DE3852370T2 - Flankenstruktur aus organischem Material. - Google Patents
Flankenstruktur aus organischem Material.Info
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Description
- Es wird Bezug genommen auf die US-Patentschrift 4 707 218 mit dem Titel "Lithographic Image Size Reduction", welche an den Abtretungsempfänger der Erfindung abgetreten wurde. Die Anmeldung bezieht sich im allgemeinen auf die Verwendung anorganischer, konforme Schichten zur Definierung der Abstandshalter an vertikal strukturiertem Photoresist. Die Abstandshalter definieren Bilder mit einer Fläche, die geringer ist als die Bilder, die normalerweise mit dem photolithographischen Belichtungssystem gedruckt werden.
- In den letzten Jahren wurden auf dem Gebiet der Herstellung integrierter Schaltkreise zahlreiche verschiedene Verfahren zur Erzeugung von Bildern unterhalb des Mikrometerbereichs vorgeschlagen. Die meisten dieser Verfahren basieren auf photolithographischen Werkzeugen, die sich auf dem neuesten Stand der Technik befinden. Andere Verfahren basieren auf ausgefalleneren Belichtungssystemen (z.B. Röntgen, E-Strahl usw.). Unabhängig davon, welches der oben genannten Belichtungssysteme zum Einsatz kommt, bestimmen stets die Quellenintensität, die Strahl bündelung und andere Parameter zusammen genommen, welches die kleinste Bildgröße ist, die zuverlässig gedruckt werden kann.
- In letzter Zeit wurden Anstrengungen unternommen, um die Lebensdauer optischer Werkzeuge, die Bilder erzeugen, die für heutige Anwendungen zu groß sind, zu verlängern. Ein Verfahren zur Bereitstellung dieser Kleinstbilder ist die Nutzung von Flankenstrukturen. Bei dieser Technologie wird eine konforme Schicht auf einen "Steg" aufgetragen, bei dem es sich um einen Block aus Material handelt, welcher typischerweise im wesentlichen vertikale Flankenstrukturen aufweist. Die konforme Schicht wird dann in einem anisotropen Verfahren geätzt, so daß Teile davon, die sich auf horizontalen Flächen (d.h. der Oberfläche des Stegs) befinden, entfernt werden. Teile der auf den vertikalen Flächen (z. B. den Flanken des Stegs) befindlichen konformen Schicht verbleiben in ihrer Position und bilden die Flanken-Abstandshalter. In einigen Anwendungen werden die an den Flanken beschichteten Stege als Maske zur Definierung eines Bildes in den darunterliegenden Schichten verwendet. Dies ist auch aus einem Artikel von Varshney mit dem Titel "Self-Aligned VMOS Structure Using Reactive Ion Etching", IBM Technical Disclosure Bulletin, Band 22, Nr. 8, Januar 1980, Seiten 3705 - 3706, ersichtlich. In diesem Verfahren wird ein Oxidsteg mit einer konformen Oxidschicht beschichtet, die zur Definierung der Oxidtrennflächen geätzt wird, wobei das Verbundsystem Steg- Abstandshalter ein Bild in den darunterliegenden Siliziumschichten definiert. In anderen Anwendungsfällen wird der Steg entfernt, ohne daß die Abstandshalter entternt werden. Die Abstandshalter definieren dann ein Bild. Dies wird z.B. in der US-Patentschrift 4 502 914 mit dem Titel "Method of Marking Structures with Dimensions in the Submicrometer Range", die an dem Abtretungsempfänger der vorliegenden Erfindung abgetreten wurde, beschrieben. Eine konforme Schicht aus Siliziumoxid oder Siliziumnitrid wird auf einen Polymersteg aufgetragen. Nachdem auf den Flanken des Stegs die Abstandshalter definiert wurden, wird der Steg entfernt, und die Abstandshalter dienen als Masken zur Ätzung tiefer Rinnen in dem darunterliegenden Siliziumsubstrat.
- Wie aus den oben zitierten Quellen hervorgeht, werden die entsprechenden Zusammensetzungen der konformen Schicht und des Stegs durch die jeweilige Maskenanwendung der resultierenden Struktur bestimmt. In Anwendungsfällen, in denen die Steg-Abstandshalter-Kombiantion als Maske dient, müssen beide Materialien gegenüber dem Ätzmittel, das ein Muster auf den darunterliegenden Schichten erzeugt, beständig sein. In Anwendungsfällen, in denen nur die Abstandshalter als Maske verwendet wird, muß der Steg aus einem Material erzeugt werden, das geätzt werden kann, ohne daß die Abstandshalter merkbar angegriffen werden.
- Bei den dokumentierten Anwendungsfallen kommen Siliziumoxid und Siliziumnitrid als konforme Schichten, die die Flanken-Abstands halter definieren, zum Einsatz. Diese beiden Materialien werden typischerweise bei Temperaturen von 175ºC und darüber aufgetragen. Organische Stegstrukturen (z. E. Photoresist) können bei diesen hohen Beschichtungstemperaturen zum Zerfließen neigen. Darüber hinaus kann es passieren, daß beim Auftragen dieser Schichten aut Oxid- oder Nitrid-Passivierungsschichten dieselben während der Definition der Abstandshalter geätzt werden. In der oben erwähnten US-Patentschrift 4 707 218 wurde diesem Mangel dadurch begegnet, daß eine Ätzstopschicht in die Passivierungsschicht eingearbeitet wurde.
- Auf gleiche Weise wäre es günstig, wenn die gleiche Steg-Abstandshalter-Kombination für jeden der oben genannten Anwendungsfälle eingesetzt werden könnte, und gleichzeitig die hohen Beschichtungstemperaturen und Überätzungsprobleme, die bei den herkömmlichen konformen Schichten auftreten, vermieden werden könnten.
- Aufgabe daher der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Erweiterung der photolithographischen Grenzen der Bildbelichtungswerkzeuge bereitzustellen.
- Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Steg- Abstandshalter-Kombination zur Verfügung zu stellen, die in einer Vielzahl von Strukturierungsanwendungen zum Einsatz kommen kann.
- Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, Abstands halter auf organischen Stegen zur Verfügung zu stellen, ohne die Stege hohen Verarbeitungstemperaturen auszusetzen.
- Diese und weitere Aufgaben der Erfindung werden durch ein Verfahren zum Definieren einer Maskenstruktur auf einem Substrat realisiert, das folgende Schritte umfaßt:
- Definieren einer Vielzahl von organischen Stegen mit im wesentlichen vertikalen Flanken auf dem Substrat;
- Auftragen einer konformen Schicht aus Parylen auf dem Substrat und den erwähnten Stegen bei Raumtemperatur; und
- anisotropes Ätzen dieser Parylenschicht zum Definieren von Abstandshaltern auf den Flanken der Stege,
- wobei die Abstandshalter und die Stege trockenen Ätzmitteln, bei denen sie analoge Ätzraten haben, oder nassen Ätzmitteln, bei denen sie unterschiedliche Ätzraten haben, ausgesetzt werden.
- Das entstehende Steg-Abstandshalter-Paar ist mit einer Vielzahl von Strukturierungsanwendungen kompatibel.
- Die Steg-Abstandshalter-Kombination kann also als Verbundmaske verwendet werden, oder der Steg kann entfernt werden, ohne daß die organischen Abstandshalter wesentlich beeinträchtigt werden, so daß die Abstandshalter allein als Maske dienen können. Die organische Schicht kann strukturiert werden, ohne daß die darunterliegenden Passivierungsschichten merklich geätzt werden.
- Die eben ausgeführte Struktur sowie weitere Strukturen und Lehren der vorliegenden Erfindung werden bei einer Beschreibung einer bestmöglichen Verfahrensweise zur Durchführung der Erfindung, die im folgenden gegeben wird, noch deutlicher. In der folgenden Beschreibung wird auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, in der
- Fig. 1-2 Querschnittsansichten des Substrats sind, das die Prozeßstufen der Erfindung durchläuft;
- Fig. 3 eine Querschnittsansicht eines Substrats ist, welches ein Verfahren entsprechend eines ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels durchläuft;
- Fig. 4 eine Querschnittsansicht eines Substrats ist, welches ein Verfahren entsprechend eines zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels durchläuft; und
- Fig. 5 eine Querschnittsansicht eines Substrats ist, welches ein Verfahren entsprechend eines dritten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels durchläuft.
- Wie in Fig. 1 gezeigt wird, wird eine konforme organische Schicht 20 auf die Stege 10 aufgetragen, die auf einem Substrat 1 gebildet werden. Das Substrat 1 ist zur Vereinfachung der Darstellung als ein einzelner Materialblock dargestellt. Wie in Fig. 3-5 gezeigt wird, kann das erfindungsgemäße Verfahren auf einem Halbleiter- oder Isolatorsubstrat durchgeführt werden, auf dessen Oberfläche eine oder mehrere leitfähige, halb-leitfähige und/oder isolierende Schichten aufgetragen wurden. Die Stege 10 werden aus einem organischen harzartigen Material gebildet. Zum Beispiel kann jedes handelsübliche Polyimid (z. B. "PI 2555" von der DuPont Corp. aus Wilmington, Delaware) zum Einsatz kommen. Gleichermaßen kann jedes handelsübliche lichtempfindliche Polymer (z. E. "AZ 1350J", welches von der AZ Photoresist Product Group der American Hoechst Corp., Summerville, New Jersey, vertrieben wird) verwendet werden. Kommen Polyimide zum Einsatz, dann wird eine Deckschicht aus Polyimid aufgetragen und bildweise durch eine gemusterte Photoresistschicht belichtet. Die belichteten Teile der Polyimidschicht werden dann durch Einwirkung eines anisotropen gasförmigen O&sub2;-Plasmas entfernt. Aber die nachfolgende Beschreibung wird zeigen, daß es vorteilhafter ist, ein lichtempfindliches Polymer zur Erzeugung der Stegstrukturen zu verwenden.
- Die konforme organische Schicht ist Poly-p-Xylylen oder "Parylen". Bei der Durchführung von Versuchen in Zusammenhang mit der Erfindung wurde Parylen unter Verwendung der folgenden Verfahren aufgetragen. Die Wafer wurden innerhalb eines herkömmlichen Röhrenreaktors vertikal orientiert, so daß die Di-p-Xylylen-Gasströmung senkrecht zu den Wafern und mittig innerhalb des Reaktors verlief. Der Reaktordruck wurde auf 66,5 ubar (50 mTorr) (1 ubar = 10&supmin;¹ Pa) gehalten. Um die Turbulenz innerhalb des Reaktors auf ein Minimum zu reduzieren, wurde das Gasaustrittsventil in der kleinsten "Offen" -Position gehalten. In der Praxis wurden Parylenschichten mit einer Dicke von bis zu 0,7 um nicht planarisierend bei Raumtemperatur auf 1,6 Mikrometer dicke Stege mit Böschungsneigungen von mehr als 80º aufgetragen.
- Parylen weist mehrere günstige Materialeigenschaften auf. Da Parylen bei Raumtemperatur aufgetragen wird, und da die nachfolgenden Ätzschritte auch bei niedriger Temperatur erfolgen, ist es nicht erforderlich, die Photoresist-Stege 10 durch eine Wärmebehandlung bei 200ºC - 250ºC zu "härten", wie dies in der schon erwähnten US-Patentschrift 4 707 218 der Fall ist.
- Darüber hinaus erreicht Parylen eine höhere Konformität (in der Größenordnung von 95%) als die bisher verwendeten Siliziumoxid- oder Siliziumnitridschichten. Bei dem Auftragen des Parylens handelt es sich um eine Reaktion, die durch die Oberflächengeschwindigkeit begrenzt wird, was schon dem Wesen nach ein konformer Prozeß ist.
- Wie aus Fig. 2 ersichtlich wird, wird die organische Parylenschicht danach anisotrop geätzt, so daß die Abstandshalter 20A auf den Flanken der Stege 10 erzeugt werden. Die Stege 20A werden durch das anisotrope Ätzen der Parylenschicht 20 in einem gasförmigen O&sub2; - Plasma definiert. Das Plasma unterliegt den üblichen anisotropen, reaktiven Ionenätzbedingungen (z. B. weniger als 13,3 bis 26,6 ubar (10 - 20 mTorr) Druck und etwa 400 Volt Gleichspannung). Während dieses anisotropen Ätzens können auch die oberen Teile der Stege 10 erodiert werden. Da jedoch typischerweise die Dicke der Stege viel größer ist als die Dicke der konformen Schicht, kann eine gewisse Ätzung der Stege auftreten, ohne daß dadurch die Durchführung der Erfindung negativ beeinflußt wird. Da darüber hinaus weder Oxide noch Nitride in O&sub2; - Plasmen merkbar geätzt werden, ist es nicht notwendig, die darunterliegenden Oxid- und/oder Nitrid-Passivierungsschichten durch Einfügen eines Ätzstops zu schützen.
- Es hat sich erwiesen, daß die beschriebene Kombination aus organischem Steg - organischem Abstandshalter eine Reihe von Ätzmerkmalen aufweist, die in einer Vielzahl von Strukturierungsanwendungen zum Einsatz kommen können. Mehrere dieser Strukturierungsanwendungen werden im folgenden besprochen.
- Fig. 3 zeigt ein erstes Strukturierungsverfahren, bei dem die erfindungsgemäße Steg-Abstandshalter-Kombination zum Einsatz kommt. Bei diesem Verfahren wird eine Vielzahl leitfähiger Linien auf einer Schicht aus leitfähigem Material 14, welche sich auf dem Substrat 1 befindet, definiert. Auf der leitfähigen Schicht 14 werden die Ätzstopschichten 12A, 12B aufgetragen. Nach der Bildung des Paars Steg-Abstandshalter wird der Steg durch Einwirkung eines Ätzmittels, welches die Abstandshalter nicht merkbar angreift, entfernt. Genauer gesagt wurde festgestellt, daß mit N-Methyl-Pyrollidon (NMP) die herkömmlichen lichtempfindlichen Polymere vollständig entfernt werden, ohne daß die Parylen-Abstandshalter entfernt werden. Ähnliche Ergebnisse wurden auch mit Schwefel-Salpeter-Säure, verdünnter KOH nach der Einwirkung der Deckschicht auf das Photoresist und mit Azeton erzielt. Es zeigt sich also, daß die Parylen-Abstandshalter gegenüber allen herkömmlichen Photoresist-Lösungsmitteln undurchlässig sind. Wie aus Fig. 3 ersichtlich wird, verbleiben so die Abstandshalter 20A, um die darunterliegenden Ätzstopschichten 12A, 12B zu strukturieren. Die strukturierten Ätzstopschichten dienen anschließend als Maske zur Strukturierung der darunterliegenden Schicht aus leitfähigem Material 14. Eine ausführlichere Beschreibung des Verfahrens zur Strukturierung der Schichten 12A, 12B und 14 nach der Abstandshalter-Definition erfolgt in der US-Patentschrift 4 648 937 mit dem Titel "Method of Preventing Assymetric Etching of Lines in Sub-Micrometer Range Sidewall Image Transfer", die an den Abtretungsempfänger der vorliegenden Erfindung abgetreten wurde, und deren Lehren in die vorliegende Beschreibung durch Verweis eingearbeitet wurden.
- Fig. 4 stellt ein zweites Strukturierungsverfahren dar, bei der die erfindungsgemäße Kombinaüion organischer Steg - organischer Abstandshalter zum Einsatz kommt. Bei diesem Verfahren werden durch eine dicke Isolationsschicht 16, die über dem Substrat 1 liegt, Löcher gebildet. Bei der Isolationsschicht 16 kann es sich um undotiertes Siliziumoxid, Photosilikatglas (PSG), Borphosphorsilikatglass (BPSG) oder ein organisches Harz wie Polyimid handeln. Wird die Isolationsschicht 16 aus undotiertem Siliziumoxid oder Glas hergestellt, dann kann die Strukturierung in einem Plasma aus 92% CF&sub4; und 8% O&sub2; erfolgen. Besteht die Isolationsschicht 16 aus Polyimid, dann kann sie in dem gleichen O&sub2; - Plasma strukturiert werden, das auch die Flanken-Abstandshalter 20A definiert. In beiden Fällen hat es sich erwiesen, daß Parylen und die herkömmlichen Photoresist-Materialien ähnliche Ätzraten aufweisen. Als Folge dieser ähnlichen Ätzraten in einem O&sub2; - oder CF&sub4;/O&sub2; - Plasma kann bei gleicher Umgebung die Parylen-Photoresist-Komhination vollständig entfernt werden. Bei der Entfernung der gestrichelten Teile der Isolationsschicht 16 werden auch entsprechende Teile des Stegs 10 und der Abstandshalter 20A entfernt.
- Fig. 5 zeigt ein drittes Strukturierungsverfahren, bei der die Kombination organischer Steg - organischer Abstandshalter zum Einsatz kommt. Ahnlich wie bei dem in Fig. 4 gezeigten Verfahren werden die Löcher in einer Isolationsschicht 16 definiert. In Fig. 5 wird die Isolationsschicht 16 unter solchen Bedingungen geätzt, daß die horizontalen Teile der Maskenstruktur entfernt werden. Die entstehenden Löcher haben geneigte Flanken. Nachdem die Abstandshalter 20A definiert wurden, wird das Substrat einem CF&sub4;/O&sub2; -Plasma ausgesetzt, in dem Sauerstoff 40%-60% des gesamten Gasgemischs ausmacht. Der Druck in der Ätzkammer beträgt 53,2 bis 93,1 ubar (40-70 mTorr). Unter diesen Bedingungen wird die Steg-Abstandshalter-Kombination horizontal erodiert. Während des Ätzens werden die Abstandshalter 20A vollständig entfernt. Da die Maskenstruktur horizontal erodiert wird, werden Teile der darunterliegenden Isolationsschicht 16 dem Ätzmittel unterschiedlich lange ausgesetzt. Demzufolge haben die entstehenden Löcher geneigte Flanken (im Gegensatz zu den vertikalen Flanken bei der unter Bezug auf Fig. 4 beschriebenen Ätzfolge). Das eben beschriebene Verfahren nutzt ebenfalls die Ähnlichkeiten in der Ätzrate zwischen den Parylen- Abstandshaltern 20A und den Stegen aus organischem Harz 10 in dem gasförmigen Plasmen.
- Wie unter Bezug auf die in Fig. 3-5 dargestellten Verfahren beschrieben wurde, weist die erfindungsgemäße Kombination aus organischem Steg - organischem Abstandshalter eine Vielzahl von Merkmalen auf, die die bisher verwendeten anderen Steg-Abstandshalter-Kombinationen nicht haben. Die Abstandshalter werden in einem gasförmigen Plasma definiert, welches die darunterliegenden Oxid- und/oder Nitridschichten nicht merkbar angreift. Die Stege lassen sich durch Einwirkung nasser Lösungsmittel, die die Abstandshalter nicht angreifen, entfernen. Die Stege und die Abstandshalter haben ähnliche Ätzraten in Sauerstoff- und Halogenkohlenstoffplasmen. Darüber hinaus weisen die Abstandshalter mehrere günstige Materialeigenschaften auf (d. h. niedrige Beschichtungstemperatur und hohe Konformität)
Claims (6)
1. Verfahren zum Definieren einer Maskenstruktur auf einem
Substrat, das folgende Schritte umfaßt:
Definieren einer Vielzahl von organischen Stegen, die auf
dem Substrat im wesentlichen vertikale Flanken haben;
Auftragen einer konformen organischen Schicht auf das
Substrat und die Stege; und
anisotropes Ätzen der erwähnten konformen organischen
Schicht, um auf den Flanken der Stege Abstandhalter zu
definieren,
dadurch gekennzeichnet, daß die konforme organische Schicht
aus Parylen besteht, und daß
die Parylen-Abstandhalter und die Stege Trockenätzmitteln,
in denen sie analoge Ätzraten aufweisen, oder
Naßätzmitteln, in denen sie unterschiedliche Ätzraten aufweisen,
ausgesetzt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Trockenätzmittel
gasförmige Plasmen darstellen, die aus der Gruppe bestehend
aus Sauerstoffplasmen und Plasmen auf
Halogenkohlenstoffbasis ausgewählt wurden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Naßätzmittel aus der
Gruppe bestehend aus NMP, Schwefel-Salpeter-Säure, KOH und
Azeton ausgewählt wurde.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die
Stege aus einem lichtempfindlichen Polymer oder Polyimid
bestehen.
5. Verfahren zur Erzeugung einer Maskenstruktur auf einer
Oberfläche eines bearbeiteten Halbleitersubstrats, das
folgende Schritte umfaßt:
Formung eines Stegs aus einem lichtempfindlichen Polymer
auf der Oberfläche, wobei dieser Steg im wesentlichen
horizontale und im wesentlichen vertikale Oberflächen aufweist;
Beschichtung dieses Stegs mit einer konformen organischen
Schicht; und
anisotropes Ätzen dieser konformen Schicht und des
lichtempfindlichen Polymers in einer solchen Art und Weise, daß
Teile der konformen Schicht auf den vertikalen Oberflächen
des Stegs verbleiben und dort Abstandhalter bilden,
dadurch gekennzeichnet, daß die konforme Schicht aus
Parylen hergestellt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, das weiterhin
folgenden Schritt umfaßt:
Entfernung der Stege, ohne daß die Abstandhalter merkbar
angegriffen werden.
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