DE19938072A1 - Verfahren zum selbstjustierenden Herstellen von zusätzlichen Strukturen auf Substraten mit vorhandenen ersten Strukturen - Google Patents
Verfahren zum selbstjustierenden Herstellen von zusätzlichen Strukturen auf Substraten mit vorhandenen ersten StrukturenInfo
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Abstract
Das Verfahren dient zum selbstjustierenden Herstellen von zweiten Strukturen auf einem Substrat, das an seiner ersten Oberfläche erste Strukturen (3) aufweist. Um einfach und kostengünstig selbstjustierende Strukturen auf der Oberfläche eines Substrats schaffen zu können, die präzise in bezug auf vorhandene Strukturen orientiert sind, tritt das Licht bei dem Belichten erst durch das Substrat (1) und trifft anschließend auf die Resistschicht (4), wobei das Licht eine Wellenlänge hat, bei der das Substrat (1) lichtdurchlässig ist und die ersten Strukturen (3) auf der Oberfläche (2) des Substrats (1) lichtundurchlässig sind.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum selbst
justierenden Herstellen von zweiten Strukturen auf einem
Substrat, das an seiner ersten Oberfläche erste Strukturen
aufweist, wobei die zweiten Strukturen in Abhängigkeit von
der Anordnung der ersten Strukturen angeordnet werden, das
mindestens die Schritte umfaßt: Aufbringen einer Resist
schicht auf der Oberfläche des Substrats, Belichten der
Resistschicht in vorgegebenen Bereichen, so daß sich die
Beschaffenheit der Resistschicht in den vorgegebenen Berei
chen ändert, Entfernen der Resistschicht innerhalb der vor
gegebenen Bereiche, Bearbeiten der Oberfläche des Substrats
mit den ersten Strukturen in den vorgegebenen Bereichen, so
daß sich die zweiten Strukturen ergeben. Ein solches photo
lithographisches Verfahren ist insbesondere anwendbar auf die
Herstellung von Halbleiterbauelementen, es findet aber ebenso
gut Anwendung bei der Herstellung von mikrooptischen oder
mikromechanischen Bauteilen.
Selbstjustierende Techniken haben bei der Herstellung von
Bauelementen und insbesondere Halbleiterbauelementen eine
große Bedeutung, weil man damit eine einmal auf dem Substrat
bestehende Struktur präzise und maßgenau auf die nächste
übertragen kann. Solche Strukturen können z. B. dielektrische,
halbleitende oder metallische Dünnschichten oder implantierte
Halbleitergebiete sein. Selbstjustierung spart nicht nur teu
re, zeitaufwendige Lithographieschritte, sondern ermöglicht
auch höhere Präzision, Reproduzierbarkeit und Prozeßsicher
heit.
Ein typisches Problem, das bei der Herstellung mikroelektro
nischer, mikromechanischer und mikrooptischer Bauelemente
häufig auftritt, ist das folgende: Auf dem Substrat sei eine
erste Struktur vorhanden. Im nächstfolgenden Prozeßschritt
soll eine zweite Struktur eingeprägt oder aufgebracht werden.
Die zweite Struktur kann sich von der ersten Struktur darin
unterscheiden, daß ihre Kanten von der ersten Struktur einen
definierten konstanten Abstand haben; die zweite Struktur
kann aber ebenso gut zu der ersten Struktur invers sein, oder
die erste und zweite Struktur können identisch sein. Die
zweite Struktur reproduziert also die Kanten von der ersten
Struktur bzw. es entsteht zwischen den Strukturen eine Lücke
oder eine Überlappung mit konstanter Breite.
Beim Stand der Technik werden zweite, dritte und weitere
Strukturen hergestellt, indem die Photolithographie mit ent
sprechenden Masken nacheinander so oft angewendet wird, wie
es die Anzahl der zu strukturierenden Schichten erfordert.
Dabei wird jedoch die Lage der Strukturen zueinander von den
Justierfehlern des einzelnen Photolithographieschrittes be
stimmt, d. h. es ergeben sich Abweichungen im Abstand zwischen
den Strukturen bzw. in ihrer Überlappung, die zu unerwünsch
ten Beeinträchtigungen der elektrischen Eigenschaften der
fertiggestellten Bauelemente führen können. Um Mindestgrößen
für die Abstände bzw. Überlappungen zu garantieren, müssen
beim Design der Strukturen entsprechende Vorhalte berücksich
tigt werden, die sich nachteilig auf die Packungsdichte aus
wirken.
Bei der Herstellung der zweiten, dritten und weiterer Struk
turen sollen die Abweichungen der zueinander justierten Pho
tolithographieschritte möglichst gering gehalten werden. Beim
Stand der Technik läßt sich das Problem für viele Anwendungen
nur mit hohem Kosten- und Zeitaufwand lösen. So werden bei
selbstjustierenden Verfahren nach dem Stand der Technik be
reits vorhandene, entsprechend strukturierte Schichten als
Maskierschichten für andere Prozeßschritte verwendet. Beim
Si-MOSFET dient z. B. das Poly-Si-Gate als Maske für die
Implantation von Source und Drain. Weitere Verfahren, die
z. B. in D. Widmann, H. Mader, H. Friedrich, "Technologie
integrierter Schaltungen", Springer-Verlag Berlin, Heidel
berg, New York, 1988, 5. 31, S. 67 bis 72 und S. 76 bis 78
beschrieben sind, sind das Lift-Off-Verfahren, die Spacer
technik und das LOCOS-Verfahren. Ferner können unterschied
liche Diffusionskonstanten beim Dotieren von Halbleitern für
die selbstjustierende Herstellung von zweiten Strukturen aus
genutzt werden, was von T. Laska, A. Porst in "A low loss/high
ly rugged IGBT-generation - based on a self aligned
process with double implanted n/n⁺-emitter", Proc. of the
6th Int. Symp. on Power Semiconductor Devices & IC's, Davos,
31. Mai bis 2. Juni 1994 beschrieben wird, und es können
Unterätztechniken eingesetzt werden. Der Nachteil dieser
Verfahren ist jeweils der hohe technische Aufwand, der die
Herstellungszeit und die Herstellungskosten der Bauelemente
in die Höhe treibt.
Aus JP 10-120 496 A ist ein Verfahren zum Entfernen von
Defekten in Epitaxieschichten auf einem SiC-Substrat bekannt,
bei dem u. a. die Epitaxieschicht derart belichtet wird, daß
das UV-Licht zuerst durch das Substrat tritt.
Aus JP 2-331 A ist ein Herstellungsverfahren für Halbleiter
vorrichtungen bekannt, bei dem die Belichtung der Resist
schicht zur Herstellung von Strukturen auf der Oberfläche des
Substrats mit Infrarot von der Rückseite des Halbleitersub
strats her erfolgt. Dabei dient eine auf der Vorderseite des
Substrats abgeschiedene Metallschicht als Blende bei der Be
lichtung.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein derartiges Verfahren wei
terzuentwickeln, so daß die selbstjustierende Herstellung von
Strukturen auf der Oberfläche eines Substrats mit einfachen
und kostengünstigen Mitteln möglich ist, wobei die Strukturen
präzise und flexibel in bezug auf bereits vorhandene Struktu
ren orientierbar sind.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen nach
Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die vorliegende Erfindung basiert auf dem Prinzip, die
bereits vorhandene erste Struktur zur Erzeugung einer im
wesentlichen gleich berandeten zweiten Struktur zu verwenden,
wobei die erste Struktur als Maske für die Belichtung einer
Resistschicht dient. Durch geeignete Verfahrensschritte wird
dann vor der Erzeugung der zweiten Strukturen die Resist
schicht auf dem Halbleiter in ihren lateralen Ausmaßen
reduziert oder erweitert.
Auf einem transparenten Substrat (z. B. SiC, Glas, LiNbO3
etc.) befindet sich eine erste Struktur, die eine opake,
strukturierte Dünnschicht umfaßt. Diese strukturierte Dünn
schicht kann insbesondere eine Metallisierung der Oberfläche
des Substrats mit Öffnungen mit einer gegebenen Geometrie
sein. Auf das Substrat mit der strukturierten Dünnschicht
wird ganz flächig eine lichtempfindliche Resistschicht auf
gebracht. Die folgende bereichsweise Belichtung erfolgt nun
nicht wie im Stand der Technik von der Seite, auf der sich
die lichtempfindliche Resistschicht befindet, sondern die
Belichtung erfolgt von der Rückseite des Substrats. Die
opake, strukturierte Dünnschicht auf der Vorderseite des
Substrats wirkt dabei als Maske, so daß ihre Struktur direkt
in die Resistschicht übertragen wird. Der Entwicklungsprozeß
der Resistschicht erfolgt nach dem üblichen Stand der Tech
nik, wobei sowohl Positiv- als auch Negativlacke verwendbar
sind. Mit Positivlack wird eine identische Struktur erzeugt,
mit Negativlack ist es möglich, die zur Metallschicht inverse
Struktur zu erzeugen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum selbstjustierenden Her
stellen von zweiten Strukturen auf einem Substrat, das an
seiner ersten Oberfläche erste Strukturen aufweist, wobei die
zweiten Strukturen in Abhängigkeit von der Anordnung der
ersten Strukturen angeordnet werden, das mindestens die
Schritte umfaßt: Aufbringen einer Resistschicht auf der
Oberfläche des Substrats, Belichten der Resistschicht in
vorgegebenen Bereichen, so daß sich die Beschaffenheit der
Resistschicht in den vorgegebenen Bereichen ändert, Entfernen
der Resistschicht innerhalb der vorgegebenen Bereiche, Be
arbeiten der Oberfläche des Substrats mit den ersten Struk
turen in den vorgegebenen Bereichen, so daß sich die zweiten
Strukturen ergeben, ist dadurch gekennzeichnet, daß bei dem
Belichten das Licht erst durch das Substrat tritt und an
schließend auf die Resistschicht trifft, wobei das Licht eine
Wellenlänge hat, bei der das Substrat lichtdurchlässig ist und
die ersten Strukturen auf der Oberfläche des Substrats licht
undurchlässig sind.
Unter Licht wird hier und im folgenden die elektromagnetische
Strahlung in dem sichtbaren, infraroten und ultravioletten
Spektralbereich verstanden. Vorzugsweise wird bei Halbleitern
als Substrat die Wellenlänge λ des Lichtes so gewählt, daß
die Bedingung Egap < h × c/λ erfüllt ist, d. h. daß die Ener
gie der Photonen kleiner als die Bandlücke des Halbleiters
ist. Die vorliegende Erfindung ist damit insbesondere bei
Substraten mit einem Bandabstand anwendbar, der größer als
2,84 eV ist, was einer Wellenlänge von etwa 436 nm ent
spricht. Für die Belichtung kann somit die sog. g-Linie aus
dem Hg-Spektrum mit einer Vakuumwellenlänge λvac = 436 nm
verwendet werden, ebenso wie die h-Linie bei 405 nm und die
i-Linie bei 365 nm. Eine Bandlücke in diesem Größenbereich
liegt z. B. SiC der Polytypen 2H, 4H, 6H, 15R, 21R vor.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens umfaßt
das Bearbeiten der Oberfläche des Substrats mit den ersten
Strukturen in den vorgegebenen Bereichen die Schritte Auf
bringen einer Lift-Off-Schicht auf der gesamten Oberfläche
des Bauelements, Lösen und Entfernen der Resistschicht unter
der Lift-Off-Schicht, Abheben der Lift-Off-Schicht in den
Bereichen, in denen die Resistschicht gelöst und entfernt
wurde.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens,
wobei die erste Struktur eine erste (strukturierte) Dünn
schicht und eine zweite (strukturierte) Dünnschicht sowie Im
plantationen von ersten Fremdatomen in vorgegebenen Bereichen
des Substrats umfaßt, werden vor dem Aufbringen einer Resist
schicht auf der Oberfläche des Substrats die Schritte latera
les Unterätzen der ersten Dünnschicht in Abhängigkeit von dem
Abstand zwischen der ersten Struktur und der zweiten Struk
tur, Entfernen der zweiten Dünnschicht, wobei die erste Dünn
schicht und das Substrat unverändert bleibt, Aufbringen einer
Ätzstoppschicht, die optisch opak ist, wobei die Ätzkanten
der ersten Dünnschicht nicht bedeckt werden, seitliches
Unterätzen der Ätzstoppschicht, so daß die erste Dünnschicht
vollständig entfernt wird (Lift-Off), durchgeführt, und das
Bearbeiten der Oberfläche des Substrats mit den ersten Struk
turen in den vorgegebenen Bereichen umfaßt das Implantieren
von zweiten Fremdatomen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens
werden vor dem Aufbringen einer Resistschicht auf der Ober
fläche des Substrats, die Schritte Aufbringen einer zweiten
Resistschicht, ganzflächiges Belichten des Substrats mit der
ersten Struktur und Ausheizen bei einer vorgegebenen Tempera
tur, so daß die Löslichkeit der zweiten Resistschicht im Ent
wickler stark herabgesetzt wird, durchgeführt, und das Be
arbeiten der Oberfläche des Substrats mit den ersten Struk
turen in den vorgegebenen Bereichen umfaßt das Trockenätzen
über eine vorgegebene Dauer, so daß die zweite Resistschicht
entfernt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß die Mas
kierschicht im Gegensatz zur üblichen Lithographie zum Sub
strat idealen Kontakt hat. Damit wird die Struktur der Mas
kierschicht exakt auf den Lack übertragen. Außerdem kann die
Struktur einer vorhandenen opaken Schicht ohne Justierung auf
eine darüberliegende Lackmaske übertragen werden, ohne daß
Justierfehler auftreten. Unter Verwendung von Negativlack
bzw. Lacken mit der Möglichkeit zur Kontrastumkehr können die
Strukturen auf leichte Weise invertiert werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus
der folgenden Beschreibung, bei der Bezug genommen wird auf
die beigefügten Zeichnungen.
Fig. 1a und 1b zeigt jeweils zwei übereinander liegende
Strukturen auf einem Substrat.
Fig. 2a bis e zeigen die Schritte nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren zum Erzeugen einer zweiten auf einer ersten Struk
tur.
Fig. 3a bis 3d zeigen eine erste Ausführungsform des erfin
dungsgemäßen Verfahrens.
Fig. 4a bis 4d zeigen eine zweite Ausführungsform des erfin
dungsgemäßen Verfahrens.
Fig. 5a und 5b ist jeweils eine photographische Darstellung
einer Polysiliziumstruktur auf SiC mit bzw. ohne Resist
schicht.
Fig. 6a bis 6c zeigen eine dritte Ausführungsform des erfin
dungsgemäßen Verfahrens.
Fig. 7a bis 7g zeigen eine vierte Ausführungsform des erfin
dungsgemäßen Verfahrens.
Fig. 8a bis 8f zeigen eine fünfte Ausführungsform des erfin
dungsgemäßen Verfahrens.
In Fig. 1a und 1b sind in Draufsicht zwei übereinander lie
gende Strukturen 9 und 10 auf einem Substrat 1 dargestellt.
In beiden Figuren ist die erste Struktur 9 doppelt schraf
fiert dargestellt, während die zweite Struktur 10 einfach
schraffiert dargestellt ist. In Fig. 1a wird durch die erste
Struktur 9 eine vorgegebene Fläche auf dem Substrat 1 belegt,
die von den geometrischen Vorgaben für die erste Struktur 9
und damit von ihrer Funktion abhängt. In der gezeigten Dar
stellung in Fig. 1a wird durch die erste Struktur 9 ein Fen
ster 11 offen gelassen, in dem mehrere Inseln 12, nämlich
vier kleinere und eine größere Insel angeordnet sind. Über
diesem Fenster 11 ist die zweite Struktur 10 angeordnet. Sie
bedeckt in der gezeigten Darstellung nach Fig. 1a im wesent
lichen den gesamten freien Bereich in dem Fenster 11, wobei
aber um die Inseln 12 der ersten Struktur und am Rand des
Fensters 11 jeweils ein Randbereich 13 frei gelassen wird, in
dem das darunter liegende Substrat 1 sichtbar ist.
In Fig. 1b ist ein ähnlicher Aufbau bei einem anderen Bauele
ment gezeigt. Wie in Fig. 1a ist durch die erste Struktur 9
ein Fenster 11 auf der Oberfläche des Substrats 1 offen ge
lassen, in dem mehrere Inseln 12 angeordnet sind. Bei dem
Bauelement nach Fig. 1b wird nach Fertigstellung der ersten
Struktur 9 anschließend eine zweite Struktur 10 erzeugt, die
an den Rändern der Inseln 12 und am Rand des Fensters 11 eine
Überlappung 14 mit der ersten Struktur 9 aufweist.
Bei den in Fig. 1a und 1b gezeigten Beispielen wird die zwei
te Struktur 10 an der ersten, bereits vorhandenen Struktur 9
ausgerichtet. Daher muß die Positionierung der zweiten Struk
tur 10 sehr sorgfältig erfolgen, d. h. die Positionierung ist
in Abhängigkeit von der gewünschten Genauigkeit u. U. sehr
aufwendig. Bei einer weniger genauen Positionierung wird
eventuell nicht das gleiche Maß z. B. der Breite oder der ver
tikalen Ausdehnung des Randbereichs 13 bzw. der Überlappung
14 eingehalten. Bei dem Stand der Technik bedeutet die exakte
Positionierung aber eine längere Fertigungszeit des Bauele
ments und damit erhöhte Kosten.
Fig. 2 zeigt das Vorgehen bei dem erfindungsgemäßen Verfah
ren. Auf einer ersten Oberfläche 2 eines Substrats 1 ist zu
Beginn des Verfahrens bereits eine erste Struktur 9 vorhan
den, die eine Strukturschicht 3 umfaßt. Die Strukturschicht 3
der ersten Struktur 9 kann eine Metallisierung sein oder auch
eine (nicht dargestellte) andere opake Zone innerhalb des
Substrats 1 (d. h. z. B. eine Zone unmittelbar unter der Ober
fläche 2 des Substrats oder einen sog. burried layer im
bulk). Die Zusammensetzung der Strukturschicht 3 unterschei
det sich in jedem Fall von der des Substrats 1, und damit
sind auch die chemischen und physikalischen Eigenschaften von
Substrat 1 und Strukturschicht 3 unterschiedlich. Insbesonde
re wird bei der Erfindung ausgenutzt, daß sich die optischen
Eigenschaften von Substrat und Schicht unterscheiden, so daß
eine Wellenlänge gefunden werden kann, bei der die beiden
Materialien unterschiedliche Transmissionseigenschaften auf
weisen. Die opake Schicht kann damit den Zweck einer Maske
für eine selektive Änderung der Eigenschaften des Substrats
erfüllen, z. B. für eine bereichsweise Implantation. Dieser
Ausgangszustand ist in Fig. 2a dargestellt.
Es sollen zweite Strukturen 10 auf dem Substrat 1 erzeugt
werden, wobei die zweiten Strukturen 10 eine vorgegebene Lage
in Bezug auf die ersten Strukturen 9 einhalten müssen, d. h.
in Abhängigkeit von der Anordnung der ersten Strukturen 9 an
geordnet werden müssen. Zur Herstellung der zweiten Struktur
10 auf dem Substrat 1 wird zunächst, wie in Fig. 2b gezeigt,
eine Resistschicht 4 auf der Oberfläche des Substrats 1 mit
der ersten Struktur 9 aufgebracht. Die Resistschicht 4 ist
insbesondere ein Photolack, d. h. eine lichtempfindliche
Schicht, deren chemische bzw. strukturelle Beschaffenheit
sich unter Lichteinwirkung verändert. Der belichtete oder
unbelichtete Teil der Resistschicht 4 auf dem Substrat 1 mit
der ersten Struktur 9 kann nach dem bereichsweisen Belichten
selektiv innerhalb von vorgegebenen Bereichen entfernt wer
den. Die Oberfläche 2 des Substrats 1 mit den ersten Struktu
ren 9 kann anschließend in den vorgegebenen Bereichen be
arbeitet werden, so daß sich die zweiten Strukturen 10 er
geben. Der nicht entfernte Teil der Resistschicht 4 stellt
dabei sicher, daß durch die nachfolgenden Prozeßschritte die
unter der verbliebenen Resistschicht 4 liegenden Bereiche des
Substrats mit der ersten Struktur durch Ätz-, Implantations- und
sonstige Schritte nicht verändert werden.
Damit Unsicherheiten bei der Justierung und Orientierung der
zweiten Struktur 10 in bezug auf die bereits vorhandenen
ersten Strukturen 9 keine Rolle spielen, wird erfindungsgemäß
die Resistschicht 4 durch das Substrat 1 hindurch belichtet,
wobei die vorhandenen ersten Strukturen 9 auf der ersten
Oberfläche 2 des Substrats 1 aufgrund ihrer optischen Eigen
schaften, die sich von denen des Substrats 1 unterscheiden,
als Maske verwendet werden. Dies ist in Fig. 2c gezeigt.
Lichtstrahlen 5 zum Belichten der Resistschicht 4 treten
zunächst durch eine zweite Oberfläche des Substrats 1, die
der Oberfläche mit der ersten Struktur gegenüberliegt, in das
Substrat 1 ein und durchqueren das Substrat 1, bis sie auf
einen lichtundurchlässigen Bereich der opaken Dünnschicht 3
auf der Oberfläche 2 treffen. Durch diesen werden sie an dem
Eindringen in die Resistschicht 4 gehindert. Andere Licht
strahlen 5 treten ungehindert durch das Substrat und durch
Öffnungen in der ersten Struktur hindurch und durchqueren
auch die Resistschicht 4, wobei diese durch die Lichtein
wirkung ihre chemischen oder strukturellen Eigenschaften
(Polymerisation oder Aufbrechen von Bindungen) verändert. Wie
oben bereits erläutert kann somit durch einen geeignete Ent
wicklungsprozeß die Resistschicht 4 in den Bereichen selektiv
entfernt werden, in denen sie belichtet wurde und die für die
weitere Bearbeitung frei zugänglich sein müssen. Die übrigen
Bereiche werden durch die verbleibende Resistschicht 4 bei
den nachfolgenden Arbeitsschritten geschützt.
Fig. 2d und Fig. 2e zeigen die verbliebene Resistschicht 4
nach der bereichsweisen Belichtung und Entfernung der Re
sistschicht 4 auf der Oberfläche des Substrats 1. In Fig. 2d
ist das Ergebnis für einen sog. positiven Photolack und in
Fig. 2e für einen sog. negativen Photolack gezeigt. Im ersten
Fall bleibt die Resistschicht 4 dort auf der Oberfläche, wo
sie nicht belichtet wurde, im zweiten Fall ist es umgekehrt.
Nach der Durchführung der Schritte nach Fig. 2a bis d bzw.
Fig. 2a bis c und e können Ätzschritte und weitere Beschich
tungsschritte zur Herstellung des Bauelements folgen, wobei
nun die Ausrichtung der zweiten Struktur in bezug auf die
erste Struktur fehlerfrei ist. Wenn man sich die Situation in
Fig. 1a noch einmal in Erinnerung ruft, so ist es also mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, die Randbereiche 13
bzw. die Überlappungen 14 mit exakt denselben Abmessungen bei
allen Kanten der ersten Struktur herzustellen, anders als
beim Stand der Technik, wo (unvermeidbare) Ungenauigkeiten
bei der Justierung der Maske für die zweiten Struktur zu
Abweichungen führen.
Das Licht hat bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Wel
lenlänge, bei der das Substrat 1 lichtdurchlässig ist und die
ersten Strukturen auf der Oberfläche des Substrats licht
undurchlässig sind. Unter Licht wird hier und im folgenden
jede elektromagnetische Strahlung in dem sichtbaren, infra
roten und ultravioletten Spektralbereich verstanden. Damit
das Licht ohne große Abschwächung durch das Substrat hin
durchtreten kann, wird insbesondere bei Halbleitern als
Substrat die Vakuumwellenlänge λvac des Lichtes zum Belichten
der Resistschicht vorzugsweise so gewählt, daß die Bedingung
Egap < h × c/λvac erfüllt ist. Dabei ist Egap die Bandlücke
des Halbleiter-Substrats, h die Planck'sche Wirkungskonstante
und c die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Das sichtbare
Spektrum liegt etwa zwischen 400 nm und 700 nm. In diesem
Spektralbereich stehen die meisten Lichtquellen und die
meisten Photolacke zur Verfügung. Für Licht im sichtbaren
Bereich muß die Bandlücke Egap daher zwischen ca. 1,77 eV und
ca. 3,10 eV liegen. Die vorliegende Erfindung ist damit ins
besondere bei Substraten mit einem Bandabstand anwendbar, der
größer als 2,84 eV ist, was einer Wellenlänge von etwa 436 nm
entspricht. Für die Belichtung kann somit die sog. g-Linie
aus dem Hg-Spektrum mit einer Wellenlänge λvac = 436 nm ver
wendet werden. Eine Bandlücke dieser Größe hat z. B. SiC der
Polytypen 2H, 4H, 6H, 15R, 21R. Das Verfahren eignet sich
daher besonders für die photolithographische Erzeugung von
zweiten Strukturen auf SiC als Substrat.
In der Beschreibung wird unter den Begriffen lichtdurchlässig
verstanden, daß Licht unter nur geringer Abschwächung durch
das Medium hindurch tritt, wobei eine geringe Abschwächung
bedeutet, daß das Licht noch ausreicht, eine anschließende
Resistschicht innerhalb einer akzeptablen Zeit zu belichten.
Lichtundurchlässig bedeutet, daß kein oder nur so wenig Licht
durchdringt, daß es auf die lichtempfindliche Substanz der
Resistschicht keinen Einfluß hat. Üblicherweise sollte eine
lichtundurchlässige Schicht die Lichtleistung mindestens um
den Faktor 10, möglichst 100 gegenüber dem unbedeckten Fall
schwächen.
Die nach dem oben beschriebenen Grundprinzip erzeugten Stru
kturen erlauben in Verbindung mit weiteren transparenten
Hilfsschichten zahlreiche Kombinationen, die im folgenden
näher beschrieben werden. In Verbindung mit einigen der im
folgenden erläuterten Verfahren läßt sich auch ein gegebener
Abstand zwischen den Kanten der ersten Struktur und den Kan
ten der zweiten Struktur einstellen.
In einem ersten Beispiel soll eine zweite Struktur über der
ersten Struktur angeordnet werden, die in lateral er Ausdeh
nung und Positionierung mit der ersten Struktur identisch ist
bzw. zu ihr komplementär ist. Das Vorgehen ist in Fig. 3a bis
d bzw. 4a bis d gezeigt: Fig. 3 zeigt die Herstellung einer
zweiten Struktur, die zu der ersten Struktur identisch ist,
während Fig. 4 die Herstellung einer zweiten Struktur zeigt,
die komplementär zu der ersten Struktur 9 ist.
Die auf dem transparenten Substrat 1 angeordnete erste Struk
tur 9 umfaßt eine opake strukturierte Dünnschicht 3, darge
stellt in Fig. 3a bzw. Fig. 4a. Eine Zusatzschicht 6, die die
zweite Struktur bilden soll, wird auf der gesamten Oberfläche
2 des Substrats 1 abgeschieden. Die Zusatzschicht 6 muß
lichtdurchlässig sein, d. h. sie kann z. B. aus SiO2, Si3N4,
SiOxNy, BPSG (phosphor- oder borhaltiges Glas) bestehen. Die
Zusatzschicht 6 wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
strukturiert. Dazu wird eine Resistschicht 4 auf der Zusatz
schicht 6 aufgetragen. Die Resistschicht 4 wird erfindungs
gemäß von der Rückseite des Substrats 1 her belichtet. Dies
ist in Fig. 3b bzw. 4b gezeigt. Die Resistschicht 4 wird ent
wickelt und wie oben erläutert bereichsweise wieder entfernt,
so daß die Zusatzschicht 6 für die weiteren Herstellungs
schritte bereichsweise zugänglich ist, d. h. die transparente
Zusatzschicht 6 wird anschließend mit der verbliebenen Re
sistschicht 4 als Maskierung geätzt. Je nachdem, ob Positiv- oder
Negativlack als Resist verwendet wird, erhält die Zu
satzschicht 6 genau dieselbe bzw. die komplementäre Struktur
von der bereits auf dem Substrat 1 vorhandenen Struktur 9.
Dies ist in Fig. 3c und d bzw. 4c und d dargestellt.
Ebenso ist die Kombination des erfindungsgemäßen Verfahrens
mit dem Lift-Off-Verfahren möglich, um z. B. eine bereichs
weise Metallisierung durchzuführen. In Fig. 5a ist eine Poly
siliziumstruktur auf einem SiC-Substrat gezeigt, die bei der
erfindungsgemäßen Belichtung von der Rückseite des Substrats
als lichtundurchlässige Maske dient. Bei der Verwendung von
Positivlack als Resistschicht ergibt sich nach Belichten und
Entfernen des überschüssigen Photolacks eine in Fig. 5b ge
zeigte Struktur der Resistschicht. Wie aus Fig. 5b ersicht
lich, laufen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Kanten
der entwickelten Resistschicht 4 nach dem Belichten von der
Rückseite zur Oberkante der Resistschicht 4 hin auseinander.
Dies ist durch die über die Dicke der Resistschicht 4 ab
nehmende Intensität des von der Rückseite her einfallenden
Lichtes bedingt. Dadurch entsteht ein geringer Überlapp über
die vorhandene Struktur. Die so geformte überstehende Lack
kante kann zur Strukturierung von Lift-Off-Schichten 7 wie
z. B. thermisch aufgedampften Metallen benutzt werden.
In Fig. 6 ist der Ablauf des Lift-Off-Verfahrens mit Negativ
lack schematisch dargestellt. In beiden Fällen wird nach dem
Belichten und bereichsweisem Entfernen der Resistschicht 4
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren (Fig. 6a) die
Lift-Off-Schicht 7 auf der gesamte Oberfläche des Substrats 1 mit
einer ersten Struktur mit einer opaken Dünnschicht 3 wie in
Fig. 6b dargestellt abgeschieden. Bei geeigneter Prozeß
führung, wie z. B. gerichtetem Dampfen, werden nur die Flächen
beschichtet, die parallel zur Substratoberfläche 2 liegen,
nicht aber die Kanten (vertikale Flächen) der Resistschicht.
Nach dem Aufdampfen wird das SiC-Substrat mit Lösungsmittel
bearbeitet, das die Resistschicht ausgehend von den nicht
beschichteten Kanten unter der Lift-Off-Schicht 7 heraus löst,
so daß die Lift-Off-Schicht 7 auf dem Photolack von der Ober
fläche des SiC-Substrats abgehoben werden kann (Fig. 6c).
Damit liegen die Flächen auf dem Substrat frei, auf denen
zunächst die Resistschicht 4 abgeschieden worden war. Die
Oberfläche der ersten Struktur ist bereits metallisiert, und
weitere Schritte zur Erzeugung der zweiten Struktur können
sich anschließen.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Photolithographieverfahrens wird diese mit einer Unterätz
technik kombiniert, womit sich Abstände zwischen einer
ersten, bereits vorhandenen und einer zweiten Struktur ein
stellen lassen. Insbesondere können verschieden implantierte
Halbleitergebiete erzeugt werden, die einen definierten
Abstand voneinander haben. Die Halbleitergebiete können bei
dieser Ausführungsform des Verfahrens auch in einer Ebene
erzeugt werden. Die entsprechenden Verfahrensschritte sind in
Fig. 7 gezeigt.
In Fig. 7a befindet sich auf der Substratoberfläche 2 eine
erste Struktur mit zwei unterschiedlichen Dünnschichten 15
und 16. Die Dünnschichten 15 und 16 sind gegeneinander und
gegenüber dem Material des Substrats 1 selektiv naß ätzbar
und mechanisch spannungsarm. Vorzugsweise besteht die erste
Dünnschicht 15 aus SiO2 und die zweite Dünnschicht 16 aus
Polysilizium. In die Dünnschichten 15 und 16 werden Fenster
geätzt, die durch die Funktion des Bauelements gegeben sind
und deren Lage photolithographisch definiert wird. Anschlie
ßend wird eine erste Implantation 8 ausgeführt.
In Fig. 7b wird die erste Dünnschicht 15 lateral unterätzt;
und zwar soweit, wie es dem Abstand zwischen der vorhandenen
ersten und einer nachfolgenden zweiten Implantation ent
spricht. Die Ätzung wird vorzugsweise mit gepufferter Fluß
säure (BHF) ausgeführt, wenn die erste Dünnschicht 15 aus
SiO2 besteht.
In Fig. 7c wird die zweite Dünnschicht 16 selektiv gegen die
erste Dünnschicht 15 ganzflächig entfernt.
In Fig. 7d wird eine Ätzstoppschicht 17 aufgebracht, an die
drei Anforderungen gestellt werden:
- (1) Sie muß beständig gegen Ätzlösungen sein, mit denen die erste Dünnschicht 15 geätzt wird, wobei die Ätzlösung vor zugsweise gepufferte Flußsäure (BHF) umfaßt;
- (2) es darf zu keiner Bedeckung der Ätzkanten der ersten Dünnschicht 15 kommen;
- (3) die Ätzstoppschicht 17 muß optisch opak sein. Als zweite Dünnschicht 16 wird vorzugsweise eine dünne Metallschicht verwendet, die thermisch aufgedampft wird.
In Fig. 7e wird die erste Dünnschicht 15 durch seitliches
Unterätzen der Ätzstoppschicht 17 komplett entfernt. Auf dem
Substrat 1 verbleibt die dünne Metallschicht 16 mit Öffnungen
an genau den Stellen, wo sich vorher die erste Dünnschicht 15
befand. Diese Öffnungen sind aufgrund des verwendeten Ätzver
fahrens exakt zur ersten Implantation 8 zentriert.
Die Dicke der zweiten Dünnschicht bzw. Metallschicht 16
reicht jedoch nicht zur Maskierung einer zweiten Implantation
aus. In Fig. 7f wird sie jetzt nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren mit einer Resistschicht 4 (Photolack) so verstärkt,
daß die Maskierfähigkeit für eine zweite Implantation 20 aus
reichend ist.
Schließlich werden in Fig. 7g alle Hilfsschichten entfernt.
Die fertige Struktur besteht dann aus zwei unterschiedlich
implantierten Gebieten an der Oberfläche des Substrats 1, die
exakt zueinander justiert und zentriert sind. Der Vorteil
dieser Kombination des erfindungsgemäßen Verfahrens mit der
Unterätztechnik zur photolithographischen Herstellung einer
zweiten Struktur mit gegebenem Abstand zu der ersten Struk
tur, bereits vorhandenen Struktur besteht darin, daß nur ein
einziger Photolithographieschritt nötig ist.
In Fig. 8 ist die Kombination des erfindungsgemäßen Verfah
rens mit der Spacer-Technik dargestellt. Damit läßt sich
ebenfalls wie in der oben beschriebenen Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens mit der Lift-Off-Technik ein
definierter Abstand zwischen zwei Strukturen erreichen.
Auf die Oberfläche 2 eines Substrats 1 mit einer ersten
Struktur mit opaker Dünnschicht 3 wird eine zweite Resist
schicht 18, vorzugsweise Positivlack auf Novolackbasis, auf
gebracht (Fig. 8a). Danach wird das Substrat 1 ganzflächig
flutbelichtet und bei einer geeigneten Temperatur ausgeheizt,
so daß die Löslichkeit der zweiten Resistschicht 18 Lackes im
Entwickler stark herabgesetzt wird (Fig. 8b).
Die so erzeugte Struktur wird dann mit einer Resistschicht 4
versehen. Danach erfolgt die Belichtung der Resistschicht 4
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren von der Rückseite des
Substrats her (Fig. 8c).
Durch ein Bad in einer Entwicklerlösung wird nur die obere
Resistschicht 4 strukturiert, d. h. bereichsweise entwickelt,
so daß sie in den entsprechenden Bereichen entfernt werden
kann (Fig. 8d).
In einem nachfolgenden, stark gerichteten Trockenätzprozeß
(z. B. mit O2) wird die gesamte zweite Resistschicht 18 zu
rückgenommen, bis sie in den vorgegebenen Bereichen, d. h. den
Bereichen ohne Maskierung entfernt ist (Fig. 8e). Es wird
dadurch ein "Lack-Spacer" 19 erzeugt, dessen Breite durch die
Dauer des Trockenätzprozesses eingestellt werden kann (Fig.
8f).
Somit kann mit der Kombination des erfindungsgemäßen Verfah
rens mit der Spacer-Technik eine definierte Lücke 13 zwischen
zwei Strukturen, wie sie in Fig. 1a gezeigt ist, erzeugt wer
den. Dazu wird lediglich eine zweite Resistschicht 18 mit
einer Dicke von einigen µm benötigt.
Die vorliegende Erfindung schafft somit für transparente
Substrate ein elegantes und einfach umzusetzendes Verfahren
zur selbstjustierenden Herstellung von zweiten Strukturen bei
vorhandenen ersten Strukturen, bei dem auf kommerzielle
Photolacke als Resistschicht zurückgegriffen werden kann. Die
Voraussetzung dafür ist die Lichtdurchlässigkeit des Sub
strats in einem Bereich, in dem die üblichen Photolacke
lichtempfindlich sind. Diese Bedingung ist insbesondere bei
allen Siliziumkarbidsubstraten im sichtbaren Bereich des
Spektrums erfüllt.
Der Vorteil bei dem Verfahren ist dabei, daß die Maskier
schicht im Gegensatz zur üblichen Lithographie idealen Kon
takt zum Substrat hat. Dadurch wird deren Struktur exakt auf
den Lack übertragen.
Als Lichtquelle für das erfindungsgemäße Verfahren eignen
sich je nach Transmissionsbereich bzw. Bandlücke des Sub
strats, auf das neben einer ersten eine zweite Struktur
aufgebracht werden soll, insbesondere Gasentladungslampen,
Laser und sog. Superstrahler wie Excimer-Laser. Als Gas
entladungslampen sind Hg-Dampflampen mit den Emissions-Wel
lenlängen 436 nm (g-Linie), 405 nm (i-Linie) und 365 nm
(i-Linie) geeignet. Als Laser sind u. a. HeNe-Laser und
N2-Laser einsetzbar, als Gasgemisch im Excimer-Laser kommt
vorzugsweise XeF mit einer Wellenlänge von 351 nm in Frage.
Weitere Wellenlängen lassen sich mit Farbstofflasern in dem
erforderlichen Spektralbereich und mit der erforderlichen
Intensität erzeugen.
Claims (4)
1. Verfahren zum selbstjustierenden Herstellen von zweiten
Strukturen (10) auf einem Substrat (1), das an seiner ersten
Oberfläche (2) erste Strukturen (9) aufweist, wobei die
zweiten Strukturen (10) in Abhängigkeit von der Anordnung der
ersten Strukturen (9) photolithographisch erzeugt werden,
bei dem
die erste Struktur (9) eine erste Dünnschicht (15) und eine darüberliegende zweite Dünnschicht (16) umfaßt und die zweite Dünnschicht (16) lateral unterätzt wird, so daß sich zwischen der ersten Dünnschicht (15) und den ersten Strukturen (8, 9) ein vorgegebener Abstand (13) einstellt,
die zweite Dünnschicht (16) entfernt wird, wobei die erste Dünnschicht (15) und das Substrat (1) unverändert bleibt, eine Ätzstoppschicht (17) aufgebracht wird, die optisch opak ist, wobei die Ätzkanten der ersten Dünnschicht (15) nicht bedeckt werden,
die Ätzstoppschicht (17) seitlich unterätzt wird, so daß die erste Dünnschicht (15) vollständig entfernt wird,
eine erste Resistschicht (4) aufgebracht wird, die von der Rückseite des Substrats (1) belichtet wird, wobei die Ätz stoppschicht (17) als optische Maske wirkt,
die erste Resistschicht (4) zum Freilegen der Substratober fläche (2) für das Erzeugen der zweiten Strukturen (10, 20) entwickelt wird und
die erste Resistschicht (4) und die Ätzstoppschicht (17) entfernt werden.
die erste Struktur (9) eine erste Dünnschicht (15) und eine darüberliegende zweite Dünnschicht (16) umfaßt und die zweite Dünnschicht (16) lateral unterätzt wird, so daß sich zwischen der ersten Dünnschicht (15) und den ersten Strukturen (8, 9) ein vorgegebener Abstand (13) einstellt,
die zweite Dünnschicht (16) entfernt wird, wobei die erste Dünnschicht (15) und das Substrat (1) unverändert bleibt, eine Ätzstoppschicht (17) aufgebracht wird, die optisch opak ist, wobei die Ätzkanten der ersten Dünnschicht (15) nicht bedeckt werden,
die Ätzstoppschicht (17) seitlich unterätzt wird, so daß die erste Dünnschicht (15) vollständig entfernt wird,
eine erste Resistschicht (4) aufgebracht wird, die von der Rückseite des Substrats (1) belichtet wird, wobei die Ätz stoppschicht (17) als optische Maske wirkt,
die erste Resistschicht (4) zum Freilegen der Substratober fläche (2) für das Erzeugen der zweiten Strukturen (10, 20) entwickelt wird und
die erste Resistschicht (4) und die Ätzstoppschicht (17) entfernt werden.
2. Verfahren zum selbstjustierenden Herstellen von zweiten
Strukturen (10) auf einem Substrat (1), das an seiner ersten
Oberfläche (2) erste Strukturen (9) aufweist, wobei die
zweiten Strukturen (10) in Abhängigkeit von der Anordnung der
ersten Strukturen (9) photolithographisch erzeugt werden,
bei dem
eine zweite Resistschicht (18) aufgebracht wird,
die zweite Resistschicht (18) ganzflächig von oben belichtet wird und bei einer vorgegebenen Temperatur ausgeheizt wird,
so daß die Löslichkeit der zweiten Resistschicht (18) im Entwickler stark herabgesetzt wird,
eine erste Resistschicht (4) aufgebracht wird,
die erste Resistschicht (4) von der Rückseite des Substrats (1) belichtet wird, wobei die ersten Strukturen als optische Maske wirken,
die erste Resistschicht (4) entwickelt wird, und
die erste (4) und die zweite (18) Resistschicht zum Freilegen der Substratoberfläche (2) für das Erzeugen der zweiten Strukturen (10) durch Trockenätzen über eine vorgegebene Dauer entfernt werden, so daß die zweite Resistschicht (18) über den ersten Strukturen (9) sowie Spacer-Strukturen (19) am Rand der ersten Strukturen (9) zurückbleiben, die einen vorgegebenen Abstand (13) zwischen den ersten Strukturen (9) und den zweiten Strukturen (10) definieren.
eine zweite Resistschicht (18) aufgebracht wird,
die zweite Resistschicht (18) ganzflächig von oben belichtet wird und bei einer vorgegebenen Temperatur ausgeheizt wird,
so daß die Löslichkeit der zweiten Resistschicht (18) im Entwickler stark herabgesetzt wird,
eine erste Resistschicht (4) aufgebracht wird,
die erste Resistschicht (4) von der Rückseite des Substrats (1) belichtet wird, wobei die ersten Strukturen als optische Maske wirken,
die erste Resistschicht (4) entwickelt wird, und
die erste (4) und die zweite (18) Resistschicht zum Freilegen der Substratoberfläche (2) für das Erzeugen der zweiten Strukturen (10) durch Trockenätzen über eine vorgegebene Dauer entfernt werden, so daß die zweite Resistschicht (18) über den ersten Strukturen (9) sowie Spacer-Strukturen (19) am Rand der ersten Strukturen (9) zurückbleiben, die einen vorgegebenen Abstand (13) zwischen den ersten Strukturen (9) und den zweiten Strukturen (10) definieren.
3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem
die Vakuumwellenlänge λvac des Lichtes (5) zum Belichten der
Resistschicht (4) so gewählt wird, daß bei Halbleitern als
Substrat (1) die Bedingung Egap < h × c/λvac erfüllt ist,
wobei Egap eine Bandlücke des Halbleiters, h die Planck'sche
Wirkungskonstante und c die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum
ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem als Substrat (1) SiC
verwendet wird und die Vakuumwellenlänge λvac des Lichtes (5)
zum Belichten der Resistschicht (4) 436 nm oder 405 nm oder
365 nm beträgt.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19938072A DE19938072A1 (de) | 1998-09-09 | 1999-08-12 | Verfahren zum selbstjustierenden Herstellen von zusätzlichen Strukturen auf Substraten mit vorhandenen ersten Strukturen |
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DE19841219 | 1998-09-09 | ||
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ID=7880384
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DE19938072A Withdrawn DE19938072A1 (de) | 1998-09-09 | 1999-08-12 | Verfahren zum selbstjustierenden Herstellen von zusätzlichen Strukturen auf Substraten mit vorhandenen ersten Strukturen |
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