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Physikalisch-Technische Bundesanstalt

FachabteilungenAbt. 5 Fertigungsmesstechnik5.2 Dimensionelle Nanometrologie5.22 Maskenmesstechnik > Masken in der Lithografie
Maskenmesstechnik
Arbeitsgruppe 5.22

Masken in der Lithografie

Die Halbleiterindustrie ist das bekannteste Beispiel für eine stetige Steigerung der Leistungsfähigkeit ihrer Produkte wie Mikroprozessoren oder Speicherbausteinen durch kontinuierliche Miniaturisierung der funktionalen Strukturen. Etwa alle 4-6 Jahre wurden die Breiten der kleinsten Strukturen in den integrierten Schaltkreisen durch bessere Herstellverfahren halbiert und somit eine Steigerung der Integrationsdichte und der Leistungsfähigkeit der Elektronik-Chips ermöglicht. Diese Entwicklung wird seit Jahrzehnten beobachtet und auch noch für die nächsten Jahre prognostiziert (ITRS, International Technology Roadmap for Semiconductors), zusätzliche Leistungssteigerungen werden durch Optimierungen der Materialeigenschaften relevanter Transistor-Komponenten erreicht. Im Jahr 2007 sind die industriell in Massenproduktion gefertigten kleinsten Strukturen in den Transistoren 65 nm „breit“ und erste Produkte mit 45 nm Strukturbreite kommen auf den Markt, die Massenproduktion von Bauelementen mit kritischen Strukturgrößen von nur noch 32 nm ist für 2013 avisiert.

Ein wesentlicher Schritt im Herstellungsprozess von integrierten Schaltkreisen stellt die lithografische Belichtung der auf einer Maske verkörperten Strukturen auf einer mit lichtempfindlichen Lack belegten Siliciumscheibe (Wafer) dar. Auf den Photomasken sind die zur Abbildung auf den Silicium-Wafer bestimmten Strukturmuster oftmals durch Chromstrukturen mit einer Dicke von etwa 70 nm verkörpert, als Substratmaterial wird synthetisches Quarzglas verwendet mit Kantenabmessungen von ca. 150 mm und einer Dicke von ca. 6 mm (6025 Maskenformat, siehe Bild).

Bild einer Photomaske, hier eines Strukturbreiten-Maskennormals der PTB (mit appliziertem Pellicle).

Bei der lithografischen Abbildung im sogenannten Wafer- Stepper (siehe Prinzipbild) wird die Maske mit kurzwelligem, intensiven DUV-Licht mit 193 nm Wellenlänge beleuchtet und die Strukturen der Maske werden durch ein qualitativ hochwertiges Lithografie-Objektiv im Maßstab 1:4 verkleinert auf den belackten Silicium-Wafer abgebildet. Die so belichtete Lackschicht lässt sich anschließend entwickeln und ablösen und stellt auf dem Wafer das verkleinerte Abbild der Strukturmuster der Photomaske für weitere Prozessschritte, wie z.B. Ätzen, Diffusion, etc. dar.

Prinzipbild der lithografischen Abbildung von Maskenstrukturen auf Siliciumscheiben im Wafer-Stepper.

Im lithografischen Herstellungsprozess werden in verschiedenen Belichtungsschritten 20 - 30 Masken zur Herstellung einer Integrierten Schaltung verwendet. Neben den Abbildungseigenschaften des Lithografie-Objektives sowie der Anordnung von Photomaske zum Wafer während des Belichtungsprozesses im Wafer-Stepper (Überdeckung) ist die Qualität der Strukturen auf der Photomaske entscheidend für die Güte der Integrierten Schaltung. Die in der dimensionellen Messtechnik primär interessierenden Messgrößen sind die Strukturbreite (Critical Dimension, CD) der Mikro- und Nanostrukturen, deren Positionsabweichung zueinander oder zu den Designdaten (Registration, Pattern placement) sowie die Struktur-Überdeckung (Overlay).

Prinzipdarstellung einer Anordnung von Strukturen auf einer Maske, betrachtet bei verschiedenen Vergrößerungen. Auf der Maske sind die Strukturbreiten und die Positionen der Strukturen zu charakterisieren. Die Tabelle zeigt die Anforderungen an die Überdeckungsgenauigkeit von projizierten Strukturen auf dem Wafer.

Die Erzielung immer kleinerer Strukturen im lithografische Herstellprozess zieht steigende Anforderungen an die Qualität der Strukturen auf den verwendeten Masken nach sich. Dies gilt sowohl für die geometrischen Parameter wie Strukturbreite, Kantenform, Kantenwinkel und Strukturposition wie auch für deren optische Eigenschaften, insbesondere bei den so genannten Phase schiebenden Masken (PSM). Außerdem gelten die steigenden Anforderungen an die Qualität der Maskenstrukturen sowohl für die zurzeit für die Fertigung von Integrierten Schaltkreisen mit kleinsten Strukturgrößen hauptsächlich verwendete 193 nm Transmissions-Lithografie als auch für die EUV-Lithografie, bei der Strahlung mit einer Wellenlänge von 13,5 nm im Vakuum zur Abbildung von Maskenstrukturen verwendet wird.

Die PTB entwickelt und betreibt verschiedene Messgeräte sowie auch Mess- und Auswerteverfahren, die für die Maskenmetrologie verwendet werden, auch in anderen Fachabteilungen und Arbeitsgruppen. In der AG 5.22 konzentrieren sich die Arbeiten auf die Strukturbreiten-Messtechnik mit elektronenoptischen (SEM) und rastersondenmikroskopischen (AFM) Verfahren sowie auf optische Messverfahren zur Strukturpositions- und Overlay-Messung auf Masken und Wafern.


© Physikalisch-Technische Bundesanstalt, letzte Änderung: 2010-03-25,  Seite drucken DruckansichtPDF-Export PDF