DE102004006258B4

DE102004006258B4 - Verfahren zum Angleichen von zwei Messverfahren für die Messung von Strukturbreiten auf einem Substrat

Info

Publication number: DE102004006258B4
Application number: DE102004006258A
Authority: DE
Inventors: Manfred Mört; Thomas Dr. Hingst
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Qimonda AG
Priority date: 2004-02-09
Filing date: 2004-02-09
Publication date: 2007-08-02
Anticipated expiration: 2024-02-10
Also published as: US7230241B2; DE102004006258A1; US20050189489A1

Abstract

Verfahren zum Angleichen eines ersten Messverfahrens zum Messen von Strukturbreiten von sich trapezförmig verjüngenden Strukturen auf einer Substratscheibe an ein zweites Messverfahren zur Messung der Strukturbreiten, um miteinander vergleichbare Messwerte für die Strukturbreite zu erhalten,
wobei das zweite Messverfahren geeignet ist, eine zweite Strukturbreite (X_CD ⁽²⁾) in einer unbekannten zweiten Höhe (h₂) über der Oberfläche des Substrats zu messen, und
wobei das erste Messverfahren geeignet ist, um eine erste Strukturbreite (X_CD ⁽¹⁾) in einer ersten Höhe (h₁) zu messen, wobei die erste Höhe (h₁) einstellbar ist, mit folgenden Schritten:
– Messen der ersten Strukturbreite einer Teststruktur mit dem ersten Messverfahren bei einer vorbestimmten ersten Höhe (h₁);
– Bestimmen mindestens eines weiteren Parameters mit dem ersten Messverfahren, um die Trapezform der Teststruktur vollständig zu beschreiben;
– Messen der zweiten Strukturbreite (X_CD ⁽²⁾) der Teststruktur mit dem zweiten Messverfahren;
– Bestimmen der zweiten Höhe (h₂) aus der ersten Strukturbreite...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Angleichen von zwei Messverfahren zur Messung von Strukturbreiten, insbesondere zur Messung von Strukturbreiten von sich trapezförmig verjüngenden Strukturen.
Bei der Messung von Strukturbreiten von einer auf einer Substratoberfläche eines Substrats aufgebrachten Struktur mit integrierten Schaltungen kommt es zu Abweichungen, wenn Strukturbreiten mit verschiedenen Messverfahren bzw. Messgeräte gemessen werden. Der Grund hierfür liegt darin, dass die Strukturbreiten bei verschiedenen Höhen bzgl. der Substratoberfläche gemessen werden. Dies führt neben dem verfahrensspezifischen bzw. gerätespezifischen Messwertunterschied in der Regel zu einem voneinander abweichenden Verhalten des Messwertzuwachses, insbesondere bei den trapezförmigen Strukturen, wenn der Seitenwandwinkel der trapezförmigen Struktur von der Strukturbreite abhängt. Dies erweist sich als besonders nachteilig für die notwendige Übereinstimmung bei einer Vielzahl von unterschiedlichen Messgeräten und Messverfahren innerhalb einer hochvolumigen Produktion, wobei die erhaltenen Messwerte miteinander vergleichbar sein sollen.
Insbesondere treten Messwertunterschiede auf, wenn Strukturbreiten mit Hilfe eines Elektronenstrahlverfahrens und mit Hilfe eines optischen Verfahrens ermittelt werden.
Bisher konnte der systematische Messwertabgleich durch Vergleichen mit Querschnitts-Aufnahmen der Struktur durchgeführt werden, z.B. mittels Rasterelektronenmikroskopie. Hierbei ist nachteilig, dass der hohe Präparationsaufwand für die Anfertigung von Querschnitten der zu untersuchenden Struktur zeitaufwendig ist. Zudem kann es bei kleinen Strukturbreiten (un ter 100 nm) beim Messen der durch das Rasterelektronenmikroskop erstellten Querschnitts-Aufnahmen zu Auswertefehlern kommen.

Die US 2002/0090744 A1 offenbart ein Verfahren zum Messen von Parametern einer Struktur, wobei sowohl ein scatterometerisches Messverfahren als auch ein elektrostrahlenmikroskopisches Messverfahren verwendet wird, um gemessene Werte zu optimieren. Ein weiterer Stand der Technik ist in den Druckschriften WO 03/081 662 A1, WO 03/073 494 A2, WO 03/074 995 A2, WO 02/13 232 A2 offenbart.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Angleichen von zwei unterschiedlichen Messverfahren zur Messung von Strukturgrößen zur Verfügung zu stellen, das auf einfache Weise durchgeführt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 gelöst.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Angleichen eines ersten Messverfahrens zum Messen von Strukturbreiten von sich trapezförmig verjüngenden Strukturen auf einer Substratscheibe an ein zweites Messverfahren zur Messung der Strukturbreiten vorgesehen. Dies dient dazu, miteinander vergleichbare Messwerte für die Strukturbreite zu erhalten. Das zweite Messverfahren ist geeignet, eine zweite Strukturbreite in einer unbekannten zweiten Höhe über der Oberfläche des Substrats zu messen. Das erste Messverfahren ist dagegen geeignet, eine erste Strukturbreite in einer ersten Höhe zu messen, wobei die erste Höhe einstellbar ist. Zunächst wird mit dem ersten Messverfahren bei einer vorbestimmten ersten Höhe, die eingestellt wird, die erste Strukturbreite einer Teststruktur gemessen. Bei diesem Messverfahren kann mindes tens ein weiterer Parameter bestimmt werden, mit dessen Hilfe die Trapezform der Teststruktur vollständig beschrieben wird. Mit Hilfe des zweiten Messverfahrens wird die zweite Strukturbreite der Teststruktur bei einer unbekannten Höhe bzgl. der Substratoberfläche, auf der die Messstruktur aufgebracht ist, gemessen. Die zweite Höhe wird aus der ersten Strukturbreite, der vorbestimmten Höhe der zweiten Strukturbreite sowie aus mindestens einem weite ren Parameter bestimmt. Die erste Höhe des ersten Messverfahrens wird auf den Wert der zweiten Höhe eingestellt, um das erste Messverfahren an das zweite Messverfahren anzugleichen.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, ein Messverfahren, bei dem eine Strukturbreite in einer bestimmten, einstellbaren Höhe gemessen werden kann, an ein Messverfahren, dass die Strukturbreite in einer unbekannten Höhe misst, anzugleichen. Dies dient dazu, beide Messverfahren parallel in einer hochvolumigen Produktion zu verwenden, so dass nicht für alle Messungen dasselbe Messverfahren verwendet werden muss. Es wird dabei die Messhöhe des ersten Messverfahrens, bei dem die Strukturhöhe eingestellt werden kann, so angeglichen, dass die Messhöhe, bei der das erste Messverfahren misst, an die Messhöhe des zweiten Messverfahrens angeglichen wird. Zuvor wird die zweite Höhe aus den bei den zuvor durchgeführten ersten und zweiten Messverfahren ermittelten Strukturbreiten bestimmt.

Als Ergebnis erhält man zwei Messverfahren, bei denen die Messhöhe, bei denen das erste Messverfahren misst, eingestellt werden kann, so dass das erste Messverfahren an das zweite Messverfahren angeglichen ist. Sind beide Messverfahren aneinander angeglichen, so sind die mit ihnen gemessenen Strukturbreiten vergleichbar, so dass diese nebeneinander für die Messung und Kontrolle von Strukturbreiten in einer hochvolumigen Produktion verwendet werden können.

Vorzugsweise ist das erste Messverfahren ein optisches Messverfahren, insbesondere ein auf Reflektometrie oder Ellipsometrie basierendes scatterometrisches Messverfahren, das die Messung einer Strukturbreite in einer bestimmten Höhe erlaubt und das zweite Messverfahren ein elektronenstrahlmikroskopisches Messverfahren, dass die Strukturbreite in einer unbekannten Höhe über der Substratoberfläche misst.

Der mindestens eine Parameter zum Bestimmen der Trapezform der Teststruktur kann zweckmäßigerweise den Seitenwandwinkel und/oder die Strukturbreite einer weiteren Höhe umfassen. Wesentlich bei dem Bestimmen des weiteren Parameters ist, dass dieser Parameter geeignet ist, die Trapezform eindeutig zu bestimmen. Durch die bekannte Trapezform der zu vermessenden Struktur ist es möglich, die Höhe, bei der das zweite Messverfahren die zweite Strukturbreite gemessen hat, zu bestimmen.

Das Bestimmen des mindestens einen weiteren Parameters in dem ersten Messverfahren kann auf einem zugrundeliegenden Modell basieren, das geeignet ist, von einem oder mehreren Messwerten bei einer bestimmten Messhöhe auf die zugrundeliegende Querschnittsstruktur der zu messenden Teststruktur zu schließen.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Veranschaulichung der Messung einer Strukturbreite einer trapezförmigen Struktur auf einem Substrat mit Hilfe eines optischen Verfahrens;
2 eine Veranschaulichung der Messung der Strukturbreite mit Hilfe eines Elektronenstrahlmikroskopverfahrens;
3 eine Darstellung einer Korrelationsfunktion, mit der die mit Hilfe des Elektronenmikroskopmessverfahrens und die mit Hilfe des optischen Messverfahrens gemessenen Strukturbreiten ineinander umgerechnet werden können;
4 die Veränderung des Seitenwandwinkels in Abhängigkeit von der Strukturbreite; und
5 eine Veranschaulichung der Anpassung des optischen Messverfahrens an das Elektronenmikroskopmessverfahren.
Bei den Herstellungsverfahren der Halbleitertechnologie werden auf einem Substrat Strukturen erzeugt, die integrierte Schaltungen bilden. Bei der Herstellung von Strukturen, die sich auf der Substratoberfläche befinden und von dieser abstehen, bilden sich üblicherweise trapezförmige Querschnitte der Strukturen aus, d. h. Strukturen, die sich mit zunehmender Höhe über der Substratoberfläche verjüngen.
Zur Überwachung der Herstellungsprozesse ist die Messung der Strukturbreiten solcher Strukturen essenziell und daher werden die Strukturbreiten von Teststrukturen regelmäßig durch Messen überprüft. Die Messergebnisse dienen zur Bewertung eines der vorangehenden Prozessschritte und sind entscheidende Eingangsparameter für nachfolgende Prozesse bzgl. der Lithographie- und Ätztechnik.
Da bei der Herstellung von integrierten Schaltungen eine große Anzahl von Wafern parallel prozessiert wird, kann es vorkommen, dass die Messung der Strukturbreiten mit verschiedenen Messverfahren bzw. mit verschiedenen Messeinrichtungen durchgeführt wird. Obwohl die verwendeten Messverfahren im Einzelnen sehr genau sind, treten hinsichtlich der Höhenlage Abweichungen zwischen den Messverfahren auf. Die Höhenlage gibt an, in welcher Höhe der Struktur über der Substratoberfläche die Strukturbreite gemessen wird. Wird eine Struktur in verschiedenen Höhen vermessen, so kommt es aufgrund des trapezförmigen Querschnitts der Struktur zu unterschiedlichen Messergebnissen.
So ist in 1 die Messung der Strukturbreite mit Hilfe eines optischen Verfahrens, z. B. mit Hilfe eines Scatterometrie-Verfahren dargestellt. Der Doppelpfeil, der mit X_CD ⁽ ¹⁾ beschriftet ist, gibt die Strukturbreite bei einer ersten Höhe h₁ an.
In 2 ist die Messung der Strukturbreite X_CD ⁽²⁾ an einer zweiten Höhe h₂ dargestellt, wobei die Messung mit Hilfe ei nes Elektronenstrahlmikroskopie-Verfahren, z. B. CDSEM, durchgeführt wird. Mit der Messung mit dem Elektronenstrahlmikroskopie-Verfahren kann üblicherweise die Strukturbreite X_CD ⁽²⁾ bei einer bestimmten Höhe h₂ bestimmt werden, wobei die Höhe h₂ nicht exakt bekannt ist. Es sei darauf hingewiesen, dass die hochgestellten Indizes ⁽¹⁾ und ⁽²⁾ die unterschiedlichen Messverfahren kennzeichnen.
Die erste und die zweite Höhe h₁, h₂ sind meistens unterschiedlich, so dass bei derselben vermessenen Struktur unterschiedliche Werte für die Strukturbreite ermittelt werden.
Bei Strukturen unterschiedlicher Breite ergibt sich bei Vergleichen der Strukturbreiten, die mit unterschiedlichen Messverfahren gemessen wurden, neben einem Offset, der sich u.a. aus der unterschiedlichen Messhöhe der Messverfahren ergibt, auch eine Abweichung der linearen Korrelation zwischen den beiden Messwerten. Dies ist in der Funktionsdarstellung der 3 dargestellt. Man erkennt, dass entgegen den Erwartungen der Anstieg der Korrelationsgeraden für die Messwerte, die mit den beiden Messverfahren aufgenommen worden sind, eine Steigung ungleich 1 ergibt, die durch die Veränderung der trapezförmigen Struktur, abhängig von der Strukturbreite bedingt ist.
Wie in 4 dargestellt, erkennt man, dass der Seitenwandwinkel α umso größer ist, je kleiner die Strukturbreite X_CD der zu vermessenden Struktur ist. So beträgt bei der Strukturbreite X_CD1 der Seitenwandwinkel α₁ und bei einer Strukturbreite X_CD2 der Seitenwandwinkel α₂. Häufig beobachtete Prozessvariationen ergeben auch Strukturen, bei denen die obere Seitenlänge konstant bleibt und die untere Seitenlänge des Trapezes gestreckt wird. Die tiefgestellten Ziffern ₁ und ₂ kennzeichnen unterschiedliche Strukturbreiten.
Vergleicht man die Messwerte der beiden Messverfahren und trägt diese gegeneinander auf, so ergibt sich ein lineares Verhalten, sowie eine Veränderung des Seitenwandwinkels α.
Die Steigung k hängt dabei von der Höhendifferenz h der Messhöhe h₁ des ersten Messverfahrens gegenüber der Messhöhe h₂ des zweiten Messverfahrens ab. Es ergibt sich: xCD (2 ) = k·xCD ( 1 ) + x0,wobei x₀ ein prinzipieller Offset zwischen beiden Messverfahren ist, der beispielsweise durch Aufladungen beim Elektronenstrahlmikroskopmessverfahren hervorgerufen wird, und wobei k ein Korrelationsfaktor zwischen den beiden Messverfahren ist.
Ein Abgleich ist erfolgt, wenn man die Messlage so angepasst hat, dass der Korrelationsfaktor, d. h. die Steigung der Geraden nahezu k = 1 beträgt und nur noch der konstante Offset X₀ auftaucht. Die Differenz zwischen den mit den unterschiedlichen Verfahren gemessenen Strukturbreiten ist nicht mehr abhängig von der vorhandenen Strukturbreite, sondern stets konstant.
Beim optischen Messverfahren kann man neben der Strukturbreite auch zusätzliche Informationen über den Seitenwandwinkel α und dergleichen erhalten, um die trapezförmige Struktur vollständig geometrisch zu beschreiben. Daraus lässt sich der Lageunterschied in der Messhöhe h₁, h₂ zwischen beiden Messverfahren ermitteln, und anschließend über Veränderung der Auswertungsparameter systematisch anpassen.
Der Kotangens des Seitenwandwinkels α hängt wie folgt von der mit dem ersten Messverfahren gemessenen Strukturbreite ab:
Aus der in der obigen Gleichung beschriebenen Linearität erhält man:
bzw. zusammengefasst
Bei der oben beschriebenen Art der Transformation von Strukturen unterschiedlicher Strukturbreite ergibt sich also eine neue direkte Proportionalität zwischen dem Kotangens α und dem Wert der mit dem ersten Messverfahren gemessenen Strukturbreite x_CD ⁽¹⁾.
Durch Auswertung der Steigung und/oder des Ordinatenabschnitts y₀ lässt sich der Höhenunterschied der Messlage berechnen.
Somit ist es möglich, aus Kenntnis des Zusammenhangs zwischen dem Kotangens α und dem Wert des mit dem ersten Messverfahren gemessenen Strukturbreite x_CD ⁽¹⁾ den Höhenunterschied h zwischen den Messwerten für die Strukturbreiten, die mit dem ersten und dem zweiten Messverfahren gemessen worden sind, zu ermitteln.
Um die beiden Messverfahren aneinander anzugleichen, ist es daher, wie in 5 anschaulich gemacht, möglich, das erste Messverfahren, das ein optisches Messverfahren ist, so einzu stellen, dass das optische Messverfahren in der gleichen Messhöhe h₁ = h₂ die Strukturbreite X_CD ⁽¹⁾ misst, in der auch das zweite Messverfahren, das Elektronenmikroskopmessverfahren, die Strukturbreite X_CD ⁽²⁾ misst. Durch das Angleichen der beiden Messverfahren ist es möglich, diese parallel bei der Herstellung von integrierten Bausteinen zu verwenden, z. B. zur Kontrolle von einzelnen Prozessschritten und dergleichen.
Die oben beschriebene Vorgehensweise kann als Software realisiert werden, die das Angleichen der Messverfahren unterstützt.

Claims

Verfahren zum Angleichen eines ersten Messverfahrens zum Messen von Strukturbreiten von sich trapezförmig verjüngenden Strukturen auf einer Substratscheibe an ein zweites Messverfahren zur Messung der Strukturbreiten, um miteinander vergleichbare Messwerte für die Strukturbreite zu erhalten, wobei das zweite Messverfahren geeignet ist, eine zweite Strukturbreite (X_CD ⁽²⁾) in einer unbekannten zweiten Höhe (h₂) über der Oberfläche des Substrats zu messen, und wobei das erste Messverfahren geeignet ist, um eine erste Strukturbreite (X_CD ⁽¹⁾) in einer ersten Höhe (h₁) zu messen, wobei die erste Höhe (h₁) einstellbar ist, mit folgenden Schritten: – Messen der ersten Strukturbreite einer Teststruktur mit dem ersten Messverfahren bei einer vorbestimmten ersten Höhe (h₁); – Bestimmen mindestens eines weiteren Parameters mit dem ersten Messverfahren, um die Trapezform der Teststruktur vollständig zu beschreiben; – Messen der zweiten Strukturbreite (X_CD ⁽²⁾) der Teststruktur mit dem zweiten Messverfahren; – Bestimmen der zweiten Höhe (h₂) aus der ersten Strukturbreite (X_CD ⁽¹⁾), der vorbestimmten Höhe, der zweiten Strukturbreite (X_CD ⁽²⁾), sowie aus dem mindestens einen weiteren Parameter; – Einstellen der ersten Höhe (h₁) des ersten Messverfahrens auf den Wert der zweiten Höhe (h2), um das erste Messverfahren an das zweite Messverfahren anzugleichen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das zweite Messverfahren ein Elektronenstrahlmikroskopisches Verfahren und/oder das erste Messverfahren ein optisches Messverfahren, insbesondere ein auf Ellipsometrie oder Reflek tometrie basierendes scatterometrisches Messverfahren, ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der mindestens eine Parameter zum Bestimmen der Trapezform der Teststruktur, den Seitenwandwinkel und/oder die Strukturbreite bei einer weiteren Höhe umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Bestimmen des mindestens einen weiteren Parameter in dem ersten Messverfahren auf einem zugrundeliegenden Modell basiert.