DE3852057T2

DE3852057T2 - Antireflex-Belag für Photolithographie.

Info

Publication number: DE3852057T2
Application number: DE3852057T
Authority: DE
Inventors: William H Arnold; Mohammad Farnaam; Jack Sliwa
Original assignee: Advanced Micro Devices Inc
Current assignee: Advanced Micro Devices Inc
Priority date: 1987-04-24
Filing date: 1988-04-15
Publication date: 1995-05-11
Anticipated expiration: 2008-04-16
Also published as: ES2063032T3; EP0289174B1; ATE114061T1; JPS63316053A; GR3014920T3; EP0289174A2; JP2517357B2; EP0289174A3; DE3852057D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft photolithographische Verfahren bei der Halbleiterherstellung und insbesondere die hochauflösende Fotolithografie, welche die g-, h- oder i- Linien des Quecksilberspektrums zum Belichten fotolithografischer Filme auf einer stark reflektierenden Fläche, beispielsweise Titan oder Aluminium, verwendet.
Bei der Herstellung integrierter Schaltungsvorrichtungen werden eine oder mehrere Metallschichten, beispielsweise Aluminium oder Titan, aufgebracht und anschließend strukturiert, um ohmsche oder Schottky-Kontakte und elektrische Verbindungen zwischen verschiedenen Schaltungselementen herzustellen. Üblicherweise wird ein Fotoresist auf die Metallschicht aufgeschleudert und anschließend mit einem Lichtmuster belichtet und entwickelt. Die normalerweise aus Aluminium bestehende Schicht wird sodann mit chlorhaltigen Gasen durch die Öffnungen in der Resistschicht selektiv plasmageätzt. Das restliche wird anschließend entfernt, so daß die endgültige Metallstruktur zurückbleibt.
Über reflektierenden Flächen, wie Aluminium oder Titan, wurden Antireflex-Beschichtungen verwendet, um die Kontrolle über die Resiststrukturierung zu verbessern, indem Störeffekte und diffuses Streuen insbesondere bei monochromatischem Licht zu vermeiden. Mit der zunehmenden Verringerung der Leitungsbreite und -abstände in neueren und dichteren Designs integrierter Schaltungen sind diese Effekte immer weniger tolerierbar.
Ein Lösungsversuch zur Verringerung des reflektierten Lichts sieht die Verwendung von Metall oder schwerschmelzenden Materialien als Antireflex-Filme auf Aluminium vor. Beispiele für solche Materialien sind Titan-Wolfram (TiN) und Molybden-Disilizid (MoSi&sub2;) In "Antireflective Coatings on Metal Layers for Photolithographic Purposes", Journal of Applied Physics, Bd. 50, Nr. 3. S. 1212-1214 (März 1979) schlagen Van den Berg et al. die Verwendung von amorphem Silizium, amorphem Selen und Chromoxid als Antireflex-Beschichtungen vor. Jedoch verringert amorphes Silizium das Reflexionsvermögen von Aluminium bei einer Wellenlänge von 436 nm nur auf ungefähr 15 bis 20% und seine Ablagerung bringt üblicherweise zahlreiche schädliche Partikel ein.
Die Verwendung organischer Beschichtungen, wie beispielsweise eines dünnen Polyimid mit einer lichtabsorbierenden Farbe, wurde von Brewer et al. in "The Reduction of the Standing Wave Effect in Positive Photoresists", Journal of Applied Photographic Engineering, Bd. 7, Nr. 6, S. 184-186 (Dezember 1981) beschrieben. Dieses Verfahren erfordert jedoch ein separates Aufschleudern und Härten des Polyimids. Es hat sich gezeigt, daß das Härtverfahren aufgrund der erforderlichen engen Temperaturtoleranzen bei der Herstellung schwer zu kontrollieren ist.
In Le Vide, Les Couches Minces, Bd. 218, August/September 1983, S. 401-404 wird die Verwendung von Titannitrid als Antireflex-Schicht auf einem Siliziumwafer vorgeschlagen.
In EP-A-0 098 582 wird vorgeschlagen, bei der Herstellung einer strukturierten Metallschicht in einem Halbleiterchip einen lichtabsorbierenden Film zwischen der Metallfläche und dem Fotoresist zu verwenden, wobei der lichtabsorbierende Film aus Siliziumnitrid, Siliziumoxid, Aluminiumoxid oder amorphem Silizium besteht. Die Dicke des lichtabsorbierenden Films reicht von 100 bis 500 nm und die Menge des von der Metallfläche reflektierten Lichts wird auf weniger als 30% des einfallenden Lichts reduziert.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Vorbereiten einer Wafer-Oberfläche in einer integrierten Schaltungsstruktur zum Strukturieren durch photolithographische Verfahren, bei dem die Wafer-Oberfläche eine Oberfläche aus hochreflektierendem Aluminium oder Titan ist und die Oberfläche vor dem Bilden einer Photoresist-Schicht über der Oberfläche mit einem Antireflex-Film beschichtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Antireflex-Film aus Titannitrid besteht und das Titannitrid mit einer Dicke zwischen 30 und 50 nm bei einer Aluminiumoberfläche und zwischen 15 und 35 nm bei einer Titanoberfläche aufgebracht wird, wobei die Menge an von der Oberfläche reflektiertem Licht auf weniger als ungefähr 5% der einfallenden Strahlung verringert wird.
Die TiN-Schicht wird vorzugsweise mit einer Dicke ausgebildet, das bei einer vorgewählten Lichtwellenlänge, d. h. der bei dem fotolithografischen Belichtungsvorgang verwendeten optischen Strahlung, das geringste Reflexionsvermögen in die Fotoresistschicht aufweist. Die TiN-Schichtdicken für die in der Fotolithografie zum Erreichen einer minimalen Reflektion in die darüberliegende Resistschicht vorwiegend verwendeten Wellenlängen sind: Wellenlänge TiN-Dickenbereich Aluminium Titan
Es ist jedoch offensichtlich, daß auch andere Wellenlängen verwendet werden können, und die Bestimmung der optimalen TiN-Dicke für diese Wellenlängen ist einfach. Die Berechnung der die geringste Reflektion bewirkenden TiN-Dicken basiert auf den optischen Eigenschaften, die sich in Martin et al., "Optical Properties of TiNx Produced by Reactive Evaporation and Reactive Ion-Beam Sputtering", Vacuum, Bd. 32, S. 359- 362 (1982) finden.
Die zugehörigen Zeichnungen zeigen als Beispiele:
Fig. 1a-c Schnittdarstellungen eines Bereichs einer INTE- GRIERTEN Schaltungsstruktur zur Verdeutlichung eines erfindungsgemäßen Vorgangs;
Fig. 2 eine Kurve des Reflexionsvermögens als Funktion der TiN-Dicke bei einer Aluminiumschicht; und
Fig. 3 eine Kurve des Reflexionsvermögens als Funktion der TiN-Dicke bei einer Titanschicht.
Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgetreu, außer wenn dies ausdrücklich angemerkt ist. Ferner zeigen die Zeichnungen nur einen Teil einer erfindungsgemäß hergestellten integrierten Schaltung.
Fig. 1a ist eine Schnittdarstellung eines Bereichs einer integrierten Schaltungsstruktur, die allgemein bei 10 dargestellt ist und auf der eine hochreflektierende Metallschicht 12 ausgebildet ist. Von der Erfindung besonders vorteilhaft betroffene Metallschichten sind unter anderem aus Aluminium und Titan bestehende, weshalb diese Schichten bevorzugt werden.
Die Metallschicht 12 wird nach bekannten gegenwärtigen Verfahren hergestellt und bildet somit keinen Teil des Gegenstandes der Erfindung. Zwar wird hier die Metallschicht als vorzugsweise aus Aluminium oder Titan bestehend beschrieben,jedoch ist ersichtlich, daß die Lehren der Erfindung auch auf Schichten aus anderen reflektierenden Materialien, beispielsweise Wolfram und Ti auf Polysilizium anwenden lassen, die unter Verwendung von fotolithografischen Verfahren strukturiert werden. Bei diesen anderen Materialien ist die zum Erzielen des Antireflex-Effekts erforderliche TiN-Dicke unterschiedlich. Die Bestimmung derselben ist jedoch einfach, wie im folgenden erörtert.
Obwohl es erwünscht ist, als Teil des Strukturierungsvorgangs eine Fotoresistschicht 14 auf der Metallschicht 12 auszubilden, wurde im vorhergehenden dargelegt, daß von der Oberfläche der Metallschicht reflektiertes Licht die hochauflösende optische Lithografie stört. Dementsprechend wird zuerst eine Antireflex-Schicht 16 auf der Oberfläche der Metallschicht 12 ausgebildet. Sodann wird die Fotoresistschicht auf der Oberfläche der Antireflex-Schicht 16 ausgebildet. Die Fotoresistschicht wird durch herkömmliche Verfahren, wie Aufschleudern einer in einem Lösungsmittel enthaltenen Fotoresistlösung auf die Oberfläche der Antireflex- Schicht 16, gebildet. Das Lösungsmittel trocknet aus, so daß die Fotoresistschicht 14 zurückbleibt.
Erfindungsgemäß enthält die Antireflex-Schicht 16 Titannitrid (TiN). Die Dicke der TiN-Schicht 16 hängt von der bei dem fotolithografischen Verfahren verwendeten Wellenlänge und von den optischen Eigenschaften der darunterliegenden Metallschicht 12 ab; die Dicke wird im folgenden im einzelnen erörtert. Der Vorgang des Ablagerns der TiN-Schicht 16 ist wiederum herkömmlich; Beispiele hierfür sind das Sputtern oder Verdampfen von Titan von einer Titanquelle in einer Argon/Stickstoff-Umgebung, die chemische Dampfablagerung (CVD) von einer geeigneten Quelle aus, und das Sputtern, Verdampfen und CVD-Aufbringen von Titan auf ein Substrat und das Ausheilen des beschichteten Substrats in einer Stickstoffumgebung.
Die gebildete TiN-Schicht 16 weist im wesentlichen stöchiometrisches TiN auf, obwohl das Stickstoff-Titanverhältnis um ungefähr ± 10% variieren kann.
In Fig. 1a trifft durch die Pfeile 18 dargestelltes Licht auf eine Maske 20 auf, die mit Öffnungen 22 versehen ist. Das Licht, oder die optische Strahlung, 18 gelangt nur durch diese Öffnungen 22 und belichtet diejenigen Bereiche der Resistschicht 14, die unter den Öffnungen liegen, wodurch das Resist strukturiert wird. Dieser Vorgang ist bekannt und ist daher nicht Teil der Erfindung.
Nach der Belichtung des Resists wird die Resistschicht 14 in einem herkömmlichen Lösungsmittel entwickelt, um diese Bereiche des belichteten Resists zu entfernen. Danach werden diejenigen Bereiche der TiN-Schicht 16, die unter den belichteten Resistbereichen liegen, geätzt, wodurch Teile der Metallschicht 12 freigelegt werden. Dieses Ätzen des TiN kann beispielsweise durch Plasmaätzen in einem fluorhaltigen Gas erfolgen. Fig. 1b ist eine Schnittdarstellung der integrierten Schaltungsstruktur in diesem Herstellungszustand.
Nach dem Ätzen des TiN werden die freigelegten Teile der Metallschicht 12 geätzt, beispielsweise durch Plasmaätzen in einem chlorhaltigen Gas. Die verbleibenden Bereiche der Resistschicht 14 werden anschließend entfernt, beispielsweise durch Plasmaablösen in einem Sauerstoffplasma. Die sich ergebende Struktur ist in Fig. 1c dargestellt.
Die TiN-Schicht 16 kann als Ätzhügelunterdrückungsschicht bei einer Metallschicht 12 aus Aluminium beibehalten werden, wie in Fig. 1c dargestellt. Es ist bekannt, daß, wenn eine Aluminiumschicht (reines oder legiertes Aluminium) auf einem Siliziumwafer bei einer bestimmten Temperatur aufgebracht wird und die Temperatur des Wafers anschließend auf eine erheblich über der Aufbringtemperatur liegende Temperatur erhöht wird, das Aluminium einer Druckbelastung unterliegt, die zur Wanderung von Aluminiummaterial von der Grenzfläche zwischen dem Aluminium und der darunterliegenden Schicht zur Oberfläche der Aluminiumschicht führt, wodurch Knoten gebildet werden, die in einer Höhe aus der Oberfläche ragen, die bis zum zehnfachen der Dicke der Aluminiumschicht betragen. Wenn bereits eine Schicht aus Siliziumdioxid oder einem schwerschmelzenden Material auf der Oberfläche des Aluminiums besteht, wird die Bildung dieser Knoten, die "Ätzhügel" genannt werden, unterdrückt.
Alternativ kann die TiN-Schicht 16 entfernt werden, beispielsweise durch Ablösen unter Verwendung von Fluorchemikalien. Beispielsweise kann eine Mischung aus O&sub2; und CHF&sub3; in einem reaktiven Ionenätzmittel verwendet werden.
Die Verwendung der Titannitridschicht 16 entsprechend der vorliegenden Erfindung minimiert die durch Reflexion bewirkten Stehwellenstörungen in der Resistschicht 14, die durch Streulicht von der Oberfläche der Metallschicht 12 bewirkte Resisteinkerbung und durch von dem Wafer reflektiertes Licht verursachte Reflexe in der Schrittoptik. Die TiN-Schicht 16 unterdrückt auch die Ätzhügelbildung in Aluminiumschichten.
Die durch Verwendung einer TiN-Schicht 16 erreichte Reflexion in die Resistschicht 14 kann weniger als ungefähr 5% betragen, je nach der gewählten Dicke und der Metallschicht 12. Mit einer Aluminiumschicht 12 lassen sich Reflexionen von weniger als ungefähr 2% erreichen.
Die Dicke der TiN-Schicht 16 ist eine Funktion der Wellenlänge der einfallenden optischen Strahlung 18, wie in der Fig. 2 (für Aluminium) und 3 (für Titan) dargestellt. Bei bestimmten Wellenlängen des Quecksilberspektrums (G-, h- und i-Linien), beträgt der Dickenbereich für TiN auf Aluminium und auf Titan bei einer bestimmten Wellenlänge: Wellenlänge TiN-Dickenbereich Aluminium Titan
Es ist jedoch offensichtlich, daß bei der Durchführung der Erfindung auch andere Wellenlängen verwendet werden können, und die Bestimmung der optimalen TiN-Dicke für diese Wellenlängen ist einfach durch Messen der Reflexion als Funktion der Dicke zu bewerkstelligen.
Die vorhergehende Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung diente der Darstellung und Beschreibung. Sie ist nicht ausführlich oder als die Erfindung aus das offenbarte Ausführungsbeispiel begrenzend zu verstehen. Dem Fachmann sind zahlreiche Modifikationen und Variationen ersichtlich. Es ist möglich, die Erfindung bei anderen Herstellungsverfahren in MOS- oder Bipolar-Prozessen zu verwenden. Jeder beschriebene Verfahrensschritt ist durch andere Schritte zur Erzielung des gleichen Resultats austauschbar. Das Ausführungsbeispiel wurde gewählt und beschrieben, um die Prinzipien der Erfindung und deren praktische Anwendung bestmöglich zu erläutern, so daß Fachleute in die Lage versetzt werden, die Erfindung in Zusammenhang mit für eine bestimmte beabsichtigte Verwendung geeigneten verschiedenen Ausführungsbeispielen und verschiedenen Modifikationen zu verstehen.

Claims

1. Verfahren zum Vorbereiten einer Wafer-Oberfläche (12) in einer integrierten Schaltungsstruktur zum Strukturieren durch photolithographische Verfahren, bei dem die Wafer- Oberfläche (12) eine Oberfläche aus hochreflektierendem Aluminium oder Titan ist und die Oberfläche vor dem Bilden einer Photoresist-Schicht (14) über der Oberfläche mit einem Antireflex-Film (16) beschichtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Antireflex-Film (16) aus Titannitrid besteht und das Titannitrid mit einer Dicke zwischen 30 und 50 nm bei einer Aluminiumoberfläche und zwischen 15 und 35 nm bei einer Titanoberfläche aufgebracht wird, wobei die Menge an von der Oberfläche reflektiertem Licht auf weniger als ungefähr 5% der einfallenden Strahlung verringert wird.

2. Verfahren zum Strukturieren einer Wafer-Oberfläche in einer integrierten Schaltungsstruktur, bei dem die Wafer- Oberfläche (12) eine Oberfläche aus hochreflektierendem Metall ist und die Oberfläche vor dem Bilden einer Photoresist-Schicht (14) über der Oberfläche und dem Belichten nicht maskierter Bereiche (22) des Photoresists mit optischer Strahlung (18) mit einer vorbestimmten Wellenlänge mit einem Antireflex-Film (16) beschichtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Antireflex-Film (16) aus Titannitrid besteht, die Metalloberfläche (12) aus Aluminium oder Titan besteht, und das Titannitrid mit einer Dicke zwischen 30 und 50 nm bei einer Aluminiumoberfläche und zwischen 15 und 35 nm bei einer Titanoberfläche aufgebracht wird, und die Wellenlänge der optischen Strahlung (18) zu der Dicke des Titannitrids im folgenden Verhältnis steht: Wellenlänge Metalloberfläche TiN-Dickenbereich

3. Verfahren nach Anspruch 2, ferner gekennzeichnet durch das Entfernen der belichteten Bereiche (22) des Photoresists (14), um die darunterliegenden Bereiche der Titannitridschicht (16) freizulegen, das Entfernen der freigelegten Bereiche der Titannitridschicht, um darunterliegende Bereiche der Metalloberfläche (12) freizulegen, das Entfernen der freigelegten Bereiche der Metallschicht, um eine strukturierte Metallschicht zu bilden, und das anschließende Entfernen der verbleibenden Bereiche des Photoresists und das Entfernen entweder der verbleibenden Bereiche der Titannitridschicht oder, wenn die Metalloberfläche aus Aluminium besteht, das Beibehalten der verbleibenden Bereiche der Titannitridschicht zur Vermeidung der Bildung von Ätzhügeln.