DE102006017283A1 - Semiconductor wafer pattern`s structural unit measuring method for semiconductor manufacturing system, involves providing model of ellipsometry irradiation, and calculating measurements of structural units on wafer based on model - Google Patents

Semiconductor wafer pattern`s structural unit measuring method for semiconductor manufacturing system, involves providing model of ellipsometry irradiation, and calculating measurements of structural units on wafer based on model Download PDF

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Abstract

The method involves determining complex reflection coefficients of reflected monochromatic electromagnetic radiation by a detector (50). Ellipsometry parameters are determined from the complex reflection coefficient. A model of an ellipsometry irradiation is provided, where the model combines the ellipsometry parameters with modeled measurements of structural units (14). Measurements of the structural units on a semiconductor wafer (5) are calculated based on the model. An independent claim is also included for a measuring device for measuring structural units of a pattern on a semiconductor wafer.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur ellipsometrischen Vermessung von Strukturelementen. Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine Messvorrichtung zur ellipsometrischen Vermessung von Strukturelementen. Die Erfindung betrifft auch die Verwendung der Messvorrichtung in einer Halbleiterfertigungsanlage.The The invention relates to a method for ellipsometric measurement of structural elements. The invention also relates a measuring device for ellipsometric measurement of structural elements. The invention also relates to the use of the measuring device in a semiconductor manufacturing plant.

Zur Herstellung integrierter Schaltungen werden üblicherweise auf Halbleiterwafern verschiedene Materialien abgeschieden und einzeln oder im Stapel jeweils lithographisch strukturiert. Ein lithographischer Strukturierungsschritt kann darin bestehen, einen photoempfindlichen Resist aufzutragen, diesen mit einer gewünschten Struktur für die betreffende Ebene zu belichten und zu entwickeln, sowie anschließend die somit entstandene Resist-Maske in die unterliegende Schicht in einem Ätzschritt zu übertragen.to Integrated circuit fabrication is commonly done on semiconductor wafers various materials deposited and individually or in the stack each lithographically structured. A lithographic patterning step may be to apply a photosensitive resist, this with a desired Structure for to expose and develop the relevant level, and subsequently the thus resulting resist mask in the underlying layer in an etching step transferred to.

Mit den stetig ansteigenden Integrationsdichten integrierter Schaltungen erhöhen sich auch die Anforderungen an die Maßhaltigkeit 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 (auch als Overlay bezeichnet), um die Funktionsfähigkeit der Schaltung zu gewährleisten. Ebenso müssen die Strukturen selber in immer genaueren absoluten Toleranzgrenzen erzeugt werden, um die Funktionalität der integrierten Schaltungen zu gewährleisten.With the ever increasing integration densities of integrated circuits increase also the requirements for dimensional accuracy of a on the semiconductor substrate to be projected structure pattern. Especially if already Vorebenen in underlying layers, z. B. in a lithographic Projection step, transferred have to ever stricter tolerance limits regarding the mutual alignment of the currently relative to the substrate to be projected structural pattern be taken into account to the structures of the above levels (also as Overlay) to ensure the functionality of the circuit. Likewise have to the structures themselves in ever more exact absolute tolerance limits be generated to the functionality of the integrated circuits to ensure.

Die fortschreitende Miniaturisierung in der Halbleitertechnologie erlaubt auch die Herstellung immer leistungsfähigerer elektronischer Bausteine. So können heutzutage beispielsweise dynamische Speicher mit wahlfreiem Zugriff(DRAM) hergestellt werden, die eine Vielzahl von Speicherzellen enthalten. Dichte Linien-Spalten-Muster, wie sie etwa im Bereich der Herstellung von DRAMs gebildet werden, weisen beispielsweise Linienbreiten von 70, 90 oder 110 nm auf. Für den lithographischen Projektionsschritt eines solchen Schaltungsmusters wird üblicherweise ein Waferscanner bzw. Waferstepper verwendet.The progressive miniaturization in semiconductor technology also the production of increasingly powerful electronic components. So can for example, dynamic random access memory (DRAM) today produced, which contain a plurality of memory cells. Dense lines-and-columns patterns, such as those in the field of manufacture of DRAMs have, for example, line widths of 70, 90 or 110 nm. For the lithographic projection step of such a circuit pattern becomes common a wafer scanner or Waferstepper used.

Während der Herstellung eines Speicherzellenfeldes werden stets 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 oder kontaktlochartigen Strukturen auf die Oberfläche zu erreichen.During the Production of a memory cell array are always those for the photolithographic projection characteristic parameters, such. B. the exposure dose, the focus adjustment or the illumination mode of the projection apparatus, very accurate controlled to a high dimensional accuracy in the projection of the pattern of the deep trenches or contact hole-like Structures on the surface to reach.

Um die Zahl der Speicherzellen auf einem DRAM zu steigern, werden das Muster der Gräben, oder allgemein von Linien-Spalten-Mustern (2D-Strukturen), oder aber auch von Kontaktlöchern (3D-Strukturen) mit minimalen Abmessungen ausgeführt. Zur Überwachung der Herstellungsqualität werden diese als kritische Abmessungen (critical dimension, CD) bezeichneten Strukturen regelmäßig, beispielsweise mittels Scatterometrie, kontrolliert.Around increasing the number of memory cells on a DRAM will be the Pattern of the trenches, or generally line-column patterns (2D structures), or even of contact holes (3D structures) with minimal Dimensions executed. For monitoring the manufacturing quality these are called critical dimensions (CD) designated structures regularly, for example by means of scatterometry, controlled.

Bei der Scatterometrie (engl. scatterometry) handelt es sich um eine optische Messtechnik, die auf der Analyse von gebeugtem Licht von der Oberfläche des mit Strukturelementen versehenen Halbleiterwafers beruht. Üblicherweise sind die Strukturelemente auf der Vorderseite des Halbleiterwafers wenigstens in Teilbereichen regelmäßig angeordnet, so dass das Licht an dem regelmäßigen gitterartigen Muster der ein oder zweidimensonal periodischen Strukturelemente gebeugt wird.at the Scatterometry (English scatterometry) is a optical metrology based on the analysis of diffracted light of the surface of the patterned semiconductor wafer. Usually are the structural elements on the front side of the semiconductor wafer arranged at least in sections regularly, so that the Light on the regular grid-like Pattern of one or two-dimensionally periodic structural elements is bent.

Die Eigenschaften des reflektierten Lichts, wie z.B. Intensität und Polarisation, hängen unter anderem von den Strukturgrößen und der Anordnung der Strukturelemente auf dem Halbleiterwafer ab. Darüber hinaus hängen die Eigenschaften des reflektierten Lichtes auch von Geräteparametern und optischen Dispersionen der in der Messstruktur vorhandenen Schichten ab. Durch Bestimmung dieser ellipsometrischen Parameter ist es möglich, auf die Strukturelemente bei der Herstellung zurück zuschließen, um die Herstellungsqualität zu überwachen.The Characteristics of the reflected light, e.g. Intensity and polarization, hang among other things, the structure sizes and the arrangement of the structural elements on the semiconductor wafer. In addition, the hang Characteristics of the reflected light also from device parameters and optical dispersions of the layers present in the measurement structure from. By determining these ellipsometric parameters, it is possible to lock back the structural elements during manufacture to monitor manufacturing quality.

Bei der Scatterometrie handelt es sich um ein nicht-destruktives Verfahren, wie beispielsweise auch die Rasterelektronenmikroskopie und die Atomkraftmikroskopie. Um dreidimensionale Strukturen vermessen zu können werden bei der Rasterelektronenmikroskopie oftmals ein Schnitt durch den Halbleiterwafer vermessen, sodass der Halbleiterwafer zerstört wird. Folglich wird nicht-destruktiven Messverfahren oftmals der Vorzug vor der Bestimmung von Strukturgrößen mittels eines Rasterelektronenmikroskops gegeben, bei dem der Halbleiterwafer entlang eines Schnittes vermessen wird.at Scatterometry is a non-destructive process, such as also Scanning Electron Microscopy and Atomic Force Microscopy. In order to measure three-dimensional structures are in the scanning electron microscopy often measure a section through the semiconductor wafer, so destroyed the semiconductor wafer becomes. Consequently, non-destructive measurement is often the Preference for the determination of feature sizes by means of a scanning electron microscope in which the semiconductor wafer is measured along a section becomes.

Allgemein können dabei nicht nur die kritischen Abmessungen überwacht werden, sondern eine Auswertung der Information des Streulichts ermöglicht auch eine Bestimmung von Parametern dreidimensionaler Strukturen, beispielsweise von tiefen Grabenstrukturen bei der DRAM-Herstellung. Die erforderliche Rechenleistung steigt dabei mit der Komplexität des der Messung zugrunde liegenden Modells an. Ein Beispiel für eine komplexere Analyse ist in dem Aufsatz von Peter Reinig, Rene Dost, Manfred Moert, Thomas Hingst, Ulrich Mantz, Jasen Moffitt and Sushil Shakya, Christopher J. Raymond and Mike Littau, „Metrology of deep trench etched memory structures using 3D scatterometry", Proc. of SPIE 2005, Vol. 5752, Metrology, Inspection, and Process Control for Microlithography XIX, Mai 2005, Seite 559-569 ausgeführt.In general, not only the critical dimensions can be monitored, but an off Evaluation of the information of the scattered light also makes it possible to determine parameters of three-dimensional structures, for example deep trench structures in DRAM production. The required computing power increases with the complexity of the model underlying the measurement. An example of a more complex analysis is in the paper by Peter Reinig, Rene Dost, Manfred Moert, Thomas Hingst, Ulrich Mantz, Jasen Moffitt and Sushil Shakya, Christopher J. Raymond and Mike Littau, "Metrology of deep trench etched memory structures using 3D scatterometry ", Proc. of SPIE 2005, Vol. 5752, Metrology, Inspection, and Process Control for Microlithography XIX, May 2005, pages 559-569.

Scatterometrie ist als eine auf traditionellen Schichtdickenmessungen aufbauende modellbasierte Vorgehensweise mittlerweile in der Halbleiterindustrie etabliert. Dabei existieren verschiedene Konfigurationen von Messvorrichtungen, die beispielsweise auf Spektralellipsometrie oder Reflektometrie basieren. Beispiele für bekannte Konfigurationen sind die auf Spektralellipsometrie basierende Scatterometrie, die Scatterometrie mit variablem Winkel (variable angle scatterometry), die polarisierte oder unpolarisierte Reflektometrie basierende Scatterometrie (unpolarized or polarized reflectometry based scatterometry), oder die Phi-Scatterometrie.scatterometry is considered to be based on traditional film thickness measurements Model-based approach now in the semiconductor industry established. There are different configurations of measuring devices, for example spectral ellipsometry or reflectometry based. examples for known configurations are those based on spectral ellipsometry Scatterometry, the variable angle scatterometry (variable angle scatterometry), polarized or unpolarized reflectometry based scatterometry (unpolarized or polarized reflectometry based scatterometry), or phi-scatterometry.

Die im Stand der Technik bekannten Messvorrichtungen zeigen unterschiedliche Empfindlichkeiten oder Sensitivitäten hinsichtlich Strukturgeometrie und optischen Eigenschaften der Materialien. Sofern eine zu geringe Sensitivität zu verzeichnen ist, wird üblicherweise auf ein andere Gerätekonfiguration oder ein anderes Messverfahren ausgewichen. So kann beispielsweise über die Variation der Wellenlänge eine Erhöhung der Sensitivität erreicht werden.The Known in the prior art measuring devices show different Sensitivities or sensitivities with regard to structure geometry and optical properties of the materials. If one is too low sensitivity is becoming common to another device configuration or another method of measurement. For example, on the Variation of the wavelength an increase the sensitivity be achieved.

Aus der Verwendung mehrerer Werte ergibt sich hierbei ein vergrößerter Messparameterraum, wodurch sich die Wahrscheinlichkeit erhöht, Messparameterbedingungen zu finden, in denen bezüglich des zu untersuchenden Profilparameters ein Bereich mit erhöhter Sensitivität besteht. Allerdings ist damit zugleich auch immer eine Erhöhung der Gerätekomplexität verbunden, beispielsweise durch Messvorrichtungen, die eine wellenlängenabhängige Auswertung ermöglichen.Out the use of multiple values results in an enlarged measurement parameter space, which increases the probability of measurement parameter conditions to find in which respect of the profile parameter to be examined is an area with increased sensitivity. However, at the same time always an increase in the Device complexity connected, for example, by measuring devices that have a wavelength-dependent evaluation enable.

Ein in diesem Zusammenhang bisher wenig beachtetes Problem besteht darin, dass oftmals die Vermessung der Strukturelemente von Mustern auf einem Halbleiterwafer in einem bestimmten Prozesstool mittels integrierter Messvorrichtungen wünschenswert wäre, um Prozessschwankungen, die zu unterschiedlichen Abmessungen oder Formen des Musters führen können, frühzeitig erkennen zu können. In diesen Fällen sind eine komplizierte Messvorrichtung und eine aufwendige Messvorschrift ungeeignet, da diese Geräte nicht in einem Prozesstool integrierbar sind.One In this context, so far little noticed problem is that often the measurement of the structural elements of patterns on a semiconductor wafer in a particular process tool by means of integrated Measuring devices desirable would be to Process variations resulting in different dimensions or shapes lead the pattern can, early to be able to recognize. In these cases are a complicated measuring device and a complex measuring instruction unsuitable because these devices can not be integrated in a process tool.

Es besteht folglich in der Technik ein Bedarf, ein Verfahren und eine Messvorrichtung zur ellipsometrischen Vermessung von Strukturelementen bereitzustellen, die oben genannte Probleme überwinden und die Möglichkeit bieten Messungen durchzuführen, die mit bisherigen bekannten Gerätetypen und Gerätekonfigurationen nicht durchführbar sind.It Thus, there is a need, a method and a technique in the art Measuring device for ellipsometric measurement of structural elements to overcome the above problems and the possibility provide measurements, the with known device types and device configurations not feasible are.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren zur ellipsometrischen Vermessung von Strukturelementen gelöst, bei dem folgende Schritte ausgeführt werden:

  • – Bereitstellen eines Halbleiterwafers, der auf einer Hauptfläche ein in einem bestimmten Bereich periodisch angeordne tes Muster von Strukturelementen umfasst, die entlang einer Symmetrieachse angeordnet sind;
  • – Bereitstellen eines Substrattisches, der geeignet ist, den Halbleiterwafer aufzunehmen;
  • – Bereitstellen einer Strahlungsquelle, die monochromatische elektromagnetische Strahlung entlang einer ersten Richtung abstrahlt;
  • – Bereitstellen eines Detektors, der geeignet ist, die von der Strahlungsquelle in einer zweiten Richtung reflektierte monochromatische elektromagnetische Strahlung nachzuweisen;
  • – Ausrichten des Halbleiterwafers relativ zur Strahlungsquelle auf dem Substrattisch, wobei die erste Richtung zu der Hauptfläche des Halbleiterwafers einen Neigungswinkel bezüglich der Symmetrieachse und einen festen Azimutwinkel einschließt, wobei der Neigungswinkel der auftreffenden elektromagnetischen Strahlung von Null verschieden ist;
  • – Bestrahlen der Hauptfläche des Halbleiterwafers mit der monochromatische elektromagnetische Strahlung in dem bestimmten Bereich mit dem Muster von Strukturelementen;
  • – Bestimmen eines komplexen Reflexionskoeffizienten der reflektierten monochromatischen elektromagnetischen Strahlung mittels des Detektors;
  • – Bestimmen von ellipsometrischen Parametern aus dem komplexen Reflexionskoeffizienten;
  • – Bereitstellen eines Modells der ellipsometrischen Bestrahlung, das geeignet ist, die ellipsometrischen Parameter mit modellierten Abmessungen der Strukturelemente zu verknüpfen; und
  • – Berechnen der Abmessungen der Strukturelemente auf dem Halbleiterwafer anhand des Modells.
This object is achieved according to the invention by a method for ellipsometric measurement of structural elements, in which the following steps are carried out:
  • Providing a semiconductor wafer comprising, on a main surface, a pattern of structural elements arranged periodically in a certain area, arranged along an axis of symmetry;
  • Providing a substrate table adapted to receive the semiconductor wafer;
  • Providing a radiation source which radiates monochromatic electromagnetic radiation along a first direction;
  • Providing a detector capable of detecting the monochromatic electromagnetic radiation reflected from the radiation source in a second direction;
  • Aligning the semiconductor wafer relative to the radiation source on the substrate table, wherein the first direction to the main surface of the semiconductor wafer includes an inclination angle with respect to the symmetry axis and a fixed azimuth angle, the inclination angle of the incident electromagnetic radiation being different from zero;
  • Irradiating the main surface of the semiconductor wafer with the monochromatic electromagnetic radiation in the predetermined region with the pattern of structural elements;
  • Determining a complex reflection coefficient of the reflected monochromatic electromagnetic radiation by means of the detector;
  • Determining ellipsometric parameters from the complex reflection coefficient;
  • Providing a model of ellipsometric irradiation suitable for the ellipsometric Pa link parameters with modeled dimensions of the structural elements; and
  • - Calculating the dimensions of the structural elements on the semiconductor wafer based on the model.

Gemäß der Erfindung wird monochromatisches Licht unter einer fest vorgegebenen Einfallsgeometrie eingestrahlt. Für das periodisch angeordnete Muster von Strukturelementen wird eine Einstrahlung durch eine schräg zur Symmetrieachse der Probe liegende Einfallsebene erreicht, so dass ein Bruch in der Spiegelsymmetrie bezüglich der Einfallsebene vorliegt. Dadurch ergibt sich eine so genannte Polarisationskonversion, die in der Scatterometrie bereits bekannt ist, siehe dazu beispielsweise S.J. Elston, G.P. Bryan-Brown, and J.R. Sambles, „Polarization conversion from diffraction gratings", Phys. Rev. B 44, 6393-6400, 1991. es ermöglicht, die bekannten ellipsometrischen Parameter tan(PSI) und cos(Delta) für wenigstens einen Neigungswinkel aufzuzeichnen. Die Definition der ellipsometrischen Parameter tan(PSI) und cos(Delta) ist beispielsweise in M. Schubert, B. Rheinländer, J.A. Woollam, B. Johs and C.M. Herziger: „Extension of rotating analyzer ellipsometry to generalized ellipsometry: determination of the dielectric function tensor from uniaxial TiO2", J. Opt. Soc. Am. A, 13 (4), 1996.According to the invention, monochromatic light is irradiated under a fixed predetermined incident geometry. For the periodically arranged pattern of structural elements, irradiation is achieved by an incidence plane lying obliquely to the symmetry axis of the sample, so that there is a break in the mirror symmetry with respect to the plane of incidence. This results in what is known as polarization conversion, which is already known in scatterometry, see, for example, SJ Elston, GP Bryan-Brown, and JR Sambles, "Polarization conversion from diffraction gratings", Phys. Rev. B 44, 6393-6400, 1991. It is possible to record the known ellipsometric parameters tan (PSI) and cos (delta) for at least one tilt angle The definition of the ellipsometric parameters tan (PSI) and cos (delta) is described, for example, in M. Schubert, B. Rheinländer, JA Woollam, B. Johs and CM Herziger: "Extension of rotating analyzer ellipsometry to generalized ellipsometry: determination of the dielectric function tensor from uniaxial TiO 2 ", J. Opt. Soc. At the. A, 13 (4), 1996.

Im Gegensatz dazu wird im Stand der Technik die Scatterometrie in einem Modus betrieben, bei dem die Einfallsebene des Lichtstrahls senkrecht zur Richtung einer sich periodisch fortsetzenden Halbleiterstruktur orientiert ist. Unter senkrecht einfallendem Lichtstrahl versteht man hier die Richtung parallel zur Fortsetzungsrichtung der Halbleiterstruktur. Da das Messergebnis immer abhängig von den verwendeten Materialien und dem sich innerhalb des Messflecks periodisch fortsetzenden Profils ist, ergeben sich eine breite Palette von möglichen Messverfahren.in the In contrast, in the prior art, the scatterometry in a Mode operated in which the plane of incidence of the light beam perpendicular oriented to the direction of a periodically continuing semiconductor structure is. Under perpendicularly incident light beam is understood here the direction parallel to the continuation direction of the semiconductor structure. Because the measurement result is always dependent of the materials used and within the measuring spot periodically continuing profile, results in a wide range of possible Measurement methods.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt keine Variation des Einfallswinkels, des Azimutwinkels oder Verwendung eines breiten Spektralbereiches, um eine Signatur für die Bestimmung des Profils zu gewinnen. Dies ermöglicht es unter Umständen, einen vereinfachten und kompakten Aufbau zu verwenden, der sich auch besser für integrierte Messvorrichtungen eignet. Es ergibt sich je nach Einfallsgeometrie der elektromagnetischen Strahlung und Dimensionierung der periodischen Halbleiterstruktur ein ellipsometrisches Spektrum. Für die Bestimmung der Profilparameter der periodischen Halbleiterstruktur ist es erforderlich, das gemessene Spektrum durch geeignete Wahl eines Modells der Halbleiterstruktur in Übereinstimmung mit einer Simulation zu bringen.at the method according to the invention no variation of the angle of incidence, the azimuth angle or Use of a wide spectral range to create a signature for the determination to win the profile. This may allow one simplified and compact design, which also works better for integrated Measuring devices is suitable. It results depending on Einfallsgeometrie the electromagnetic radiation and sizing the periodic Semiconductor structure an ellipsometric spectrum. For the determination the profile parameter of the periodic semiconductor structure requires that the measured spectrum by suitable choice of a model of the semiconductor structure in accordance to bring with a simulation.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein drehbarer Polarisator, der zwischen der Strahlungsquelle und dem Substrattisch entlang der ersten Richtung angebracht wird, wobei der Polarisator für die monochromatische elektromagnetische Strahlung der Strahlungsquelle in einer von einem Drehwinkel des Polarisators abhängigen Polarisationsebene durchlässig ist und ein drehbarer Analysator bereitgestellt, der zwischen dem Substrattisch und dem Detektor entlang der zweiten Richtung angebracht wird, wobei der Analysator für die reflektierte monochromatische elektromagnetische Strahlung der Strahlungsquelle in einer von einem Drehwinkel des Analysators abhängigen Polarisationsebene durchlässig ist.In a preferred embodiment becomes a rotatable polarizer, which is between the radiation source and attached to the substrate table along the first direction, the polarizer for the monochromatic electromagnetic radiation of the radiation source in a polarization plane dependent on a rotation angle of the polarizer permeable and a rotatable analyzer is provided between the Substrate table and the detector mounted along the second direction with the analyzer for the reflected monochromatic electromagnetic radiation of the Radiation source in a dependent of a rotation angle of the analyzer polarization plane permeable is.

Auch in der bisherigen Standardellipsometrie rotiert immer ein polarisierendes Element (entweder Analysator oder Polarisator) zur Bestimmung des Polarisationszustandes von reflektiertem elliptisch polarisiertem Licht. Die beiden gebräuchlichsten Aufbauten sind zum einen das „rotating polarizer Ellipsometer" (RPE) mit feststehendem Analysator und zum anderen das „rotating analyzer Ellipsometer" (RAE) mit feststehendem Polarisator. In diesen Fällen erhält man als Resultat die ellipsometrischen Parameter in Abhängigkeit von der Wellenlänge. Gemäß der Erfindung wird nun eine Möglichkeit geschaffen, die Auswertung des Polaristionszustandes der reflektierten Strahlung in Abhängigkeit einer weiteren Messgröße zu bestimmen.Also In the previous standard ellipsometry always rotates a polarizing Element (either analyzer or polarizer) to determine the Polarization state of reflected elliptically polarized Light. The two most common Aufbauten are on the one hand the "rotating polarizer ellipsometer "(RPE) with fixed analyzer and the rotating analyzer ellipsometer (RAE) with fixed polarizer. In these cases receives as a result, the ellipsometric parameters in dependence from the wavelength. According to the invention now becomes a possibility created, the evaluation of the polarization state of the reflected Radiation in dependence to determine another measure.

Gemäß dieser Vorgehensweise zeigt das auf einer Hauptfläche in einem bestimmten Bereich periodisch angeordnete Muster von Strukturelementen Polarisationskonversion (Kreuzpolarisation), so dass sich die die Möglichkeit ergibt, die ellipsometrischen Parameter tan(PSI) und cos(Delta) abhängig vom Polarisatorwinkel aufzuzeichnen.According to this The procedure shows this on a main surface in a certain area periodically arranged pattern of structural elements polarization conversion (Cross polarization), so that gives the possibility of the ellipsometric Parameters tan (PSI) and cos (delta) depending on the polarizer angle record.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der Schritt des Bestimmens von ellipsometrischen Parametern für eine Vielzahl von Drehwinkeln des Analysators unter Drehung des Polarisators durchgeführt.In a further preferred embodiment becomes the step of determining ellipsometric parameters for one Variety of rotation angles of the analyzer with rotation of the polarizer carried out.

Gemäß der Erfindung wird gegenüber dem rotating polarizer Ellipsometer auch der Analysatorwinkel rotiert, so dass bei festen Schrittweiten des Analysatorwinkels eine Auswertung des Polaristionszustandes der reflektierten Strahlung anhand des rotierenden Polarisators erfolgt. Man kann somit die Intensität der ellipsometrischen in Abhängigkeit des Analysatorwinkels bestimmen. Wenn im folgenden von rotierendem Ana lysator gesprochen wird, ist folglich dasjenige polarisierende Element gemeint, dass in der oben beschrieben bekannten Ausführung nicht rotiert. Dieses beinhaltet aber dennoch, dass in dieser Ausführungsform auch der Polarisator zur Feststellung spektralellipsometrischen Parameter rotiert. Wie oben beschrieben tritt nun bei der Einstrahlung durch eine schräg zur Symmetrieachse der Probe liegende Einfallsebene Polarisationskonversion auf. Dies ermöglicht die Messung von Profilparametern, deren Bestimmung bei derzeit verfügbaren Messverfahren aufgrund zu geringer Sensitivität nicht möglich erscheint. Dafür ist eine Drehung des Polarisators notwendig.According to the invention, the analyzer angle is also rotated relative to the rotating polarizer ellipsometer, so that an analysis of the polarization state of the reflected radiation with the aid of the rotating polarizer takes place at fixed step widths of the analyzer angle. One can thus determine the intensity of the ellipsometric as a function of the analyzer angle. When in the following of rotating Ana lysa Thus, it is meant that polarizing element that does not rotate in the known embodiment described above. However, this still implies that in this embodiment also the polarizer rotates to determine spectral ellipsometric parameters. As described above, polarization conversion now occurs during the irradiation through an incidence plane lying obliquely to the symmetry axis of the sample. This makes it possible to measure profile parameters whose determination in currently available measuring methods does not seem possible due to insufficient sensitivity. This requires a rotation of the polarizer.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der Schritt des Bestimmens von ellipsometrischen Parametern für eine Vielzahl von Drehwinkeln des Polarisators unter Drehung Analysators durchgeführt.In a further preferred embodiment becomes the step of determining ellipsometric parameters for one Variety of rotation angles of the polarizer under rotation analyzer carried out.

Gemäß der Erfindung wird gegenüber dem rotating analyzer Ellipsometer auch der Polarisatorwinkel rotiert, so dass bei festen Schrittweiten des Polarisatorwinkels eine Auswertung des Polaristionszustandes der reflektierten Strahlung anhand des rotierenden Analysators erfolgt. Man kann somit die Intensität der ellipsometrischen in Abhängigkeit des Polarisatorwinkels bestimmen. Dies ermöglicht die Messung von Profilparametern, deren Bestimmung bei derzeit verfügbaren Messverfahren aufgrund zu geringer Sensitivität nicht möglich erscheint. Dafür ist eine Drehung des Analysators notwendig.According to the invention is opposite the rotating analyzer ellipsometer also rotates the polarizer angle, so that at fixed increments of the polarizer angle an evaluation the polarization state of the reflected radiation on the basis of rotating analyzer takes place. One can thus determine the intensity of the ellipsometric dependent on determine the polarizer angle. This allows the measurement of profile parameters, their determination in currently available measurement methods due to too low sensitivity not possible appears. Therefore a rotation of the analyzer is necessary.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die vom Halbleiterwafer reflektierte monochromatische elektromagnetische Strahlung Kreuzpolarisation auf, die mittels einer Jones-Matrix beschrieben wird.In a further preferred embodiment indicates the monochromatic electromagnetic reflected from the semiconductor wafer Radiation cross polarization on, by means of a Jones matrix is described.

Gemäß dieser Vorgehensweise wird die reflektierte elektromagnetische Strahlung mittels einer Zerlegung in einen senkrechten und parallelen Polarisationsanteil beschrieben, deren Mischung sich anhand der Jones-Matrix ergibt.According to this The procedure is the reflected electromagnetic radiation by means of a decomposition into a vertical and parallel polarization component whose mixture is based on the Jones matrix.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß auch mit einer Messvorrichtung zur ellipsometrischen Vermessung von Strukturelementen gelöst, die folgendes umfasst:

  • – einen Halbleiterwafer, der auf einer Hauptfläche ein in einem bestimmten Bereich periodisch angeordnetes Muster von Strukturelementen umfasst;
  • – einen Substrattisch, der geeignet ist, den Halbleiterwafer aufzunehmen, wobei der Halbleiterwafer mit der Hauptfläche vom Substrattisch weg weisend angeordnet ist;
  • – eine Strahlungsquelle, die monochromatische elektromagnetische Strahlung entlang einer ersten Richtung abstrahlt, wobei die erste Richtung zu der Hauptfläche des Halbleiterwafers einen Neigungswinkel und einen Azimutwinkel einschließt, und so in dem bestimmten Bereich auf das Muster von Strukturelementen trifft, dass die reflektierte monochromatische elektromagnetische Strahlung in einer zweiten Richtung in zwei Polarisationszuständen mit jeweils einer Feldstärkenkomponente abstrahlt;
  • – einen Detektor, der geeignet ist, die in der zweiten Richtung reflektierte monochromatische elektromagnetische Strahlung nachzuweisen und die Intensitäten der zwei Polarisationszustände zu bestimmen;
  • – ein Auswertemittel, das mit dem Detektor verbunden ist und geeignet ist, aus den Amplituden der zwei Polarisationszustände ellipsometrische Parameter zu bestimmen, wobei der Halbleiterwafer so auf dem Substrattisch orientiert ist, dass Kreuzpolarisation auftritt.
The object is also achieved according to the invention with a measuring device for the ellipsometric measurement of structural elements, which comprises the following:
  • A semiconductor wafer comprising on a main surface a pattern of structural elements arranged periodically in a certain region;
  • A substrate table adapted to receive the semiconductor wafer, the semiconductor wafer having the major surface disposed away from the substrate table;
  • A radiation source emitting monochromatic electromagnetic radiation along a first direction, the first direction including an inclination angle and an azimuth angle with respect to the main surface of the semiconductor wafer, and thus striking the pattern of features in the particular region that reflects the reflected monochromatic electromagnetic radiation a second direction radiates in two polarization states, each with a field strength component;
  • A detector adapted to detect the monochromatic electromagnetic radiation reflected in the second direction and to determine the intensities of the two polarization states;
  • - An evaluation means which is connected to the detector and is adapted to determine from the amplitudes of the two polarization states ellipsometric parameters, wherein the semiconductor wafer is oriented on the substrate table, that cross-polarization occurs.

Gemäß diesem Aspekt der Erfindung wird monochromatisches Licht unter einer fest vorgegebenen Einfallsgeometrie mit einem Einfallswinkel ungleich Null eingestrahlt. Dadurch ergibt sich Polarisationskonversion, die es ermöglicht, die bekannten ellipsometrischen Parameter für einen Neigungswinkel aufzuzeichnen. Es erfolgt keine Variation des Einfallswinkels, des Azimutwinkels oder Verwendung eines breiten Spektralbereiches, um eine Signatur für die Bestimmung des Profils zu gewinnen. Dies ermöglicht es, einen vereinfachten und kompakten Aufbau zu verwenden, der sich besser für integrierte Messvorrichtungen eignet.According to this Aspect of the invention is monochromatic light under a fixed given incidence geometry with an angle of incidence unequal Zero radiated. This results in polarization conversion, which makes it possible to record the known ellipsometric parameters for a tilt angle. It no variation of the angle of incidence, the azimuth angle or Use of a wide spectral range to create a signature for the determination to win the profile. This allows a simplified and To use compact construction, which is better for integrated measuring devices suitable.

Besonders vorteilhaft erweist sich die Verwendung der Messvorrichtung in einer Halbleiterfertigungsanlage, wobei die Halbleiterfertigungsanlage mehrere Fertigungseinheiten umfasst und die Messvorrichtung in wenigstens einer der Fertigungseinheiten integriert ist.Especially Advantageously, the use of the measuring device proves in one Semiconductor manufacturing plant, the semiconductor manufacturing plant comprises a plurality of production units and the measuring device in at least one of the production units is integrated.

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

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

1 eine erfindungsgemäße Messvorrichtung in einer schematischen Querschnittsansicht; 1 a measuring device according to the invention in a schematic cross-sectional view;

2 in einer Draufsicht schematisch die Vorderseite eines Halbleiterwafers bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens; 2 in a plan view schematically the front of a semiconductor wafer in the application of inventive method;

3A und 3B Diagramme eines ellipsometrischen Spektrums bei der Anwendung von Verfahren gemäß dem Stand der Technik; 3A and 3B Diagrams of an ellipsometric spectrum in the application of methods according to the prior art;

4A und 4B Diagramme eines ellipsometrischen Spektrums bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens; und 4A and 4B Diagrams of an ellipsometric spectrum in the application of the method according to the invention; and

4 eine erfindungsgemäße Messvorrichtung in einer Halbleiterfertigungsanlage in einer schematischen Querschnittsansicht. 4 a measuring device according to the invention in a semiconductor manufacturing plant in a schematic cross-sectional view.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Messvorrichtung werden im Folgenden anhand einer Vermessung eines einzelnen Halbleiterwafers erläutert. In einem großvolumigen Fertigungsprozess werden diese Verfahrensschritte jedoch nicht notwendigerweise für alle prozessierten Halbleiterwafer ausgeführt. Üblicherweise wird für einzelne ausgewählte Halbleiterwafer eine Kontrolle durchgeführt, wie eingangs beschrieben. Die Erfindung liefert nun anhand der ellipsometrischen Vermessung von Strukturelementen Prozess- oder Fertigungsparameter, die in der Fertigungslinie benötigt werden. Dadurch ist eine regelmäßige Nachjustierung der Halbleiterfertigungsanlage möglich. Die im Folgenden anhand eines einzelnen Halbleiterwafers beschriebene Vorgehensweise ist nur beispielhaft zu verstehen.The inventive method and the measuring device according to the invention will be described below by measuring a single semiconductor wafer explained. In a large volume Manufacturing process, however, these steps are not necessarily for all processed semiconductor wafer executed. Usually, for individual selected Semiconductor wafer carried out a control, as described above. The invention now provides on the basis of ellipsometric measurement of structural elements Process or manufacturing parameters that are in the production line needed become. This is a regular readjustment the semiconductor manufacturing plant possible. The following is described with reference to a single semiconductor wafer The procedure is only an example.

In 1 ist in einer schematischen Querschnittsansicht den Aufbau einer Messvorrichtung 2 gezeigt. Die Messvorrichtung 2 umfasst einen beweglichen Substrattisch 20. Auf dem Substrattisch 20 ist der Halbleiterwafer 5 abgelegt, auf dem auf einer Vorderseite oder Hauptfläche 10 ein periodisch angeordnetes Muster 14 von Strukturelementen 16 beispielsweise durch lithographisches Strukturieren gebildet ist.In 1 is a schematic cross-sectional view of the structure of a measuring device 2 shown. The measuring device 2 includes a movable substrate table 20 , On the substrate table 20 is the semiconductor wafer 5 filed on the front or main surface 10 a periodically arranged pattern 14 of structural elements 16 is formed for example by lithographic patterning.

Das periodisch angeordnete Muster 14 der Strukturelemente 16 ist beispielsweise ein Ausschnitt aus einem Speicherzellenfeld eines Halbleiterspeichers. Die Strukturelemente sind dabei entlang einer Symmetrieachse 18 angeordnet, die im vorliegenden Fall senkrecht zu den Strukturelementen auf der Hauptseite 10 liegt. Außerhalb eines bestimmten Bereichs 12 des Speicherzellenfeldes ist das Muster 14 nicht notwendigerweise periodisch, sondern kann auch unregelmäßig ausgebildet sein. Bei der Scatterometrie ist üblicherweise eine Periodizität innerhalb eines Messfensters ausreichend.The periodically arranged pattern 14 the structural elements 16 is for example a section of a memory cell array of a semiconductor memory. The structural elements are along an axis of symmetry 18 arranged in the present case perpendicular to the structural elements on the main page 10 lies. Outside a certain area 12 of the memory cell array is the pattern 14 not necessarily periodically, but may also be irregular. In scatterometry, periodicity within a measurement window is usually sufficient.

Weiters ist eine Strahlungsquelle 30 vorgesehen, die monochromatische elektromagnetische Strahlung entlang einer ersten Richtung 32 abstrahlt. Als Strahlungsquelle 30 wird eine kohärente oder nichtkohärente Strahlungsquelle im Ultraviolett, Infrarot oder sichtbarem Bereich verwendet, die geeignet ist, monochromatische elektromagnetische Strahlung abzustrahlen. Die abgestrahlte elektromagnetische Welle lässt sich in einen Beitrag mit einer S-polarisierten und in einen Beitrag mit einer P-polarisierten Strahlung zerlegen.Furthermore, it is a radiation source 30 provided, the monochromatic electromagnetic radiation along a first direction 32 radiates. As a radiation source 30 For example, a coherent or non-coherent ultraviolet, infrared or visible radiation source capable of emitting monochromatic electromagnetic radiation is used. The radiated electromagnetic wave can be decomposed into a contribution with an S-polarized radiation and into a contribution with a P-polarized radiation.

Darüber hinaus umfasst die Messvorrichtung 2 einen Detektor 50, der die von der Strahlungsquelle 30 in einer zweiten Richtung 34 reflektierte Strahlung nachweist. Beispielhaft sind in 1 ein Prisma 51 und ein Auswertemittel 53 gezeigt, das die reflektierte Strahlung bezüglich ihrer Intensität auswertet.In addition, the measuring device includes 2 a detector 50 that of the radiation source 30 in a second direction 34 detects reflected radiation. Exemplary are in 1 a prism 51 and an evaluation means 53 shown, which evaluates the reflected radiation with respect to their intensity.

Während der Messung ist der Halbleiterwafer 5 relativ zur Strahlungsquelle 30 so auf dem Substrattisch 20 ausgerichtet, dass die erste Richtung 32 zu der Normale der Hauptfläche 10 des Halbleiterwafers 5 einen festen Neigungswinkel 36 bezüglich der Symmetrieachse 18 und einen festen Azimutwinkel 38 bezüglich der Normale der Hauptfläche 10 einschließen.During the measurement, the semiconductor wafer is 5 relative to the radiation source 30 so on the substrate table 20 aligned that the first direction 32 to the normal of the main surface 10 of the semiconductor wafer 5 a fixed angle of inclination 36 with respect to the axis of symmetry 18 and a fixed azimuth angle 38 with respect to the normal of the main surface 10 lock in.

Gemäß der Erfindung ist der Neigungswinkel 36 der auftreffenden elektromagnetischen Strahlung von Null verschieden, was zu einer Einstrahlung einer schräg zur Symmetrieachse 18 der Strukturelemente 16 liegenden Einfallsebene führt, so dass ein Bruch in der Spiegelsymmetrie bezüglich der Einfallsebene vorliegt, Wie bereits eingangs erwähnt erfolgt keine Variation des Azimutwinkels 38, um eine Signatur für die Bestimmung des Profils der Strukturelemente zu gewinnen.According to the invention, the inclination angle 36 the incident electromagnetic radiation from zero different, resulting in a radiation obliquely to the axis of symmetry 18 the structural elements 16 lying incidence plane leads, so there is a fraction in the mirror symmetry with respect to the plane of incidence, as already mentioned above, there is no variation of the azimuth angle 38 to obtain a signature for determining the profile of the structural elements.

Es sollte jedoch erwähnt werden, dass sowohl der Azimutwinkel 38 als auch der Neigungswinkel dem Messobjekt entsprechend gewählt werden, wobei zu ihrer Bestimmung auch Simulationen durchgeführt werden können. Damit wird sichergestellt, dass die Sensitivität für das Messproblem, nämlich die Bestimmung von Strukturabmessungen oder Profilparametern der Strukturelemente 16 ausreichend hoch ist.It should be noted, however, that both the azimuth angle 38 as well as the angle of inclination of the measurement object are chosen according to, for their determination and simulations can be performed. This ensures that the sensitivity for the measurement problem, namely the determination of structural dimensions or profile parameters of the structural elements 16 is sufficiently high.

Weiterhin ist in 1 ein drehbarer Polarisator 40 gezeigt, der zwischen der Strahlungsquelle 30 und dem Substrattisch entlang der ersten Richtung 32 angebracht wird, so dass die elektromagnetische Strahlung der Strahlungsquelle 30 den Ploarisator durchdringen muss. Der Polarisator 40 ist dabei für die monochromatische elektromagnetische Strahlung der Strahlungsquelle 30 in einer von einem Drehwinkel des Polarisators 40 abhängigen Polarisationsebene durchlässig.Furthermore, in 1 a rotatable polarizer 40 shown between the radiation source 30 and the substrate table along the first direction 32 is attached so that the electromagnetic radiation the radiation source 30 must penetrate the Ploarisator. The polarizer 40 is for the monochromatic electromagnetic radiation of the radiation source 30 in one of a rotation angle of the polarizer 40 dependent polarization plane permeable.

Weiterhin wird ein drehbarer Analysator 42 verwendet, der zwischen dem Substrattisch 20 und dem Detektor 30 entlang der zweiten Richtung 34 angebracht wird. Der Analysator 42 für die reflektierte monochromatische elektromagnetische Strahlung der Strahlungsquelle 30 in einer ebenfalls von einem Drehwinkel des Analysators 42 abhängigen Polarisationsebene durchlässig.Furthermore, a rotatable analyzer 42 used between the substrate table 20 and the detector 30 along the second direction 34 is attached. The analyzer 42 for the reflected monochromatic electromagnetic radiation of the radiation source 30 in a likewise of a rotation angle of the analyzer 42 dependent polarization plane permeable.

Wie bereits eingangs erwähnt ist unter rotierendem Element (entweder Analysator oder Polarisator) dasjenige polarisierende Element gemeint, dass in der oben beschrieben bekannten Ausführung nicht rotiert. Dieses beinhaltet aber dennoch, dass in dieser Ausführungsform auch das jeweilige andere Element (entweder Polarisator oder Analysator) zur Feststellung spektralellipsometrischen Parameter rotiert.As already mentioned at the beginning is the one under rotating element (either analyzer or polarizer) polarizing element meant that known in the above-described execution not rotated. However, this still includes that in this embodiment also the respective other element (either polarizer or analyzer) rotated to determine spectral ellipsometric parameters.

Während des Bestrahlens der Hauptfläche 10 des Halbleiterwafers 5 mit der elektromagnetischen Strahlung in dem bestimmten Bereich 12 wird der Drehwinkel des Analysators oder des Polarisators variiert, so dass die Messung für eine Vielzahl von Drehwinkeln des Analysators 42 bzw. des Polarisators 40 durchgeführt wird.During the irradiation of the main surface 10 of the semiconductor wafer 5 with the electromagnetic radiation in the particular area 12 The angle of rotation of the analyzer or of the polarizer is varied, so that the measurement for a plurality of rotation angles of the analyzer 42 or of the polarizer 40 is carried out.

Die Geometrie der einfallenden und reflektierten elektromagnetischen Strahlung ist in 2 noch mal zusammengefasst. 2 zeigt einen Ausschnitt der Strukturelemente 16 auf der Hauptseite 10 des Halbleiterwafers 5, die parallel zur y-Achse angeordnet sind. Neben der ersten Richtung 32 und der zweiten Richtung 34 sind auch die verschiedenen Feldstärkekomponenten EP und ES der einfallenden Strahlung EIN und der reflektierten Strahlung EOUT gezeigt, die sich bei einer Zerlegung in parallele und senkrechte Beiträge ergeben. Die Flä chennormale der Hauptseite 10 ist in 2 die z-Richtung, als Symmetrieachse 18 ist die x-Richtung angegeben.The geometry of the incident and reflected electromagnetic radiation is in 2 summarized again. 2 shows a section of the structural elements 16 on the main page 10 of the semiconductor wafer 5 , which are arranged parallel to the y-axis. Next to the first direction 32 and the second direction 34 and the various field strength components E P and E are shown S of the incident radiation and the reflected radiation E IN E OUT arising when a decomposition in parallel and vertical posts. The surface standard of the main page 10 is in 2 the z-direction, as symmetry axis 18 the x-direction is given.

Bevor die Auswertung der gemessenen Spektren erläutert wird, folgt nun eine kurze Beschreibung der Auswertung für konventionelle Messverfahren. Üblicherweise wird Scatterometrie in einem Modus betrieben, bei dem die Einfallsebene des Lichtstrahls senkrecht zur Richtung einer sich periodisch fortsetzenden Halbleiterstruktur orientiert ist. Das ellipsometrische Spektrum ist anhand folgender Gleichung gegeben:

Figure 00170001
Before the evaluation of the measured spectra is explained, a short description of the evaluation for conventional measuring methods follows. Usually, scatterometry is operated in a mode in which the plane of incidence of the light beam is oriented perpendicular to the direction of a periodically continuing semiconductor structure. The ellipsometric spectrum is given by the following equation:
Figure 00170001

Dabei lässt sich das ellipsometrische Spektrum aus der sogenannten Jonesmatrix bestimmen, die eine Zerlegung bzw. deren Mischung in verschiedene Polarisationszustände angibt:

Figure 00170002
The ellipsometric spectrum can be determined from the so-called Jones matrix, which indicates a decomposition or its mixture into different polarization states:
Figure 00170002

In dem Modus mit der Einfallsebene des Lichtstrahls senkrecht zur Richtung der sich periodisch fortsetzenden Halbleiterstruktur ist die Probe typischerweise so ausgerichtet, dass die Nebendiagonalelemente rsp und rps der Gleichung [2] Null werden.In the mode with the plane of incidence of the light beam normal to the direction of the periodically continuing semiconductor structure, the sample is typically oriented so that the secondary diagonal elements r sp and r ps of equation [2] become zero.

Das gemessene Spektrum der reflektierten Strahlung zeigt aufgrund des Bruchs in der Spiegelsymmetrie bezüglich der Einfallsebene Polarisationskonversion (Kreuzpolarisation). Die ellipsometrischen Parameter tan(PSI), cos(Delta) (Polarisator- bzw. Analysator-)Drehwinkelabhängig aufgezeichnet werden. Dabei ergeben sich nun folgende ellipsometrische Spekt ren für den Fall der Drehung des Polarisators 40 und des Analysators 42, wobei A und P den Drehwinkel im ersten bzw. zweiten Fall angeben:

Figure 00180001
bzw.
Figure 00180002
The measured spectrum of the reflected radiation exhibits polarization conversion (cross polarization) due to the fraction in the mirror symmetry with respect to the plane of incidence. The ellipsometric parameters tan (PSI), cos (delta) (polarizer or analyzer) rotation angle are recorded depending. This results in the following ellipsometric Spekt ren for the case of rotation of the polarizer 40 and the analyzer 42 where A and P indicate the angle of rotation in the first and second case, respectively:
Figure 00180001
respectively.
Figure 00180002

Man erkennt, dass im Falle verschwindender Nebendiagonalelemente der Jones-Matrix Gleichungen [3] und [4] in Gleichung [1] übergehen. Damit Kreuzpolarisation auftritt, muss ein Bruch in der Spiegelsymmetrie bezüglich der Einfallsebene vorliegen. Dies wird für strukturierte Halbleiterwafer durch eine schräg zur Symmetrieachse der Strukturelemente liegende Einfallsebene erreicht.you recognizes that in the case of vanishing secondary diagonal elements of Jones matrix equations [3] and [4] in equation [1] go over. For cross polarization to occur, there must be a break in the mirror symmetry in terms of the incidence level. This is for structured semiconductor wafers through an oblique reached to the symmetry axis of the structural elements lying incidence plane.

Durch Bestimmen von Reflexionskoeffizienten ρ der reflektierten monochromatischen elektromagnetischen Strahlung mittels des Detektors 50 werden die ellipsometrischen Parametern tan(PSI) und cos(Delta) ermittelt. Für die Auswertung werden die gemessenen Parametern tan(PSI) und cos(Delta) mit simulierten Parametern eines Musters in Übereinstimmung gebracht. Dazu wird ein Modell der ellipsometrischen Bestrahlung bereitgestellt, das geeignet ist, die ellipsometrischen Parameter mit modellierten Abmessungen der Strukturelemente 16 zu verknüpfen. Durch geeignete Wahl des Modells der Halbleiterstruktur werden die Abmessungen oder die Profilparameter der Strukturelemente 16 auf dem Halbleiterwafer 5 bestimmt.By determining reflection coefficients ρ of the reflected monochromatic electromagnetic radiation by means of the detector 50 the ellipsometric parameters tan (PSI) and cos (delta) are determined. For the evaluation, the measured parameters tan (PSI) and cos (delta) are brought into agreement with simulated parameters of a sample. For this purpose, a model of the ellipsometric irradiation is provided, which is suitable, the ellipsometric parameters with modeled dimensions of the structural elements 16 to link. By suitable choice of the model of the semiconductor structure, the dimensions or the profile parameters of the structural elements 16 on the semiconductor wafer 5 certainly.

In 3A und 3B sind simulierte Spektren der Parameter tan(PSI) und cos(Delta) für Ellipsometer-basierte Scatterometrie für variable Wellenlängen gemäß einem in der Technik bekannten Verfahrens gezeigt. Simuliert wurde die CD-Variation um jeweils +/- 1 nm für eine Grabenstruktur eines DRAM-Bausteins mit einer nominellen Abmessung von 100 nm. Man erkennt, dass das Messverfahren im Wesentlichen ungeeignet ist, die Abweichung um +/- 1 nm zu detektieren. Bei Berücksichtigung eines stets vorhandenen Signal-Rauschverhältnisses bei einer realen Messung sowie möglicher Einflüsse überlagernder Sensitivitäten von weiteren Profilparametern, ist anzunehmen, dass die Sensitivität für den „parameter of interest" viel zu gering ist.In 3A and 3B For example, simulated spectra of the parameters tan (PSI) and cos (delta) for ellipsometer-based variable wavelength scatterometry are shown according to a method known in the art. The CD variation was simulated by +/- 1 nm in each case for a trench structure of a DRAM module with a nominal dimension of 100 nm. It can be seen that the measurement method is essentially unsuitable for detecting the deviation by +/- 1 nm. Taking into account an always existing signal-to-noise ratio in a real measurement as well as possible influences of superimposed sensitivities of further profile parameters, it can be assumed that the sensitivity for the "parameter of interest" is much too low.

Im Gegensatz dazu zeigt 3A und 3B simulierte Spektren der Parameter tan(PSI) und cos(Delta) für das Verfahren gemäß der Erfindung. Variiert wurde dabei der Analysatorwinkel. Die Simulation verwendet die gleiche CD-Variation um jeweils +/-1 nm für eine Grabenstruktur eines DRAM-Bausteins mit einer nominellen Abmessung von 100 nm. Man erkennt, dass das Messverfahren deutliche Abweichung für die drei unterschiedlichen Simulationsresultate zeigt. Die Sensitivität ist nun ausreichend, um die CD-Variation zu bestimmen.In contrast, shows 3A and 3B simulated spectra of the parameters tan (PSI) and cos (delta) for the method according to the invention. The analyzer angle was varied. The simulation uses the same CD variation by +/- 1 nm each for a trench structure of a DRAM device with a nominal dimension of 100 nm. It can be seen that the measurement process shows significant deviation for the three different simulation results. The sensitivity is now sufficient to determine the CD variation.

Da beispielsweise keine Variation des Einfallswinkels, des Azimutwinkels oder Verwendung eines breiten Spektralbereiches erfolgen muss, um eine Signatur für die Bestimmung des Profils zu gewinnen, verringert sich die Komplexität des Geräteaufbaus erheblich.There for example, no variation of the angle of incidence, the azimuth angle or use of a broad spectral range in order to a signature for Determining the profile reduces the complexity of the device design considerably.

Dies ermöglicht es, eine Messvorrichtung gemäß der Erfindung auch in einer Halbleiterfertigungsanlage einzusetzen, wie unter Bezugnahme auf 4 gezeigt ist. Die Halbleiterferti gungsanlage 60 umfasst mehrere Fertigungseinheiten 62, beispielsweise Ätztools, Poliervorrichtungen oder lithographische Projektionsanlagen. Aufgrund ihres einfachen Aufbaus ist die Messvorrichtung 2 in eine der Fertigungseinheiten integrierbar. Selbstverständlich ist es ebenfalls möglich, alle Fertigungseinheiten 62 mit Messvorrichtungen 2 auszustatten.This makes it possible to use a measuring device according to the invention also in a semiconductor manufacturing plant, as with reference to FIG 4 is shown. The semiconductor manufacturing plant 60 includes several production units 62 For example, etching tools, polishing or lithographic projection equipment. Because of its simple structure is the measuring device 2 can be integrated into one of the production units. Of course it is also possible, all production units 62 with measuring devices 2 equip.

22
Messvorrichtungmeasuring device
55
HalbleiterwaferSemiconductor wafer
1010
Hauptflächemain area
1212
BereichArea
1414
periodisch angeordnetes Musterperiodically arranged pattern
1616
Strukturelementenstructural elements
1818
Symmetrieachseaxis of symmetry
2020
Substrattischessubstrate table
3030
Strahlungsquelleradiation source
3232
erste Richtungfirst direction
3434
zweite Richtungsecond direction
3636
Neigungswinkeltilt angle
3838
Azimutwinkelazimuth angle
4040
Polarisatorpolarizer
4242
Analysatoranalyzer
5050
Detektordetector
6060
HalbleiterfertigungsanlageSemiconductor fabrication facility
6262
Fertigungseinheitenproduction units

Claims (25)

Verfahren zur ellipsometrischen Vermessung von Strukturelementen eines Musters auf einem Halbleiterwafer, umfassend folgende Schritte: – Bereitstellen eines Halbleiterwafers (5), der auf einer Hauptfläche (10) ein in einem bestimmten Bereich (12) periodisch angeordnetes Muster (14) von Strukturelementen (16) umfasst, die entlang einer Symmetrieachse (18) angeordnet sind; – Bereitstellen eines Substrattisches (20), der geeignet ist, den Halbleiterwafer (5) aufzunehmen; – Bereitstellen einer Strahlungsquelle (30), die monochromatische elektromagnetische Strahlung entlang einer ersten Richtung (32) abstrahlt; – Bereitstellen eines Detektors (50), der geeignet ist, die von der Strahlungsquelle (30) in einer zweiten Richtung (34) reflektierte monochromatische elektromagnetische Strahlung nachzuweisen; – Ausrichten des Halbleiterwafers (5) relativ zur Strahlungsquelle (30) auf dem Substrattisch (20), wobei die erste Richtung (32) zu der Hauptfläche (10) des Halbleiterwafers (5) einen festen Neigungswinkel (36) bezüglich der Symmetrieachse (18) und einen festen Azimutwinkel (38) einschließt, wobei Neigungswinkel (36) der auftreffenden elektromagnetischen Strahlung von Null verschieden ist; – Bestrahlen der Hauptfläche (10) des Halbleiterwafers (5) mit der monochromatische elektromagnetische Strahlung in dem bestimmten Bereich (12) mit dem Muster (14) von Strukturelementen (16); – Bestimmen eines komplexen Reflexionskoeffizienten der reflektierten monochromatischen elektromagnetischen Strahlung mittels des Detektors (50); – Bestimmen von ellipsometrischen Parametern aus dem komplexen Reflexionskoeffizienten; – Bereitstellen eines Modells der ellipsometrischen Bestrahlung, das geeignet ist, die ellipsometrischen Parameter mit modellierten Abmessungen der Strukturelemente (14) zu verknüpfen; und – Berechnen der Abmessungen der Strukturelemente (14) auf dem Halbleiterwafer (5) anhand des Modells.Method for the ellipsometric measurement of structural elements of a pattern on a semiconductor wafer, comprising the following steps: - providing a semiconductor wafer ( 5 ) located on one main surface ( 10 ) in a certain area ( 12 ) periodically arranged pattern ( 14 ) of structural elements ( 16 ) along an axis of symmetry ( 18 ) are arranged; Providing a substrate table ( 20 ), which is suitable for the semiconductor wafer ( 5 ); Providing a radiation source ( 30 ), the monochromatic electromagnetic radiation along a first direction ( 32 ) emits; Providing a detector ( 50 ), which is suitable, that of the radiation source ( 30 ) in a second direction ( 34 ) to detect reflected monochromatic electromagnetic radiation; Alignment of the semiconductor wafer ( 5 ) relative to the radiation source ( 30 ) on the substrate table ( 20 ), the first direction ( 32 ) to the main surface ( 10 ) of the semiconductor wafer ( 5 ) a fixed angle of inclination ( 36 ) with respect to the axis of symmetry ( 18 ) and a fixed azimuth angle ( 38 ), where angles of inclination ( 36 ) of the incident electromagnetic radiation is different from zero; - irradiation of the main surface ( 10 ) of the semiconductor wafer ( 5 ) with the monochromatic electromagnetic radiation in the particular area ( 12 ) with the pattern ( 14 ) of structural elements ( 16 ); Determining a complex reflection coefficient of the reflected monochromatic electromagnetic radiation by means of the detector ( 50 ); Determining ellipsometric parameters from the complex reflection coefficient; Providing a model of the ellipsometric irradiation which is suitable for the ellipsometric parameters with modeled dimensions of the structural elements ( 14 ) to link; and - calculating the dimensions of the structural elements ( 14 ) on the semiconductor wafer ( 5 ) based on the model. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem darüber hinaus folgender Schritt ausgeführt wird: – Bereitstellen eines drehbaren Polarisators (40), der zwischen der Strahlungsquelle (30) und dem Substrattisch entlang der ersten Richtung angebracht wird, wobei der Polarisator (40) für die monochromatische elektromagnetische Strahlung der Strahlungsquelle (30) in einer von einem Drehwinkel des Polarisators (40) abhängigen Polarisationsebene durchlässig ist; und – Bereitstellen eines drehbaren Analysators (42), der zwischen dem Substrattisch (20) und dem Detektor (30) entlang der zweiten Richtung angebracht wird, wobei der Analysator (42) für die reflektierte monochromatische elektromagnetische Strahlung der Strahlungsquelle (30) in einer von einem Drehwinkel des Analysators (42) abhängigen Polarisationsebene durchlässig ist.The method of claim 1, further comprising the step of: - providing a rotatable polarizer ( 40 ) located between the radiation source ( 30 ) and the substrate table along the first direction, wherein the polarizer ( 40 ) for the monochromatic electromagnetic radiation of the radiation source ( 30 ) in one of a rotation angle of the polarizer ( 40 ) is permeable to the dependent polarization plane; and - providing a rotatable analyzer ( 42 ) located between the substrate table ( 20 ) and the detector ( 30 ) is mounted along the second direction, the analyzer ( 42 ) for the reflected monochromatic electromagnetic radiation of the radiation source ( 30 ) in one of a rotation angle of the analyzer ( 42 ) dependent polarization plane is permeable. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Schritt des Bestrahlens der Hauptfläche (10) des Halbleiterwafers (5) für eine Vielzahl von Drehwinkeln des Analysators (42) unter Drehung des Polarisators (40) durchgeführt wird.Method according to claim 2, wherein the step of irradiating the main surface ( 10 ) of the semiconductor wafer ( 5 ) for a variety of angles of rotation of the analyzer ( 42 ) with rotation of the polarizer ( 40 ) is carried out. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der Schritt des Bestimmens von Reflexionskoeffizienten für eine Vielzahl von Drehwinkeln des Analysators (42) durchgeführt wird.The method of claim 3, wherein the step of determining reflection coefficients for a plurality of rotational angles of the analyzer ( 42 ) is carried out. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem der Schritt des Bestimmens von ellipsometrischen Parametern für eine Vielzahl von Drehwinkeln des Analysators (42) durchgeführt wird.The method of claim 4, wherein the step of determining ellipsometric parameters for a plurality of rotational angles of the analyzer ( 42 ) is carried out. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Schritt des Bestrahlens der Hauptfläche (10) des Halbleiterwafers (5) für eine Vielzahl von Drehwinkeln des Polarisators (40) unter Drehung des Analysators (42) durchgeführt wird.Method according to claim 2, wherein the step of irradiating the main surface ( 10 ) of the semiconductor wafer ( 5 ) for a plurality of rotation angles of the polarizer ( 40 ) while rotating the analyzer ( 42 ) is carried out. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der Schritt des Bestimmens von Reflexionskoeffizienten für eine Vielzahl von Drehwinkeln des Polarisators (40) durchgeführt wird.A method according to claim 6, wherein the step of determining reflection coefficients for a plurality of rotation angles of the polarizer ( 40 ) is carried out. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der Schritt des Bestimmens von ellipsometrischen Parametern für eine Vielzahl von Drehwinkeln des Polarisators (40) durchgeführt wird.The method of claim 7, wherein the step of determining ellipsometric parameters for a plurality of rotational angles of the polarizer ( 40 ) is carried out. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Strahlungsquelle (30) geeignet ist, monochromatische elektro magnetische Strahlung im Infrarotbereich, im Bereich von sichtbarem Licht oder im UV-Bereich abzustrahlen.Method according to one of Claims 1 to 8, in which the radiation source ( 30 ) is suitable to emit monochromatic electromagnetic radiation in the infrared range, in the range of visible light or in the UV range. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die Strahlungsquelle (30) kohärente oder nichtkohärente elektromagnetische Strahlung abstrahlt.Method according to one of Claims 1 to 9, in which the radiation source ( 30 ) radiates coherent or non-coherent electromagnetic radiation. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Laserquelle S-polarisierte und P-polarisierte monochromatische elektromagnetische Strahlung abstrahlt.The method of claim 10, wherein the laser source S-polarized and P-polarized monochromatic electromagnetic radiation radiates. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die vom Halbleiterwafer reflektierte monochromatische elektromagnetische Strahlung Kreuzpolarisation aufweist, die mittels einer Jones-Matrix beschrieben wird.The method of claim 11, wherein the semiconductor wafer reflected monochromatic electromagnetic radiation cross polarization which is described by means of a Jones matrix. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem das Modell der ellipsometrischen Bestrahlung die Elemente der Jones-Matrix mit den ellipsometrischen Parametern in Abhängigkeit des Drehwinkels des Polarisators (40) oder des Analysators (42) verknüpft.Method according to Claim 12, in which the model of ellipsometric irradiation comprises the elements of the Jones matrix with the ellipsometric parameters as a function of the angle of rotation of the polarizer ( 40 ) or the analyzer ( 42 ) connected. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem die Strukturelemente (14) des Halbleiterwafers (5) kleinste Abmessungen von weniger als 200 nm aufweisen.Method according to one of Claims 1 to 13, in which the structural elements ( 14 ) of the semiconductor wafer ( 5 ) have smallest dimensions of less than 200 nm. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei dem der Azimutwinkel (38) so gewählt wird, dass sich bei Abweichungen in den Abmessungen der Strukturelemente eine ausreichende Sensitivität ergibt, um mittels des Modells die Abweichungen zu bestimmen.Method according to one of Claims 1 to 14, in which the azimuth angle ( 38 ) is chosen so that there is sufficient sensitivity for deviations in the dimensions of the structural elements in order to determine the deviations by means of the model. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem darüber hinaus der Neigungswinkel (36) so gewählt wird, dass sich bei Abweichungen in den Abmessungen der Strukturelemente eine ausreichende Sensitivität ergibt, um mittels des Modells die Abweichungen zu bestimmen.Method according to Claim 15, in which, moreover, the angle of inclination ( 36 ) is chosen so that there is sufficient sensitivity for deviations in the dimensions of the structural elements in order to determine the deviations by means of the model. Messvorrichtung zur ellipsometrischen Vermessung von Strukturelementen eines Musters auf einem Halbleiterwafer, umfassend: – einen Halbleiterwafer (5), der auf einer Hauptfläche (10) ein in einem bestimmten Bereich (12) periodisch angeordnetes Muster (14) von Strukturelementen (16) umfasst; – einen Substrattisch (20), der geeignet ist, den Halbleiterwafer (5) aufzunehmen, wobei der Halbleiterwafer (5) mit der Hauptfläche (10) vom Substrattisch (20) weg weisend angeordnet ist; – eine Strahlungsquelle (30), die monochromatische elektromagnetische Strahlung entlang einer ersten Richtung (32) abstrahlt, wobei die erste Richtung (32) zu der Hauptfläche (10) des Halbleiterwafers (5) einen Neigungswinkel (36) und einen Azimutwinkel (38) einschließt, und so in dem bestimmten Bereich (12) auf das Muster (14) von Strukturelementen (16) trifft, dass die reflektierte monochromatische elektromagnetische Strahlung in einer zweiten Richtung (34) in zwei Polarisationszuständen mit jeweils einer Feldstärke abstrahlt; – einen Detektor (50), der geeignet ist, die in der zweiten Richtung (34) reflektierte monochromatische elektromagnetische Strahlung nachzuweisen und die Amplituden der zwei Polarisationszustände zu bestimmen; – ein Auswertemittel, das mit dem Detektor (50) verbunden ist und geeignet ist, aus den Amplituden der zwei Polarisationszustände ellipsometrische Parameter zu bestimmen, wobei der Halbleiterwafer (5) so auf dem Substrattisch (20) orientiert ist, dass Kreuzpolarisation auftritt.Measuring device for the ellipsometric measurement of structural elements of a pattern on a semiconductor wafer, comprising: a semiconductor wafer ( 5 ) located on one main surface ( 10 ) in a certain area ( 12 ) periodically arranged pattern ( 14 ) of structural elements ( 16 ); A substrate table ( 20 ), which is suitable for the semiconductor wafer ( 5 ), wherein the semiconductor wafer ( 5 ) with the main surface ( 10 ) from the substrate table ( 20 ) is disposed away; A radiation source ( 30 ), the monochromatic electromagnetic radiation along a first direction ( 32 ), the first direction ( 32 ) to the main surface ( 10 ) of the semiconductor wafer ( 5 ) an inclination angle ( 36 ) and an azimuth angle ( 38 ), and so in the particular area ( 12 ) on the pattern ( 14 ) of structural elements ( 16 ) that the reflected monochromatic electromagnetic radiation is in a second direction ( 34 ) radiates in two polarization states, each with a field strength; A detector ( 50 ), which is suitable in the second direction ( 34 ) to detect reflected monochromatic electromagnetic radiation and to determine the amplitudes of the two polarization states; An evaluation means connected to the detector ( 50 ) and is suitable for determining ellipsometric parameters from the amplitudes of the two polarization states, wherein the semiconductor wafer ( 5 ) so on the substrate table ( 20 ) that cross-polarization occurs. Messvorrichtung nach Anspruch 17, bei der ein Polarisator (12) zwischen der Strahlungsquelle (30) und dem Substrattisch entlang der ersten Richtung angebracht ist, wobei der Polarisator (12) für monochromatische elektromagnetische Strahlung der Strahlungsquelle (30) in einer ersten Polarisationsebene durchlässig ist, die durch Drehen des Polarisators (12) einstellbar ist.Measuring device according to Claim 17, in which a polarizer ( 12 ) between the radiation source ( 30 ) and the substrate table along the first direction, wherein the polarizer ( 12 ) for monochromatic electromagnetic radiation of the radiation source ( 30 ) is transmissive in a first plane of polarization which is achieved by rotating the polarizer ( 12 ) is adjustable. Messvorrichtung nach Anspruch 18, bei der darüber hinaus ein drehbarer Analysator (42) zwischen dem Substrattisch (20) und dem Detektor (30) entlang der zweiten Richtung angebracht ist, wobei der Analysator (42) für die reflektierte monochromatische elektromagnetische Strahlung der Strahlungsquelle (30) in einer von einem Drehwinkel des Analysators (42) abhängigen Polarisationsebene durchlässig ist.Measuring device according to Claim 18, in which furthermore a rotatable analyzer ( 42 ) between the substrate table ( 20 ) and the detector ( 30 ) is mounted along the second direction, the analyzer ( 42 ) for the reflected monochromatic electromagnetic radiation of the radiation source ( 30 ) in one of a rotation angle of the analyzer ( 42 ) dependent polarization plane is permeable. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 19, bei der die Strahlungsquelle (30) geeignet ist, monochromatische elektromagnetische Strahlung im Infrarotbereich, im Bereich von sichtbarem Licht oder im UV-Bereich abzustrahlen.Measuring device according to one of Claims 17 to 19, in which the radiation source ( 30 ), monochromatic electromagnetic radiation in the infrared range, in the range of visible light or in the To radiate UV range. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 20, bei der die Strahlungsquelle (30) S-polarisierte und P-polarisierte monochromatische elektromagnetische Strahlung abstrahlt.Measuring device according to one of Claims 17 to 20, in which the radiation source ( 30 ) S-polarized and P-polarized monochromatic electromagnetic radiation radiates. Messvorrichtung nach Anspruch 21, bei der die vom Halbleiterwafer reflektierte monochromatische elektromagnetische Strahlung Kreuzpolarisation aufweist, die mittels einer Jones-Matrix beschrieben wird.Measuring device according to claim 21, in which the of Semiconductor wafer reflected monochromatic electromagnetic Radiation has cross polarization by means of a Jones matrix is described. Messvorrichtung nach Anspruch 22, bei der das Modell der ellipsometrischen Bestrahlung die Elemente der Jones-Matrix mit den ellipsometrischen Parametern in Abhängigkeit des Drehwinkels des Polarisators (40) oder des Analysators (42) verknüpft.Measuring device according to Claim 22, in which the model of ellipsometric irradiation comprises the elements of the Jones matrix with the ellipsometric parameters as a function of the angle of rotation of the polarizer ( 40 ) or the analyzer ( 42 ) connected. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 23, bei der die Strukturelemente (14) des Halbleiterwafers (5) kleinste Abmessungen von weniger als 200 nm aufweisen.Measuring device according to one of Claims 17 to 23, in which the structural elements ( 14 ) of the semiconductor wafer ( 5 ) have smallest dimensions of less than 200 nm. Verwendung der Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 24 in einer Halbleiterfertigungsanlage, wobei die Halbleiterfertigungsanlage mehrere Fertigungseinheiten umfasst und die Messvorrichtung in wenigstens einer der Fertigungseinheiten integriert ist.Use of the measuring device according to one of claims 17 to 24 in a semiconductor manufacturing plant, wherein the semiconductor manufacturing plant comprises a plurality of production units and the measuring device in at least one of the production units is integrated.
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