Spektroskopische EUV-Metrologie für nanoskalige Gitter

• Antragsteller: Professor Dr. Carlo Holly, seit 7/2021
• Fachliche Zuordnung: Messsysteme ; Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 415848294

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die stetige Verkleinerung funktionaler Strukturen in der Halbleiterfertigung führt zu immer höheren Anforderungen an die im Produktionsprozess eingesetzte Messtechnik. Die Charakterisierung nanoskaliger Gitterstrukturen bezüglich der geometrischen Eigenschaften stellt hierbei eine der Kernaufgaben des geplanten Vorhabens dar. Die zurzeit eingesetzten spektroskopischen Messverfahren, unter Verwendung von infraroter, sichtbarer und ultravioletter Strahlung, sind hinsichtlich ihrer Empfindlichkeit gegenüber nanoskaligen Strukturen limitiert. Demnach werden neue Messverfahren benötigt, um die Weiterentwicklung der Strukturierungsverfahren zu ermöglichen. Zu diesem Zweck wurden bereits Messverfahren im Röntgenstrahlungsbereich getestet, welche je nach Messkonfiguration jedoch keinen hinreichend kleinen Messfleck oder einen zu niedrigen Messdurchsatz aufweisen, um in die Produktion integriert zu werden. Messverfahren im extrem-ultravioletten (EUV-) Spektralbereich besitzen das Potential, diese Nachteile zu beheben. Die Nutzung der EUV-Metrologie als Messverfahren für nanoskalige Gitterstrukturen wurde im Vorhaben theoretisch und experimentell untersucht. Die spektroskopische EUV-Reflektometrie wurde unter kleinen Einfallswinkeln genutzt, um Kontraste im EUV-Reflexionsgrad nanoskaliger Gitter bei verschiedenen Gittergeometrien (z.B. Gitterstegbreite und -höhe) zu identifizieren. Hierzu wurden zunächst theoretische Untersuchungen mithilfe rigoroser Beugungssimulationen durchgeführt. Aus den Simulationen wurden Spektralbereiche und Beleuchtungseinstellungen bestimmt, die hohe Kontraste zwischen Gittern unterschiedlicher Geometrie bieten. Basierend auf diesen Ergebnissen wurden Proben hergestellt, die industrierelevante Geometrien und Abmessungen aufweisen. Mit einem Laboraufbau für die spektroskopische EUV-Reflektometrie wurden die EUV- Reflexionsgrade der Proben anschließend experimentell bestimmt. Des Weiteren wurden aus den experimentell gemessenen Reflexionsgraden die geometrischen Gitterparameter rekonstruiert, wozu die Reflexionsgrade von simulierten Gittern iterativ an die experimentell gemessenen Reflexionsgrade angepasst werden. Außerdem wurden im geplanten Vorhaben unter Berücksichtigung real gegebener Messungenauigkeiten die theoretischen Grenzen der EUV-Metrologie für nanoskalige Gitter evaluiert, wobei auch Spektralbereiche und Beleuchtungseinstellungen mit einbezogen wurden, die experimentell nicht zugänglich sind. Anschließend wurden Vergleiche mit bereits existierenden Messverfahren hinsichtlich zukünftig relevanter Strukturgrößen der Halbleiterfertigung angestellt. Mit Abschluss des Projekts konnte die notwendige Empfindlichkeit der laborbasierten spektroskopischen EUV-Reflektometrie auch für komplexe Gittergeometrien mit einstelligen Nanometer Genauigkeiten nachgewiesen werden. Diese EUV-Metrologiemethode hat damit das Potenzial, zu einem integralen Bestandteil der Qualitätssicherung und Prozesskontrolle in der zukünftigen Halbleiterfertigung zu werden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Laboratory-based EUV spectroscopy for the characterization of thin films, membranes and nanostructured surfaces. International Conference on Extreme Ultraviolet Lithography 2019, 62. SPIE.
  Bahrenberg, Lukas; Glabisch, Sven; Ghafoori, Moein; Brose, Sascha; Danylyuk, Serhiy; Stollenwerk, Jochen & Loosen, Peter
  
• Accuracy analysis of a stand-alone EUV spectrometer for the characterization of ultrathin films and nanoscale gratings. Extreme Ultraviolet Lithography 2020, 25. SPIE.
  Schroeder, Sophia; Bahrenberg, Lukas; Eryilmaz, Nimet Kutay; Glabisch, Sven; Danylyuk, Serhiy; Brose, Sascha; Stollenwerk, Jochen & Loosen, Peter
  
• Characterization of nanoscale gratings by spectroscopic reflectometry in the extreme ultraviolet with a stand-alone setup. Optics Express, 28(14), 20489.
  Bahrenberg, Lukas; Danylyuk, Serhiy; Glabisch, Sven; Ghafoori, Moein; Schröder, Sophia; Brose, Sascha; Stollenwerk, Jochen & Loosen, Peter
  
• Nanoscale grating characterization through EUV spectroscopy aided by machine learning techniques. Metrology, Inspection, and Process Control for Microlithography XXXIV, 26. SPIE.
  Bahrenberg, Lukas; Glabisch, Sven; Danylyuk, Serhiy; Ghafoori, Moein; Schroeder, Sophia; Brose, Sascha; Stollenwerk, Jochen & Loosen, Peter
  
• Broadband scatterometry at extreme ultraviolet wavelengths for nanograting characterization. Metrology, Inspection, and Process Control for Semiconductor Manufacturing XXXV, 49. SPIE.
  Ghafoori, Seyed Moein; Bahrenberg, Lukas; Glabisch, Sven; Schroeder, Sophia; Danylyuk, Serhiy; Brose, Sascha; Stollenwerk, Jochen; Juschkin, Larissa & Loosen, Peter
  
• Latent image characterization by spectroscopic reflectometry in the extreme ultraviolet. Metrology, Inspection, and Process Control for Semiconductor Manufacturing XXXV, 50. SPIE.
  Schröder, Sophia; Bahrenberg, Lukas; Lüttgenau, Bernhard; Glabisch, Sven; Danylyuk, Serhiy; Brose, Sascha; Stollenwerk, Jochen & Loosen, Peter
  
• „Characterization of nanoscale gratings by means of spectrometry in the extreme ultraviolet,“ dissertation at RWTH Aachen University
  Bahrenberg, L.
  
• High-precision optical constant characterization of materials in the EUV spectral range: from large research facilities to laboratory-based instruments. 37th European Mask and Lithography Conference, 38. SPIE.
  Soltwisch, Victor; Glabisch, Sven; Andrle, Anna; Philipsen, Vicky; Saadeh, Qais; Schröder, Sophia; Lohr, Leonhard; Ciesielski, Richard & Brose, Sascha
  
• Investigation of stochastic roughness effects for nanoscale grating characterization with a stand-alone EUV spectrometer. Photomask Technology 2022, 30. SPIE.
  Glabisch, Sven; Schröder, Sophia; Brose, Sascha; Heiming, Henning; Stollenwerk, Jochen & Holly, Carlo
  
• Latent image characterization by spectroscopic reflectometry in the extreme ultraviolet. Journal of Micro/Nanopatterning, Materials, and Metrology, 21(02).
  Schröder, Sophia; Bahrenberg, Lukas; Lüttgenau, Bernhard; Glabisch, Sven; Brose, Sascha; Danylyuk, Serhiy; Stollenwerk, Jochen; Loosen, Peter & Holly, Carlo
  
• Nanoscale grating characterization using EUV scatterometry and soft x-ray scattering with plasma and synchrotron radiation. Applied Optics, 62(1), 117.
  Lohr, Leonhard M.; Ciesielski, Richard; Glabisch, Sven; Schröder, Sophia; Brose, Sascha & Soltwisch, Victor
  
• Towards the resolution limit of Talbot lithography with compact EUV exposure tools. International Conference on Extreme Ultraviolet Lithography 2022, 13. SPIE.
  Lüttgenau, Bernhard; Brose, Sascha; Danylyuk, Serhiy; Stollenwerk, Jochen & Holly, Carlo