Halbleiterindustrie zur Zeit typischerweise mit Photolackdicken von etwa 12,000 Å oder größer, wobei diese Photolackdicke die kleinste Differenz zwischen Maximal- und Minalwerten 15 und 16 des Kontrastes aufweist, wie durch Fig. 2 gezeigt.
• Man glaubt, daß die sinusartige Kurve 14 von Fig. 2 auf Strahlungsstehwellen zurückzuführen ist, die durch Überlagerung der Belichtungsstrahlung und ihrer Reflexionen hervorgerufen werden. Zum Beispiel bedeckt die Photolackschicht typischerweise ein Substrat, z.B. Polysilizium oder Galliumarsenid, oder der Photolack kann ein Substrat, z.B. Siliziumdioxid, bedecken, das über dem Polysilizium oder dem Galliumarsenid liegt. Die Belichtungsstrahlung läuft durch den Photolack bis zu dem Siliziumdioxid und/oder dem Polysilizium und wird wenigstens teilweise davon reflektiert, um sich konstruktiv oder destruktiv mit der Belichtungsstrahlung zu überlagern und Stehwellen innerhalb der Photolackschicht zu bilden. Dies wird schematisch in Fig. 3 gezeigt, worin die Belichtungsstrahlung 17 eine Photolackschicht 18 durchläuft und zum Teil 21 durch eine Oxidschicht 19 und auch zum Teil 22 durch ein Substrat 20 reflektiert wird.
• Erfindungsgemäß wird die Funktionskurve Kontrast über Photolackdicke 14 von Fig. 2 benutzt, um den Kontrast von Photolack, der zum Herstellen integrierter Schaltungen mit einem lithographischen Prozeß verwendet wird, zu optimieren. Wenn z.B. der Kontrast das einzige Kriterium ist, kann die Kontrastkennlinie wie die in Fig. 1 gezeigte benutzt werden, um die Photolackdicke auszuwählen, die den höchsten absoluten Kontrast liefert. Manchmal wird die Photolackdicke durch andere Faktoren anders als nur der Kontrast diktiert. Zum Beispiel sei angenommen, daß aus einer Vielfalt von Gründen eine Photolackdicke von etwa 9,000 Å zu verwenden ist. Ein Verweis auf Kurve 14 von Fig. 2 zeigt, daß, wenn diese Dicke geringfügig auf etwa 9600 Å erhöht oder geringfügig auf etwa 8600 Å verringert wird, viel größere Kontrastwerte γ für den Photolack und folglich eine verbesserte Auflösung mit all ihren damit verbundenen Vorteilen, wie z.B. Größe und Dichte der sich ergebenden integrierten Schaltungen, erlangt werden können.
• Wie aus dem Obigen ersichtlich sein wird, kann die in Fig. 2 gezeigte Funktion Kontrast γ über Photolackdicke oder Kurve 14 für jeden Photolack und jede Strahlungsquelle bestimmt danach benutzt werden, um den Kontrast in einem lithographischen Prozeß zum Herstellen von Produkten, wie z.B. Halbleiterbauelemente, gedruckte Schaltplatten oder dergleichen, zu optimieren.
• Wenn einmal der Wert der Photolackdicke bestimmt ist, muß die Strahlungsmenge Eo bestimmt werden, die zum Entfernen der durch Entwicklung ausgewählten Photolackdicke benötigt wird. Dies wird in einer bekannten Weise durchgeführt. Zum Beispiel ergibt der Schnittpunkt der Kurve 11 von Fig. 1 mit der X- oder Strahlungsdosisachse die Strahlungsmenge, die erforderlich ist, um die Photolackdicke nach dem Entwickeln zu entfernen, wobei für diese Kurve 11 eine charakteristische Kurve ist. Indem dieser Schnittpunktswert Eo für dieselbe Strahlungsquelle und den denselben Photolack, aber für unterschiedliche Photolackdicken, genommen wird, kann die Funktion oder Kurve der Entfernungsstrahlungsdosis Eo über Photolackdicke gezeichnet werden. Eine solche Kurve 24 wird in Fig. 4 gezeigt. Wie die Kurve 14 in Fig. 2 gleicht die Kurve 24 einer Sinuswelle. Man glaubt, daß auch diese auf eine Stehwelle zurückzuführen ist, die innerhalb des Photolackes durch die Belichtungsstrahlung entsteht, die den Photolack durchläuft und dann teilweise von einem oder mehreren Substraten zurückreflektiert wird, um mit der Belichtungsstrahlung konstruktiv und destruktiv zu interagieren.
• Für eine gegebene Photolackdichte ergibt die Kurve 24 von Fig. 2 die Strahlungsbelichtungsdosis, die erforderlich ist, um nur die gegebene Photolackdichte zu entfernen, wenn der Photolack entwickelt wird. Da die Dicke der Photolackschicht nicht genau gleichmäßig sein kann, kann der tatsächliche Wert der gewählten Strahlungsbelichtung Eo etwas größer sein als der durch Fig. 4 gegebene, um sicherzustellen, daß Photolackbereiche dicker als der gegebene oder ausgewählte Photolack ebenfalls durch den Entwicklungsschritt entfernt werden.
• Eine Durchsicht von Fig. 2 und 3 zeigt, daß die Maxima und Minima der Kurven 14 und 24 für gegebene Photolackdicken nicht genau in Phase sind. Es ist jedoch möglich, daß durch Auswählen der Eigenschaften des Photolackes und/oder der Strahlungsquelle eine gewünschte oder vorbestimmte Phasenbeziehung zwischen den Kennlinien 14 und 16 des Kontrastes γ bzw. der Strahlungsbelichtung Eo erhalten werden kann, um den lithographischen Prozeß weiter zu optimieren. Die Photolack-Kennlinie von Fig. 1 wurde erzeugt, indem Offenbild-Belichtungen (d.h. Belichtungen ohne Muster) von zunehmender Belichtungsdosis in einen auf einen leeren Siliziumwafer geschichteten Pholackfilm gemacht wurden. Bei diesen Daten ergibt eine Belichtung von einer Sekunde 300 mJ/cm². Die Offenbild-Photolackdicken wurden nach dem Entwickeln mit Hilfe eines Nanospec-Filmdickenanalysators untersucht. Der Photolack war Aspect Systems 9 Photolack, der bei 100 ºC Voreinbrennen und 120ºC Nachentwicklungs-Einbrennen (PEB) verarbeitet wurde.
• Der in Fig. 2 gezeigte Kontrast γ des S9-Photolackes wurde aus der Steigung der Ausgleichslinie der kleinsten Quadrate für normalisierte Filmdicken zwischen 15 und 80% berechnet. Diese Kriterien sind etwas willkürlich, aber bei Dicken größer als 80% beeinflussen die Schultereffekte die Berechnungen nachteilig, da die Schulter kein Teil des linearen Ansprechens ist. Außerdem sind bei Filmdicken kleiner als 15% die Daten verrauscht. Die Kontrastwerte γ wurden für jeden mit Photolack beschichteten Wafer (d.h. jeder Lauf) unter Verwendung von mindestens fünf Datenpunkten für die lineare Ausgleichung der kleinsten Quadrate berechnet. Der Wert der Belichtungsszeit zum Entfernen Eo (d.h. der Schnittpunkt auf der X-Achse mit der Kurve 11) wurde durch Extrapolieren der linearen Ausgleichung der Kennlinie 11 für normalisierte Photolackdicken bis 0.0 erlangt.
• Die Kurve 24 von Fig. 4 zeigt, wie oben beschrieben, die Abhängigkeit der Entfernungs-Belichtungsstrahlung Eo von Stehwellen-Überlagerungseffekten. Die Kurve 24 zeigt außerdem ansteigende Entfernungs-Belichtungswerte Eo bei Minima von Eo, wenn der Photolack dicker wird. Dies wird einer Abnahme der mittleren Belichtungs-Strahlungsstärke mit zunehmender Photolackdicke zugeschrieben, die durch optische Absorption des Photolackes verursacht wird, was eine Abschwächung der Strahlungsstärke für dickere Photolackfilme zur Folge hat.
• Ähnlich der Entfernungs-Belichtungsstrahlung Eo verändert sich auch der Photolackkontrast γ, wie durch Kurve 14 von Fig. 2 gezeigt, mit der Photolackdicke, wiederum die Folge der oben beschriebenen Stehwellen-Überlagerung. Versuche mit anderen "i-line"-Photolacken zeigten, daß dies ein generisches Phänomen ist, da die Daten einen Trend zu ansteigenden Maximalwerten 15 des Kontrastes γ zeigen, wenn die Photolackdicke verringert wird. In der Tat wird bei Photolackdicken über etwa 1.2 µm der Effekt der Abhängigkeit des Kontrastes γ von der Stehwellenüberlagerung relativ klein. Wenn die Photolackdicke abnimmt, nimmt der Kontrastwert γ bei Photolackdicken mit maximaler destruktiver Wellenüberlagerung zu. Auch die Kontrastwerte γ bei Photolackmit maximaler konstruktiver Wellenüberlagerung zeigen bei dünneren Photolackfilmen eine leichte Verbesserung.
• Die Verwendung des hierin beschriebenen Verfahrens zum Erlangen des optimalen Kontrastes für Photolack hatte auch einen verbesserten lithographischen Prozeßspielraum zur Folge. Versuchen zeigten, daß der Prozeßspielraum für die zwei wichtigtsen lithographischen Herstellungsfaktoren, d.h. Belichtung und Unschärfe, etwa 100% größer war, wenn das hierin beschriebene Verfahren anstelle einer durch die maximale Entfernungs-Strahlungsbelichtung bestimmten Photolackdicke, wie bisher beim Stand der Technik praktiziert, angewandt wurde.
• Wie nun ersichtlich sein wird, stellt die vorliegende Erfindung eine verbesserte Auflösung zur Verfügung, um die Herstellung von dichteren Halbleitererzeugnissen mit verbesserter Liniensteuerung ohne die Verwendung von teuren und fehlererzeugenden Kontrast-Verstärkungsmaterialien durch Optimieren des Kontrastes eines Photolackes zu ermögichen, indem die Kontrast-über-Dicke-Kennlinie des Photolackes bestimmt und daraus eine optimale Photolackdicke ausgewählt wird.
• Während diese Beschreibung eine spezifische Ausführung dieser Erfindung veranschaulicht und beschreibt, ist sie nicht als den Umfang dieser Erfindung, wie in den anliegenden Ansprüchen dargelegt, beschränkend auszulegen, da angesichts der hierin enthaltenen Lehren für die Fachleute in der Technik weitere Ausführungen dieser Erfindung sichtbar sein werden.

Claims (10)

1. Verfahren zur Optimierung des Kontrastes einer bei der Herstellung von integrierten Schaltungen verwendeten Photolackschicht, das umfaßt:

Bestimmen der nichtlinearen Beziehung (14) des Kontrastes der Photolackschicht zu ihrer Dicke für eine gegebene Lichtquelle (17);

Bilden einer Photolackschicht (18) mit einer Dicke, die einem gewünschten Kontrastwert entspricht, der durch die nichtlineare Beziehung des Kontrastes und der Dicke der Photolackschicht gezeigt wird, über einem Substrat (20) und

Aussetzen wenigstens eines Teils der Oberfläche der Photolackschicht der Lichtquelle.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein Teil (22) des Belichtungslichtes (17) durch das Substrat (20) durch den Photolack (18) hindurch zurückreflektiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das reflektierte Licht (22) und das Belichtungslicht (17) eine Stehwellenüberlagerung innerhalb des Photolackes (18) zur Folge haben.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der der Lichtquelle (17) ausgesetzte Teil der Photolackschicht (18) eine vorbestimmte Menge an Lichtenergie empfängt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Funktion (14) nichtlinearer Kontrast im Verhältnis zu Photolackdicke eine sinusartige Funktion ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Funktion (14) sinusartiger Kontrast im Verhältnis zu Photolackdicke so gedämpft ist, daß die Differenz zwischen maximalen (15) und minimalen (16) Kontrastwerten abnimmt, wenn die Photolackdicke zunimmt.

7. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Funktion (14) sinusartiger Kontrast im Verhältnis zu Photolackdicke höhere maximale (15) Kontrastwerte enthält, wenn die Dicke des Photolackes (18) abnimmt.

8. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Menge an Licht (17), die benötigt wird, um eine gegebene Dicke des Photolackes (18) völlig zu belichten, sich in einer sinusartigen Weise (24) mit der Photolackdikke ändert.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem Eigenschaften der Lichtquelle (17) und Eigenschaften des Photolackes (18) einen Phasenunterschied verursachen, der zwischen der Funktion (14) sinusartiger Kontrast im Verhältnis zu Photolackdicke und der Funktion (24) sinusartiges Belichtungslicht im Verhältnis zu Photolackdicke vorhanden ist.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Lichtquelle (17) und der Photolack (18) einen vorbestimmten Phasenunterschied erzeugen.