DE102005004599A1

DE102005004599A1 - Verfahren und Anordnung zur Vermessung eines Messobjekts auf einem Halbleiterwafer mit einem Messgerät und Verwendung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102005004599A1
Application number: DE102005004599A
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr. Marschner
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Qimonda AG
Priority date: 2005-02-01
Filing date: 2005-02-01
Publication date: 2006-08-10

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Vermessung eines Messobjekts auf einem Halbleiterwafer mit einem Messgerät. Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden in einer Messvorschrift mehrere Zielobjekte bereitgestellt. Anhand des gemessenen Intensitätsprofils (36) auf dem Halbleiterwafer (5) wird in einem ersten Auswerteschritt das erste Zielobjekt gesucht, um dessen charakteristischen Parameter als erstes Messergebnis zu bestimmen. Falls jedoch diese Auswertung fehlschlägt oder große Abweichungen zu bekannten Prozess-Spezifikationen zeigt, wird ein weiterer Auswerteschritt mit einem anderen Zielobjekt gesucht, wobei ebenfalls dessen charakteristischer Parameter bestimmt wird. Dadurch ist es möglich, nacheinander nach unterschiedlichen Zielobjekten mit nur einer Messvorschrift zu suchen. Die Erfindung betrifft auch die Verwendung des Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vermessung eines Messobjekts auf einem Halbleiterwafer mit einem Messgerät. Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine Anordnung zur Vermessung eines Messobjekts auf einem Halbleiterwafer mit einem Messgerät. Die Erfindung betrifft auch die Verwendung des Verfahrens in einer Halbleiterfertigungsanlage.
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.

Mit den stetig ansteigenden Integrationsdichten integrierter Schaltungen erhöhen sich auch die Anforderungen an die Maßhaltigkeit eines auf das Halbleitersubstrat zu projizierenden Strukturmusters. Insbesondere dann, wenn bereits Vorebenen in unterliegenden Schichten, z. B. in einem lithographischen Projektionsschritt, übertragen wurden, müssen immer striktere Toleranzgrenzen bezüglich der gegenseitigen Ausrichtung des aktuell auf das Substrat zu projizierenden Strukturmusters relativ zu den Strukturen der genannten Vorebenen berücksichtigt werden, um die Funktionsfähigkeit der Schaltung zu gewährleisten.

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. 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.

Vor Beginn der jeweiligen Belichtungen sind Justage- oder Ausrichtsequenzen vorgesehen, wofür Justiermarken verwendet werden. Die Justiermarken sind typischerweise in den Randbereichen einer Maske angeordnet, die das betreffende Muster von Strukturelementen bereitstellt.

Bei der Belichtung werden diese Justiermarken in einen Sägerahmen übertragen, der die einzelnen Belichtungsfelder auf dem Halbleiterwafer trennt. Die Justiermarken ermöglichen die Positionsbestimmung der auf dem Halbleiterwafer gebildeten Strukturen bzw. durch die Bestimmung der Position der Justiermarken kann auf die genaue Positionierung und Ausrichtung der Struktur für die integrierte Schaltung zurückgeschlossen werden.

Die Ausrichtung (bzw. Justage) des Halbleiterwafers in dem Belichtungsgerät gegenüber der Projektionsoptik wird durchgeführt, indem die Justiermarken mit Referenzmarken verglichen werden. Solche Referenzmarken werden oftmals über das Linsensystem der Projektionsoptik eingeblendet. Aufgrund des Markenvergleichs wird ein Offset bzw. Versatz der tatsächlichen Position der Justiermarken gegenüber der idealen Position der Referenzmarke festgestellt. Der im allgemeinen auf einem Substrathalter abgelegte Halbleiterwafer kann infolgedessen in seiner Lageposition korrigiert werden, so dass die anschließende Belichtung mit hoher Lagegenauigkeit ausgeführt wird.

Es sind in der Technik verschiedene Justiermarken bekannt, die jeweils für spezielle Zwecke entworfen werden und beispielsweise in Form eines Kreuzes ausgebildet sind. Üblicherweise sind zwei Justiermarken im Bereich des Sägerahmens angeordnet. Eine weitere Art der Justiermarke wird zur Feinjustage verwendet. Diese Justiermarken werden bei den meisten Herstellern der Belichtungsgeräte als Anordnungen länglicher, paralleler Balken ausgeführt, die üblicherweise eine Strukturbreite von einigen Mikrometern aufweisen.

Die Koordinaten der Justiermarken im Sägerahmen sind normalerweise im Belichtungsgerät gespeichert. Zur Grobjustage wird der Substrathalter an die gespeicherten Positionen gefahren. Die Ausrichtung des Halbleiterwafers wird bei der Grobjustage üblicherweise anhand einer Detektion von gestreutem Licht einer Lichtquelle durchgeführt, das durch Reflektion an den Justiermarken entsteht. Das gestreute Licht kann beispielsweise mit einem optischen Mikroskop aufgenommen und auf eine CCD-Kamera abgebildet werden. Bei der Ausrichtung des Halbleiterwafers wird das Bild der CCD-Kamera analysiert, und es werden Strukturen mittels eines Mustererkennungsverfahrens gesucht, die den Justiermarken zur Grobjustage entsprechen. Die Ausrichtung des Halbleiterwafers wird bei der Feinjustage ebenfalls anhand einer Detektion von gestreutem Licht einer Lichtquelle durchgeführt, das durch Reflektion an den Justiermarken entsteht. In diesem Fall wird normalerweise keine Mustererkennung durchgeführt, sondern es wird der Intensitätsverlauf des gestreuten Lichts bestimmt, aus dem auf die Position der Justiermarke zur Feinjustage zurückgeschlossen werden kann.

Es erweist sich allerdings als nachteilig, dass die Justiermarken zur Grobjustage und die Justiermarken zur Feinjustage an verschiedenen Positionen auf dem Halbleiterwafer herstellungs- bzw. prozessbedingt unterschiedliche Formen und/oder Abmessungen aufweisen können. Dadurch erschwert sich die oben beschriebene Erkennung der Justiermarken, was einen erhöhten Zeitaufwand für die Justage beispielsweise durch Unterstützung seitens des Bedienpersonals erfordert. Demzufolge verringert sich der Produktionsdurchsatz bei der Herstellung integrierter Schaltungen. Ähnliches gilt auch für die Bestimmung des Overlays, d. h. der Überdeckung zweier Schichten auf einem Halbleiterwafer, da bei diesem Prozess-Schritt ebenfalls Marken erkannt, ausgewertet und vermessen werden, die aufgrund von Prozesseinflüssen unterschiedliche Formen und/oder Abmessungen aufweisen können.

Die oben erläuterte Problematik lässt sich auch auf andere Anwendungsfälle fortführen, wie z. B. die Schichtdickenbestimmung oder die Vermessung von Strukturmustern mittels Scatterometrie. Im Folgenden wird dies am Beispiel der Vermessung kritischer kleinster Abmessungen mittels eines Rasterelektronenmikroskops, der sogenannten CD-SEM, erläutert.

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 Belichtungsdosis, 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.

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. Dazu wird für jedes zu messende Muster von Strukturelementen eine Messvorschrift erstellt, die auf das Intensitätsprofil angewendet wird. Die Messvorschrift beinhaltet die geometrische Form der zu suchenden Struktur, sowie die zu messenden Parameter. So wird beispielsweise bei der Vermessung einer Kontaktlochebene ein kreisrundes Zielobjekt mit dem vorgegebenen Durchmesser in der Messvorschrift als sogenanntes Messtarget gespeichert.

Ein in diesem Zusammenhang bisher wenig beachtetes Problem besteht darin, dass Strukturelemente von Mustern auf einem Halbleiterwafer Prozessschwankungen unterworfen sind, die zu unterschiedlichen Abmessungen oder Formen des Musters führen können. Aufgrund dieser Prozessschwankungen ist es oftmals nicht möglich, die Auswertung der Intensitätsprofile vollautomatisch durchzuführen. Insbesondere führen zu starke Abweichungen vom vorgegebenen Sollwert dazu, dass die Suche nach dem bekannten Muster von Strukturelementen fehlschlägt. In diesen Fällen ist keine automatische Vermessung möglich. Diese muss dann manuell, d. h. unter Aufsicht eines Bedieners oder Operators, durchgeführt werden. Häufig wird jedoch in diesen Fällen gänzlich auf eine Messung verzichtet, da der damit verbundene Zeitaufwand zu groß wäre.

Allgemein treten bei der Vermessung von Messobjekten mittels Messgeräten dann Schwierigkeiten auf, wenn das zu erkennende Messobjekt Abweichungen zu einem vorgegebenen Muster aufweist, wodurch unter Umständen eine automatische Auswertung nicht zuverlässig durchführbar ist.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die oben genannten Probleme zu überwinden und ein Verfahren anzugeben, sowie eine Anordnung zu schaffen, die eine zuverlässige automatische Vermessung von Strukturelementen von Mustern auf einem Halbleiterwafer ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Vermessung eines Messobjekts auf einem Halbleiterwafer mit einem Messgerät, das die folgenden Schritte umfasst:

– Bereitstellen eines Halbleiterwafers, der auf einer Vorderseite ein Messobjekt umfasst;
– Bereitstellen eines Messgeräts, das einen Detektor und einen Substrathalter umfasst, wobei der Substrathalter geeignet ist, den Halbleiterwafer aufzunehmen und im Messgerät auszurichten;
– Bereitstellen einer Messvorschrift, die ein erstes durch wenigstens einen ersten Parameter charakterisiertes Zielobjekt und zumindest ein zweites durch wenigstens einen zweiten Parameter charakterisiertes Zielobjekt umfasst;
– Bereitstellen eines Verarbeitungsmittels, das mit dem Detektor gekoppelt ist;
– Durchführen einer Messung an dem Messobjekt mit dem Messgerät, um ein Intensitätsprofil zu bestimmen;
– Übertragen des Intensitätsprofils an das Verarbeitungsmittel;
– Anwenden der Messvorschrift auf das Intensitätsprofil im Verarbeitungsmittel, wobei zuerst das erste Zielobjekt im Intensitätsprofil gesucht und der erste Parameter als erstes Messergebnis bestimmt wird;
– Überprüfen des ersten Messergebnisses anhand vorgegebener Wertebereiche des ersten Parameters;
– Anwenden der Messvorschrift auf das Intensitätsprofil im Verarbeitungsmittel, falls das erste Messergebnis außerhalb der vorgegebenen Wertebereiche liegt, wobei das zweite Zielobjekt im Intensitätsprofil gesucht und der zweite Parameter als zweites Messergebnis bestimmt wird; und
– Abspeichern des ersten Messergebnisses und/oder des zweiten Messergebnisses im Verarbeitungsmittel.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden in einer Messvorschrift mehrere Zielobjekte bereitgestellt. Anhand des gemessenen Intensitätsprofils auf dem Halbleiterwafer wird in einem ersten Auswerteschritt das erste Zielobjekt gesucht, um dessen charakteristischen Parameter zu bestimmen. Falls jedoch diese Auswertung nicht durchgeführt werden kann, wird ein weiterer Auswerteschritt mit einem anderen Zielobjekt gesucht, wobei ebenfalls dessen charakteristischen Parameter bestimmt wird. Dadurch ist es möglich, bei starken Prozess-Schwankungen in der Herstellung des Halbleiterwafers oder bei Verletzungen der Spezifikationen bei der Herstellung des Halbleiterwafers nacheinander nach unterschiedlichen Zielobjekten zu suchen. Die Entscheidung, ob die Auswertung mit dem ersten Zielobjekt erfolgreich war, wird anhand des im ersten Auswerteschritt bestimmten Messergebnisses des charakteristischen Parameters durchgeführt. Sollte dieses außerhalb eines vorgegebenen Wertebereichs liegen, wird die Auswertung mit dem zweiten Zielobjekt wiederholt. Gemäß der Erfindung werden zwei unterschiedlichen Zielobjekten ausgewertet, so dass eine zuverlässige automatische Vermessung der Messobjekte auf dem Halbleiterwafer ermöglicht wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Schritt des Bereitstellens des Messgeräts das Bereitstellen eines Schichtdickenmessgeräts.

Schichtdickenmessgeräte werden häufig bei der Überprüfung der Prozess-Spezifikationen eingesetzt, um beispielsweise das Abscheiden einer Schicht auf dem Halbleiterwafer oder einen chemisch-mechanischen Polierschritt kontrollieren zu können. Gemäß dieser Vorgehensweise kann das erfindungsgemäße Verfahren auch bei diesen Überwachungsschritten verwendet werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Schritt des Bereitstellens des Halbleiterwafers, dass der Halbleiterwafer eine auf der Vorderseite aufgebrachte Schicht als Messobjekt umfasst und der Schritt des Bereitstellens der Messvorschrift die Schichtdicke der aufgebrachten Schicht als Zielobjekt umfasst.

Gemäß dieser Vorgehensweise werden die zu bestimmenden Messgrößen in der Messvorschrift hinterlegt, wobei im Falle eines das Bereitstellens eines Schichtdickenmessgeräts die Schichtdicke der abgeschiedenen Schicht bestimmt wird. Die Schichtdicke kann beispielsweise bestimmten Prozess-Schwankungen unterworfen sein. Es ist aber auch möglich, dass die Schichtdicke aufgrund eines chemisch-mechanischen Polierschritts unterschiedliche Werte nahe des Mittelpunkts und des Rands des Halbleiterwafers aufweist, was in der Technik als sogenanntes „CMP-dishing" bekannt ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Schritt des Bereitstellens des Messgeräts das Bereitstellen eines Overlay-Messgeräts.

Bei der Bestimmung von Overlay-Werten für die Überdeckung zweier Schichten werden oftmals Overlay-Targets als Messobjekte vermessen, die wiederum Prozess-Schwankungen unterliegen können. Die vollautomatische Vermessung der Overlay-Targets wird gemäß der Erfindung mittels einer ersten Messvorschrift durchgeführt. Falls diese Messvorschrift keine zufriedenstellenden Ergebnisse liefert, ist es möglich anhand einer zweiten Messvorschrift die Vermessung erneut auszuführen. Somit können auch unterschiedliche Abmessungen und/oder Formen von Overlay-Targets berücksichtigt werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Schritt des Bereitstellens des Messgeräts das Bereitstellen eines Alignment-Messgeräts.

Bei der Justage eines Halbleiterwafers werden Alignment-Marken vermessen, die dem Einfluss von Prozess-Schwankungen ausgesetzt sind. Die vollautomatische Vermessung der Alignment-Marken als Messobjekte wird gemäß der Erfindung in einem Alignment-Messgerät mittels einer ersten Messvorschrift durchgeführt, die im Falle einer Fehlmessung durch eine zweite Messvorschrift ersetzt wird. Somit lassen sich für unterschiedliche Alignment-Marken die Justageschritte in einer vollautomatischen Messsequenz durchführen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Schritt des Bereitstellens des Halbleiterwafers, dass der Halbleiterwafer ein oder mehrere auf der Vorderseite aufgebrachte Messmarken als Messobjekt umfasst und der Schritt des Bereitstellens der Messvorschrift die Form und die Abmessungen der aufgebrachten Messmarken als Zielobjekt umfasst.

Bei der Bestimmung von Overlay- oder Alignmentwerten werden im Allgemeinen Messmarken vermessen, wobei die Messvorschrift deren Abmessungen als Zielobjekt umfasst. Gemäß dieser Vorgehensweise können die Justierschritte zur Verbesserung des Alignments oder Overlays anhand einer Bestimmung von Messmarken erfolgen, die Prozess-Schwankungen unterworfen sind.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Schritt des Bereitstellens des Messgeräts das Bereitstellen eines Scatterometers.

Gemäß dieser Vorgehensweise ist das erfindungsgemäße Verfahren auch geeignet, bei der Vermessung mittels Scatterometrie eingesetzt zu werden. Dieses Messverfahren ist in der Technik weit verbreitet, um beispielsweise Produktspezifikationen zu untersuchen oder Defektfreiheit zu überprüfen. Dabei werden oftmals Strukturen vermessen, die aufgrund von Prozess-Schwankungen innerhalb eines Halbleiterwafers oder bei verschiedenen Halbleiterwafern Unterschiede aufweisen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Schritt des Bereitstellens des Messgeräts das Bereitstellen eines Rasterelektronenmikroskops.

In der Technik werden Rasterelektronenmikroskope oftmals zur Vermessung von kritischen Strukturen verwendet. Das Verfahren gemäß der Erfindung gestattet die Verwendung mehrerer Messvorschriften, die in Abhängigkeit der Resultate der vorherigen Messung ausgewählt werden. Dadurch kann eine vollautomatische Vermessung auch bei Prozess-Schwankungen innerhalb eines Halbleiterwafers oder zwischen verschiedenen Halbleiterwafern durchgeführt werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Schritt des Überprüfens des ersten Messergebnisses anhand vorgegebener Wertebereiche des ersten Parameters, dass im Falle eines nicht gefundenen ersten Zielobjekts dem ersten Zielobjekt ein außerhalb der vorgegebenen Wertebereiche liegendes erstes Messergebnis zugewiesen wird.

Gemäß dieser Vorgehensweise wird sichergestellt, dass im Falle einer fehlgeschlagenen Auswertung mit dem ersten Zielobjekt, das zweite Messobjekt in der Messvorschrift ausgewählt wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Schritt des Bereitstellens der Messvorschrift, dass das erste Zielobjekt Strukturelementen des Musters in der Mitte des Halbleiterwafers entspricht und dass das zweite Zielobjekt Strukturelementen des Musters am Rand des Halbleiterwafers entspricht.

Gemäß dieser Vorgehensweise ist es möglich, beispielsweise bei starken Prozess-Schwankungen des Halbleiterwafers, nacheinander nach unterschiedlichen Zielobjekten zu suchen. Dies ist beispielsweise bei Halbleiterwafern, deren Oberfläche in einem chemisch-mechanischen Polierschritt bearbeitet werden, von Vorteil, da der Poliervorgang zu unterschiedlichen Strukturelemente am Rand des Halbleiterwafers und in der Mitte des Halbleiterwafers führt. Die unterschiedlichen Strukturelemente werden gemäß der Erfindung mit zwei unterschiedlichen Zielobjekten ausgewertet, so dass eine zuverlässige automatische Vermessung der Strukturelemente auf dem Halbleiterwafer ermöglicht wird.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst der Schritt des Bereitstellens des Halbleiterwafers, dass der Halbleiterwafer in einem Fertigungsprozess mit dem Muster von Strukturelementen versehen wird, der aufgrund von Prozessschwankungen bei der Herstellung des Musters zu unterschiedlichen Abmessungen der Strukturelemente führt, die als Abweichung von einem typischen Wert charakterisiert werden.

Bei der Herstellung des Halbleiterwafers treten oftmals Prozess-Schwankungen oder -Streuungen auf, wodurch beispielsweise Abmessungen von Strukturelementen eines auf dem Halbleiterwafer gebildeten Musters unterschiedliche Werte aufweisen können. Diese unterschiedlichen Abmessungen, die sowohl für verschiedene Strukturelemente eines einzigen Halbleiterwafers als auch für Strukturelemente verschiedener Halbleiterwafer auftreten, zeigen oftmals einen Verteilung, die um einen typischen Wert schwankt. Der typische Wert der Abmessungen der Strukturelemente wird als Prozess-Spezifikation charakterisiert.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst der Schritt des Bereitstellens der Messvorschrift, dass das erste Zielobjekt Strukturelementen des Musters zugeordnet wird, die dem typi schen Wert der Abmessungen der Strukturelemente bei der Herstellung des Musters auf dem Halbleiterwafer entsprechen.

Gemäß dieser Vorgehensweise wird beim Anwenden der Messvorschrift zuerst nach einem Zielobjekt gesucht, das dem typischen Wert der Abmessungen der Strukturelemente bei der Herstellung des Musters auf dem Halbleiterwafer entspricht. Da der typische Wert üblicherweise am häufigsten auftritt, ist in den meisten Fällen die Auswertung mit dem ersten Zielobjekt erfolgreich, so dass die Messung zeitsparend durchgeführt werden kann.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst der Schritt des Bereitstellens der Messvorschrift, dass das zweite Zielobjekt Strukturelementen des Musters zugeordnet wird, die einem von dem typischen Wert abweichenden Wert der Abmessungen der Strukturelemente bei der Herstellung des Musters auf dem Halbleiterwafer entsprechen.

Gemäß dieser Vorgehensweise wird beim Anwenden der Messvorschrift nach dem zweiten Zielobjekt gesucht, wenn das erste Messergebnis des bestimmten ersten Parameters außerhalb des vorgegebenen Wertebereichs liegt. Der vorgegebene Wertebereich des ersten Parameters lässt sich somit direkt aus der Prozess-Spezifikation ableiten.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst der Schritt des Überprüfens des ersten Messergebnisses anhand vorgegebener Wertebereiche des ersten Parameters, dass im Falle eines außerhalb der vorgegebenen Wertebereiche liegenden ersten Messergebnisses folgende Schritte ausgeführt werden:

– Bestrahlen der Vorderseite des Halbleiterwafers in einem weiteren Messfenster mit dem Elektronenstrahl;
– Detektieren der an den Strukturelementen des Musters in einem weiteren Messfenster gestreuten Elektronen mit dem Detektor, um ein weiteres Intensitätsprofil der gestreuten Elektronen zu bestimmen;
– Übertragen des weiteren Intensitätsprofils an das Verarbeitungsmittel; und
– Anwenden der Messvorschrift auf das Intensitätsprofil im Verarbeitungsmittel, wobei das zweite Zielobjekt im weiteren Intensitätsprofil gesucht und der zweite Parameter als zweites Messergebnis bestimmt wird.

Gemäß dieser Vorgehensweise wird das Anwenden der Messvorschrift mit dem zweiten Zielobjekt auf eine Intensitätsverteilung durchgeführt, die nach dem ersten Bestrahlen und Detektieren in einem anderen Messfenster bestimmt wird. Dies wird vorzugsweise dann ausgeführt, wenn der erste Parameter einen Wert aufweist, der außerhalb der Prozess-Spezifikation liegt. Bei einer Verletzung der Prozess-Spezifikation werden somit wenigstens ein weiterer Parameter bestimmt, der beispielsweise verwendet werden kann, um festzustellen, ob die beobachtete Verletzung der Prozess-Spezifikation nur für eine bestimmte Mess-Stelle oder ein bestimmtes Strukturmerkmal auf dem Halbleiterwafer auftritt oder der Halbleiterwafer gänzlich unbrauchbar ist.

– Anpassen des ersten Zielobjekts an das erste Messergebnis, so dass das erste Zielobjekt durch einen veränderten ersten Parameter charakterisiert wird; und
– Erneutes Anwenden der Messvorschrift auf das Intensitätsprofil im Verarbeitungsmittel, wobei zuerst das erste Zielobjekt im Intensitätsprofil gesucht und der veränderte erste Parameter als erstes Messergebnis bestimmt wird.

Gemäß dieser Vorgehensweise wird ausgehend vom ersten Messergebnis das erste Zielobjekt verändert, um eine Anpassung an die erste Auswertung zu erreichen. Das Zielobjekt der Mess vorschrift lässt sich somit an die tatsächlich vorhandenen Verhältnisse auf dem Halbleiterwafer adaptieren, ohne für unterschiedliche Muster eine eigene Messvorschrift vorsehen zu müssen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst der Schritt des Bereitstellens des Halbleiterwafers mit dem Muster von Strukturelementen:

– Bereitstellen eines auf der Vorderseite des Halbleiterwafers angeordneten Speicherzellenfeldes mit Gräben für Grabenkondensatoren und Kontaktlöchern, wobei das Speicherzellenfeld im Bereich der Grabenkondensatoren und/oder Kontaktlöchern das Muster von Strukturelementen bildet.

Gemäß dieser Vorgehensweise wird die Erfindung zur Vermessung von Speicherzellenfeldern von dynamischen Speichern mit wahlfreiem Zugriff angewendet, die im Bereich der Grabenkondensatoren oftmals Strukturelemente aufweisen, die an der Auflösungsgrenze eines lithographischen Projektionsapparates hergestellt werden. Die regelmäßige und zuverlässige Vermessung dieser Strukturelemente ist bei der Herstellung von Speicherzellenfeldern besonders wichtig, da hier das zur Verfügung stehende Prozessfenster im allgemeinen klein ist und bereits kleinste Abweichungen erkannt werden müssen. In einem hochvolumigen Fertigungsprozess wird mittels der Erfindung eine Möglichkeit geschaffen, zuverlässige Kontrollen der Abmessungen dieser Strukturelemente durchzuführen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen die Strukturelemente Abmessungen von ungefähr 70 nm auf.

Gemäß dieser Vorgehensweise wird die Erfindung in einem modernen Herstellungsprozess für die Fertigung von Speicherzellenfeldern von dynamischen Speichern mit wahlfreiem Zugriff angewendet.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst der Schritt des Bereitstellens der Messvorschrift, dass das erste Zielobjekt ein ringförmiges Muster ist, das durch einen Durchmesser von ungefähr 70 nm als ersten Parameter charakterisiert wird, und dass das zweite Zielobjekt ein quadratisches Muster ist, das durch eine Seitenlänge von ungefähr 70 nm als zweiten Parameter charakterisiert wird.

Gemäß dieser Vorgehensweise werden zwei Signaturen als Zielobjekte bereitgestellt, die oftmals beim Bilden von Gräben eines Grabenkondensators eines Speicherzellenfeldes auftreten. Die unterschiedlichen Zielobjekte repräsentieren in diesem Fall ein Strukturelement auf dem Halbleiterwafer, das mit einem chemisch-mechanischen Polierschritt bearbeitet wurde. Der Poliervorgang führt üblicherweise am Rand des Halbleiterwafers zu nahezu quadratischen Grabenquerschnitten, während in der Mitte der Graben einen kreisförmigen Querschnitt aufweist.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Verarbeitungsmittel darüber hinaus geeignet, eine Klassifizierung des Halbleiterwafers nach bestimmten Prozessspezifikationen anhand des ersten Messergebnisses und/oder des zweiten Messergebnisses durchzuführen.

Gemäß dieser Vorgehensweise zeigen die ersten oder zweiten Messergebnisse an, ob der zu untersuchende Halbleiterwafer bestimmte Prozess-Spezifikationen erfüllt. Damit kann beispielsweise über eine Einteilung nach den bestimmten Parametern der Zielobjekte eine Klassifizierung des Halbleiterwafers durchgeführt werden, um zu entscheiden, ob die gefertigte integrierte Schaltung typische oder davon abweichende Eigenschaften aufweist.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst der Schritt des Bereitstellens der Messvorschrift, dass die Messvorschrift ein drittes durch wenigstens einen dritten Parameter charak terisiertes Zielobjekt umfasst, und bei dem nach dem Schritt des Anwendens der Messvorschrift im Falle des außerhalb der vorgegebenen Wertebereiche liegenden der ersten Messergebnisses folgende Schritte durchgeführt werden:

– Überprüfen des zweiten Messergebnisses anhand vorgegebener Wertebereiche des zweiten Parameters;
– Anwenden der Messvorschrift auf das Intensitätsprofil im Verarbeitungsmittel, wobei, falls das zweite Messergebnis außerhalb der vorgegebenen Wertebereiche liegt, das dritte Zielobjekt im Intensitätsprofil gesucht und der dritte Parameter als drittes Messergebnis bestimmt wird; und
– Abspeichern des ersten Messergebnisses und/oder des zweiten Messergebnisses und/oder des dritten Messergebnisses im Verarbeitungsmittel.

Gemäß dieser Vorgehensweise wird das oben beschriebene Konzept auf ein drittes Zielobjekt erweitert, das dann in der Messvorschrift zur Anwendung kommt, wenn die ersten beiden Zielobjekte keine zufriedenstellenden Ergebnisse geliefert haben. Somit kann nacheinander eine einzige Messvorschrift mit unterschiedlichen Parametern angewendet werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst der Schritt des Bereitstellens des Verarbeitungsmittels, dass ein Mikroprozessor als Verarbeitungsmittel bereitgestellt wird, der geeignet ist, Signale des Detektors zu empfangen.

Gemäß dieser Vorgehensweise werden die oben beschriebenen Verfahrensschritte zum Anwenden der Messvorschrift mit einem Mikroprozessor durchgeführt, der direkt mit dem Detektor verbunden und integriert ist.

Die Aufgabe wird auch durch eine Anordnung zur Vermessung eines Messobjekts auf einem Halbleiterwafer mit einem Messgerät, die Folgendes umfasst:

– einen Halbleiterwafer, der auf einer Vorderseite ein Messobjekt umfasst;
– ein Messgerät, das einen Detektor und einen Substrathalter umfasst, wobei der Substrathalter geeignet ist, den Halbleiterwafer aufzunehmen und im Messgerät auszurichten;
– eine Messvorschrift, die ein erstes durch wenigstens einen ersten Parameter charakterisiertes Zielobjekt und zumindest ein zweites durch wenigstens einen zweiten Parameter charakterisiertes Zielobjekt umfasst;
– ein Verarbeitungsmittel, das mit dem Detektor gekoppelt ist;
– ein Mittel zum Durchführen einer Messung an dem Messobjekt mit dem Messgerät, um ein Intensitätsprofil zu bestimmen;
– ein Mittel zum Übertragen des Intensitätsprofils an das Verarbeitungsmittel;
– ein Mittel zum Anwenden der Messvorschrift auf das Intensitätsprofil im Verarbeitungsmittel, wobei zuerst das erste Zielobjekt im Intensitätsprofil gesucht und der erste Parameter als erstes Messergebnis bestimmt wird;
– ein Mittel zum Überprüfen des ersten Messergebnisses anhand vorgegebener Wertebereiche des ersten Parameters;
– ein Mittel zum Anwenden der Messvorschrift auf das Intensitätsprofil im Verarbeitungsmittel, falls das erste Messergebnis außerhalb der vorgegebenen Wertebereiche liegt, wobei das zweite Zielobjekt im Intensitätsprofil gesucht und der zweite Parameter als zweites Messergebnis bestimmt wird; und
– ein Mittel zum Abspeichern des ersten Messergebnisses und/oder des zweiten Messergebnisses im Verarbeitungsmittel.

Besonders vorteilhaft erweist sich die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Fertigungsanlage für Halbleiterwafer mit einer Vielzahl von Fertigungseinheiten, die jeweils geeignet sind, einen Fertigungsschritt zur Bearbeitung der Halbleiterwafer durchzuführen und wenigstens teilweise mit einem Messgerät ausgestattet sind, wobei das erfin dungsgemäße Verfahren für ausgewählte oder alle Halbleiterwafer durchgeführt wird.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
1 schematisch in einer Querschnittsansicht die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens benötigten Teile umfassend ein Rasterelektronenmikroskop und einen Halbleiterwafer;
2A schematisch ein erstes Muster von Strukturelementen auf einem Halbleiterwafer in einer Draufsicht;
2B schematisch ein zweites Muster von Strukturelementen auf einem Halbleiterwafer in einer Draufsicht;
3 ein Flussdiagramm der Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer ersten Ausführungsform; und
4 schematisch ein Diagramm eines Intensitätsprofils.
Im Folgenden wird das Verfahren zur Vermessung von Messobjekten auf einem Halbleiterwafer mit einem Messgerät gemäß der Erfindung erläutert. Das Verfahren gemäß der Erfindung ist geeignet, allgemein in einem Herstellungsprozess bei der Auswertung von Daten eines Messobjekts in einem Messgerät eingesetzt zu werden. Als Messgeräte können beispielsweise Alignment-Messgeräte, Overlay-Messgeräte, Rasterelektronenmikroskope, Schichtdickenmessgeräte oder Scatterometrie-Messgeräte verwendet werden, wobei andere dem Fachmann bekannte Messgeräte nicht ausgeschlossen sind.
Häufig werden Messgeräte bei der Vermessung von Strukturelementen eines Musters eingesetzt. Im Folgenden wird das Verfahren gemäß der Erfindung für diesen Anwendungsfall anhand der Rasterelektronenmikroskopie kritischer Abmessungen beschrieben, wobei dies nicht einschränkend zu verstehen ist.
Die Bestimmung von Abmessungen von Strukturelementen eines Musters 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.
Ausgangspunkt des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ein Rasterelektronenmikroskop und ein Substrathalter, der geeignet ist, den Halbleiterwafer aufzunehmen. Dieser Aufbau ist in 1 gezeigt.
Das Rasterelektronenmikroskop 12 umfasst eine Elektronenstrahlquelle 20 und einen Detektor 26, wie in 1 gezeigt. Die Elektronenstrahlquelle 20 ist üblicherweise mit einer Fokussiereinrichtung 15 versehen, die einen von der Elektronenstrahlquelle 20 emittierten Elektronenstrahl 22 beispielsweise mittels Elektromagneten bündelt. Der Detektor 26 umfasst eine auf Elektronen sensitive Messeinrichtung. Der Detektor 26 ist darüber hinaus mit einem Verarbeitungsmittel 28 verbunden, beispielsweise einem Mikroprozessor. Rasterelektronenmikroskope und deren Komponenten sind in der Technik allgemein bekannt, so dass auf eine genaue Erläuterung hier verzichtet werden kann.
Der Substrathalter 10 ist geeignet, den Halbleiterwafer 5 aufzunehmen, und den Halbleiterwafer 5 im Rasterelektronenmikroskop 12 relativ zur Elektronenstrahlquelle 20 auszurichten. Die Elektronenstrahlquelle 20 ist oberhalb des Substrathalters 10 angebracht und der Detektor 26 seitlich vom Sub strathalter 10, so dass ein von der Elektronenstrahlquelle 20 emittierter Elektronenstrahl 22 auf die Oberseite des Substrathalters 26 fokussiert wird, ohne vom Detektor 24 gestört zu werden.
Der Halbleiterwafer 5 weist auf der Vorderseite 8 ein Muster 34 von Strukturelementen 30 auf. Ein Beispiel dieses Musters 34 von Strukturelementen 30 ist in 2A gezeigt. Das Muster 34 umfasst auf der Vorderseite 8 mehrere kreisförmige Strukturelemente 30, die in einem Substrat des Halbleiterwafers ausgebildet sind. Die Strukturelemente 30 weisen alle eine im wesentlichen gleiche Breite auf und sind als periodisches Muster 34 auf der Vorderseite 8 des Halbleiterwafers 5 ausgebildet.
Eine weitere Ausführungsform des Musters 34' von Strukturelementen 30' ist in 2B gezeigt. Das Muster 34' umfasst auf der Vorderseite 8 mehrere nahezu quadratische Strukturelemente 30', die in einem Substrat des Halbleiterwafers ausgebildet sind. Die Strukturelemente 30' weisen wiederum alle eine im wesentlichen gleiche Breite auf und sind als periodisches Muster 34' auf der Vorderseite 8 des Halbleiterwafers 5 ausgebildet.
Eine Ausführungsform der Muster 34 und 34' von Strukturelementen 30 bzw. 30' 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 einem Durchmesser von beispielsweise 110 nm oder 70 nm vorgesehen. Der Abstand zwischen den Gräben beträgt ebenfalls 110 nm oder 70 nm, so dass das Speicherzellenfeld im Bereich der Grabenkondensato ren das periodische Muster 34 oder 34' von Strukturelementen bildet.
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 das periodische Muster 34 oder 34' von Strukturelementen.
Das Muster 34 und das Muster 34' sind in dem gezeigten Beispiel der 2A und 2B Gräben im Bereich der Grabenkondensatoren für ein DRAM am Mitte und in der Rand des Halbleiterwafers. Die Vorderseite 8 des Halbleiterwafers 5 wurde in einem chemisch-mechanischen Polierschritt bearbeitet. Wie in den 2A und 2B führt der Poliervorgang zu unterschiedlichen Strukturelemente 30' am Rand des Halbleiterwafers 5 und Strukturelemente 30 in der Mitte des Halbleiterwafers 5.
Hier setzt die Erfindung an, um die unterschiedlichen Strukturelemente zuverlässig und automatisch auswerten zu können, so dass eine Vermessung der Strukturelemente auf dem Halbleiterwafer ermöglicht wird.
Das Verfahren gemäß der Erfindung wird im Folgenden anhand der 3 erläutert, das die einzelnen Verfahrensschritte in einer ersten Ausführungsform zeigt.
Zuerst wird in Schritt 100 der Halbleiterwafer 5 bereitgestellt. Der Halbleiterwafer 5 umfasst auf der Vorderseite 8 das in 2A gezeigte Muster 34 oder das in 2B gezeigte Muster 34'.
Danach wird in Schritt 102 das Rasterelektronenmikroskop 12 gemäß der 1 bereitgestellt.
Anschließend wird in Schritt 104 das mit dem Detektor 26 gekoppelte Verarbeitungsmittel bereitgestellt, wie in 1 gezeigt.
In Schritt 106 wird eine Messvorschrift bereitgestellt, die ein erstes durch wenigstens einen ersten Parameter charakterisiertes Zielobjekt und zumindest ein zweites durch wenigstens einen zweiten Parameter charakterisiertes Zielobjekt umfasst. Das erste Zielobjekt ist in diesem Fall ein im wesentlichen kreisförmiges oder ringförmiges Muster, das durch einen Durchmesser von ungefähr 70 nm als ersten Parameter charakterisiert wird. Das zweite Zielobjekt ein quadratisches Muster ist, das durch eine Seitenlänge von ungefähr 70 nm als zweiten Parameter charakterisiert wird. Die unterschiedlichen Zielobjekte repräsentieren in diesem Fall das Strukturelement 34 bzw. 34' auf dem Halbleiterwafer. Der charakteristische Parameter ist im ersten Fall der Durchmesser des kreisförmigen Zielobjekts. Im zweiten Fall ist die Seitenlänge des quadratischen Musters der charakteristische Parameter. Die charakteristischen Parameter werden nachfolgend in einer Messung als Messergebnisse bestimmt, d. h. für das Muster 34 wird der Durchmesser und für das Muster 34' die Seitenlänge als Messergebnis bestimmt.
Dazu erfolgt im Schritt 108 ein Bestrahlen der Vorderseite 8 des Halbleiterwafers 5 in einem Messfenster 32 mit dem Elektronenstrahl 22. Anschließend wird der Substrathalter 10 für das in 2A gezeigte Beispiel so justiert, dass das Messfenster 32 in der Mitte des Halbleiterwafers 5 liegt. Im Ausführungsbeispiel nach 2B liegt das Messfenster entsprechend am Rand des Halbleiterwafers 5.
Anschließend werden im Schritt 110 die an den Strukturelementen des Musters 34 oder 34' im Messfenster 32 gestreuten Elektronen 24 mit dem Detektor 26 nachgewiesen. Man erhält ein Intensitätsprofil 36 der gestreuten Elektronen 24, wie in 4 gezeigt.
Das Intensitätsprofil 36 wird im Schritt 112 aus der Zahl der nachgewiesenen gestreuten Elektronen 24 abgeleitet, die an Positionen mit unterschiedlichen Oberflächenprofilen einen anderen Wert aufweist. Wie in 4 für gezeigt ist, lässt sich aus dem Intensitätsprofil 36 auf die Form des Strukturelements schließen, das mit dem Elektronenstrahl 22 bestrahlt wurde.
Danach wird im Schritt 114 Intensitätsprofils 36, das beispielsweise als digitale Information vorliegt, an das Verarbeitungsmittel 28 übertragen.
Zur Bestimmung des ersten Messergebnisses wird im Schritt 116 die Messvorschrift auf das Intensitätsprofil 36 im Verarbeitungsmittel 28 angewendet. Dabei wird zuerst das erste Zielobjekt im Intensitätsprofil 36 gesucht und der erste Parameter bestimmt. Wie in 4 gezeigt ist, kann das erste Zielobjekt beispielsweise als eine Filterfunktion 38 vorgegeben werden, die mit dem Intensitätsprofil 36 gefaltet wird, um eine mögliche Übereinstimmung des ersten Zielobjekts mit dem Intensitätsprofil 36 zu bestimmen. Andere dem Fachmann bekannte Möglichkeiten einer Suchoperation sind selbstverständlich nicht ausgeschlossen. Diese Berechnungen können beispielsweise mit dem Verarbeitungsmittel 28 durchgeführt werden.
Im nächsten Schritt 118 erfolgt ein Überprüfen des ersten Messergebnisses anhand vorgegebener Wertebereiche des ersten Parameters. Im Falle eines nicht gefundenen ersten Zielobjekts wird dem Messergebnis ein außerhalb der vorgegebenen Wertebereiche liegender erster Parameter zugewiesen. Der vorgegebene Wertebereich wird beispielsweise durch den anhand der Prozess-Spezifikation erlaubten Wertebereich für Strukturelemente dieses Musters bestimmt.
Falls das erste Messergebnis außerhalb der vorgegebenen Wertebereiche liegt, wird im Verarbeitungsmittel 28 im Schritt 120 die Messvorschrift erneut auf das Intensitätsprofil 36 angewendet. Dabei wird das zweite Zielobjekt im Intensitätsprofil 36 gesucht und der zweite Parameter als zweites Messergebnis bestimmt. Die unterschiedlichen Strukturelemente 34 und 34' werden somit mit zwei unterschiedlichen Zielobjekten ausgewertet, so dass eine zuverlässige automatische Vermessung der Strukturelemente auf dem Halbleiterwafer ermöglicht wird.
In der in 3 gezeigten Ausführungsform wird in einem weiteren Schritt 122 das erste Messergebnis und/oder das zweite Messergebnis im Verarbeitungsmittel 28 abgespeichert.
Die verschiedenen Zielobjekte der Messvorschrift können, wie oben beschrieben, unterschiedlichen Mustern zugeordnet sein. Die ist insbesondere bei einem Herstellungsprozess, der über den Halbleiterwafer 5 hinweg verschiedene Signaturen aufweist, von Vorteil. Allgemein können die verschiedenen Zielobjekte beim Fehlschlagen des Anwendens der Messvorschrift nacheinander abgearbeitet werden. Es ist aber auch möglich, die Zielobjekte zu verknüpfen, so dass in Abhängigkeit der ersten Auswertung gezielt ein nächstes Zielobjekt ausgesucht und beim erneuten Anwenden der Messvorschrift herangezogen wird.
Zusätzlich oder in Kombination zur oben beschriebenen Vorgehensweise ist es aber auch möglich, dass im Falle eines außerhalb der vorgegebenen Wertebereiche liegenden ersten Messergebnisses ein erneutes Bestrahlen der Vorderseite 8 des Halbleiterwafers 5 in einem weiteren Messfenster 32 mit dem Elektronenstrahl 22 durchgeführt wird. Anschließend wird durch Detektieren der an den Strukturelementen 30 des Musters 34 in einem weiteren Messfenster 32 gestreuten Elektronen 24 mit dem Detektor ein weiteres Intensitätsprofil der gestreuten Elektronen 24 bestimmt und an das Verarbeitungsmittel 28 übertragen. Die Messvorschrift mit dem zweiten Zielobjekt wird nun auf das weitere Intensitätsprofil 36 angewendet.
Dadurch kann insbesondere bei Verletzung der Prozess-Spezifikationen eine erneute Messung an einer beliebigen Messposition auf dem Halbleiterwafer 5 mit einem völlig anderen Zielobjekt durchgeführt werden, was eine große Flexibilität bei der Messung von Strukturelementen in der Halbleiterfertigung erlaubt.
Als weitere Alternative, die ebenfalls zusätzlich oder in Kombination zur oben beschriebenen Vorgehensweise vorgesehen ist, wird im Falle eines außerhalb der vorgegebenen Wertebereiche liegenden ersten Messergebnisses das erste Zielobjekt an das erste Messergebnis angepasst. Dadurch kann in Abhängigkeit des ersten Messergebnisses das erste Zielobjekt neu bestimmt werden, beispielsweise mit einem anderen Parameter oder einem anderen zugrundeliegenden Muster. Anschließend wird die Messvorschrift mit dem veränderten ersten Zielobjekt erneut auf das Intensitätsprofil 36 angewendet. Dies erlaubt eine Adaption des Zielobjekts in Abhängigkeit des ersten Messergebnisses. Die dazu nötigen Berechnungen können wiederum vom Verarbeitungsmittel 28 ausgeführt werden. Es ist aber auch denkbar, dass die in modernen Fertigungsanlagen vorhandene Datenübertragung zur Steuerung der Fertigungseinheiten (Run-Kontrolle) diese Berechnungen übernimmt. Dazu müssten die Messergebnisse des Rasterelektronenmikroskops mit einer geeigneten Schnittstelle an die Datenübertragungseinrichtung angebunden werden. Dies erlaubt auch, die Messergebnisse gemäß der Erfindung zur Produktqualifizierung zu verwenden.

5: Halbleiterwafer
8: Vorderseite
10: Substrathalter
12: Rasterelektronenmikroskop
15: Fokussiereinrichtung
20: Elektronenstrahlquelle
22: Elektronenstrahl
24: gestreute Elektronen
26: Detektor
28: Verarbeitungsmittel
30: Strukturelement
32: Messfenster
34: Muster
36: Intensitätsprofil
38: Filterfunktion
100 bis 122: Verfahrensschritte

Claims

Verfahren zur Vermessung eines Messobjekts auf einem Halbleiterwafer mit einem Messgerät, das die folgenden Schritte umfasst: – Bereitstellen eines Halbleiterwafers (5), der auf einer Vorderseite (8) ein Messobjekt umfasst; – Bereitstellen eines Messgeräts (12), das einen Detektor (26) und einen Substrathalter (10) umfasst, wobei der Substrathalter (10) geeignet ist, den Halbleiterwafer (5) aufzunehmen und im Messgerät (12) auszurichten; – Bereitstellen einer Messvorschrift, die ein erstes durch wenigstens einen ersten Parameter charakterisiertes Zielobjekt und zumindest ein zweites durch wenigstens einen zweiten Parameter charakterisiertes Zielobjekt umfasst; – Bereitstellen eines Verarbeitungsmittels (28), das mit dem Detektor (26) gekoppelt ist; – Durchführen einer Messung an dem Messobjekt mit dem Messgerät, um ein Intensitätsprofil (36) zu bestimmen; – Übertragen des Intensitätsprofils (36) an das Verarbeitungsmittel (28); – Anwenden der Messvorschrift auf das Intensitätsprofil (36) im Verarbeitungsmittel (28), wobei zuerst das erste Zielobjekt im Intensitätsprofil (36) gesucht und der erste Parameter als erstes Messergebnis bestimmt wird; – Überprüfen des ersten Messergebnisses anhand vorgegebener Wertebereiche des ersten Parameters; – Anwenden der Messvorschrift auf das Intensitätsprofil (36) im Verarbeitungsmittel (28), falls das erste Messergebnis außerhalb der vorgegebenen Wertebereiche liegt, wobei das zweite Zielobjekt im Intensitätsprofil (36) gesucht und der zweite Parameter als zweites Messergebnis bestimmt wird; und – Abspeichern des ersten Messergebnisses und/oder des zweiten Messergebnisses im Verarbeitungsmittel (28).
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des Bereitstellens des Messgeräts das Bereitstellen eines Schichtdickenmessgeräts umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Schritt des Bereitstellens des Halbleiterwafers (5) umfasst, dass der Halbleiterwafer (5) eine auf der Vorderseite aufgebrachte Schicht als Messobjekt umfasst und der Schritt des Bereitstellens der Messvorschrift die Schichtdicke der aufgebrachten Schicht als Zielobjekt umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des Bereitstellens des Messgeräts das Bereitstellen eines Overlay-Messgeräts umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des Bereitstellens des Messgeräts das Bereitstellen eines Alignment-Messgeräts umfasst.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, bei dem der Schritt des Bereitstellens des Halbleiterwafers (5) umfasst, dass der Halbleiterwafer (5) ein oder mehrere auf der Vorderseite aufgebrachte Messmarken als Messobjekt umfasst und der Schritt des Bereitstellens der Messvorschrift die Abmessungen der aufgebrachten Messmarken als Zielobjekt umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des Bereitstellens des Messgeräts das Bereitstellen eines Scatterometers umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des Bereitstellens des Messgeräts das Bereitstellen eines Rasterelektronenmikroskops umfasst.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, bei dem der Schritt des Bereitstellens des Halbleiterwafers (5) umfasst, dass der Halbleiterwafer (5) auf einer Vorderseite (8) ein Muster (34) mit einer Vielzahl von Strukturelementen (30) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, bei dem der Schritt des Bereitstellens des Messgeräts darüber hinaus umfasst, dass das Rasterelektronenmikroskop (12) eine Elektronenstrahlquelle (20) und einen Substrathalter (10) umfasst, wobei der Substrathalter (10) geeignet ist, den Halbleiterwafer (5) aufzunehmen und im Rasterelektronenmikroskop (12) relativ zur Elektronenstrahlquelle (20) auszurichten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei dem der Schritt des Durchführens der Messung das Bestrahlen der Vorderseite (8) des Halbleiterwafers (5) in einem Messfenster (32) mit einem Elektronenstrahl (22) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, bei dem der Schritt des Durchführens der Messung das Detektieren der an den Strukturelementen (30) des Musters (34) im Messfenster (32) gestreuten Elektronen (24) mit dem Detektor (26) umfasst, um das Intensitätsprofil (36) der gestreuten Elektronen (24) zu bestimmen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem der Schritt des Überprüfens des ersten Messergebnisses anhand vorgegebener Wertebereiche des ersten Parameters umfasst, dass im Falle eines nicht gefundenen ersten Zielobjekts dem ersten Zielobjekt ein außerhalb der vorgegebenen Wertebereiche liegendes erstes Messergebnis zugewiesen wird.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem der Schritt des Bereitstellens der Messvorschrift umfasst, dass das erste Zielobjekt Strukturelementen des Musters in der Mitte des Halbleiterwafers entspricht und dass das zweite Zielob jekt Strukturelementen des Musters am Rand des Halbleiterwafers entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei dem der Schritt des Bereitstellens des Halbleiterwafers (5) umfasst, dass der Halbleiterwafer (5) in einem Fertigungsprozess mit dem Muster (34) von Strukturelementen (30) versehen wird, der aufgrund von Prozessschwankungen bei der Herstellung des Musters (34) zu unterschiedlichen Abmessungen der Strukturelemente (30) führt, die als Abweichung von einem typischen Wert charakterisiert werden.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem der Schritt des Bereitstellens der Messvorschrift umfasst, dass das erste Zielobjekt Strukturelementen (30) des Musters (34) zugeordnet wird, die dem typischen Wert der Abmessungen der Strukturelemente (30) bei der Herstellung des Musters (34) auf dem Halbleiterwafer (5) entsprechen.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem der Schritt des Bereitstellens der Messvorschrift umfasst, dass das zweite Zielobjekt Strukturelementen (30) des Musters (34) zugeordnet wird, die einem von dem typischen Wert abweichenden Wert der Abmessungen der Strukturelemente (30) bei der Herstellung des Musters (34) auf dem Halbleiterwafer (5) entsprechen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14, bei dem der Schritt des Überprüfens des ersten Messergebnisses anhand vorgegebener Wertebereiche des ersten Parameters umfasst, dass im Falle eines außerhalb der vorgegebenen Wertebereiche liegenden ersten Messergebnisses folgende Schritte ausgeführt werden: – Bestrahlen der Vorderseite (8) des Halbleiterwafers (5) in einem weiteren Messfenster (32) mit dem Elektronenstrahl (22); – Detektieren der an den Strukturelementen (30) des Musters (34) in einem weiteren Messfenster (32) gestreuten Elektronen (24) mit dem Detektor (26), um ein weiteres Intensitätsprofil der gestreuten Elektronen (24) zu bestimmen; – Übertragen des weiteren Intensitätsprofils (36) an das Verarbeitungsmittel (28); und – Anwenden der Messvorschrift auf das Intensitätsprofil (36) im Verarbeitungsmittel (28), wobei das zweite Zielobjekt im weiteren Intensitätsprofil (36) gesucht und der zweite Parameter als zweites Messergebnis bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, bei dem der Schritt des Überprüfens des ersten Messergebnisses anhand vorgegebener Wertebereiche des ersten Parameters umfasst, dass im Falle eines außerhalb der vorgegebenen Wertebereiche liegenden ersten Messergebnisses folgende Schritte ausgeführt werden: – Anpassen des ersten Zielobjekts an das erste Messergebnis, so dass das erste Zielobjekt durch einen veränderten ersten Parameter charakterisiert wird; und – Erneutes Anwenden der Messvorschrift auf das Intensitätsprofil (36) im Verarbeitungsmittel (28), wobei zuerst das erste Zielobjekt im Intensitätsprofil (36) gesucht und der veränderte erste Parameter als erstes Messergebnis bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 19, bei dem der Schritt des Bereitstellens des Halbleiterwafers (5) mit dem Muster (34) von Strukturelementen (30) umfasst: – Bereitstellen eines auf der Vorderseite des Halbleiterwafers (5) angeordneten Speicherzellenfeldes mit Gräben für Grabenkondensatoren und Kontaktlöchern, wobei das Speicherzellenfeld im Bereich der Grabenkondensatoren und/oder Kontaktlöchern das Muster (34) von Strukturelementen (30) bildet.
Verfahren nach Anspruch 20, bei dem die Strukturelemente (30) Abmessungen von weniger als 110 nm aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 21, bei dem die Strukturelemente (30) Abmessungen von ungefähr 70 nm aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 22, bei dem der Schritt des Bereitstellens der Messvorschrift umfasst, dass das erste Zielobjekt ein ringförmiges Muster ist, das durch einen Durchmesser von ungefähr 70 nm als ersten Parameter charakterisiert wird, und dass das zweite Zielobjekt ein quadratisches Muster ist, das durch eine Seitenlänge von ungefähr 70 nm als zweiten Parameter charakterisiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 23, bei dem das Verarbeitungsmittel (28) darüber hinaus geeignet ist, eine Klassifizierung des Halbleiterwafers (5) nach bestimmten Prozessspezifikationen anhand des ersten Messergebnisses und/oder des zweiten Messergebnisses durchzuführen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 24, bei dem der Schritt des Bereitstellens der Messvorschrift umfasst, dass die Messvorschrift ein drittes durch wenigstens einen dritten Parameter charakterisiertes Zielobjekt umfasst, und bei dem nach dem Schritt des Anwendens der Messvorschrift im Falle des außerhalb der vorgegebenen Wertebereiche liegenden der ersten Parameters folgende Schritte durchgeführt werden: – Überprüfen des zweiten Messergebnisses anhand vorgegebener Wertebereiche des zweiten Parameters; – Anwenden der Messvorschrift auf das Intensitätsprofil (36) im Verarbeitungsmittel (28), wobei, falls das zweite Messergebnis außerhalb der vorgegebenen Wertebereiche liegt, das dritte Zielobjekt im Intensitätsprofil (36) gesucht und der dritte Parameter als drittes Messergebnis bestimmt wird; und – Abspeichern des ersten Messergebnisses und/oder des zweiten Messergebnisses und/oder des dritten Messergebnisses im Verarbeitungsmittel (28).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 25, bei dem der Schritt des Bereitstellens des Verarbeitungsmittels (28) umfasst, dass ein Mikroprozessor als Verarbeitungsmittel (28) bereitgestellt wird, der geeignet ist, Signale des Detektors (26) zu empfangen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 25, bei dem der Schritt des Bereitstellens des Verarbeitungsmittels (28) umfasst, dass das Verarbeitungsmittel (28) eine Schnittstelle aufweist, die geeignet ist, nach dem Abspeichern des ersten Messergebnisses und/oder des zweiten Messergebnisses und/oder des dritten Messergebnisses im Verarbeitungsmittel (28) die Messergebnisse an eine Datenverarbeitungseinrichtung zu übertragen.
Anordnung zur Vermessung eines Messobjekts auf einem Halbleiterwafer mit einem Messgerät, die Folgendes umfasst – einen Halbleiterwafer (5), der auf einer Vorderseite (8) ein Messobjekt umfasst; – ein Messgerät (12), das einen Detektor (26) und einen Substrathalter (10) umfasst, wobei der Substrathalter (10) geeignet ist, den Halbleiterwafer (5) aufzunehmen und im Messgerät (12) auszurichten; – eine Messvorschrift, die ein erstes durch wenigstens einen ersten Parameter charakterisiertes Zielobjekt und zumindest ein zweites durch wenigstens einen zweiten Parameter charakterisiertes Zielobjekt umfasst; – ein Verarbeitungsmittel (28), das mit dem Detektor (26) gekoppelt ist; – ein Mittel zum Durchführen einer Messung an dem Messobjekt mit dem Messgerät, um ein Intensitätsprofil (36) zu bestimmen; – ein Mittel zum Übertragen des Intensitätsprofils (36) an das Verarbeitungsmittel (28); – ein Mittel zum Anwenden der Messvorschrift auf das Intensitätsprofil (36) im Verarbeitungsmittel (28), wobei zuerst das erste Zielobjekt im Intensitätsprofil (36) gesucht und der erste Parameter als erstes Messergebnis bestimmt wird; – ein Mittel zum Überprüfen des ersten Messergebnisses anhand vorgegebener Wertebereiche des ersten Parameters; – ein Mittel zum Anwenden der Messvorschrift auf das Intensitätsprofil (36) im Verarbeitungsmittel (28), falls das erste Messergebnis außerhalb der vorgegebenen Wertebereiche liegt, wobei das zweite Zielobjekt im Intensitätsprofil (36) gesucht und der zweite Parameter als zweites Messergebnis bestimmt wird; und – ein Mittel zum Abspeichern des ersten Messergebnisses und/oder des zweiten Messergebnisses im Verarbeitungsmittel (28).
Anordnung nach Anspruch 28, bei der der Halbleiterwafer (5) ein auf der Oberseite des Halbleiterwafers (5) angeordnetes Speicherzellenfeld mit Gräben für Grabenkondensatoren und Kontaktlöchern aufweist, wobei das Speicherzellenfeld im Bereich der Grabenkondensatoren und/oder Kontaktlöchern als Messobjekt ein Muster (34) von Strukturelementen (30) umfasst.
Anordnung nach Anspruch 29, bei der die Strukturelemente (30) Abmessungen von weniger als 110 nm aufweisen.
Anordnung nach Anspruch 30, bei der die Strukturelemente (30) Abmessungen von ungefähr 70 nm aufweisen.
Anordnung nach Anspruch 31, bei der die Messvorschrift umfasst als das erste Zielobjekt ein ringförmiges Muster umfasst, das durch einen Durchmesser von ungefähr 70 nm als ersten Parameter charakterisiert ist, und als das zweite Zielobjekt ein quadratisches Muster umfasst, das durch eine Seitenlänge von ungefähr 70 nm als zweiten Parameter charakterisiert ist.
Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 27 in einer Fertigungsanlage für Halbleiterwafer mit einer Vielzahl von Fertigungseinheiten, die jeweils geeignet sind, einen Fertigungsschritt zur Bearbeitung der Halbleiterwafer durchzuführen und wenigstens teilweise mit einem Rasterelektronenmikroskop versehen sind, wobei für ausgewählte Halbleiterwafer das Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 15 durchgeführt wird.