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Modellierungsinfrastruktur für die Elektronenstrahllithographie

01.12.2013

Im Rahmen des MNPQ-Projektes ModELitho wird ein Softwaretool zur Simulation der Elektronenstreuung im Festkörper für die Elektronenstrahllithographie weiterentwickelt, um 3D-Proximity-Effekte sowie Aufladungseffekte mit dem Ziel zu untersuchen, Gerätekomponenten und Belichtungsstrategien der Elektronenstrahllithographie zu optimieren.


Die Fertigung von Halbleiterbauelementen und integrierten Schaltkreisen ist in den letzten Jahrzehnten von einer exponentiellen Verkleinerung und Verdichtung der gefertigten Strukturen geprägt, dem sogenannten „Mooreschen Gesetz“. Die Anforderungen an die Fertigung, Messtechnik (Metrologie) und Qualitätssicherung werden dabei in der International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) festgelegt. Aktuell beschäftigt sich die Industrie wie auch Forschung und Entwicklung mit dem 22 nm Technologieknoten und darunter, das heißt die kleinsten zu fertigenden Strukturen in diesen Technologien haben Abmessungen von 22 nm und kleiner.
Im Vorlauf der Einführung eines neuen Technologieknotens kommt der Elektronenstrahllithographie eine entscheidende Bedeutung zu, da sie – ohne den Zwischenschritt über photolithographische Masken – zur Herstellung von Prototypen (Device-Learning), bei kleinen Stückzahlen und für Sonderanwendungen bei der Implementierung eines Technologieknotens eingesetzt wird. Darüber hinaus ist die Strukturierung von photolithographischen Masken für die Volumenproduktion ein wichtiges Aufgabenfeld der Elektronenstrahllithographie.
Insbesondere im Vorlauf werden schon heute extrem hohe Anforderungen zukünftiger Technologieknoten an die Elektronenstrahllithographie gestellt, die an die Grenzen des physikalisch Machbaren stoßen. Daher nimmt die physikalische Modellierung der gesamten lithographischen Prozesskette eine Schlüsselposition ein, da nur so die notwendige Optimierung erreicht werden kann. Charakterisierendes Merkmal ist hierbei die Strukturgröße der zu fertigenden Strukturen, die auch als „Critical Dimension“ (CD) bezeichnet wird. Ein Ziel ist es, den CD-Offset, also die Abweichung vom Design, deutlich über den gegenwärtigen Stand der Technik hinaus zu verringern.

Das Projekt
Das Projekt „Modellierungsinfrastruktur für die Elektronenstrahllithographie“ befasst sich deshalb mit der gemeinsamen Modellierung und Optimierung des Lithographieprozesses (Wechselwirkung des Elektronenstrahls mit dem Substrat), des Elektronenstrahlschreibers (Einfluss von Gerätekomponenten auf den Schreibprozess) und der CD-Metrologie (Abbildung und Bewertung der geschriebenen Strukturen mit dem Raster-Elektronenmikroskop). Dadurch wird ein geschlossener Optimierungs-Kreislauf erzeugt: Die Optimierung der Gerätekomponenten und des Schreibprozesses wirkt sich auf die geschriebenen Strukturen aus; eine Optimierung der Strukturmessung wiederum ist Grundlage einer noch genaueren Optimierung des Lithographieprozesses. Kernstück der physikalischen Modellierung sind Monte-Carlo Simulationsrechnungen, mit denen der Elektronentransport im Festkörper und damit verbunden der Energieübertrag auf den Photolack (engl. Resist) simuliert werden. Die Abbildung von Strukturen im Raster-Elektronenmikroskop zur Bestimmung der Strukturgröße (CD-Metrologie) wird ebenfalls mit der Monte-Carlo Methode modelliert. Das in der PTB entwickelte Simulationsprogramm MCSEM wird als Grundlage dieser Simulationsaufgaben verwendet.

Das Projekt ist in drei Teilbereiche gegliedert:

a) Modellierung des Lithographieprozesses („Proximity-Effekte“)
Hierbei wird untersucht, welchen Einfluss sogenannte „Proximity-Effekte“ d.h. Effekte in der näheren Umgebung des schreibenden Elektronenstrahls, auf die CD-getreue Übertragung der Strukturen haben (Bild 1). Zu diesen Effekten zählen die dreidimensionale Vorstrukturierung des Substrats, die elektrische Aufladung des Materials und die thermischen Effekte durch den Beschuss mit Elektronen. Die Beschreibung und Quantifizierung dieser Effekte bildet eine entscheidende Grundlage für die zwingend erforderlichen Belichtungskorrekturen sowie optimierte Belichtungsabläufe, um die extrem hohen Anforderungen zukünftiger Technologieknoten erfüllen zu können.

Bild 1: Links: Simulationsbeispiel für den Proximity-Effekt: Ein Elektronenstrahl belichtet den Photolack (PMMA) über einer Grenzschicht von Silizium und Kupfer. Rechts: Dargestellt ist die Energieverteilung einer solchen Elektroneneinstrahlung. Kupfer streut die Elektronen stärker zurück als Silizium. Daher werden auch mehr Elektronen im darüber liegenden PMMA absorbiert was zu einer stärkeren Resist-Entwicklung führt.

b) Optimierung von Gerätekomponenten
Hierbei werden Modelle zur Optimierung der Elektronenstrahl-Lithographieanlage bzw. ihrer Komponenten entwickelt, z.B. die Unterdrückung von diffusen Elektronen-Rückstreuungen (engl. „Fogging-Effect“). Nur durch geeignete Simulationen der Gerätekomponenten ist es möglich, den stetig wachsenden Anforderungen an die Elektronenstrahllithographie nachzukommen.

c) CD-Metrologie
Auf der Grundlage von simulierten Resist-Topographien (d.h. den entwickelten Photolack-Strukturen) werden Abbildungen und Strukturbreite-Messungen im CD-Raster-Elektronenmikroskop (engl. CD scanning electron microscope (CD-SEM)) modelliert (Bild 2). Damit kann eine Bibliothek simulierter CD-SEM-Abbildungen von verschiedenen Strukturen (z.B. korrekt entwickelte Strukturen, über- bzw. unterbelichtete Strukturen) angelegt werden, mit denen real gemessene Strukturen verglichen und charakterisiert werden können. Da in den simulierten CD-SEM-Bildern die Strukturgröße exakt bekannt ist, kann außerdem die Leistungsfähigkeit von CD-Auswertealgorithmen getestet werden.

Zusammengefasst kann man sagen, dass die Modellierung der CD-Metrologie ein exakteres Feedback zu möglichen Optimierungen von Belichtungsabläufen, Proximity-Korrekturen und Gerätekomponenten erlaubt. Zum anderen ermöglicht diese Simulation eine Vorhersage des Belichtungsergebnisses an kritischen Punkten der zu belichtenden Strukturen. Damit können die Korrekturen und Abläufe bereits im Vorfeld der Belichtung optimiert werden, was zu einer entscheidenden Verbesserung des Zeit- und Materialeinsatzes führt.

Bild 2: Links: Topographiemodell einer entwickelten Photolackstruktur mit drei Linienstrukturen. Rechts: CD-SEM Abbildung der Struktur, simuliert mit dem SEM-Simulationsprogramm MCSEM der PTB.