DE102006034776B3

DE102006034776B3 - Verfahren und Messvorrichtung zur ellipsometrischen Vermessung von Strukturelementen sowie Verwendung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102006034776B3
Application number: DE200610034776
Authority: DE
Inventors: Ulrich Mantz; Thomas Geiler; Peter Reinig
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Polaris Innovations Ltd
Priority date: 2006-07-27
Filing date: 2006-07-27
Publication date: 2008-03-06
Anticipated expiration: 2026-07-28

Abstract

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 des Verfahrens in einer Halbleiterfertigungsanlage. Ziel der Erfindung ist es, aus ellipsometrischen Parametern Parameter von Strukturelementen (16) auf einem Halbleiterwafer (5) zu bestimmen. Dazu wird elektromagnetische Strahlung unter einer bestimmten Einfallsgeometrie eingestrahlt, so dass ein Bruch in der Spiegelsymmetrie bezüglich der Einfallsebene vorliegt. Dadurch ergibt sich eine so genannte Polarisationskonversion, die es ermöglicht, die bekannten ellipsometrischen Parameter tan(PSI) und cos(Delta) als Funktion der Wellenlänge aufzuzeichnen. Gemäß der Erfindung werden sowohl die Einfallsgeometrie als auch die Drehwinkel von einem polarisierenden Element vor der eigentlichen Messung optimiert, um eine sensitivere Messung für bestimmte Messgrößen zu erlauben.

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 des Verfahrens in einer Halbleiterfertigungsanlage.
Zur Herstellung integrierter Schaltungen werden üblicherweise auf Halbleiterwafern verschiedene Materialien abgeschieden und einzeln oder im Stapel jeweils lithographisch strukturiert. 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 absolute Toleranzgrenzen erzeugt werden, um die Funktionalität der integrierten Schaltungen zu gewährleisten.
Die fortschreitende Miniaturisierung in der Halbleitertechnologie erlaubt auch die Herstellung immer leistungsfähigerer elektronischer Bausteine. So können beispielsweise dynamische Speicher mit wahlfreiem Zugriff (DRAN) hergestellt werden, die eine Vielzahl von Speicherzellen enthalten. Dichte Linien-Graben-Strukturen, wie sie etwa im Bereich der Herstellung von DRAMs gebildet werden, weisen beispielsweise Linienbreiten von kleiner 110nm auf.
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.
Um die Zahl der Elemente auf einem Halbleiterwafer zu steigern, werden allgemein die herzustellenden Strukturmuster als 2D-Strukturen (z.B. Linien-Graben-Strukturen) oder aber auch von 3D-Strukturen (beispielsweise Kontaktlöcher) mit minimalen Abmessungen ausgeführt. Zur Überwachung der Herstellungsqualität dieser regelmäßigen Strukturen werden deren als kritische Abmessungen (critical dimension, CD) bezeichneten Maße, beispielsweise mittels Scatterometrie, kontrolliert.
Scatterometrie, wie beispielsweise in K.R. Lensing, B. Stirton, B. Stares, J.J. Synoradzki, B. Swain, L. Lane, „A comprehensive comparison of spectral scatterometry hardware", Proc. SPIE Vol. 5752, p. 337-350, 2005; C. J. Raymond, M. R. Murnane, S. S. H. Nagvi, J. R. McNeil, "Metrology of subwavelength photoresist gratings using optical scatterometry," Journal of Vacuum Science and Technology B 13(4),pp. 1484-1495, 1995, beschrieben, ist als nicht-destruktives Verfahren in der optischen Messtechnik bekannt und beruht auf der Analyse von gebeugtem Licht von der Oberfläche des mit Strukturelementen versehenen Halbleiterwafers.
Üblicherweise sind die Strukturelemente auf der Vorderseite des Halbleiterwafers in Teilbereichen regelmäßig angeordnet, so dass das Licht an dem regelmäßigen gitterartigen Muster der zwei- oder dreidimensonal periodischen Strukturelemente gebeugt wird.
Allgemein betrachtet können damit nicht nur die kritischen Abmessungen überwacht werden, sondern eine Auswertung der Information des Streulichts ermöglicht auch eine Bestimmung von weiteren Parametern zwei- oder dreidimensionaler Strukturen, wie zum Beispiel Grabentiefen und Schichtdicken.
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.
Aus der EP 1628164 A2 und der US 6,753,961 B1 sind spektroskopische Verfahren beziehungsweise Elipsometer bekannt, bei denen Simulationen von elipsometrischen Messungen durchgeführt werden.
Die im Stand der Technik bekannten Messvorrichtungen zeigen unterschiedliche Empfindlichkeiten oder Sensitivitäten hinsichtlich Strukturgeometrie, optischen Eigenschaften der Materialien und Geometrie des Aufbaus. Für ein periodisch angeordnetes Muster von Strukturelementen ist auch eine Einstrahlung durch eine schräg zur Symmetrieachse der Probe liegende Einfallsebene möglich, so dass ein Bruch in der Spiegelsym metrie bezüglich der Einfallsebene vorliegt. Bei Verwendung von polarisierter Strahlung ergibt sich dadurch 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. Dies ermöglicht es, die bekannten ellipsometrischen Parameter tan(PSI) und cos(Delta) für wenigstens einen Neigungswinkel aufzuzeichnen. Die entsprechend erweiterte Definition ellipsometrischer Parameter tan(PSI) und cos(Delta) ist beispielsweise in M. Schubert, B. Rheinländer, J.R. 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, beschrieben.
Die Eigenschaften des gebeugten 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 gebeugten Lichtes auch von Geräteparametern und den optischen Eigenschaften der in der zu messenden Struktur vorhandenen Schichten ab. Durch Bestimmung der ellipsometrischen Parameter ist es möglich, auf die kritischen Abmessungen sowie weitere Parametern zwei- oder dreidimensionaler Strukturen, wie zum Beispiel Grabentiefen und Schichtdicken zurück zu schließen, um die Herstellungsqualität zu überwachen.
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. In der Standardellipsometrie rotiert typischerweise 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. Allerdings ist mit diesen bekannten Verfahren der Ellipsometrie nicht immer eine zufrieden stellende Messung möglich, da gelegentlich die Sensitivität der Messung nicht ausreichend hoch ist, um die Strukturgrößen zu bestimmen oder die Zahl der Unbekannten zu groß ist.
Es besteht folglich in der Technik ein Bedarf, ein Verfahren zur ellipsometrischen Vermessung von Strukturelementen bereitzustellen, das es ermöglicht, die Sensitivität und Messgenauigkeit gegenüber bisher bekannten Gerätetypen und Gerätekonfigurationen zu steigern oder die Anzahl der Messgrößen zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren zur Bestimmung von Parametern von Strukturelementen eines Musters auf einem Halbleiterwafer mittels eines Ellipsometers gelöst, bei dem folgende Schritte ausgeführt werden:

– Bereitstellen eines Halbleiterwafers, der auf einer Hauptfläche ein entlang einer Symmetrieachse wenigstens teilweise periodisch angeordnetes Muster von Strukturelementen umfasst;
– Bereitstellen eines Ellipsometers mit a) einer Strahlungsquelle, die entlang einer ersten Richtung elektromagnetische Strahlung abstrahlt, b) einem Detektor, der die von der Strahlungsquelle in einer zweiten Richtung reflektierte elektromagnetische Strahlung nachweist, c) einem drehbaren Polarisator, der zwischen der Strahlungsquelle und dem Halbleiterwafer entlang der ersten Rich tung angebracht wird und für die elektromagnetische Strahlung der Strahlungsquelle in einer von einem Drehwinkel des Polarisators abhängigen Polarisationsebene durchlässig ist, und d) einem drehbaren Analysator, der zwischen dem Halbleiterwafer und dem Detektor entlang der zweiten Richtung angebracht wird und für die reflektierte elektromagnetische Strahlung der Strahlungsquelle in einer von einem Drehwinkel des Analysators abhängigen Polarisationsebene durchlässig ist;
– Simulieren einer Bestrahlung des Halbleiterwafers mit elektromagnetischer Strahlung, um als optimierte Bestrahlungsbedingungen die erste Richtung und entweder den Drehwinkel des Analysators oder des Polarisators zu optimieren, wobei die erste Richtung so gewählt wird, dass im Falle einer Bestrahlung Kreuzpolarisation auftritt;
– Bestrahlen der Hauptfläche des Halbleiterwafers mit der elektromagnetische Strahlung für eine Vielzahl von Wellenlängen unter den optimierten Bestrahlungsbedingungen;
– Bestimmen von ellipsometrischen Parametern aus der reflektierten elektromagnetischen Strahlung mittels des Detektors; und
– Berechnen von Parametern der Strukturelemente des Musters auf dem Halbleiterwafer anhand eines Modells.

Gemäß der Erfindung wird der Halbleiterwafer mit hinsichtlich der Einfallebene der elektromagnetischen Strahlung gebrochener Symmetrie geladen. Der dabei auftretende Effekt der Kreuzpolarisation wird für eine Sensitivitätserhöhung bzw. Verdreifachung der Messgrößen genutzt. Die Sensitivität eines auf einem bestehenden Spektralellipsometers basierten Scatterometriesystems wird durch die Wahl des Drehwinkels des Analysators im Falle eines RPE-Aufbaus bzw. des Drehwinkels des Polarisators im Falle eines RAE-Aufbaus beeinflusst. Nach Optimierung der Bestrahlungsbedingungen durch eine Simulation der Bestrahlung werden bei der eigentlichen Messung dann die ellipsometrischen Parameter in Abhängigkeit von der Wellenlänge aufgenommen und ausgewertet.
Im Ergebnis können dadurch sowohl Sensitivitätserhöhungen für interessierende Parameter erreicht werden als auch Parameterkorrelationen abgeschwächt werden. Gemäß der Erfindung erfolgt eine Sensitivitätserhöhung für Variation des sogenannten phi-Winkels bei festem Einfallswinkel theta Dieses Verfahren kann aber für beliebige Einfallswinkel theta erfolgen.
Es ergibt sich je nach Einfallsgeometrie der elektromagnetischen Strahlung und Dimensionierung der periodischen Halbleiterstruktur ein ellipsometrisches Spektrum, das in Abhängigkeit der Wellenlänge ausgewertet wird. 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.
In einer weiteren Ausführungsform wird folgender Schritt ausgeführt:

– Bereitstellen des Modells der ellipsometrischen Bestrahlung, das geeignet ist, die ellipsometrischen Parameter mit modellierten Parametern der Strukturelemente zu verknüpfen, wobei das Modell die Elemente der Jones-Matrix mit den ellipsometrischen Parametern in Abhängigkeit des Drehwinkels des Polarisators oder des Analysators beschreibt.

Gemäß dieser Vorgehensweise wird die gebeugte elektromagnetische Strahlung mittels einer Zerlegung in einen senkrechten und parallelen Polarisationsanteil beschrieben, deren Mischung sich anhand der Jones-Matrix ergibt. Die Jones-Matrix in der Ellipsometrie ist beispielsweise aus 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, bekannt.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Schritt des Bestrahlens der Hauptfläche des Halbleiterwafers für eine Vielzahl von Wellenlängen der elektromagnetischen Strahlung, für eine Vielzahl von Drehwinkeln des Analysators und unter dem beim Schritt des Simulierens bestimmten Drehwinkels des Polarisators durchgeführt.
In der bisherigen Standardellipsometrie rotiert typischerweise entweder der Analysator oder der Polarisator als polarisierendes Element zur Bestimmung des Polarisationszustandes von reflektiertem elliptisch polarisiertem Licht. Als Resultat erhält man die ellipsometrischen Parameter in Abhängigkeit von der Wellenlänge.
Gemäß der Erfindung wird nun eine Möglichkeit geschaffen, die Auswertung des Polaristionszustandes der reflektierten Strahlung anhand des rotierenden Analysators in Abhängigkeit weiterer Bestrahlungsparameter zu bestimmen, die in einem vorgeschalteten Simulationsschritt optimiert werden. Das auf einer Hauptfläche in einem bestimmten Bereich periodisch angeordnete Muster von Strukturelementen zeigt Polarisationskonversion (Kreuzpolarisation), so dass sich die die Möglichkeit ergibt, die ellipsometrischen Parameter tan(PSI) und cos(Delta) abhängig von der Wellenlänge aufzuzeichnen, wobei der Drehwinkel des Polarisators optimiert wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Schritt des Bestrahlens der Hauptfläche des Halbleiterwafers für eine Vielzahl von Wellenlängen der elektromagnetischen Strahlung, für eine Vielzahl von Drehwinkeln des Polarisators und unter dem beim Schritt des Simulierens bestimmten Drehwinkels des Analysators durchgeführt wird.
Gemäß dieser Vorgehensweise erfolgt die Auswertung des Polaristionszustandes der reflektierten Strahlung anhand des rotierenden Polarisators, wobei der Analysatordrehwinkel vorab optimiert wird. Folglich werden die ellipsometrischen Parameter tan(PSI) und cos(Delta) abhängig von der Wellenlänge aufgezeichnet.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß auch mit einer Messvorrichtung zur Bestimmung von Parametern von Strukturelementen eines Musters auf einem Halbleiterwafer mittels eines Ellipsometers gelöst, die folgendes umfasst:

– einen Halbleiterwafer, der auf einer Hauptfläche ein entlang einer Symmetrieachse wenigstens teilweise periodisch angeordnetes Muster von Strukturelementen umfasst;
– ein Ellipsometer mit a) einer Strahlungsquelle, die entlang einer ersten Richtung elektromagnetische Strahlung abstrahlt, b) einem Detektor, der die von der Strahlungsquelle in einer zweiten Richtung reflektierte elektromagnetische Strahlung nachweist, c) einem drehbaren Polarisator, der zwischen der Strahlungsquelle und dem Halbleiterwafer entlang der ersten Richtung angebracht wird und für die elektromagnetische Strahlung der Strahlungsquelle in einer von einem Drehwinkel des Polarisators abhängigen Polarisationsebene durchlässig ist, und d) einem drehbaren Analysator, der zwischen dem Halbleiterwafer und dem Detektor entlang der zweiten Richtung angebracht wird und für die reflektierte elektromagnetische Strahlung der Strahlungsquelle in einer von einem Drehwinkel des Analysators abhängigen Polarisationsebene durchlässig ist;
– Mittel zum Simulieren einer Bestrahlung des Halbleiterwafers mit elektromagnetischer Strahlung, um als optimierte Bestrahlungsbedingungen die erste Richtung und entweder den Drehwinkel des Analysators oder des Polarisators zu optimieren, wobei die erste Richtung so gewählt wird, dass im Falle einer Bestrahlung Kreuzpolarisation auftritt;
– Mittel zum Bestimmen von ellipsometrischen Parametern aus der reflektierten elektromagnetischen Strahlung mittels des Detektors, wobei die Hauptfläche des Halbleiterwafers mit der elektromagnetische Strahlung für eine Vielzahl von Wellenlängen unter den optimierten Bestrahlungsbedingungen bestrahlt wird; und
– Mittel zum Berechnen von Parametern der Strukturelemente des Musters auf dem Halbleiterwafer anhand eines Modells.

Gemäß diesem Aspekt der Erfindung wird elektromagnetische Strahlung in einem breiten Spektralbereich unter einer vorgegebenen Einfallsgeometrie mit einem Einfallswinkel ungleich Null eingestrahlt. Dadurch ergibt sich Polarisationskonversi on, die es ermöglicht, die bekannten ellipsometrischen Parameter für einen Neigungswinkel in Abhängigkeit der Wellenlänge aufzuzeichnen. Die Einfallgeometrie und der Drehwinkel des jeweils nicht für die Bestimmung der ellipsometrischen Parameter herangezogenen polarisierenden Elements werden mit einem Mittel zum Simulieren einer Bestrahlung des Halbleiterwafers mit elektromagnetischer Strahlung vor der eigentlichen Messung bestimmt.
Besonders vorteilhaft erweist sich die Verwendung des Verfahrens zur Bestimmung von Parametern von Strukturelementen eines Musters auf einem Halbleiterwafer mittels eines Ellipsometers in einer Halbleiterfertigungsanlage, wobei die Halbleiterfertigungsanlage mehrere Fertigungseinheiten und ein Ellipsometer umfasst, so dass für eine Vielzahl von Halbleiterwafern Parameter von Strukturelemente bestimmt werden. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
1 eine erfindungsgemäße Messvorrichtung in einer schematischen Schrägansicht;
2 in einer Schrägansicht schematisch die Vorderseite eines Halbleiterwafers bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
3A und 3B Polardiagramme von Betrag und Phase der Jones-Matrix-Elemente bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
4 eine schematische Querschnittsansicht eines Halbleiterwafers zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
5A bis 5F Diagramme von rpp/rss, rps/rpp und rsp/rss aus Berechnungen mittels generalisierter Ellipsometrie von Strukturen gemäß 4; und
6 ein Diagramm von Abweichungen ellipsometrischer Spektren bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bewertung der Sensitivität der entsprechenden Einstellungen.
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.
In 1 ist in einer schematischen Schrägansicht> der Aufbau einer Messvorrichtung 2 mit einem Ellipsometer 8 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.
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 (siehe 2) 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.
Das Ellipsometer 8 umfasst eine Strahlungsquelle 30, die monochromatische aber auch breitbandige, d.h. polychromatische elektromagnetische Strahlung entlang einer ersten Richtung 32 abstrahlt. Als Strahlungsquelle 30 wird eine kohärente oder nichtkohärente Strahlungsquelle im ultravioletten, infraroten oder sichtbarem Bereich verwendet, die geeignet ist, elektromagnetische Strahlung mit einer veränderbaren, frei wählbaren Wellenlänge abzustrahlen. Die abgestrahlte elektromagnetische Welle lässt sich in einen Beitrag mit einer S-polarisierten und in einen Beitrag mit einer P-polarisierten Strahlung zerlegen.
Darüber hinaus umfasst das Ellipsometer 8 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 Nachweismittel 53 gezeigt, das die reflektierte Strahlung bezüglich ihrer Intensität aufnehmen und auswerten kann.
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, wie in 2 gezeigt.
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.
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 Polarisator durchdringen muss. Der Polarisator 40 ist dabei für die elektromagnetische Strahlung der Strahlungsquelle 30 in einer von einem Drehwinkel des Polarisators 40 abhängigen Polarisationsebene durchlässig.
Weiterhin wird ein drehbarer Analysator 42 verwendet, der zwischen dem Substrattisch 20 und dem Detektor 50 entlang der zweiten Richtung 34 angebracht wird. Der Analysator 42 für die reflektierte monochromatische elektromagnetische Strah lung der Strahlungsquelle 30 in einer ebenfalls von einem Drehwinkel des Analysators 42 abhängigen Polarisationsebene durchlässig.
Gemäß dieser Ausführungsform rotiert ein polarisierendes Element nämlich entweder der Polarisator oder der Analysator zur Bestimmung der spektralellipsometrischen Parameter. Das jeweils andere Element wird mit einem festen Drehwinkel eingestellt, der so gewählt wird, dass die Sensitivität bezüglich der zu bestimmenden Parameter erhöht wird. Zusätzlich wird auch sowohl der Azimutwinkel 38 als auch der Neigungswinkel 36 bezüglich optimierter Sensitivität ausgewählt.
Zur Bestimmung der optimierten Bestrahlungsbedingungen werden vor der eigentlichen Messung Simulationen durchgeführt. Damit wird sichergestellt, dass die Sensitivität für das Messproblem, nämlich die Bestimmung von Strukturabmessungen oder Profilparametern der Strukturelemente 16 ausreichend hoch ist.
Bevor diese Vorgehensweise beispielhaft beschrieben wird, folgt unter Bezugnahme auf 2 eine Erläuterung der Geometrie der einfallenden und reflektierten elektromagnetischen Strahlung nebst den entsprechenden Parametern.
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 E_P und E_S der einfallenden Strahlung E^IN und der reflektierten Strahlung E^OUT gezeigt, die sich bei einer Zerlegung in parallele und senkrechte Beiträge ergeben. Die Flächennormale der Hauptseite 10 ist in 2 die z-Richtung, als Symmetrieachse 18 ist die x-Richtung angegeben.
Bei konventionellen Messverfahren 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:
Dabei lässt sich das ellipsometrische Spektrum aus der sogenannten Jonesmatrix bestimmen, die eine Zerlegung bzw. deren Mischung in verschiedene Polarisationszustände angibt:
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 r_sp und r_ps der Gleichung [2] Null werden.
Die nachfolgenden Folgerungen bezüglich Polarisationskonversion und den sich daraus ergebenden Konsequenzen betreffen den Fall, dass der Neigungswinkel 36 der auftreffenden elektromagnetischen Strahlung von Null verschieden ist, d.h. die Einstrahlung gemäß einer schräg zur Symmetrieachse 18 der Strukturelemente 16 liegenden Einfallsebene liegt.
Das gemessene Spektrum der reflektierten Strahlung zeigt aufgrund des Bruchs in der Spiegelsymmetrie bezüglich der Ein fallsebene Polarisationskonversion (Kreuzpolarisation). Die ellipsometrischen Parameter tan(PSI), cos(Delta) werden wellenlängenabhängig aufgezeichnet. Dabei ergeben sich nun folgende ellipsometrische Spektren für den Fall der Drehung des Polarisators 40 und des Analysators 42, wobei A und P den Drehwinkel im ersten bzw. zweiten Fall angeben:
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.
Im Gegensatz zum eingangs diskutierten Standardfall ergeben sich nun 3 unabhängige Größen tan(PSI) und cos(Delta). Demgemäß können in der verallgemeinerten Ellipsometrie die Verhältnisse für rpp/rss, rps/rpp and rsp/rss jeweils unabhängig bestimmt werden, wobei jede der genannten Lösungen einem Wert für tan(psi) und cos(delta) entspricht.
Durch Bestimmen von Reflexionskoeffizienten p der reflektierten elektromagnetischen Strahlung mittels des Detektors 50 werden die ellipsometrischen Parametern tan(PSI) und cos(Delta) für einen bestimmten Wellenlängenbereich ermit telt. 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.
Um die oben beschriebene Optimierung der Bestrahlungsbedingungen durchzuführen, wird vor der Messung die erste Richtung 32 und der Drehwinkel des Polarisators 40 oder Analysators 42 mit einem in der Technik bekannten Computerprogramm simuliert. Diese Vorgehensweise wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die 3A und 3B erläutert. Dabei wird beispielhaft der Fall betrachtet, dass der Drehwinkel des Analysators 42 zusammen mit der ersten Richtung 32 optimiert wird. Die Optimierung des Drehwinkels des Polarisators 40 kann sinngemäß auf dieses Beispiel übertragen werden.
Als Resultat der Simulationsrechnung werden die im Allgemeinen komplexen Matrixelemente der Jones-Matrix gemäß Gleichung [2] ermittelt. Simuliert wurde eine zweidimensionale Grabenstruktur eines DRAM-Bausteins mit einer nominellen Abmessung von 110 nm Linienbreite.
In 3A sind simulierte Spektren für den Betrag der Matrixelemente der Jones-Matrix in einem Polardiagram als Funktion des Neigungswinkels gezeigt. Man erkennt, dass allein eine Verdrehung der Einfallsrichtung Betrag und Phase der Jones-Matrix-Elemente verändert.
33 zeigt die Phase der Nebendiagonalelemente der Jones-Matrix als Funktion des Neigungswinkels 36. Die Reaktion der resultierenden Spektren auf Variationen von Geometriegrößen ist für die jeweilige Einstellung charakteristisch und kann per Simulation vorab optimiert werden.
Diese Vorgehensweise wird nun anhand von 4 auf eine beispielhafte Ausgestaltung eines Musters 14 von Strukturelementen 16 angewendet. 4 zeigt einen zweischichtigen Aufbau von Strukturelementen 16. Die erste Schicht 62 ist direkt auf der Oberseite des Halbleiterwafers 5 aufgebracht. Die darüber liegende zweite Schicht 64 weist Schichtdicke 60 auf. Als Messparameter wird nachfolgend beispielhaft die Schichtdicke 60 ausgewertet. Andere Parameter, wie z.B. Strukturabmessungen, Profilparameter, Seitenwandwinkel können selbstverständlich ebenfalls mit einer geeigneten Modellbeschreibung bestimmt werden.
Zur experimentellen Bestimmung werden drei unterschiedliche Messungen mit anderen Winkeln des Analysators durchgeführt, um die Rohdatenspektren zu erzeugen. Das zugeordnete Gleichungssystem kann unabhängig für die Größen rpp/rss, rps/rpp und rsp/rss gelöst werden. In 5A und 53 ist in einem Diagramm der Vergleich von Simulation und Experiment der Größen rpp/rss gezeigt. Für die experimentellen Daten wurden 3 Messungen mit verschiedenen Analysatorwinkeln aufgenommen. Die Diagramme gemäß 5C und 5D zeigen die entsprechenden Spektren für die Größen rps/rpp. In den 5E und 5F sind die Spektren für die Größen rsp/rss gezeigt.
Vorteilhafterweise können gemäß der Erefindung die experimentellen Werte für die jeweiligen Verhältnisse rpp/rss, rps/rpp und rsp/rss unabhängig bestimmt werden, was insgesamt zu sechs Spektren führt, die mit Modellbasierten Resultaten verglichen werden können. Die dabei in Betracht gezogenen Nebendiagonalelemente der Jones-Matrix treten für den Fall der Polarsationskonversion oder Kreuzpolarisation auf, wie oben beschrieben.
Erfindungsgemäß ist die Abweichung zwischen den ellipsometrischen Spektren in Abhängigkeit der Wellenlänge der einfallenden Strahlung durch die geeignete Wahl von Drehwinkel des Analysators und Neigungswinkel 36 optimiert. Um das Verhalten über den gesamten Parameterraum abzuschätzen, ist in 6 ein Maß X² für die Abweichung zwischen zwei Spektren in Abhängigkeit des resultierenden Werts der Schichtdicke 60 für verschiedene Neigungswinkel 36 dargestellt. Man erkennt, dass das Maß X² für die Abweichung bei gleichen Drehwinkeln des Analysators für unterschiedliche Neigungswinkel 36, in 6 „Phi" genannt, variiert, so dass die Sensitivität auf bestimmte Parameter optimiert werden kann.
Das Verfahren gemäß der Erfindung kann auch in einer Halbleiterfertigungsanlage verwendet werden. Die Halbleiterfertigungsanlage umfasst mehrere Fertigungseinheiten, beispielsweise Ätztools, Poliervorrichtungen oder lithographische Projektionsanlagen. Eine oder mehrere der Fertigungseinheiten wird mit einem Ellipsometer 8 ausgestattet, um Profilparameter zu bestimmen.

2: Messvorrichtung
5: Halbleiterwafer
8: Ellipsometer
10: Hauptfläche
12: Bereich
14: periodisch angeordnetes Muster
16: Strukturelementen
18: Symmetrieachse
20: Substrattisches
30: Strahlungsquelle
32: erste Richtung
34: zweite Richtung
36: Neigungswinkel
38: Azimutwinkel
40: Polarisator
42: Analysator
50: Detektor
60: Schichtdicke
62: erste Schicht
64: zweite Schicht

Claims

Verfahren zur Bestimmung von Parametern von Strukturelementen eines Musters auf einem Halbleiterwafer mittels eines Ellipsometers, umfassend folgende Schritte: – Bereitstellen eines Halbleiterwafers (5), der auf einer Hauptfläche (10) ein entlang einer Symmetrieachse (18) wenigstens teilweise periodisch angeordnetes Muster (14) von Strukturelementen (16) umfasst; – Bereitstellen eines Ellipsometers (8) mit a) einer Strahlungsquelle (30), die entlang einer ersten Richtung (32) elektromagnetische Strahlung abstrahlt, b) einem Detektor (50), der die von der Strahlungsquelle (30) in einer zweiten Richtung (34) reflektierte elektromagnetische Strahlung nachweist, c) einem drehbaren Polarisator (40), der zwischen der Strahlungsquelle (30) und dem Halbleiterwafer (5) entlang der ersten Richtung angebracht wird und für die elektromagnetische Strahlung der Strahlungsquelle (30) in einer von einem Drehwinkel des Polarisators (40) abhängigen Polarisationsebene durchlässig ist, und d) einem drehbaren Analysator (42), der zwischen dem Halbleiterwafer (5) und dem Detektor (50) entlang der zweiten Richtung angebracht wird und für die reflektierte elektromagnetische Strahlung der Strahlungsquelle (30) in einer von einem Drehwinkel des Analysators (42) abhängigen Polarisationsebene durchlässig ist; – Simulieren einer Bestrahlung des Halbleiterwafers (5) mit elektromagnetischer Strahlung, um als optimierte Bestrahlungsbedingungen die erste Richtung (32) und entweder den Drehwinkel des Analysators (42) oder des Polarisators (40) zu optimieren, wobei die erste Richtung (32) so gewählt wird, dass im Falle einer Bestrahlung Kreuzpolarisation auftritt; – Bestrahlen der Hauptfläche (10) des Halbleiterwafers (5) mit der elektromagnetische Strahlung für eine Vielzahl von Wellenlängen unter den optimierten Bestrahlungsbedingungen; – Bestimmen von ellipsometrischen Parametern aus der reflektierten elektromagnetischen Strahlung mittels des Detektors (50) ; und – Berechnen von Parametern der Strukturelemente (16) des Musters (14) auf dem Halbleiterwafer (5) anhand eines Modells.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Kreuzpolarisation der vom Halbleiterwafer reflektierten elektromagnetischen Strahlung mittels einer Jones-Matrix beschrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Schritt des Simulierens der ellipsometrischen Bestrahlung so ausgeführt wird, dass die Elemente der Jones-Matrix zur Bestimmung der optimierten Bestrahlungsbedingungen ausgewertet werden.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Nebendiagonalelemente der Jones-Matrix zur Bestimmung der optimierten Bestrahlungsbedingungen ausgewertet werden.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem jeweils Paare von ellipsometrischen Größen als Verhältnis der Nebendiagonalelemente der Jones-Matrix ausgewertet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem darüber hinaus folgender Schritt ausgeführt wird: – Bereitstellen des Modells der ellipsometrischen Bestrahlung, das geeignet ist, die ellipsometrischen Parameter mit modellierten Parametern der Strukturelemente (16) zu verknüpfen, wobei das Modell die Elemente der Jones-Matrix mit den ellipsometrischen Parametern in Abhängigkeit des Drehwinkels des Polarisators (40) oder des Analysators (42) beschreibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem beim Schritt des Berechnens von Parametern der Strukturelemente (16) des Musters (14) auf dem Halbleiterwafer (5) Strukturabmessungen, Profilparameter, Seitenwandwinkel oder Schichtdicken der Strukturelemente (16) des Musters bestimmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der Schritt des Bestrahlens der Hauptfläche (10) des Halbleiterwafers (5) für eine Vielzahl von Wellenlängen der elektromagnetischen Strahlung, für eine Vielzahl von Drehwinkeln des Analysators (42) und unter dem beim Schritt des Simulierens bestimmten Drehwinkel des Polarisators (40) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem der Schritt des Bestrahlens der Hauptfläche (10) des Halbleiterwafers (5) für eine Vielzahl von Wellenlängen der elektromagnetischen Strahlung, für eine Vielzahl von Drehwinkeln des Polarisators (40) und unter dem beim Schritt des Simulierens bestimmten Drehwinkel des Analysators (42) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die Strahlungsquelle (30) geeignet ist, elektromagnetische Strah lung im Infrarotbereich, im Bereich von sichtbarem Licht oder im UV-Bereich abzustrahlen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem die Strahlungsquelle (30) kohärente oder nichtkohärente elektromagnetische Strahlung abstrahlt.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Strahlungsquelle (30) polarisierte elektromagnetische Strahlung abstrahlt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem 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.
Messvorrichtung zur Bestimmung von Parametern von Strukturelementen eines Musters auf einem Halbleiterwafer mittels eines Ellipsometers, umfassend: – einen Halbleiterwafer (5), der auf einer Hauptfläche (10) ein entlang einer Symmetrieachse (18) wenigstens teilweise periodisch angeordnetes Muster (14) von Strukturelementen (16) umfasst; – ein Ellipsometer (8) mit a) einer Strahlungsquelle (30), die entlang einer ersten Richtung (32) elektromagnetische Strahlung abstrahlt, b) einem Detektor (50), der die von der Strahlungsquelle (30) in einer zweiten Richtung (34) reflektierte elektromagnetische Strahlung nachweist, c) einem drehbaren Polarisator (40), der zwischen der Strahlungsquelle (30) und dem Halbleiterwafer (5) entlang der ersten Richtung angebracht wird und für die elektromagnetische Strahlung der Strahlungsquelle (30) in einer von einem Drehwinkel des Polarisators (40) abhängigen Polarisationsebene durchlässig ist, und d) einem drehbaren Analysator (42), der zwischen dem Halbleiterwafer (5) und dem Detektor (50) entlang der zweiten Richtung angebracht wird und für die reflektierte elektromagnetische Strahlung der Strahlungsquelle (30) in einer von einem Drehwinkel des Analysators (42) abhängigen Polarisationsebene durchlässig ist; – Mittel zum Simulieren einer Bestrahlung des Halbleiterwafers (5) mit elektromagnetischer Strahlung, um als optimierte Bestrahlungsbedingungen die erste Richtung (32) und entweder den Drehwinkel des Analysators (42) oder des Polarisators (40) zu optimieren, wobei die erste Richtung (32) so gewählt wird, dass im Falle einer Bestrahlung Kreuzpolarisation auftritt; – Mittel zum Bestimmen von ellipsometrischen Parametern aus der reflektierten elektromagnetischen Strahlung mittels des Detektors (50), wobei die Hauptfläche (10) des Halbleiterwafers (5) mit der elektromagnetische Strahlung für eine Vielzahl von Wellenlängen unter den optimierten Bestrahlungsbedingungen bestrahlt wird; und – Mittel zum Berechnen von Parametern der Strukturelemente (16) des Musters (14) auf dem Halbleiterwafer (5) anhand eines Modells.
Messvorrichtung nach Anspruch 14, bei der die Strahlungsquelle (30) geeignet ist, elektromagnetische Strahlung im Infrarotbereich, im Bereich von sichtbarem Licht oder im UV-Bereich abzustrahlen.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 14 oder 15, bei der die Strahlungsquelle (30) polarisierte elektromagnetische Strahlung abstrahlt.
Messvorrichtung nach Anspruch 16, bei der die vom Halbleiterwafer reflektierte elektromagnetische Strahlung Kreuzpolarisation aufweist, die mittels einer Jones-Matrix beschrieben wird.
Messvorrichtung nach Anspruch 17, bei der jeweils Paare von ellipsometrischen Größen als Verhältnis der Nebendiagonalelemente der Jones-Matrix ausgewertet werden.
Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13 in einer Halbleiterfertigungsanlage, wobei die Halbleiterfertigungsanlage mehrere Fertigungseinheiten und ein Ellipsometer (8) umfasst, so dass für eine Vielzahl von Halbleiterwafern Parameter von Strukturelemente (16) bestimmt werden.