Mesoscopic Simulation of Photoresist Processing in Optical Lithography

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2008-02-25
Issue Year
2007
Authors
Schnattinger, Thomas
Editor
Abstract

The reduction of semiconductor device dimensions necessitates, amongst other things, a reduction in linewidth fluctuation of the individual device components. The achievement of specified tolerances for future technology is an as yet unsolved problem for mass manufacture. The impact of many process and material parameters on resulting linewidth fluctuation is known experimentally, but no models yet exist that allow a sufficiently accurate prediction of linewidth fluctuation. In this thesis, new models for the mesoscopic (i.e., discrete and stochastic) simulation of photoresist patterning in optical lithography have been developed and implemented. It has been proven that modeling of the Poisson distributed num ber of photons (so called shot noise) is unnecessary. This implies, contrary to common believe in literature, that the average number of photons absorbed during photoresist exposure has no direct impact on linewidth fluctuation. The new photoresist post-exposure bake simulation algorithm reduces the required computing time and memory resources when compared with the standard approach for mesoscopic simulation of reaction and diffusion processes. The new algorithm for the subsequent photoresist development simulation combines an overlap-free description of the photoresist polymers with calibrated development rates. This enables quantitative match of the average profile linewidth predicted by mesoscopic models with established macroscopic models and experimental data for the first time. Profile data obtained from mesoscopic simu lations requires additional post-processing in order to carry out an automated evaluation. An efficient algorithm has been developed for the unambiguous determination of the surface position of the developed photoresist. The new models have been used to analyze the impact of process and photoresist material properties on linewidth fluctuation. Comparisons with experimental data from literature show a very good agreement.

Abstract

Die Verkleinerung von Halbleiterbauelementen erfordert u. a. eine Verringerung der Linienbreitenschwankungen einzelner Bestandteile. Das Erreichen der für zukünftige Technologien spezifizierten Toleranzen ist ein für die Massenproduktion noch ungelöstes Problem. Aus Experimenten ist der Einfluss zahlreicher Prozess- und Materialeigenschaften auf die resultierenden Linienbreitenschwankungen bekannt. Allerdings existieren noch keine Modelle, die eine zufriedenstellende Vorhersage der Linienbreitenschwankungen erlauben. In dieser Arbeit wurden neue Modelle für die mesoskopische (d.h. diskrete und stochastische) Simulation der Photolackstrukturierung in der optischen Lithographie entwickelt und implementiert. Es wurde bewiesen, dass eine Modellierung der Poissonverteilung der Photonen (sog. shot noise) nicht notwendig ist. Entgegen der in der Literatur verbreiteten Ansicht konnte damit gezeigt werden, dass die durchschnittlich bei der Belichtung absorbierte Photonenanzahl keinen unmittelbaren Einfluss auf die Linienbreitenschwankungen hat. Bei der Simulation des nachfolgenden Ausheizens nach der Belichtung konnten der Speicherbedarf und die Rechenzeit gegenüber dem Standardverfahren für mesoskopische Reaktions- und Diffusionssimulation verringert werden. Zur Simulation der anschlieÿenden Photolackentwicklung wurde ein neuer Algorithmus entwickelt, der eine überlappungsfreie Darstellung der Polymere im Photolack mit kalibrierten Entwicklungsraten kombiniert. Damit konnte erstmals eine quantitative Übereinstimmung der mittleren Photolackprolabmessungen von mesoskopischen Modellen und etablieren makroskopischen Modellen bzw. experimentellen Daten erzielt werden. Die mit mesoskopischen Modellen simulierten Profildaten erfordern noch eine Nachbearbeitung, um eine automatische Auswertung zu ermöglichen. Dazu wurde ein effizienter Algorithmus entwickelt und implementiert um die Position der Oberfläche des entwickelten Photolacks zu bestimmen. Mit den neuen Modellen wurde der Einfluss von Prozess- und Photolackeigenschaften auf die Linienbreitenschwankungen untersucht. Dabei ergab sich eine sehr gute Übereinstimmung mit experimentellen Daten aus der Literatur.

DOI
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