СПОСОБ СУХОЙ ЛИТОГРАФИИ Российский патент 1997 года по МПК H01L21/30 G03F7/26 

Изобретение относится к микролитографии как одной из важнейших стадий технологии микроэлектроники и предназначено для формирования резистных масок.

Известен способ жидкостной фотолитографии, включающий нанесение на подложку, например, с помощь, центрифуги слоя растворенного в жидкости фоторезиста, в частности, диазохинон-новолачного (ДХН), локальное экспонирование резиста ультрафиолетовым (УФ) излучением, жидкостное проявление маски путем селективного растворения экспонированных и неэкспонированных областей резиста в жидком проявителе [1] Достоинствами этого способа являются высокая производительность на стадии фотоэкспонирования, хорошая разрешающая способность (1 мкм и меньше) и достаточная плазмостойкость резиста, а его недостатком использование жидкостей на стадиях нанесения и проявления фоторезистора, т.к. при последующей сушке пленки резиста в ней образуются проколы, и кроме того, оседание микрочастиц-пылинок на влажную поверхность резиста также приводит к возникновению дефектов в изготавливаемой микросхеме. Для устранения этих нежелательных последствий приходится проводить такие фотолитографические процессы в технологических помещениях особо высокой чистоты, что требует значительных капитальных и эксплуатационных затрат.

Известен способ сухого термо-вакуумного (сублимационного) нанесения ДХН фоторезистора на подложку, включающий нанесение в вакуумной камере при давлении 10^-5 10^-4 торр диазохинонового (ДХ) фоточувствительного компонента (ФЧК) и одновременное нанесение полимерной основы новолачной (Н) смолы, достаточная летучесть которой в этом процессе обусловлена ее низкой (менее 1000) молекулярной массой [2]
Недостатком этого способа является недостаточная плазмостойкость резиста из-за низкой молекулярной массы полимерной основы и требование довольно высокого вакуума, который нельзя обеспечить форвакуумным насосом.

Наиболее близким к изобретению по совокупности признаков является способ литографии, включающий нанесение резиста на подложку, формирование в нем скрытого изображения путем локального экспонирования УФ или высокоэнергетичным излучением (рентгеновским, ЭЛ) и ПСО, в результате которых происходят химическое разложение и/или соединение молекул чувствительного слоя, силилирование резиста и плазменное проявление маски. [3]
Данный способ имеет те же основные признаки, что и предыдущие технические решения, а на стадии ПСО вместо термолиза ФЧК осуществляют его фотолиз в вакууме под действием УФ излучения. Другими отличительными признаками этого способа в его разновидностях являются проведение сначала локального УФ или ЭЛ экспонирования в вакууме, а затем, на стадии ПСО, сплошного УФ экспонирования на воздухе в присутствии паров воды, использование вместо новолака другой полимерной основы резиста (полигидроксистирол), не только позитивного (ДХ), но и негативного чувствительного материала (смесь меламина с хлорсодержащим триазином).

Недостатком также является наличие в нем стадии жидкостного нанесения резиста на подложку со всеми вытекающими отсюда негативными последствиями, упомянутыми выше.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в устранении указанного недостатка, т.е. в обеспечении возможности проведения всех стадий фотолитографического процесса, включая стадию нанесения фоторезиста (за исключением, может быть, стадии локального фотоэкспонирования резиста) сухими методами в вакуумируемых камерах небольшого объема, что позволит аппаратурно оформить такой процесс в виде систем типа CLUSTER TOOLS, уменьшить жесткость требований и стоимость затрат по поддержанию необходимого технологического климата в производственных помещениях предприятий микроэлектронной промышленности, снизить дефектность и себестоимость изделий, повысить выход годных и их надежность.

Технический результат достигается тем, что в способе литографии, включающем нанесение слоя резиста на подложку, формирование в нем скрытого изображения путем локального экспонирования УФ или высокоэнергетичным излучением и предсилиляционной обработки, в результате которых происходят химическое разложение и/или соединение чувствительного слоя, силилирование резиста и плазменное проявление маски, нанесение слоя резиста на подложку осуществляют сухим методом плазменной полимеризации в две стадии: сначала формируют достаточно толстый основной слой резиста непосредственно в плазме, а потом более тонкий чувствительный слой (ЧС) в зоне послесвечения плазмы.

В частных случаях предлагаемый способ может отличаться от известного также одним или несколькими из нижеперечисленных признаков, а именно, тем, что:
одним из компонентов для формирования основного слоя резиста является стирол,
одним из компонентов для формирования ЧС является акриловая кислота (АК),
другим компонентом для формирования ЧС является фторуглеродный мономер, например, декафторксилол (ДФК),
ЧС формируют путем соосаждения его полимерной основы и ФЧК, используемый в качестве ФЧК диазохинон перед осаждением на подложку предварительно испаряют термическим нагреванием в вакуумной камере, а затем в потоке газа-носителя транспортируют к подложке,
предсилиляционную обработку осуществляют путем вакуумного термолиза ФЧК,
после локального экспонирования резиста в присутствии паров воды последующее сплошное экспонирование УФ излучением в вакууме и силилирование резиста проводят при температуре подложки 20 70^oC.

Наличием в заявляемом способе отличительных от известного признаков, предписывающих формирование слоя резиста в две стадии, как это было изложено выше, обеспечивает возможность сухого нанесения резиста на подложку без разрушения ЧС под действием плазмы. Это в совокупности с другими отличительными признаками, касающимися структуры и состава резиста, условий ПСО и силилирования, позволяет затем провести селективно силилирование ЧС и последующее плазменное травление резиста, т.е. сухое проявление маски. Действительно, стирол обладает высокой плазмостойкостью во фтор- или хлорсодержащей плазме, что является необходимым требованием к резисту, этот материал хорошо полимеризуется в плазме, но может быть заменен другим компонентом, например, ММА или использован в сополимере с ним. Возможность силилирования ЧС обусловлена наличием в нем АК (и/или, возможно, другого компонента, содержащего OH-, COOH-, NH-группы, способные к силилированию, например, гидроксистирола). Химическое разложение и/или соединение молекул ЧС на стадиях локального экспонирования и/или ПСО делает последующее силилирование селективным в экспонированных и неэкспонированных областях. В данном способе в качестве ФЧК может быть использован не только позитивный ДХ, но и негативные чувствительные материалы, например, диазиды. Кроме того, полиакриловая кислота (ПАЗ) и без добавления ФЧК является чувствительным материалом к ЭЛ и рентгеновскому экспонированию. Использование ДФК (или другого фторуглеродного компонента, например, перфторбензола) улучшает ЧС, предотвращая кристаллизацию ПАК, изменяет кинетический характер процесса силилирования и повышает его селективность.

Сущность изобретения поясняется следующими иллюстрациями.

На фиг. 1 представлена схема литографического процесса.

На фиг. 2, 3 даны зависимости относительной интенсивности. Ряд позиций А-Е изображает последовательные стадии этого процесса: А нанесение на подложку 1 основного слоя 2 резиста в плазме, например, ВЧ разряда в аргоне, Б нанесение чувствительного слоя 3 резиста в зоне послесвечения плазмы, отделенной от последней экраном 4, путем одновременного соосаждения полимерной основы и ФЧК, В локальное (т.е. через шаблон 5) экспонирование резиста УФ-излучением в присутствии водяных паров воздуха, в экспонированных областях при этом происходит разложение ФЧК, взаимодействие продуктов этой реакции с парами воды, что способствует последующему силилированию этих областей, Г-предсилиляционная обработка резиста путем вакуумного фотолиза под действием УФ-излучения (второе, сплошное экспонирование в вакууме), при этом происходит "сшивка" продуктов фотолиза ФЧК с полимерной основой ЧС, препятствует последующему силилированию и повышает его селективность. Д силилирование резиста, например, парами ГМДС, при этом глубина силилированного слоя 6 в первоначально (на стадии В) экспонированных и неэкспонированных областях и вместе с ней степень плазмостойкости к травлению в кислородной плазме оказываются различными, Е проявление маски с кислородной плазме, при этом на поверхности резиста из силилированного слоя с достаточным содержанием кремния образуется слой 6 диоксида кремния, препятствующий травлению нижележащего слоя полимера.

На фиг. 2 и 3 представлены зависимости относительной интенсивности 1 поглощения ИК-излучения в полосе V_sic 840 см^-1 (пропорциональной массосодержанию кремния в резисте) от времени силилирования t, полученные методом инфракрасной спектроскопии. На фиг. 2 приведены данные для ЧС, представляющего композицию из ППАК, ПП-стирола и ДХ в качестве ФЧК (см. пример 1). ПСО термическая выдержка в вакууме при температуре Т_псо в течение времени t_псо, силилирование при температуре Т_сил. УФ экспонирование резиста ртутной лампой ( 300-500 нм) на воздухе проводилось с заведомо большой дозой, при которой практически весь ДХ оказывался разложенным:
8 Т_псо Т_сил 50^oC, t_псо 2 мин, экспонированный резист,
9 то же для неэкспонированного резиста,
10- Т_псо Т_сил 90^oC, t_псо 2 мин, экспонированный резист,
11 то же для неэкспонированного резиста.

Очевидно, в случаях 8 и 9 селективности силилирования полностью экспонированных и совершенно неэкспонированных областей резиста нет, а в случаях 10 и 11 селективность наблюдается: скорости в начале процесса, где 1 возрастет пропорционально t, отличаются в 2,5 3 раза.

На фиг. 3 представлены данные для другой композиции ЧС, включающей ППАК, ППДФК, и ДХ (см. пример 3). ПСО вакуумный фотолиз ДХ под действием УФ излучения ртутной лампы, в результате которого практически весь ДХ в первоначально неэкспонированных областях резиста разлагается:
11 Т_псо Т_сил 50^oC, экспонированный резист,
12 то же для неэкспонированного резиста.

Очевидно, для этой композиции ЧС имеют место другая кинетика процесса силилирования и значительно большая его селективность: в начале процесса 1 увеличивается пропорционально t², а скорости отличаются примерно в 15 раз.

Возможность осуществления изобретения при наличии в совокупности всех его существенных признаков подтверждается следующими примерами.

Пример 1
На кремниевую подложку путем полимеризации стирола в аргоновой плазме ВЧ-разряда, как показано на фиг.1 А, нанесли слой полистирола толщиной примерно 1 мкм в качестве основного слоя резиста. Затем поверх этого слоя путем сополимеризации АК со стиролом в качестве полимерной основы и одновременного осаждения ДХ в качестве ФЧК в зоне послесвечения аргоновой плазмы, как показано на фиг.1 Б, сформировали ЧС резиста толщиной 0,2 мкм. При этом соотношение массосодержаний компонентов в ЧС приблизительно было m_АК m_{стирола} m_ДХ 25 40 35. Последующим локальным УФ- экспонированием через фотошаблон, как показано на фиг.1 В, и ПСО путем выдержки в вакууме (P 10 Па) при Т_псо Т_сил 50^oC в течение t_псо 2 мин в ЧС резиста сформировали и модифицировали скрытое изображение рисунка шаблона. Затем в ту же вакуумную камеру, где делалась ПСО, напускали пары ГМДС (фиг. 1 Г и Д) при давлении P 2000 Па и проводили силилирование резиста в течение 30 с или 3 мин. Наконец пластину с резистом помещали в ВЧ-диодный реактор травления для проявления резистной маски в кислородной плазме (фиг. 1 Е). Контроль процессов нанесения резиста на подложку и его плазменного травления в неэкспонированных областях осуществлялся с помощью лазерного интерферометра.

В результате на образце, силилированном в течение 30 с, маску проявить не удалось, чего и следовало ожидать, т.к. согласно данным 8 и 9 (фиг. 2) в этом случае силилирование не было селективным, и к моменту его окончания массосодержание кремния в экспонированных и неэкспонированных областях резиста было одинаковым. На образце, силилированном в течение 3 мин до насыщения (данные 10 и 11 на фиг. 2), массосодержание кремния в тех же областях оказалось немного (на 20%) различным из-за различия в них концентраций OH-групп. Увеличение их количества в экспонированных областях обословлено химическими реакциями, протекающими при экспонировании в присутствии молекул воды. Поэтому на этом образце маска проявилась, но из-за малого различия в массосодержании кремния, а, значит, и недостаточной селективности травления резиста, его остаточная толщина оказалась менее 0,2 мкм, чего недостаточно для травления нижележащего слоя.

Пример 2
С теми же материалами проводились все те же действия, что и в примере 1, за исключением того, что на стадиях ПСО и силилирования подложку поддерживали при температуре T_псо Т_сил 90^oC. В этом процессе маску удалось приявить и после полуминутного силилирования резиста. Это объясняется тем, что при более высокой температуре происходят более эффективно сначала термолиз ФЧК, а затем сшивка ЧС. В результате силилирование становится селективным, как это видно по данным 10 и 11 (фиг.2), к моменту окончания силилирования массосодержание кремния в экспонированных и неэкспонированных областях различно, и плазменное травление резиста при проявлении маски также оказывается селективным. Однако этой селективности недостаточно, и поэтому остаточная толщина резиста, как и в предыдущем примере, мала.

Пример 3
Выполнялись те же действия и с теми материалами, что и в примерах 1 и 2, но при формировании ЧС вместо стирола использовали ДФК в приблизительной пропорции m_АК m_ДФК: m_ДХ 20 50 30, на стадии ПСО в вакууме при Т_псо Т_сил 50^oC проводили сплошное УФ облучение резиста ртутной лампой до практически полного фотолиза ДХ в первоначально неэкспонированных областях. После силилирования в течение 2 3 мин, и плазменного проявления получались маски резиста толщиной около 1 мкм с разрешенными деталями рисунка до 2 мкм.

Возможность достижения указанного положительного результата объясняется, в частности, и тем, что использование компонента ДФК (в сополимере с АК) для формирования ЧС улучшает последний, предотвращая кристаллизацию ПАК, и ДХ, изменяет кинетический характер процесса силилирования и повышает его селективность, как видно из данных 12 и 13.

Использование: микролитография. Сущность изобретения: способ заключается в том, что наносят слой резиста на подложку, формируют в нем скрытое изображение путем экспонирования. Нанесение слоя резиста на подложку осуществляют сухим методом плазменной полимеризации в две стадии, сначала формируют основной слой резиста непосредственно в плазме, а потом чувствительный слой - в зоне послесвечения плазмы. 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ сухой литографии, включающий нанесение слоя резиста на подложку, формирование в нем скрытого изображения путем локального экспонирования УФ или высокоэнергетичным излучением и предсилиляционной обработки, в результате которых происходят химическое разложение и/или соединение молекул чувствительного слоя, силилирование резиста и плазменное проявление маски, отличающийся тем, что нанесение слоя резиста на подложку осуществляют сухим методом плазменной полимеризации в две стадии, сначала формируют основной слой резиста непосредственно в плазме, а потом чувствительный слой в зоне послесвечения плазмы. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что одним из компонентов для формирования основного слоя резиста является стирол. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что одним из компонентов для формирования чувствительного слоя является акриловая кислота. 4. Способ по п. З, отличающийся тем, что другим компонентом для формирования чувствительного слоя является фторуглеродный мономер декафторксилол. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что чувствительный слой формируют путем соосаждения его полимерной основы и фоточувствительного компонента. 6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что используемый в качестве фоточувствительного компонента диазохинон перед осаждением на подложку предварительно испаряют термическим нагреванием в вакуумной камере, а затем в потоке газа-носитепя транспортируют к подложке. 7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что предсилиляционную обработку осуществляют путем вакуумного термолиза фоточувствительного компонента. 8. Способ по п. 4 или 6, отличающийся тем, что после локального экспонирования резиста в присутствии паров воды последующее сплошное экспонирование УФ излучением в вакууме и силилирование резиста проводят при температуре подложки 20 70^oС.