DE102004044039A1

DE102004044039A1 - Verfahren zur Entwicklung und/oder Herstellung von Halbleiter-Chips

Info

Publication number: DE102004044039A1
Application number: DE200410044039
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr. Elian
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2004-09-09
Filing date: 2004-09-09
Publication date: 2006-04-13
Also published as: DE102004044039A9

Abstract

Die Erfindung betrifft erfindungsgemäß ein Verfahren zur Entwicklung und/oder Herstellung von Halbleiter-Chips mit den Schritten des Entwerfens der chipebenenspezifischen Photomaskenlayouts, der rechnergestützten simulatorischen Entwicklung der chipebenenspezifischen Lithographieprozesse mit Belichtungsoptimierung, Maskenoptimierung und Optimierung des Lithographieprozesses, des Durchführens von Lithographie-Versuchsreihen und des Herstellens des Halbleiter-Chips mit der Schaltung, wobei durch die Lithographie-Simulation für die chemische Reaktion wenigstens eines Säurefängers in Gegenwart einer bei der Lithographie katalytisch wirksamen Säure zu einem Produkt verschiedene Herstellungsparameter und Produkteigenschaften berechnet werden. DOLLAR A Dazu werden (a) eine resultierende räumliche Säureverteilung, (b) eine momentane Produktkonzentration bei Reaktion des Produktes mit im Resist enthaltenden und/oder den Resist umgebenden Reaktanden, (c) eine räumliche Inhibitormatrix für die frei verfügbare Säure mit reaktiven Gruppen eines Polymers (Inhibitor), (d) Resistprofile in Querschnittsform und (e) die Abmessungen der Resistprofile berechnet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entwicklung und/oder Herstellung von Halbleiter-Chips mit den Schritten des Entwerfens der chipebenenspezifischen Photomaskenlayouts, der rechnergestützten simulatorischen Entwicklung der chipebenenspezifischen Lithographieprozesse mit Belichtungsoptimierung, Maskenoptimierung und Optimierung des Lithographieprozesses, des Durchführens von Lithographie-Versuchsreihen und des Herstellens des Halbleiter-Chips mit der Schaltung, wobei durch die Lithographie-Simulation für die chemische Reaktion wenigstens eines Säurefängers in Gegenwart einer bei der Lithographie katalytisch wirksamen Säure zu einem Produkt verschiedene Werte berechnet werden.

Die Sparte der Halbleitertechnologie ist ein sich sehr schnell entwickelndes Gebiet, so dass Innovationen und Novitäten rasch und in kurzen Abständen in die Serienherstellung einfließen. Im weiteren Sinne verschmilzt die Entwicklung mit der Herstellung bei Halbleiter-Chips. Die Entwicklung bis zur Serienherstellung ist im wesentlichen in den oben genannten vier Schritten zu untergliedern. Dabei ist die Durchführung der Lithographie-Simulation der Schritt mit dem geringsten Kostenaufwand und dem geringsten Zeitaufwand.

In der Halbleiterentwicklung sowie Halbleiterherstellung werden computergestützte Simulationstechniken bereits seit vielen Jahren eingesetzt. Neben der Simulation elektrischer Eigenschaften der hergestellten Halbleiter-Chips, die dem Entwurf neuer Schaltkreise und kompletter Chip-Architekturen dienen, findet insbesondere auch in der Lithographie die computerge stützte Simulation immer breitere Anwendung.

Hauptziele der Lithographie-Simulation sind dabei die Voraussage, welche Belichtungstechniken für die Abbildung spezifischer Layouts, wie beispielsweise aktiver Elemente, bzw. einzelne Chipebenen, in den PHotoresists notwendig sind.

Weitere Ziele sind die Voraussage über die optischen Eigenschaften, wie beispielsweise Belichtungswellenlängen, Lichtquellengeometrien, Blendenöffnungen, Belichtungsfeldgeometrien, die zukünftige Belichtungsgeräte, wie beispielsweise Stepper oder Scanner, haben müssen, um die geplanten Layouts korrekt abbilden zu können; die Berechnung notwendiger Maskengeometrien sowie ggf. notwendiger Hilfsstrukturen, wie beispielsweise „assist features", OPC (optical proximity correction), sowie Maskenarten, wie beispielsweise konventionelle Chrom-auf-Glas-Masken, starke, schwache Phasenschiebermasken, die für die Abbildung spezifischer Chip-Ebenen notwendig sind; und die Berechnung der Interaktion zwischen Optik und Fotoresist, d.h. eine Voraussage, wie das optische Abbild im Fotoresist letztendlich in der entwickelten Resiststruktur aussieht.

Die Lithographie-Simulation soll eine Voraussage darüber bieten, wie sich unterschiedliche Photoresists bei Belichtung bzgl. optischer Auflösung, Prozessfenster, Abbildungstreue, wie z.B. Linearität, mask error enhancement factor (MEEF), isodensebias, verhalten und welcher Phoresist für die jeweilige Anwendung am nächsten liegt.

Ein üblicher Phoresist besteht aus im wesentlichen vier Komponenten, nämlich einem Lösungsmittel bzw. einem Lösungsmittelgemisch, einem filmbildenden funktionalen Polymer bzw. Polymergemisch, einem Phosäuregenerator (photo acid generator (PAG)) und einem Säurefänger (auch als Quencher bezeichnet), welcher beispielsweise ein basisches Additiv ist.

Die Durchführung verschiedener und zahlreicher Belichtungs versuche zur Ermittlung der für die Herstellung von Halbleiter-Strukturen mit der neu entwickelten Schaltung anzuwendenden Belichtungstechniken für die Abbildung spezifischer Layouts und zur Feststellung des abgebildeten Lichtbilds im Photoresist in der entwickelten Resiststruktur, insbesondere durch zeitweilige Blockierung der Produktionsgeräte, ist sehr zeit- und kostenintensiv. Damit ist eine möglichst genaue Angabe der zu verwendenden Belichtungstechnik und die Ergebnisvorhersage der später entwickelten Resiststruktur durch eine Lithographie-Simulation der Schaltung wünschenswert.

Es sind verschiedene Verfahren zur Lithographie-Simulation bekannt. Häufig eingesetzt wird zur Lithographie-Simulation ein Verfahren namens „PROLITH" von KLA Tencor (USA) oder ein Lithographie-Simulations-Verfahren „SOLID" von Sigma-C (München) sowie eine Vielzahl von häufig an Universitäten entwickelten Lithographie-Simulations-Verfahren, welche oft auch als Shareware erhältlich sind.

Sämtliche optisch-physikalischen Effekte, wie beispielsweise die Abbildung des Linsensystems, die Lichtquellengeometrieeffekte, die Linsenaberrationen, sind gut und zuverlässig errechenbar und können somit durch die Lithographie-Simulation nach dem Stand der Technik präzise simuliert werden.

Dem gegenüber können die im Photoresist ablaufenden physikalisch-chemischen Prozesse nur näherungsweise berechnet werden. Es existieren dazu unterschiedliche Simulationsmodelle, die von einfachen Näherungen bis hin zu komplexen Ansätzen reichen. In den komplexen Simulationsmodellen werden explizite Kinetik- und Diffusionsmechanismen in die Simulation mit einbezogen. Grundlage sämtlicher und insbesondere komplexer Simulationsmodelle sind bekannte Mechanismen, welche auf den aus Lehrbüchern bekannten Mechanismen für ideale Prozesse fußen. Die Annahme idealer Zustände und Prozesse im Photore sist ist jedoch unzutreffend und bietet daher eine große Fehlerquelle.

Ferner können derzeit viele Prozesse noch nicht analytisch, d.h. unter Verwendung exakt definierter Gleichungen, gerechnet werden und müssen daher numerisch gelöst werden. Insbesondere ist eine exakte analytische Beschreibung von Diffusionsmechanismen in dem Medium des Photoresists als Differentialfunktionen nicht bekannt.

Die geringe Detaildichte in der Beschreibung und Berechnung des chemischen Verhaltens des Photoresists in der Lithographie-Simulation wirkt sich direkt auf die Sicherheit des Simulationsergebnisses aus. Die Abweichung des Simulationsergebnisses vom tatsächlich erhaltenen realen Belichtungsergebnis ist in der Regel unakzeptabel hoch. Somit müssen unter Verwendung der Produktionsgeräte sehr viele Lithographie-Versuchsreihen durchgeführt werden.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, ein Verfahren zur Entwicklung und/oder Herstellung von Halbleiterchips zu schaffen, mit dem der Prozess der Entwicklung und Herstellung von Halbleiter-Chips hinsichtlich der Kosten und des Zeitaufwands deutlich verbessert wird.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Entwicklung und/oder Herstellung von Halbleiter-Chips mit den Schritten des Entwerfens der chipebenenspezifischen Photomaskenlayouts, einer rechnergestützten simulatorischen Entwicklung der chipebenenspezifischen Lithographieprozesse mit Belichtungsoptimierung, Maskenoptimierung und Optimierung des Lithographieprozesses, sowie des Durchführens von Lithographie-Versuchsreihen und des Herstellens des Halbleiter-Chips gelöst.

Dabei wird durch die Lithographie-Simulation für die chemi sche Reaktion wenigstens eines Säurefängers in Gegenwart einer bei der Lithographie katalytisch wirksamen Säure zu einem Produkt berechnet:

(a) eine resultierende räumliche Säureverteilung, (b) eine momentane Produktkonzentration bei Reaktion des Produktes mit im Resist enthaltenen und/oder den Resist umgebenden Reaktanden,
(c) eine räumliche Inhibitormatrix für die frei verfügbare Säure mit reaktiven Gruppen eines Polymers (Inhibitor),
(d) Resistprofile in Querschnittsform und
(e) die Abmessungen der Resistprofile berechnet werden.

In einem chemisch verstärkten Photoresist mit einem Lösungsmittel bzw. Lösungsmittelgemisch, einem filmbildenden funktionalen Polymer bzw. Polymergemisch, einem Photosäuregenerator und einem Säurefänger kommen dem zugesetzten Säurefänger zwei Funktionen zu. Einerseits fungiert der Säurefänger der Verbesserung des Resistkontrastes. Dies geschieht dadurch, dass der Säurefänger die Säure, welche von den belichteten in die unbelichteten Bereiche diffundiert, abfängt. Somit wird der örtliche Säurekonzentrationsgradient erhöht. Andererseits dient der Säurefänger als Säurepuffer. Der Säurefänger reduziert die sogenannte Standzeitproblematik (airborne contamination, T-Topping, etc.). Dabei wird durch Fremdeinwirkung, wie beispielsweise Luftverunreinigung oder Ausgasung, unerwünscht weggefangene Säure aus einem vorher gebildeten Säure-Fänger-Komplex wieder freigesetzt. Dadurch wird gegenwirkend der örtliche Säurekonzentrationsgradient wiederum erniedrigt.

Bei der durchgeführten Belichtung eines Photoresists 1 auf einem Substrat 2, beispielsweise durch eine Photomaske 3, wird im belichteten Bereich der PAG (photo acid generator) gespalten und die Säure gebildet. Während des Post Exposure Bakes (PEB) kann die – bewegliche – Säure auf Grund des gegebenen Konzentrationsgradienten und auf Grund der hohen thermi schen Anregungsenergie in die unbelichteten Bereiche diffundieren (diffundierter Bereich 4), was zu einer „Bildverschmierung" führt (1a, b). Dieser unerwünschte Effekt der „Bildverschmierung" wird durch das Zusetzen einer geringen Menge, beispielsweise etwa 10–25 %, bezogen auf den Resist-PAG-Gehalt, eines basischen Säurefängers verringert. Der Säurefänger fängt die Säure ab. Dies erfolgt über den gesamten belichteten und unbelichteten Resistfilm. Da nur wenig Säurefänger zugesetzt wird, fängt dieser im belichteten Bereich nur einen geringen Teil an Säure ab. Im unbelichteten Bereich können sämtliche hinein-diffundierenden Säuren abgefangen werden. Dies führt zu einer Kontrastverbesserung des Resists, der diffundierte Bereich 4 ist wesentlich schmaler (2a, b).

Durch den Säurefänger wird auch zunächst eine gewisse Säuremenge weggefangen und dadurch deaktiviert. Die Reaktivierung erfolgt im Sinne einer Bindung, nicht einer Zersetzung. Auf diesen Fall ist der klassische Fall einer chemischen Säure-Base-Gleichgewichtsreaktion anzuwenden. Der Säurefänger ist daher primär ein Säurespeicher. Allerdings wird das Gleichgewicht durch Diffusion unerwünschter basischer Verunreinigungen, die z.B. aus der Luft in den Photolack eindringen und Protonen abfangen, gestört. Das ursprüngliche Säure-Säurefänger-Gleichgewicht verschiebt sich. Daraus resultierend wird die Säure vom Säurefänger wieder freigesetzt.

Die erfindungsgemäße Lithographie-Simulation berücksichtigt dieses chemische Verhalten und berechnet sämtliche Zustände und Zustandskonzentrationen sowie Abreaktionen des Produktes. Es werden die Querschnitte von belichteten und entwickelten Photoresiststrukturen chemisch verstärkter Lacke (CAR) in einem mikrolithographischen Prozess simuliert, indem (a) mit Hilfe von festzulegenden Eingangsparametern die aus der Belichtung resultierende räumliche Säureverteilung berechnet wird; (b) die möglichen Reaktion der gebildeten Säure mit allen anderen entweder im Resist enthaltenen oder den Resist um gebenden (Substrat, Atmosphäre) Reaktanden ebenfalls simulatorisch beschrieben werden; (c) die freie zur Verfügung stehende Säure, die mit den reaktiven Gruppen des Polymers (Inhibitor) reagieren kann, ebenfalls rechnerisch durch eine räumliche Inhibitormatrix beschrieben; (d) ein abschließender Entwicklungsschritt simuliert wird, der die zu erwartenden Resistprofile in Form eines Querschnittes darstellt und (e) die simulatorisch erhaltenen Resistprofile rechnerisch weiter bzgl. Linienbreite, Kantenwinkel, etc ausmisst.

In dem Verfahren ist es vorteilhaft, dass die chemische Reaktion eine Gleichgewichtsreaktion ist und die momentanen Konzentrationen der Reaktionsteilnehmer berechnet werden. Besonders vorteilhaft ist, dass die Konzentration („[ ]") der Säure nach der Reaktion gemäß der Gleichung errechnet wird: [Säure nach der Reaktion] = [Säure vor der Reaktion] – [Säurefänger]· [Säure vor der Reaktion]· Gleichgewichtskonstante K.

Das bedeutet, dass die Stoffmenge der Säure nach der Reaktion, nämlich einer Neutralisation, der Stoffmenge an Säure vor der Reaktion abzüglich der Stoffmenge der von dem Säurefänger abgefangenen Säure im Säure-Base-Gleichgewicht entspricht. Die Säurekonzentration und Säureverteilung vor der Reaktion ergibt sich aus vorher durchgeführten Rechnungen im Zusammenhang mit der Lithographie-Simulation. Die Menge bzw. Konzentration des Säurefängers kann frei wählbar vorgegeben werden. Auch die Gleichgewichtskonstante K wird vorgegeben oder kann in einer globalen Näherung in der Simulation in Form einer Konstante fest vorgegeben sein.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform folgt die chemische Reaktion der Gleichung

und die Gleichgewichtskonstante errechnet sich nach der Gleichung:

Der reale Zustand wird durch eine Reaktionsgleichung im Gleichgewicht und die Zustandbeschreibungen aus dem Massenwirkungsgesetz und der chemischen Reaktionskinetik angenähert. Die Voraussetzungen zur Anwendung der theoretischen Beschreibung für das reale Verhalten sind im wesentlichen in dem realen Resist gegeben.

Ferner werden auch die Grenzbereiche der Reaktion realitätsnah abgebildet. Für den Fall eines T-Toppings im belichteten Bereich ist die Konzentration der Säure ([H⁺]) viel größer als die Konzentration des Säurefängers ([Säurefänger]). Somit wird bei Erniedrigung der Protonenkonzentration ([H⁺]) die Konzentration des Produktes ([H-Säurefänger⁺]) herabgesetzt, da das Produkt wieder Protonen, d.h. Säure, freisetzt und die Säurefängerkonzentration ([Säurefänger]) erhöht. Die Gleichgewichtskonstante K bleibt dabei unverändert. Für den Fall der Säurediffusion in den unbelichteten Bereich ist die Konzentration der Säure ([H⁺]) viel geringer als die Konzentration des Säurefängers ([Säurefänger]). Somit wird bei erhöhter Protonenkonzentration ([H⁺]) die Konzentration des Produktes ([H-Säurefänger⁺]) erhöht, und die Säurefängerkonzentration ([Säurefänger]) wird verringert. Die Gleichgewichtskonstante K bleibt dabei ebenfalls unverändert.

Durch die Erfindung wird ein erheblicher Zeitvorteil erreicht, da eine Waferbelackung (Aufbringen des Photoresists), Belichtung und Vermessung effektiv mindestens 5 Stunden dauert, wohingegen eine erfindungsgemäße Simulation des gleichen Experiments etwa 15 Minuten dauert. Wenn durch das wesentlich genauere erfindungsgemäße 10 praktische Testwaferbelichtungen eingespart werden können, ergibt das eine Zeiteinsparung für einen Entwicklungs-Teil-Prozess von fast 50 Stunden.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
1a: einen Photoresist ohne Säurefänger (Quencher) nach der Belichtung;
1b: den Photoresist nach 1a während des PEB;
2a: einen Photoresist mit Säurefänger (Quencher) nach der Belichtung; und
2b: den Photoresist nach 2a während es PEB.
Die Entwicklung bzw. die Herstellung eines Halbleiter-Chips mit verbesserten Eigenschaften verläuft nach einem Verfahren in im wesentlichen vier Schritten, nämlich des Entwerfens der chipebenenspezifischen Photomaskenlayouts, der rechnergestützten simulatorischen Entwicklung der chipebenenspezifischen Lithographieprozesse mit Belichtungsoptimierung, Maskenoptimierung und Optimierung des Lithographieprozesses, des Durchführens von Lithographie-Versuchsreihen und des Herstellens des Halbleiter-Chips.
Da die Durchführung von Versuchsreihen zeit- und kostenaufwändig ist, wird die Fertigung durch das erfindungsgemäße Verfahren vereinfacht und die Fertigungsbedingungen so präzise wie möglich durch die Durchführung einer Simulation theoretisch angenähert.
Dazu wird zunächst ein latentes Säurebild des Photoresists erstellt. Danach wird eine konstante Quencherkonzentration von 20% bezogen auf den PAG Anteil im Resist vorgegeben und die Säurediffusion errechnet. Unter Anwendung der Gleichung: [Säure nach der Reaktion] = [Säure vor der Reaktion] – [Säurefänger]·[Säure vor der Reaktion]·Gleichgewichtskonstante K,mit [ ] = chemische Konzentrationen,
wird auf Grundlage einer Säure-Säurefänger-Neutralisations-Reaktion die tatsächliche Säurekonzentration berechnet. Die Konzentration der Säure nach Neutralisation entspricht der Menge an Säure vor der Neutralisation, abzüglich dem was im Säure-Base-Gleichgewicht vom Quencher weggefangen wird.
Aus dem Vergleich der zugehörigen 1a, b bzw. 2a, b ist das durch die Neutralisation veränderte Säurekonzentrationsprofil im Resist ersichtlich. Durch die Lithographie-Simulation für die Neutralisation wird (a) die resultierende räumliche Säureverteilung, (b) die momentane Produktkonzentration bei Reaktion des Produktes mit im Resist enthaltenden und/oder den Resist umgebenden Reaktanden, (c) die räumliche Inhibitormatrix für die frei verfügbare Säure mit reaktiven Gruppen eines Polymers (Inhibitor), (d) Resistprofile in Querschnittsform und (e) die Abmessungen der Resistprofile berechnet.
Auf Grundlage dieser Berechnungen werden Belichtungsversuchsreihen unter den ermittelten Bedingungen und unter Anwendung der ermittelten Techniken mittels der Produktionsgeräte durchgeführt. Nach verschiedenen Überprüfungen erfolgt dann die Herstellung der Halbleiter-Chips.

Claims

Verfahren zur Entwicklung und/oder Herstellung von Halbleiter-Chips umfassend die Schritte: – Entwerfen der chipebenenspezifischen Photomaskenlayouts, – rechnergestützte simulatorische Entwicklung der chipebenenspezifischen Lithographieprozesse mit Belichtungsoptimierung, Maskenoptimierung und Optimierung des Lithographieprozesses, – Durchführen von Lithographie-Versuchsreihen und – Herstellen des Halbleiter-Chips, wobei durch die Lithographie-Simulation für die chemische Reaktion wenigstens eines Säurefängers in Gegenwart einer bei der Lithographie katalytisch wirksamen Säure zu einem Produkt – eine resultierenden räumlichen Säureverteilung, – eine momentane Produktkonzentration bei Reaktion des Produktes mit im Resist enthaltenden und/oder den Resist umgebenden Reaktanden, – eine räumliche Inhibitormatrix für die fei verfügbare Säure mit reaktiven Gruppen eines Polymers (inhibitor), – Resistprofile in Querschnittsform und – die Abmessungen der Resistprofile berechnet werden.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die chemische Reaktion eine Gleichgewichtsreaktion ist und die momentanen Konzentrationen der Reaktionsteilnehmer berechnet werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration ([]) der Säure nach der Reaktion errechnet wird nach der Gleichung [Säure nach der Reaktion] = [Säure vor der Reaktion] – [Säurefänger]·[Säure vor der Reaktion]·Gleichgewichtskonstante K.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die chemische Reaktion der Gleichung
folgt und sich die Gleichgewichtskonstante errechnet nach der Gleichung: