DE102017127655A1 - Prüfstrukturentwurf zum durchführen einer röntgenscatterometrie-messung - Google Patents

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Chung-Li Huang
Yi-Hung Lin
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Abstract

Ein Verfahren umfasst das Herstellen einer Prüfstruktur. Das Herstellen der Prüfstruktur umfasst die folgenden Schritte: Herstellen einer ersten Mehrzahl von Halbleiterstreifen; und Zertrennen der ersten Mehrzahl von Halbleiterstreifen in ein Array einer zweiten Mehrzahl von Halbleiterstreifen, wobei jede Zeile des Arrays aus einem Streifen in der ersten Mehrzahl von Halbleiterstreifen besteht; Herstellen von Trennbereichen in Aussparungen zwischen Halbleiterstreifen der zweiten Mehrzahl von Halbleiterstreifen; und Aussparen der Trennbereiche. Obere Teile der zweiten Mehrzahl von Halbleiterstreifen stehen über die Trennbereiche über, sodass Halbleiterfinnen entstehen, die ein Finnen-Array bilden. Ein Röntgenstrahl wird auf die Prüfstruktur projiziert. Von dem Röntgenstreustrahl, der von der Prüfstruktur gestreut wird, wird ein Beugungsbild erhalten.

Description

  • Prioritätsanspruch und Querverweis
  • Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der am 31.07.2017 eingereichten vorläufigen US-Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 62/538.971 und dem Titel „Test Key Design to Enable X-Ray Scatterometry Measurement“ („Prüfstrukturentwurf zum Durchführen einer Röntgenscatterometrie-Messung“), die durch Bezugnahme aufgenommen ist.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Da die Halbleiterindustrie zu Technologieknoten von 16 nm oder weniger übergeht, wird nicht nur die Bearbeitung, sondern auch die Messtechnik immer komplexer und anspruchsvoller. Die genaue Überwachung von kritischen Schlüsselmerkmalen ist für die Aufrechterhaltung der Produktionsausbeute wichtig und trägt entscheidend zur Verbesserung der Bearbeitung und zur Erhöhung der Bauelementleistung bei. Normalerweise werden viele verschiedene Messtechnik-Arten für die Charakterisierung von modernen Finnen-Feldeffekttransistoren (FinFETs) benötigt, die sich gegenseitig ergänzen, und keine davon kann alle Messungsanforderungen gleichzeitig erfüllen. Die am häufigsten verwendeten Messverfahren sind OCD-Metrologie (OCD: optical critical dimension; optische kritische Abmessung) und CD-Rasterelektronenmikroskopie (CD-SEM), obwohl scatterometrische Messverfahren auf Röntgenstrahlbasis, wie etwa CD-Kleinwinkel-Röntgenscatterometrie (CD-SAXS), die Wellenlängen nutzen, die viel kleiner als die Strukturbreiten sind, zurzeit in der Branche ebenfalls intensiv untersucht werden, da die Strukturgrößen weiter abnehmen.
  • Die OCD-Metrologie oder Messtechnik nutzt eine Breitband-Lichtquelle, deren Wellenlängen normalerweise etwa 200 nm bis 1000 nm betragen, zum Messen der mittleren kritischen Abmessungen (critical dimensions; CDs), von Profilen und Materialeigenschaften entweder mittels Ellipsometrie und/oder Reflektometrie. Sie ist schnell, zerstörungsfrei und ergibt hoch zuverlässige CDs. Sie hat jedoch mehrere Nachteile. Sie erfordert eine Referenz für eine Genauigkeitsverifikation und Justierung und liefert keine Informationen zur CD-Schwankung. Was noch schlimmer ist, die OCD-Ergebnisse sind stark Modell-abhängig und sind anfällig für die Änderung der Eigenschaften von optischen Funktionen. Die hohen Korrelationen der spektralen Empfindlichkeit zwischen unterschiedlichen CD-Parametern führen ebenfalls zu Schwierigkeiten in der OCD-Metrologie. Die CD-SEM erfordert hingegen keine Referenz und kann Schwankungsinformationen liefern. Es ist keine Modellierung erforderlich, und die Änderung der optischen Eigenschaften beeinträchtigt nicht die Genauigkeit der CD-SEM-Messungen. Noch wichtiger ist, dass die CD-SEM lokal oberflächenempfindlich ist und vergrabene Strukturelemente nicht mit den Messungen korrelieren. Mit der CD-SEM lassen sich jedoch 3D-Profile nur schwer messen, und die Auflösung der CD-SEM ist nicht klein genug. Außerdem werden viele Abtastungen für lokale Messungen mittels CD-SEM benötigt, um hoch zuverlässige mittlere CDs zu erhalten.
  • Röntgenscatterometrie, wie etwa CD-SAXS, wird auch als eine potentielle Metrologie-Lösung für Strukturbreiten im Nanobereich angesehen. Ihr Prinzip beruht auf der klassischen Röntgenscatterometrie, die für den Elektronendichtekontrast empfindlich ist und Probleme mit optischen Eigenschaften vermeiden kann. Die Modelle sind im Allgemeinen robuster als die OCD-Modelle, und Parameter-Kreuzkorrelationen sind selten. Sie kann 3D-Profile mit hoch zuverlässiger Genauigkeit und Präzision der mittleren CDs messen. Außerdem liefert sie Schwankungsinformationen, wie etwa Linienbreitenrauheit (LWR) oder Linienkantenrauheit (LER), auf Grund der Debye-Waller-Verbreiterung von Beugungspeaks. Aber die Röntgenscatterometrie hat auch ihre Probleme. Zum Beispiel ist die Lichtfleckgröße des Röntgenstrahls, die die Größe des Röntgenstrahls ist, der auf Proben projiziert wird, im Allgemeinen groß, und sie kann nicht so verkleinert werden, dass sie zu den Größen der Prüfstrukturen passt. Auf Grund der Beschränkungen von Entwurfsregeln können die Prüfstrukturen wiederum nicht so konzipiert werden, dass sie so groß sind, dass sie zu der Lichtfleckgröße des Röntgenstrahls passen. Das führt dazu, dass die Messung unter Verwendung der Röntgenscatterometrie sehr zeitaufwändig ist und manchmal mehrere Stunden dauert oder sogar ganz unmöglich ist.
  • Figurenliste
  • Aspekte der vorliegenden Erfindung lassen sich am besten anhand der nachstehenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verstehen. Es ist zu beachten, dass entsprechend der üblichen Praxis in der Branche verschiedene Elemente nicht maßstabsgetreu gezeichnet sind. Vielmehr können der Übersichtlichkeit der Erörterung halber die Abmessungen der verschiedenen Elemente beliebig vergrößert oder verkleinert sein.
    • Die 1A, 1B, 2, 3A, 3B, 3C und 4 zeigen Schnittansichten, Draufsichten und perspektivische Darstellungen von Zwischenstufen bei der Herstellung einer Prüfstruktur mit Halbleiterfinnen mit Leitungsendenschnitten gemäß einigen Ausführungsformen.
    • 5A zeigt ein Schema zum Projizieren eines Röntgenstrahls auf eine Prüfstruktur, um ein Beugungsbild zu erhalten, gemäß einigen Ausführungsformen.
    • Die 5B, 5C und 5D zeigen eine perspektivische Darstellung, eine Draufsicht bzw. eine Seitenansicht eines einfallenden Lichtstrahls und von gebeugten Lichtstrahlen gemäß einigen Ausführungsformen.
    • 6 zeigt ein beispielhaftes Beugungsbild gemäß einigen Ausführungsformen.
    • 7 zeigt eine Prüfstruktur mit einer Kontur, die zu einer Form und Größe eines Röntgenstrahlflecks passt, gemäß einigen Ausführungsformen.
    • 8 zeigt eine zusammengesetzte Prüfstruktur mit Arrays und Zufallsstrukturbereichen zwischen den Arrays gemäß einigen Ausführungsformen.
    • 9 zeigt ein Layout von Finnen in einem beispielhaften Zufallsstrukturbereich gemäß einigen Ausführungsformen.
    • 10 zeigt ein Layout von Finnen in einem beispielhaften Pseudo-Zufallsstrukturbereich gemäß einigen Ausführungsformen.
    • 11 zeigt eine Prüfstruktur mit Gate-Strukturen, die auf Halbleiterfinnen hergestellt sind, gemäß einigen Ausführungsformen.
    • 12 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Teils der in 11 gezeigten Prüfstruktur, gemäß einigen Ausführungsformen.
    • 13 zeigt eine Prüfstruktur mit Aussparungen, die in einem Zwischenschicht-Dielektrikum hergestellt sind, das Halbleiterfinnen bedeckt, gemäß einigen Ausführungsformen.
    • 14 zeigt eine Schnittansicht eines Teils der in 13 gezeigten Prüfstruktur, gemäß einigen Ausführungsformen.
    • 15 zeigt einen Prozessablauf zum Herstellen einer Prüfstruktur gemäß einigen Ausführungsformen.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Die nachstehende Beschreibung liefert viele verschiedene Ausführungsformen oder Beispiele zum Implementieren verschiedener Merkmale des bereitgestellten Gegenstands. Nachstehend werden spezielle Beispiele für Komponenten und Anordnungen beschrieben, um die vorliegende Erfindung zu vereinfachen. Diese sind natürlich lediglich Beispiele und sollen nicht beschränkend sein. Zum Beispiel kann die Herstellung eines ersten Elements über oder auf einem zweiten Element in der nachstehenden Beschreibung Ausführungsformen umfassen, bei denen das erste und das zweite Element in direktem Kontakt hergestellt werden, und sie kann auch Ausführungsformen umfassen, bei denen zusätzliche Elemente zwischen dem ersten und dem zweiten Element so hergestellt werden können, dass das erste und das zweite Element nicht in direktem Kontakt sind. Darüber hinaus können in der vorliegenden Erfindung Bezugszahlen und/oder -buchstaben in den verschiedenen Beispielen wiederholt werden. Diese Wiederholung dient der Einfachheit und Übersichtlichkeit und schreibt an sich keine Beziehung zwischen den verschiedenen erörterten Ausführungsformen und/oder Konfigurationen vor.
  • Darüber hinaus können hier räumlich relative Begriffe, wie etwa „darunter befindlich“, „unter“, „untere(r)“/„unteres“, „darüber befindlich“, „obere(r)“/„oberes“ und dergleichen, zur einfachen Beschreibung der Beziehung eines Elements oder einer Struktur zu einem oder mehreren anderen Elementen oder Strukturen verwendet werden, die in den Figuren dargestellt sind. Die räumlich relativen Begriffe sollen zusätzlich zu der in den Figuren dargestellten Orientierung andere Orientierungen des in Gebrauch oder in Betrieb befindlichen Bauelements umfassen. Das Bauelement kann anders ausgerichtet werden (um 90 Grad gedreht oder in einer anderen Orientierung), und die räumlich relativen Deskriptoren, die hier verwendet werden, können ebenso entsprechend interpretiert werden.
  • Es werden eine Prüfstruktur, Prüfschlüssel oder Prüfstruktur (test key) für die Röntgenscatterometrie-Messung und ein Verfahren zum Verwenden der Prüfstruktur zum Messen von Parametern von Strukturelementen, wie etwa Abmessungen, Dicken, Tiefen und Seitenwandwinkeln, in integrierten Schaltkreisen gemäß verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen zur Verfügung gestellt. Es werden die Zwischenstufen der Herstellung der Prüfstruktur gemäß einigen Ausführungsformen erläutert. Außerdem werden einige Abwandlungen einiger Ausführungsformen erörtert. In allen Darstellungen und erläuternden Ausführungsformen werden ähnliche Bezugssymbole zum Bezeichnen von ähnlichen Elementen verwendet.
  • Die 1A, 1B, 2, 3A, 3B, 4 und 5 zeigen Schnittansichten, Draufsichten und perspektivische Darstellungen von Zwischenstufen bei der Herstellung einer Prüfstruktur und des Verwendens der Prüfstruktur (test key) für die Röntgenscatterometrie-Messung gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Die Prüfstruktur weist Halbleiterfinnen auf, die zum Herstellen von Finnen-Feldeffekttransistoren (FinFETs) verwendet werden können. Die in den 1A, 1B, 2, 3A, 3B, 4 und 5 gezeigten Schritte sind auch in dem Prozessablauf, der in 15 gezeigt ist, schematisch wiedergegeben.
  • 1A zeigt eine Schnittansicht eines Wafers 10, der ein Substrat 20 umfasst. Das Substrat 20 kann ein massives Substrat oder ein Halbleiter-auf-Isolator-Substrat sein. Bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung besteht das Substrat 20 aus einem Halbleitermaterial, das unter anderem aus der Gruppe Silizium, Siliziumgermanium, Siliziumcarbid, Germanium und III-V-Verbindungshalbleitermaterialien, wie etwa GaAsP, AlInAs, AlGaAs, GaInAs, GaInP, GaInAsP und dergleichen, gewählt ist. Das Substrat 20 kann mit einem p- oder einem n-Dotierungsstoff leicht dotiert sein.
  • Über dem Halbleitersubstrat 20 werden ein Pad-Oxid 22 und eine Hartmaske 24 hergestellt. Bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung besteht das Pad-Oxid 22 aus Siliziumoxid, das durch Oxidieren einer Oberflächenschicht des Halbleitersubstrats 20 hergestellt werden kann. Die Hartmaske 24 kann aus Siliziumnitrid, Siliziumoxidnitrid, Siliziumcarbid, Siliziumcarbonitrid oder dergleichen bestehen. Bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird die Hartmaske 24 aus Siliziumnitrid zum Beispiel durch chemische Aufdampfung bei Tiefdruck (LPCVD) hergestellt. Bei alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird die Hartmaske 24 durch thermische Nitrierung von Silizium, plasmaunterstützte chemische Aufdampfung (PECVD) oder anodische Plasmanitrierung hergestellt.
  • Anschließend wird die Hartmaske 24 strukturiert. Bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfasst das Strukturieren der Hartmaske 24 die folgenden Schritte: Herstellen von Dornen (nicht dargestellt, aber sie können parallele Streifen aus amorphem Silizium sein); Herstellen einer konformen Abstandshalterschicht (nicht dargestellt) auf den Dornen; Durchführen einer anisotropen Ätzung, um horizontale Teile der Abstandshalterschicht zu entfernen, sodass die vertikalen Teile der Abstandshalterschicht vertikale Abstandshalter bilden; Zertrennen der vertikalen Abstandshalter in parallele Streifen; und Verwenden der parallelen Abstandshalterstreifen als eine Ätzmaske zum Ätzen der Hartmaske 24.
  • 1B zeigt eine Draufsicht der Struktur, die in 1A gezeigt ist. Bei einigen Ausführungsformen sollen die Hartmasken 24 einen einheitlichen Rasterabstand haben, was bedeutet, dass die in 1B gezeigten Rasterabstände P1 und P2 gleichgroß sind. Auf Grund der Schwankungen, die von dem Herstellungsprozess verursacht werden, kann es jedoch zu einer Rasterabstandsverschiebung kommen, was bedeutet, dass die Rasterabstände P1 und P2 von den Sollwerten abweichen und voneinander verschieden werden können.
  • Kommen wir zu 1A zurück. Die Hartmasken 24 werden als eine Ätzmaske zum Ätzen des Substrats 20 verwendet, sodass Halbleiterstreifen 28 entstehen und Gräben 26 die Halbleiterstreifen 28 voneinander trennen. Der entsprechende Schritt ist als Schritt 202 in dem Prozessablauf angegeben, der in 15 gezeigt ist. Der integrierte Schaltkreis in dem Wafer 10 wird mit einer bestimmten Technologie hergestellt, zum Beispiel mit der 45-nm-Technologie, der 18-nm-Technologie oder dergleichen. Die Technologie berücksichtigt mehrere Faktoren, wie etwa die angestrebten kritischen Abmessungen, die Genauigkeit der Produktionsanlage usw. Für die entsprechende Technologie wird eine Gruppe von Entwurfsregeln verwendet, die die verschiedenen Parameter regeln, die zum Herstellen des integrierten Schaltkreises verwendet werden können. Zum Beispiel können die Entwurfsregeln die maximale Strukturdichte, die maximale Größe, die maximale Fläche, die Mindestgröße, den Mindestabstand usw. jeder Art von Strukturelementen, wie etwa Halbleiterfinnen, festlegen.
  • Wenn in den 1A und 1B die Halbleiterstreifen 28 zum Herstellen von Halbleiterfinnen verwendet werden, können die Entwurfsregeln verletzt werden, wenn die Halbleiterstreifen 28 auf Grund einiger Prozessprobleme nicht zu lang werden dürfen. Daher werden die langen Hartmasken 24 und Streifen 28 (zum Beispiel durch Ätzung) in kürzere Streifen zertrennt, wie in 2 gezeigt ist. Außerdem werden auch die Leitungsendteile der Finnen entfernt, was als Leitungsendenschnitt bezeichnet wird. Der entsprechende Schritt ist als Schritt 204 in dem Prozessablauf angegeben, der in 15 gezeigt ist. Somit verlaufen die Aussparungen 26 zwischen den gekürzten Halbleiterstreifen 28. Bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist ein Abstand S1 zwischen benachbarten gekürzten Streifen 28 der Mindestabstand, der mit einer Fertigungstechnik erzielt werden kann und in Abhängigkeit von der Fertigungstechnik zum Beispiel etwa 100 nm bis etwa 200 nm betragen kann. Durch das Zertrennen der langen Streifen 28 in kürzere Streifen ist es vorteilhaft möglich, die Größe der Gesamtfläche einer resultierenden Prüfstruktur 30 (die in 5A gezeigt ist) zu vergrößern, ohne die Entwurfsregeln zu verletzen.
  • Wie in den 3A, 3B und 3C gezeigt ist, wird dann ein dielektrischer Bereich/ dielektrisches Material 32 abgeschieden, um die Gräben 26 (2) zu füllen, die die Halbleiterstreifen 28 trennen. Der entsprechende Schritt ist als Schritt 206 in dem Prozessablauf angegeben, der in 15 gezeigt ist. 3A zeigt eine Schnittansicht der Struktur, die von einer Ebene erhalten wird, die die Linie 3A - 3A in 3B enthält. 3C zeigt eine Schnittansicht der Struktur, die von einer Ebene erhalten wird, die die Linie 3C-3C in 3B enthält. Bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung weist der dielektrische Bereich 32 einen Oxidbelag oder Nitridbelag und ein dielektrisches Material (nicht einzeln dargestellt) über dem Oxid- oder Nitridbelag auf.
  • Dann werden die übrigen Teile der Gräben 26 mit dem dielektrischen Material gefüllt, sodass die in 3A gezeigte Struktur entsteht. Das dielektrische Material kann aus Siliziumoxid, Siliziumcarbid, Siliziumnitrid oder Mehrfachschichten davon bestehen. Das Abscheidungsverfahren für das dielektrische Material kann aus der Gruppe fließfähige chemische Aufdampfung (FCVD), Schleuderbeschichtung, chemische Aufdampfung (CVD), Atomlagenabscheidung (ALD), chemische Aufdampfung mit einem Plasma hoher Dichte (HDPCVD), LPCVD und dergleichen gewählt werden.
  • Dann wird eine Planarisierung, wie etwa eine chemisch-mechanische Polierung (CMP) oder ein mechanischer Schleifprozess durchgeführt, bis die Hartmasken 24 freigelegt sind. Die übrigen Teile des dielektrischen Materials werden als STI-Bereiche 32 (STI: flache Grabenisolation) bezeichnet. Die Hartmasken 24 können als eine CMP-Stoppschicht verwendet werden, und daher sind die Oberseiten der Hartmasken 24 im Wesentlichen koplanar mit den Oberseiten der STI-Bereiche 32.
  • Anschließend werden die Hartmasken 24 entfernt. Wenn die Hartmasken 24 aus Siliziumnitrid bestehen, können sie in einem Nassätzprozess unter Verwendung von H3PO4 als ein Ätzmittel entfernt werden. Wie in 4 gezeigt ist, werden dann die STI-Bereiche 32 ausgespart, und die Padschicht 22 (3C) kann in dem gleichen Prozess ebenfalls entfernt werden. Der entsprechende Schritt ist als Schritt 208 in dem Prozessablauf angegeben, der in 15 gezeigt ist. Durch die Aussparung stehen die oberen Teile der Halbleiterstreifen 28 über die Oberseiten der STI-Bereiche 32 über, und sie werden nachstehend als Halbleiterfinnen 36 bezeichnet. Die Teile der ursprünglichen Halbleiterstreifen 28 in den STI-Bereichen 32 werden auch weiterhin als Halbleiterstreifen 28 bezeichnet. Das Aussparen der STI-Bereiche 32 kann mit einem isotropen Ätzprozess erfolgen, der ein Trockenätzprozess oder ein Nassätzprozess sein kann. Bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird das Aussparen der STI-Bereiche 32 mit einem Nassätzprozess durchgeführt, bei dem Prozessgase verwendet werden, die NH3 und NF3 aufweisen. Bei alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erfolgt das Aussparen der STI-Bereiche 32 mit einem Nassätzprozess, bei dem die Ätzlösung eine verdünnte HF-Lösung ist.
  • 5A zeigt schematisch eine resultierende Prüfstruktur 30 in dem Wafer 10, die mit dem vorstehenden beispielhaften Verfahren hergestellt worden ist. Die Prüfstruktur 30 weist mehrere Halbleiterfinnen 36 mit Rasterabständen P1 und P2 auf, die in einer Wechselstruktur angeordnet sind. Bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind die Rasterabstände P1 und P2 so konzipiert, dass sie gleichgroß sind, sodass die Halbleiterfinnen 36 einen einheitlichen Rasterabstand haben. Die Halbleiterfinnen 36 können ein Array bilden. Die Array-Prüfstrukturpad-Größe kann größer als die Größe des Röntgenstrahlflecks sein, sodass das Beugungsintensitätsbild nur von den Prüfstrukturpad-Strukturen stammt. Bei einigen Ausführungsformen kann das Array-Pad mehr als 100 µm in jeder Richtung betragen, was ungefähr mehr als 1000 Zeilen oder Spalten sind, wenn der Rasterabstand kleiner als 100 nm ist.
  • Bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird die Prüfstruktur 30 in jedem der Dies (die auch als Chips bezeichnet werden) in dem Wafer 10 hergestellt. Somit wird durch Messen der Prüfstruktur 30 die Einheitlichkeit (und Nicht-Einheitlichkeit) der Parameter der gemessenen Strukturelemente in dem gesamten Wafer 10 ermittelt.
  • Die Prüfstruktur 30 kann gleichzeitig mit den Halbleiterfinnen hergestellt werden, die zum Herstellen von realen FinFETs verwendet werden, sodass die Strukturparameter (wie etwa Rasterabstände, Breiten, kritische Abmessungen, Höhen usw.) der Halbleiterfinnen 36 in der Prüfstruktur 30 die Strukturparameter der Finnen zum Herstellen von realen FinFETs widerspiegeln. Somit können durch Messen der Strukturparameter der Finnen 36 in der Prüfstruktur 30 die Strukturparameter der Finnen zum Herstellen der realen FinFETs ermittelt werden. Das erfordert, dass die Strukturparameter der Halbleiterfinnen 36 so nah wie möglich an denen der Finnen zum Herstellen von realen FinFETs sind.
  • Bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erfolgt die Messung der Strukturparameter dadurch, dass ein Röntgenstrahl 38 auf die Prüfstruktur 30 projiziert wird und das Beugungsbild eines Röntgenstreustrahls 40 erhalten wird. Wenn der Röntgenstrahl 38 auf den Wafer in einer Richtung senkrecht zu einer Oberseite des Wafers projiziert wird, kann er eine kreisförmige Fleckform haben. Bei einigen Ausführungsformen wird der Röntgenstrahl 38 mit einem kleinen Einfallswinkel β auf den Wafer 10 projiziert, der kleiner als etwa 30 Grad sein kann. Dadurch wird ein Fleck 42 des Röntgenstrahls 38 länglich und er kann die Form einer Ellipse haben. Der Fleck 42 kommt vorzugsweise innerhalb der Grenzen der Prüfstruktur 30 an und reicht nicht bis zu den Bereichen außerhalb der Prüfstruktur 30. Andernfalls umfasst der reflektierte Strahl 40 nachteilig die Signale, die von Strukturelementen außerhalb der Prüfstruktur 30 erzeugt werden. Bei einigen Ausführungsformen ist die Prüfstruktur 30 ein rechteckiges Array mit einer Länge L1 und einer Breite W1, wobei die Länge L1 gleich der Breite W1 oder größer als das 1-, 2-, 5-fache oder mehr der Breite W1 ist, was von der Fleckgröße und dem Einfallswinkel β abhängig ist.
  • Die Fleckgröße des Röntgenstrahls 38, die in der Röntgenscatterometrie verwendet wird, ist im Allgemeinen relativ groß und kann größer als das typische OCD-Target sein, das etwa 50 µm × 50 µm beträgt. Hierfür gibt es zwei Gründe. Erstens ist es schwierig zu bewirken, dass ein Spiegel einen Röntgenstrahl in die kleine Größe fokussiert, da ein Röntgenstrahl ein ziemlich großes Durchdringungsvermögen hat. Zweitens sind Röntgenstrahl-Streuquerschnitte bei Materialien normalerweise klein und die Beugungsintensität ist schwach, wenn es keine Röntgen-Lichtquelle mit hoher Leuchtdichte, wie etwa Synchrotron-Strahlung, gibt, und daher dauert es lange, nämlich mehrere Stunden bis Tage, um Beugungsbilder für die 3D-Struktur-Rekonstruktion zu erhalten, wenn das gemessene Target nicht groß genug ist. Die schwächere Intensität kann auch zu einem niedrigeren Signal-Rausch-Verhältnis (SRV) führen, das proportional zur Quadratwurzel der Lichtintensität ist. Daher sollte zum Verkürzen der Prüfdauer und zum Erhöhen des SRV vorzugsweise die Größe der Prüfstruktur vergrößert werden. Das Vergrößern der Größe der Prüfstruktur kann jedoch zur Verletzung der Entwurfsregeln führen. Um dieses Problem zu lösen, werden bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die vorstehend erörtert worden sind, die ansonsten langen Halbleiterfinnen, die sich über die gesamte Länge L1 erstrecken, in kürzere Halbleiterfinnen zertrennt. Eine Länge L2 jeder der Halbleiterfinnen 36 kann so konzipiert werden, dass sie die höchstzulässige Länge der Finnen ist, die ungefähr mehrere Mikrometer beträgt, ohne die Entwurfsregeln zu verletzen. Durch Zertrennen der langen Halbleiterfinnen kann die Fläche der Prüfstruktur 30 so vergrößert werden, dass sie größer als die Fleckgröße des Röntgenstrahls ist, ohne die Entwurfsregeln zu verletzen. Als ein Ergebnis der größeren Prüfstruktur kann die Prüfdauer verkürzt werden, und das SRV kann ausreichend gut sein. Zum Beispiel ist bekannt, dass die Beugungsintensität (die als die Leuchtdichte von Streifen wiedergegeben wird, wie in 6 gezeigt ist) ungefähr proportional zum Quadrat der Länge multipliziert mit dem Quadrat der Breite der Prüfstruktur ist. Somit kann durch Vergrößern der Größe der Prüfstruktur die Beugungsintensität erheblich verbessert werden. Durch diese Schnitte können die Beugungsbilder etwas von denen ohne Schnitte abweichen. Wenn die Schnitte periodisch sind, leisten die Beugungspeaks einen gewissen Beitrag. Diese Peaks sind jedoch gut von denen getrennt, mit denen Nutzer etwas zu tun haben, da die Rasterabstände der Strukturen etwa 10 nm bis etwa 100 nm betragen, was ganz anders als die Periodizität der Schnitte ist, die ungefähr mehrere Mikrometer betragen. Wenn die Schnitte zufällig verteilt sind, sind die Beugungsbeiträge genauso wie ein Grundrauschen, wenn die Dichte der Schnitte klein ist. Daher können diese Schnitte zwar zu einer kleinen Beugungsbild-Änderung führen, aber der Effekt ist verschwindend gering.
  • Die Beugungsbilder werden analysiert, um die Strukturparameter zu erhalten. Zum Beispiel zeigt 6 eine beispielhafte Reciprocal Space Map (RSM), den Querschnitt, der zum Beispiel von der xz-Ebene erhalten wird, des reziproken 3D-Raums, der durch Verwenden mehrerer Beugungsbilder erzeugt wird, die von einer Probe erhalten werden. Die Beugungsbilder werden durch die Interferenz der Röntgenstrahlen erzeugt, die von der Prüfstruktur 30 gestreut werden und jeweils einen anderen Einfallswinkel β (der Einfallswinkel kann auch unter Verwendung des Winkels γ definiert werden, der in den 5B und 5C gezeigt ist) oder den Azimut α haben. Die 5B, 5C und 5D zeigen die Definitionen des Einfallswinkels β (oder γ) und des Azimuts α, wobei der Einfallswinkel der Winkel zwischen dem einfallenden Lichtstrahl 38 und der Ebene des Wafers (Winkel β) oder der Winkel zwischen dem einfallenden Lichtstrahl 38 und der z-Richtung ist. Wie in den 5B und 5C gezeigt ist, ist der Azimut α der Drehwinkel zwischen der vertikalen Ebene, in der die Einfallslinie und die vertikale Ebene liegen, und der vertikalen Ebene, die von der x-Achse (wobei die x-Achse parallel zu der Längsrichtung der Finnen ist) und der z-Achse gebildet wird.
  • 6 kann einige der Strukturparameter der Halbleiterfinnen 36 aufzeigen, und einige beispielhafte Strukturparameter, die aus 6 erhalten werden können, werden nachstehend erörtert. Es ist klar, dass das Analysieren der Beugungsbilder von Röntgenstreustrahlen zum Erhalten von Strukturparametern auf dem Fachgebiet bekannt ist. Zum Beispiel zeigt das in 6 dargestellte Beugungsbild helle Streifen, die als regelmäßige Strukturen angeordnet sind. Die Regelmäßigkeit wird von der Periodizität der Strukturelemente in der Prüfstruktur 30 verursacht. Es können gerade Linien zum Verbinden der Mittelpunkte der hellen Streifen gezogen werden, und die geraden Linien sind als Strichlinien 44 und 46 dargestellt. Die geraden Linien 44 haben Abstände, die proportional zu (2π/Rasterabstand) sind, wobei der Rasterabstand der Rasterabstand der Halbleiterfinnen 36 ist, der in 4 gekennzeichnet ist. Somit kann mittels des Beugungsbilds die Höhe H (vgl. die Finne 36 auf der linken Seite von 6) der Halbleiterfinnen ermittelt werden. Außerdem können schräge Linien 46 auf dem Beugungsbild gezogen werden, wobei der Winkel, der zwischen den Linien 46 entsteht, 2θ ist, was doppelt so groß wie der Neigungswinkel θ der Seitenwände der Halbleiterfinnen 36 ist, der in 4 gezeigt sind. Somit kann der Neigungswinkel θ der Seitenwände der Halbleiterfinnen 36 (4) aus dem Beugungsbild ermittelt werden. Darüber hinaus haben die geraden Linien 46 Abstände, die proportional zu (2π/Höhe) sind, wobei die Höhe die Finnenhöhe H1 der Halbleiterfinnen 36 ist, die in 4 gekennzeichnet ist. Somit kann mittels des Beugungsbilds die Höhe der Halbleiterfinnen ermittelt werden.
  • Beugungsbilder können von reflektierten oder durchgelassenen Röntgenstreustrahlen erhalten werden. Das Beugungsbild in 5A wird von dem reflektierten Röntgenstrahl 40 erhalten, und das entsprechende Messschema wird als streifender Einfall bezeichnet. Das Schema des streifenden Einfalls ist in 5D gezeigt, wobei ein Detektor A zum Detektieren des gebeugten Lichtstrahls 40 verwendet wird und sich der Detektor A auf der gleichen Seite wie der Wafer befindet. Bei alternativen Ausführungsformen kann das Beugungsbild von dem Röntgenstreustrahl erhalten werden, der durch den Wafer 10 hindurchgeht, wobei das Beugungsbild auf der Rückseite des Wafers 10 erhalten wird. Das entsprechende Messschema wird als Durchstrahlungsschema bezeichnet. Das Durchstrahlungsschema ist ebenfalls in 5D gezeigt, wobei ein Detektor B zum Detektieren des gebeugten Lichtstrahls 40 verwendet wird und sich der Detektor B auf der dem einfallenden Lichtstrahl 38 gegenüberliegenden Seite des Wafers befindet.
  • Bei den beispielhaften Ausführungsformen, die in 5A gezeigt sind, wird der einfallende Röntgenstrahl 38 in einer Längsrichtung der Halbleiterfinnen 36 projiziert, die die x-Richtung in 5A ist. Bei alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird der einfallende Röntgenstrahl 38 in einer Querrichtung (z. B. in der y-Richtung in 5A) der Halbleiterfinnen 36 projiziert. Um die Höhe und den Rasterabstand der Finnen 36 in einer einzigen Aufnahme eines Beugungsbilds zu erhalten, kann der einfallende Röntgenstrahl 38 in der Längsrichtung der Finnen 36 projiziert werden, wie in 6 gezeigt ist. Wenn jedoch der einfallende Röntgenstrahl 38 in der Querrichtung der Finnen 36 projiziert wird, werden mehrere Aufnahmen der Beugungsbilder benötigt, um die Höhe der Finnen zu ermitteln, wobei die einzelnen Aufnahmen mit jeweiligen Röntgenstrahlen gemacht werden, die voneinander geringfügig verschiedene Einfallswinkel β (5A) haben. Die mehreren Aufnahmen der Beugungsbilder werden kombiniert, um die Strukturparameter zu erhalten, wie etwa Rasterabstände, Finnenbreiten, Höhen, Neigungswinkel der Seitenwände usw. Um das Ermitteln dieser Parameter zu unterstützen, kann auch ein Modell erstellt werden.
  • Die Prüfstruktur 30, die in 5A gezeigt ist, hat bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine rechteckige Draufsicht-Form. Bei alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die Prüfstruktur 30 andere Formen haben, die zu den länglichen Formen der Flecke des Röntgenstrahls passen. Wie in 7 gezeigt ist, hat die Prüfstruktur 30 zum Beispiel eine längliche Form, die die Form einer Ellipse nachahmt. Die in 7 gezeigte Prüfstruktur 30 kann so konfiguriert sein, dass sie mehrere rechteckige Arrays 47 umfasst, die jeweils mehrere Halbleiterfinnen 36 umfassen. Die gesamte Prüfstruktur 30 hat die Kontur der Form des Röntgenstrahlflecks, sodass der gesamte Fleck des Röntgenstrahls 38 innerhalb der Prüfstruktur 30 liegt, während die Teile der Prüfstruktur 30 außerhalb des Flecks des Röntgenstrahls 38 minimiert sind. Dadurch wird die Nutzung des Röntgenstrahlflecks maximiert, während die Größe des Prüfstruktur 30 minimiert wird.
  • 8 zeigt ein Layout einer zusammengesetzte Prüfstruktur 30, die mehrere Prüfstrukturen 30' umfasst, die in der gesamten Beschreibung auch als Teil-Prüfstrukturen bezeichnet werden. Die Teil-Prüfstrukturen 30' können jeweils den gleichen Entwurf wie den haben, der in den 4 und 5 gezeigt ist, und sie umfassen jeweils mehrere Halbleiterfinnen 36, die ein Array bilden. Die Teil-Prüfstrukturen 30' sind durch Zufallsstrukturbereiche 50 voneinander getrennt, die den Zwischenraum zwischen den Teil-Prüfstrukturen 30' und anderen Bereichen, die die Teil-Prüfstrukturen 30' umschließen, umfassen. Während der Messung kann der einfallende Röntgenstrahl 38 einen Fleck 42 erzeugen, der mehrere der Teil-Prüfstrukturen 30' und die Dummy-Zufallsstrukturbereiche 50 dazwischen bedeckt. Somit wird die zusammengesetzte Prüfstruktur 30 als eine einzige Prüfstruktur verwendet.
  • Die Bereiche in den Teil-Prüfstrukturen 30' haben wiederholte Strukturen, wie etwa Arrays, wie in 5A als ein Beispiel gezeigt ist. Daher erzeugen die Signale, die von den Teil-Prüfstrukturen 30' aufgenommen werden, Beugungsbilder, aus denen die Strukturparameter wiedergewonnen werden können. Die Dummy-Zufallsstrukturbereiche 50 werden hingegen mit Halbleiterfinnen gefüllt, die mit der entsprechend konzipierten Dichte zufällig platziert werden, um Aufladungseffekte und andere Prozessprobleme zu vermeiden. Durch Duplizieren der Teil-Prüfstruktur 30' zum Erhalten einer größeren zusammengesetzte Prüfstruktur 30 und durch Füllen der Bereiche um die Teil- Prüfstruktur 30' mit Zufallsstrukturen kann die Größe der zusammengesetzte Prüfstruktur 30 so konzipiert werden, dass sie noch größer als die in 5A gezeigte einfach strukturierte Prüfstruktur 30 ist, ohne die Entwurfsregeln zu verletzen. Außerdem sind diese Dummy-Zufallsstrukturen nicht periodisch und sie erzeugen daher keine signifikanten Beugungspeaks. Die Beugungen von ihnen sind wie ein Grundrauschen und beeinträchtigen die Modellgenauigkeit nicht. Daher kann die Prüfdauer zum Aufnehmen des Beugungsbilds ohne Rücksicht auf die Genauigkeit weiter verkürzt werden.
  • 9 zeigt eine Zufallsstruktur in einem beispielhaften Zufallsstrukturbereich 50. Ein dargestellter Bereich 52 kann einer von mehreren Teilbereichen 52 sein, die in 8 gezeigt sind, wobei die Teilbereiche 52 gemeinsam den Zufallsstrukturbereich 50 bilden. Bei einigen Ausführungsformen umfasst das Entwerfen der zusammengesetzte Prüfstruktur 30 Folgendes: Konzipieren der Halbleiterfinnen 36 so, dass sie einen gleichbleibenden Rasterabstand in dem gesamten Bereich der zusammengesetzte Prüfstruktur 30 haben; und zufälliges Entfernen einiger der Halbleiterfinnen aus den Zufallsstrukturbereichen 50, aber nicht aus den Teil- Prüfstrukturen 30'. Die Anzahl und die Positionen der entfernten Finnen sind zufällig, wie in 9 gezeigt ist. Als ein Vergleich ist der Entwurf der Zufallsstrukturbereiche 50 ähnlich einem Entwurf mit einem Array von Leerstellen mit einer wiederholten Struktur und dem zufälligen Festlegen, ob eine Halbleiterfinne in jede der Leerstelle in dem Array platziert werden soll. Durch Verwenden dieses Schemas zum Entwerfen und Herstellen der Finnen in den Zufallsstrukturbereichen 50 kann der Herstellungsprozess vereinfacht werden, da unerwünschte Finnen in dem in 2 gezeigten Prozessschritt geätzt werden können, in dem die langen Finnen in kürzere Finnen zertrennt werden.
  • Bei alternativen Ausführungsformen haben die Größen, Rasterabstände und Positionen der Finnen in den Zufallsstrukturbereichen 50 eine Zufallsstruktur, und sie können von Finne zu Finne geändert werden. Außerdem können die Finnen in den Zufallsstrukturbereichen 50 von den Finnen in den Teil-Prüfstrukturen 30' verschieden sein.
  • Bei alternativen Ausführungsformen haben die Zufallsstrukturbereiche 50 eine Pseudo-Zufallsstruktur, wie in 10 gezeigt ist, was bedeutet, dass es mehrere Bereiche 52 gibt, in denen die Strukturen der Finnen 36 zufällig sind, wie in vorhergehenden Abschnitten dargelegt worden ist. Die Zufallsstrukturbereiche 50 bestehen jedoch aus wiederholten Zufallsstrukturbereichen 52, die miteinander identisch sind. Um die Eigenschaften der Zufallsstrukturen aufrechtzuerhalten, sollten eine Länge LA1 und eine Breite WA1 jedes der Zufallsstrukturbereiche 52 viel größer als die einzelnen Rasterabstände, die von Bedeutung sind, sein, um zu vermeiden, dass die Beugungspeaks mit denjenigen von der Prüfstruktur überdeckt werden. Bei einigen Ausführungsformen kann die Breite WA1 des Zufallsstrukturbereichs 52 größer als 10 × P1 (oder P2) sein, wobei P1 (oder P2) der Finnenabstand der Prüfstruktur 30 ist. Durch Konzipieren der Zufallsstrukturbereiche 50 so, dass sie pseudozufällig sind, wird der Entwurfsprozess vereinfacht, ohne die Qualität des Beugungsbilds zu opfern.
  • Kommen wir zu 8 zurück. Es ist zu erkennen, dass der Fleck 42 des Röntgenstrahls 38 sowohl die Teil-Prüfstrukturen 30' als auch den Zufallsstrukturbereich 50 bedeckt und daher der reflektierte Röntgenstrahl 40 die Streusignale von den Zufallsstrukturbereichen 50 umfasst. Da jedoch die Finnen des Zufallsstrukturbereichs 50 zufällig sind, werden die Streusignale von den Zufallsstrukturbereichen 50 als weißes Rauschen in dem Beugungsbild wiedergegeben, und sie beeinträchtigen daher nicht das Messergebnis.
  • Die Prüfstruktur gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann auch zum Messen der Breiten, Rasterabstände und Tiefen von Aussparungen nach dem Herstellen von Dummy-Gates und dem Aussparen von Halbleiterfinnen verwendet werden. In 11 werden mehrere Gate-Strukturen 56 auf der in 5A gezeigten Prüfstruktur hergestellt. Die resultierende Struktur ist ebenfalls eine Prüfstruktur, die als Prüfstruktur 130 bezeichnet wird. Die Gate-Strukturen 56 werden als längliche Streifen mit einer Längsrichtung hergestellt, die senkrecht zu der Längsrichtung der Halbleiterfinnen 36 ist. Die Gate-Strukturen 56 führen über die Halbleiterfinnen 36 hinweg, wobei die Gate-Strukturen 56 jeweils von einem Ende der Prüfstruktur 130 bis zu dem gegenüberliegenden Ende reichen. Außerdem sind die Gate-Strukturen 56 zueinander parallel, und sie können einen Rasterabstand P3 haben. Aus dem gleichen Grund wie bei der Prüfstruktur 30 können die Gate-Strukturen 56 zertrennt werden, um Entwurfsregelverletzungen zu vermeiden, ohne die Beugungsbilder für die Analyse zu beeinträchtigen.
  • 12 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Teils der in 11 gezeigten Struktur, wobei der dargestellte Teil in einem Bereich 53 von 11 liegt. Bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung weisen die Gate-Strukturen 56 jeweils ein Dummy-Gate-Oxid 54A, eine Dummy-Gate-Elektrode 54B und eine Hartmaske 54C auf, wie in 12 gezeigt ist. Die Dummy-Gate-Elektrode 54B kann aus Polysilizium bestehen, und die Hartmaske 54C kann aus Siliziumnitrid bestehen. Auf gegenüberliegenden Seiten des Dummy-Gate-Oxids 54A, der Dummy-Gate-Elektrode 54B und der Hartmaske 54C sind Gate-Abstandshalter 58 hergestellt. Die Gate-Strukturen 56 bedecken einige Teile der Halbleiterfinnen 36. Die nicht bedeckten Teile der Halbleiterfinnen 36 werden geätzt, um Aussparungen 60 herzustellen, die in die STI-Bereiche 32 hineinreichen.
  • Wie in den 11 und 12 gezeigt ist, kann der Röntgenstrahl 38 auf den Wafer 10 projiziert werden, und von dem Röntgenstreustrahl, der ein reflektierter oder ein durchgelassener Röntgenstrahl sein kann, werden Beugungsbilder erzeugt. Aus dem Beugungsbild können die Breiten, Tiefen, Abstände und Rasterabstände der Aussparungen 60 ermittelt werden. Außerdem können auch die Höhen, Breiten und Rasterabstände der Gate-Strukturen 56 ermittelt werden. Es ist klar, dass mehrere Aufnahmen von Beugungsbildern erforderlich sein können, um diese Parameter zu erhalten. Wenn der einfallende Röntgenstrahl 38 parallel zur x-Richtung (bei Betrachtung in der Draufsicht des Wafers 10) ist, kann eine einzige Aufnahme des Beugungsbilds die Breiten, Tiefen und Rasterabstände der Aussparungen 60 aufzeigen, während mehrere Aufnahmen, die unter Verwendung von unterschiedlichen Einfallswinkeln oder Azimuten erhalten werden, erforderlich sind, um die Breiten, Höhen und Rasterabstände der Gate-Strukturen 56 und den Abstand der Aussparungen 60 zu erhalten. Wenn umgekehrt der einfallende Röntgenstrahl 38 parallel zur y-Richtung (bei Betrachtung in der Draufsicht des Wafers 10 in 12) ist, kann eine einzige Aufnahme des Beugungsbilds die Breiten, Tiefen und Rasterabstände der Gate-Strukturen 56 und den Abstand der Aussparungen 60 aufzeigen, während mehrere Aufnahmen erforderlich sind, um die Breiten, Höhen und Rasterabstände der Aussparungen 60 zu erhalten. Es ist klar, dass das Erhalten von detaillierten Informationen zu der Struktur das geschickte Modellieren und eine Regression für die Modell-CD-Parameter und die Beugungsintensitätsbilder umfassen kann. Die Prüfstruktur gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann auch zum Messen der CDs von Sources und Drains sowie zum Messen von Gate-Höhen, -Breiten und -Rasterabständen und von Dicken von High-k-Materialien und Metallschichten nach der Metall-Gate-Herstellung verwendet werden.
  • Um die Modellierung zu vereinfachen, wird die Prüfstruktur nicht selten absichtlich so entworfen, dass sie einfacher und geringfügig anders als reale Strukturen ist. Die 13 und 14 zeigen ein Quasi-2D-Beispiel zum Messen der Dicken von High-k-Materialien und Metallen. In 13 werden durch Entfernen des Dummy-Polysiliziums mehrere Aussparungen 64 über einer dielektrischen Schicht hergestellt, die sich über den Halbleiterfinnen 36 befindet. Die Halbleiterfinnen 36 können die gleiche Konfiguration wie in 5A haben. Die resultierende Struktur ist eine Prüfstruktur 230, die in 13 gezeigt ist. Vorteilhafterweise werden die Aussparungen 64 so hergestellt, dass sie kleine Draufsicht-Flächen haben, und daher können mehrere Aussparungen in einem großen Bereich hergestellt werden, ohne Entwurfsregeln zu verletzen. Die Aussparungen 64 können so hergestellt werden, dass sie rechteckige oder quadratische Formen in der Draufsicht der Prüfstruktur 230 haben. Bei einigen Ausführungsformen haben die Aussparungen 64 Abstände S2 und S3, die von Entwurfsregeln festgelegt werden. Die Abstände S2 und S3 können auch die zulässigen Mindestabstände sein, die in den Entwurfsregeln zugelassen sind. Zum Beispiel können die Abstände S2 und S3 kleiner als etwa 200 nm sein. Eine Länge L3 und eine Breite W3 der Aussparungen 64 sollten größer als die Abstände S2 und S3 sein und können etwa 10 µm betragen. Die Aussparungen 64 können auch ein Array mit einem Rasterabstand P4, der in der x-Richtung gemessen wird, und einem Rasterabstand P5 bilden, der in der y-Richtung gemessen wird. Die Aussparungen 64 können jeweils mehrere der Finnen 36 bedecken.
  • 14 zeigt eine Schnittansicht eines Teils der in 13 dargestellten Struktur, wobei die Schnittansicht von der Ebene erhalten wird, die eine Linie 14 - 14 in 13 schneidet. Bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird ein Zwischenschicht-Dielektrikum (ILD) 66 so hergestellt, dass es die Halbleiterfinnen 36 bedeckt (siehe ebenfalls 13), und die Aussparungen 64 werden durch Ätzen von Teilen des ILD 66 hergestellt. Nach dem Ätzen liegen in jeder der Aussparungen 64 die Halbleiterfinnen 36 und die STI-Bereiche 32 frei. Dann werden Zwischenschichten 68 auf den freigelegten Seitenwänden der Finnen 36 zum Beispiel durch thermische Oxidation oder chemische Oxidation freigelegt, wobei die Zwischenschicht 68 Siliziumoxid aufweisen kann. Eine dielektrische High-k-Schicht 40 und Metallschichten 72 werden als konforme Schichten hergestellt, die in die Aussparungen 64 hineinreichen, und sie haben Teile über dem ILD 66. Die dielektrische High-k-Schicht 70 kann aus Aluminiumoxid, Lanthanoxid, Hafniumoxid oder dergleichen bestehen. Die Metallschichten 72 können aus TiN, TaN, TiAl, Co oder dergleichen bestehen.
  • Wie in den 13 und 14 gezeigt ist, kann ein Röntgenstrahl 38 auf den Wafer 10 projiziert werden, und von dem Röntgenstreustrahl, der von dem Wafer 10 reflektiert werden kann oder durch ihn hindurchgehen kann, werden Beugungsbilder erzeugt. Aus den Beugungsbildern können Dicken verschiedener Parameter, die in 14 gezeigt sind, wie etwa die Dicken der dielektrischen High-k-Schicht 70 und der Metallschichten 72, und die Tiefe der Aussparungen 64 ermittelt werden. Es ist klar, dass die Beugungspeaks von unterschiedlichen Materialien, wie etwa der dielektrischen High-k-Schicht 70 und der Metallschichten 72, in Wirklichkeit auf ein und demselben Beugungsbild überlappt sind, da sie die gleichen Rasterabstände haben. Wenn jedoch die Elektronendichten der Materialien (wie etwa Siliziumoxid und Titannidrid) ausreichend große Unterschiede haben, können die einzelnen Beugungspeaks, die auf diesen unterschiedlichen Materialien beruhen, immer noch aufgelöst werden, und daher können die Dicken der Materialien mit einer geeigneten Modellierung immer noch ermittelt werden.
  • Da die Prüfstrukturen, die gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung entworfen und hergestellt werden, eine große Größe und somit eine hohe Beugungsintensität haben, können sie zum Ermitteln verschiedener Parameter in Herstellungsprozessen verwendet werden. Diese Prüfstrukturen können gleichzeitig mit den realen Strukturelementen zum Herstellen von integrierten Schaltkreisen hergestellt werden, und daher kann durch Messen der Prüfstrukturen die Qualität der realen Strukturelemente ermittelt werden. Zum Beispiel können die Prüfstrukturen gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung außer zum Messen von Parametern, wie in den vorhergehenden Ausführungsformen dargelegt worden ist, auch für die folgenden Zwecke verwendet werden: Ermitteln einer Rasterabstandsverschiebung; Messen, ob die Dummy-Gate-Elektroden Hohlräume haben, die zwischen Halbleiterfinnen entstanden sind; Messen des Profils und der kritischen Abmessungen der Dummy-Gate-Elektroden (zum Beispiel Polysilizium); Messen der Finnenhöhe in den Aussparungen, die durch Entfernen der Dummy-Gates hergestellt werden; Bestimmen des Profils der Dummy-Gate-Elektroden, wenn lange Dummy-Gate-Elektroden in kürzere Elektroden zertrennt werden; Ermitteln der Linienkantenrauheit und der Linienbreitenrauheit verschiedener Leitungen (wie etwa Dummy-Gates und Metall-Gates, Metallleitungen in Verbindungsstrukturen usw.); und Ermitteln der Stufenhöhe und der Kümpelungsstärke von Kupferlegierungen.
  • Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung haben mehrere Vorzüge. Durch Herstellen von Prüfstrukturen, deren Strukturelemente in kleinere Strukturelemente zertrennt werden, statt sie über die gesamte Länge oder Breite der Prüfstrukturen verlaufen zu lassen, können die Prüfstrukturen viel größer hergestellt werden, ohne Entwurfsregeln zu verletzen. Die resultierenden Prüfstrukturen können somit größer als die Fleckgröße des Röntgenstrahls sein, und daher nimmt der Röntgenstrahl nicht die Signale von den Strukturelementen außerhalb der Prüfstruktur auf. Das kann die Messung durch Röntgenscatterometrie beschleunigen und außerdem die Qualität des Beugungsbilds verbessern, da der gesamte Röntgenstrahlfleck innerhalb der Grenzen der Prüfstruktur liegen kann und keine Signale außerhalb der Prüfstrukturen in dem Beugungsbild wiedergegeben werden.
  • Bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren das Herstellen einer Prüfstruktur. Das Herstellen der Prüfstruktur umfasst die folgenden Schritte: Herstellen einer ersten Mehrzahl von Halbleiterstreifen; und Zertrennen der ersten Mehrzahl von Halbleiterstreifen in ein Array einer zweiten Mehrzahl von Halbleiterstreifen, wobei jede Zeile des Arrays aus einem Streifen in der ersten Mehrzahl von Halbleiterstreifen besteht; Herstellen von Trennbereichen in Aussparungen zwischen Halbleiterstreifen der zweiten Mehrzahl von Halbleiterstreifen; und Aussparen der Trennbereiche. Obere Teile der zweiten Mehrzahl von Halbleiterstreifen stehen über die Trennbereiche über, sodass Halbleiterfinnen entstehen, die ein Finnen-Array bilden. Ein Röntgenstrahl wird auf die Prüfstruktur projiziert. Von dem Röntgenstreustrahl, der von der Prüfstruktur gestreut wird, wird ein Beugungsbild erhalten. Bei einer Ausführungsform werden die erste und die zweite Mehrzahl von Halbleiterstreifen mit einer Fertigungstechnik hergestellt, und Abstände der zweiten Mehrzahl von Halbleiterstreifen in der gleichen Zeile sind ein Mindestabstand der Fertigungstechnik. Bei einer Ausführungsform hat die erste Mehrzahl von Halbleiterstreifen einen gleichbleibenden Rasterabstand. Bei einer Ausführungsform hat das Array einen ersten gleichbleibenden Rasterabstand zwischen Zeilen des Finnen-Arrays und einen zweiten gleichbleibenden Rasterabstand zwischen Spalten des Finnen-Arrays. Bei einer Ausführungsform umfasst das Verfahren weiterhin das Ermitteln eines Parameters aus dem Beugungsbild, wobei der Parameter aus der Gruppe Rasterabstand der Halbleiterfinnen, Breite der Halbleiterfinnen und Höhe der Halbleiterfinnen gewählt wird. Bei einer Ausführungsform umfasst das Herstellen der Prüfstruktur weiterhin Folgendes: Herstellen mehrerer Gate-Strukturen, die erste Teile der Halbleiterfinnen bedecken; und Ätzen von zweiten Teilen der Halbleiterfinnen, die über die mehreren Gate-Strukturen hinausreichen, um Aussparungen herzustellen. Bei einer Ausführungsform umfasst das Herstellen der Prüfstruktur weiterhin Folgendes: Herstellen eines Zwischenschicht-Dielektrikums über den Halbleiterfinnen; Erzeugen eines Arrays von Aussparungen in dem Zwischenschicht-Dielektrikum, um Teile der Halbleiterfinnen freizulegen; und Herstellen einer dielektrischen High-k-Schicht, die in das Array von Aussparungen hineinreicht. Bei einer Ausführungsform umfasst das Herstellen der Prüfstruktur weiterhin das Herstellen einer Metallschicht über der dielektrischen High-k-Schicht. Bei einer Ausführungsform ist die Prüfstruktur eine zusammengesetzte Prüfstruktur mit mehreren Teil-Prüfstrukturen, wobei jede der Teil-Prüfstrukturen Folgendes aufweist: mehrere Halbleiterfinnen, die ein Teil-Array bilden; und Zufallsstrukturen von Halbleiterfinnen, die Zwischenräume zwischen den Teil-Prüfstrukturen füllen. Bei einer Ausführungsform hat die Prüfstruktur eine nicht-rechtwinklige Kontur.
  • Bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung weist ein Verfahren die folgenden Schritte auf: Erzeugen eines Arrays von Halbleiterfinnen, wobei die Halbleiterfinnen die gleiche Länge haben und das Array mehrere Zeilen und mehrere Spalten hat; Herstellen weiterer Strukturelemente über den Halbleiterfinnen, wobei die weiteren Strukturelemente mindestens mehrere Spalten umfassen, wobei jede Spalte über einer Spalte der Halbleiterfinnen angeordnet ist; Erhalten eines Röntgenbeugungsbilds von dem Array von Halbleiterfinnen und den weiteren Strukturelementen; und Ermitteln von Abmessungen der weiteren Strukturelemente aus dem Röntgenbeugungsbild. Bei einer Ausführungsform umfasst das Herstellen der weiteren Strukturelemente das Herstellen von Gate-Strukturen, die sich jeweils über eine gesamte Spalte der Halbleiterfinnen erstrecken. Bei einer Ausführungsform umfasst das Herstellen der weiteren Strukturelemente weiterhin das Ätzen von Teilen der Halbleiterfinnen, die nicht von den Gate-Strukturen bedeckt sind, um Aussparungen herzustellen, die in Trennbereiche hineinreichen, wobei das Ermitteln der Abmessungen das Ermitteln von Tiefen der Aussparungen umfasst. Bei einer Ausführungsform umfasst das Herstellen der weiteren Strukturelemente weiterhin Folgendes: Herstellen eines Zwischenschicht-Dielektrikums über den Halbleiterfinnen; Ätzen des Zwischenschicht-Dielektrikums, um ein weiteres Array von Aussparungen zu erzeugen, die in das Zwischenschicht-Dielektrikum hineinreichen; Herstellen einer dielektrischen High-k-Schicht, die in das weitere Array von Aussparungen hineinreicht; und Herstellen einer Metallschicht über der dielektrischen High-k-Schicht, wobei das Ermitteln von Abmessungen der weiteren Strukturelemente das Ermitteln von Dicken der dielektrischen High-k-Schicht und der Metallschicht umfasst. Bei einer Ausführungsform umfasst das Erhalten des Röntgenbeugungsbilds das Projizieren eines Röntgenstrahls auf das Array und die weiteren Strukturelemente; und das Erhalten des Röntgenbeugungsbilds von einem Röntgenstreustrahl, der von dem Array und den weiteren Strukturelementen gestreut wird. Bei einer Ausführungsform umfasst das Verfahren weiterhin das Herstellen mehrerer Halbleiterfinnen um das Array, wobei die mehreren Halbleiterfinnen in einer Zufallsstruktur verteilt werden. Bei einer Ausführungsform hat das Array von Halbleiterfinnen eine Größe, die größer als etwa 50 µm × 50 µm ist.
  • Bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren das Herstellen einer Prüfstruktur mit den folgenden Schritten: Erzeugen eines Arrays von Halbleiterfinnen, wobei die Halbleiterfinnen die gleiche Länge haben und das Array mehrere Zeilen und mehrere Spalten hat; Herstellen mehrerer Gate-Strukturen über den Halbleiterfinnen, wobei die mehreren Gate-Strukturen im Wesentlichen gleichmäßig über das gesamte Array verteilt werden und eine Längsrichtung haben, die senkrecht zu einer Längsrichtung der Halbleiterfinnen ist; und Ätzen von Teilen der Halbleiterfinnen, die nicht von den mehreren Gate-Strukturen bedeckt sind, um Aussparungen herzustellen, die in Trennbereiche hineinreichen. Das Verfahren umfasst weiterhin das Erhalten eines Röntgenbeugungsbilds von der Prüfstruktur; und das Ermitteln von Abmessungen der Halbleiterfinnen und der mehreren Gate-Strukturen aus dem Röntgenbeugungsbild. Bei einer Ausführungsform reicht jede der mehreren Gate-Strukturen von einem ersten Ende des Arrays bis zu einem gegenüberliegenden Ende des Arrays. Bei einer Ausführungsform umfasst das Ermitteln der Abmessungen das Ermitteln von Tiefen der Aussparungen und mindestens eines der Parameter Rasterabstände, Breiten und Höhen der Halbleiterfinnen.
  • Vorstehend sind Merkmale verschiedener Ausführungsformen beschrieben worden, sodass Fachleute die Aspekte der vorliegenden Erfindung besser verstehen können. Fachleuten dürfte klar sein, dass sie die vorliegende Erfindung ohne Weiteres als eine Grundlage zum Gestalten oder Modifizieren anderer Verfahren und Strukturen zum Erreichen der gleichen Ziele und/oder zum Erzielen der gleichen Vorzüge wie bei den hier vorgestellten Ausführungsformen verwenden können. Fachleute dürften ebenfalls erkennen, dass solche äquivalenten Auslegungen nicht von dem Grundgedanken und Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abweichen und dass sie hier verschiedene Änderungen, Ersetzungen und Abwandlungen vornehmen können, ohne von dem Grundgedanken und Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.

Claims (20)

  1. Verfahren mit den folgenden Schritten: Herstellen einer Prüfstruktur mit den Schritten: Herstellen einer ersten Mehrzahl von Halbleiterstreifen, Zertrennen der ersten Mehrzahl von Halbleiterstreifen in ein Array einer zweiten Mehrzahl von Halbleiterstreifen, wobei jede Zeile des Arrays aus einem Streifen in der ersten Mehrzahl von Halbleiterstreifen gebildet ist, Herstellen von Trennbereichen in Aussparungen zwischen Halbleiterstreifen der zweiten Mehrzahl von Halbleiterstreifen, und Aussparen der Trennbereiche, wobei obere Teile der zweiten Mehrzahl von Halbleiterstreifen über die Trennbereiche überstehen, sodass Halbleiterfinnen entstehen, und die Halbleiterfinnen ein Finnen-Array bilden; Projizieren eines Röntgenstrahls auf die Prüfstruktur; und Erhalten eines Beugungsbilds von dem Röntgenstreustrahl, der von der Prüfstruktur gestreut wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste und die zweite Mehrzahl von Halbleiterstreifen mit einer Fertigungstechnik hergestellt werden und Abstände der zweiten Mehrzahl von Halbleiterstreifen in der gleichen Zeile ein Mindestabstand der Fertigungstechnik sind.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Mehrzahl von Halbleiterstreifen einen gleichbleibenden Rasterabstand hat.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Array einen ersten gleichbleibenden Rasterabstand zwischen Zeilen des Finnen-Arrays und einen zweiten gleichbleibenden Rasterabstand zwischen Spalten des Finnen-Arrays hat.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das weiterhin das Ermitteln eines Parameters aus dem Beugungsbild umfasst, wobei der Parameter aus der Gruppe Rasterabstand der Halbleiterfinnen, Breite der Halbleiterfinnen und Höhe der Halbleiterfinnen gewählt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Herstellen der Prüfstruktur weiterhin Folgendes umfasst: Herstellen mehrerer Gate-Strukturen, die erste Teile der Halbleiterfinnen bedecken; und Ätzen von zweiten Teilen der Halbleiterfinnen, die über die mehreren Gate-Strukturen hinausreichen, um Aussparungen herzustellen.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Herstellen der Prüfstruktur weiterhin Folgendes umfasst: Herstellen eines Zwischenschicht-Dielektrikums über den Halbleiterfinnen; Erzeugen eines Arrays von Aussparungen in dem Zwischenschicht-Dielektrikum, um Teile der Halbleiterfinnen freizulegen; und Herstellen einer dielektrischen High-k-Schicht, die in das Array von Aussparungen hineinreicht.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Herstellen der Prüfstruktur weiterhin das Herstellen einer Metallschicht über der dielektrischen High-k-Schicht umfasst.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Prüfstruktur eine zusammengesetzte Prüfstruktur ist, die Folgendes umfasst: mehrere Teil-Prüfstrukturen, wobei jede der Teil-Prüfstrukturen mehrere Halbleiterfinnen umfasst, die ein Teil-Array bilden; und Zufallsstrukturen von Halbleiterfinnen, die Zwischenräume zwischen den Teil-Prüfstrukturen füllen.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Prüfstruktur eine nicht-rechtwinklige Kontur hat.
  11. Verfahren mit den folgenden Schritten: Erzeugen eines Arrays von Halbleiterfinnen, wobei die Halbleiterfinnen die gleiche Länge haben und das Array mehrere Zeilen und mehrere Spalten hat; Herstellen weiterer Strukturelemente über den Halbleiterfinnen, wobei die weiteren Strukturelemente mindestens mehrere Spalten umfassen, wobei jede Spalte über einer Spalte der Halbleiterfinnen angeordnet ist; Erhalten eines Röntgenbeugungsbilds von dem Array von Halbleiterfinnen und den weiteren Strukturelementen; und Ermitteln von Abmessungen der weiteren Strukturelemente aus dem Röntgenbeugungsbild.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Herstellen der weiteren Strukturelemente das Herstellen von Gate-Strukturen umfasst, die sich jeweils über eine gesamte Spalte der Halbleiterfinnen erstrecken.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Herstellen der weiteren Strukturelemente weiterhin das Ätzen von Teilen der Halbleiterfinnen umfasst, die nicht von den Gate-Strukturen bedeckt sind, um Aussparungen herzustellen, die in Trennbereiche hineinreichen, wobei das Ermitteln der Abmessungen das Ermitteln von Tiefen der Aussparungen umfasst.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei das Herstellen der weiteren Strukturelemente Folgendes umfasst: Herstellen eines Zwischenschicht-Dielektrikums über den Halbleiterfinnen; Ätzen des Zwischenschicht-Dielektrikums, um ein weiteres Array von Aussparungen zu erzeugen, die in das Zwischenschicht-Dielektrikum hineinreichen; Herstellen einer dielektrischen High-k-Schicht, die in das weitere Array von Aussparungen hineinreicht; und Herstellen einer Metallschicht über der dielektrischen High-k-Schicht, wobei das Ermitteln von Abmessungen der weiteren Strukturelemente das Ermitteln von Dicken der dielektrischen High-k-Schicht und der Metallschicht umfasst.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei das Erhalten des Röntgenbeugungsbilds Folgendes umfasst: Projizieren eines Röntgenstrahls auf das Array und die weiteren Strukturelemente; und Erhalten des Röntgenbeugungsbilds von einem Röntgenstreustrahl, der von dem Array und den weiteren Strukturelementen gestreut wird.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, das weiterhin das Herstellen mehrerer Halbleiterfinnen um das Array umfasst, wobei die mehreren Halbleiterfinnen in einer Zufallsstruktur verteilt werden.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, wobei das Array von Halbleiterfinnen eine Größe hat, die größer als etwa 50 µm × 50 µm ist.
  18. Verfahren mit den folgenden Schritten: Herstellen einer Prüfstruktur mit den Schritten: Erzeugen eines Arrays von Halbleiterfinnen, wobei die Halbleiterfinnen die gleiche Länge haben und das Array mehrere Zeilen und mehrere Spalten hat, Herstellen mehrerer Gate-Strukturen über den Halbleiterfinnen, wobei die mehreren Gate-Strukturen im Wesentlichen gleichmäßig über das gesamte Array verteilt werden und eine Längsrichtung haben, die senkrecht zu einer Längsrichtung der Halbleiterfinnen ist, und Ätzen von Teilen der Halbleiterfinnen, die nicht von den mehreren Gate-Strukturen bedeckt sind, um Aussparungen herzustellen, die in Trennbereiche hineinreichen; Erhalten eines Röntgenbeugungsbilds von der Prüfstruktur; und Ermitteln von Abmessungen der Halbleiterfinnen und der mehreren Gate-Strukturen aus dem Röntgenbeugungsbild.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, wobei jede der mehreren Gate-Strukturen von einem ersten Ende des Arrays bis zu einem gegenüberliegenden Ende des Arrays reicht.
  20. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, wobei das Ermitteln der Abmessungen das Ermitteln von Tiefen der Aussparungen und mindestens eines der Parameter Rasterabstände, Breiten und Höhen der Halbleiterfinnen umfasst.
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