DE102004047307B4

DE102004047307B4 - Verfahren zur Untersuchung einer strukturierten Probenoberfläche

Info

Publication number: DE102004047307B4
Application number: DE200410047307
Authority: DE
Inventors: Martin Verhoeven
Original assignee: Qimonda AG
Current assignee: Polaris Innovations Ltd
Priority date: 2004-09-29
Filing date: 2004-09-29
Publication date: 2009-05-28
Anticipated expiration: 2024-09-30
Also published as: DE102004047307A1

Abstract

Verfahren zur Untersuchung einer strukturierten Probenoberfläche (10) mit den Schritten:
– Einstrahlen eines Primärionenstrahls (2) auf die Probenoberfläche (10), wobei ein Sekundärionenstrahl (14) aus von der Probenoberfläche (10) abgetragenem Material erzeugt wird;
– Beschleunigen der Sekundärionen des Sekundärionenstrahls (14) in einem elektrischen Feld;
– Ermitteln von Messdatenfeldern, welche
– die Flugzeit eines Sekundärions von der Probenoberfläche (10) bis zu einer Nachweiseinrichtung (18), und
– den Anteil der entsprechenden Sekundärionen umfassen;
– Ermitteln einer Größe d aus der Flugzeit, wobei die Größe d angibt, welchen Abstand der Bereich der Oberfläche (10), aus dem das Sekundärion ausgelöst worden ist, zu einer Referenzfläche hat; und
– Erhalten eines Ergebnisses, das einen Anteil A(d) der Probenoberfläche (10) mit Abstand d zu der Referenzfläche angibt.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Untersuchung einer strukturierten Probenoberfläche, das heißt, einer Probenoberfläche, die Vertiefungen aufweist, die beispielsweise durch Ätzvorgänge erzeugt worden sind.
Bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen wie beispielsweise DRAM-Speicherbausteinen ("Dynamic Random Access Memory", dynamischer Speicher-Lese-Speicher mit wahlfreiem Zugriff), logischen Schaltungen, optoelektronischen Bauelementen oder MEMS ("Micro-Electro-Mechanical System", mikroelektromechanische Systeme) werden die zugehörigen integrierten Schaltungen zunächst auf Waferebene prozessiert. Nach Beendigung der Fertigungsschritte wird der Wafer in Chips vereinzelt, die jeweils die entsprechenden Schaltungen enthalten, und zur Herstellung der Halbleiterbauelemente in geeignete Gehäuse verpackt.
Zur Herstellung von DRAM-Speicherbausteinen durchläuft der Wafer beispielsweise eine Vielzahl von Strukturierungsschritten, bei denen unter anderem Schichten abgeschieden und insbesondere Vertiefungen in die Substratoberfläche geätzt werden.
Für die Weiterentwicklung bestehender Prozesse und Produkte sowie die Qualitätskontrolle bei der Fertigung sind Metrologie-Verfahren von besonderer Bedeutung. Durch sie wird beispielsweise nach Durchführung eines Ätzschritts überprüft, ob die geätzte Vertiefung die vorgegebene Tiefe und Breite auf weist. Ferner können durch Metrologie-Verfahren auftretende Verunreinigungen, beispielsweise beim Ätzen nicht vollständig entfernte Bereiche, nachgewiesen werden. Die durch die Metrologie-Verfahren gewonnenen Erkenntnisse dienen einerseits der Überwachung der einzelnen Prozessschritte, um sicherzustellen, dass die prozessierten Strukturen die notwendigen Anforderungen erfüllen, andererseits der Prozessoptimierung, da beispielsweise aufgrund der gewonnenen Erkenntnisse für nachfolgend zu bearbeitende Wafer die Ätzparameter verändert werden.
Derzeit übliche Metrologie-Verfahren umfassen beispielsweise die Rasterkraftmikroskopie und andere Rastersondenverfahren sowie die physikalische Fehleranalyse, die insbesondere die Rasterelektronenmikroskopie oder FIB-Verfahren ("focussed ion beam" – Untersuchung mit fokussierten Ionenstrahlen) umfassen. Gerade die Verfahren der physikalischen Fehleranalyse geben zwar ein tatsächliches Bild oder Profil der erzeugten Strukturen wieder, sie haben aber insbesondere den Nachteil, dass für die Durchführung derartiger Untersuchungsverfahren der Wafer zersägt und damit zerstört werden muss, wodurch die praktische Anwendbarkeit eingeschränkt wird.
Bei der Rasterkraftmikroskopie tritt einerseits das Problem auf, dass es aufgrund der Auswertealgorithmen schwierig ist, Gräben mit einer besonders kleinen Breite zu vermessen. Ferner verfälschen die Spitzenform der Sonde sowie der verwendete Abtastmechanismus das Messergebnis. Auch ist es schwierig, in Gräben mit einem besonders hohen Verhältnis von Tiefe zu Breite (Aspektverhältnis) Verunreinigungen am Boden nachzuweisen.
Bei Untersuchungsverfahren, bei denen ein sehr kleiner Ausschnitt der Probenoberfläche abgerastert wird, tritt darüber hinaus auch das Problem auf, dass sich sehr niedrige Signalpegel und daraus folgend niedrige Signal-Rauschverhältnisse ergeben.
Ein weiteres gebräuchliches Messverfahren ist beispielsweise die IRSE (spektroskopische Ellipsometrie mit Infrarot-Strahlen). Durch IRSE-Verfahren lassen sich zwar die Tiefe in vertikalen Strukturen sowie insbesondere Dicken abgeschiedener Schichten ermitteln, die Vermessung von Profilen ist jedoch nicht möglich. Insbesondere ist es aufgrund der großen Wellenlänge der verwendeten Infrarotstrahlung unmöglich, Gräben mit einer kleinen Grabenbreite zu vermessen.
Aus der US 6,713,760 B2 ist ein Verfahren zum massenspektroskopischen Nachweis von Verunreinigungen in einer Oberflächen-Oxidschicht auf einem Halbleiter-Wafer bekannt.
In der US 2003/0104639 A1 ist ein Verfahren zur Inspektion geätzter Kontaktlöcher beschrieben, bei dem das jeweilige Kontaktloch mit einem Elektronenstrahl beaufschlagt wird. Das Verhältnis reflektierter zu absorbierter Elektronen ist abhängig von der Tiefe des jeweiligen Kontaktlochs. Der durch den absorbierten Anteil des Elektronenstrahls induzierte elektrische Strom wird ausgewertet und daraus auf die Tiefe der Ätzung des Kontaktlochs zurückgeschlossen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Untersuchung einer strukturierten Probenoberfläche bereitzustellen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Untersuchung einer strukturierten Probenoberfläche mit den Schritten:

– Einstrahlen eines Primärionenstrahls auf die Probenoberfläche, wobei ein Sekundärionenstrahl aus von der Probenoberfläche abgetragenen Material erzeugt wird;
– Beschleunigen der Sekundärionen des Sekundärionenstrahls in einem elektrischen Feld;
– Ermitteln von Messdatenfeldern, welche
– die Flugzeit eines Sekundärions von der Probenoberfläche bis zu einer Nachweiseinrichtung, und
– den Anteil der entsprechenden Sekundärionen umfassen;
– Ermitteln einer Größe d aus der Flugzeit, wobei die Größe d angibt, welchen Abstand der Bereich der Oberfläche, aus dem das Sekundärion ausgelöst worden ist, zu einer Referenzfläche hat; und
– Erhalten eines Ergebnisses, das einen Anteil A(d) der Probenoberfläche mit Abstand d zu der Referenzfläche angibt, gelöst.

Die vorliegende Erfindung stellt somit ein Verfahren bereit, mit dem unter Ausnutzung eines TOF-Verfahrens („time of flight"), das heißt durch Messung der Flugzeit der erzeugten Sekundärionen, das Oberflächenprofil einer Probe untersucht werden kann. Als Ergebnis wird eine Verteilung erhalten, die angibt, welcher Anteil der Probenoberfläche welchen Abstand zu einer Referenzfläche aufweist. Die Referenzfläche kann dabei beispielsweise die Substratoberfläche vor Erzeugung der zu vermessenden Vertiefungen oder die Substratrückseite oder eine horizontale Fläche sein, die beispielsweise die höchsten oder tiefsten Punkte der Probenoberfläche miteinander verbindet. „Probenoberfläche" bezeichnet dabei die strukturierte Oberfläche und schließt beispielsweise den freiliegenden Boden eines geätzten Grabens ein.
Die Sekundärionen werden aus dem freiliegenden Oberflächenmaterial ausgelöst, wenn der Primärionenstrahl auf die Probenoberfläche eintrifft. Da die Flugzeit der Sekundärionen von der Probenoberfläche zu einer Nachweiseinrichtung von der zurückzulegenden Strecke und damit von dem Abstand des Bereichs der Oberfläche, aus dem das Sekundärion ausgelöst worden ist, zu einer Referenzfläche, abhängt, lässt sich aus der Flugzeit dieser Abstand ermitteln.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren ferner den Schritt zum konformen Aufbringen einer Schicht aus einem Opfermaterial. vor dem Schritt zum Einstrahlen des Primärionenstrahls.
Die Opferschicht hat üblicherweise eine Schichtdicke von 1 bis 2 Atomlagen. Durch diese Opferschicht können vorteilhafterweise materialbedingte Einflüsse auf das Messergebnis ausgeschlossen werden, die auftreten können, wenn an der Probenoberfläche verschiedene Materialien vorliegen. Dadurch wird insbesondere die Auswertung des Messergebnisses besonders einfach.
Vorzugsweise umfasst das erfindungsgemäße Verfahren weiterhin den Schritt zum Ermitteln der Masse der Sekundärionen, so dass die Messdatenfelder die Masse eines Sekundärions, die Flugzeit des Sekundärions von der Probenoberfläche bis zu der Nachweiseinrichtung sowie den Anteil der entsprechenden Sekundärionen umfassen, wobei ein Ergebnis erhalten wird, das einen Anteil A(d, m) angibt, aus dem ableitbar ist, welcher Anteil der Probenoberfläche welchen Abstand zu der Referenzfläche hat und mit welchem Material belegt ist.
Unter Ausnutzung eines TOF-SIMS-Verfahrens („time of flight – secondary ion mass spectroscopy", Flugzeit-Sekundärionenmassenspektroskopie) werden somit Restmaterialien auf der strukturierten Probenoberfläche und insbesondere in Vertiefungen der Probenoberfläche mit einem großen Aspektverhältnis nachgewiesen, indem sowohl Masse als auch Flugzeit von Sekundärionen analysiert werden. Die Erfassung der Masse der Sekundärionen ist insbesondere dann wichtig, wenn die Probenoberfläche mit mehreren Materialsorten belegt ist, damit aus der Flugzeit, die von Flugstrecke und Masse abhängt, eindeutig die Flugstrecke und damit der Abstand d ermittelt werden kann.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird ermöglicht, eine Probenoberfläche zerstörungsfrei und sehr schnell zu untersuchen. Bei der Erzeugung der Sekundärionen werden ungefähr 1 bis 2 Atomlagen des Oberflächenmaterials abgetragen, wodurch die Oberfläche letztendlich nicht angegriffen wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine gleichzeitige Untersuchung des Teils der Probenoberfläche, auf den der Primärionenstrahl auftrifft.
Dabei ist bevorzugt, dass der Durchmesser des Primär-Ionenstrahls größer als 3 μm ist. Bei einer derartigen Größe kann eine Vielzahl von zu untersuchenden Strukturen gleichzeitig untersucht werden. Beispielsweise können bei Untersuchung einer DRAM-Speicherzelle mit einer Fläche von 8F², wobei F etwa 100 nm beträgt, mehrere Hundert Speicherzellen und damit geätzte Grabenstrukturen gleichzeitig vermessen werden.
Dadurch ergibt sich einerseits der Vorteil, dass über eine derartig hohe Anzahl von Einzelstrukturen gemittelt werden kann, andererseits ergibt sich der Vorteil, dass durch die gleichzeitige Messung der Vielzahl von Strukturen das erfindungsgemäße Verfahren besonders schnell durchgeführt werden kann. Als Folge ergeben sich höhere Signalpegel und daraus folgend größere Signal-Rauschverhältnisse als bei herkömmlichen Abtast- bzw. Rasterverfahren, bei denen lediglich eine einzige Struktur gleichzeitig untersucht wird.
Vorzugsweise beträgt ein Einfallswinkel der Primärionen 85° bis 95° bezogen auf die Probenoberfläche beziehungsweise auf eine horizontale Oberfläche, die beispielsweise die hervor stehenden Bereiche oder Vertiefungen miteinander verbindet. Dadurch ist es möglich, auch Strukturen mit einem großen Aspektverhältnis zu untersuchen. Bei Strukturen mit einem besonders großen Aspektverhältnis ist es wichtig, dass der Einfallswinkel exakt 90° beträgt, so dass der Primärionenstrahl senkrecht auf die Probenoberfläche eintrifft, wodurch sichergestellt wird, dass die Primärionen bis zum Boden der nachzuweisenden Struktur und auch wieder zurück gelangen.
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. Es zeigen:
1 eine Draufsicht auf einen zu untersuchenden Halbleiterwafer;
2A eine Querschnittsansicht einer beispielhaften, zu untersuchenden Struktur;
2B ein beispielhaftes Messergebnis;
3A eine Querschnittsansicht auf eine weitere beispielhafte, zu untersuchende Struktur;
3B ein beispielhaftes Messergebnis; und
4 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Der linke Teil von 1 zeigt einen zu untersuchenden Wafer 1 mit einer Probenoberfläche 10. Für die nachfolgend zu be schreibende Messung sind mehrere Untersuchungsstellen 5a bis 5d an vorgegebenen Stellen angeordnet. Üblicherweise sind vier bis neun Untersuchungsstellen vorgesehen, auf die die nachfolgend zu beschreibende Messung stichprobenartig angewendet wird.
Auf der Waferoberfläche 10 sind eine Vielzahl von strukturierten Gebieten wie im rechten Teil der 1, die eine Vergrößerung des im linken Teil des in 1 gezeigten Bereichs zeigt, dargestellt, angeordnet. So sind eine Vielzahl streifenförmiger aktiver Bereiche 6 aus einkristallinem Silizium jeweils parallel zueinander angeordnet und voneinander durch Isolationsgräben 22 getrennt. Die Isolationsgräben sind beispielsweise mit Siliziumdioxid gefüllt. Eine Vielzahl von Grabenstrukturen 3 ist auf der Probenoberfläche durch Ätzen gebildet worden. Bezugszeichen 2 bezeichnet einen auftreffenden Primärionenstrahl, der bei dem nachfolgend beschriebenen Untersuchungsverfahren angewendet wird.
Die 2A und 3A zeigen jeweils beispielhafte Querschnittsansichten entlang der Linien X-X.
In 2A sind zwei Gräben 3 nebeneinander angeordnet. Die Gräben 3 weisen typischerweise eine Tiefe von etwa 5 bis 10 μm sowie eine Breite von 50 bis 250 nm auf. Typische Aspektverhältnisse von Tiefe zu Breite betragen etwa 10 bis 100. Die Gräben 3 sind in ihrem unteren Bereich beispielsweise mit polykristallinem Silizium gefüllt, und eine Verunreinigung 20 ist auf der Oberfläche dieser Füllung angeordnet. Eine derartige Verunreinigung können beispielsweise Fotolackreste sein oder aber auch nicht vollständig entferntes Polysilizium. Das erfindungsgemäße Verfahren ist aber allgemein auf beliebige Arten von Verunreinigungen wie beispielsweise auch Metalle anwendbar.
3A zeigt eine weitere beispielhafte Grabenstruktur, bei der zusätzlich ein Absatz 4 durch einen so genannten Recess-2-Ätzschritt eingefügt ist. Eine typische Breite dieses Absatzes beträgt etwa das 0,2- bis 0,8-fache der Grabenbreite, während ein typischer Abstand des Absatzes 4 von der Probenoberfläche 10 etwa 5 bis 200 nm beträgt. Zur Optimierung des erfindungsgemäßen Untersuchungsverfahrens ist eine Opferschicht 22 vorgesehen. In den 2A und 3A bezeichnet Bezugszeichen 2 jeweils einen auftreffenden Primärionenstrahl.
4 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung. Eine Iοnenquelle 7 ist vorgesehen, um einen Primärionenstrahl 2, beispielsweise aus Ar⁺-Ionen zu emittieren. Vorzugsweise umfasst die Iοnenquelle 7 einen Neutralisator 8, der geeignet ist, Elektronen zu emittieren, um den Ionenstrahl zu neutralisieren, wodurch eine Divergenz des Ionenbündels sowie eine Aufladung der Probenoberfläche, falls eine Probe aus isolierendem Material verwendet wird, zu vermeiden ist. Beispielsweise kann als Ionenquelle eine Kaufmann-Ionenquelle verwendet werden, die allgemein für reaktive Ionenätzverfahren verwendet wird.
Bei einer derartigen Ionenquelle werden von einer Heizwendel Elektronen emittiert und durch eine zwischen Heizwendel und Anode angelegte elektrische Spannung in Richtung Anode beschleunigt. Auf dem Weg dorthin ionisieren die Elektronen durch Stöße Gasatome, beispielsweise Ar-Atome. Es entsteht ein Niederdruck-Niedertemperatur-Plasma. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung U an die Extraktionsgitter werden der Ionenquelle positive Ionen entzogen und bis zu einer kinetischen Energie von etwa 1 keV beschleunigt. Eine Verschlusseinrichtung 19 ist weiterhin vorgesehen, um einen gepulsten Ionenstrahl zu erzeugen.
Der Wafer 1 ist auf einem Objekttisch 9 gelagert und wird durch eine Objekttisch-Steuerung 11 geeignet positioniert. Die Objekttisch-Steuerung 11 ist einerseits in der Lage, die entsprechenden Untersuchungsstellen 5a bis 5d unter den Primärionenstrahl 2 zu bringen (XY-Positionierung), andererseits kann sie auch eine Bewegung in Z-Richtung ausführen. Insbesondere kann die Objekttisch-Steuerung 11 den Objekttisch 9 derart steuern, dass die Probenoberfläche 10 exakt planar ausgerichtet ist und kein Verdrehen des Wafers 1 auftritt.
Beispielsweise kann eine Feinjustierung derart durchgeführt werden, dass der reflektierte Primärionenstrahl durch eine weitere Nachweiseinrichtung (nicht dargestellt) nachgewiesen wird. Die Lage des Wafers 1 wird so verändert, bis ein Maximalwert an reflektierten Primärionen nachgewiesen wird, wodurch sichergestellt wird, dass die Primärionen bis exakt zum Boden des Grabens und wieder zurück geführt werden. Ist die Waferoberfläche 10 derart feinjustiert, so kann davon ausgegangen werden, dass sie auch für die Auswertung der reflektierten Sekundärionen optimal justiert ist.
Für eine exakte Positionierung der Untersuchungsstellen 5a bis 5d werden üblicherweise für Belichtungsverfahren verwendete Alignment-Markierungen verwendet.
Die Ausrichtung des Objekttischs 9 in Z-Richtung wird durch optische Autofokusmessungen, wie sie üblicherweise bei Rasterelektronenmikroskop-Messungen verwendet werden, durchgeführt.
Der Primärionenstrahl 2 trifft auf die Probenoberfläche 10 auf und wird von dieser unter Bildung eines reflektierten Primärionenstrahls reflektiert. Gleichzeitig werden die an der Probenoberfläche befindlichen Atome ionisiert und abgetragen bzw. gesputtert. Die ionisierten Probenflächenatome, also die Sekundärionen, werden in einem elektrischen Feld zwischen der Extraktionsplatte 16 und der Probenoberfläche 10 beschleunigt und gelangen nach einer bestimmten Flugzeit auf die Nachweiseinrichtung 18. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Analyseeinrichtung ferner eine Einrichtung zur Erfassung der Masse der Sekundärionen, die ein Magnetfeld 15 und eine Ablenkelektrode 17 umfasst. In dieser Einrichtung werden die Sekundärionen durch das Magnetfeld 15 sowie das elektrische Feld einer Ablenkelektrode 17 abgelenkt, so dass aus der Auftreff-Position auf der Nachweiseinrichtung 18 die Masse des Sekundärions erfasst werden kann.
Die Nachweiseinrichtung ist in geeigneter Weise mit der Verschlusseinrichtung 19 verbunden und umfasst darüber hinaus eine Zeitmesseinrichtung 18a sowie eine Einrichtung 23 zur Ermittlung des Anteils von Sekundärionen in Abhängigkeit von der Flugzeit sowie gegebenenfalls der Masse der Sekundärionen. Die Zeitmesseinrichtung 18a ist geeignet, die Flugzeit eines Sekundärionenstrahlpulses, der von einem von der Verschlusseinrichtung 19 gesteuerten Primärionenstrahlpuls ausgelöst wird, zu erfassen. Die Einrichtung 23 zur Ermittlung des Anteils kann beispielsweise eine Zähleinrichtung sein.
Eine Auswerteeinrichtung 13 ist mit der Nachweiseinrichtung 18 verbunden. Die Auswerteeinrichtung 13 ist beispielsweise geeignet, die von einem Sekundärion zurückgelegte Strecke aus der Flugzeit zu ermitteln und daraus den Abstand des Teils der Oberfläche, aus dem das Sekundärion ausgelöst worden ist, zu einer Referenzfläche zu ermitteln. Als Ergebnis wird ein Anteil A(d) der Probenoberfläche mit Abstand d zu einer Referenzfläche angegeben.
Umfasst die Analysevorrichtung ferner eine massenspektroskopische Vorrichtung zur Ermittlung der Sekundärionenmasse, so ist die Auswerteeinrichtung 13 geeignet, die von einem Sekundärion mit einer bestimmten Masse zurückgelegte Strecke aus der Flugzeit zu ermitteln und daraus den Abstand des Teils der Oberfläche, aus dem das Sekundärion ausgelöst worden ist, zu einer Referenzfläche zu ermitteln. Als Ergebnis wird ein Anteil A(d, m) der Probenoberfläche mit einer bestimmten Materialbelegung und dem Abstand d zu einer Referenzfläche angegeben.
Damit lassen sich insbesondere Verunreinigungen und deren Position auf der Probenoberfläche nachweisen.
Die Untergrenze für den Durchmesser des Primärionenstrahls liegt bei etwa 3 μm. Vorzugsweise beträgt der Durchmesser des Primärionenstrahls 100 μm bis 1 mm. Bei kleineren Durchmessern des Primärionenstrahls als 3 μm ist die Anzahl der gleichzeitig untersuchten Strukturen zu klein, als dass eine sinnvolle Mittlung durchgeführt werden könnte.
Die Oberfläche der in 2A gezeigten Struktur ist mit mehreren Atomsorten und Materialien belegt, so dass die Analysevorrichtung zur Untersuchung der in 2A gezeigten Struktur das Magnetfeld 15 und die Abklenkelektrode 17 umfassen sollte.
Bei Untersuchung der in 2A gezeigten Struktur wird beispielsweise – ohne Berücksichtigung von Dotiermaterialien, die üblicherweise ebenfalls an der Oberfläche vorliegen – an der Nachweiseinrichtung 18 ein Signal erhalten, das angibt, dass beispielsweise Siliziumionen sowie Sauerstoffionen mit einer bestimmten Flugzeit t1 abgetragen wurden. Weiterhin wird als Ergebnis erhalten, dass eine Vielzahl von beispiels weise Kohlenstoff-Ionen beziehungsweise ionisierte Kohlenstoffgruppen/-Cluster mit einer Flugzeit innerhalb eines bestimmten Flugzeitbereichs, der größer als die Flugzeit der Silizium-Ionen ist, abgetragen wurden. Daraus lässt sich als Ergebnis ableiten, dass an der Probenoberfläche ausschließlich Silizium beziehungsweise Siliziumdioxid vorliegt, während innerhalb der Gräben 3 in einem bestimmten Tiefenbereich, der sich jeweils aus den verschiedenen Flugzeiten ergibt, kohlenstoffhaltige Verunreinigungen vorliegen. Ohne Vorliegen der Verunreinigungen würden ausschließlich Silizium-Ionen mit einer Flugzeit, die der Tiefe des Grabens 3 entspricht, nachgewiesen.
Als Messergebnis wird schließlich einerseits eine Verteilung erhalten, die die Ionenmassen sowie ihre relative Häufigkeit angibt, andererseits eine Verteilung, die angibt, wie viel Prozent welcher Verunreinigung in welcher Tiefe vorhanden sind.
Ein beispielhaftes Messergebnis ist in 2B gezeigt. Dabei wird angenommen, dass an der Probenoberfläche aus Silizium ohne Dotierstoffe vorliegt. Die Probenoberfläche ist mit Gräben der Tiefe d2 strukturiert, und es wird angenommen, dass 15% der Probenoberfläche mit Gräben belegt sind. Entsprechend sollten 85% der Probenoberfläche die Tiefe d1 wie in 2A gezeigt aufweisen und 15% der Probenoberfläche die Tiefe d2. Als Verunreinigungsmaterial wird lediglich Kohlenstoff angenommen.
Die Massen/Flugzeit-Messung wird ausgewertet, wobei aus den Flugzeiten unter Berücksichtigung der jeweiligen Sekundärionenmassen zurückgelegte Strecken ermittelt werden. Aus den jeweils zurückgelegten Strecken wird ermittelt, aus welchen Tiefen die Sekundärionen abgetragen worden sind. Als Ergebnis ergibt sich eine Verteilung, die den Anteil an nachgewiesenen Sekundärionen in Abhängigkeit von Masse und Tiefe ergibt. In 2B ist dargestellt, dass ein Anteil A(d1, m2) der Sekundärionen die Masse m2 (Silizium) aufweist und aus der Tiefe d1 abgetragen wurde, ein Anteil A(d2, m2) die Masse m2 (Silizium) aufweist und aus der Tiefe d2 (Graben) abgetragen wurde. Ein Anteil A(d1, m1) bezeichnet den Anteil an Verunreinigungen bei der Tiefe d1, während ein Anteil A(d ≤ d2, m1) den Anteil der Verunreinigungen, die aus dem Graben abgetragen worden sind, angibt.
Daraus lässt sich einerseits ableiten, an welchem prozentualen Flächenanteil der Probenoberfläche Verunreinigungen vorhanden sind, weiterhin, welcher prozentuale Anteil welcher Verunreinigung in welcher Tiefe vorliegt. Bei diesem Messverfahren wird ausgenutzt, dass theoretisches Wissen über die Struktur der Probenoberfläche vorliegt.
Bei Durchführung dieser Messung an verschiedenen Untersuchungsstellen 5a bis 5d kann eine örtliche Abweichung dieser Verteilung bestimmt werden. Die Messung wird also jeweils an einer Untersuchungsstelle 5a bis 5d, deren Größe sich jeweils durch den Durchmesser des Primärionenstrahls 2 ergibt, durchgeführt, und es findet kein Abtasten der Probenoberfläche statt.
Üblicherweise werden derartige Messmethoden bei beispielsweise zwei bis drei Wafern pro Los (25 Wafer) durchgeführt. Je nach Messergebnis können die Wafer hinterher weiterverarbeitet werden oder müssen nachbehandelt werden.
Zur Untersuchung der in 3A dargestellten Probenoberfläche wird gegebenenfalls eine dünne Opferschicht 10 zunächst konform abgeschieden. Eine derartige Opferschicht wird in etwa ein bis zwei Monolagen abgeschieden. Üblicherweise wird als Material für diese Opferschicht 22 ein Material verwendet, welches leicht entfernbar und leicht nachweisbar ist. Geeignete Materialien für die Opferschicht 22 könnten beispielsweise eine Si₃N₄- oder eine dünne Metallschicht sein, die jeweils konform durch ein CVD-Verfahren abgeschieden werden.
Diese Opferschicht ist insbesondere vorteilhaft, weil damit Einflüsse, die sich durch die unterschiedlichen, an der Oberfläche vorliegenden Materialien ergeben, ausgeschaltet werden können. Insbesondere können an einer Probenoberfläche neben Silizium, Siliziumdioxid auch Dotierstoffe und nach mehreren Prozessierungsschritten auch noch weitere isolierende, leitende oder halbleitende Materialien vorliegen. Entsprechend kann die Auswertung der gemessenen Verteilung besonders einfach und schnell durchführbar gemacht werden, wenn an der Oberfläche nur ein Material vorliegt.
Bei einer geeigneten Kalibrierung des Nachweisverfahrens kann jedoch auch bei Vorliegen verschiedener Atomsorten an der Probenoberfläche auf die Verwendung der Opferschicht 22 verzichtet werden. Auch kann auf die Verwendung der Opferschicht 22 verzichtet werden, wenn zusätzlich die Massen der erzeugten Sekundärionen ermittelt werden.
Zur Untersuchung der in 3A gezeigten Struktur wird vorzugsweise das vorstehend beschrieben Verfahren zur Ermittlung der Flugzeit ohne Ermittlung der Sekundärionenmasse durchgeführt. Es ist aber offensichtlich, dass je nach Art der verwendeten Opferschicht auch eine Ermittlung der Sekundärionenmasse sinnvoll sein kann.
Als Ergebnis wird beispielsweise bei Verwendung einer Opferschicht, aus der nur eine Art von Sekundärionen erzeugt wird, eine Verteilung erhalten, wie sie in 3B gezeigt ist. Genauer gesagt, erhält man prozentuale Anteile von nachgewiesenen Sekundärionen bei verschiedenen Tiefen der Probenoberfläche.
Da man die zu vermessende Oberfläche im Prinzip aus Konstruktionszeichnungen sehr gut kennt und lediglich Abweichungen von den Konstruktionszeichnungen ermitteln möchte, kann man die Qualität der erzeugten Strukturen dadurch feststellen, dass man das in 3B gezeigte Messergebnis mit einem theoretischen Ergebnis vergleicht, das sich aus den Konstruktionszeichnungen ergibt.
In 3B beispielsweise ist angegeben, dass 85% der nachgewiesenen Sekundärionen bei einer Tiefe der Oberfläche d1 vorliegt. Das heißt, 85 % der Oberfläche liegt auf einem Niveau der in 3A dargestellten Probenoberfläche 10. Ferner beträgt der Anteil an Sekundärionen bei einer Tiefe der Oberfläche d2 10 %, was besagt, dass die Summe der Flächen der Absätze 4 in allen untersuchten Gräben 10% der Probenoberfläche beträgt. Schließlich beträgt der Anteil der nachgewiesenen Sekundärionen bei der Tiefe der Oberfläche d3 5 %, wodurch deutlich wird, dass der Anteil der Flächen der Gräben mit der Tiefe d3 5 % der Probenoberfläche ausmacht. Aus den prozentualen Anteilen lässt sich nunmehr berechnen, inwieweit die jeweiligen Flächenanteile des Absatzes 4 beispielsweise mit dem theoretisch Errechneten übereinstimmt, ferner würde ein zu tief oder zu wenig tief geätzter Bereich durch eine vierte Tiefe D4 deutlich werden.
Anders ausgedrückt, wird, da der Ionenstrahl 2 eine derartige Größe aufweist, dass über eine Vielzahl zu untersuchende Strukturen gemittelt wird, gemäß der vorliegenden Erfindung eine Mittelung über sehr viele Strukturen durchgeführt. Dies ist ein Vorteil gegenüber beispielsweise Rastersondenverfahren, in denen jeweils nur eine einzige Struktur vermessen wird und hinterher eine Mittelung über viele zu vermessende Strukturen durchzuführen ist, was sich als sehr zeitaufwändig erwiesen hat.

1: Halbleiterwafer
2: Primärionenstrahl
3: Grabenstruktur
4: Absatz
5a–5d: Untersuchungsstelle
6: Aktives Gebiet
7: Ionenquelle
8: Neutralisator
9: Objekttisch
10: Waferoberfläche
11: Objekttisch-Steuerung
12: Analysevorrichtung
13: Auswerteeinrichtung
14: Sekundärionenstrahl
15: Magnetfeld
16: Extraktionsplatte
17: Ablenkelektrode
18: Nachweiseinrichtung
18a: Zeitmesseinrichtung
19: Verschlusseinrichtung
20: Verunreinigung
21: Opferschicht
22: Isolationsgraben
23: Zähleinrichtung

Claims

Verfahren zur Untersuchung einer strukturierten Probenoberfläche (10) mit den Schritten: – Einstrahlen eines Primärionenstrahls (2) auf die Probenoberfläche (10), wobei ein Sekundärionenstrahl (14) aus von der Probenoberfläche (10) abgetragenem Material erzeugt wird; – Beschleunigen der Sekundärionen des Sekundärionenstrahls (14) in einem elektrischen Feld; – Ermitteln von Messdatenfeldern, welche – die Flugzeit eines Sekundärions von der Probenoberfläche (10) bis zu einer Nachweiseinrichtung (18), und – den Anteil der entsprechenden Sekundärionen umfassen; – Ermitteln einer Größe d aus der Flugzeit, wobei die Größe d angibt, welchen Abstand der Bereich der Oberfläche (10), aus dem das Sekundärion ausgelöst worden ist, zu einer Referenzfläche hat; und – Erhalten eines Ergebnisses, das einen Anteil A(d) der Probenoberfläche (10) mit Abstand d zu der Referenzfläche angibt.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit dem Schritt zum konformen Aufbringen einer Schicht aus einem Opfermaterial (22) vor dem Schritt zum Einstrahlen des Primärionenstrahls (2).
Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit dem Schritt zum Ermitteln der Masse der Sekundärionen, so dass die Messdatenfelder die Masse eines Sekundärions, die Flugzeit des Sekundärions von der Probenoberfläche (10) bis zu der Nachweiseinrichtung (18) sowie den Anteil der entsprechenden Sekundärionen umfassen, wobei ein Ergebnis erhalten wird, das einen Anteil A(d, m) angibt, aus dem ableitbar ist, welcher Anteil der Probenoberfläche (10) welchen Abstand zu der Referenzfläche hat und mit welchem Material belegt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem ein Einfallswinkel des Primärionenstrahls (2) 85° bis 95° bezogen auf die Probenoberfläche (10) beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Primärionenstrahls (2) größer als 3 μm ist.