DE102005002267B4

DE102005002267B4 - Verfahren zum Wellenlängenkalibrieren eines optischen Messsystems

Info

Publication number: DE102005002267B4
Application number: DE102005002267.7A
Authority: DE
Inventors: Thomas Iffland
Original assignee: Leica Microsystems CMS GmbH
Current assignee: Leica Microsystems CMS GmbH
Priority date: 2005-01-18
Filing date: 2005-01-18
Publication date: 2017-02-09
Anticipated expiration: 2025-01-19
Also published as: US7411665B2; JP2006201162A; DE102005002267A1; TW200626881A; US20060158649A1

Abstract

Verfahren zum Wellenlängenkalibrieren eines optischen Messsystemes mit einem Spektralphotometer und einem Ellipsometer, wobei das Spektralphotometer und das Ellipsometer in einer Startkalibrierung (20) unabhängig voneinander kalibriert werden und beim Kalibrieren des Spektralphotometers eine Zuordnung der auf einen CCD-Chip fallenden Wellenlänge (λ) zur Position der Pixel des CCD-Chips ermittelt wird gekennzeichnet durch folgende Schritte: – Bestimmen einer Schichtdicke (delli) einer Probe mit dem Ellipsometer als Referenzmesswert; – Bestimmen einer Spektralphotometer-Schichtdicke (dvis photo) im visuellen Spektralbereich und einer Spektralphotometer-Schichtdicke (duv photo) im UV-Bereich unter einem Anfangseinfallswinkel (⊝Anf); – Verändern von Koeffizienten einer wellenlängenabhängigen Funktion so lange, bis der Betrag der Differenz einer abermals gemessenen visuellen Spektralphotometerschichtdicke (dvis photo) und einer abermals gemessenen UV-Spektralphotometer-Schichtdicke (duv photo) unter einem vorgegebenen Betrag liegt; – Variieren des Anfangseinfallswinkels (⊝Anf) so lange, bis der Betrag der Differenz der visuellen Spektralphotometerschichtdicke (dvis photo) und der Ellipsometerschichtdicke (delli) sowie der Betrag der Differenz der UV-Spektralphotometer-Schichtdicke (duv photo) und der Ellipsometerschichtdicke (delli) unter einem vorgegebenen Betrag liegen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Wellenlängenkalibrieren eines optischen Messsystems mit einem Spektralphotometer und einem Ellipsometer nach dem Oberbegriff des Anspruch 1.
In der Halbleiterfertigung werden auf Wafer während des Fertigungsprozesses eine Vielzahl Schichten aufgebracht oder entfernt. Die Schichten können auch in speziellen Testbereichen innerhalb einer Vielzahl gleicher wiederkehrenden Strukturelemente vorgesehen sein. Mit zunehmender Integrationsdichte steigen die Anforderungen an die Qualität, der auf den Wafern aufgebrachten Schichten. Dies bedeutet, dass bei der Produktion eines Wafer mit der Vielzahl von Prozessschritten und der Vielzahl der aufzutragenden Schichten, wie z. B. SiO2, SiNO3, Polysilizium etc., oder Ähnlichem eine zuverlässige Erkennung der Schichtdicken möglicht werden muss. Zur Messung von Schichtdicken und der zugehörigen Materialparameter ist aus dem Stand der Technik eine Vielzahl optischer Messanordnungen bekannt, die nach dem Prinzip der Spektralphotometrie arbeiten. Hierzu wird ein breitbandiger Lichtstrahl allerdings nahezu senkrecht auf der Probe fokussiert und die reflektierte Lichtmenge gemessen. Im Spektrografen wird die Lichtmenge über ein Gitter wiederum wellenlängenselektiv auf einen CCD-Chip abgebildet. Über ein Modell, das die optischen Parameter der Probe in Abhängigkeit von der Wellenlänge enthält können die Parameter über einen Fit an das theoretische Spektrum bestimmt werden.
Diese Messanordnungen können besonders dann eingesetzt werden, wenn dünne Schichten und deren optische Parameter wie etwa der Brechungsindex oder der Extinktionsfaktor von Ein- oder Mehrschichtsystemen an Wafern gemessen werden sollen. Da gerade in der Waferherstellung immer dünnere Schichten angestrebt werden, steigen die Anforderungen an die Genauigkeit der optischen Messanordnung, mit denen die Schichten auf ihre Exaktheit hin überprüft werden können.
Des Weiteren sind zur Durchführung solcher Messungen aus dem Stand der Technik Spektralellipsometer bekannt. Mit diesen lassen sich sowohl die Schichtdicke wie auch die optischen Parameter transparenter Schichten sehr genau bestimmen. Hierzu wird ein linear polarisierter breitbandiger Lichtstrahl unter einem Winkel auf der Probe gerichtet. Der reflektierte Strahl wird mit Hilfe eines Analysators und eines Spektrografen auf die Veränderung der Polarisation untersucht. Dabei rotiert der Analysator und lässt jeweils nur die Lichtmenge auf den Spektrografen fallen, die in der entsprechenden Polarisationsebene schwingt. In einem Spektrografen wird diese Lichtmenge über ein Gitter wellenlängenselektiv aufgespaltet und auf einen CCD-Chip abgebildet. Das gewonnene Spektrum erlaubt nun über ein Modell die Filterung der optischen Parameter und der Dicke der Schicht.
Üblicherweise ist es erforderlich, die beschriebenen optischen Systeme zunächst zu kalibrieren, um genaue Messergebnisse zu erhalten. Eine Möglichkeit zum Kalibrieren eines Spektralphotometers wird in der US 5,771,094 vorgeschlagen. Dabei wird eine Lichtquelle verwendet, die eine Vielzahl von Spektrallinien aufweist. Diese Spektrallinien werden auf ein CCD abgebildet und die Linien jeweils bestimmten Pixeln des CCD zugeordnet. Damit ergibt sich eine Zuordnung der Pixelposition auf dem CCD zu den bekannten Wellenlängen der Spektrallinien, sodass die Beziehung oder Kalibrierungsfunktion zwischen jedem Pixel auf dem CCD und des zugehörigen Wellenlängenwertes bestimmt ist. Über die anschließende Messung einer bekannten Probe kann die Kalibrierung noch verifiziert werden.
Um die Messgenauigkeit zu erhöhen und um gegebenenfalls zusätzliche Informationen über die Probe zu erhalten werden, wie aus dem Stand der Technik bekannt, optische Kombinationsgeräte eingesetzt, mit denen es möglich ist zwei oder mehrere Untersuchungsmethoden durchzuführen. Insbesondere werden hierbei ein Ellipsometer und ein Spektralphotometer vorteilhaft in einem Gerät verwirklicht. Aus der US 6,567,213 ist hierzu ein optisches Messsystem bekannt. Dieses Kombinationsmesssystem ermöglicht es, die Ergebnisse aus den verschiedenen vorhandenen Messsystemen zu kombinieren und somit genauere Ergebnisse zu erzielen. Voraussetzung für gute Ergebnisse ist allerdings, dass eine exakte Kalibrierung der Messsysteme durchgeführt wird, bevor die Proben vermessen werden. Hierzu wird üblicherweise ein bekanntes Substrat mit allen vorhandenen optischen Messmethoden vermessen und die jeweilige Messmethode mit den bekannten Probendaten kalibriert.
Da es bei einer unabhängigen Kalibrierung der beiden Messgeräte zu Differenzen in den Messwerten führt, ist der ausschließliche Einsatz der bekannten Kalibrierungsmethoden für diese Fälle zu unbefriedigenden Ergebnissen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Kalibrieren eines optischen Messsystems vorzuschlagen, das ein Ellipsometer und ein Spektralphotometer aufweist, mit dem die Übereinstimmung der mit dem Ellipsometer und dem Spektralphotometer ermittelten Daten bzw. Messwerte verbessert werden kann.
Nach der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Kalibrieren eines optischen Messsystems mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird davon ausgegangen, dass das Spektralphotometer und das Ellipsometer unabhängig voneinander mit geeigneten Methoden kalibriert sind. Anschließend wird nun zunächst die Schichtdicke einer Schicht mit dem Spektralphotometer des optischen Systems bestimmt. Dann wird die Dicke der Schicht mit dem Ellipsometer bestimmt, das nach seiner Kalibrierung sehr genaue Werte für die Dicke der Schicht liefert. Erfindungsgmäß werden die Werte, die mit dem Spektralphotometer und dem Ellipsometer gewonnen werden dann so aufeinander abgestimmt, dass die Differenz der mit beiden Geräten gemessene Schichtdicke unter einen für die Messung akzeptablen Wert sinkt. Hierzu wird der Einfallswinkel des Spektralphotometers so lange variiert, bis ein Winkel gefunden ist, unter dem das Spektralphotometer Messergebnisse liefert, mit dem diese Bedingung erfüllt ist. Für die weitere Messung wird dieser Einfallswinkel des Spektralphotometers beibehalten und das optische System ist in Bezug auf seine Komponenten kalibriert.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden gegebenenfalls vorhandene Abbildungsfehler des Spektralphotometers dadurch eliminiert, dass die Messergebnisse im sichtbaren Spektralbereich (VIS) und im ultravioletten Spektralbereich (UV) so aufeinander abgestimmt werden, dass die Ergebnisse unter einen vorgegebenen Wert fallen. Im Idealfall kann dadurch erreicht werden, dass die Werte in Übereinstimmung gebracht werden können. Um dies zu erreichen wird die Wellenlängenkalibierung eines Spektralphotometers mit einer Lichtquelle durchgeführt, die den Spektralbereich von etwa 190 nm bis 800 nm abdeckt. Hierzu eignet sich etwa eine Gasentladungslampe. Die dabei erhaltene Zuordnung der jeweiligen Wellenlänge λ zu der zugehörigen Position der Pixel auf dem CCD-Chip lässt sich als quadratisch gefittete Funktion F(Pixpos) der Pixelposition darstellen. Die Funktion F(Pixpos) kann dann über das Variieren der quadratischen Koeffizienten so angepasst werden, dass eine hinreichende Übereinstimmung der Messergebnisse im UV und im VIS erzielt werden kann. Diese ist bevorzugt dann erreicht, wenn die Abweichung der Schichtdicken d^uv _photo und d^vis _photo innerhalb eines Schichtdickenintervalls der zu messenden Schichtdicke unter einem vorgegebenen Toleranzwert liegt.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht nun darin, dass es nunmehr möglich ist, fertigungstechnisch bedingte Unterschiede in den Einfallswinkeln der Spektralphotometer und Abbildungsfehler im Spektrografen auszugleichen. Damit lässt sich eine hinreichend genaue Abstimmung der einzelnen optischen Geräte in einem Kombinationsgerät erreichen, die dann für die Messung aufeinander abgestimmt sind.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Figuren sowie deren Beschreibungen, bei deren Darstellung zugunsten der Übersichtlichkeit auf eine maßstabsgetreue Wiedergabe verzichtet wurde.
Es zeigen im Einzelnen:
1 schematisch ein optisches Spektrum mit Zuordnung zu den CCD-Pixeln
2 schematisch einen Ausschnitt aus 1 im Bereich zweier exemplarischer Peaks
3 schematisch den Verfahrensablauf zum Kalibrieren des optischen Systems
In einer Ausführungsform der Erfindung wird zunächst das Ellipsometer in einem Wellenlängenbereich von 320 nm bis 800 nm, wie an sich aus dem Stand der Technik bekannt ist, kalibriert. Hierzu wird als Beleuchtungsquelle eine Gasentladungslampe verwendet. Das Ergebnis der Kalibrierung kann dann anschließend an einem Satz Kalibrierproben für 25 nm, 285 nm und 1030 nm SiO₂ Schichten auf Silizium verifiziert werden. Damit ist das Ellipsometer auf eine Schichtdickenmessung sehr genau kalibriert.
Auch das Spektralphotometer wird kalibriert, wobei diese Wellenlängenkalibrierung allerdings bei Wellenlängen im Bereich zwischen 190 nm und 800 nm durchgeführt wird. Bevorzugt wird auch hierzu eine Gasentladungslampe verwendet. Das Spektrum der Kalibrierlampe wird dabei auf den CCD-Chip abgebildet, der als Zeilen- oder Matrix-CCD ausgebildet sein kann und jeweils Pixel aufweist. Ein mögliches Spektrum 10 einer Argon-Kalibrierlampe ist in 1 schematisch dargestellt. Dieses Spektrum 10 weist Peaks 12 auf, deren Lage, d. h. Wellenlänge aus der verwendeten Lampe heraus bekannt ist. Durch eine Zuordnung dieser bekannten Peaks 12 zu den Pixeln, die auf der Pixelachse 14 aufgetragen sind, kann die Kalibrierung über den gesamten Wellenlängen- und Pixelbereich erfolgen.
Wie in 2 in einer Ausschnittsvergrößerung dargestellt ist, wird hierzu die Lage der Peaks mit einer Genauigkeit ermittelt, die besser ist, als der Abstand der Pixel, d. h. also mit Subpixelgenauigkeit. Bei den exemplarisch gezeigten ersten Peaks 16 und zweiten Peak 18 ergibt sich die Pixelposition des ersten Peaks 16 zu 398,394 und die des zweiten Peaks 18 zu 451,787. Um diese
Genauigkeit erreichen zu können wird so genanntes Peak-Finder-Programm verwendet werden.

In 3 ist schematisch der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Nach der beschriebenen Startkalibrierung 20 erhält man aus der Lage der Peaks 12 auf dem CCD-Chip Wertepaare (Wellenlänge λ; Pixel). Diese Wertepaare lassen sich als Funktion der Wellenlänge mit der Form

λ(Pixel) = a₀·(Pixel)² + b₀·(Pixel) + c₀

über den CCD-Chip darstellen. Dabei lassen sich im Schritt 22 die Koeffizienten a₀, b₀, c₀ anfitten and die erhaltenen Messwerte bestimmen. Dabei können Koeffizienten a₀, b₀, c₀ etwa mit einer Methode der Minimierung der mittleren Fehlerquadrate erhalten werden. Als Beispiel sind in der folgenden Tabelle die Wertepaare für zwölf Wellenlängenpeaks und ihre entsprechenden Ist-Positionen sowie die theoretisch ermittelten Sollpositionen dem CCD-Chip dargestellt:

Laufd. Nr.	Wellenlänge [nm	Sollposition [Pixel]	Ist-Position [Pixel]
1	184,91	18,9	11,148
2	253,65	128,2	123,943
3	296,73	196,7	194,327
4	313,16	222,8	220,717
5	435,84	417,9	418,92
6	507,30	531,5	533,221
7	546,08	593,2	594,606
8	593,46	668,5	669,619
9	626,32	720,7	721,068
10	6,965	832,4	832,457
11	763,51	938,9	937,819
12	811,53	1015,2	1021,511

Dabei wurden für die Koeffizienten die Werte a₀ = 1,7045·10^–5, b₀ = 0,60859 und c₀ = 178,02129 zugrunde gelegt.
Ausgehend von dem theoretisch ermittelten Zusammenhang zwischen der Wellenlänge λ, der Lage der Pixel 12 und den Koeffizienten a₀, b₀, c₀ lässt sich die Genauigkeit des Spektralphotometers dadurch weiter verbessert werden, dass die Differenz, die sich aus der Messung einer Schichtdicke einer Probe im UV und im VIS ergibt, so weit minimiert wird, dass sie unter einen vorgegeben Wert sinkt. Diese so genannte Differenzkalibrierung 26 des Spektralphotometers wird durch eine Variation der Koeffizienten a₀, b₀, c₀ erreicht. Hierzu eignet sich besonders eine SiO₂ Schicht mit einer Dicke von etwa 1000 nm.
Wird nun diese Sichtdicke mit dem Spektralphotometer im UV und im VIS vermessen, so ergeben sich Dickenwerte d_{UV_0} und d_{VIS_0} mit den Koeffizienten a₀, b₀, c₀. Aus diesen Werten lässt sich die Differenz d_{SP_0} = d_{VIS_0} – d_{VIS_0} ermitteln. Zur Abstimmung des Spektralphotometers wird im Schritt 24 geprüft, ob diese Differenz kleiner als ein vorgegebener Wert, insbesondere kleiner als 20% des Spezifikationswertes für die oben beschriebene Probe ist. Damit muss die Differenz für die gewählte Probe kleiner als 5 nm sein. Sofern dies nicht der Fall ist, werden im Schritt 22 neue Werte für die Koeffizienten a₁ = a₀ + Δ, b₁ = b₀ + Δ und c₁ = c₀ + Δ berechnet, wobei Δ aufgrund empirischer Erfahrungen geeignet gewählt wird. Mit den neuen Koeffizienten kann dann ein neuer Fit der erhaltenen Messwerte für die Funktion λ(Pixel) = a₁·(Pixel)² + b₁·(Pixel) + c₁ erfolgen und erneut die Differenz der Schichtdicken d_{SP_1} = d_{VIS_1} – d_{VIS_1} bestimmt werden. Dieses Verfahren wird nun iterativ so lange wiederholt, bis Koeffizienten a_n, b_n, c_n vorliegen, mit denen die Differenz der Schichtdicke d_{SP_n} unter dem geforderten Wert, insbesondere unter einem Schwellwert liegt, der in Abhängigkeit von einem Schichtdickenintervall sich verändert. Mit diesem Verfahren ist dann gewährleistet, dass mit dem Spektralphotometer in beiden Wellenlängenbereichen UV und VIS Werte erhalten werden, die im Wesentlichen gleich sind.
Im Folgenden wird dann in der so genannten Geräte-Differenzkalibrierung 32 ein mit dem Spektralphotometer ermittelte Dickenwert mit dem Dickenwert abgeglichen, der mit dem Ellipsometer ermittelt wird. In die Formel zur Bestimmung der Schichtdicke d am Spektralphotometer geht der Einfallswinkel ⊝ ein. Ohne hierbei näher auf die Bedeutung aller Variablen einzugehen ergibt sich dieser Zusammenhang aus
mit β = 2π( d / λ)N ~₂cosΘ₂.
Im Schritt 30 wird daher zunächst für die Schichtdickenmessung mit dem Spektralphotometer ein Startwinklel ⊝_Anf verwendet und die Messung der Schichtdicke d einer Probe mit dem Spektralphotometer unter diesem Winkel und dem Ellipsometer durchgeführt. Dabei werden eine Photometerschichtdicke d_photo und eine Ellipsometerschichtdicke d_elli ermittelt. Im Schritt 28 wird die Gerätedifferenz gebildet. Hierzu werden die beiden Größen d_photo und d_elli miteinander verglichen. Sofern die Differenz D der Schichtdicken (Gerätedifferenz) D = d_photo – d_elli kleiner ist als ein vorgegebener Wert, so ist die Kalibrierung abgeschlossen. Ist der Wert größer, so wird ein neuer Wert für ⊝_n = ⊝_Anf + δ festgelegt, mit dem das Verfahren wiederholt wird. Der Gerätevergleich 28 wird dann so lange iterativ fortgesetzt, bis die Gerätedifferenz D ausreichend klein ist, sodass mit dem Spektralphotometer und dem Ellipsometer im Wesentlichen gleiche Werte gewonnen werden.
Mit dem Abschluss der Kalibrierung des Kombinationsgerätes kann dieses für die Messung verwendet werden, wobei sowohl das Spektralphotometer wie auch das Ellipsometer im Wesentlichen gleiche Werte für die Schichtdicke liefern.
Bezugszeichenliste

10: Spektrum
12: Peaks
14: Pixelachse
16: zweiter Peak
18: erster Peak
20: Startkalibrierung
22: Festlegen der Koeffizienten a_n, b_n, c_n
24: Vergleich d_{SP_0} kleiner vorgegebener Wert
26: Differenzkalibrierung des Spektralphotometers
28: Gerätevergleich
30: Festlegen Einfallwinkel Spektralphotometer
32: Geräte-Differenzkalibrierung
d: Schichtdicke
λ: Wellenlänge
⊝: Einfallswinkel Photometer
D: Gerätedifferenz

Claims

Verfahren zum Wellenlängenkalibrieren eines optischen Messsystemes mit einem Spektralphotometer und einem Ellipsometer, wobei das Spektralphotometer und das Ellipsometer in einer Startkalibrierung (20) unabhängig voneinander kalibriert werden und beim Kalibrieren des Spektralphotometers eine Zuordnung der auf einen CCD-Chip fallenden Wellenlänge (λ) zur Position der Pixel des CCD-Chips ermittelt wird gekennzeichnet durch folgende Schritte: – Bestimmen einer Schichtdicke (d_elli) einer Probe mit dem Ellipsometer als Referenzmesswert; – Bestimmen einer Spektralphotometer-Schichtdicke (d^vis _photo) im visuellen Spektralbereich und einer Spektralphotometer-Schichtdicke (d^uv _photo) im UV-Bereich unter einem Anfangseinfallswinkel (⊝_Anf); – Verändern von Koeffizienten einer wellenlängenabhängigen Funktion so lange, bis der Betrag der Differenz einer abermals gemessenen visuellen Spektralphotometerschichtdicke (d^vis _photo) und einer abermals gemessenen UV-Spektralphotometer-Schichtdicke (d^uv _photo) unter einem vorgegebenen Betrag liegt; – Variieren des Anfangseinfallswinkels (⊝_Anf) so lange, bis der Betrag der Differenz der visuellen Spektralphotometerschichtdicke (d^vis _photo) und der Ellipsometerschichtdicke (d_elli) sowie der Betrag der Differenz der UV-Spektralphotometer-Schichtdicke (d^uv _photo) und der Ellipsometerschichtdicke (d_elli) unter einem vorgegebenen Betrag liegen.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass beim Kalibrieren des Spektralphotometers die Zuordnung der Position der Pixel des CCD-Chips in Abhängigkeit von der Wellenlänge (λ) durch eine Funktion λ (Pixel) = a₀·(Pixel)² + b₀·(Pixel) + c₀ erfolgt und die Koeffizienten a₀, b₀, c₀ durch anfitten an die Messwerte, insbesondere durch eine Methode mit Minimierung der mittleren quadratischen Fehler erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Koeffizienten a₀, b₀, c₀ so lange variiert werden, bis die visuelle und die UV-Spektralphotometer-Schichtdicken (d^uv _photo), (d^vis _photo) innerhalb eines Schichtdickenintervalls unter einem vorgegebenen Toleranzwert liegen.
Verfahren nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass der Toleranzwert für Schichtdicken von kleiner als 10 nm etwa 0,5 nm beträgt.
Verfahren nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass der Toleranzwert für Schichtdicken von größer 10 nm und kleiner als 100 nm etwa 0,6 nm beträgt.
Verfahren nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass der Toleranzwert für Schichtdicken von größer 100 nm und kleiner als 500 nm etwa 2 nm beträgt.
Verfahren nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass der Toleranzwert für Schichtdicken von größer als 500 nm etwa 5 nm beträgt.
Verfahren nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Variation der Koeffizienten a₀, b₀, c₀ durch eine Funktion der Form a₁ = a₀ + Δ, b₁ = b₀ + Δ und c₁ = c₀ + Δ erfolgt, wobei Δ empirisch ermittelt wird.