Mesoscopic Simulation of Photoresist Processing in Optical Lithography

Mesoskopische Simulation der Photolackbearbeitung in der optischen Lithographie

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus-7432
  • 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 theThe 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.show moreshow less
  • 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 undDie 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.show moreshow less

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Metadaten
Author:Thomas Schnattinger
Persistent identifiers - URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus-7432
Advisor:Heiner Ryssel
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of publication:2007
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Acceptance date of the thesis:2007/11/23
Release Date:2008/02/25
Tag:LER; LWR; linien-breiten-rauigkeit; linien-kanten-rauigkeit; mesoskopische simulation
LER; LWR; line-edge-roughness; mesoscopic simulation; photoresist
SWD-Keyword:Computersimulation; Direkte numerische Simulation; Diskrete Simulation; Monte-Carlo-Simulation; Simulation; Photoresist; Lithographie <Halbleite
Institutes:Technische Fakultät / Technische Fakultät -ohne weitere Spezifikation-
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 62 Ingenieurwissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
PACS-Classification:80.00.00 INTERDISCIPLINARY PHYSICS AND RELATED AREAS OF SCIENCE AND TECHNOLOGY / 82.00.00 Physical chemistry and chemical physics; Electronic structure theory of atoms and molecules, see 31.15.-p; Electronic structure theory of condensed matter, see section 71; Electronic structure theory for biomolecules, see 87.10.-e; Electronic structure of / 82.20.-w Chemical kinetics and dynamics / 82.20.Wt Computational modeling; simulation
80.00.00 INTERDISCIPLINARY PHYSICS AND RELATED AREAS OF SCIENCE AND TECHNOLOGY / 85.00.00 Electronic and magnetic devices; microelectronics; Vacuum tubes, see 84.47.+w; Microwave tubes, see 84.40.Fe; Phototubes, see 85.60.Ha; Conductors, resistors, and inductors, see 84.32.Ff, Hh / 85.40.-e Microelectronics: LSI, VLSI, ULSI; integrated circuit fabrication technology (see also 85.45.-w Vacuum microelectronics); Microwave integrated electronics, see 84.40.Lj; Integrated optics, see 42.82.-m; Superconducting logic elements and memory devices; m / 85.40.Hp Lithography, masks and pattern transfer; Micro- and nano-electromechanical systems (MEMS/NEMS) and devices, see 85.85.+j
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