DE102004004597A1 - Method for measuring a structure formed on semiconductor wafer e.g. for manufacture of integrated circuits, involves use of raster electron microscope with electron beam source and detector - Google Patents

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Abstract

A method for measuring a semiconductor wafer structure involves initially preparing a semiconductor wafer with a structure comprising several equally spaced protuberances between which are formed gaps on the front face of the wafer, preparing a raster electron microscope with electron beam source and detector, preparing a substrate holder for accommodating the semiconductor wafer, irradiating the front face of the wafer in a measurement window, detecting the electrons scattered on the structure in the measuring window to obtain an intensity profile of the electrons, tilting the electron beam in second direction, irradiating the front face of the semiconductor wafer with the electron beam, detecting the scattered electrons in the detector to determine a second intensity profile of the scattered electrons and then determining the position of the gaps from the difference of the two intensity profiles. An independent claim is given for an arrangement for measuring a structure with a raster electron microscope and a semiconductor wafer.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vermessung einer Struktur auf einem Halbleiterwafer mit einem Rasterelektronenmikroskop. Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine Anordnung zur Vermessung einer Struktur mit einem Rasterelektronenmikroskop und einem Halbleiterwafer.The The invention relates to a method for measuring a structure a semiconductor wafer with a scanning electron microscope. The invention concerns about it In addition, an arrangement for measuring a structure with a scanning electron microscope and a semiconductor wafer.

Zur Herstellung integrierter Schaltungen werden üblicherweise auf Halbleiterwafern mit verschiedenen elektrischen Eigenschaften versehene Schichten aufgebracht und jeweils lithographisch strukturiert. Ein lithographischer Strukturierungsschritt kann darin bestehen, einen photoempfindlichen Resist aufzutragen, diesen mit einer gewünschten Struktur für die betreffende Ebene zu belichten und zu entwickeln, sowie anschließend die somit entstandene Resist-Maske in die unterliegende Schicht in einem Ätzschritt zu übertragen.to Integrated circuit fabrication is commonly done on semiconductor wafers provided with different electrical properties layers applied and each lithographically structured. A lithographic Structuring step may consist of a photosensitive Apply Resist, this with a desired structure for the relevant Level to illuminate and develop, and then the thus resulting resist mask in the underlying layer in an etching step transferred to.

Mit den stetig ansteigenden Integrationsdichten integrierter Schaltungen erhöhen sich auch die Anforderungen an die Maßhaltigkeit einer auf das Halbleitersubstrat zu projizierenden Struktur. Insbesondere dann, wenn bereits Vorebenen in unterliegenden Schichten, z. B. in einem lithographischen Projektionsschritt, übertragen wurden, müssen immer striktere Toleranzgrenzen bezüglich der gegenseitigen Ausrichtung der aktuell auf das Substrat zu projizierenden Struktur relativ zu den Strukturen der genannten Vorebenen berücksichtigt werden, um die Funktionsfähigkeit der Schaltung zu gewährleisten.With the ever increasing integration densities of integrated circuits increase also the requirements for dimensional accuracy of a on the semiconductor substrate to be projected structure. Especially if already pre-levels in underlying layers, eg. In a lithographic projection step have to ever stricter tolerance limits with respect to mutual alignment the structure currently being projected onto the substrate relative to the structures of the aforementioned preliminary levels are taken into account to the functioning to ensure the circuit.

Die fortschreitende Miniaturisierung in der Halbleitertechnologie erlaubt auch die Herstellung immer leistungsfähigerer elektronischer Bausteine. So können heutzutage beispielsweise dynamische Zugriffsspeicher (DRAM) hergestellt werden, die eine Vielzahl von Speicherzellen enthalten. Speicherzellen von DRAMs werden üblicherweise in Form einer Matrix auf einem Halbleiterwafer angeordnet. Die Speicherzellen bestehen normalerweise aus je einem Speicherkondensator und je einem Auswahltransistor. Bei einem Lese- bzw. Schreibvorgang wird der Speicherkondensator mit einer elektrischen Ladung, die einen jeweiligen Datenwert anspricht, über den Auswahltransistor be- bzw. entladen. Hierzu wird der Auswahlwahltransistor mit Hilfe einer Bit- und einer Wortleitung adressiert.The progressive miniaturization in semiconductor technology also the production of increasingly powerful electronic components. So can For example, dynamic random access memory (DRAM) is nowadays being manufactured which contain a plurality of memory cells. Memory cells of DRAMs usually become arranged in the form of a matrix on a semiconductor wafer. The memory cells usually consist of one storage capacitor and one each Selection transistor. In a read or write operation is the Storage capacitor with an electrical charge, which is a respective Data value responds via the Loading or discharging selection transistor. For this purpose, the selection selection transistor addressed with the aid of a bit line and a word line.

Im Zuge immer kleiner werdender Strukturauflösungen hat sich bei der Ausbildung der Speicherzellen ein Aufbau etabliert, bei dem die innere und äußere Kondensatorelektrode des Speicherkondensators in einem tiefen Graben angeordnet werden. Die innere Kondensatorelektrode bildet den Speicherknoten der Speicherzelle und wird üblicherweise durch Auffüllen des tiefen Grabens mit einem leitfähigen Füllmaterial hergestellt. Bei diesem als sogenannter Grabenkondensator bekannten Aufbau wird mittels einer leitfähigen Brücke ein Anschluss der inneren Kondensatorelektrode zum Auswahltransistor erzeugt. Der Auswahltransistor ist häufig als planarer Transistor zwischen den tiefen Gräben des Speicherzellenfeldes ausgebildet.in the The ever-decreasing pattern resolution has become more and more important during the training the memory cells established a structure in which the inner and outer capacitor electrode of the storage capacitor can be arranged in a deep trench. The inner capacitor electrode forms the storage node of the memory cell and becomes common by filling up the deep trench made with a conductive filler. at this known as a so-called trench capacitor construction is by means of a conductive bridge a connection of the inner capacitor electrode to the selection transistor generated. The selection transistor is often a planar transistor between the deep trenches the memory cell array formed.

Dichte Linien-Spalten-Muster, wie sie etwa im Bereich der Herstellung von dynamischen Speichern mit wahlfreiem Zugriff (DRAM) gebildet werden, weisen beispielsweise Linienbreiten von 70, 90 oder 110 nm auf. Für den lithographischen Projektionsschritt eines solchen Schaltungsmusters wird üblicherweise ein Waferscanner oder Waferstepper verwendet.density Line-column patterns, such as those in the field of manufacture of dynamic random access memories (DRAM) are formed, have, for example, line widths of 70, 90 or 110 nm. For the lithographic projection step of such a circuit pattern becomes common a wafer scanner or wafer stapler used.

Bei fortschrittlichen Technologien mit hoher Strukturauflösung, beispielsweise bei der 90 nm oder 70 nm Prozesslinie, weisen der Bereich, der dem Auswahltransistor zugeordnet ist, und der Bereich der tiefen Gräben häufig die gleichen Abmessungen auf. Während der Herstellung eines Speicherzellenfeldes werden oftmals die für die photolithographische Projektion charakteristischen Parameter, wie z. B. die Belichtungsdo sis, die Schärfeeinstellung oder der Beleuchtungsmodus des Projektionsapparates, sehr genau kontrolliert, um eine hohe Maßhaltigkeit bei der Projektion des Musters der tiefen Gräben auf die Oberfläche des Substrats zu erreichen. Um die Zahl der Speicherzellen auf einem DRAM zu steigern, werden das Muster der Gräben, oder allgemein von Linien-Spalten-Mustern, mit minimalen Abmessungen ausgeführt. Zur Überwachung der Herstellungsqualität werden diese als kritische Abmessungen (critical dimension, CD) bezeichnete Strukturen regelmäßig, beispielsweise mit einem Rasterelektronenmikroskop, kontrolliert.at advanced technologies with high structural resolution, for example at the 90nm or 70nm process line, assign the range to the select transistor is assigned, and the area of the deep trenches often the same dimensions. While The production of a memory cell array are often those for the photolithographic Projection characteristic parameters, such. B. the Exposure Do you sis, the sharpness setting or the illumination mode of the projection apparatus, very accurate controlled to a high dimensional accuracy Projection of a pattern of deep trenches on a surface of Reach substrate. To the number of memory cells on one To increase DRAM, the pattern of the trenches, or in general of line-column patterns, will be minimal Dimensions executed. For monitoring the manufacturing quality these are called critical dimensions (CD) designated structures regularly, for example with a scanning electron microscope, controlled.

Bei einem Rasterelektronenmikroskop werden die von einer Elektronenquelle emittierten Elektronen, die von der Oberfläche des Halbleiterwafers gestreut werden, in einem Detektor nachgewiesen. Dadurch erhält man ein unterschiedliches Intensitätsprofil, je nachdem, ob die Elektronen an einer ebenen oder einer strukturierten Oberfläche gestreut werden. Allgemein erzeugen Teile von Oberflächen, die jeweils einen gleichen Winkel zum einfallenden Elektronenstrahl aufweisen, ein nahezu identisches Intensitätsprofil im Detektor. Üblicherweise erfolgt die Auswertung der so gewonnenen Intensitätsprofile mit Hilfe einer Mustererkennungsvorrichtung, die das vom Detektor zur Verfügung gestellte Intensitätsprofil nach bekannten Strukturen absucht und vermisst. Diese vollautomatische Vermessung wird üblicherweise mit einem Computer, beispielsweise einem Mikroprozessor, durchgeführt.at In a scanning electron microscope, those from an electron source emitted electrons scattered from the surface of the semiconductor wafer be detected in a detector. This gives you one different intensity profile, depending on whether the electrons are on a plane or a textured one surface be scattered. Generally, parts of surfaces that produce each an equal angle to the incident electron beam have a nearly identical intensity profile in the detector. Usually the evaluation of the intensity profiles thus obtained takes place with the help of a pattern recognition device, that of the detector to disposal Asked intensity profile after searches and misses known structures. This fully automatic Surveying is usually with a computer, such as a microprocessor performed.

Ein in diesem Zusammenhang bisher wenig beachtetes Problem besteht darin, dass bei einem Speicherzellenfeld, dessen Linien-Spalten-Muster gleiche Abmessungen aufweisen, eine automatische Zuordnung von Gräben und Spalten nur sehr schwierig durchzuführen ist. Insbesondere weisen der Bereich des Bodens der Spalten und der Bereich der ebenen Oberseiten außerhalb der Spalten nahezu das gleiche Intensitätssignal auf, da diese Bereiche jeweils den gleichen Winkel zur Elektronstrahlquelle aufweisen. Um die Signale aus Bereichen innerhalb und außerhalb der Spalten unterscheiden zu können, muss der Halbleiterwafer relativ zum Elektronenstrahl sehr präzise ausgerichtet werden. Damit bewirkt man, dass ein Messfenster des Elektronenstrahlmikroskops in einem genau definierten Bereich liegt und keine Verschiebung relativ zu den Spalten aufweist. Bei fortschrittlichen Herstellungsverfahren, beispielsweise bei Strukturauflösungen kleiner als 100 nm, ist dies jedoch schwierig.One problem that has received little attention in this context is that in the case of a memory cell array, its line-column pattern have the same dimensions, an automatic assignment of trenches and columns is very difficult to perform. In particular, the area of the bottom of the columns and the area of the flat tops outside the columns have almost the same intensity signal, since these areas each have the same angle to the electron beam source. In order to distinguish the signals from areas inside and outside the columns, the semiconductor wafer must be aligned very precisely relative to the electron beam. This causes a measuring window of the electron microscope to lie in a precisely defined area and has no displacement relative to the gaps. However, in advanced manufacturing processes, such as pattern resolutions less than 100 nm, this is difficult.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die oben genannten Probleme zu überwinden und ein Verfahren anzugeben, sowie eine Anordnung zu schaffen, die eine zuverlässige Vermessung einer periodischen Struktur auf einem Halbleiterwafer ermöglichen.It It is therefore an object of the invention to overcome the above-mentioned problems and to provide a method and an arrangement to provide a reliable one Measuring a periodic structure on a semiconductor wafer enable.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Vermessung einer periodischen Struktur auf einem Halbleiterwafer mit einem Rastelektronenmikroskop gelöst, das die folgenden Schritte umfasst:

  • – Bereitstellen eines Halbleiterwafers mit einer Struktur, umfassend mehrere äquidistant beabstandete Vorsprünge, zwischen denen Spalten auf der Vorderseite des Halbleiterwafers ausgebildet sind, wobei die Spalten, die alle eine im wesentlichen gleiche Breite aufweisen, im wesentlichen parallel zueinander in einem jeweiligen Abstand ausgeführt sind, der im wesentlichen gleich der Breite der Spalten ist;
  • – Bereitstellen eines Rasterelektronenmikroskops, das eine Elektronenstrahlquelle und einen Detektor umfasst;
  • – Bereitstellen eines Substrathalters, der geeignet ist, den Halbleiterwafer aufzunehmen, und der geeignet ist, den Halbleiterwafer im Rasterelektronenmikroskop relativ zur Elektronenstrahlquelle auszurichten;
  • – Ablegen des Halbleiterwafers auf dem Substrathalter;
  • – Bestrahlen der Vorderseite des Halbleiterwafers in einem Messfenster mit einem Elektronenstrahl aus einer ersten Richtung;
  • – Detektieren der an der Struktur im Messfenster gestreuten Elektronen mit dem Detektor, um ein erstes Intensitätsprofil der gestreuten Elektronen als erstes Messergebnis zu bestimmen;
  • – Kippen des Elektronenstrahls in eine zweite Richtung, die mit der ersten Richtung einen Kippwinkel einschließt;
  • – Bestrahlen der Vorderseite des Halbleiterwafers mit der Struktur mit dem Elektronenstrahl aus der zweiten Richtung;
  • – Detektieren der gestreuten Elektronen im Detektor, um ein zweites Intensitätsprofil der gestreuten Elektronen als zweites Messergebnis zu bestimmen; und
  • – Bestimmen der Kanten der Spalten aus dem Unterschied des erstes Intensitätsprofils und des zweiten Intensitätsprofils.
This object is achieved by a method for measuring a periodic structure on a semiconductor wafer with a scanning electron microscope, which comprises the following steps:
  • Providing a semiconductor wafer having a structure comprising a plurality of equidistant spaced protrusions between which gaps are formed on the front side of the semiconductor wafer, the gaps all having a substantially equal width being substantially parallel to each other at a respective pitch; is substantially equal to the width of the columns;
  • Providing a scanning electron microscope comprising an electron beam source and a detector;
  • - Providing a substrate holder, which is adapted to receive the semiconductor wafer, and which is adapted to align the semiconductor wafer in the scanning electron microscope relative to the electron beam source;
  • - depositing the semiconductor wafer on the substrate holder;
  • - irradiating the front side of the semiconductor wafer in a measuring window with an electron beam from a first direction;
  • Detecting the electrons scattered on the structure in the measuring window with the detector in order to determine a first intensity profile of the scattered electrons as a first measurement result;
  • Tilting the electron beam in a second direction including a tilt angle with the first direction;
  • - irradiating the front side of the semiconductor wafer with the structure with the electron beam from the second direction;
  • Detecting the scattered electrons in the detector to determine a second intensity profile of the scattered electrons as the second measurement result; and
  • Determining the edges of the columns from the difference of the first intensity profile and the second intensity profile.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren ergeben sich zwei Messergebnisse, wobei das erste Messergebnis durch Bestrahlen mit einem Elektronenstrahl aus einer ersten Richtung und das zweite Messergebnis durch Bestrahlen mit einem Elektronenstrahl aus einer zweiten Richtung erzielt wird. Die erste Richtung und die zweite Richtung schließen einen Kippwinkel ein, was dazu führt, dass die Kanten des Linien-Spalten-Musters unter verschiedenem Winkel von dem Elektronenstrahl getroffen werden. Damit ergeben sich unterschiedliche Intensitätsprofile zwischen dem ersten und dem zweiten Messergebnis, so dass aus dem Unterschied beider Intensitätsverläufe auf die Lage der Kanten des Linien-Spalten-Musters zurückgeschlossen werden kann. Dadurch ergibt sich eine ambiguitätsfreie Vermessung der Kanten des Spaltenmusters.By the inventive method result in two measurement results, with the first measurement result Irradiate with an electron beam from a first direction and the second measurement result by irradiation with an electron beam is achieved from a second direction. The first direction and close the second direction a tilt angle, which causes the edges of the line-column pattern are at different angles from be hit by the electron beam. This results in different intensity profiles between the first and the second measurement result, so that from the Difference of both intensity gradients the location of the edges of the line-column pattern has been deduced can be. This results in an ambiguity-free measurement of the edges of the column pattern.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird der Schritt des Kippens des Elektronenstrahls dadurch ausgeführt, dass der Substrathalter relativ zum Elektronenstrahl um den Kippwinkel gekippt wird.According to one preferred embodiment the step of tilting the electron beam is performed by the substrate holder relative to the electron beam by the tilt angle is tilted.

Gemäß dieser Vorgehensweise läßt sich auf einfache Weise ein Elektronenstrahl aus einer ersten und einer zweiten Richtung erzeugen, da Rasterelektronenmikroskope häufig einen kippbaren Elektronenstrahl aufweisen.According to this Procedure can be in a simple way, an electron beam of a first and a generate second direction, since scanning electron microscopes often a have tiltable electron beam.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der Schritt des Kippens des Elektronenstrahls dadurch ausgeführt, dass die Elektronenstrahlquelle relativ zum Substrathalter um den Kippwinkel gekippt wird.According to one another preferred embodiment For example, the step of tilting the electron beam is performed by the electron beam source relative to the substrate holder by the tilt angle is tilted.

Gemäß dieser Vorgehensweise lässt sich das Bestrahlen mit einem Elektronenstrahl aus einer ersten Richtung und aus einer zweiten Richtung auf einfache Weise dadurch erreichen, dass der Substrathalter mit einem einfachen Kippmechanismus versehen wird. Ein auf diese Weise modifizierter Aufbau kann nahezu mit allen kommerziell erhältlichen Rasterelektronenmikroskopen kombiniert werden.According to this Course of action the irradiation with an electron beam from a first Direction and from a second direction in a simple way Achieve that substrate holder with a simple tilting mechanism is provided. A structure modified in this way can be almost with all commercially available Scanning electron microscopes are combined.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der Schritt des Kippens des Elektronenstrahls so ausgeführt, dass der Kippwinkel weniger als 2° beträgt.According to another preferred embodiment, the step of tilting the electron beam is carried out so that the tilt angle Weni ger than 2 °.

Gemäß dieser Vorgehensweise wird die Einfallsrichtung des auf das Substrat des Halbleiterwafers treffenden Elektronenstrahls nur geringfügig geändert. Damit sind keine Modifikationen, beispielsweise in der Elektronenstrahloptik, die die Tiefenschärfe der Abbildung des Elektronenstrahls auf die Oberseite des Halbleiterwafers beeinflussen können, notwendig.According to this Proceeding will be the direction of incidence of the substrate on the Semiconductor wafer striking electron beam only slightly changed. In order to are not modifications, for example in electron beam optics, the depth of field the image of the electron beam on the top of the semiconductor wafer can influence, necessary.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der Schritt des Kippens des Elektronenstrahls so ausgeführt, dass der Kippwinkel ungefähr 0,5° beträgt.According to one another preferred embodiment For example, the step of tilting the electron beam is performed so that the tilt angle about 0.5 °.

Gemäß dieser Vorgehensweise wird sichergestellt, dass nur kleine Verschiebungen des Elektronenstrahls in die zweite Richtung ausgeführt werden müssen. Dadurch müssen keine Justiersequenzen der Elektronenstrahlquelle zum Substrathalter nach dem Kippen ausgeführt werden, insbesondere kann sichergestellt werden, dass das Messfenster der ersten und der zweiten Messung übereinstimmen.According to this Procedure ensures that only small shifts of the electron beam in the second direction must be performed. Thereby have to no adjustment sequences of the electron beam source to the substrate holder executed after tilting In particular, it can be ensured that the measurement window the first and second measurements match.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die erste Richtung senkrecht zur Vorderseite des Halbleiterwafers gewählt.According to one preferred embodiment the first direction perpendicular to the front side of the semiconductor wafer selected.

Eine Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl, der senkrecht zur Oberfläche des zu bestrahlenden Objekts ausgeführt wird, ist eine übliche Anordnung bei einem Rasterelektronenmikroskop. Somit lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren auf einfache Weise durchführen.A Irradiation with an electron beam perpendicular to the surface of the executed to be irradiated object is is a common one Arrangement with a scanning electron microscope. Thus can be the inventive method perform in a simple manner.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst der Schritt des Bereitstellens des Halbleiterwafers das Bereitstellen eines auf der Vorderseite des Halbleiterwafers angeordneten Speicherzellenfeldes mit Gräben für Grabenkondensatoren und Kontaktlöchern, wobei das Speicherzellenfeld im Bereich der Grabenkondensatoren und/oder Kontaktlochebenen die Struktur mit Spalten bildet.According to one another preferred embodiment The step of providing the semiconductor wafer comprises Providing one arranged on the front side of the semiconductor wafer Memory cell array with trenches for trench capacitors and contact holes, wherein the memory cell array in the region of the trench capacitors and / or contact hole planes forming the structure with columns.

Gemäß dieser Vorgehensweise lässt sich das Verfahren für einen dynamischen Speicher mit wahlfreiem Zugriff anwenden, bei dem bei fortschrittlichen Herstellungsverfahren häufig Grabenkondensatoren eingesetzt werden, die äquidistant beabstandet sind.According to this Course of action the procedure for apply dynamic random access memory trench capacitors commonly used in advanced manufacturing processes be used, the equidistant are spaced.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Spalten mit einer Breite von kleiner als 110 nm vorgesehen.According to one another preferred embodiment the columns are provided with a width of less than 110 nm.

Gemäß dieser Vorgehensweise lässt sich das Verfahren bei Speicherzellenfeldern anwenden, deren Strukturauflösung so gering ist, dass eine Positionierung des Substrathalters in einem Messfenster nur mit sehr großen Schwierigkeiten durchführbar ist.According to this Course of action the method applies to memory cell arrays whose structure resolution is so low is that a positioning of the substrate holder in one Measuring window only with very large Difficulties are feasible.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Spalten mit einer Breite von ungefähr 70 nm vorgesehen.According to one another preferred embodiment For example, the columns are provided with a width of about 70 nm.

Gemäß dieser Vorgehensweise lässt sich das Verfahren bei modernsten Herstellungsverfahren von Speicherzellenfeldern anwenden.According to this Course of action The process is based on state-of-the-art production processes of memory cell arrays apply.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden nach dem Schritt des Bestimmens der Kanten der Spalten folgende Schritte ausgeführt:

  • – Zurückkippen des Elektronenstrahls um den Kippwinkel;
  • – Verschieben des Halbleiterwafers auf dem Substrathalter, um den Halbleiterwafer in einem weiteren Messfenster auszurichten;
  • – Bestrahlen der Oberfläche des Halbleiterwafers in dem anderen Messfenster mit dem Elektronenstrahl aus der ersten Richtung;
  • – Detektieren der Spalten im weiteren Messfenster gestreuten Elektronen mit dem Detektor, um ein drittes Intensitätsprofil der gestreuten Elektronen als drittes Messergebnis zu bestimmen; und
  • – Bestimmen der Abmessungen der Struktur anhand des dritten Intensitätsprofils.
According to another preferred embodiment, following the step of determining the edges of the columns, the following steps are performed:
  • - tilt back the electron beam by the tilt angle;
  • - Moving the semiconductor wafer on the substrate holder to align the semiconductor wafer in another measuring window;
  • - irradiating the surface of the semiconductor wafer in the other measurement window with the electron beam from the first direction;
  • - Detecting the columns scattered in the further measurement window scattered electrons with the detector to determine a third intensity profile of the scattered electrons as the third measurement result; and
  • - Determining the dimensions of the structure based on the third intensity profile.

Gemäß dieser Vorgehensweise wird das erste Messergebnis und das zweite Messergebnis dazu verwendet, den Halbleiterwafer in einem weiteren Messfenster auszurichten. Dieses weitere Messfenster kann so gewählt werden, dass es dem durch die Lageungenauigkeit beim Verschieben des Halbleiterwafers auf dem Substrathalter ursprünglich angepeilten Messfenster entspricht. Das Vermessen der Abmessungen der Struktur mit den Spalten erfolgt anhand des dritten Intensitätsprofils. Dies kann besonders vorteilhaft bei einer automatischen Mustererkennung eingesetzt werden, da die automatische Mustererkennung oftmals von einem vorherbestimmten Referenzmuster ausgeht, das innerhalb des Messfensters angeordnet werden muß.According to this The procedure becomes the first measurement result and the second measurement result used the semiconductor wafer in another measurement window align. This additional measurement window can be chosen that it is due to the inaccuracy of position when moving the semiconductor wafer originally on the substrate holder corresponds to the targeted measurement window. Measuring the dimensions The structure with the columns is based on the third intensity profile. This can be particularly advantageous in automatic pattern recognition be used, since the automatic pattern recognition often of assumes a predetermined reference pattern within the measuring window must be arranged.

Die Aufgabe wird auch durch eine Anordnung zur Vermessung einer periodischen Struktur mit einem Rasterelektronenmikroskop und einem Halbleiterwafer gelöst, die folgendes umfasst:

  • – einen Halbleiterwafer mit einer Struktur umfassend mehrere äquidistant beabstandete Spalten, die auf der Vorderseite des Halbleiterwafers ausgebildet sind, wobei die Spalten, die alle eine im wesentlichen gleiche Breite aufweisen, im wesentlichen parallel zueinander in einem jeweiligen Abstand ausgeführt sind, der im wesentlichen gleich der Breite der Spalten ist;
  • – ein Substrathalter auf dem der Halbleiterwafer abgelegt ist, wobei der Substrathalter geeignet ist, den Halbleiterwafer aufzunehmen und den Halbleiterwafer in einem Rasterelektronenmikroskop relativ zu einem Elektronenstrahl;
  • – ein Rasterelektronenmikroskop, das Mittel zum Bestrahlen der Vorderseite des Halbleiterwafers in einem Messfenster mit dem Elektronenstrahl und Mittel zum Detektieren der an der Struktur in dem Messfenster gestreuten Elektronen umfasst; und
  • – Mittel zum Kippen des Elektronenstrahls.
The object is also achieved by an arrangement for measuring a periodic structure with a scanning electron microscope and a semiconductor wafer, comprising:
  • A semiconductor wafer having a structure comprising a plurality of equidistantly spaced columns formed on the front side of the semiconductor wafer, the columns all having a substantially equal width being substantially parallel to each other at a respective pitch substantially equal to that of FIG Width of the columns is;
  • A substrate holder is deposited on which the semiconductor wafer, wherein the substrate holder is adapted to receive the semiconductor wafer and the half conductor wafer in a scanning electron microscope relative to an electron beam;
  • A scanning electron microscope comprising means for irradiating the front side of the semiconductor wafer in a measuring window with the electron beam and means for detecting the electrons scattered on the structure in the measuring window; and
  • - Means for tilting the electron beam.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.preferred Further developments of the invention are specified in the subclaims.

Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:The The invention will now be described with reference to the accompanying drawings. In show the drawing:

1 ein Flussdiagramm der Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens; 1 a flow chart of the steps of the method according to the invention;

2 schematisch eine periodische Struktur mit Spalten auf einem Halbleiterwafer in einer Seitenansicht; 2 schematically a periodic structure with columns on a semiconductor wafer in a side view;

3 schematisch in einer Querschnittsansicht die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens benötigten Teile umfassend ein Rasterelektronenmikroskop und einen Halbleiterwafer; 3 schematically in a cross-sectional view the parts required for carrying out the method according to the invention comprising a scanning electron microscope and a semiconductor wafer;

4 schematisch ein Diagramm eines ersten Intensitätsprofils; 4 schematically a diagram of a first intensity profile;

5 schematisch in einer weiteren Querschnittsansicht die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens benötigten Teile umfassend ein Rasterelektronenmikroskop und einen Halbleiterwafer; 5 schematically in a further cross-sectional view of the parts required for carrying out the method according to the invention parts comprising a scanning electron microscope and a semiconductor wafer;

6 schematisch in einer weiteren Querschnittsansicht die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens benötigten Teile umfassend ein Rasterelektronenmikroskop und einen Halbleiterwafer; 6 schematically in a further cross-sectional view of the parts required for carrying out the method according to the invention parts comprising a scanning electron microscope and a semiconductor wafer;

7 schematisch ein Diagramm eines zweiten Intensitätsprofils; und 7 schematically a diagram of a second intensity profile; and

8 weitere Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand eines Flussdiagramms. 8th further steps of the method according to the invention with reference to a flow chart.

Das Verfahren zur Vermessung einer periodischen Struktur auf einem Halbleiterwafer mit einem Rasterelektronenmikroskop nach der Erfindung wird im Folgenden anhand eines Flussdiagramms, das in 1 dargestellt ist, erläutert. Die Bestimmung von Abmessungen einer Struktur auf einem Halbleiterwafer ist ein wichtiger Aspekt bei der Qualitätskontrolle, um die einzelnen Prozess-Schritte der Halbleiterfertigung überwachen zu können. Diese Messungen werden in der Technik auch als CD-SEM (critical dimension scanning electron microscopie, Rasterelektronenmikroskopie kritischer Abmessungen) bezeichnet.The method for measuring a periodic structure on a semiconductor wafer with a scanning electron microscope according to the invention will be described below with reference to a flow chart, which is shown in FIG 1 is illustrated explained. The determination of dimensions of a structure on a semiconductor wafer is an important aspect in quality control in order to be able to monitor the individual process steps of the semiconductor fabrication. These measurements are also referred to in the art as CD-SEM (critical dimension scanning electron microscopy, critical dimension scanning electron microscopy).

Ausgangspunkt des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ein Halbleiterwafer mit einer periodischen Struktur, wie in 2 dargestellt, sowie ein Rasterelektronenmikroskop und ein Substrathalter, der geeignet ist, den Halbleiterwafer aufzunehmen. Dieser Aufbau ist in 3 gezeigt.Starting point of the method according to the invention is a semiconductor wafer with a periodic structure, as in 2 and a scanning electron microscope and a substrate holder adapted to receive the semiconductor wafer. This construction is in 3 shown.

Der Halbleiterwafer 5 weist auf der Vorderseite eine Struktur 10 auf. Ein Beispiel dieser Struktur 10 ist in 2 gezeigt. Die Struktur 10 umfasst mehrere äquidistant beabstandete Spalten 12, die auf der Vorderseite des Halbleiterwafers ausgebildet sind. Die Spalten weisen alle eine im wesentlichen gleiche Breite 14 auf und sind im wesentlichen parallel zueinander in einem jeweiligen Abstand 16 ausgeführt. Der Abstand 16 ist im wesentlichen gleich der Breite 14 der Spalten 12. Somit ergibt sich die periodische Struktur 10 mit äquidistant beabstandeten Spalten 12.The semiconductor wafer 5 has a structure on the front 10 on. An example of this structure 10 is in 2 shown. The structure 10 includes several equidistant spaced columns 12 formed on the front side of the semiconductor wafer. The columns all have a substantially equal width 14 on and are substantially parallel to each other at a respective distance 16 executed. The distance 16 is substantially equal to the width 14 the columns 12 , This results in the periodic structure 10 with equidistant spaced columns 12 ,

Eine Ausführungsform dieser Struktur 10 ist beispielsweise ein auf der Vorderseite des Halbleiterwafers 5 angeordnetes Speicherzellenfeld eines dynamischen Speichers mit wahlfreiem Zugriff (DRAM). Das Speicherzellenfeld eines DRAMs weist zu Beginn des Herstellungsprozesses auf der Vorderseite Gräben auf, die für die Bildung von Grabenkondensatoren verwendet werden. Im Bereich zwischen den Gräben werden in späteren Prozess-Schritten Auswahltransistoren gebildet. Bei fortschrittlichen Technologien zur DRAM-Herstellung sind Gräben mit einer Breite 14 von beispielsweise 110 nm oder 70 nm vorgesehen. Der Abstand 16 beträgt ebenfalls 110 nm oder 70 nm, so dass das Speicherzellenfeld im Bereich der Grabenkondensatoren die periodische Struktur 10 mit Spalten 12 bildet.An embodiment of this structure 10 For example, one is on the front of the semiconductor wafer 5 arranged memory cell array of a dynamic random access memory (DRAM). The memory cell array of a DRAM has at the beginning of the manufacturing process on the front trenches, which are used for the formation of trench capacitors. In the area between the trenches, selection transistors are formed in later process steps. Advanced DRAM manufacturing technologies include trenches with a width 14 provided, for example, 110 nm or 70 nm. The distance 16 is also 110 nm or 70 nm, so that the memory cell array in the region of the trench capacitors, the periodic structure 10 with columns 12 forms.

Ebenso weisen Speicherzellenfelder von DRAMs Kontaktlöcher auf, die beispielsweise zum Anschluss des Auswahltransistors an eine darüber liegende Metall-Leitung vorgesehen sind. Das Speicherzellenfeld bildet somit als weiteres Beispiel im Bereich der Kontaktlochebenen die Struktur 10 mit Spalten 12.Likewise, memory cell arrays of DRAMs have contact holes, which are provided, for example, for connecting the selection transistor to an overlying metal line. The memory cell array thus forms the structure as a further example in the area of the contact hole levels 10 with columns 12 ,

Das Rasterelektronenmikroskop 20 umfasst eine Elektronenstrahlquelle 22 und einen Detektor 24, wie in 3 gezeigt. Die Elektronenstrahlquelle 22 ist üblicherweise mit einer Fokussiereinrichtung 25 versehen, die einen von der Elektronenstrahlquelle 22 emittierten Elektronenstrahl bei spielsweise mittels Elektromagneten bündelt. Der Detektor 24 umfasst eine auf Elektronen sensitive Messeinrichtung. Rasterelektronenmikroskope und deren Komponenten sind in der Technik allgemein bekannt, so dass auf eine genaue Erläuterung hier verzichtet werden kann.The scanning electron microscope 20 includes an electron beam source 22 and a detector 24 , as in 3 shown. The electron beam source 22 is usually with a focusing device 25 provided one from the electron beam source 22 emitted electron beam bundles with example by means of electromagnets. The detector 24 includes an electron sensitive measuring device. Scanning electron microscopes and their components are well known in the art, so that a detailed explanation is omitted here can.

Der Substrathalter 26 ist geeignet, den Halbleiterwafer 5 aufzunehmen, und den Halbleiterwafer 5 im Rasterelektronenmikroskop 20 relativ zur Elektronenstrahlquelle 22 auszurichten. Somit ergibt sich ein Aufbau, wie in 3 gezeigt. Die Elektronenstrahlquelle 22 wird oberhalb des Substrathalters 26 angebracht und der Detektor 24 seitlich vom Substrathalter, so dass ein von der Elektronenstrahlquelle 22 emittierter Elektronenstrahl auf die Oberseite des Substrathalters 26 fokussiert wird, ohne vom Detektor 24 gestört zu werden.The substrate holder 26 is suitable for the semiconductor wafer 5 and the semiconductor wafer 5 in a scanning electron microscope 20 relative to the electron beam source 22 align. This results in a structure, as in 3 shown. The electron beam source 22 is above the substrate holder 26 attached and the detector 24 laterally from the substrate holder so that one from the electron beam source 22 emitted electron beam on top of the substrate holder 26 is focused without the detector 24 to be disturbed.

In einem ersten Schritt 100 wird ein Halbleiterwafer 5 bereitgestellt. Der Halbleiterwafer weist auf der Vorderseite eine periodische Struktur auf, wie sie in Zusammenhang mit 2 diskutiert wurde.In a first step 100 becomes a semiconductor wafer 5 provided. The semiconductor wafer has a periodic structure on the front as related to 2 was discussed.

Im nächsten Schritt 102 wird ein Rasterelektronenmikroskop 20 bereitgestellt. Das Rasterelektronenmikroskop 20 umfasst, wie in 3 gezeigt, eine Elektronenstrahlquelle 22 und einen Detektor 24.In the next step 102 becomes a scanning electron microscope 20 provided. The scanning electron microscope 20 includes, as in 3 shown an electron beam source 22 and a detector 24 ,

Im nächsten Schritt 104 wird ein Substrathalter 26 bereitgestellt, auf dem nachfolgend im nächsten Schritt 106 der Halbleiterwafer 5 auf dem Substrathalter 26 abgelegt wird. Die Vorderseite der Struktur 10 befindet sich nach dem Ablegen des Halbleiterwafers auf der der Elektronenstrahlquelle 22 zugewandten Seite. Der Substrathalter 26 ermöglicht das Ausrichten des Halbleiterwafers 5, indem der Halbleiterwafer 5 relativ zu einem Elektronenstrahl durch Verschieben positioniert wird.In the next step 104 becomes a substrate holder 26 provided on the following in the next step 106 the semiconductor wafer 5 on the substrate holder 26 is filed. The front of the structure 10 is located after the deposition of the semiconductor wafer on the electron beam source 22 facing side. The substrate holder 26 Allows the alignment of the semiconductor wafer 5 by the semiconductor wafer 5 is positioned relative to an electron beam by shifting.

Anschließend erfolgt im nächsten Schritt 108 des Verfahrens ein Bestrahlen der Vorderseite des Halbleiterwafers 5 in einem Messfenster mit einem Elektronenstrahl 28 aus einer ersten Richtung. Das Messfenster wird sowohl durch die Fokussierung des Elektronenstrahls als auch durch die Justage oder Ausrichtung des Halbleiterwafers 5 relativ zum Elektronenstrahl bestimmt. Üblicherweise weisen Rasterelektronenmikroskope nur einen begrenzten Abtastbereich auf, der vom Messfenster abgedeckt wird. Die erste Richtung wird in diesem Beispiel so gewählt, dass der Elektronenstrahl senkrecht auf der Vorderseite des Halbleiterwafers auftrifft.Subsequently, in the next step 108 of the method, irradiating the front side of the semiconductor wafer 5 in a measurement window with an electron beam 28 from a first direction. The measuring window is determined both by the focusing of the electron beam and by the adjustment or alignment of the semiconductor wafer 5 determined relative to the electron beam. Usually, Scanning Electron Microscopes have only a limited scanning range, which is covered by the measuring window. The first direction is chosen in this example so that the electron beam strikes perpendicular to the front of the semiconductor wafer.

Danach werden im nächsten Schritt 110 des Verfahrens die an der Struktur 10 im Messfenster gestreuten Elektronen 36 mit dem Detektor 24 detektiert. Dadurch wird ein erstes Intensitätsprofil 30 der gestreuten Elektronen 36 als erstes Messergebnis bestimmt.After that, in the next step 110 the process of the structure 10 electrons scattered in the measuring window 36 with the detector 24 detected. This will produce a first intensity profile 30 the scattered electrons 36 determined as the first measurement result.

In 4 ist schematisch das Intensitätsprofil 30 gezeigt, wobei die Lage der Struktur 10 anhand gestrichelter Linien miteingezeichnet ist, um die Interpretation des Intensitätsprofils 30 zu erleichtern. Im Bereich des Bodens 40 der Spalten 12 und auf der ebenen Oberseite 42 des Halbleiterwafers außerhalb der Spalten 12 weist das Intensitätsprofil 30 nahezu den gleichen Wert auf. Es ist somit nicht möglich, diese beiden Bereich mittels eines automatischen Auswerteprogramms zu unterscheiden. Im Bereich der Kanten der Spalten 12 weist das Intensitätsprofil 30 zum Bereich des Bodens höhere Werte auf, die, wie in 4 gezeigt, als lokale Maxima 38 im Intensitätsprofil 30 zu erkennen sind.In 4 is schematically the intensity profile 30 shown the location of the structure 10 with dashed lines to the interpretation of the intensity profile 30 to facilitate. In the area of the soil 40 the columns 12 and on the flat top 42 of the semiconductor wafer outside the columns 12 has the intensity profile 30 almost the same value. It is thus not possible to distinguish these two areas by means of an automatic evaluation program. In the area of the edges of the columns 12 has the intensity profile 30 to the area of the soil higher values, which, as in 4 shown as local maxima 38 in the intensity profile 30 can be seen.

Eine Bestimmung der Abmessung der Struktur wäre anhand dieses Messergebnisses für eine periodische Struktur sehr schwierig. Insbesondere führt – wie eingangs erwähnt – eine geringe Fehljustage des Substrathalters 26 zu einer Verschiebung des Messfensters, wodurch bei sehr feinen Strukturabmessungen eine Fehlzuordnung von den Bereichen 40 der Spalten und den Bereichen 42 der ebenen Oberflächen außerhalb der Spalten 12 möglich ist. Damit würden bei der CD-SEM falsche Werte bestimmt und somit der Herstellungsprozess falsch charakterisiert werden.Determining the dimension of the structure would be very difficult on the basis of this measurement result for a periodic structure. In particular, as mentioned above, a slight misalignment of the substrate holder results 26 to a displacement of the measuring window, whereby at very fine structural dimensions, a misallocation of the areas 40 the columns and the areas 42 the flat surfaces outside the columns 12 is possible. This would cause wrong values to be determined for the CD-SEM and thus the manufacturing process to be incorrectly characterized.

Im nächsten Schritt 112 wird der Elektronenstrahl in eine zweite Richtung gekippt. Die zweite Richtung bildet mit der ersten Richtung einen Kippwinkel 32. Der Kippwinkel wird im Bereich kleiner als ungefähr 2° festgelegt, z.B. beträgt der Kippwinkel etwa 0,5°.In the next step 112 The electron beam is tilted in a second direction. The second direction forms a tilt angle with the first direction 32 , The tilt angle is set in the range less than about 2 °, for example, the tilt angle is about 0.5 °.

Das Kippen des Elektronenstahls kann auf mehrere Arten durchgeführt werden. Zum einen ist es möglich, den Substrathalter 26 relativ zum Elektronenstrahl um den Kippwinkel 32 zu kippen, wie in 5 gezeigt ist. Zum anderen ist es aber auch denkbar, die Elektronenstrahlquelle 22 um den Kippwinkel 32 relativ zum Substrathalter zu kippen. Dies ist in 6 gezeigt.The tilting of the electron beam can be done in several ways. For one, it is possible to use the substrate holder 26 relative to the electron beam about the tilt angle 32 to tilt, as in 5 is shown. On the other hand, it is also conceivable, the electron beam source 22 around the tilt angle 32 tilt relative to the substrate holder. This is in 6 shown.

Unabhängig davon, wie das Kippen des Elektronenstrahls durchgeführt wird, ist es jedoch wichtig, dass das Messfenster nicht verschoben wird. Dazu ist es notwendig, dass sich der gedachte Drehpunkt auf der Oberseite des Halbleiterwafers befindet. Andernfalls würde das Kippen auch zu einer Verschiebung des Messfensters führen. Kommerzielle Rasterelektronenmikroskop weisen oftmals eine Möglichkeit auf, die Elektronenstrahlquelle 22 zu kippen. Falls dies jedoch nicht vorgesehen ist, wird durch einen kippbaren Substrathalter eine gleichwertige Alternative geschaffen.Regardless of how the tilting of the electron beam is performed, however, it is important that the measurement window is not displaced. For this purpose, it is necessary that the imaginary pivot is located on the top of the semiconductor wafer. Otherwise, the tilting would also lead to a shift of the measuring window. Commercial scanning electron microscopes often have a possibility of electron beam source 22 to tilt. However, if this is not provided, a tiltable substrate holder will provide an equivalent alternative.

Im nächsten Schritt 114 wird ein Bestrahlen der Vorderseite des Halbleiterwafers 5 mit der Struktur mit dem Elektronenstrahl aus der zweiten Richtung durchgeführt.In the next step 114 is an irradiation of the front side of the semiconductor wafer 5 performed with the structure with the electron beam from the second direction.

Nachfolgend werden als nächster Schritt 116 die an der Oberfläche des Halbleiterwafers gestreuten Elektronen 36 im Detektor 24 detektiert. Als zweites Messergebnis wird ein zweites Intensitätsprofil 34 der gestreuten Elektronen 36 bestimmt.Below is the next step 116 which are scattered on the surface of the semiconductor wafer ten electrons 36 in the detector 24 detected. The second measurement result is a second intensity profile 34 the scattered electrons 36 certainly.

In 7 ist schematisch das zweite Intensitätsprofil 34 gezeigt, wobei wiederum darunter die nunmehr gekippte Struktur 10 mit dem Kippwinkel 34 eingezeichnet ist. Im Bereich des Bodens der Spalten 12 und auf der ebenen Oberseite des Halbleiterwafers weist das Intensitätsprofil 30 erneut den gleichen Wert auf. Im Bereich der Kanten der Spalten 12 weist das Intensitätsprofil 34 wiederum lokale Maxima auf. Diese sind jedoch für gegenüberliegende Kanten einer Spalte 12 unterschiedlich hoch. Eine Kante, die durch die Kippung dem Elektronenstrahl zugewendet ist, weist einen anderen Wert des lokalen Intensitätsmaximums 38' auf, als diejenige Kante, die durch das Kippen "im Schatten" des Elektronenstrahls liegt und somit kaum mehr von Elektronen bestrahlt wird. Der Wert des lokalen Intensitätsmaximums 38'' weist in 7 einen niedrigeren Wert auf.In 7 is schematically the second intensity profile 34 shown, again below the now tilted structure 10 with the tilt angle 34 is drawn. In the area of the bottom of the columns 12 and on the planar top of the semiconductor wafer has the intensity profile 30 again the same value. In the area of the edges of the columns 12 has the intensity profile 34 turn on local maxima. However, these are for opposite edges of a column 12 different high. An edge that faces the electron beam as a result of the tilting has a different value of the local intensity maximum 38 ' on, as that edge, which lies by the tilting "in the shadow" of the electron beam and thus hardly any more of electrons is irradiated. The value of the local intensity maximum 38 '' points in 7 a lower value.

Im nächsten Schritt 116 wird die Lage der Spalten aus dem Unterschied des erstes Intensitätsprofils 30 und des zweiten Intensitätsprofils 34 bestimmt. Aufgrund der unterschiedlichen Maxima 38' und 38'' im zweiten Intensitätsprofil 34 ist die Lage der Spalten nunmehr bekannt und es erfolgt eine Zuordnung der nahezu identischen Werte im ersten Intensitätsprofil 30 zum Bereich 40 des Bodens der Spalten 12 und zum Bereich 42 der ebenen Oberseite des Halbleiterwafers außerhalb der Spalten 12. Die Bestimmung der Abmessungen der Struktur 10 erfolgt somit bei bekannter Lage der Spalten 12, so dass eine Fehlzuordnung ausgeschlossen ist.In the next step 116 the position of the columns is the difference of the first intensity profile 30 and the second intensity profile 34 certainly. Due to the different maxima 38 ' and 38 '' in the second intensity profile 34 the position of the columns is now known and there is an assignment of the almost identical values in the first intensity profile 30 to the area 40 the bottom of the columns 12 and to the area 42 the planar top of the semiconductor wafer outside the columns 12 , The determination of the dimensions of the structure 10 takes place with a known position of the columns 12 , so that a misallocation is excluded.

Wie oben erwähnt, wird das Messfenster zur Bestimmung des ersten Intensitätsprofils 30 dadurch bestimmt, dass der Halbleiterwafer mittels des Substrathalters 26 und der Fokussiereinrichtung 25 relativ zum Elektronenstrahl in einer Messposition ausgerichtet wird. Der Fehler in der Lagegenauigkeit ist beim Ausrichten des Halbleiterwafers oftmals größer als die Breite der Spalten 12. Dies ist insbesondere bei der Vermessung von Speicherzellenfeldern mit sehr feiner Strukturauflösung von weniger als 110 nm wichtig, Wenn die Messposition zur Bestimmung des ersten Intensitätsprofils 30 in einem Bereich nahe des Rands des Speicherzellenfeldes ausgewählt wird, lässt sich unter Umständen anhand des bekannten Schaltungslayouts eine Zuordnung zwischen dem Bereich des Bodens der Spalten 12 und dem Bereich der ebenen Oberseite des Halbleiterwafers treffen. Dazu müssten sämtliche Spalten bis zum Rand des Speicherzellenfeldes im Messfenster liegen, um die Intensitätsmaxima des ersten Intensitätsprofils 30 abzählen zu können. Diese Vorgehensweise wäre jedoch umständlich und zeitaufwändig.As mentioned above, the measurement window for determining the first intensity profile 30 characterized in that the semiconductor wafer by means of the substrate holder 26 and the focusing device 25 is aligned relative to the electron beam in a measuring position. The error in registration is often greater than the width of the columns when aligning the semiconductor wafer 12 , This is particularly important in the measurement of memory cell arrays with very fine structural resolution of less than 110 nm, If the measuring position for determining the first intensity profile 30 is selected in a region near the edge of the memory cell array, can be based on the known circuit layout, an association between the area of the bottom of the columns 12 and the area of the planar upper side of the semiconductor wafer. For this purpose, all the columns would have to lie to the edge of the memory cell array in the measurement window to the intensity maxima of the first intensity profile 30 to be able to count. This approach would be cumbersome and time consuming.

Das Verfahren gemäß der Erfindung ermöglicht eine einfache Bestimmung der Abmessungen der Spalten 12. Das Verfahren ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Messposition zur Bestimmung des ersten Intensitätsprofils in einem Bereich weniger nahe am Rand des Speicherzellenfeldes ausgewählt wird.The method according to the invention allows a simple determination of the dimensions of the columns 12 , The method is particularly advantageous if the measuring position for determining the first intensity profile is selected in a region less close to the edge of the memory cell array.

In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens werden nach dem Schritt 118 zur Bestimmung der Lage der Spalten 12 noch weitere Schritte ausgeführt, die nachfolgend beschrieben werden. Dieses Verfahren eignet sich insbesondere für eine automatisierte Bestimmung der kritischen Abmessungen von Strukturen.In a further embodiment of the method, after step 118 for determining the position of the columns 12 still carry out further steps, which are described below. This method is particularly suitable for automated determination of the critical dimensions of structures.

Das Messfenster zur Bestimmung des erstes Intensitätsprofils 30 und des zweiten Intensitätsprofils 34 muss im vorliegenden Fall nur mit einer reduzierten Genauigkeit vorliegen und dient nur zur Grobjustage des Halbleiterwafers.The measurement window for determining the first intensity profile 30 and the second intensity profile 34 must be present in the present case only with a reduced accuracy and is only used for coarse adjustment of the semiconductor wafer.

Zuerst erfolgt, wie in 8 gezeigt ist, in einem weiteren Schritt 120 ein Zurückkippen des Elektronenstrahls um den Kippwinkel 32, und zwar, wie oben beschrieben, durch Kippen des Substrathalter 26 oder Kippen der Elektronenstrahlquelle 22.First, as in 8th is shown in a further step 120 a tilt back of the electron beam by the tilt angle 32 , as described above, by tilting the substrate holder 26 or tilting the electron beam source 22 ,

Durch Verschieben des Halbleiterwafers 5 auf dem Substrathalter 26 wird im nächsten Schritt 122 der Halbleiterwafer 5 in einem weiteren Messfenster ausgerichtet. Das weitere Messfenster wird dabei so gewählt, dass unter Verwendung der nunmehr bekannten Lage der Spalten 12 eine Übereinstimmung des weiteren Messfensters mit einem Referenzmuster erreicht wird. Das Referenzmuster wird üblicherweise in einer Auswerteeinheit, die die Messergebnisse vom Detektor 24 empfängt, abgelegt.By moving the semiconductor wafer 5 on the substrate holder 26 will be in the next step 122 the semiconductor wafer 5 aligned in another measurement window. The further measuring window is chosen so that, using the now known position of the columns 12 a match of the further measurement window is achieved with a reference pattern. The reference pattern is usually in an evaluation unit, which receives the measurement results from the detector 24 receives, filed.

Nachfolgend wird im Schritt 124 die Vorderseite des Halbleiterwafers 5 in dem weiteren Messfenster mit dem Elektronenstrahl 28 aus der ersten Richtung bestrahlt.The following is in the step 124 the front side of the semiconductor wafer 5 in the further measuring window with the electron beam 28 irradiated from the first direction.

Anschließend werden im Schritt 126 die im weiteren Messfenster gestreuten Elektronen mit dem Detektor 24 detektiert. Als drittes Messergebnis wird ein drittes Intensitätsprofil der gestreuten Elektronen bestimmt. Dieses Messergebnis weist nun eine Übereinstimmung mit dem Referenzmuster auf und kann nachfolgend im Schritt 128 zur Bestimmung der Abmessungen der Struktur 10 anhand des dritten Intensitätsprofils herangezogen werden.Subsequently, in the step 126 the scattered electrons in the further measuring window with the detector 24 detected. As the third measurement result, a third intensity profile of the scattered electrons is determined. This measurement result now has a match with the reference pattern and can subsequently in step 128 for determining the dimensions of the structure 10 be used on the basis of the third intensity profile.

Das in Zusammenhang mit der 8 beschriebene Verfahren eignet sich sowohl zur Verwendung mit Rasterelektronenmikroskopen verschiedener Hersteller als auch mit gleichartigen Rasterelektronenmikroskopen, die jeweils eine unterschiedliche Kalibrierung ihrer Komponenten (wie z.B. Substrathalter und Fokussiereinrichtung) oder unterschiedliche Justiergenauigkeiten aufweisen. In einem hochvolumigen Fertigungsprozess, wie er für die Herstellung von DRAMs üblich ist, werden beispielsweise die Referenzmuster und die Position der Messfenster auf dem Halbleiterwafer zentral gespeichert und über Datenleitungen an die Rasterelektronenmikroskope verteilt.That in connection with the 8th described method is suitable both for use with scanning electron microscopes from different manufacturers as well as with similar scanning electron microscopes, each a different calibration of their components (such as substrate holder and focusing) or different Have Liche Justiergenauigkeiten. In a high-volume manufacturing process, as is customary for the production of DRAMs, for example, the reference patterns and the position of the measurement windows are stored centrally on the semiconductor wafer and distributed to the scanning electron microscopes via data lines.

Durch das Verfahren gemäß 8 ist Anfangs nur eine Grobpositionierung der Struktur relativ zum Elektronenstrahl erforderlich, die eigentliche Bestimmung der kritischen Abmessungen erfolgt erst, nachdem mittels der Verfahrensschritte 100 bis 118 die Lage der Spalten bestimmt wurde. Dadurch kann in einem hochvolumigen Fertigungsprozess eine Vielzahl von gleichen oder unterschiedlichen CD-SEM Messplätzen bereitgestellt werden, die zentral mit Messaufgaben gesteuert werden, ohne individuelle Eigenschaften der Messplätze zu berücksichtigen.By the method according to 8th Initially, only a coarse positioning of the structure relative to the electron beam is required, the actual determination of the critical dimensions takes place only after using the method steps 100 to 118 the location of the columns was determined. As a result, a large number of identical or different CD-SEM measuring stations can be provided in a high-volume manufacturing process, which are centrally controlled with measuring tasks, without taking into account individual characteristics of the measuring stations.

55
HalbleiterwaferSemiconductor wafer
1010
Strukturstructure
1212
Spaltecolumn
1414
Breite der Spaltewidth the column
1616
Abstand der Spaltedistance the column
1818
SeitenwandSide wall
2020
Rasterelektronenmikroskopscanning Electron Microscope
2222
Elektronenstrahlquelleelectron beam source
2424
Detektordetector
2525
Fokussiereinrichtungfocusing
2626
Substrathaltersubstrate holder
2828
Elektronenstrahlelectron beam
3030
erstes Intensitätsprofilfirst intensity profile
3232
Kippwinkeltilt angle
3434
zweites Intensitätsprofilsecond intensity profile
3636
gestreute Elektronenscattered electrons
38,38
38', 38" Intensitätsmaximum38 ', 38 "intensity maximum
4040
Bereich des BodensArea of the soil
4242
Bereich der ebenen OberseiteArea the flat top
100100
bis 128 Verfahrensschritteto 128 process steps

Claims (23)

Verfahren zur Vermessung einer Struktur auf einem Halbleiterwafer mit einem Rasterelektronenmikroskop, das die folgenden Schritte umfasst: – Bereitstellen eines Halbleiterwafers (5) mit einer Struktur (10) umfassend mehrere äquidistant beabstandete Vorsprünge, zwischen denen Spalten (12) auf der Vorderseite des Halbleiterwafers gebildet sind, wobei die Spalten (12), die alle eine im wesentlichen gleiche Breite (14) aufweisen, im wesentlichen parallel zueinander in einem jeweiligen Abstand (16) ausgeführt sind, der im wesentlichen gleich der Breite (14) der Spalten (12) ist; – Bereitstellen eines Rasterelektronenmikroskops (20), das eine Elektronenstrahlquelle (22) und einen Detektor (24) umfasst; – Bereitstellen eines Substrathalters (26), der geeignet ist, den Halbleiterwafer (5) aufzunehmen, und der geeignet ist, den Halbleiterwafer (5) im Rasterelektronenmikroskop relativ zur Elektronenstrahlquelle (22) auszurichten; – Ablegen des Halbleiterwafers auf dem Substrathalter (26); – Bestrahlen der Vorderseite des Halbleiterwafers (5) in einem Messfenster mit einem Elektronenstrahl (28) aus einer ersten Richtung; – Detektieren der an der Struktur (10) im Messfenster gestreuten Elektronen mit dem Detektor (24), um ein erstes Intensitätsprofil (30) der gestreuten Elektronen als erstes Messergebnis zu bestimmen; – Kippen des Elektronenstrahls in eine zweite Richtung, die mit der ersten Richtung einen Kippwinkel (32) einschließt; – Bestrahlen der Vorderseite des Halbleiterwafers mit der Struktur mit dem Elektronenstrahl aus der zweiten Richtung; – Detektieren der gestreuten Elektronen im Detektor, um ein zweites Intensitätsprofil (34) der gestreuten Elektronen als zweites Messergebnis zu bestimmen; und – Bestimmen der Lage der Spalten aus dem Unterschied des erstes Intensitätsprofils (30) und des zweiten Intensitätsprofils (34).Method for measuring a structure on a semiconductor wafer with a scanning electron microscope, comprising the following steps: - providing a semiconductor wafer ( 5 ) with a structure ( 10 ) comprising a plurality of equidistantly spaced protrusions between which gaps ( 12 ) are formed on the front side of the semiconductor wafer, the columns ( 12 ), all of a substantially equal width ( 14 ) substantially parallel to each other at a respective distance ( 16 ) are made substantially equal to the width ( 14 ) of the columns ( 12 ); Providing a scanning electron microscope ( 20 ), which is an electron beam source ( 22 ) and a detector ( 24 ); Providing a substrate holder ( 26 ), which is suitable for the semiconductor wafer ( 5 ), and which is suitable for the semiconductor wafer ( 5 ) in the scanning electron microscope relative to the electron beam source ( 22 ) to align; Depositing the semiconductor wafer on the substrate holder ( 26 ); Irradiating the front side of the semiconductor wafer ( 5 ) in a measuring window with an electron beam ( 28 ) from a first direction; - Detecting the on the structure ( 10 ) in the measuring window scattered electrons with the detector ( 24 ) to obtain a first intensity profile ( 30 ) of the scattered electrons to be determined as a first measurement result; Tilting the electron beam in a second direction, which with the first direction has a tilt angle ( 32 ) includes; - irradiating the front side of the semiconductor wafer with the structure with the electron beam from the second direction; Detecting the scattered electrons in the detector to obtain a second intensity profile ( 34 ) of the scattered electrons to be determined as a second measurement result; and determining the position of the columns from the difference of the first intensity profile ( 30 ) and the second intensity profile ( 34 ). Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des Kippens des Elektronenstrahls dadurch ausgeführt wird, dass der Substrathalter relativ zum Elektronenstrahl um den Kippwinkel gekippt wird.The method of claim 1, wherein the step of Tipping the electron beam is performed by the substrate holder tilted relative to the electron beam by the tilt angle. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des Kippens des Elektronenstrahls dadurch ausgeführt wird, dass die Elektronenstrahlquelle relativ zum Substrathalter um den Kippwinkel gekippt wird.The method of claim 1, wherein the step of Tipping the electron beam is performed by the electron beam source tilted relative to the substrate holder by the tilt angle. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Schritt des Kippens des Elektronenstrahls so ausgeführt wird, dass der Kippwinkel weniger als 2° beträgt.Method according to one of claims 1 to 3, wherein the step the tilting of the electron beam is performed so that the tilt angle less than 2 °. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem der Schritt des Kippens des Elektronenstrahls so ausgeführt wird, dass der Kippwinkel ungefähr 0,5° beträgt.The method of claim 4, wherein the step of Tipping the electron beam is carried out so that the tilt angle approximately 0.5 °. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die erste Richtung senkrecht zur Vorderseite des Halbleiterwafers gewählt wird.Method according to one of claims 1 to 5, wherein the first Direction is selected perpendicular to the front of the semiconductor wafer. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der Schritt des Bereitstellens des Halbleiterwafers (5) mit der Struktur (10) umfasst: Bereitstellen eines auf der Vorderseite des Halbleiterwafers (5) angeordnetem Speicherzellenfeldes mit Gräben für Grabenkondensatoren und Kontaktlöchern, wobei das Speicherzellenfeld im Bereich der Grabenkondensatoren und/oder Kontaktlöchern die Struktur (10) mit Spalten (12) bildet.Method according to one of claims 1 to 6, wherein the step of providing the semiconductor wafer ( 5 ) with the structure ( 10 ) comprises: providing on the front side of the semiconductor wafer ( 5 ) arranged memory cell array with trenches for trench capacitors and contact holes, wherein the memory cell array in the region of Trench capacitors and / or contact holes the structure ( 10 ) with columns ( 12 ). Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Spalten mit einer Breite (14) von weniger als 110 nm vorgesehen sind.The method of claim 7, wherein the columns are of width ( 14 ) of less than 110 nm are provided. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die Spalten mit einer Breite (14) von ungefähr 70 nm vorgesehen sind.The method of claim 8, wherein the columns are of width ( 14 ) of about 70 nm are provided. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei dem das Messfenster zur Bestimmung des ersten Intensitätsprofils (30) dadurch bestimmt wird, dass der Halbleiterwafer mittels des Substrathalters (26) relativ zum Elektronenstrahl in einer Messposition ausgerichtet wird, wobei der Fehler in der Lagegenauigkeit beim Ausrichten des Halbleiterwafers größer ist als die Breite der Spalten (12).Method according to one of claims 7 to 9, wherein the measuring window for determining the first intensity profile ( 30 ) is determined by the fact that the semiconductor wafer by means of the substrate holder ( 26 ) is aligned relative to the electron beam in a measuring position, wherein the error in the positional accuracy when aligning the semiconductor wafer is greater than the width of the columns ( 12 ). Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Messposition zur Bestimmung des ersten Intensitätsprofils in einem Bereich nahe des Rands des Speicherzellenfeldes ausgewählt wird.The method of claim 10, wherein the measuring position for determining the first intensity profile in a region is selected near the edge of the memory cell array. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Messposition zur Bestimmung des ersten Intensitätsprofils in einem Bereich weniger nahe am Rand des Speicherzellenfeldes ausgewählt wird.The method of claim 10, wherein the measuring position for determining the first intensity profile in a region is selected less near the edge of the memory cell array. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem nach dem Schritt des Bestimmens der Kanten der Spalten (12) folgende Schritte ausgeführt werden: – Zurückkippen des Elektronenstrahls um den Kippwinkel; – Verschieben des Halbleiterwafers (5) auf dem Substrathalter (26), um den Halbleiterwafer (5) in einem weiteren Messfenster auszurichten; – Bestrahlen der Oberfläche des Halbleiterwafers (5) in dem weiteren Messfenster mit dem Elektronenstrahl (28) aus der ersten Richtung; – Detektieren der Spalten (10) im weiteren Messfenster gestreuten Elektronen mit dem Detektor (24), um ein drittes Intensitätsprofil (30) der gestreuten Elektronen als drittes Messergebnis zu bestimmen; und – Bestimmen der Abmessungen der Struktur (10) anhand des dritten Intensitätsprofils.Method according to one of claims 1 to 12, wherein after the step of determining the edges of the columns ( 12 ) the following steps are carried out: tilting back the electron beam by the tilt angle; Shifting the semiconductor wafer ( 5 ) on the substrate holder ( 26 ) to the semiconductor wafer ( 5 ) in another measuring window; Irradiating the surface of the semiconductor wafer ( 5 ) in the further measuring window with the electron beam ( 28 ) from the first direction; - Detecting the columns ( 10 ) in the further measuring window scattered electrons with the detector ( 24 ) to obtain a third intensity profile ( 30 ) of the scattered electrons to be determined as a third measurement result; and determining the dimensions of the structure ( 10 ) based on the third intensity profile. Anordnung zur Vermessung einer Struktur mit einem Rasterelektronenmikroskop und einem Halbleiterwafer umfassend: – einen Halbleiterwafer (5) mit einer Struktur (10) umfassend mehrere äquidistant beabstandete Vorsprünge, zwischen denen Spalten (12) auf der Vorderseite des Halbleiterwafers gebildet sind, wobei die Spalten (12), die alle eine im wesentlichen gleiche Breite (14) aufweisen, im wesentlichen parallel zueinander in einem jeweiligen Abstand (16) ausgeführt sind, der im wesentlichen gleich der Breite (14) der Spalten (12) ist; – ein Substrathalter (26) auf dem der Halbleiterwafer abgelegt ist, wobei der Substrathalter geeignet ist, den Halbleiterwafer (5) aufzunehmen und den Halbleiterwafer (5) relativ zu einem Elektronenstrahl; – ein Rasterelektronenmikroskop (20), das eine Elektronenstrahlquelle zum Bestrahlen der Vorderseite des Halbleiterwafers (5) in einem Messfenster mit dem Elektronenstrahl (28) und einen Detektor zum Detektieren der an der Struktur (10) in dem Messfenster gestreuten Elektronen umfasst; und – Mittel zum Kippen des Elektronenstrahls, um den Elektronenstrahl in eine erste Richtung und in eine zweite Richtung zu kippen, wobei die erste Richtung und die zweite Richtung einen Kippwinkel einschließen.Arrangement for measuring a structure with a scanning electron microscope and a semiconductor wafer, comprising: a semiconductor wafer ( 5 ) with a structure ( 10 ) comprising a plurality of equidistantly spaced protrusions between which gaps ( 12 ) are formed on the front side of the semiconductor wafer, the columns ( 12 ), all of a substantially equal width ( 14 ) substantially parallel to each other at a respective distance ( 16 ) are made substantially equal to the width ( 14 ) of the columns ( 12 ); A substrate holder ( 26 ) is deposited on the semiconductor wafer, wherein the substrate holder is adapted to the semiconductor wafer ( 5 ) and the semiconductor wafer ( 5 ) relative to an electron beam; A scanning electron microscope ( 20 ) comprising an electron beam source for irradiating the front side of the semiconductor wafer ( 5 ) in a measuring window with the electron beam ( 28 ) and a detector for detecting the at the structure ( 10 ) comprises electrons scattered in the measurement window; and means for tilting the electron beam to tilt the electron beam in a first direction and in a second direction, the first direction and the second direction including a tilt angle. Anordnung nach Anspruch 14, bei der das Mittel zum Kippen des Elektronenstrahls geeignet ist, den Substrathalter relativ zum Elektronenstrahl um den Kippwinkel zu kippen.Arrangement according to claim 14, wherein the means for Tipping the electron beam is suitable, the substrate holder relative to tilt the electron beam by the tilt angle. Anordnung nach Anspruch 14, bei der das Mittel zum Kippen des Elektronenstrahls geeignet ist, die Elektronenstrahlquelle relativ zum Substrathalter um den Kippwinkel zu kippen.Arrangement according to claim 14, wherein the means for Tipping the electron beam is suitable, the electron beam source relative to the substrate holder to tilt by the tilt angle. Anordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, bei der der Kippwinkel weniger als 2° beträgt.Arrangement according to one of claims 14 to 16, wherein the Tilt angle is less than 2 °. Anordnung nach Anspruch 17, bei der der Kippwinkel ungefähr 0,5° beträgt.Arrangement according to claim 17, wherein the tilt angle approximately 0.5 °. Anordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 18, bei der die erste Richtung senkrecht zur Vorderseite des Halbleiterwafers vorgesehen ist.Arrangement according to one of claims 14 to 18, in which the first direction provided perpendicular to the front side of the semiconductor wafer is. Anordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 19, bei der der Halbleiterwafers (5) eines auf der Oberseite des Halbleiterwafers (5) angeordnetem Speicherzellenfeldes mit Gräben für Grabenkondensatoren und Kontaktlöchern, wobei das Speicherzellenfeld im Bereich der Grabenkondensatoren und/oder Kontaktlöchern die Spalten der Struktur (10) aufweist.Arrangement according to one of Claims 14 to 19, in which the semiconductor wafer ( 5 ) one on top of the semiconductor wafer ( 5 ) arranged memory cell array with trenches for trench capacitors and contact holes, wherein the memory cell array in the region of the trench capacitors and / or contact holes, the columns of the structure ( 10 ) having. Anordnung nach Anspruch 20, bei der die Spalten mit einer Breite (14) von weniger als 110 nm vorgesehen sind.Arrangement according to claim 20, wherein the columns are of width ( 14 ) of less than 110 nm are provided. Anordnung nach Anspruch 21, bei der die Spalten mit einer Breite (14) von ungefähr 70 nm vorgesehen sind.Arrangement according to Claim 21, in which the columns are of a width ( 14 ) of about 70 nm are provided. Anordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 22, bei der der Detektor zum Detektieren der gestreuten Elektronen seitlich vom Substrathalter angeordnet ist, so dass der Elektronenstrahl den Weg zwischen der Elektronenstrahlquelle und dem Substrathalter ungehindert passiert.Arrangement according to one of claims 14 to 22, wherein the detector for detecting the scattered electrons is arranged laterally of the substrate holder, so that the electron beam, the path between the electron beam source and the Subst Rathalter passed unhindered.
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