DE2123887A1

DE2123887A1 - Maske zum Belichten strahlungsempfindlicher Schichten

Info

Publication number: DE2123887A1
Application number: DE19712123887
Authority: DE
Inventors: Ronald Stephen Salt Point; Sadagopan Varadachari Ossining; N.Y. Horwath (V.St.A.)
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1970-06-30
Filing date: 1971-05-14
Publication date: 1972-01-05
Also published as: JPS513631B1; FR2095598A5; GB1330915A; US3661436A; DE2123887B2; CA939548A; DE2123887C3; SE359688B

Description

Böblingen, den 5. April 1971 bm-sz

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 10504

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung Aktenzeichen der Anmelderin: Docket YO 969 087

Maske zum Belichten stJahlungsempfindlicher Schichten

Die Erfindung betrifft eine Maske, durch die eine strahlungsempfindliche Schicht belichtet wird.

Bei der Herstellung kleiner Bauelemente, insbesondere Halbleiterbauelemente, werden Masken häufig benutzt. Solche Masken ermöglichen z. B. die Festlegung genauer Muster von sehr geringer Größe auf einem Halbleiterplättchen. Bei der Verwendung von herkömmlichen Masken treten jedoch einige Schwierigkeiten auf.

Bei der Herstellung von Halbleiteranordnungen wird eine Halbleiterscheibe mit einer Photolackschicht bedeckt, über welcher dann die Maske in direkter Berührung mit der Photolackschicht angeordnet wird. Licht mit bestimmter Wellenlänge (gewöhnlich ultraviolettes Licht) passiert die öffnungen oder lichtdurchlässigen Gebiete der .Maske und belichtet an diesen Stellen den Photolack. Nach dem Entwickeln des Photolacks kann die Halbleiterscheibe an den durch die Maske vorgegebenen Stellen geätzt werden. Weitere selektiv wirkende Verfahrensschritter wie beispielsweise eine Diffusion oder das

109882/1133

Aufbringen eines anderen Materials, können durchgeführt werden. Bei einem solchen photolithographischen Prozeß ist es sehr wichtig, daß die Maske in bezug auf die Halbleiterscheibe genau ausgerichtet wird. Auch muß sie vielfach verwendbar und daher gegen Abnutzung widerstandsfähig sein. Während des Herstellungsverfahrens der Halbleiteranordnungen wird die Maske ständig bewegt. Eine schnelle und genaue Ausrichtung ist daher erforderlich, um ein hohe Ausbeute zu erzielen.

Die bekannten Masken, ζ. B. solche mit Chrom-, Cadmiumsulfid- oder photographischen Emulsionsschichten auf Glasunterlagen, erfüllen die an sie gestellten Forderungen nicht in befriedigender Weise. Die Chromschichten beispielsweise sind für sichtbares Licht nicht durchlässig, so daß beim Ausrichten Schwierigkeiten auftreten. So werden zusätzliche Markierungszeichen für das Ausrichten benötigt, wobei sich hierdurch Ungenauigkeiten und eine verringerte Ausbeute ergeben. Die Chromschichten können außerdem durch Unebenheiten der Halbleiteroberfläche beschädigt werden. Während eines epitaktischen Aufwachsvorganges bilden sich beispielsweise auf der Halbleiteroberfläche starke Spitzen aus, die die Maske stark beschädigen können, wenn diese in Berührung mit der Halbleiteroberfläche gebracht wird. Da die Maskenherstellung sehr aufwendig ist und die Masken demgemäß relativ teuer sind, stellt eine solche Beschädigung der Masken ein ernstes Problem bei der Fertigung von Halbleiteranordnungen dar.

Auch wenn bekannte lichtdurchlässige Masken benutzt werden, so besteht die maskierende Schicht aus einem relativ weichen Material, so z. B. aus photographischer Emulsion oder Cadmiumsulfid. Es ergibt sich daher auch bei diesen Masken die Gefahr einer Beschädigung, die die Lebensdauer der Masken beträchtlich herab-, setzt.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Maske zu schaffen, mit der bei sichtbarem Licht eine schnelle und genaue Justierung vorgenommen werden kann und die gegen Beschädigungen

109882/1133

Docket YO 969 087

212JSI7

durch Unebenheiten der Halbleiteroberfläche weitgehend gesichert ist. Diese Aufgabe wird bei einer Maske, durch die eine strahlungsempfindliche Schicht belichtet wird, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die für die bei der Belichtung verwendete Strahlung undurchlässigen Gebiete der Maske aus einem von einer strahlungsdurchlässigen Unterlage getragenen Material bestehen, dessen Bandabstand im Bereich zwischen 2,8 eV und 5,0 eV liegt. Diese Gebiete bestehen vorzugsweise aus einem Material, das für ultraviolettes Licht undurchlässig und für sichtbares Licht durchlässig ist. Vorteilhaft bestehen die für die bei der Belichtung verwendete Strahlung undurchlässigen Gebiete aus einem Material der Gruppe der Spinelle, Perowskite, Granate, Fluoride oder Oxyfluoride. Bei einem Material aus der Gruppe der Fluoride oder Oxyfluoride enthält dieses vorzugsweise mindestens ein Element der seltenen Erden. Als Maskenmaterial wird vorteilhaft GaFeO-verwendet.

Die genannte Maske kan : bei der Herstellung sehr kleiner Anordnungen, insbesondere Halbleiteranordnungen, benutzt werden. Das vorzugsweise aus einer Verbindung der Gruppe der Spinelle, Perowskite oder Granate bestehende Maskenmaterial ist härter als das gewöhnlich verwendete Halbleitermaterial, so daß dieses keine Beschädigungen an den Masken mehr bewirken kann.

Die meisten in der Halbleiterfertigung benutzten Photolacke werden mit ultaviolettem Licht belichtet. Dementsprechend ist das Maskenmaterial für ultraviolettes Licht undurchlässig und für sichtbares Licht durchlässig, so daß ein Justieren bei sichtbarem Licht leicht möglich ist. Auf diese Weise können die bei der Ausrichtung der bekannten Masken auftretenden Schwierigkeiten vermieden werden. Das Maskenmaterial ist außerdem gut ätzbar und ergibt eine hohe Kantenschärfe.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

109882/1 133

Docket YO 969 087

- 4 Es zeigen:

Fign. IA bis ID aufeinanderfolgende Verfahrensschritte zur Herstellung einer ersten Ausfuhrungsform einer Maske nach der Erfindung,

Fign. 2A bis 2D aufeinanderfolgende Verfahrensschritte zur Herstellung einer zweiten Ausführungsform einer Maske nach der Erfindung,

Fig. 3 eine gemäß den Fign. IA bis ID hergestellte Maske,

Fig. 4 eine gemäß den Fign. 2A bis 2D hergestellte Mas

ke und

Fig. 5 die Abhängigkeit der Absorption von der Wellen

länge des Lichtes für GaFeO-, das ein bevorzugtes Maskenmaterial darstellt.

Die Fign. IA bis ID demonstrieren ein Verfahren zur Herstellung einer Maske nach der vorliegenden Erfindung. Die hierdurch erhaltene Maske ist in Fig. 3 dargestellt. Sie besteht aus einer dünnen Schicht des das Maskenmuster bildenden Materials, das auf einem Substrat angeordnet ist. Das Substrat 10 ist durchlässig für ultraviolettes und sichtbares Licht. Es ist auf einer Seite mit dem entsprechend dem Muster der Maske angeordneten Material 12 bedeckt. Das Substrat 10 kann beispielsweise aus Glas, Quarz, Saphir oder einem ähnlichen Stoff bestehen. Das zur Maskierung benutzte Material 12 wird durch ein komplexes Oxyd, Fluorid oder Oxyfluorid gebildet. Die am besten geeignesten Materialien sind diejenigen, die durchlässig für sichtbares Licht und undurchlässig für ultraviolettes Licht sind.

Materialien mit einem Bandabstand zwischen etwa 2,8 eV und 5,0 eV erfüllen diese Bedingung. Solche Stoffe befinden sich vorzugswei-

109882/1133

Docket YO 969 087

se in den Gruppen der Spinelle, Perowskite und Granate. Die Spinelle sind durch die Formel AB₃O₄ charakterisiert. Ein Beispiel hierfür ist MgFe₃O₄. Die Perowskite, zu denen beispielsweise BaTiO₃ gehört, sind durch die Formel ABO₃ gekennzeichnet. Die Granate besitzen die allgemeine Formel A₃B-O _. Yttriumeisengranat, das die Formel Y₃Fe₁-O besitzt, ist hierfür ein Beispiel.

Viele Fluoride sind ebenfalls als Maskenmaterial geeignet. Beispiele sind Lanthanfluorid, LaF₃/ und Cerfluorid CeF₃. Im besonderen die Fluoride der seltenen Erden sind gut geeignet. Oxyfluoride können ebenfalls verwendet werden. Auch hier sind die Oxyfluoride der seltenen Erden am besten verwendbar, so z. B. Lanthanoxyfluorid, LaOF.

Das maskierende Material 12 kann in verschiedener Weise auf das Substrat 10 aufgebracht werden. Beispielsweise ist die Kathodenzerstäubung ein geeignetes Verfahren zum Niederschlagen von Galliumeisenoxyd (GaFeO₃). Das Ausgangsmaterial wird in pulverisierter Form in die Zerstäubungsanlage eingebracht. Weitere Verfahren zur Herstellung der maskierenden Schicht sind Sprüh- oder Schleuderverfahren. Es kann praktisch jedes Verfahren zum Niederschlagen eines kontinuierlichen Films benutzt werden.

Die Dicke des maskierenden Materials 12 reicht aus, um einen kontinuierlichen Film zu bilden. Ist der Film durchgehend, dann ist er für ultraviolettes Licht undurchlässig. Dieses wird in der Regel zum Belichten von Photolacken bei der Herstellung von Halbleiteranordnungen verwendet. Bei Galliumeisenoxyd sind Filme von 500 S bis 2,3 μΐη geeignet. In einem speziellen Beispiel wurde ein Film mit 3000 S Dicke verwendet, der gute Resultate lieferte.

Da das Material 12 ätzbar ist, kann auch eine dickere Schicht •niedergeschlagen werden, die dann bis zur gewünschten Dicke heruntergeätzt wird. Galliumeisenoxyd ist beispielsweise in wässriger Salzsäure ätzbar. Diese Säure verträgt sich mit den gewöhnlich benutzten Photolacken und greift auch Siliciumdioxyd oder

Docket «> 969 O87 109882/1133

andere auf Siliciumbasis beruhende Gläser nicht an. Dies bedeutet, daß Galliumeisenoxyd besonders geeignet für die Siliciumtechnik ist.

Wie Fig. IB zeigt, wird das Material 12 mit einer dünnen Schicht 14 aus Photolack bedeckt. Die Dicke der Schicht 14 ist nicht von Bedeutung. Es ist lediglich zu beachten, daß sie in ihrer ganzen Dicke belichtet werden kann. Zur Belichtung wird gewöhnlich ultraviolettes Licht verwendet. Die Photolackschicht 14 wird selektiv belichtet. Anschließend werden die belichteten Stellen mit einem geeigneten Lösungsmittel behandelt. Ein solches Lösungsmittel ist z. B. 9%ige Salzsäure. Diese ätzt auch Galliumeisenoxyd, so daß sich nach dieser Behandlung die Anordnung nach Fig. IC ergibt. Nachfolgend wird auch der verbliebene Photolack entfernt, so daß man schließlich die fertige Maskenstruktur, die sich aus Fig. ID ergibt, erhält. Diese besteht aus dem Substrat 10 und dem darüber angeordneten maskierenden Material 12, in das Öffnungen 16 selektiv geätzt sind. Eine Ansicht dieser Struktur ist in Fig. 3 dargestellt. Diese Maske kann nun für die Herstellung von Bauelementen benutzt werden.

Eine weitere Möglichkeit zur Bildung einer Maske nach der Erfindung ist in den Fign. 2A bis 2B gezeigt. Hierbei werden Aussparungen in dem Substrat geschaffen, in welche das maskierende Material eingebracht wird. In Fig. 2A ist ein Substrat 20 mit einer Photolackschicht 22 bedeckt, die bereits selektiv behandelt ist und somit ein bestimmtes Muster bildet. Dieses Muster ist in bekannter Weise hergestellt, d. h. die durchgehende Photolackschicht wurde selektiv belichtet und entwickelt. Anschließend wurden die belichteten Stellen herausgelöst, so daß sich das Muster nach Fig. 2A ergibt. Die auf der Oberseite freiliegenden Stellen des Substrats 20 werden nun bis zu einer bestimmten Tiefe geätzt, so daß man Aussparungen 24 erhält (Fig. 2B) . Dann wird das zu maskierende Material 26 auf der Anordnung niedergeschlagen (Fig. 2C). Die Photolackschicht 22 und das darüber befindliche Material 26 werden nun entfernt, so daß sich das Material 26 nun nur noch in den

109882/1133

Docket YO 969 087

Aussparungen 24 befindet. Diese so hergestellte Maske zeigt die Fig. 2D. Die Ansicht dieser Maske ist in Fig. 4 dargestellt. Das in die Aussparungen eingebrachte Material 26 bildet das Muster der Maske. Dieses Material ist undurchlässig für ultraviolettes und durchlässig für sichtbares Licht. Die Dicke des Materials 26 entspricht vorzugsweise der Dicke des Materials 12 in Fig. 3.

Die Maske kann auch auf andere als auf die beschriebene Weise hergestellt werden. Zum Beispiel kann zuerst mit Hilfe von Elektronenstrahlen eine Urmaske gefertigt werden. Weitere Masken werden aufgrund dieser Urmaske gemäß den in den Fign. 1 und 2 gezeigten Verfahren hergestellt. Hierdurch erhält man Masken mit sehr hohem Auflösungsvermögen.

Eine weitere Möglichkeit zur Fertigung einer Maske ist die mit Hilfe der Projektion. Hierbei wird zuerst eine große Maske hergestellt, die dann auf photographischem Wege mehrmals verkleinert wird.

Spinelle, Perowskite, Granate, Fluoride und Oxyfluoride sind Materialien, die sowohl für eine Projektionsbelichtung als auch für eine Belichtung mit Elektronenstrahlen geeignet sind. Mit diesen Belichtungstechniken erhält man sehr feine Strukturen mit guter Kantenschärfe. Sie sind speziell geeignet für die Herstellung sehr feiner Strukturen bei Halbleitern, wie z. B. Silicium. Da die genannten Materialien härter als Silicium und andere gewöhnlich benutzte Halbleiter sind, besitzen die mit diesen Materialien gefertigten Masken hohe Lebensdauer. Dies ist wirtschaftlich von großer Bedeutung, da die Kosten für die Masken erheblich höher sind als die für die Halbleiteranordnungen selbst,

Zum Bestimmen der geometrischen Muster der Maske können bekannte Verfahren, wie z. B. die Projektionsbelichtung, benutzt werden. Wenn die erzielte Auflösung von der Wellenlänge der für die Belichtung benutzten Strahlung abhängt, dann muß zur Bildung noch feinerer Strukturen mit Elektronenstrahlen gearbeitet werden. Es

109882/1133

Docket YO 969 087

ist eine größere Anzahl von Photolacken erhältlich/ die mit Elektronenstrahlen belichtet werden können. Mit Hilfe dieser Photolacke ist die Herstellung feinster Strukturen möglich.

Bei der Projektionsbelichtung wird ein Bild des gewünschten Musters auf eine Photolackschicht mit Hilfe einer Linse mit hohem Auflösungsvermögen geworfen. Wenn für die Belichtung einer Halbleiterscheibe mit etwa 2,5 cm Durchmesser eine Linse von hoher Qualität benutzt wird, dann liegt die erreichbare Feinheit der Muster bei etwa 2,5 um. Mit einer mikroskopischen Linse von hoher Qualität können auf einer Fläche von etwa 0,5 χ 0,5 mm Muster mit einer Feinheit von etwa 0,5 μπι hergestellt werden.

Fig. 5 enthält die Darstellung der Absorption in Abhängigkeit von der Wellenlänge der Strahlung für ein maskierendes Material, beispielsweise Galliumeisenoxyd. Das Material hat eine hohe Absorption bei den Wellenlängen, die beim Fertigungsprozeß von Halbleiteranordnungen für die Belichtung von Photolacken gewählt werden, und ist durchsichtig im Bereich des sichtbaren Lichts. Dies erlaubt eine einfache Ausrichtung der Masken während des Herstellungsprozesses.

Die gewöhnlich zur Belichtung von Photolacken verwendete Strahlung liegt im ultravioletten Bereich und besitzt eine Wellenlänge von etwa 4353 8. Für diese Wellenlänge sollte das Maskierungsmaterial eine Absorptionskante von etwa 2,8 eV haben. Wenn der Bandabstand des Maskierungsmaterials wesentlich größer als 2,8 eV ist, dann wird das Maskierungsmaterial für Strahlung im ultravioletten Bereich durchlässig. Ist andererseits der Bandabstand wesentlich kleiner als 2,8 eV, dann wird die Durchlässigkeit für Licht im sichtbaren Bereich gefährdet. Aus diesem Grunde wird vorzugsweise ein Material gewählt, dessen Bandabstand im Bereich zwischen 2,8 eV und 5,0 eV liegt.

Es wird eine Maske vorgeschlagen, die aus bekannten Materialien aufgebaut ist, welche bei den bekannten Masken jedoch noch nicht

109882/1133

Docket YO 969 087

verwendet wurden. Diese Maske besitzt die Vorteile einer großen
Härte, der Möglichkeit einer ständigen visuellen Ausrichtung und der Verträglichkeit mit den bekannten photolithographischen Verfahren. Die Materialien, die für die Herstellung der Masken verwendet werden, stammen aus den Gruppen der Spinelle, Perowskite, Granate, Fluoride und Oxyfluoride. Insbesondere Galliumeisenoxyd ist ein sehr geeignetes Material für Masken, die bei der Herstellung von Bauelementen aus Silicium verwendet werden. Durch Dotierung des Materials können dessen Bandabstand verringert und somit dessen optische Eigenschaften beeinflußt werden. |

109882/1133

Docket YO 969 087

Claims

- 10 -

PATENTANSPRÜCHE

Maske, durch die eine strahlungsempfindliche Schicht belichtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die für die bei der Belichtung verwendete Strahlung undurchlässigen Gebiete (12, 26) der Maske aus einem von einer strahlungsdurchlässigen Unterlage (10, 20) getragenen Material bestehen, dessen Bandabstand im Bereich zwischen 2,8 eV und 5,0 eV liegt.
2. Maske nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die für die bei der Belichtung verwendete Strahlung undurchlässigen Gebiete (12, 26) aus einem Material bestehen, das für ultraviolettes Licht undurchlässig und für sichtbares Licht durchlässig ist.
3. Maske nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die für die bei der Belichtung verwendete Strahlung undurchlässigen Gebiete (12, 26) aus einem Material der Gruppe der Spinelle, Perowskite, Granate, Fluoride oder Oxyfluoride bestehen.
4. Maske nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Material aus der Gruppe der Fluoride oder Oxyfluoride mindestens ein Element der seltenen Erden enthält.
5. Maske nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Material GaFeO₃ ist.
6. Maske nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der für die bei der Belichtung verwendete Strahlung undurchlässigen Gebiete (12, 26) im Bereich von 500 S bis 3 ym liegt.
7. Maske nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das für die bei der Belichtung verwendete

109882/1133

Docket YO 969 087

Strahlung undurchlässige Material bis zur Unterlage (10) durchgehende Öffnungen (16) enthält.
8. Maske nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Material zur Bildung der für die bei der Belichtung verwendete Strahlung undurchlässigen Gebiete (26) in die strahlungsdurchlässige Unterlage (20) eingebettet ist.

10 9 882/1133

Docket YO 969 087

Leerseite