-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Analyse einer Gruppe von mindestens
zwei Masken für die Photolithographie, wobei jede der Masken
eine Teilstruktur einer Gesamtstruktur umfaßt, die im Lithographieprozeß in
eine Schicht eines Wafers eingeprägt werden soll, und die
Gesamtstruktur in die Schicht des Wafers eingeprägt wird,
indem nacheinander die Teilstrukturen eingeprägt werden.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Anordnung zur Analyse
einer solchen Gruppe von Masken.
-
Bei
der Herstellung von Halbleiterstrukturen, wie sie in der Computertechnologie
bei Prozessoren und in letzter Zeit zunehmend auch in wechselbaren Speichermedien
zum Einsatz kommen, geht die Entwicklung dahin, immer kleinere Strukturen
auf derselben Fläche zu erzeugen. Derzeit erhältliche
Computerchips bestehen in etwa aus dreißig verschiedenen, übereinanderliegenden
Schichten, die Größe der funktionellen Strukturen,
der sogenannten Features beträgt etwa 45 nm. Mit entsprechend
hoher Genauigkeit müssen die zur Herstellung dieser Features verwendeten
Photolithographiemasken hergestellt werden. Ein Wafer wird dabei
bis zu dreißig mal belichtet, für jede Schicht
wird jedoch eine andere Maske benötigt. Aus diesem Grund
ist es erforderlich, daß die Masken zum einen sehr genau
gefertigt sind und zum anderen sehr genau positioniert werden, so daß die
Schichten exakt aneinander ausgerichtet sind.
-
Zur
Erzeugung noch kleinerer Strukturen innerhalb einer einzigen einer
solchen Waferschicht sind in der letzten Zeit sogenannte Doppel-
bzw. Mehrfachbelichtungsverfahren entwickelt worden. Ihnen gemeinsam
ist, daß die in die Waferschicht einzuprägende
Gesamtstruktur in verschiedenen Teilstrukturen aufgeteilt wird,
und eine Gruppe von Masken erzeugt bzw. bereitgestellt wird, bei
der eine jede Maske der Gruppe eine Teilstruktur aufweist, die von den
Teilstrukturen von denen der anderen Masken verschieden ist. Zur
Erzeugung der Gesamtstruktur in der ausgewählten Waferschicht
muß diese daher nacheinander mit allen Masken, die unterschiedliche Teilstrukturen
aufweisen, belichtet werden, so daß sich im Endeffekt die
Gesamtstruktur, die ursprünglich im Maskendesign festgelegt
worden war, ergibt.
-
Je
nach gewünschter Auflösung reichen dabei bei entsprechendem
Design Doppelbelichtungen schon aus. Dabei unterschiedet man im
wesentlichen zwischen zwei verschienen Arten von Belichtung.
-
Bei
der eigentlichen Doppel- bzw. Mehrfachbelichtung wird der Photoresist,
d. h. der Photolack auf dem Wafer, mit zwei verschiedenen Masken zweimal
belichtet. Dieses Verfahren kommt insbesondere bei komplexeren Strukturen
zum Einsatz, bei welchen die Kombination spezieller Beleuchtungseinstellungen
Vorteile für den Kontrast des abbildenden Systems aufweist.
Bei der Verwendung zweier Masken kann beispielsweise eine Dipolbeleuchtung
vorgesehen sein, wobei die Dipolachsen bei den beiden Beleuchtungen
senkrecht aufeinander stehen. Bei diesem Verfahren läßt
sich die Auflösung durch Kontrasterhöhung verbessern,
was unter Umständen eine geringfügig höhere
Dichte der Strukturen erlaubt, große Veränderungen
in der Dichte der Strukturen lassen sich jedoch mit diesem Verfahren
nicht erreichen.
-
Ein
anderes Doppel- bzw. Mehrfachbelichtungsverfahren ist das sogenannte
Double Patterning. Auch bei diesem Verfahren wird die Schicht des Wafers
zweimal belichtet. Nach der ersten Belichtung wird jedoch der Photoresist/Photolack
entwickelt und der Wafer geätzt. Im Stand der Technik sind
verschiedene Verfahren für Double-Patterning bekannt und beispielsweise
in Proc. SPIE Vol. 6520, 65200H-1-7 (2007) und
in Proc. SPIE, Vol. 6520, 65201C-1-9 (2007) beschrieben.
Beispielsweise kann man nach der ersten Belichtung, Entwicklung
und Ätzung die herausragenden Strukturen an den Stellen,
an denen nicht belichtet wurde, mit sogenannten Spacern versehen,
bevor ein erneuter Überzug mit Photolack erfolgt. Eine
andere Möglichkeit besteht darin, den nicht belichteten
und nicht entwickelten Photolack zu härten, bevor ein zweiter Überzug
mit Photolack erfolgt. In diesem Fall muß der Wafer nach
der ersten Belichtung nicht geätzt werden. Eine weitere
Möglichkeit besteht darin, die Waferschicht dazu vor der Belichtung
und vor dem Auftragen des Photolacks mit einer Hartmaske zu überziehen.
Durch die auf die Belichtung folgende Entwicklung werden die belichteten
Stellen auf der Hartmaske freigelegt, diese werden dann geätzt
und die darunterliegenden Schichten des Wafers freigelegt. Anschließend
wird erneut Photolack aufgetragen und abermals belichtet, entwickelt
und geätzt. Verwendet man beispielsweise zwei Masken mit
linienförmigem Muster, wobei die Linien in beiden Masken
einen Abstand d zueinander aufweisen, so läßt
sich mit Hilfe des Double Patterning die doppelte Anzahl der Linien
in der Waferschicht erzeugen, mit einem Abstand von d/2, was auch
als Pitch Doubling bezeichnet wird. Ist schon die Herstellung einer
normalen Maske sehr aufwendig und kostenintensiv, so steigen Kosten
und Aufwand bei der Herstellung einer solchen Gruppe von Masken
weiter. Nicht nur hat man eine Vielzahl von Masken, bei der Belichtung
des Wafers muß außerdem darauf geachtet werden,
daß die Masken exakt auf einander ausgerichtet werden,
so daß bei der Überlagerung der Strukturen kein Überlagerungsfehler/Overlay-Fehler
entsteht. Der Overlay-Fehler ist dabei die Hauptfehlerquelle, die
auftreten kann, wenn zwei oder mehr Masken im Zusammenspiel auf
dem Scanner funktionieren sollen. Er setzt sich aus mehreren Beiträgen
zusammen, der dominierende Beitrag ist jedoch in der Regel der Overlay-Fehler
der Masken und der Overlay-Fehler des Photolithographiescanners.
Der Overlay-Fehler kann sich in der Gesamtbelichtung als Fehler
im Abstand zwischen den Strukturen und/oder als Fehler in der kritischen Dimension
bemerkbar machen. Außerdem können beim Auftrennen
des Maskendesigns kritische Bereiche entstehen, in denen bei der
Belichtung Konflikte entstehen können. Dies gilt beispielsweise
für Strukturen, die auf zwei Masken aufgeteilt sind, und
deren Kanten in der Gesamtstruktur aneinander stoßen.
-
Derzeit
werden solche Fehler bei Mehrfachbelichtungen nur durch die Analyse
von Testserien von Wafern erkannt. Zwar ist die Herstellung von
Wafern relativ kostengünstig, diese Vorgehensweise ist jedoch
sehr zeitaufwendig.
-
Andererseits
ist für die Analyse und Endkontrolle von Photomasken unter
lithographischen Bedingungen die Luftbildanalyse, beispielsweise
mit Hilfe des AIMS der Firma Carl Zeiss SMS GmbH, seit langem bekannt.
Dabei wird die Maske mit den gleichen Beleuchtungseinstellungen
und mit der gleichen Wellenlänge belichtet, wie sie später
bei der Photolithographie verwendet werden. Im Gegensatz zur Photolithographie,
wo die Maskenstruktur stark verkleinert auf dem Wafer abgebildet
wird, erzeugt man mit dem AIMS vergrößerte Luftbilder,
die auf eine Detektierungseinheit, beispielsweise eine CCD-Kamera
abgebildet, digitalisiert und gespeichert werden. Das Luftbild entspricht
somit dem Bild, was im Photolithographiescanner auf der Photolackschicht
erzeugt wird. Die Photolithographiemaske kann mit Hilfe des AIMS
auf korrektes lithographisches Verhalten untersucht werden, ohne
das teure Testserien belichtet werden müssen.
-
Bisher
ist jedoch eine Analyse nur einzelner Masken möglich. Mit
dem AIMS ist eine Untersuchung des Zusammenwirkens von zwei oder
mehr Masken einer Gruppe wie oben beschrieben nicht möglich,
weshalb eine Beurteilung von Defekten oder der korrekten kritischen
Dimension bei Masken für Doppelbelichtungsverfahren mit
einer Luftbildanalyse derzeit nicht möglich ist.
-
Aufgabe
der Erfindung ist es daher ein Verfahren zur Analyse einer Gruppe
von mindestens zwei Masken für die Photolithographie zu
entwickeln, mit dem dieses Problem gelöst wird.
-
Die
Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Analyse einer Gruppe von mindestens
zwei Masken für die Photolithographie, wobei jede der Masken eine
Teilstruktur einer Gesamtstruktur umfaßt, die im Lithographieprozeß in
einer Schicht eines Wafers eingeprägt werden soll und die Gesamtstruktur
in die Schicht des Wafers eingeprägt wird, in den nacheinander
die Teilstrukturen eingeprägt werden, gelöst, indem
ein erstes Luftbild einer ersten der mindestens zwei Masken aufgenommen,
digitalisiert und in einer Datenstruktur gespeichert wird, ein zweites
Luftbild einer zweiten der mindestens zwei Masken aufgenommen, digitalisiert
und einer Datenstruktur gespeichert wird, von erstem und zweitem
Luftbild ein Kombinationsbild erzeugt wird und das Kombinationsbild dargestellt
und/oder ausgewertet wird.
-
Je
nachdem wie erstes und zweites Luftbild zu einem Kombinationsbild
kombiniert werden, lassen sich die oben beschriebenen Doppel- bzw.
Mehrfachbelichtungsverfahren simulieren. Erfolgt die Aufnahme mit
einer CCD-Kamera, so weist diese in der Regel eine Matrix aus Pixeln
auf. Erstes und zweites Luftbild werden dann bevorzugt in Pixeln
aufgenommen. Als Datenstruktur verwendet man in diesem Fall bevorzugt
zweidimensionale Matrizen, die mindestens die Intensitätswerte
für jedes Pixel speichern. Ergänzend können
auch andere Werte in den Datenstrukturen, wie beispielsweise Polarisationszustände,
als weitere Daten abgelegt werden. Im einfachsten Fall handelt es
sich jedoch bei den Daten ausschließlich um die Intensitätswerte.
-
Erstes
und zweites Luftbild können dabei mit verschiedenen Beleuchtungseinstellungen,
wie beispielsweise mit zueinander orthogonalen Dipolbeleuchtungen,
aufgenommen werden. Selbstverständlich sind auch andere
Beleuchtungseinstellungen wie Quadrupolbeleuchtungen etc. verwendbar.
-
In
einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens werden
die Daten des ersten und zweiten Luftbildes, d. h. die Intensitätswerte,
pixelweise zum Kombinationsbild addiert. Auf diese Weise läßt
sich die oben beschriebene eigentliche Doppelbelichtung, bei der
mit zwei verschiedenen Masken ein und dieselbe Photolackschicht
auf einen Wafer zweimal belichtet wird, simulieren. Dieses Kombinationsbild
kann dann auf einem Bildschirm dargestellt werden, oder auch einer
semiautomatischen oder automatischen Auswertung beispielsweise in
bezug auf die kritische Dimension, unterzogen werden. Nach der Erzeugung
des Kombinationsbildes kann man auch einen weiteren Schritt gehen, und
die Daten des Kombinationsbildes mittels einer Photoresistsimulation
modifizieren. Eine einfache und daher zweckmäßige
Photoresistsimulation besteht darin, auf die Daten des Kombinationsbildes
in einem ersten Schritt eine Faltung mit einer Gaußfunktion
anzuwenden und in einem zweiten Schritt eine Schwellwertfunktion.
Die modifizierten Daten entsprechen dem Bild der belichteten und
entwickelten Photoresist-/Photolackschicht auf der Waferschicht.
In einem dritten Schritt läßt sich außerdem eine
weitere Funktion, die eine Ätzung simuliert, auf die modifizierten
Daten anwenden, so daß die weiter modifizierten Daten einer
in die Schicht des Wafers eingeprägten Struktur entsprechen.
Auf diese Weise erhält man das Bild des belichteten und
geätzten Wafers.
-
In
einer anderen Ausgestaltung der Erfindung werden die Daten des ersten
Luftbildes nach der Aufnahme mittels einer Photoresistsimulation modifiziert,
und das Kombinationsbild wird erzeugt, in dem die Daten des zweiten
Luftbildes mittels der Photoresistsimulation unter Berücksichtigung
der modifizierten Daten des ersten Luftbildes modifiziert werden.
Auf diese Weise läßt sich das sogenannte Double
Patterning simulieren. Die Daten des ersten Luftbildes bzw. die
aufgenommenen Intensitätswerte dienen als Eingangswerte
für die Photoresistsimulation. Bei der Photoresistsimulation
werden die Intensitätswerte des ersten Luftbildes beispielsweise
auf ein simuliertes System aus – von unten nach oben – einer
Waferschicht, einer Hartmaskenschicht sowie einer Photolackschicht
angewendet. Auch eine Simulation der anderen im Stand der Technik
bekannten und teilweise oben angesprochenen Double-Patterning-Verfahren
ist bei entsprechender Wahl der Parameter selbstverständlich
möglich. Das gewählte Beispiel der Verwendung
einer Hartmaskenschicht ist jedoch besonders eingängig,
so daß das Verfahren ausschließlich daran erläutert
wird. Der Einfachheit halber werden weitere – in der Realität
verwendete, aber in der Simulation nicht notwendige – Schichten,
wie eine BARC-Schicht (bottom antireflecting coating) oder ein Topcoating
auf dem Photolack im Falle der Lithographie mit Immersionsoptiken – bei
der Beschreibung ebenfalls nicht berücksichtigt. An den
Stellen, an denen das Luftbild eine hohe Intensität über
einen vorgegebenen Schwellwert aufweist, wird in der Photoresistsimulation
vom Schichtsystem der Photolack entfernt. Die modifizierten Daten
entsprechen einem entwickelten Photoresistbild auf der Schicht des
Wafers. In einem weiteren Schritt wird ein Ätzprozeß simuliert,
der selektiv nur die Hartmaskenschicht an den Stellen entfernt,
die bei der Simulierung des Entwicklungsprozesses freigelegt worden
sind. Die eingeätzte Struktur in die Hartmaskenschicht,
die die darunterliegende Waferschicht freilegt, erhält
man als Ausgangsdaten. Sie können in derselben Datenstruktur
wie das erste Luftbild gespeichert werden und die Daten darin überschreiben. Während
die Intensitätswerte des Luftbildes jedoch eine Vielzahl
verschiedener absoluter Werte annehmen können, reichen
als Ausgangsdaten nach der Photoresistsimulation, die hier im Falle
der Simulation des Double Patterning ausdrücklich auch
eine Ätzsimulation einschließt, ein Satz binärer
Daten aus, da die Hartmaskenschicht pixelweise entweder entfernt
wurde oder noch auf dem Wafer aufliegt. Die modifizierten Daten,
die man aus der Photoresistsimulation des ersten Luftbildes erhält,
entsprechen also diesem Datensatz aus vorzugsweise binären Daten.
-
In
gleicher Weise verfährt man mit den Daten des zweiten Luftbildes
und modifiziert diese ebenfalls mit einer Photoresistsimulation.
Dabei werden jedoch die modifizierten Daten des ersten Luftbildes,
d. h. die Ausgangsdaten der Photoresistsimulation, berücksichtigt,
in dem bei der Photoresistsimulation die Hartmaskenschicht an den
Stellen, die vorher belichtet, entwickelt und geätzt wurden,
bereits als entfernt angesetzt wird. Die Ausgangsdaten dieser zweiten Photoresistsimulation
unter Berücksichtung des Ergebnisses der ersten Photoresistsimulation
bilden dann das Kombinationsbild, welches der zweifach geätzten
Hartmaskenschicht auf dem Wafer entspricht. In einem ergänzenden
Schritt kann dann eine weitere Ätzung simuliert werden,
bei der die freigelegten Stellen des Wafers weggeätzt werden,
und die unter der Hartmaskenschicht befindlichen Stellen bestehen
bleiben. In der Realität verwendet man hierzu einen anderen Ätzprozeß.
Anschließend kann die stehengebliebene Hartmaskenschicht
entfernt werden. Diese Schritte sind jedoch in der Simulation nicht
unbedingt notwendig, da das Kombinationsbild bereits die Gesamtstruktur
in der Hartmaskenschicht enthält. Dieses Kombinationsbild
kann dann weiter analysiert werden.
-
Photoresistsimulatoren
sind kommerziell erhältlich, beispielsweise bei den Firmen
Solid E, Panaramics oder KLA Prolith. In einer besonders einfachen
Ausführung einer Photoresistsimulation wird auf die Daten
jedes der Luftbilder bei der Photoresistsimulation jedoch in einem
ersten Schritt eine Faltung mit einer Gauß-Funktion angewendet,
mit der die Intensitätsverteilung modifiziert wird. In
einem zweiten Schritt wird auf die erhaltenen Daten eine Schwellwertfunktion
angewendet, die der Entwicklung entspricht. Liegt der Wert oberhalb
der Schwelle, so wird entwickelt, liegt er unterhalb einer Schwelle,
so wird nicht entwickelt. In einem dritten Schritt wird eine weitere
Funktion, die eine Ätzung simuliert, angewendet, so daß die
modifizierten Daten einer in die Schicht des Wafers eingeprägten
Struktur entsprechen. Im Falle der Doppelbelichtung entspricht diese
Waferschicht jedoch zunächst einer Hartmaskenschicht, erst
zum Schluß wird in der Simulation die Hartmaskenschicht
entfernt und die in den Wafer eingeprägte Struktur bleibt übrig.
-
Da
der wesentliche neu hinzukommende Fehler bei Mehrfachbelichtungsverfahren
darin besteht, daß die Masken eventuell nicht genau aneinander
ausgerichtet sind, besteht ein wichtiger Teil der Auswertung darin,
den Overlay-Fehler bzw. seine Auswirkungen zu analysieren. In einer
besonders bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird daher nach
der Aufnahme und vor der Erzeugung des Kombinationsbildes auf die
Daten eines der beiden Luftbilder eine Verschiebefunktion angewendet,
die das eine der beiden Luftbilder lateral verschiebt. Mittels der
Verschiebung kann ein Overlay-Fehler simuliert werden, und es kann
analysiert werden, welche Overlay-Fehler maximal zulässig
sind, ohne daß die Gesamtstruktur beeinträchtigt
wird.
-
Selbstverständlich
ist es auch möglich, die Kombination der Aufnahme eines
Luftbildes mit anschließender Photoresistsimulation sowie Ätzungssimulation
auch auf andere Masken, die nicht für Mehrfach- sondern
für Einfachbelichtungsverfahren ausgelegt sind, anzuwenden.
Das Verfahren läßt sich also auch dahingehend
abwandeln, daß ein Luftbild einer Photolithographiemaske
aufgenommen, digitalisiert und in einer Datenstruktur gespeichert
wird und die Daten des Luftbildes mittels einer Photoresistsimulation
modifiziert werden. Gegenüber der bekannten Analyse ausschließlich
des Luftbildes bietet diese Vorgehensweise den Vorteil, daß man
eine bessere Beschreibung des Verhaltens der Maske bei der tatsächlichen
Lithographie erhält, wobei die Qualität der Beschreibung
selbstverständlich auch von der Qualität des Simulationsprogramms
abhängt. Während das Luftbild zur Photolithographiesimulation
nur den Beitrag der Maske an sich liefert, so liefert die Photoresistsimulation
den Beitrag zum Bild des Photoresists auf der Waferschicht.
-
In
einer einfachen Photoresistsimulation wird – analog zu
den weiter oben beschriebenen Fällen der Doppel- und Mehrfachbelichtung – auf
die Daten des Luftbildes in einem ersten Schritt eine Faltung mit einer
Gauß-Funktion angewendet wird und in einem zweiten Schritt
eine Schwellwertfunktion angewendet wird, so daß die modifizierten
Daten einem Photoresistbild auf der Schicht des Wafers entsprechen.
In einem dritten Schritt wird eine weitere Funktion, die eine Ätzung
simuliert, auf die modifizierten Daten angewendet, so daß die
weiter modifizierten Daten einer in die Schicht des Wafers eingeprägten
Struktur entsprechen.
-
Die
Aufgabe wird auch gelöst durch eine Anordnung zur Analyse
einer Gruppe von mindestens zwei Masken für die Photolithographie,
wobei jede der Masken eine Teilstruktur einer Gesamtstruktur umfaßt,
die im Lithographieprozeß in eine Schicht eines Wafers
eingeprägt werden soll, und die Gesamtstruktur in die Schicht
des Wafers eingeprägt wird, in dem nacheinander die Teilstrukturen
eingeprägt werden. Eine solche Anordnung ist insbesondere
zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens geeignet, sie umfaßt eine Einrichtung zur Aufnahme von
Luftbildern der Masken und eine Auswerteeinheit, wobei die Einrichtung
zur Erzeugung von Luftbildern der Masken so ausgestaltet ist, daß sie
ein erstes Luftbild einer ersten der mindestens zwei Masken aufnimmt,
digitalisiert und in einer Datenstruktur speichert, und ein zweites
Luftbild einer zweiten der mindestens zwei Masken aufnimmt, digitalisiert
und in einer Datenstruktur speichert. Die Auswerteeinheit ist so
ausgestaltet, daß sie aus den Daten der Luftbilder der
Masken ein Kombinationsbild erzeugt und dieses darstellt und/oder
auswertet.
-
Die
Einrichtung zur Auswertung der Luftbilder weist dabei bevorzugt
eine Maskenaufnahme auf, die eine Maske – im Falle von
einer Gruppe von mindestens zwei Masken, diese nacheinander – aufnimmt,
sie weist außerdem eine Beleuchtungseinrichtung auf, mit
der die Maske unter Bedingungen, wie sie bei der Photolithographie
vorliegen, beleuchtet wird. Dies beinhaltet insbesondere auch eine
Homogenisierung des Strahls, Licht einer Wellenlänge von
beispielsweise 193 nm, optische Mittel zur Ausleuchtung einer Beleuchtungspupille,
etc. Die Anordnung weist darüber hinaus eine Detektierungseinrichtung
auf, mit der ein Luftbild der Maske detektiert und digitalisiert
wird, sowie eine Abbildungsoptik, mit der ein Ausschnitt der Maske – vergrößert
oder verkleinert – auf die Detektierungseinrichtung abgebildet wird.
Bei entsprechender Vergrößerung kann auch die
ganze Maske auf einmal auf die Detektierungseinrichtung abgebildet
werden, um ein Übersichtsbild zu erhalten. In der Regel
wird die Maske jedoch ausschnittsweise abgebildet, aus den abgebildeten
Ausschnitten läßt sich das jeweilige Luftbild
zusammensetzen.
-
Zweckmäßig
ist die Maskenaufnahme dabei in einer Ebenen senkrecht zur optischen
Achse verfahrbar, so daß alle Ausschnitte der Maske bzw.
die Maske insgesamt der Abbildungsoptik zugänglich ist.
-
Die
Detektierungseinrichtung umfaßt vorzugsweise eine CCD-Kamera
zur Registrierung der Intensitäten, auch andere Detektierungseinrichtungen
wie Sensoren, die auf CMOS-Technologie basieren, sind einsetzbar.
Wesentlich ist, daß die Intensität des Lichts
registriert und in digitale Signale umgewandelt werden kann.
-
Da
eine Maske in der Regel ein Profil aufweist, welches sich in einer
Ausdehnung entlang der optischen Achse (z-Richtung) niederschlägt,
weist die Abbildungsoptik zweckmäßig ein entlang
der optischen Achse mittels eines Piezoantriebs verfahrbares Mikroskopobjektiv
auf, so daß eine Fokussierung auf alle Bereiche der Maske,
unabhängig von ihrer Höhe in bezug auf eine Referenzebene,
möglich ist. Ergänzend oder alternativ kann auch
die Maskenaufnahme in z-Richtung verfahrbar sein.
-
In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung nimmt die Einrichtung
zur Aufnahme von Luftbildern das erste und das zweite Luftbild mit
verschiedenen Beleuchtungseinstellungen auf. Die Beleuchtung kann
also variabel eingestellt werden. Insbesondere im einfachen Fall,
das die Doppelbelichtung ein und der selben Photolackschicht simuliert werden
soll, ist diese Einstellung vom Vorteil. Beispielsweise kann das
erste und das zweite Luftbild mit zueinander orthogonaler Dipolbeleuchtung
aufgenommen werden. Auch andere Beleuchtungseinstellungen wie Quadrupolbeleuchtungen
etc. sind selbstverständlich einsetzbar.
-
In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wendet die
Auswerteeinheit auf die Daten eines der beiden Luftbilder einer
Verschiebefunktion an, die das Luftbild lateral verschiebt. Dies
ist insbesondere bei der Untersuchung von Overlay-Fehlern bzw. einer
Untersuchung dahingehend, welcher Overlay-Fehler maximal möglich
ist, ohne die Gesamtstruktur zu beeinträchtigen, vorteilhaft.
Zweckmäßig detektiert die Detektierungseinrichtung
die Luftbilder dabei in Pixeln, die Anzahl der Pixel kann dabei
beispielsweise der sogenannten Pixelauflösung der CCD-Kamera
entsprechen.
-
In
einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Anordnung addiert die Auswerteeinheit die Daten der Luftbilder pixelweise
im Kombinationsbild. Im Zusammenspiel mit der Variation der Beleuchtungseinstellungen
entspricht dies der Simulation der einfachen doppelten Belichtung
ein und der selben Photolackschicht durch zwei Masken hindurch.
Die Auswerteeinheit kann außerdem mit einem Photoresistsimulator
ausgestaltet sein, der die Daten des Kombinationsbildes modifiziert
und eine Entwicklung mit folgender Ätzung simuliert. Im
Ergebnis entspricht das Kombinationsbild dann dem strukturierten
Wafer. In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist die Auswerteeinheit
mit einem Photoresistsimulator ausgestaltet, der die Daten des ersten
Luftbildes nach der Aufnahme modifiziert, wobei die Auswerteeinheit
das Kombinationsbild erzeugt, indem sie die Daten des zweiten Luftbildes
mittels des Photoresistsimulators unter Berücksichtigung der
modifizierten Daten des ersten Luftbildes modifiziert. Die Modifikation
der Daten erfolgt dabei entsprechend der oben für das erfindungsgemäße
Verfahren beschriebenen Schritte, als Kombinationsbild erhält
man die Waferschicht mit dem doppelt geätzten Hartmaskenüberzug,
wobei die folgende Ätzung des Wafers und die Entfernung
des Hartmaskenüberzugs in weiteren Schritten simuliert
werden kann. Die Anordnung kann bei entsprechender Einstellung der Parameter
des Photoresistsimulators auch für die Simulation anderer
im Stand der Technik genannter und in der Einleitung teilweise kurz
skizzierte Mehrfachbelichtungsverfahren verwendet werden. Das Double
Patterning unter Verwendung einer Hartmaskenschicht ist jedoch besonders
eingängig und wurde daher als Beispiel verwendet.
-
Es
versteht sich das die vorstehend genannten und die nachstehend noch
zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern
auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar
sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
-
Nachfolgend
wird die Erfindung beispielhaft anhand der beigefügten
Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale offenbaren,
noch näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine
Anordnung zur Analyse einer Gruppe von mindestens zwei Masken,
-
2a bis 2c die
grundsätzliche Vorgehensweise bei der zweifachen Belichtung
einer Photolackschicht auf einem Wafer mit zwei verschiedenen Masken,
-
3a bis 3c Intensitätsprofile
passend zu den Strukturen aus 2,
-
4a bis 4d das
Prinzip der doppelten Belichtung beim Double Patterning, und
-
5a bis 5i den
Verfahrensablauf bei der Erzeugung eines Kombinationsbildes bei
der Simulation des Double-Patterning-Verfahrens.
-
In 1 ist
zunächst eine Anordnung gezeigt, mit der eine Gruppe von
mindestens zwei Masken für die Photolithographie untersucht
werden kann, wobei jede der Masken eine Teilstruktur einer Gesamtstruktur
umfaßt, die im Lithographieprozeß in eine Schicht
eines Wafers eingeprägt werden soll, und die Gesamtstruktur
in jede Schicht der Wafers eingeprägt wird, indem nacheinander
die Teilstrukturen eingeprägt werden. Die Anordnung weist
zunächst eine Einrichtung zur Aufnahme von Luftbildern
der Masken auf. Diese umfaßt eine Beleuchtungseinrichtung 1 mit
einer Laserlichtquelle von beispielsweise 193 nm, Mittel zur Strahlhomogenisierung
sowie Mittel, mit denen die Beleuchtungseinstellung variiert werden
kann, so daß beispielsweise zwischen verschiedenen Einstellungen
für die Probenbeleuchtung hin- und hergeschaltet werden
kann. Sie umfaßt weiterhin eine Maskenaufnahme 2,
die eine Photolithographiemaske aufnimmt. Dabei werden die Photolithographiemasken
nacheinander in die Maskenaufnahme 2 eingelegt und es werden
Luftbilder erzeugt. Die Photolithographiemaske selbst ist nicht dargestellt.
Mit der Beleuchtungseinrichtung 1 wird die Photolithographiemaske
unter den gleichen Bedingungen wie bei der Photolithographie beleuchtet. Mittels
einer Abbildungsoptik 3 wird die Photolithographiemaske
auf eine Detektierungseinrichtung abgebildet, die unter anderem
eine CCD-Kamera 4 umfaßt. Mit der Detektierungseinrichtung
wird ein Luftbild der Maske detektiert und digitalisiert. Die Daten werden
dann an eine Auswerteeinheit 5 übermittelt, wo
sie zunächst in Datenstrukturen gespeichert werden. Die
Einrichtung zur Erzeugung der Luftbilder der Masken nimmt zunächst
ein erstes Luftbild einer ersten der mindestens zwei Masken auf,
digitalisiert dieses und übermittelt es an die Auswerteeinheit,
wo es in einer Datenstruktur gespeichert wird, dann nimmt sie ein
zweites Luftbild einer zweiten der mindestens zwei Masken auf, digitalisiert
dieses ebenfalls und übermittelt es an die Auswerteeinheit 5,
wo es ebenfalls in einer Datenstruktur gespeichert wird. Die Auswerteeinheit 5 erzeugt
anschließend aus den Daten der Luftbilder der Masken ein
Kombinationsbild. Auch eine graphische Darstellung des Kombinationsbildes
ist möglich.
-
Die
Maskenaufnahme 2 kann in einer Ebene senkrecht zur optischen
Achse verfahren werden, so daß verschiedene Positionen
auf der Maske angefahren werden können. Die Abbildungsoptik 3 weist ein
entlang der optischen Achse mittels eines Piezo-Antriebes verfahrbares
Mikroskopobjektiv auf, so daß eine Anpassung an unterschiedliche
Höhen auf der Maske möglich ist. Die Beleuchtungseinrichtung 1 kann
dabei so ausgestaltet sein, daß das erste und zweite Luftbild
mit verschiedenen Beleuchtungseinstellungen aufgenommen werden,
beispielsweise mit zueinander orthogonalen Dipolbeleuchtungen. Auch andere
Beleuchtungsarten wie Quadrupolbeleuchtung oder einfache Beleuchtung
sind möglich, und eine Verallgemeinerung von zwei auf mehr
Masken – d. h. bei einer Aufteilung des Maskendesigns auf
N Masken die Aufnahme von N Luftbildern und Erzeugung eines Kombinationsbildes
aus all diesen Luftbildern – ist ebenfalls ohne weiteres
möglich. Die Auswerteeinheit 5 kann auf die Daten
der Luftbilder eine Verschiebefunktion anwenden, die beispielsweise
eines der beiden Luftbilder relativ zum anderen in der Ebene senkrecht
zur optischen Achse verschiebt. Auf diese Weise lassen sich an den
Luftbildern die Auswirkungen von Overlay-Fehlern analysieren, auch
die Bestimmung eines maximal erlaubten Overlay-Fehlers, der die
Gesamtstruktur nicht beeinträchtigt, ist möglich.
-
Die
gezeigte Anordnung läßt sich sowohl für die
Analyse von Mehrfachbelichtungen derselben Photolackschicht als
auch für die Analyse von Mehrfachbelichtungen nach dem
Double-Patterning-Verfahren einsetzen, wie im folgenden näher
ausgeführt werden soll. In den 2a bis 2c ist zunächst anhand eines einfachen
Beispiels der Ablauf einer Doppelbelichtung derselben Photolackschicht
dargestellt. In den 3a bis 3c sind die zugehörigen Luftbilder
und das von der Auswerteeinheit 5 erzeugte Kombinationsbild
im Schnitt entlang der in den 2a bis 2c gestrichelt gezeichneten Linie entsprechend
dargestellt.
-
In 2a ist eine erste Maske mit einer horizontalen
Struktur 6 dargestellt. Für einen hohen Kontrast
bietet sich in diesem Fall eine vertikale Dipolbeleuchtung, senkrecht
zur Ausdehnung der Struktur, an. Dies ist durch den großen
Kreis mit den darin enthaltenden zwei kleinen Kreisen unterhalb
der Maske in 2a dargestellt. Es ergibt
sich die Intensitätsverteilung des in 3a im
Schnitt dargestellten Luftbilds. In 2b ist
die zweite Maske mit einer vertikalen Struktur 7 dargestellt.
Die entsprechende Beleuchtungseinstellung mit einer zur ersten Beleuchtungseinstellung
orthogonalen Dipolbeleuchtung ist darunter dargestellt, in 3b die Intensitätsverteilung
im zugehörigen Luftbild. Die Belichtung mit beiden Teilstrukturen
aus 2a und 2b ergibt
die in 2c dargestellte Gesamtstruktur.
Entsprechend erhält man das in 3c dargestellte
Kombinationsbild aus einer pixelweisen Addition der Luftbilder der 3a und 3b.
Selbstverständlich lassen sich auch andere Strukturen und
andere Beleuchtungseinrichtungen verwenden, die Beleuchtungseinstellungen können
auch zwischen den verschiedenen Masken identisch sein.
-
Das
in 3c dargestellte Kombinationsbild wird
dann mittels bekannter Methoden automatisch in der Auswerteeinheit
und/oder manuell ausgewertet. Insbesondere kann zu einem der beiden
Luftbilder vor der Erzeugung des Kombinationsbildes eine Verschiebung
hinzufügt werden, die beispielsweise dazu führt,
daß die Intensitätserhebung in 3b nach
links rückt. Das in 3c dargestellte
Kombinationsbild kann außerdem mit Hilfe eines Photoresistsimulators
modifiziert werden. Das bedeutet, daß die Daten des Kombinationsbildes
dem Photoresistsimulator als Eingangsdaten dienen, auf diesen Datensatz
mehrere Funktionen angewendet werden und ein Ausgangsdatensatz erzeugt
wird, der einem Bild der tatsächlich zu erzeugenden Waferstruktur
entspricht.
-
Ein
solcher Photoresistsimulator besteht im einfachsten Fall darin,
die Intensitätsverteilung des Luftbildes, wie sie auf der
Oberfläche des Photolacks durch Belichtung mit der Maske
erzeugt würde, zunächst mit einer Gauß-Funktion
zu falten. Dies entspricht der Simulation der Diffusion von aktivierten Photolackmolekülen.
Anschließend wird auf die Daten eine Schwellenfunktion
angewendet, die die eigentliche Entwicklung simuliert. Liegen die
Intensitäten oberhalb einer vorgegebenen Schwelle, so wird an
dieser Stelle entwickelt, liegt die Intensität unterhalb
der vorgegebenen Schwelle, so bleibt der Photolack auf der Waferschicht
stehen. In einem weiteren Schritt kann dann eine Ätzsimulation
erfolgen, bei der von der Oberfläche der freigelegten Waferschicht Material
abgetragen wird.
-
Auf
diese Weise läßt sich das Zusammenwirken beider
Masken bei der Doppelbelichtung einer Waferschicht analysieren und
ermöglicht die Untersuchung wichtiger Prozeßparameter,
wie beispielsweise der kritischen Dimension, oder von Defekten.
-
Mit
der oben beschriebenen Anordnung läßt sich auch
die Mehrfachbelichtung und das Zusammenwirken mehrerer Masken bei
Double-Patterning-Verfahren beurteilen. In den 4a bis 4d ist die prinzipielle Vorgehensweise
zur Erzeugung dichter Strukturen auf einem Wafer mittels des Double-Patterning-Verfahrens
dargestellt. In den 5a bis 5i ist die Vorgehensweise bei der Erzeugung
des Kombinationsbildes dargestellt.
-
In 4a ist zunächst eine erste Maske
mit drei vertikalen Strukturen in einem Abstand d zueinander dargestellt.
Beleuchtet wird beispielsweise mittels senkrecht zur Längsausdehnung
der Strukturen orientierter Dipolbeleuchtung wie im Bild unten angedeutet.
In einem ersten Schritt wird nun eine Photolackschicht, die sich
auf einem Wafer, der wiederum mit einer Hartmaskenschicht überzogen
ist, durch die Maske hindurch beleuchtet, die Maske wird auf die Photolackschicht
abgebildet. Anschließend erfolgt eine Entwicklung und Ätzung,
es ergibt sich daß in 4b dargestellt
Bild. Aufgrund der Dipolbeleuchtung weisen die Strukturen in horizontaler
Richtung eine hohen Kontrast auf, in vertikaler Richtung jedoch nicht,
was zu den abgerundeten Ecken führt. Der Wafer wird anschließend
mit einer neuen Schicht Photolack überzogen, anschließend
wird eine weitere Maske mit zwei vertikalen Strukturen, die sich
genau zwischen den vertikalen Strukturen der ersten Maske befinden,
verwendet um den Photolack abermals zu belichten. Dies ist in 4c dargestellt. Die bei der Belichtung
mit der ersten Maske erzeugten Strukturen werden von der Photolackschicht
verdeckt und sind daher nur gestrichelt eingezeichnet. Im letzten Schritt
findet schließlich eine Entwicklung und abermalige Ätzung
statt, es ergibt sich das in 4d dargestellte
Bild. Die Struktur auf dem Wafer besteht nun aus Linien mit einem
Abstand von d/2 zueinander, die Auflösung wurde gegenüber
der Verwendung einer einzigen Maske effektiv verdoppelt.
-
In 5 ist
die Vorgehensweise bei der Simulation einer solchen Double-Patterning-Belichtung dargestellt,
wieder am Beispiel der Verwendung einer Hartmaskenschicht. Zunächst
wird ein erstes Luftbild der ersten Maske aufgenommen, digitalisiert
und in einer Datenstruktur gespeichert. Diese Daten entsprechen
annähernd einer stetig differenzierbaren Intensitätsverteilung,
wie sie in 5a ganz oben dargestellt
ist. Die Daten werden dann mittels einer Photoresistsimulation modifiziert,
im einfachsten Fall also mit einer Gauß-Funktion gefaltet,
wobei auf die sich ergebenden Daten eine Schwellwertfunktion angewendet
wird. Man erhält auf diese Weise die in der Mitte dargestellte
Stufenfunktion. Dort, wo die Maske lichtdurchlässig ist,
liegt hohe Intensität vor, und dort liegt auch das Zentrum
einer solchen Stufe. Die in der Mitte von 5a dargestellte
Stufenfunktion bzw. Werteverteilung wird dann auf ein Schichtsystem,
wie es im unteren Teil von 5a dargestellt
ist, angewendet. Das Schichtsystem besteht aus einer Waferschicht 8,
auf die eine Hartmaskenschicht 9 aufgebracht ist. Auf der
Hartmaskenschicht 9 befindet sich eine Photolackschicht 10.
-
Der
nächste Schritt der Photoresistsimulation besteht nun darin,
den Photolack an denjenigen Stellen der Photolackschicht 10 zu
entfernen, an denen die Stufenfunktion, die im ersten Schritt der
Simulation erhalten wurde, von Null verschieden ist. Als Ergebnis
erhält man das in 5b dargestellte
Bild. An den Stellen, an denen der Photolack belichtet wurde, wurde
er durch Entwicklung entfernt und die darunter liegende Hartmaskenschicht 9 teilweise
freigelegt. In einem nächsten Schritt wird eine Ätzung
simuliert, diese entfernt die Hartmaskenschicht 9 an den
freigelegten Stellen. Auf diese Weise erhält man durch
die Modifikation der Daten des ersten Luftbildes ein simuliertes
Bild des Wafers, wie es sich nach der Belichtung der ersten Maske
ergeben würde. Die sich ergebende Struktur nach Entfernung
des Photolacks ist in 5d dargestellt.
-
Anschließend
wird ein Luftbild der zweiten Maske aufgenommen. Die sich ergebende
Intensitätsverteilung, die in der Datenstruktur gespeichert wird,
ist in einem Schnitt oben in 5e dargestellt. Diese
Daten des zweiten Luftbildes werden wiederum im Rahmen einer Photoresistsimulation
modifiziert, nach Faltung mit einer Gauß-Funktion und Anwendung
einer Schwellwertfunktion erhält man die im mittleren Teil
von 5e dargestellte Stufenfunktion. Diese
wird im nächsten Schritt der Photoresistsimulation auf
eine Photolackschicht 11 angewendet. Die Photolackschicht 11 wurde
dabei – virtuell – auf die Struktur aufgebracht,
die sich anhand der Modifikation der Daten des ersten Luftbildes
bei der Photoresistsimulation ergeben hatte, wie im unteren Teil
von 5e dargestellt. Als Ergebnis erhält
man das in 5f dargestellte Bild, der
Photolack wird an den Stellen, an denen die modifizierte Intensitätsverteilung
Stufen aufweist, entfernt und die Hartmaskenschicht 9 freigelegt.
Im nächsten Schritt, der in 5g dargestellt
ist, wird die freigelegte Hartmaskenschicht 9 wiederum
durch Ätzen entfernt, anschließend kann durch
Spülen die stehengebliebene Photolackschicht 11 entfernt
werden und es ergibt sich das in 5h gezeigte
Bild. In einem letzten Schritt kann schließlich die Ätzung
in den Wafer selbst simuliert werden und die Hartmaskenschicht 9 entfernt
werden. Das Ergebnis ist in 5i dargestellt.
Die in 5h bzw. 5i dargestellte
Stufenstruktur entspricht dem Kombinationsbild. Dieses kann dann
mit bekannten Methoden oder manuell weiter analysiert werden. Insbesondere
kann – vor der Simulation – einem der beiden Luftbilder
auch ein Overlay-Fehler aufgeprägt werden, d. h. eine Verschiebung
in der x-y-Ebene senkrecht zur optischen Achse. Auf diese Weise
kann beispielsweise der maximal zulässige Overlay-Fehler
ermittelt werden, ohne das die Gesamtstruktur beeinflußt
wird. Dies ist beispielsweise dann wichtig, wenn man nicht, wie
im beispielhaft gezeigten Fall, nur parallele Linien in eine Waferschicht
einprägen will, sondern komplexere Strukturen, wobei bei
korrekter Belichtung eine mit der ersten Maske erzeugten Struktur
nahtlos in eine mit der zweiten Maske erzeugten Struktur übergehen soll.
Zwar versucht man bei der Aufteilung des Maskendesigns solche kritischen
Bereiche zu vermeiden, dies ist jedoch nicht immer möglich.
Durch die Simulation eines Overlay-Fehlers läßt
sich das Verhalten an den kritischen Bereichen genauer analysieren,
es lassen sich auf diese Weise auch maximale Toleranzen festlegen.
-
Mit
der oben beschriebenen Anordnung und dem oben beschriebenen Verfahren
ist es möglich, das für Doppelbelichtungsverfahren
auf verschiedene Masken aufgeteilte Maskendesign durch die Kombination
von Luftbildern mit oder ohne Modifikation zu beurteilen und erstmals
auch das Zusammenwirken der Masken bei der Erzeugung der Gesamtstruktur auf
einem Wafer basierend auf einer Simulation zu beurteilen. Auf diese
Weise ist es möglich, auf kostspielige Testserien in der
Waferproduktion zur Überprüfung der Maskenqualität
zu verzichten.
-
- 1
- Beleuchtungseinrichtung
- 2
- Maskenaufnahme
- 3
- Abbildungsoptik
- 4
- CCD-Kamera
- 5
- Auswerteeinheit
- 6
- horizontale
Struktur
- 7
- vertikale
Struktur
- 8
- Waferschicht
- 9
- Hartmaskenschicht
- 10
- Photolackschicht
- 11
- Photolackschicht
- d
- Abstand
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - Proc. SPIE
Vol. 6520, 65200H-1-7 (2007) [0006]
- - Proc. SPIE, Vol. 6520, 65201C-1-9 (2007) [0006]