DE10138105A1 - Fotolack und Verfahren zum Strukturieren eines solchen Fotolacks - Google Patents
Fotolack und Verfahren zum Strukturieren eines solchen FotolacksInfo
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausbilden einer strukturieren Fotolackschicht auf einem Halbleitersubstrat sowie einen Fotolack zum Einsatz in einem solchen Verfahren.
- Integrierte Schaltungen auf Halbleitersubstraten werden im Allgemeinen mit Hilfe der Planartechnik hergestellt. In der Planartechnik wird durch Einsatz lithographischer Verfahren eine lokale Bearbeitung der Halbleiterscheiben durchgeführt. Bei den fotolithographischen Verfahren wird zuerst ein dünner strahlungsempfindlicher Film, eine so genannte Fotolackschicht, auf die Halbleiterscheibe aufgebracht. Diese Fotolackschicht wird durch eine geeignete Maske, die die im Halbleitersubstrat auszubildende Struktur enthält, mit Licht bestrahlt. Alternativ können zur Abbildung der Strukturen auf der Fotolackschicht aber auch Röntgenstrahlung eingesetzt werden. Weiterhin besteht auch die Möglichkeit, die gewünschten Strukturen direkt auf dem Fotolack mit Hilfe eines Elektronenstrahls auszubilden.
- Nach der Abbildung der Strukturen auf der Fotolackschicht wird der Lack entwickelt und anschließend gehärtet. Die so in der Fotolackschicht erzeugte Struktur wird dann mit Hilfe spezieller Ätzverfahren in die darunter liegende Halbleiterschicht übertragen. Die Fotolackschicht kann jedoch auch selbst als lokale Maskierung der Halbleiterschicht, z. B. für eine Ionenimplantation dienen.
- Die Fotolithographie lässt sich in eine Positiv- und Negativ- Lacktechnik unterteilen. In der Positiv-Lacktechnik löst sich der Fotolack an den belichteten Stellen bei der Lackentwicklung auf, die nicht bestrahlten Bereiche dagegen bleiben maskiert. In der Negativ-Lacktechnik ist es genau entgegengesetzt. Die belichteten Stellen bleiben nach der Lackentwicklung maskiert, während sich die unbelichteten Stellen beim Entwickeln auflösen.
- Die zunehmende Miniaturisierung der integrierten Schaltungen erfordert es, im Rahmen der Lithographietechnik immer kleinere Strukturbreiten in der Fotolackschicht auszubilden. Dabei erfordert der Einsatz der strukturierten Fotolackschicht als Ätzmaske zur Strukturierung der darunter liegenden Halbleiterschicht gleichzeitig eine vorgegebene Mindestschichtdicke, um zu gewährleisten, dass die Fotolackschicht der Ätzung standhält. Dies hat zur Folge, dass bei immer kleiner werdenden Bauteilbreiten das Aspektverhältnis der Fotolackstrukturen, d. h. die Relation von Breite zu Höhe der einzelnen Strukturen immer ungünstiger wird. Dies vergrößert die Gefahr, dass die Lackstrukturen bei einem nachfolgenden Prozessschritt umfallen, was dann zu fehlerhaften Strukturen bei der Übertragung der Lackstrukturen in die Halbleiterschicht und damit zu fehlerhaften integrierten Schaltungen führen kann.
- Um ein Umfallen der Lackstrukturen zu verhindern, ist deshalb eine gute Lackhaftung auf der Halbleiteroberfläche notwendig. Um die Haftung des Fotolacks auf der Halbleiteroberfläche zu verbessern, wird im Allgemeinen vor der Lackaufbringung eine Oberflächenbenetzung mit einem sogenannten Primer, bei Siliciumscheiben üblicherweise HMDS (Hexamethyldisilazan), vorgenommen. Durch die HMDS-Benetzung der Siliciumscheibe wird eine organische Oberfläche erzeugt, die einen hohen Kontaktwinkel zur herkömmlicherweise ebenfalls organischen Fotolackschicht herstellt und damit für eine große Kontaktfläche mit dem Fotolack sorgt. Alternativ zum Einsatz von HMDS als Primer wird zwischen der Fotolackschicht und dem Halbleitersubstrat auch eine organische Antireflexionsschicht eingesetzt, die ähnlich der HMDS-Schicht eine organische Oberfläche auf der Siliciumscheibe bewirkt und zusätzlich eine Reflexionsverminderung bei der Belichtung der Fotolackschicht gewährleistet. Trotz des Einsatzes solcher Primer besteht jedoch weiter die Gefahr eines Umfallens der Fotolackstrukturen, insbesondere bei Strukturbreiten im Sub-µm-Bereich.
- Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Fotolithographieverfahren und einen Fotolack zum Einsatz in einem solchen Fotolithographieverfahren bereitzustellen, mit denen eine verbesserte Lackhaftung auf der Halbleiteroberfläche gewährleistet wird.
- Diese Aufgabe wird für die Negativ-Fotolacktechnik durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und einen Negativ-Fotolack nach Anspruch 5 und für die Positiv-Fotolacktechnik durch ein Verfahren gemäß Anspruch 2 und einen Positiv-Fotolack nach Anspruch 6 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
- Erfindungsgemäß enthält ein Negativ-Fotolack zum Übertragen einer Fotomaske auf eine oberste Schicht einer Halbleiterscheibe einen passivierten Bestandteil, der durch eine Belichtungsstrahlung aktiviert wird, wobei der aktivierte Bestandteil ausgelegt ist, um an der Grenzfläche eine Wechselwirkung mit der obersten Schicht der Halbleiterscheibe einzugehen, wobei die Wechselwirkung für eine verstärkte Haftung zwischen dem Negativ-Fotolack und der obersten Schicht der Halbleiterscheibe sorgt. Alternativ weist erfindungsgemäß ein Positiv-Fotolack zum Übertragen einer Fotomaske auf eine oberste Schicht einer Halbleiterscheibe einen Bestandteil auf, der durch eine Belichtungsstrahlung passiviert wird, wobei der aktivierte Bestandteil ausgelegt ist, um an der Grenzfläche eine Wechselwirkung mit der obersten Schicht der Halbleiterscheibe einzugehen, wobei die Wechselwirkung für eine verstärkte Haftung zwischen dem Positiv-Fotolack und der obersten Schicht der Halbleiterscheibe sorgt.
- Mit einem solchen erfindungsgemäßen Positiv- bzw. Negativ-Fotolack wird eine wesentlich verbesserte Haftung der im Rahmen der Lithographietechnik erzeugten Lackstrukturen auf dem Halbleitersubstrat gesorgt. Der im Fotolack vorgesehene zusätzliche Bestandteil geht vorzugsweise eine chemische Bindung z. B. eine Vernetzung mit der Oberfläche der Schicht auf der Halbleiterscheibe ein und sorgt so für eine wesentliche Verstärkung der Haftungskräfte des Fotolacks auf der Oberfläche.
- Dadurch, dass der haftvermittelnde Bestandteil beim Negativ- Fotolack erst durch die Belichtungsstrahlung aus einem passiven Zustand, bei dem er noch nicht in Wechselwirkung mit dem Untergrundmaterial tritt, in einen aktivierten Zustand, bei dem sich diese Wechselwirkung dann einstellt, versetzt wird, wird gewährleistet, dass beim Negativ-Fotolack nur an den belichteten Stellen für eine erhöhte Haftung gesorgt wird, so dass sich die unbelichteten Stellen durch den Entwicklungsprozess weiterhin auf einfache Weise entfernen lassen. Dies sorgt neben einer verbesserten Haftung der Negativ- Fotolackstruktur für eine fehlerfreie Strukturierung des Fotolacks im Rahmen der Lackentwicklung. Beim erfindungsgemäßen Positiv-Fotolack zeichnet sich der haftverstärkende Bestandteil dadurch aus, dass dieser durch den Belichtungsvorgang aus einem aktivierten Zustand, bei dem er in Wechselwirkung mit dem Lackuntergrund tritt, in einen passivierten Zustand versetzt wird, bei dem die verbesserte Haftwirkung aufgehoben ist. Dies ermöglicht es, die belichteten Teile des Positiv- Fotolacks im Rahmen des Entwicklungsschrittes auf einfache Weise zu entfernen, wobei gleichzeitig die aktivierten Bestandteile in den nicht bestrahlten Bereichen für eine verstärkte Haftung der Positiv-Fotolackstrukturen sorgen und so zuverlässig ein Umfallen der Lacklinien verhindern.
- Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird nach dem Belichtungsvorgang eine chemische Reaktion des aktivierten Bestandteils, vorzugsweise durch eine Temperaturbehandlung der Halbleiterscheibe mit der noch nicht entwickelten Fotolackschicht ausgelöst, um einen chemischen Bindungsvorgang zwischen dem aktivierten Bestandteil des Fotolacks und dem Untergrund auszulösen. Durch diese Ausgestaltung der Lithographietechnik wird eine vereinfachte Handhabung des Fotolacks gewährleistet. Durch das Vorsehen eines zusätzlichen Reaktionsschrittes besteht die Möglichkeit, für den Fotolack einen Bestandteil zu wählen, der sich einerseits optimal mit der Belichtungsstrahlung in einen aktiven Zustand versetzen lässt und dann durch eine definierte chemische Reaktion für eine verbesserte Haftung des Fotolacks im Bereich der aktiven Bestandteile sorgt.
- Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Halbleiterscheibe als Untergrund unter der Lackschicht eine zusätzliche Schicht auf, die ebenfalls reaktive Bestandteile enthält, die mit den aktivierten Bestandteilen des Fotolacks in Wechselwirkung treten. Hierdurch lässt sich eine weitere Verbesserung der chemischen Bindungsbildung zwischen der Fotolackschicht und dem Untergrund und damit eine verbesserte Haftung erzielen.
- Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Lithographieprozess mit einem Negativ-Lack; und
- Fig. 2 einen erfindungsgemäßen Lithographieprozess mit einem Positiv-Lack.
- In der üblicherweise zur Ausbildung hochintegrierter Schaltung eingesetzten Planartechnik erfolgt die lokale Bearbeitung der Halbleiterscheiben mit Hilfe lithographischer Verfahren. Die Strukturen werden zunächst über eine Fotomaske in einem dünnen, strahlungsempfindlichen Film, üblicherweise einer organischen Fotolackschicht auf der Halbleiterscheibe erzeugt und in speziellen Ätzverfahren dann in die darunter liegende Halbleiterschicht übertragen. In einigen Fällen, z. B. bei der Ionenimplantation, kann der Fotolack auch selbst als lokale Maskierung dienen.
- Die Fotolithographietechnik wird in eine Positiv- und eine Negativ-Lacktechnik unterteilt. Bei der Positiv-Lacktechnik löst sich der Fotolack während der Entwicklung an den belichteten Stellen auf, die nicht bestrahlten Bereiche dagegen bleiben maskiert. In der Negativ-Lacktechnik sind die belichteten Stellen nach dem Entwickeln maskiert, während die unbelichteten Lackstellen beim Entwickeln aufgelöst werden. Die Fotolacke bestehen üblicherweise aus einem festen Matrixbestandteil und einem lichtempfindlichen Anteil. Als Fotolacke werden im Allgemeinen Polymere eingesetzt, wobei die Negativ- Fotolacke so ausgelegt sind, dass das Matrixmaterial mit dem lichtempfindlichen Anteil als unbelichtete Mischung von einer Entwicklerflüssigkeit gelöst werden können. Die Positiv- Fotolacke dagegen werden im unbelichteten Zustand von der Entwicklerlösung nicht angegriffen.
- Um eine fehlerfreie Maskierung bzw. Strukturierung der Halbleiterscheiben zu gewährleisten, ist eine gute Lackhaftung auf der Halbleiterscheibe notwendig. Dies gilt umso mehr, als die Halbleiterstrukturen aufgrund der zunehmenden Miniaturisierung der hochintegrierten Schaltungen immer schmäler werden.
- Vor der Lackaufbringung wird die Oberfläche der Halbleiterscheibe üblicherweise mit einem sogenannten Primer, bei Silicium vorzugsweise HMDS (Hexamethyldisilazan) benetzt. Dieser Primer sorgt für eine Passivierung der Halbleiteroberfläche und vergrößert den Kontaktwinkel und damit den Halt des auf dem Primer abgeschiedenen Lacks. Als Primer wird oft auch eine organische Antireflexionsschicht eingesetzt, die zusätzlich verhindert, dass die Belichtungsstrahlung an der Halbleiteroberfläche reflektiert wird und damit aufgrund von Interferenzeffekten die Belichtungsstrahlung modifiziert.
- Um erfindungsgemäß eine verbesserte Haftung zwischen dem strukturierten Fotolack und dem darunter liegenden Untergrund zu erreichen und so zuverlässig ein Umfallen der Lacklinien durch mechanische und/oder chemische Belastungen nach der Lackentwicklung zu verhindern, ist im Fotolack ein Bestandteil vorgesehen, der an den durch die Fotomaske definierten Bereichen mit dem Untergrund eine chemische Bindung entgeht. Dieser reaktive Bestandteil ist bei Positiv-Fotolacken so ausgelegt, dass er im Ausgangszustand passiviert ist und erst durch die Belichtungsstrahlung aktiviert wird, um an der Grenzfläche in Wechselwirkung mit dem Untergrund zu treten. Hierdurch wird gewährleistet, dass auch nur dort, wo der Positiv-Fotolack stehen bleiben soll, eine chemische Bindungsbildung, z. B. eine Vernetzung zwischen dem Positiv-Fotolack und dem Untergrund und damit eine verbesserte Haftung auftritt. Die übrigen unbelichteten Bereiche können dann wie bei herkömmlichen Positiv-Fotolacken einfach durch den Entwicklungsvorgang abgelöst werden.
- Umgekehrt ist bei Negativ-Fotolacken der für eine zusätzliche Haftung auf dem Untergrund sorgende reaktive Bestandteil so ausgelegt, dass dieser im Ausgangszustand bereits aktiviert ist und erst durch die Belichtungsstrahlung wieder passiviert wird. Hierdurch wird zuverlässig gewährleistet, dass nur an den belichteten Stellen des Negativ-Fotolacks, der nach dem Entwickeln stehen bleiben soll, für eine verbesserte Haftung zum Untergrund durch den reaktiven Bestandteil gesorgt ist.
- Der reaktive Bestandteil des Fotolacks ist dabei vorzugsweise so ausgelegt, dass er erst durch eine zusätzlichen Aktivierungsvorgang vorzugsweise eine Temperaturbehandlung des Lackes haftverstärkend wirkt bzw. haftverstärkende Komponenten freisetzt, die sich mit dem Untergrundmaterial chemisch verbinden, vorzugsweise vernetzen. Bevorzugt ist dabei auch, dass der üblicherweise unter dem Fotolack angeordnete Haftvermittler ebenfalls reaktive Komponenten erhält, die mit den aktivierten Bestandteilen im Fotolack in Wechselwirkung treten. Hierdurch wird eine zusätzliche verbesserte Haftung erreicht.
- Aktive Verbindungen können dabei durch Belichtung und/oder Wärmezufuhr entstehen und sind in der Lage einen sogenannten Precursor in eine reaktive Verbindung umzuwandeln. Fotolytisch entstehen Säuren z. B. durch die Belichtung folgender Verbindungen: Oniumsäure, halogenierte Verbindungen, Sulfonsäure, Sulfonesther, Diazoniumsalze, Perhalomethyltriazine, Diaryliodoniumsalze, Triarylsulfoniumsalze, Ortho- Nitrobenzylester, Phloroglucinolsulfonate, Brombisphenol A, Hydroxamsäure, Diazosulfonate etc. Thermolytisch erzeugbare Verbindungen, welche in der Lage sind, eine chemische Bindung auszubilden, sind entweder Verbindungen, in denen Umlagerungen, Bindungsspaltung oder andere Arten chemischer Aktivierung durch Wärmezufuhr stattfinden, oder Verbindungen, die funktionelle Gruppen enthalten, welche geschützt sind durch eine chemische Schutzgruppe (Benzyl, tertiäres Carbonyl, Carbonyl, Acetal, Epoxy etc.), die wiederum durch Wärmezufuhr aufgebrochen werden kann.
- Ein Precursor ist sensitiv gegenüber der aktiven Verbindung und/oder Energiezufuhr durch Wärme oder Licht, indem er durch Reaktion mit der aktiven Verbindung und/oder durch Zufuhr von Wärme oder Licht die reaktive Verbindung freisetzt. Der Precursor selbst ist nicht reaktiv. Beispiele für die Reaktion einer aktiven Verbindung mit einem Precursor sind die Entfernung einer chemischen Schutzgruppe, eine molekulare Umlagerung oder jede Art von chemischer Bindungsspaltung.
- Reaktive Verbindungen sind Monomere und/oder Polymere, die funktionelle Gruppen besitzen, welche chemische Reaktionen entweder mit sich selbst oder mit anderen reaktiven Verbindungen eingehen können. Reaktive Verbindungen können funktionalisierte Derivate des Grundpolymers und/oder Polymere bzw. Monomere sein, die üblicherweise in der Halbleiter-Fotolacktechnologie verwendet werden. Beispiele für Polymere, die üblicherweise in der Halbleiter-Fotolacktechnologie verwendet werden, sind: Novolak, poly(Metamethacrylat), poly(Isopropenylketon), poly(p-Hydroxystyrol), poly(Anthrylmethacrylat), poly(Vinylmethylether-co- Maleinsäureanhydrid), poly(Styrol-co-Maleinsäureanhydrid), flourinierte und siliciumhaltige Polymere etc. Funktionelle Gruppen sind Moleküleinheiten, die durch Energiezufuhr, bevorzugt thermische Energie, eine chemische Bindung mit anderen funktionellen Gruppen eingehen können. Beispiele für funktionelle Gruppen sind: Carbonyl, Amin, Imin, Amid, Imid, Hydroxyl, Acyl, Amyl, Acetal, semi-Acetal, Ether, Ester und phenolische Gruppen, ungesättigte Gruppen (Aryl, Alken, Alkin, Artn), Silanolgruppen etc. Vernetzung, Ringschluss und σ-Bindungsbildung sind Beispiele für chemische Reaktionen reaktiver Verbindungen, die zu einer chemischen Verstärkung von Fotolacklinien im Sinne dieser Erfindung führen.
- Fig. 1 zeigt einen Lithographieprozess mit einem erfindungsgemäßen Negativ-Lack, Fig. 2 einen korrespondierenden Lithographieprozess für einen Positiv-Lack. Auf dem Halbleitersubstrat 1 wird dabei in einem ersten Schritt, wie in Fig. 1A und Fig. 2A gezeigt ist, eine Primer Schicht 2 aufgebracht. Dies erfolgt bei einer Siliciumscheibe im Allgemeinen so, dass im Vakuum oder bei Atmosphärendruck in Stickstoffumgebung die Scheiben dem Dampf einer HMDS-Flüssigkeit ausgesetzt wird, so dass sich eine Benetzung der Halbleiteroberfläche ergibt. Ein strahlungsempfindlicher Fotolack 3 wird anschließend durch Schleuderbeschichtung aufgetragen. Dies ist für einen Negativ-Fotolack 3 in Fig. 1B und für einen Positiv-Fotolack 5 in Fig. 2B gezeigt. Anschließend wird ein Belichtungsschritt zur Erzeugung der gewünschten Lackstruktur im strahlungsempfindlichen Fotolack durchgeführt.
- Beim Negativ-Fotolack wird dazu, wie in Fig. 1C gezeigt, eine Fotomaske 4 eingesetzt, bei der die Bereiche der Negativ-Fotolackschicht, an denen Lackstrukturen erzeugt werden sollen, transparent sind. Die Bestrahlung sorgt dafür, dass der Negativ-Fotolack in den bestrahlten Bereichen unlöslich gegen die Entwicklerflüssigkeit wird. Gleichzeitig wird der im Fotolack enthaltene passivierte Haftungsbestandteil aktiviert. Durch einen nachfolgenden Temperaturschritt, der in Fig. 1D gezeigt ist, wird mit dem aktivierten Bestandteil in den belichteten Bereichen der Fotolackschicht 3 eine chemische Reaktion ausgelöst, bei der sich eine Wechselwirkung zwischen dem aktivierten Bestandteil und dem Untergrundmaterial, im vorliegenden Fall der Primer-Schicht 2, ergibt. Dieser Bindungsbereich 32 sorgt für eine verbesserte Haftung des Lacks in diesen Bereichen auf dem Untergrund. Anschließend wird dann, wie in Fig. 1E gezeigt ist, durch Entwickeln die nicht belichteten Bereiche der Negativ-Lackschicht 3 entfernt, um ein gewünschtes Lackmuster 31 auszubilden.
- Beim Positiv-Lackprozess werden, wie in Fig. 2C gezeigt ist, die Bereiche der Positiv-Fotolackschicht 5 mit einer Fotomaske 42 belichtet, die anschließend in der Entwicklerflüssigkeit entfernt werden sollen. Der Belichtungsvorgang löst eine chemische Reaktion im Positiv-Lack aus, der den eigentlich in der Entwicklerflüssigkeit unlöslichen Positiv-Lack löslich macht. Gleichzeitig wird durch die Belichtungsstrahlung ein aktivierter Bestandteil, der in Wechselwirkung mit dem Untergrund treten kann, passiviert. Nach dem Belichtungsvorgang wird eine chemische Reaktion, wie in Fig. 2B gezeigt ist, vorzugsweise durch einen Temperaturschritt ausgelöst, der die verbleibenden aktivierten Bestandteile im Positiv- Lack mit der darunter liegenden Primer-Schicht verbindet und so für eine verbesserte Haftung des Positiv-Lacks in diesem Bereich 52 sorgt. Anschließend wird dann, wie in Fig. 2E gezeigt ist, mit Hilfe von Entwicklerflüssigkeit die belichteten Bereiche des Positiv-Lacks entfernt, so dass die gewünschte Lackstruktur 51 entsteht.
- Die in der vorstehenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.
Claims (6)
großflächiges Aufbringen einer Negativ-Fotolackschicht auf der obersten Schicht der Halbleiterscheibe,
bereichsweises Belichten der Negativ-Fotolackschicht, um eine Struktur auf der Negativ-Fotolackschicht abzubilden, und
Entwickeln der Negativ-Fotolackschicht, um die Negativ-Fotolackschicht an den unbelichteten Bereichen zu entfernen,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Negativ-Fotolack zumindest im Bereich der Grenzfläche zur obersten Schicht der Halbleiterscheibe einen passivierten Bestandteil enthält, der durch die Belichtungsstrahlung im belichteten Bereich aktiviert wird, um an der Grenzfläche eine Wechselwirkung mit der obersten Schicht der Halbleiterscheibe einzugehen, die für eine verstärkte Haftung zwischen dem Negativ-Fotolack und der obersten Schicht der Halbleiterscheibe sorgt.
großflächiges Aufbringen einer Positiv-Fotolackschicht auf der obersten Schicht der Halbleiterscheibe,
bereichsweises Belichten der Positiv-Fotolackschicht, um eine Struktur auf der Positiv-Fotolackschicht abzubilden, und
Entwickeln der Positiv-Fotolackschicht, um die Positiv-Fotolackschicht an den belichteten Bereichen zu entfernen,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Positiv-Fotolack zumindest im Bereich der Grenzfläche zur obersten Schicht der Halbleiterscheibe einen aktivierten Bestandteil enthält, um an der Grenzfläche eine Wechselwirkung mit der obersten Schicht der Halbleiterscheibe einzugehen, die für eine verstärkte Haftung zwischen dem Positiv-Fotolack und der obersten Schicht der Halbleiterscheibe sorgt, wobei der Bestandteil durch die Belichtungsstrahlung im belichteten Bereich passiviert wird.
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