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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung einer Struktur
eines Halbleiter-Bauelements nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1 und eine Struktur eines Halbleiter-Bauelementes nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 22.
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Die
Herstellung immer kleinerer Strukturen ist eine ständige Herausforderung
bei der Herstellung von Halbleiter-Bauelementen, wie z.B. DRAM-Chips oder
NROM-Chips.
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Die
Auflösung
der lithographischen Verfahren ist inhärent durch die Wellenlängen der
Belichtungsquelle, die Eigenschaften der Maske und der Optik begrenzt.
Zurzeit werden Wellenlängen
(λ) von 248
nm und 193 nm verwendet. Belichtungsquellen für kürzere Wellenlängen, wie
157 nm oder extreme Ultraviolett (EUV) Quellen mit 13 nm werden
entwickelt. Strukturen, die eine CD (critical dimension) haben,
die kleiner ist als die Belichtungswellenlänge werden als subwavelength
Strukturen bezeichnet.
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Durch
verschiedene Verfahren kann die theoretische Auflösungsgrenze
bei der Herstellung von Strukturen auf einem Substrat erreicht werden. Durch
die Verwendung spezieller Masken, wie z.B. Phasenschiebermasken
oder binäre
Masken mit Dipol Belichtungsquellen kann ein minimaler halber Pitch
bei Linienstrukturen von 0,25·λ/NA (mit
NA als numerischer Apertur des Belichtungssystems) erreicht werden.
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Strukturen
auf einem Half-Pitch kleiner als 0,25·λ/NA oder kleiner als der mit
dem Belichtungstool praktisch erreichbare minimale Half-Pitch werden
als sublithographische Strukturen bezeichnet, da diese mittels nicht- lithographischer
Verfahrensschritte, wie z.B. Ätzen
und/oder Abscheidung hergestellt werden müssen.
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Generell
besteht bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen das Problem,
dass aus einem gewünschten
Pattern, z.B. einem regelmäßigen Line-Array
oder einem zweidimensionalen Pad-Muster, z.B. einem regelmäßigen zweidimensionalen
Array bestimmte Teile entfernt werden müssen, was insbesondere dann
schwierig ist, wenn Teile der zu entfernenden Struktur sublithographisch
sind.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
und eine Struktur zu schaffen, mit der eine gezielte Entfernung
eines Teils einer Struktur effizient möglich ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß werden
folgende Schritte durchgeführt,
wobei der Wafer als liegend gedacht ist (ohne Beschränkung der
Allgemeinheit) und ein Positivresist zur Anwendung kommt.
- a) die sublithografische Teilstruktur weist
mindestens eine zu ätzende
Struktur und mindestens einen lateralen Ätzstopp auf, auf die
- b) mindestens eine Maske so aufgebracht wird, dass wenigstens
ein lateraler Ätzstopp
von der Maske überdeckt
(abgedunkelt) wird und anschließend
- c) mindestens eine der zu ätzenden
Strukturen bis zum mindestens einem Ätzstopp unter Verwendung der
Maske isotrop weggeätzt
wird und anschließend
eine
- d) Entfernung der mindestens einen Maske und Entfernung des
mindestens einen Ätzstopps
erfolgt.
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Durch
die gezielte Überdeckung
des laterale Ätzstopps
lassen sich mittels einer isotropen Ätzung effizient und genau bestimmte
Teile einer Struktur entfernen. Insbesondere bei der Verwendung
von sublithographischen Ätzstopps
ist es möglich,
sehr präzise
den Teil zu bestimmen, der weggeätzt
werden soll. Insbesondere bei lateralen Dimensionen des Ätzstopps
kleiner als die Kantenlagetoleranz ist kein anderes Verfahren zur
exakten Strukturierung möglich.
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Die
Aufgabe wird auch durch eine Struktur mit den Merkmalen des Anspruchs
22 gelöst.
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Die
Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der
Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
schematische Schnittansicht einer Array-Struktur mit einer Maske zur Darstellung der
Herstellungsprobleme gemäß des Standes
der Technik;
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2 eine
schematische Schnittansicht einer Array-Struktur mit einer ersten
Linienstruktur;
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3 eine
schematische Schnittansicht der ersten Linienstruktur nach 3 mit
einer Linerschicht;
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4 eine
schematische Schnittansicht der ersten Linienstruktur mit einer
auf dem Liner geätzten horizontalen
Spacerstruktur;
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5 eine
schematische Schnittansicht der ersten Linienstruktur einer aufgefüllten zweiten
Linienstruktur;
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6 eine
schematische Schnittansicht der Array-Struktur aus 5 nach
dem Aufbringen einer Maske;
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6A eine
schematische Schnittansicht des Schichtenstapels gemäß 6 mit
einer Struktur an der Peripherie;
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7 eine
schematische Schnittansicht der Array-Struktur aus 6 nach
einer isotropen Ätzung;
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7A eine
schematische Schnittansicht des Schichtenstapels gemäß 7 mit
einer Struktur an der Peripherie;
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8 eine
schematische Schnittansicht der Array-Struktur aus 7 nach
Entfernung der Maske und des Ätzstopps;
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8A eine
schematische Schnittansicht des Schichtenstapels gemäß 8 mit
einer Struktur an der Peripherie;
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9A eine
schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform mit einer zweilagigen Maske über einer
Array-Struktur;
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9B eine
schematische Schnittansicht der Ausführungsform gemäß 9 mit einer zweilagigen Maske über einer
Struktur an der Peripherie;
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10 eine
schematische Schnittansicht einer Überdeckung einer Maske über einen
lateralen Ätzstopp
mit Angaben zur minimalen Überdeckung;
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11A eine schematische Draufsicht auf eine zweidimensionale
Pad-Struktur mit einer zu entfernenden Teilstruktur;
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11B eine Schnittansicht entlang der Linie A-A
in 11A;
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11C eine Schnittansicht gemäß 11B nach
einer isotropen Ätzung;
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11D eine Draufsicht auf die zweidimensionale
Struktur nach dem Entfernen der Maske und des Spacermaterials;
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12A eine Draufsicht auf ein zweidimensionales
Plug-Muster mit
einer zu entfernenden Teilstruktur;
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12B eine Draufsicht auf die Struktur gemäß 12A nach einer isotropen Ätzung;
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12C eine Draufsicht auf die zweidimensionale Struktur
gemäß 12B nach Entfernung der Ätzstopps.
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In 1 ist
eine Schnittansicht durch einen Schichtenstapel eines Array-Bereiches
dargestellt, wie er z.B. bei der Herstellung eines DRAM-Chips oder
eines NROM-Chips vorkommt. Auf einem Siliziumsubstrat 101 ist
ein CC-Stack 102 aufgebracht, über dem eine Nitridschicht 103 aufbracht
ist. Die Herstellung solcher Schichtenstapel mit Hilfe von Strukturierungs-
und Abscheidungsverfahren ist grundsätzlich bekannt und wird hier
nicht näher
erläutert.
Im Übrigen
ist die Angabe aller Details zu den Schichtenstapeln im Folgenden
lediglich beispielhaft zu sehen.
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Auf
diesem Schichtenstapel 101, 102, 103 ist eine
Vielzahl von sublithographische Linienstrukturen 104 angeordnet,
die mittels eines Verfahrens hergestellt wurden.
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Unter
sublithographischen Strukturen werden hier Strukturen verstanden,
deren CD (critical dimension) kleiner sind als 0,25·λ/NA oder
kleiner sind als der mit dem Belichtungstool praktisch erreichbare Minimum
Half-Pitch.
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Die
regelmäßige Linienstruktur 104 in 1 ist
mit einer Line-by-Spacer Fülltechnik
hergestellt worden, wobei die Breite (pitch) der Struktur (Linie und
ein Spacer) hier z.B. 65 nm beträgt.
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Es
gibt regelmäßig Probleme,
wenn z.B. die Linienstruktur 104 weiter bearbeitet werden
soll. Ein Beispiel für
eine solche notwendige Bearbeitung ist das Herausnehmen von Teilen
der Linienstruktur 104, in 1 durch
einen Pfeil angedeutet. Bei der Herstellung von NROM-Chips ist es
z.B. notwendig, zwei von den Linien wieder zu entfernen. Dieses
Entfernen kann nur mit der Auflösung
der verwendeten Lithographie durchgeführt werden, was für die verwendeten
Linienstrukturen 104 nicht ausreichend fein ist.
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So
kann ein Resist 105 nicht so genau strukturiert werden,
dass er genau bündig
mit einer der Kanten der Linienstruktur 104 abschließt. Diese
nicht kantengenaue Resiststrukturierung ist in 1 durch einen
Kreis hervorgehoben. Weitere mögliche
Fehlerquellen sind Overlay-Fehler und Variationen in der Spacer-Breite
(siehe 10). Es können Ungenauigkeiten im Bereich
von 20 bis 30 nm vorkommen.
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Im
Folgenden wird anhand der 2 bis 8 eine
erste Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Verfahrens
beschrieben, wobei die 2 bis 5 vorbereitende
Schritte darstellen, die zur Herstellung einer Ausgangsstruktur
( 5) führen.
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In 2 ist
ein Schichtenstapel analog zu 1 dargestellt,
so dass auf die obige Beschreibung Bezug genommen wird.
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Auf
der Nitridschicht 104 wird mit einer üblichen Lithographiemethode
(z.B. mit einer Wellenlänge
von 248 nm) eine erste Linienstruktur 104A hergestellt,
indem eine Schicht aus amorphem Silizium strukturiert wird.
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In 3 ist
dargestellt, dass auf diesem ersten Linienmuster 104A eine
dünne Spacerschicht 106 aus
Oxid, hier SiO2, abgeschieden wird. Die
Lücken
zwischen den Spacerschichten 106 werden aufgefüllt und
anschließend
wird die Oberfläche
als Ganzes bearbeitet, so dass die horizontalen Teile der Spacerschicht 106 entfernt
werden (z.B. mit CMP). Anschließend
wird das Füllmaterial
entfernt, so dass die Situation gemäß 4 vorliegt.
Eine erste Linienstruktur 104A ist jeweils seitlich mit
einer dielektrischen Spacerschicht 106 versehen.
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In
einem nächsten
Verfahrensschritt werden die Lücken
zwischen den Spacerschichten 106 mit dem gleichen Material
(amorphes Silizium) aufgefüllt, wie
die erste Linienstruktur 104A. Nach entsprechendem Polieren
mit CMP liegt die Situation in 5 vor. Auf
der Nitridschicht ist eine erste Linienstruktur 104A angeordnet,
parallel dazu eine zweite Linienstruktur 104B, beide voneinander
jeweils durch eine dünne
Spacerstruktur 106 getrennt.
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Alternativ
können
die ersten und zweiten Linienstrukturen 104A, 104B aus
SiO2 bestehen, der Spacer aus Si3N4.
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Wie
im Zusammenhang mit 1 dargestellt, soll nun ein
Teil dieser Linienstrukturen 104A, 104B durch
eine Ausführungsform der
Erfindung entfernt werden. Im Folgenden wird der zu bearbeitende Teil
der Struktur als sublithographische Teilstruktur 1 bezeichnet
und in 5 und 6 durch ein Rechteck gekennzeichnet.
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In
den 5, 5A, 6, 6A, 7, 7A, 8 und 8A ist
jeweils die im Wesentlichen gleiche Schichtenfolge, z.B. auf dem
gleichen Substrat 101, dargestellt, wie in den 1 bis 4. Die 5, 6, 7 und 8 zeigen
dabei jeweils einen Array-Bereich und ähneln daher den Darstellungen
der 1 bis 4. Array-Bereiche sind durch eine große Zahl
regelmäßiger Strukturen
gekennzeichnet, wie z.B. parallel angeordnete Linienstrukturen 104.
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In
den 5A, 6A, 7A und 8A wird
der gleiche Schichtenstapel, nur außerhalb des Array-Bereiches
dargestellt. Typischerweise sind außerhalb des Array-Bereiches so genannten
landing pads zur Kontaktierung angeordnet. 5A zeigt
die Schichtenstruktur an der Peripherie, d.h. in der Umgebung des
regelmäßigen Zellenfeldes.
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Die
erste und zweite Linienstruktur weisen innerhalb des Bereichs 1 zu ätzenden
Strukturen 11A, 11B auf. Gemäß der hier dargestellten Ausführungsform
der Erfindung ist die Spacerschicht hier jeweils als lateraler Ätzstopp 12A, 12B, 12C ausgebildet;
der Ätzstopp
ist hier im Wesentlichen vertikal ausgebildet.
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Wie
in 6 dargestellt, wird auf diese Struktur eine Resistschicht
als Maske 2 lithographisch erzeugt, wobei diese so aufgebracht
wird, dass wenigstens ein lateraler Ätzstopp 12A, 12C von der
Maske 2 überdeckt
wird. An der Peripherie (6A) ist
ein einzelner lateraler Ätzstopp 12D angeordnet,
der von der Maske 2 überdeckt
wird.
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Als
Maske 2 kann z.B. ein Mehrlagenresist dienen, der eine Photolackschicht,
eine Hartmaske und/oder eine BARC-Schicht aufweist.
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In
einem nächsten
Verfahrensschritt werden die zu ätzenden
Strukturen 11 bis zu den lateralen Ätzstopps 12A, 12B, 12C, 12D unter
Verwendung der Maske 2 mit Chlor isotrop weggeätzt 3.
Es kann z.B. ein CCl4 Plasma bei etwas erhöhtem Druck
eingesetzt werden.
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Wie
in 7 und 7A erkennbar ist, wird die Maske 2 (d.h.
der Resist) unterätzt.
Die Ätzstopps 12A,
C und 12D bleiben zumindest soweit stehen dass sie noch
als laterale Ätzbarriere
dienen können, 12B kann
durch den beidseitigen Angriff u.U. auch entfernt werden, kann bei
selektiver Ätzung
auch stehen bleiben; für
die Erfindung ist das unerheblich.
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Würden in
einer alternativen Ausführungsform
die zu ätzenden
Bereiche 11A, 11B aus SiO2 und
die Spacerschicht 106 aus Si3N4 bestehen, so würde die Ätzung mit verdünnter HF
erfolgen.
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Alternativ
ist es auch möglich,
zunächst
eine anisotrope Ätzung
durchzuführen,
die noch nicht zu einer Unterätzung
führt.
Anschließend
kann dann eine isotrope Ätzung
durchgeführt
werden, um den gewünschten
Effekt zu erreichen.
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In
nachfolgenden Verfahrensschritten werden die Maske 2 und
die Ätzstopps 12A, 12B, 12C, 12D mit
an sich bekannten Nass- oder
Trockenätzverfahren
entfernt, so dass schließlich
die gewünschte
Entfernung der beiden Linienstrukturen 104A, 104E als
Resultat vorliegt (8).
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Somit
ist eine sich selbst ausrichtende Entfernung eines Strukturteils
mit einem lateralen, seitlichen Ätzstopp 12A, 12B, 12C, 12D erfolgt.
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In 9 ist im Wesentlichen der gleiche Schichtenstapel
wie in 6 dargestellt, d.h. mit einer Maske 2,
die im Array- Bereich
zwei laterale Ätzstopps
(12A, 12C) überdeckt.
Auf die obige Beschreibung kann Bezug genommen werden.
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Anders
als bei der Ausführungsform
gemäß 6,
ist in der Ausführungsform
gemäß 9 die Maske 2 aber zweilagig
ausgebildet. Eine Hartmaske 2A, z.B. aus SiON, Si3N4 oder amorphem
Silizium ist dabei als Trimmaske auf der zu strukturierenden Schicht
aufgebracht. Darüber
liegt eine Resistschicht 2B als Trimmaske. In 9 ist dargestellt, dass die Resistschicht 2B bereits
strukturiert ist, während
die Hartmaske 2A noch unstrukturiert ist.
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Grundsätzlich kann
die Ausführungsform
gemäß 6 als
eine nachgeschaltete Form des Schichtenstapels gemäß 9 verstanden werden, d.h. die Hartmaske 2A entspricht
der Maskenschicht 2 in 6.
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Die
folgenden Verfahrensschritte, d.h. das isotrope Ätzen der Linienstrukturen und
die Entfernung der Ätzstopps 12A, 12B, 12C erfolgt
bei dieser Ausführungsform
dann analog zu den Ausführungsformen,
die in 7 und 8 dargestellt sind.
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In 9A ist
in der Schnittansicht der gleiche Schichtenstapel wie in 9 dargestellt, allerdings an der Peripherie.
Auch hier ist die Maske 2 zweilagig. Die Maske 2 besteht
aus einer unten liegenden Hartmaske 2A und einer darüber liegenden Resistschicht 2B.
Der laterale Ätzstopp 12D kann nach
Strukturierung der Maske 2A, 2B isotrop unterätzt werden.
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In 10 ist
schematisch darstellt, welche minimal notwendige Überdeckung
der Maske 2 über einen
lateralen Ätzstopp 12A, 12B, 12C, 12D in
einem Ausführungsbeispiel
notwendig ist.
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Die
Kantengenauigkeit der Resistschichtstruktur 28 beträgt +/– 22 nm.
Die Toleranz der Kantenanordnung des lateralen Ätzstopps 12A, 12B, 12C, 12D beträgt +/– 12 nm.
Um eine sichere Überdeckung
der Maske 2 zu gewährleisten,
muss eine minimale Überdeckung
von 10 nm vorgesehen sein, so dass bei ungünstigster Kantenlage des Ätzstopps 12A, 12B, 12C, 12D und
kleinstem Wert für
die Überdeckung
der Resistschicht 2 immer noch ein Überstand bleibt.
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Die
Erfindung ist aber nicht nur im Zusammenhang mit sublithographischen
Teilstrukturen verwendbar. Vielmehr sind auch Ausführungsformen
mit einem gezielten Unterätzen
bis zu einem lateralem Ätzstopp
auch bei Strukturen mit größeren Abmessungen
möglich.
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In
11A ist eine Draufsicht auf ein regelmäßiges, zweidimensionales
Muster dargestellt, dass aus Pads
200 besteht. Pads können sublithographisch
oder nicht-sublithographisch
sein. Zwischen den Pads
200 ist ein Spacermaterial
201 abgeschieden,
das selektiv (analog den obigen Beispielen oder der
DE 10 2004 034 572 A1 )
gegenüber
dem Material der Pads
200 ätzbar ist. Das Spacermaterial
201 fungiert
hier als lateraler Ätzstopp
201.
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Im
vorliegenden Beispiel soll angenommen werden, dass das zweidimensionale
Muster 200 mit einem üblichen
Lithographieverfahren mit einer Wellenlänge von 193 nm hergestellt
wurde.
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Das
zweidimensionale Muster ist fast vollständig mit einer Maske 2 überdeckt,
wobei ein Teil eines Pads von der Maske 2 nicht bedeckt
ist; es ist dieser Teil des zweidimensionalen Musters, der aus dem
Muster entfernt werden soll. Dieser Pad 202 soll mit der
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
weggeätzt
werden.
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In 11B ist ein Schnitt entlang der Linie A-A in 11A dargestellt, in der zu erkennen ist, dass
das zu entfernende Pad 202 von Spacermaterial als lateralem Ätzstopp 201 umgeben ist.
Die Maske 2 überdeckt
das gesamte Muster bis auf den zu ätzenden Pad 202, wobei
der Rand dieser zu ätzenden Teilstruktur 202 ebenfalls
von der Maske 2 überdeckt wird.
Grundsätzlich
entspricht diese Situation der 6 der anderen
Ausführungsform.
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Nach
einem isotropen Ätzen
ergibt sich die Situation gemäß 11C, d.h. die Maske 2 wurde unterätzt, das
zu entfernende Pad 202 ist entfernt worden, da die isotrope Ätzung bis
auf den lateralen Ätzstop 201 erfolgte.
Anschließend
werden in weiteren, an sich bekannten Verfahrensschritten die Maske 2 und
das Spacermaterial 201 entfernt.
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In 11D ist in einer Draufsicht die zweidimensionale
Struktur nach diesen Verfahrensschritten dargestellt, bei der die
Pads 200 auf einem Substrat angeordnet sind.
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Diese
Ausführungsform
kann in analoger Weise auch auf nicht reguläre oder anders ausgebildete
zweidimensionale Muster angewandt werden.
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In 12A bis 12C ist
eine weitere Ausführungsform
für die
Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
dargestellt. Wie in 11 wird auch hier
ein regelmäßiges zweidimensionales
Muster bearbeitet, hier allerdings mit einem sublithographischen
Verfahren hergestellt.
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In 12A ist eine Draufsicht auf ein solches Muster
dargestellt. Das Muster zeigt einen Ausschnitt aus einem größeren regelmäßigen Layout und
besteht im Beispiel aus neun runden Plugs 200 und Füllbereichen 204 zwischen
den Spacern, wobei der zentrale Plug 202 die Struktur darstellt,
die zusammen mit dem Füllbereich 204A und 204B rechts oben
und links unten weggeätzt,
d.h. aus dem Muster entfernt werden soll. Jeder der Plug 200 ist
von einem ringförmigen
Spacermaterial 201 umgeben, das selektiv gegenüber dem Material
des Plug 200 ätzbar ist.
Das Spacermaterial 201 bildet die lateralen Ätzstopps 201.
In den Zwischenräumen
zwischen den von Spacermaterial 201 umgebenen Plug 200 ist Füllmaterial 204 angeordnet.
Ein minimaler Abstand zwischen dem Plugs 200 beträgt zwischen
3 und 150 nm, hier sind 70 nm gewählt. Der Durchmesser der Plugs
beträgt
70 nm.
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Die
gesamte zweidimensionale Struktur ist von einer Maske 2 überdeckt
(in 12A nicht dargestellt) bis auf
die Trimöffnung 205 der
Maske 2. Die elliptische Trimmöffnung 205 der Maske 2 überdeckt die Ätzstopps 201 teilweise.
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In
einer isotropen Ätzung
unter Verwendung der Maske 2 wird der Bereich unterhalb
der Trimmöffnung 205 unterätzt, so
dass das Füllmaterial 204 und das
zu ätzende
Material 200 unterhalb der Trimmöffnung 205 entfernt
wird.
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Wenn
die Maske 2 entfernt ist, ist die Situation hergestellt,
die in 12B dargestellt ist. Die Bereiche 202 und
von 204 unterhalb der elliptischen Trimmöffnung 205 sind
weggeätzt,
wobei nur der Ätzstopp 201 in
der Mitte stehen geblieben ist. Die anderen Plugs 200,
deren Spacer 201 und das restliche Füllmaterial 204 bleiben
stehen.
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In
nachfolgenden Verfahrensschritten können nun gezielt die Ätzstopps 201 entfernt
werden, so dass nur die Plugs 200 und das Füllmaterial 204 stehen
bleiben.
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Die
Erfindung beschränkt
sich in ihrer Ausführung
nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele.
Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, die von dem erfindungsgemäßen Verfahren
und der erfindungsgemäßen Struktur
auch bei grundsätzlich
anders gearteten Ausführungen
Gebrauch machen.