DE10224217A1 - Photosensitiver Lack zur Beschichtung auf einem Halbleitersubstrat oder einer Maske - Google Patents

Abstract

Ein photosensitiver Lack (100) zur Beschichtung auf einem Halbleitersubstrat oder eine Maske umfaßt einen photosensitiven Säurebildner (D), eine Lösungsmittelsubstanz (E) und wenigstens zwei verschiedene Basispolymere, von denen ein erstes Basispolymer cyclo-aliphatische Grundstrukturen (A) umfaßt, welche eine Lichteinstrahlung bei 248 nm im wesentlichen absorbieren und gegenüber einer Lichteinstrahlung bei 193 nm im wesentlichen transparent sind, und ein zweites Basispolymer aromatische Grundstrukturen (B) umfaßt, welche eine Lichteinstrahlung bei 193 nm im wesentlichen absorbieren und gegenüber einer Lichteinstrahlung bei 248 nm im wesentlichen transparent sind. Wird ein solcher Lack (100) mit einer Schichtdicke von 50 bis 400 nm auf ein Substrat aufgetragen und beträgt der Mengenanteil des zweiten Basispolymers mit den aromatischen Grundstrukturen zwischen 1 und 25 Mol-%, so wird vorteilhaft in einer Belichtung bei einer Wellenlänge von 193 nm ein höherer Strukturkontrast, eine bessere Ätzstabilität und eine Verringerung von Defekten erreicht. Eine Belichtung über den gesamten Tiefenbereich des Lackes (100) ist dabei gewährleistet.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft einen photosensitiven Lack zur Beschichtung auf einem Halbleitersubstrat oder einer Maske.
• Zur Herstellung integrierter Schaltungen in der Halbleiterindustrie werden Halbleitersubstrate bzw. Masken als Vorprodukte für die Belichtung der Halbleitersubstrate mit photosensitiven Lacken beschichtet, welche anschließend in einem photolithographischen Schritt mit einer einen Bestandteil der Schaltung repräsentierenden Struktur belichtet wird. Je nach Ausbildung des Lackes als Positiv- oder Negativ-Lack werden die belichteten bzw. unbelichteten Strukturen nach einem Entwicklungsschritt als Ätz- oder Implantationsmaske etc. für die Übertragung der Strukturen in das Substrat oder die Maske verwendet.
• Infolge der fortschreitenden Erhöhung der Integrationsdichte auf den Substraten oder Masken verringern sich die zu erreichenden Größen von Strukturen auf den Substraten oder Masken. Die minimal erreichbare Strukturgröße steht in einem linearen Zusammenhang mit der Wellenlänge des in dem Photolithographischen Schritt verwendeten Lichtes. Daraus folgt, daß Übergänge zu Technologiegenerationen mit verringerter Strukturgröße oftmals die Bereitstellung von Belichtungsgeräten, welche mit niedrigerer Wellenlänge arbeiten, erforderlich machen. So wurde in den letzten Jahren der Übergang von Wellenlängen mit 365 nm über 248 nm zu derzeit 193 nm für die photolithographische Strukturierung bewerkstelligt.
• Ein photosensitiver Lack umfaßt typischerweise eine oder mehrere photoaktive Substanzen, ein schichtbildendes Basispolymer sowie ein Lösungsmittel. Das Lösungsmittel dient zum Aufbringen des Lackes auf dem Substrat. Die photoaktive Substanz wirkt bei Einstrahlung von Licht mit einer bestimmten Wellenlänge unter Änderung seiner chemischen Eigenschaften auf das Basispolymer ein. Belichtete Bereiche unterscheiden sich somit chemisch von den unbelichteten Bereichen, so daß in einem Entwicklervorgang selektiv die gewünschten Bereiche herausgelöst werden können.
• Zur Ausbildung einer Maske in dem Lack, beispielsweise für einen Ätzschritt, ist eine Durchdringung der Lackschicht mit dem eingestrahlten Licht bis zu der Grundfläche der Lackschicht notwendig. Daher muß der verwendete Lack jeweils transparent gegenüber dem eingestrahlten Licht sein. Außerdem muß auch die photoaktive Substanz für die gegebene Wellenlänge des eingestrahlten Lichts eine hinreichende Sensitivität aufweisen. Im allgemeinen sind jedoch die bei der photolithographischen Strukturierung verwendeten Lacke nur über einen begrenzten Wellenlängenbereich transparent. So ist beispielsweise das herkömmlich als photoaktive Substanz verwendete Diazonaphtochinon in Verbindung mit einem Novolak-Harz nur über einen Wellenlängenbereich von etwa 300 bis 450 nm für das eingestrahlte Licht einsetzbar.
• Zur Bildung von Strukturen mit Breiten von 90-110 nm werden derzeit ArF-Excimer-Laser mit einer Wellenlänge von 193 nm verwendet. Im tief-ultravioletten (DUV) Wellenlängenbereich nutzbare photosensitive Lacke besitzen als photoaktive Substanz einen photosensitiven Säurebildner, welcher bei Absorption des eingestrahlten Lichts eine Säure freisetzt, die durch säurekatalysierte Deblockierung des alkali-unlöslichen Basispolymers eine alkali-lösliche Säuregruppe erzeugt. Dies gilt beispielsweise, wenn es sich um einen Positiv-Resist handelt.
• Der photosensitive Lack für die photolithographische Strukturierung bei 193 nm besitzt ein Basispolymer, welches im wesentlichen aus cyclo-aliphatischen Grundstrukturen aufgebaut und gerade bei dieser Wellenlänge transparent ist. Die Lacke weisen jedoch noch erhebliche Probleme bei der Strukturübertragung auf den Untergrund auf. So treten beispielsweise bei den belichteten und entwickelten Strukturen in besonderem Maße aufgerauhte Kanten auf, die zu einer ungenügenden Passivierung der Seitenwände führen. Durch eine verringerte Stabilität der nach dem Entwickeln verbleibenden Lackstege können diese beispielsweise auch in einer anschließenden Messung der Strukturbreite in einem Raster-Elektronenmikroskop zusammenbrechen. Ein weiterer Nachteil entsteht dadurch, daß gängige, bei einer Wellenlänge von 193 nm transparente Lacke mit den unter ihnen liegenden Anti-Reflexionsschichten chemisch wechselwirken, so daß es zu Lackresten innerhalb der Bahnen zwischen den Lackstegen kommen kann.
• Als Lösung wurde bisher vorgeschlagen, noch dünnere Lacksysteme bei einer gleichzeitigen Behandlung des Untergrundes mit beispielsweise Kohlenstoffhartmasken zu verwenden. Dies führt jedoch zu einem erheblich vergrößerten Prozeßaufwand.
• Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Lacksystem bereitzustellen, welches die vorgenannten Probleme reduziert und eine Verbesserung der Qualität bei der Strukturübertragung von Lackstrukturen in unterliegende Schichten ermöglicht.
• Die Aufgabe wird gelöst durch einen photosensitiven Lack mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Aufgabe wird desweiteren gelöst durch eine Verwendung des photosensitiven Lacks mit den Merkmalen des Anspruchs 6. Jeweils vorteilhafte Ausgestaltungen sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
• Der vorliegenden Erfindung zufolge umfaßt der photosensitive Lack, ähnlich wie im Fall herkömmlicher, im ultravioletten Wellenlängenbereich einsetzbarer photosensitiver Lacke, einen Photosensitiven Säurebildner sowie eine Lösungsmittelsubstanz, jedoch weist der Lack zur Bildung der Polymermatrix im in einem ausgehärteten Lack wenigstens zwei verschiedene Basispolymere auf. Ein erstes Basispolymer umfaßt dabei cycloaliphatische Grundstrukturen. Als weitere Eigenschaft besitzen diese Grundstrukturen eine Transparenz gegenüber Lichteinstrahlung, insbesondere in dem Wellenlängenbereich um 193 nm, welcher der Lichteinstrahlung des für die 90-110 nm- Strukturtechnologien verwendeten ArF-Excimer-Lasers entspricht. Demgegenüber ist dieses erste Basispolymer bei einer Lichteinstrahlung von 248 nm im wesentlichen intransparent.
• Die Wellenlänge von 248 nm entspricht derjenigen Lichteinstrahlung, welche durch einen KrF-Excimer-Laser zur photolithographischen Strukturierung erzeugt wird und üblicherweise der nächstliegenden, niedrigeren Technologiegeneration oberhalb von 130 nm großen Strukturbreiten entspricht.
• Das wenigstens zweite Basispolymer umfaßt hingegen aromatische Grundstrukturen, wie sie herkömmlich gerade für die 248 nm- Laser eingesetzt werden. Das zweite Basispolymer hat die Eigenschaft, bei einer Lichteinstrahlung von 193 nm Wellenlänge intransparent zu sein, während es gerade bei 248 nm lichtdurchlässig ist.
• Die Bandbreiten der angegebenen Wellenlängen für die Transparenz der Basispolymere sind dabei jeweils mindestens so groß, daß ein wesentlicher Teil des Ausgangsspektrums des KrF- (248 nm) bzw. ArF-Excimer-Lasers (193 nm) bei dessen entsprechender Resonanzmode davon erfaßt wird.
• Gemäß zweier vorteilhafter Ausgestaltungen liegen wenigstens zwei Basispolymere entweder als Block-Copolymere vor oder sie befinden sich gemeinsam in einer Mischung (Blend), ohne daß chemische Bindungen aufgebaut werden. Es wurde gefunden, daß durch den erfindungsgemäßen Lack die jeweils für ihren Wellenlängenbereich geltenden Vorteile auch noch in einer Mischung oder Block-Copolymerbildung der wenigstens zwei Polymersubstanzen zur Bewirkung einer Strukturübertragung mit hoher Auflösung nutzbar sind, wenn auch nur eine der Wellenlängen, insbesondere 193 nm, für die Lichteinstrahlung verwendet wird. Die jeweiligen Volumenanteile der Basispolymere sowie die Gesamtschichtdicke des Lacks sind dabei derart zu wählen, daß trotz der Absorptionseigenschaft des einen Basispolymers bei gegebener Lichtwellenlänge eine Belichtung bis auf die Bodenfläche des Lacks gewährleistet ist.
• Wird beispielsweise ein im Vergleich zum ersten Basispolymer mit den cyclo-aliphatischen Grundstrukturen mit einem geringeren Mol-Anteil versehenes zweites Basispolymer mit aromatischen Grundstrukturen bei einer Belichtungswellenlänge von 193 nm verwendet, so entsteht dadurch ein Vorteil, daß eine Wechselwirkung des Lacks mit dem Untergrund reduziert wird. Dadurch werden Lackreste nach einem Belichtungs- und Entwicklervorgang in den belichteten Strukturen erheblich vermindert. Ursache hierfür sind die Polymerbestandteile des zweiten Basispolymers enthaltend die aromatischen Grundstrukturen.
• Die zusätzlichen Anteile des zweiten Polymers bewirken auch, daß die Rauhigkeit der Resistflanken nach einem Ätzvorgang verringert wird aufgrund des aromatischen Anteiles. Ursache hierfür ist eine verbesserte Fluor-Seitenwandpassivierung in den belichteten Strukturen, welches einerseits zu einer erhöhten Stabilität stehengebliebener Stege wie aber auch zu einer maßhaltigen Strukturübertragung führt. Desweiteren wird dadurch der sogenannte Etch-Bias, ein Vorhalt für das Ätzen, welcher zum Ausgleich des beschriebenen Effekts eingesetzt werden muß, ebenfalls vorteilhaft verringert. Einen weiteren Vorteil bietet die erhöhte Ätzresistenz, welche durch den aromatischen Anteil gegeben ist, für die Verringerung der Lackdicke und daraus resultierend für die Stabilität der Lackmaske.
• Andererseits wird durch die Absorptionseigenschaften aufgrund des geringen Mol-Anteils des zweiten Basispolymers umfassend die aromatischen Grundstrukturen die Gesamtabsorption bzw. die Eindringtiefe des einstrahlenden Lichts nur unwesentlich beeinflußt. Dies könnte bei nur geringem Prozeß-Mehraufwand durch eine verminderte Lackdicke, eine erhöhte Lichtintensität oder eine verlängerte Belichtungsdauer ausgeglichen werden.
• Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung beträgt der Mengenanteil des zweiten Basispolymers an allen eingesetzten Basispolymeren zwischen 1 und 25 mol%. Mit einem solchen Anteil besitzt der photosensitive Lack insbesondere bei einer eingestrahlten Lichtwellenlänge von 193 nm noch eine hinreichende Transparenz, weil die komplementären Basispolymere umfassend cyclo-aliphatische Grundstrukturen hier völlig transparent sind. In Abhängigkeit vom Mengenanteil können die Schichtdicken auf dem Halbleitersubstrat oder der Maske derart angepaßt werden, daß trotz der durch das intransparente Basispolymer erhöhte mittlere Absorptionskoeffizizent des Lackmaterials die Lackschicht bis zu ihrer Grundfläche ausgeleuchtet werden kann. Für das oben angegebene Mengenverhältnis der Basispolymere wurde ein besonders vorteilhafter Wert von 50-400 nm für die Schichtdicke solcher Lacke gefunden.
• Die Erfindung soll nun anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe einer Zeichnung näher erläutert werden. Darin zeigt:
• Fig. 1 schematisch eine Mischung zweier verschiedener Basispolymere in einem Lack, jeweils umfassend cycloaliphatische und aromatische Grundstrukturen.
• Fig. 1 zeigt einen photosensitiven Lack 100 mit Lösungsmittelsubstanzen E, Säurebildnern D und mit als Block-Copolymere C synthetisierte ersten Basispolymeren, welche cyclo-aliphatischen Grundstrukturen A umfassen, und zweiten Basispolymeren, welche aromatischen Grundstrukturen B umfassen. Der Anteil der zweiten Basispolymere enthaltend aromatische Grundstrukturen B an allen Basispolymeren A, B beträgt 5 mol%. Das zweite Basispolymer mit aromatischen Grundstrukturen B in diesem Ausführungsbeispiel umfaßt Poly(4-Hydroxystyrene), welches mit säureempfindlichen tert-Butoxy-carbonyl-Gruppen blockiert ist.
• Das erste Basispolymer mit den cyclo-aliphatischen Grundstrukturen A umfaßt eine säureempfindliche Blockiergruppe, welche hier ein Poly-Methacrylat ist. Es umfaßt ebenfalls eine alkali-lösliche Einheit aus Cyclo-Olefinmalein-Anhydrid.
• Der Lack wird hergestellt unter einer Polymersynthese mit den angegebenen mol-Anteilen der Basispolymere. Dieser Lack wird auf einen Wafer mit einer Schichtdicke von 100-150 nm aufgetragen, in einem sogenannten Prebake-Schritt zur Entfernung des Lösungsmittels aus dem Photolack vorgeheizt und an den gewünschten Stellen zur Bildung einer Struktur mit ultraviolettem Licht der Wellenlänge 193 nm bestrahlt. Durch den geringen Anteil der bei dieser Wellenlänge intransparenten Basispolymere mit den aromatischen Grundstrukturen B ist der Lack dennoch hinreichend transparent für das eingestrahlte Licht, so daß dieser in den betrahlten Bereichen bis zu seiner Grundfläche, welche an eine Anti-Reflexionsschicht (ARC) angrenzt, vollständig belichtet wird.
• Nach einem sogenannten Post-Exposure-Bake-Schritt wird der Lack entwickelt und die in dem durch die Belichtung mittels der freigesetzten Säure umgewandelten Polymerbestandteile entfernt. Durch die Zugabe des zweiten Basispolymers umfassend die aromatischen Grundstrukturen B wird eine hohe Ätzstabilität erreicht. Die Dicke des Lackes zwischen 100 und 150 nm gewährleistet bei dem Anteil von 5% des zweiten Basispolymers enthaltend aromatische Grundstrukturen B die vollständige Belichtung der gewünschten Strukturen über alle Tiefenbereiche des Lackes. Bezugszeichenliste A erstes Basispolymer mit cyclo-aliphatischen Grundstrukturen
  B zweites Basispolymer mit aromatischen Grundstrukturen
  C Block-Copolymer
  D Säurebildner (PAG)
  E Lösungsmittelsubstanz
  100 Photosensitiver Lack
  

Claims (7)

1. Photosensitiver Lack (100) zur Beschichtung auf einem Halbleitersubstrat oder einer Maske, umfassend:

- einen photosensitiven Säurebildner (D),

- eine Lösungsmittelsubstanz (E),

- wenigstens zwei verschiedenen Basispolymere, von denen ein

a) erstes Basispolymer cyclo-aliphatische Grundstrukturen (A) umfaßt, welche eine Lichteinstrahlung bei 248 Nanometern im wesentlichen absorbieren und gegenüber einer Lichteinstrahlung bei 193 Nanometern im wesentlichen transparent sind,

b) zweites Basispolymer aromatische Grundstrukturen (B) umfaßt, welche eine Lichteinstrahlung bei 193 Nanometern im wesentlichen absorbieren und gegenüber einer Lichteinstrahlung bei 248 Nanometern im wesentlichen transparent sind.

2. Photosensitiver Lack (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von den Basispolymeren in dem Lack das erste Basispolymer umfassend die cyclo-aliphatischen Grundstrukturen (A) einen Mengenanteil von mehr als 75 mol% und von weniger als 99 mol% aufweist.

3. Photosensitiver Lack (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von den Basispolymeren in dem Lack das zweite Basispolymer umfassend die aromatischen Grundstrukturen (B) einen Mengenanteil von mehr als 1 mol% und von weniger als 25 mol% aufweist.

4. Photosensitiver Lack (100) nach den Ansprüchen 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens zwei verschiedenen Basispolymere (A, B) in einer Mischung voneinander getrennt sind.

5. Photosensitiver Lack (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens zwei verschiedenen Basispolymere (A, B) Block- Copolymere (C) bilden.

6. Verwendung des photosensitiven Lackes (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Bildung einer photosensitiven Schicht auf einem Halbleiterwafer oder einer Maske mit einer Schichtdicke von weniger als 400 Nanometern und mehr als 50 Nanometern.

7. Verwendung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die photosensitive Schicht mit Licht einer Wellenlänge von 193 Nanometern bestrahlt wird.