DE10032282B4

DE10032282B4 - Lithografisches Belichtungs- und Strukturierungsverfahren unter Verwendung einer Antireflexionsschicht

Info

Publication number: DE10032282B4
Application number: DE10032282A
Authority: DE
Inventors: Lothar Dr. Bauch; Matthias Dr. Lehr; Wolfgang Leiberg; Stefan Spinler
Original assignee: Qimonda AG
Current assignee: Polaris Innovations Ltd
Priority date: 2000-07-03
Filing date: 2000-07-03
Publication date: 2011-05-05
Anticipated expiration: 2020-07-04
Also published as: DE10032282A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer metallischen Leiterbahn, mit den Verfahrensschritten:
A. Bereitstellen eines metallischen Substrats (10);
B. Aufbringen einer aus einer oder mehreren Schichten bestehenden Antireflexionsschicht (14) auf das metallische Substrat (10);
C. Aufbringen einer zu behandelnden, transparenten Materialschicht (12) auf die Antireflexionsschicht (14);
D. Aufbringen einer Photoresistschicht direkt auf die Materialschicht (12);
E. Belichten und Strukturieren der Photoresistschicht derart, daß die Materialschicht (12) an einem Abschnitt freigelegt wird, an dem die Leiterbahn (16) vorgesehen ist;
F. Entfernen der Materialschicht (12) in dem freigelegten Abschnitt durch einen vertikalen Ätzschritt, ohne dabei die Antireflexionsschicht (14) zu entfernen;
G. Abscheiden von metallischem Leiterbahnmaterial (15) in die geätzte Ausnehmung und auf die Antireflexionsschicht (14); und
H. Rückpolieren des auf der Materialschicht (12) abgeschiedenen metallischen Materials (15A), wobei die Antireflexionsschicht (14) einen Tunnelkontakt zwischen dem metallischen Leiterbahnmaterial (15) und dem metallischen Substrat (10) bildet.

Description

Die Erfindung betrifft ein lithografisches Belichtungs- und Strukturierungsverfahren zur Strukturierung einer strahlungssensitiven Photoresistschicht mit dem Ziel der örtlich selektiven Behandlung einer unterhalb der Photoresistschicht befindlichen, transparenten Materialschicht.
Bei einem derartigen an sich im Stand der Technik bekannten Lithographieverfahren wird die strahlungssensitive Photoresist- oder Photolackschicht in den gewünschten Bereichen derart bestrahlt, daß in einem geeigneten Entwickler nur die bestrahlten (oder unbestrahlten) Bereiche entfernt werden. Das so entstehende Resistmuster dient dann als Maske bei einem darauffolgenden Prozeßschritt, z. B. bei einer Ätzung oder einer Ionenimplantation. Anschließend an den Prozeßschritt wird die Resistmaske wieder abgelöst.
Die Grundprinzipien und Anwendungsformen der lithografischen Technik sind beispielsweise in dem Buch ”Technologie hochintegrierter Schaltungen”, 2. Auflage, D. Widmann, H. Mader und H. Friedrich, Springer-Verlag, 1996, Kapitel 4 eingehend beschrieben.
Lithografische Belichtungs- und Strukturierungsverfahren zur Herstellung von metallischen Leiterbahnen unter Verwendung einer Antireflexionsschicht sind aus den Schriften JP 2000-040739 A und EP 0 834 920 A1 bekannt.
Bei fast allen lithografischen Techniken tritt das Problem auf, daß die bei der Belichtung verwendete Strahlung an der Grenzfläche zwischen der Resistschicht und der zu strukturierenden Materialschicht in die Resistschicht zurückreflektiert wird. Da für die Belichtung relativ schmalbandiges Licht aus einer Quecksilber-Höchstdrucklampe oder aus einem Laser verwendet wird, kommt es deshalb zu unerwünschten Interferenzeffekten zwischen einfallenden und reflektierten Lichtwellen. Daneben tritt die Belichtung von Bereichen auf, die eigentlich unbelichtet bleiben sollen, beispielsweise als Folge von Lichtreflexionen an Oberflächenstufen.
Es ist bekannt, zwischen der zu strukturierenden Materialschicht und der Photoresistschicht geeignete Antireflexionsschichten aufzubringen, durch die die Intensität der zurückreflektierten Lichtwelle erheblich reduziert wird. So kann z. B. eine dünne aufgesputterte amorphe Siliziumschicht zwischen einer hochreflektierenden Aluminiumoberfläche und der Photoresistschicht die Intensität des reflektierten Lichts um mehr als eine Größenordnung herabsetzen. Ähnliche Antireflexionsschichten sind auch zwischen den anderen, in der Siliziumtechnologie vorkommenden Schichten und der Resistschicht möglich, wie in der Publikation von L. Mader, D. Widmann und W. G. Oldham in den Proceedings Microcircuit Engineering (1981), S. 105 gezeigt wurde.
Bisher werden die Antireflexionsschichten auf die zu strukturierende Schicht unter der Photoresistschicht aufgebracht. Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß in den freigelegten, zu behandelnden Bereichen zunächst die Antireflexionsschicht durch eine Ätzung entfernt werden muß, um die Behandlung der darunterliegenden Bereiche erst zu ermöglichen. Jeder zusätzliche Ätzschritt stellt jedoch einen Materialverbrauch der Photoresistschicht und eine entsprechende Verformung ihrer Flankenverläufe dar. Um diesen Verlust zu kompensieren, muß von vornherein eine entsprechend dickere Photoresistschicht gewählt werden. Jede Erhöhung der Lackdicke erhöht wiederum das Fokus-Prozeßfenster der Lithografie. Bei der Anwendung auf die lithografische Strukturierung von Oxidschichten kann es zudem infolge von Schichtdickenschwankungen des unterliegenden Oxids zur Reduzierung der Wirksamkeit der Antireflexionsschicht kommen. Außerdem kann es bei der Verwendung anorganischer Reflexionsschichten zur Bildung von sogenannten Lackfüßen kommen.
Bei der Herstellung metallischer Leiterbahnen durch lithografische Techniken kommen ebenfalls bereits Antireflexionsschichten zum Einsatz. Diese können dann benutzt werden, wenn das Metall, zumeist in Form einer metallischen Schichtenfolge, ganzflächig abgeschieden und mittels Plasmaätzen (oder Reactive Ion Etching, RIE) strukturiert wird. Als oberste Schicht wird in diesem Fall eine Antireflexionsschicht aufgebracht, durch die die Reflexion in die darüberliegende Photoresistschicht minimiert wird, indem deren Dicke auf die jeweilige Belichtungswellenlänge der Lithografie abgestimmt ist. Oftmals werden jedoch die metallischen Leiterbahnen durch das sogenannte Dual-Damascene-Verfahren hergestellt, bei welchem das Metall in strukturierte Gräben eines Isolationsoxids eingefüllt und dann so zurückpoliert wird daß es nur noch in dem Oxid, nicht aber auf dem Oxid verbleibt. Bei diesem Verfahren kann somit naturgemäß keine Antireflexionsschicht auf die metallische Leiterbahn aufgebracht werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein lithografisches Belichtungs- und Strukturierungsverfahren zur Strukturierung einer strahlungssensitiven Photoresistschicht unter Verwendung einer Antireflexionsschicht anzugeben, bei welchem die Antireflexionsschicht nicht mehr entfernt werden muß und durch die Antireflexionsschicht das Prozeßfenster der Lithografie nicht verkleinert wird.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein lithografisches Belichtungs- und Strukturierungsverfahren unter Verwendung von Antireflexionsschichten zur nachfolgenden Herstellung von metallischen Leiterbahnen, insbesondere durch das sogenannte Dual-Damascene-Verfahren bereitzustellen.
Diese Aufgaben werden durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen werden in den Unteransprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Lösung geht aus von der Erkenntnis, daß in bestimmten Anwendungsbereichen lithografischer Techniken, nämlich insbesondere bei deren Anwendung auf die Strukturierung von Oxiden oder dergleichen, die Reflexion der lithografischen Belichtungsstrahlung an der oberen Grenzfläche zwischen der Resistschicht und der zu strukturierenden Materialschicht aufgrund einer relativ kleinen Änderung im Brechungsindex vernachlässigbar ist. Die meisten Photoresistmaterialien weisen Brechungsindizes n₀ im Bereich zwischen 1,6 und 2 auf. Bei Abscheidung des Resists auf einem Siliziumsubstrat (n₀ = 4,75) tritt an der Grenzfläche ein relativ hoher Brechungsindexsprung und damit hohe Reflexion auf. Da jedoch die Brechungsindizes von Oxiden und Nitriden zumeist erheblich kleiner sind, tritt an der Grenzfläche dieser beiden Materialien mit der Photoresistschicht keine nennenswerte Reflexion auf. Jedoch kommt es infolge der zumeist vorhandenen Transparenz dieser Oxid- oder Nitridschichten für die Belichtungsstrahlung der Lithografie zu einer Reflexion an der Grenzfläche zwischen dem Substrat und der zu strukturierenden Materialschicht. Daraus zieht die erfindungsgemäße Lösung die Schlußfolgerung, daß die Antireflexionsschicht in vorteilhafter Weise statt an der oberen Grenzfläche der Resistschicht an deren unterer Grenzfläche angeordnet wird.
Die Belichtung und Entwicklung des Resists erfolgt wie beim Stand der Technik. Bei dem nachfolgenden Prozeßschritt kann beispielsweise vorgesehen sein, daß die Oxidschicht in den freigelegten Bereichen entfernt wird. In der Regel wird dann auch in diesen Bereichen die darunterliegende Antireflexionsschicht entfernt werden müssen. Im Gegensatz zum Stand der Technik ist dieser aber nicht mit einer Verkleinerung des Prozeßfensters der Lithografie verbunden, da für diesen Ätzschritt die Resistmaske nicht mehr benötigt wird.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß Schichtdickenschwankungen der zu strukturierenden Materialschicht, insbesondere Oxidschicht, ohne Einfluß auf die Wirksamkeit der Antireflexionsschicht sind, da letztere sich unterhalb der Materialschicht befindet. Außerdem ist bei der erfindungsgemäßen Lösung die Gefahr des Auftretens sogenannter Lackfüße geringer.
Unter dem Terminus ”Antireflexionsschicht” wird begrifflich sowohl eine einzelne, homogene Antireflexionsschicht als auch eine Schichtenfolge aus mehreren Schichten umfaßt, die in ihrer Gesamtwirkung auf die durch die zu behandelnde Materialschicht durchdringende Belichtungsstrahlung antireflektierende Wirkung hat. Als einzelne Antireflexionsschicht kann beispielsweise eine SiON-Schicht verwendet werden. In der nachfolgenden Tabelle sind Ausführungsbeispiele dargestellt, bei welchen eine antireflektierende SiON-Schicht jeweils geeigneter Dicke auf verschiedenen Substratmaterialien wie Wolfram (W), Aluminium (Al), Kupfer (Cu) oder Silizium (Si) abgeschieden ist. Auf die SiON-Schicht ist dann eine 700 nm dicke SiO₂-Schicht abgeschieden, die mittels eines strukturierten Photoresists örtlich selektiv behandelt werden soll. In der Tabelle sind die optimierten Schichtdicken der antireflektierenden SiON-Schicht für zwei verschiedene Belichtungswellenlängen der Lithografie, nämlich zum einen 248 nm (DUV, Deep UV) und zum anderen die i-Linie der Quecksilber-Hochdruckdampflampe bei 365 nm angegeben. Die optischen Konstanten des SiON-Materials wurden dabei als n = 1,96 und k = 0,55 für 248 nm und n = 2,06 und k = 0,15 für 365 nm angenommen.

700 nm SiO₂ (Oxid) über ... SiON-Dicke in nm

DUV i-line

W 30 + 10 -

Al 30 ± 10 oder 90 ± 20 135 ± 25

Cu 25 ± 10 115 ± 15 oder 200 + 20

Si 35 ± 15 135 ± 25
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer metallischen Leiterbahn wird zunächst auf ein metallisches Substrat eine Antireflexionsschicht aufgebracht wird, anschließend auf die Antireflexionsschicht eine zu strukturierende Materialschicht wie eine Oxidschicht aufgebracht wird und anschließend eine Resistschicht direkt auf die Materialschicht abgeschieden wird. Dann wird die Resistschicht derart belichtet und strukturiert, daß die Materialschicht an solchen vorbestimmten Abschnitten freigelegt wird, an denen eine Leiterbahn vorgesehen ist. Dann wird durch einen vertikalen Ätzschritt die Materialschicht in den freigelegten Abschnitten entfernt, worauf metallisches Leiterbahnmaterial in die geätzten Bereiche und auf die Antireflexionsschicht abgeschieden wird. In einem letzten Verfahrensschritt wird auf der Materialschicht seitlich der geätzten Bereiche überschüssigerweise abgeschiedenes metallisches Material durch Rückpolieren entfernt. Die Antireflexionsschicht bildet einen Tunnelkontakt zwischen dem metallischen Leiterbahnmaterial und dem metallischen Substrat.
Dabei kann vorgesehen sein, daß vor dem Einfüllen des metallischen Leiterbahnmaterials mehrfach eine Resistmaske erzeugt und ein anschließender Ätzschritt durchgeführt wird. Dies ist beispielsweise beim sogenannten Dual-Damascene-Verfahren der Fall, bei welchem durch zweifache Erzeugung einer Resistmaske und anschließendes Ätzen eine zweistufige Leiterbahnstruktur innerhalb einer umgebenden, isolierenden Oxidschicht erzeugt wird.
Bei einem solchen Verfahren zur Herstellung metallischer Leiterbahnen ist die Erfindung besonders vorteilhaft einsetzbar, da das Substrat meistens ein hochreflektierendes Metall ist und die oberhalb des metallischen Substrats zu bildende Leiterbahn in eine Isolationsschicht wie eine Oxid- oder Nitridschicht eingebettet werden soll, die in der Regel für die Belichtungsstrahlung der Lithografie transparent ist.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungsfiguren näher erläutert. Es zeigen:
1 einen Materialkörper mit aufgebrachtem, strukturiertem Photoresist unter Verwendung einer Antireflexionsschicht nach dem Stand der Technik;
2 einen Materialkörper mit aufgebrachtem, strukturiertem Photoresist unter Verwendung einer Antireflexionsschicht gemäß der vorliegenden Erfindung;
3A–D Zwischenprodukte eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer metallischen Leiterbahn unter erfindungsgemäßer Verwendung einer Antireflexionsschicht.
Gemäß 1 ist auf einem Substrat 1 eine zu strukturierende oder anderweitig ortsselektiv zu behandelnde Materialschicht 2 aufgebracht. Auf diese wird dann eine geeignete Antireflexionsschicht 4 abgeschieden. Die auf diese aufgebrachte Photoresistschicht 3 wird durch Belichten mit einer Photomaske und anschließendes Entwickeln in gewünschter Weise strukturiert, wobei einzelne Abschnitte entfernt werden, um die darunterliegende Materialschicht 2 durch einen vertikalen Ätzschritt zu entfernen oder Fremdsubstanzen in diese einzubringen, etwa durch Diffusion oder (Ionen)-Implantation. Die bekanntermaßen zwischen der zu behandelnden Materialschicht 2 und der Photoresistschicht 3 eingefügte Antireflexionsschicht 4 verhindert, daß während dem Belichten das UV-Licht an der Grenzfläche zwischen der Materialschicht 2 und der Photoresistschicht 3 reflektiert wird, so daß entweder innerhalb der Photoresistschicht 3 durch Interferenz bedingte Intensitätsschwankungen entstehen oder aber das Licht durch Reflexion an Stufen in Bereiche der Photoresistschicht 3 gelangt, die nicht belichtet werden sollen.
Die 2 zeigt dagegen eine erfindungsgemäße Anordnung, bei welcher auf einem Substrat 1, welches beispielsweise durch ein hochreflektierendes Metall gebildet sein kann, eine geeignete Antireflexionsschicht 4 abgeschieden wird. Auf diese wird dann direkt die örtlich selektiv zu behandelnde Materialschicht 2, beispielsweise eine Oxid- oder Nitridschicht aufgebracht. Die Materialschicht 2 ist für die Belichtungsstrahlung der Lithografie transparent, so daß das Licht durch sie bis zu der Antireflexionsschicht 4 im wesentlichen hindurchdringen kann. Dort würde es ohne Vorhandensein der Antireflexionsschicht 4 in unerwünschter Weise an der Oberfläche des Substrats 1 reflektiert und würde somit zu unerwünschten Intensitätsschwankungen durch Interferenzen in der Materialschicht 2 und der Photoresistschicht 3 führen oder die Photoresistschicht 3 infolge Reflexion an Stufenbereichen belichten, die nicht belichtet werden sollen. Die Antireflexionsschicht 4 kann beispielsweise eine SiON-Schicht sein. Sie kann aber auch anstatt aus einer einzelnen Schicht aus einem Schichtenpaar oder einer Schichtenfolge gebildet sein. Eine derartige Schichtenfolge kann beispielsweise in an sich bekannter Weise aus dielektrischen Schichten mit abwechselnd hohem und niedrigem Brechungsindex gebildet sein. Nach Bildung der Resistmaske kann die Materialschicht 2 in den freigelegten Bereichen durch einen vertikalen Ätzschritt entfernt oder auf andere gewünschte Weise ortsselektiv behandelt werden.
In den 3A–D ist ein bevorzugter Anwendungsfall der vorliegenden Erfindung dargestellt. Zunächst wird auf einem vorzugsweise metallischen Substrat 10 wie bereits beschrieben eine Antireflexionsschicht 14 abgeschieden, auf die dann eine für Lithografiestrahlung transparente Materialschicht wie eine Oxid- oder Nitridschicht 12 aufgebracht wird (3A). In 3B ist das Endergebnis eines zweistufigen Ätzprozesses an der Materialschicht 12 und der Antireflexionsschicht 14 dargestellt. Das Verfahren wird demgemäß als ”Dual-Damascene-Verfahren” bezeichnet. Dabei wird eine erste Resistmaske mit einer relativ kleinen Öffnung hergestellt, durch die in einem anschließenden Ätzschritt die Materialschicht 12 bis zu dem Substrat 10 durchgeätzt wird. Anschließend wird die erste Resistmaske entfernt und eine zweite Resistmaske erzeugt, die einen um die in die Materialschicht 12 geätzte Öffnung erweiterten Öffnungsbereich aufweist, so daß bei einem nachfolgenden vertikalen Ätzschritt der in der 3B gezeigte stufenförmige Verlauf der Ausnehmung in der Materialschicht 12 entsteht. Anschließend wird gemäß 3C ein metallisches Leiterbahnmaterial 15 in die geätzte Öffnung eingefüllt. Dabei entsteht eine über die Ausnehmung hinausreichende und die obere Oberfläche der Materialschicht 12 bedeckende Schicht 15A, die anschließend durch ein planares Ätzverfahren wie beispielsweise CMP (chemisch-mechanisches Polieren) wieder entfernt werden kann. Das Endresultat einer in die isolierende Materialschicht 12 eingebetteten Leiterbahn 16 ist in 3D dargestellt.
Die Antireflexionsschicht 14 muß dabei nicht in jedem Fall durch einen Ätzschritt entfernt werden. Auch wenn beispielsweise eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der Leiterbahn 16 und dem metallischen Substrat 10 hergestellt werden soll, so kann die Antireflexionsschicht 14, insofern sie dünn genug ist, auch zurückgelassen werden, da sie in diesem Fall als Tunnelkontakt wirken kann.
Bezugszeichenliste

1: Substrat
2: Materialschicht
3: Photoresistschicht
4: Antireflexionsschicht
10: Substrat
12: Materialschicht
14: Antireflexionsschicht
15: Leiterbahnmaterial
15A: Leiterbahnmaterial (auf der Oberfläche abgeschieden)
16: metallische Leiterbahn

Claims

Verfahren zur Herstellung einer metallischen Leiterbahn, mit den Verfahrensschritten: A. Bereitstellen eines metallischen Substrats (10); B. Aufbringen einer aus einer oder mehreren Schichten bestehenden Antireflexionsschicht (14) auf das metallische Substrat (10); C. Aufbringen einer zu behandelnden, transparenten Materialschicht (12) auf die Antireflexionsschicht (14); D. Aufbringen einer Photoresistschicht direkt auf die Materialschicht (12); E. Belichten und Strukturieren der Photoresistschicht derart, daß die Materialschicht (12) an einem Abschnitt freigelegt wird, an dem die Leiterbahn (16) vorgesehen ist; F. Entfernen der Materialschicht (12) in dem freigelegten Abschnitt durch einen vertikalen Ätzschritt, ohne dabei die Antireflexionsschicht (14) zu entfernen; G. Abscheiden von metallischem Leiterbahnmaterial (15) in die geätzte Ausnehmung und auf die Antireflexionsschicht (14); und H. Rückpolieren des auf der Materialschicht (12) abgeschiedenen metallischen Materials (15A), wobei die Antireflexionsschicht (14) einen Tunnelkontakt zwischen dem metallischen Leiterbahnmaterial (15) und dem metallischen Substrat (10) bildet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß – als Antireflexionsschicht (4; 14) eine anorganische Materialschicht verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß – die anorganische Materialschicht eine SiON-Schicht ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß – als Antireflexionsschicht (4; 14) eine Schichtenfolge aus dielektrischen Schichten mit abwechselnd hohem und niedrigem Brechungsindex verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß – als Materialschicht (2; 12) eine Oxidschicht verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß – die Oxidschicht eine SiO₂-Schicht oder eine Nitridschicht ist.