DE10108827A1

DE10108827A1 - Messverfahren zur Bestimmung der Breite einer Struktur auf einer Maske

Info

Publication number: DE10108827A1
Application number: DE10108827A
Authority: DE
Inventors: Thomas Schaetz
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2001-02-23
Filing date: 2001-02-23
Publication date: 2002-09-12
Anticipated expiration: 2021-02-24
Also published as: US20020117618A1; US6646260B2; DE10108827C2

Abstract

Auf einem Rasterelektronenmikroskop werden bei einem Fokusdurchlauf jeweils die Breite (5) einer Struktur (2) auf einer Photomaske (1) sowie deren Kantenneigungswinkel (6) oder deren Strukturkontrast (7) gemessen, indem der Stromdurchfluss in einer Magnetlinse (4) durch eine mit einer Bildauswertereinheit (16) verbundene Kontrolleinheit (17) kontrolliert wird. Zur Bestimmung des optimalen Fokus (3) wird an die gemessenen Werte für den Kontrast (7) bzw. den Kantenneigungswinkel (6) eine Funktion gefittet und der Fokus (3) an deren Extremwert abgelesen. An die jeweils als Funktion des Fokus (3) gemessenen Werte für die Strukturbreite (5) wird eine weitere Funktion angepasst und der Funktionswert zu dem vorher bestimmten optimalen Fokus (3') als Argument bestimmt. Die durch diese Verfahren bestimmte Strukturbreite (5) weist eine erheblich vergrößerte Reproduzierbarkeit auf, so dass der daraus resultierende reduzierte 3-sigma-Wert Strukturbreitenbestimmungen mit dem Rasterelektronenmikroskop für künftige Maskengenerationen mit 10 nm CD-Toleranz ermöglicht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Messverfahren zur Be stimmung der Breite einer Struktur auf einer Maske.

Aufgrund der steigenden Anforderungen an die Einhaltung der sich immer weiter verringernden Strukturgrößen auf Photomas ken werden bei der Maskeninspektion wegen deren höherer Auf lösung zunehmend Rasterelektronenmikroskope (SEM, Scanning Electron Microscope) verwendet. Dabei sind heutzutage 3-σ- Werte von 3 Nanometern für die Reproduzierbarkeit von Struk turbreitenmessungen bei diesen Mikroskopen erforderlich. Solch niedrige Werte für systembedingte Fehler sind notwen dig, um herstellungsbedingte Abweichungen der Strukturbreiten von vorgegebenen Spezifikationen von derzeit etwa 20 Nanome tern eindeutig nachweisen zu können. Für das Jahr 2002 wird sogar erwartet, daß Abweichungen von nur 10 Nanometern be stimmt werden können. Diese Spezifikationen können von heuti gen lichtoptischen Mikroskopen kaum noch erreicht werden.

Zur Einhaltung derart niedriger 3-σ-Werte bei Rasterelektro nenmikroskopen müssen insbesondere Ungenauigkeiten bei der Fokussierung vermieden werden. Durch Stromeinspeisung in eine Magnetlinse wird dabei über eine Spule ein einen Elektronen strahl bündelndes Magnetfeld aufgebaut, welches als Objektiv wirkt und damit den Elektronenstrahl in einem hier als Fokus bezeichneten Abstand auf einen Durchmesser von nur 1-10 nm reduziert. Idealerweise befindet sich die zu untersuchende Oberfläche der Fotomaske in genau diesem Abstand. Abweichun gen von diesem Abstand werden als Defokus bezeichnet. Beim Rasterelektronenmikroskop wird zeilenweise durch Ablenkung des Elektronenstrahls die Oberfläche der Photomaske durch den Elektronenstrahl abgerastert, wobei die unter dem Strahl durchmesser fallenden und angeregten Auger-Elektronen, Sekundärelektronen und gegebenenfalls Rückstreuelektronen mit ei nem Detektor aufgenommen werden. Die nur wenige Elektronen volt betragenden Auger-Elektronen und Sekundärelektronen las sen durch z. B. Abschattungseffekte Rückschlüsse auf die Ober flächentopographie der Photomaske zu oder sie liefern auch Informationen über die - lateral betrachtet - ersten Nanome ter an Tiefe der Elementstruktur an und unterhalb der Ober fläche. Über einen Signalverstärker kann dieses detektierte Signal gegen die Objektrasterung aufgetragen zu einem erheb lich vergrößertem Bild der Oberfläche der Fotomaske struktu riert werden. Eine eventuelle Defokussierung des Elektronen strahls bewirkt eine Aufweitung des Strahles an der Oberflä che der Photomaske und damit eine geringere Auflösung der einzelnen Oberflächenstrukturen.

Für die Maskeninspektion verwendete Rasterelektronenmikrosko pe verwenden daher eine Vielzahl von Fokussieralgorithmen, bevor die eigentliche Messung der jeweiligen Strukturbreite vorgenommen wird. Bei einer bekannten Methode wird ein Fou rierspektrum des ermittelten Bildes ausgewertet und anhand einer auflösungsbedingten Grenzfrequenz die Güte des Fokus bestimmt, woran sich eine Fokusnachführung mit einer neuen Aufnahme des Fourierspektrums anschließt. Mit einem Optimie rungsverfahren wird der optimale Fokus (englisch: best focus) ermittelt. Leider ist all diesen Fokussierverfahren gemein sam, daß die Reproduzierbarkeit einzelner Messungen ver gleichsweise gering ist, welches unter anderem durch lokale räumliche oder zeitliche Änderungen bei der Messung bedingt ist. Dadurch erhöhen sich nachteilhaft die drei 3-σ-Werte für die Messungen von Strukturbreiten auf Photomasken, wodurch in vielen Fällen ein üblicherweise dafür nicht zu überschreiten de Wert von 25% des vorgegebenen Toleranzbereiches für Struk turbreiten (critical dimension) übertroffen wird.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Streuung von Messwerten in wiederholt durchgeführten Struk turbreitenbestimmungen mittels Rasterelektronenmikroskopie zu reduzieren, so daß kleinere Strukturbreiten gemessen werden können.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Messverfahren zur Bestim mung der Breite einer Struktur auf einer Fotomaske, umfassend die Schritte:
Die Photomaske mit der Struktur wird in die Objektkammer ei nes Rasterelektronenmikroskopes gebracht, ein erster Fokus des Objektives des Rasterelektronenmikroskopes wird einge stellt, eine erste Breite der Struktur wird gemessen, ein er ster Wert für einen weiteren, die Struktur kennzeichnenden Parameter wird gemessen, die vorangegangenen Schritte werden mit einem zweiten Fokus zur Messung einer zweiten Breite und eines zweiten Wertes für den weiteren, die Struktur kenn zeichnenden Parameter wiederholt, die vorangegangenen Schrit te werden mit einem dritten Fokus zur Messung einer dritten Breite und eines dritten Wertes für den weiteren, die Struk tur kennzeichnenden Parameter wiederholt, eine erste Funktion mit genau einem Extremwert wird an die gemessenen Werte für den weiteren, die Struktur kennzeichnenden Parameter in Ab hängigkeit vom Fokus angepasst, so daß die Abweichungen der Werte von der ersten Funktion minimiert sind, der dem Extrem wert der ersten Funktion zugeordneter Fokuswert wird als ein endgültiger Fokus ermittelt, eine zweite Funktion mit genau einem Extremwert wird an die gemessenen Werte für die Breite der Struktur in Abhängigkeit von dem Fokus angepasst, so daß die Abweichungen der Werte von der zweiten Funktion minimiert sind und die Breite der Struktur wird zu dem Funktionswert der zweiten Funktion bestimmt, welcher dem endgültigen Fokus zugeordnet ist.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren vorge schlagen, welches in ähnlicher Weise bereits von lichtopti schen Mikroskopen her bekannt ist. Während bei den lichtopti schen Mikroskopen der Fokus im Regelfall mechanisch oder durch Piezoeffekte durch Variation der Entfernung zwischen der die Maske haltenden Wafer-Stage und dem Mikroskopobjektiv eingestellt wird, wird gemäß dem vorliegenden Verfahren beim Rasterelektronenmikroskop direkt die Magnetlinse, welche als Objektiv wirkt, vorzugsweise automatisch durch eine Steuer einheit derart beeinflusst, daß sich das den Elektronenstrahl fokussierende Magnetfeld durch eine Änderung des kontrollier ten Stromschlusses zur Einstellung verschiedener Fokussier stärken ändert. Der Fokus beschreibt hier also nicht wie im lichtoptischen Fall den Abstand zwischen Wafer-Stage und Ob jektiv, sondern den durch die Stärke des Magnetfeldes be stimmten Abstand der stärksten Fokussierung des Strahles von der Magnetlinse. Idealerweise wird der Stromfluß in der die Magnetlinse erzeugenden Spule ein derartiges Magnetfeld er zeugen, daß der so im Rasterelektronenmikroskop erzeugte Fo kus gleich dem Abstand der Oberfläche der Photomaske von der Magnetlinse ist.

Der Erfindung liegt die Erfahrung zugrunde, daß unter Verwen dung verschiedener Fokussieralgorithmen Einzelmessungen nicht reproduzierbar sind. Wird unter Verwendung eines mit herkömm lichen Algorithmen eingestellten Wertes für den Fokus eine CD-Messung wiederholt, so ergibt sich trotz konstanten Fokus wertes eine Streuung der gemessene CD-Werte. Die vorliegende Erfindung umgeht dieses Problem, indem nicht von vornherein ein optimaler Fokus festgelegt wird, sondern in dem weitere, die betrachtete Struktur ganz lokal kennzeichnende Parameter wie der Kontrast oder der Neigungswinkel der Strukturkanten herangezogen werden. Der Kontrast beschreibt dabei den Inten sitätsunterschied zwischen dem maximal gemessenen Wert der Struktur selbst und dem minimal gemessenen Wert der Umgebung. Der Neigungswinkel (englisch: slope) ergibt sich aus dem In tensitätsgradienten am Ort der Kante. Diese lokal bestimmten Parameter liefern unmittelbar die Güte des eingestellten Fo kus und werden daher nach dem vorliegenden Verfahren zur Be stimmung des Fokus herangezogen. Da auch hier eine Streuung vorliegen kann, wird der Verlauf des betreffenden gemessenen Parameters gegen den eingestellten Fokuswert durch eine mathematische Funktion angefittet. Der Extremwert einer solchen angefitteten Funktion spiegelt den am besten eingestellten Fokuswert wieder.

Als die Struktur kennzeichnende Parameter werden in diesem Dokument solche bezeichnet, welche durch ihre lokale Gültig keit direkt Rückschlüsse auf den Fokus zulassen. Zusätzlich zu den genannten fallen daher auch Kombinationen der genann ten Parameter wie Strukturkontrast und Neigungswinkel, aber auch weitere hier nicht aufgezählte Parameter unter diese Be zeichnung. Auch der Materialkontrast wäre dazu als Parameter verwendbar.

Der Erfindung zu Folge werden zusätzlich zu dem direkt aus dem mit dem Rasterelektronenmikroskop aufgenommenen Bildern gewonnenen Parametern wie Kontrast oder Neigungswinkel mit telbar durch den Abstand der Strukturkanten auch die Struk turbreiten, also die CD-Werte, gemessen. Auch diese bilden als Funktion des eingestellten Fokuswertes eine gestreute Verteilung, an welcher eine mathematischen Funktion angefit tet wird. Das Maximum oder Minimum dieser Funktion - je nach dem, ob die Struktur hell oder dunkel im Vergleich zur Umge bung ist - weicht in der Regel im Argument, also dem Fokus wert, von jenem des auf den anderen Parametern wie Kontrast oder Neigungswinkel bestimmten optimalen Fokus ab. Die für diesen Fokuswert gemessene maximale oder minimale Struktur breite spiegelt nämlich nicht notwendigerweise einen optimal eingestellten Fokus wider. Vielmehr wird hier nur eine Varia tion der Abstände der Kantenprofile als Funktion des Strahl durchmessers bzw. des Fokus gefunden. Durch schlecht einge stellten Fokus ausgeschmierte Kantenprofile können unter Um ständen maximale bzw. minimale Abstände voneinander, also Strukturbreiten, liefern. Diesem beugt das vorliegende Ver fahren vor, indem der aus dem weiteren Parameter gewonnene optimale Fokus als Argument der für den CD-Wert gewonnenen Funktion benutzt wird, woraus vorteilhafterweise ein statistisch sehr gut reproduzierbarer Strukturbreite abgelesen bzw. gewonnen wird.

Dadurch wird der Systemfehler (3σ) bei Rasterelektronenmikro skopen für die Messung von Strukturbreiten erheblich redu ziert und es wird möglich, Strukturbreiten mit Toleranzen von 10 nm zu messen. Bei Rasterelektronenmikroskopen erhebt sich zudem der entscheidende Vorteil, daß keine mechanische Nach führung durchgeführt werden muß und das kein Vorfokussieren nötig ist. Mit der erfolgten Bildaufnahme für einen Fokus kann sofort durch Änderung des Spulenstromes in der Magnet linse der nächste Fokuswert eingestellt werden. Dadurch ent steht ein nur geringer Zeitmehraufwand.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteran sprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel anhand von Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 ein Flussdiagramm gemäß eines Ausführungsbeispieles der vorliegenden Erfindung

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Anpassung mathematischer Funk tionen zur Bestimmung der Strukturbreite.

Fig. 3 eine Anordnung zur erfindungsgemäßen Anwendung des Verfahrens.

Fig. 4 ein Profil der Oberfläche einer Struktur auf einer Fotomaske (a) und der mit einem Rasterelektronenmikroskop er mittelten Intensitätsverteilung an der gleichen Struktur (b).

Der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens ist beispielhaft in Fig. 1 gezeigt. Dabei wird vorab ein maximaler und ein minimaler Wert für den Fokus festgelegt, d. h. zwei Werte für den Stromfluß in der die Magnetlinse erzeugenden Spule werden bestimmt. Desweiteren werden äquidistant in dem dazwischen liegenden Intervall n - 2 Fokuswerte, welche ebenfalls einzu stellen sind, bestimmt. n ist dabei die Gesamtzahl der zu durchlaufenden Fokuswerte. Zunächst wird der maximale Fokus wert (minimaler Strom in der Spule) eingestellt. Mit einem Elektronenrastermikroskop wird der gewünschte Ausschnitt der Oberfläche mit der Struktur 2 auf der Fotomaske 1 durch einen Detektor 10 aufgenommen, mit einem Signalverstärker 11 ver stärkt und auf ein Anzeigegerät 15 sichtbar gemacht, wie in Fig. 3 gezeigt ist. Gemäß dem Grundprinzip von Rasterelek tronenmikroskopen wird der Bildaufbau durch einen Rastergene rator 12 ermöglicht, welcher die Synchronisierung mit dem von der Ablenkeinheit 13 über die Vergrößerungsregelung 14 kom mende Signal durchführt. Das aufgenommene Bild kann durch ei ne angeschlossene Auswerteeinheit 16 ausgewertet werden, so daß für den eingestellten Fokus 3 die Strukturbreite 5', der Kontrast 7 und der Neigungswinkel 6 (als Intensitätsgradient) vorliegen. Zur Ableitung der tatsächlichen Strukturbreite 5 der Struktur 2 auf der Fotomaske 1 aus der Strukturbreite 5' des gemessenen Intensitätsprofils werden im Allgemeinen eine Vielzahl von Verfahren bzw. Standard verwendet. In Fig. 4 sind nicht maßstabsgerecht ein Querschnittprofil durch die zu vermessende Struktur 2 auf der Fotomaske 1 sowie das daraus resultierende Intensitätsprofil im Rasterelektronenmikroskop schematisch dargestellt. Das in Fig. 4b gezeigte Intensi tätsprofil weist an den Rändern der Strukturkanten über schwingende Profilverläufe auf, welche aus einem besonders begünstigten Ausstoß von angeregten Sekundärelektronen an den oberen Kantenecken bzw. an dem verminderten Ausstoß der Se kundärelektronen an den unteren Kantenecken resultieren.

In einer Schleife wird erfindungsgemäß der nächste Fokuswert, d. h. Stromfluss in der Spule, zu einer erneuten Bildaufnahme zur Messung der Strukturbreite 5, des Kontrastes 7 und des Neigungswinkels 6 für den neuen Fokus 3 eingestellt, wie in Fig. 1 zu sehen ist. Eine Kontrolleinheit 17, welche mit der Auswerteeinheit 16 verbunden ist, steuert dazu eine Strom- oder Spannungsquelle 18 zur Induzierung eines Magnetfeldes in der durch die Spule 4 erzeugten Magnetlinse, wie in Fig. 3 zu sehen ist. Die Kontrolleinheit 17 verfolgt den Fokusdurch lauf für alle vorgegebenen Werte für den Fokus 3 bis schließ lich der minimale Fokus (maximaler Stromfluß) eingestellt und die Strukturbreite, der Kontrast und der Neigungswinkel ver messen sind.

Die gemessenen Werte für den Kontrast 7 als Funktion des Fo kus 3 werden nun durch eine Parabelfunktion

f(x) = a(x + b)² + c

angefittet, wobei die Parameter a, b und c derart bestimmt werden, daß die mittleren quadratischen Abweichungen der ge messenen Kontrastwerte von der Funktion minimiert sind. Der Strukturkontrast, kann als Funktion des Fokus 3 typischerwei se durch eine nach unten geöffnete Parabel beschrieben wer den. Der maximale Kontrast 7 spiegelt den optimalen Fokus 3' wider und ist als Scheitelpunkt der Parabel zu identifizie ren, d. h. derjenige Fokus, für den die erste Ableitung der Funktion f(x) null wird. Die Kontrolleinheit 17 führt deswei teren einen Funktionsfit der Funktion

G(x) = m(x + p)² + q

an die gemessenen Werte für die Strukturbreite 5 durch. Auch hier sind die Parameter m, p und q so zu bestimmen, daß die mittleren quadratischen Abweichungen der Strukturbreiten von der Funktion minimiert werden. An der so bestimmten Funktion g(x) ist derjenige Wert abzulesen, bei dem für x der aus dem Kontrastfit gewonnene optimale Fokus eingesetzt wird. Dieser abgelesene Wert ist die mit dem sehr kleinen Fehler behaftete Strukturbreite 5 der Struktur 2. Typischerweise werden n = 10 Werte für den Fokus 3" durchlaufen.

Bezugszeichenliste

1

Fotomaske

2

Struktur, Chromsteg

3

Fokus

3

' optimaler Fokus

3

" Defokus

4

Spule für Magnetlinse

5

Strukturbreite

5

' Breite des Intensitätsprofils der Struktur

6

Kanteneigungswinkel

7

Strukturkontrast

10

Detektor

11

Signalverstärker

12

Rastergenerator

13

Ablenkeinheit

14

Vergrößerungsregelung

15

Anzeigeeinheit

16

Bildauswerteeinheit

17

Kontrolleinheit

18

Strom- oder Spannungsquelle

Claims

1. Messverfahren zur Bestimmung der Breite (5) einer Struktur (2) auf einer Photomaske (1), umfassend die Schritte:

a) die Photomaske (1) mit der Struktur (2) wird in die Ob jektkammer eines Rasterelektronenmikroskops gebracht,
b) ein erster Fokus (3) einer Magnetlinse (4) des Rasterelek tronenmikroskops wird eingestellt,
c) eine erste Breite (5) der Struktur (2) wird gemessen,
d) ein erster Wert für einen weiteren, die Struktur (2) kenn zeichnender Parameter (6, 7) wird gemessen,
e) die Schritte b), c) und d) werden mit einem zweiten Fokus (3) zur Messung einer zweiten Breite (5) und eines zweiten Wertes für den weiteren, die Struktur (2) kennzeichnenden Parameter (6, 7) wiederholt,
f) die Schritte b), c) und d) werden mit einem dritten Fokus (3) zur Messung einer dritten Breite (5) und eines dritten Wertes für den weiteren, die Struktur (2) kennzeichnenden Parameter (6, 7) wiederholt,
g) eine erste Funktion mit genau einem Extremwert wird an die gemessenen Werte für den weiteren, die Struktur kennzeich nender Parameter (6, 7) in Abhängigkeit vom Fokus (3) an gepaßt, so daß die Abweichungen der Werte von der ersten Funktion minimiert sind,
h) der dem Extremwert der ersten Funktion zugeordnete Fokus wert wird als ein optimaler Fokus (3') ermittelt,
i) eine zweite mathematische Funktion mit genau einem Extrem wert wird an die gemessenen Werte für die Breite (5) der Struktur (2) in Abhängigkeit vom Fokus (3) angepaßt, so daß die Abweichungen der Werte von der zweiten Funktion minimiert sind,
j) die Breite (5) der Struktur (2) wird zu dem Funktionswert der zweiten Funktion bestimmt, welcher dem optimalen Fokus (3') zugeordnet ist.

2. Messverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere die Struktur kennzeichnende Parameter der Strukturkontrast (7) ist.

3. Messverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere die Struktur kennzeichnende Parameter der Neigungswinkel (6) der Strukturkanten ist.

4. Messverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schritte b), c) und d) mit einer Anzahl von Schritten wiederholt werden, bevor die erste Funktion angepaßt wird.

5. Messverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß für die erste und die zweite Funktion jeweils Parabeln verwendet werden.

6. Messverfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß für die Minimierung in den Schritten g) und i) die Summe der mittleren quadratischen Abweichungen berechnet wird.

7. Messverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromfluß in der fokussierenden Magnetlinse (4) des Elektronenmikroskops zur Einstellung wenigstens eines der ersten, zweiten, dritten oder weiteren Fokuswerte geregelt wird.