DE69208769T2

DE69208769T2 - Hochauflösendes lithographisches Verfahren

Info

Publication number: DE69208769T2
Application number: DE69208769T
Authority: DE
Inventors: Monte A Douglas
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1991-07-31
Filing date: 1992-07-28
Publication date: 1996-07-18
Anticipated expiration: 2012-07-29
Also published as: TW208089B; DE69208769D1; EP0525721A1; KR930003288A; JPH05206005A; EP0525721B1; US5387497A; KR100329716B1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Diese Erfindung betrifft im allgemeinen ein Verfahren zum Herstellen von Strukturelementen auf dem Gebiet der Halbleiter-Bauteile und insbesondere auf dem Gebiet der Lithografie.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die Halbleiterindustrie ist ständig bestrebt, elektronische Bauteile mit höherer Dichte zu erreichen. Nachdem die Industrie zur Erreichung höherer Dichten zu Strukturelementen im Bereich eines Mikrometers, im Bereich unterhalb eines Mikrometers und sogar im Bereich unterhalb eines halben Mikrometers vorgedrungen ist, hat sich der Bedarf an verbesserten Lithografieverfahren zur Erzeugung solcher winziger Strukturelemente erhöht.
Zu den mit konventionellen Lithografietechniken verbundenen Problemen gehören der Mangel an einer Gleichförmigkeit der Belichtung des Resists durch eine dicke Resistschicht sowie infolge metallisierter Flächen unterhalb des Resists in der Resistschicht auftretendes Streulicht. Diese Probleme haben die Tendenz, das Problem des Auflösungsverlustes mit der Erzeugung von Beginn an schlecht festgelegter Strukturen zu verbinden.
Standardverfahren der Bildentwicklung im belichteten Ätzresist erfüllen die Erfordernisse zur Erzeugung von Strukturelementen im Bereich unterhalb eines halben Mikrometers nicht. Eine Naßentwicklung des Ätzresists erzeugt häufig einen positiven Böschungswinkel an der Seitenwand des Strukturelementes, der den Kontrast der Bildübertragung in die darunterliegende dünne Schicht während des Trockenätzvorgangs verschlechtert. Dies liegt an der nicht unendlichen Selektivität der Ätzrate zwischen dem Resist und dem Material der Schicht. Es besteht demnach ein Bedarf an einem Verfahren zur Herstellung hochaufgelöster Strukturelemente im Größenbereich unterhalb eines Mikrometers und unterhalb eines halben Mikrometers auf einem Halbleiterbauteil.
In EP-A-204 253 und in IBM Technical Disclosure Bulletin, Band 32, Nr. 7, Dezember 1988, S. 266, "Laser Development of Latent Images" sowie in EP-A-184 567 sind Verfahren offenbart, bei denen eine einzige, ein Substrat bedeckende Resistschicht zur Veränderung der chemischen oder physikalischen Eigenschaften bis in eine sehr geringe Tiefe bildweise belichtet wird. Diese Verfahren beinhalten die Schritte der Bildung einer Resistschicht, der Oberflächenstrukturierung des Resists und der Entwicklung des Resists. Im Artikel "Improving Linewidth Control over Reflective Surfaces Using Heavily Dyed Resists" von T.R. Pampalone et al., Journal of The Electrochemical Society, Band 133, Nr. 1, S. 192-196, sind mit Farbstoffen versehene, Rückstreuungen und Interferenzmuster verhindernde einzelne Resistschichten beschrieben.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Strukturelementen enhält: Bilden einer einzelnen Resistschicht auf einem Substrat, wobei die Schicht eine Dicke hat; Strukturieren des Resists, indem er selektiv einer ersten Energiequelle ausgesetzt wird, um die Entwicklungseigenschaften von Teilen des Resists zu modifizieren, während ein Anteil der Dicke unbelichtet bleibt; Entwickeln des Resists durch gleichzeitiges Anwenden einer zweiten Energiequelle und eines Entwicklers, wobei die erste und die zweite Energiequelle beide Ultraviolett-Lichtquellen sind. Der Resist kann ein Resist auf Acrylbasis sein. In den Resist kann ein Farbstoff eingebracht sein, der das Belichten des Anteils der Dicke verhindert, der unbelichtet bleiben soll. Der Entwickler kann Sauerstoff oder Wasserstoff enthalten. Der Strukturierungsschritt kann in einer sauerstofffreien Umgebung erfolgen. Eine Stickstoffspülung kann zur Erzeugung der sauerstofffreien Umgebung angewendet werden, und das Substrat kann mehrere Schichten aufweisen.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

In der Zeichnung ist
Fig. 1 eine Querschnittsdarstellung der Bildung einer Resistschicht auf einem Substrat;
Fig. 2 eine Querschnittsdarstellung der Herstellung vernetzter Bereiche; und
Fig. 3 eine Querschnittsdarstellung der Strukturierung einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Entsprechende Bezugszahlen und Symbole in den verschiedenen Figuren beziehen sich, soweit nicht anders angegeben, auf entsprechende Teile.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Verfahren zum Erreichen einer hohen Auflösung eines Strukturelementes mit einer Größe unterhalb eines Mikrometers schließen die Erhöhung der numerischen Apertur des Abbildungsgerätes und/oder die Verringerung der Wellenlänge des zur Belichtung des Ätzresists verwendeten Lichtes ein. In beiden Fällen ist die Schärfentiefe der Abbildung bis auf einen Wert verringert, der kleiner ist als die Abmessung der Dicke des Ätzmaskenfilms und die Oberflächentopografie. Folglich ist die Übertragung des projizierten Bildes des Hauptretikels in verschiedenen Bereichen des Belichtungsfeldes in unannehmarer Weise verzerrt.
Es wurden Verfahren zur Lösung dieses Problems, beispielsweise Mehrschichtenresists, vorgeschlagen. Dies schließt eine "Sensibilisierung" der Oberflächenschicht der Ätzmaske in irgendeiner Weise ein, so daß das Abbildungsgerät lediglich ein genaues Bild auf die Oberfläche des Resists projizieren muß. Die Schärfentiefe braucht daher lediglich größer zu sein als die charakteristische Oberflächentopografie. In Fertigungsumgebungen ist dies jedoch nicht allgemein akzeptiert. Als Nachteile wurden die Komplexität des Verfahrens, die Erzeugung von Teilchen und die schlechte Kontrolle und Gleichförmigkeit der kritischen Abmessungen genannt.
Zur erfolgreichen Strukturierung von Strukturelementen im. Bereich unterhalb eines Mikrometers und unterhalb eines halben Mikrometers ist eine Oberflächenabbildungstechnik erforderlich, die mit einem Bildentwicklungsverfahren vereinbar ist. Die Oberflächenabbildung ist zur Überwindung grundsätzlicher, mit dem optischen Abbildungsgerät verbundener Begrenzungen der Schärfentiefe erforderlich. Die Oberflächenabbildung sollte vorzugsweise nicht aufwendig oder empfindlich gegenüber kleinen Änderungen der Prozeßbedingungen sein. Eine kompatible Bildentwicklungstechnik ist erforderlich, um sicherzustellen, daß das Belichtungsbild getreu auf den übrigen Resist übertragen wird. Dies wird wiederum vorzugsweise in einer Weise ausgeführt, daß eine Struktur erzeugt wird, die das Bild getreu auf das darunterliegende Substrat überträgt.
Es wird ein Oberflächenabbildungs-Belichtungsverfahren zusammen mit einem Trockenentwicklungsverfahren offenbart, das den Erfordernissen der Lithografie im Bereich unterhalb eines Mikrometers und im Bereich unterhalb eines halben Mikrometers genügt. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, wird eine Resistschicht 12 auf ein zu strukturierendes Substrat 10 aufgebracht. Der Resist 12 braucht keinen auch als PAC (lichtaktive Verbindung) bezeichneten Sensibilisator zu enthalten. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, kann ein Maske 14 verwendet werden, um den Resist 12 selektiv einer Energiequelle 16 in der Art eines Belichtungsgerätes für tiefes ultraviolettes Licht auszusetzen, um den Resist 12 in ausgewählten Bereichen 18 der Oberfläche des Resists 12 zu vernetzen. Die Vernetzung geschieht vorzugsweise in einer im wesentlichen sauerstofffreien Umgebung. Ein Verfahren, daß zur Erzeugung einer sauerstofffreien Umgebung verwendet werden kann, ist eine Stickstoffspülung.
Die in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigten Verfahrensschritte werden zur Erzeugung vernetzter Bereiche 18 auf der Oberfläche des Resists 12 ausgeführt. Die Anordnung wird keiner Diffusionsreagentie ausgesetzt. Die Anordnung wird daraufhin direkt zur in Fig. 3 gezeigten Entwicklungsstufe übertragen. Der Resist 12 wird vorzugsweise durch ein leichtes, lichtunterstütztes Ätzverfahren (oder andere "leichte", Niederenergie- Ätzverfahren, wie beispielsweise ECR), das beispielsweise eine Sauerstoff enthaltende Quelle als Reagentie und eine zum Aufbrechungen der Oberflächenbindungen fähige Lichtquelle 22 als Energiequelle einschließt, in anisotroper Weise mit hohem Kontrast trocken entwickelt. Die durch das aufbrechende Licht 24 (oder eine andere Energiequelle) erzeugten "losen Bindungen" reagieren mit der Sauerstoff enthaltenden Reagentie (und/oder deren Produkten), so daß der Resist in den nicht vernetzten Bereichen 20 entfernt wird. Das Vernetzen dient als Ätzmaske und das sich in dieser Ausführungsform ergebende Muster ist ein negatives Abbild. Wiederum können eine annehmbare Kontrolle der kritischen Abmessungen und der Gleichförmigkeit der Strukturelemente erreicht werden, und es können für scharfe Abbildungen in die darunterliegende Schicht senkrechte Seitenwände erzeugt werden, da eine solche Niederenergie-Verarbeitung eine ausgezeichnete Selektivität der Ätzrate zwischen den vernetzten Bereichen und den nichtvernetzten Bereichen aufweisen kann.
Es gibt zahlreiche Resists, die für die vorausgehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet werden können. Die Auswahl ist lediglich durch die verwendete Energiequelle 22 und die gewählte Ausführungsform begrenzt. In der vorausgehend beschriebenen Ausführungsform dienen die vernetzten Bereiche 18 als Ätzmaske und müssen daher widerstandsfähiger gegenüber dem Ätzen sein. Es kann beispielsweise ein Resist auf Acrylbasis verwendet werden, der durch das Vernetzen sehr hart und widerstandsfähig gegenüber dem Ätzen wird. Zur Begrenzung der durch das Vernetzen erzeugten Umwandlungstiefe können Farbstoffe in den Resist eingebracht werden, wobei die Probleme hinsichtlich der Schärfentiefe selbst bei einer relativ intensiven Belichtung vermieden werden können. Der Farbstoff ist vorzugsweise ein Photonen absorbierender Farbstoff. Die Stärke und die Intensität der gewählten Energiequelle beeinflußt unmittelbar den in den vernetzten Bereichen 18 des Resists 12 erforderlichen Widerstandsgrad gegenüber dem Ätzen.
In dieser Ausführungsform wird durch das Vernetzen der Oberfläche des Resists 12 in den beispielsweise durch ein optisches Ultraviolett-Abbildungsgerät belichteten Bereichen 18 Nutzen aus der Oberflächenabbildung gezogen. Es wird angenommen, daß die Vernetzungstiefe nicht größer als einige hundert nm ist, und sie könnte beispielsweise bei 10 nm (100 Å) liegen. In dieser Ausführungsform wird weiterhin aus der Trockenentwicklung zur Erzeugung senkrechter Seitenwände mit hohem Abbildungskontrast zur Erzeugung einer guten Kontrolle der kritischen Abmessungen und der Gleichförmigkeit sowie zur Erzeugung von Ätzresiststrukturen, die eine gute Abbildungsübertragung auf den darunterliegenden Film ermöglichen, Nutzen gezogen.
Vorausgehend wurde eine bevorzugte Ausführungsform detailliert beschrieben. Es ist jedoch zu verstehen, daß der Schutzumfang der Erfindung auch Ausführungsformen enthält, die sich von der beschriebenen unterscheiden, die jedoch innerhalb des Schutzumfangs der Ansprüche liegen. Die im Entwicklungsschritt verwendete, Sauerstoff enthaltende Reagentie kann beispielsweise durch Wasserstoff oder eine Wasserstoff freisetzende Quelle, wie beispielsweise Ammoniak ersetzt werden.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen von Strukturelementen, enthaltend:

a. Bilden einer einzelnen Resistschicht auf einem Substrat, wobei die Schicht eine Dicke hat;

b. Strukturieren des Resists, indem er selektiv einer ersten Energiequelle ausgesetzt wird, um die Entwicklungseigenschaften von Teilen des Resists zu modifizieren, während ein Anteil der Dicke unausgesetzt bleibt;

c. Entwickeln des Resists durch gleichzeitiges Anwenden einer zweiten Energiequelle und eines Entwicklers;

wobei die erste und die zweite Energiequelle beide Ultraviolett-Lichtquellen sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Resist ein Resist auf Acrylbasis ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Resist keinen Sensibilisator enthält.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem in den Resist ein Farbstoff eingebracht ist, der das Belichten des Anteils der Dicke verhindert, der unausgesetzt bleiben soll.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Entwickler Sauerstoff enthält.

6. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Entwickler Wasserstoff enthält.

7. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Strukturierungsschritt in einer sauerstofffreien Umgebung erfolgt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei welchem eine Stickstoffspülung zur Erzeugung der sauerstofffreien Umgebung angewendet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Substrat mehrere Schichten aufweist.