DE102020104167A1

DE102020104167A1 - Verfahren zur Vermessung von Photomasken

Info

Publication number: DE102020104167A1
Application number: DE102020104167.5A
Authority: DE
Inventors: Dmitry Simakov; Thomas Thaler; Steffen Steinert; Dirk Beyer; Ute Buttgereit
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2020-02-18
Filing date: 2020-02-18
Publication date: 2021-08-19
Anticipated expiration: 2040-02-19
Also published as: US20210255541A1; KR102638175B1; TWI788783B; DE102020104167B4; KR20210105838A; JP2023129405A; CN113340564A; TW202136901A; JP2021144211A; US11899358B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vermessung einer Photomaske für die Halbleiterlithographie, mit den folgenden Schritten- Aufnehmen eines Luftbildes mindestens eines Bereiches der Photomaske- Festlegen mindestens einer Region of Interest (1)- Ermitteln von Strukturkanten (3) in mindestens einer Region of Interest (1)- Bereitstellen von gewünschten, durch die Photomaske herzustellenden Strukturen (4)- Anpassen der ermittelten Strukturkanten (3) an die gewünschten Strukturen (4)- Verschieben der angepassten Strukturkanten mittels der Ergebnisse einer separaten Registrierungsmessung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vermessung von Photomasken für die Halbleiterlithographie, insbesondere zur Ermittlung von sogenannten Registrierungsfehlern. Unter der Registrierung ist in diesem Zusammenhang die Position von Strukturen auf der Maske (und später auch auf dem Wafer) relativ zu Positionsmarken, sogenannten Alignment-Markern, auf der Photomaske zu verstehen. Die Alignment-Marker auf der Maske dienen in einer Projektionsbelichtungsanlage insbesondere auch dazu, die Maskenposition relativ zur Abbildungsoptik der Anlage (und damit den Ort der Abbildung auf dem Wafer) einzustellen.
Ein Registrierungs-Fehler ist damit die Abweichung der realen Position einer Struktur auf einer Maske relativ zur der vorgesehenen Position bezogen auf den jeweils zugehörigen Alignment-Marker und damit in Bezug auf das Maskenkoordinatensystem. Insbesondere in denjenigen Fällen, in denen zur Bildung komplexer Strukturen auf dem Wafer eine sogenannte Doppelbelichtung vorgenommen wird, also eine Schicht auf dem Wafer mittels zweier verschiedener Photomasken nacheinander belichtet wird, addieren sich derartige Fehler, so dass hier eine korrekte Registrierung oder zumindest die genaue Kenntnis der Registrierungsfehler von besonderer Bedeutung ist.
Zur Bestimmung der Registrierung von Photomasken sind derzeit unterschiedliche Systeme, wie beispielsweise Koordinatenmessmaschinen verfügbar. Derartige Systeme leisten eine ausgezeichnete Ortsauflösung bis in den Sub-Nanometer-Bereich. Zur Bestimmung der Registrierung werden üblicherweise aufgenommene Luftbilder von bestimmten, zu belichtenden Strukturen, sogenannten Features, oder auch Kanten von Strukturen verwendet. Allerdings wird in den genannten Systemen eine Beleuchtung und eine Optik verwendet, die erheblich von den späteren Bedingungen in einer Projektionsbelichtungsanlage abweicht. Das führt dazu, dass eine auf einem realen Wafer geschaffene Kontur hinsichtlich ihrer Lage, aber auch hinsichtlich ihrer Form, erheblich von der für die Bestimmung der Registrierung in der Koordinatenmessmaschine abweicht. Dies führt im Ergebnis dazu, dass die Korrelation zwischen der auf Maskenebene gemessenen Registrierung und der real auf einem Wafer erzeugten Registrierung noch nicht optimal ist.
Eine realistischere Darstellung der auf einem Wafer erzeugten Lichtintensitäten ist durch Systeme zur Herstellung von Luftbildern von Masken möglich. Die genannten Systeme zeichnen sich dadurch aus, dass sie die Beleuchtungs- und Abbildungsverhältnisse einer realen Projektionsbelichtungsanlage vergleichsweise gut emulieren und somit eine der Realität nahe kommende Vorhersage der auf dem Wafer erzeugten Abbildung, insbesondere auch von Konturen und Kanten, ermöglichen. Allerdings bieten diese Systeme keine Möglichkeiten zur hochpräzisen Messung einer Registrierung. Weiterhin ist die Korrektur von Verzeichnungen im aufgenommenen Bild limitiert; die Fehler durch die Verzeichnungen liegen im Bereich üblicher Registrierungsfehler, sie sind auf Bildebene nicht von Registrierungsfehlern zu unterscheiden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, das eine genauere Vorhersage von Registrierungsfehlern auf Waferebene in einem Halbleiterlithographieprozess erlaubt, ohne dass hierzu eine Belichtung eines Wafers erforderlich ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen und Varianten der Erfindung.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Vermessung einer Photomaske für die Halbleiterlithographie umfasst die folgenden Schritte

- Aufnehmen eines Luftbildes mindestens eines Bereiches der Photomaske
- Festlegen mindestens einer Region of Interest (ROI), also eines Bereiches im Luftbild, das interessierende Strukturen enthält
- Ermitteln der Strukturkanten, also der Begrenzungen der interessierenden Strukturen, in mindestens einer Region of Interest
- Bereitstellen von gewünschten, durch die Photomaske herzustellenden Strukturen
- Anpassen der ermittelten Strukturkanten an die gewünschten Strukturen; diese Strukturen können auch als „Litho Target“ bezeichnet werden
- Verschieben der angepassten Strukturkanten mittels der Ergebnisse einer separaten Registrierungsmessung

Die erwähnten Litho Targets weichen hinsichtlich ihrer Konturen aufgrund optischer Effekte und Maskendesignregeln etwas von den Konturen der entsprechenden Strukturen auf dem Luftbild ab. Aufgrund dieser Abweichung ergibt sich ein kleiner Positionierungsfehler der gemessenen Strukturen. Damit befinden sich die ermittelten Strukturen aus dem Luftbild - bis auf den erwähnten geringen Fehler - an ihren korrekten Positionen.
Im Ergebnis erhält man auf diese Weise einen Datensatz bzw. Informationen, die präzisere Informationen über die zu erwartenden Fehler, insbesondere Registrierungsfehler der Maske enthalten. Das Ergebnis kann somit insbesondere ein realistisches Luftbild der Maske mit weitgehend korrekter Registrierungsinformation enthalten.
Zur Verbesserung der Qualität des Ausrichtungs- und Anpassungsprozesses kann nach der Herstellung des Luftbildes eine rechnerische Korrektur von Bildfehlern, Aberrationen und Abbildungsfehlern des zur Herstellung des Luftbildes verwendeten Systems erfolgen.
Eine Verbesserung des Messergebnisses kann in einer Variante der Erfindung dadurch erreicht werden, dass im Schritt des Anpassens der ermittelten Strukturkanten ein auf Basis des Maskendesigns simuliertes Luftbild verwendet wird.
Für die simulierten Luftbilder kann angenommen werden, dass sich in ihnen die simulierten Strukturen an ihren korrekten Positionen befinden - allerdings mit leichten Abweichungen von realistischen Luftbildern. Die Abweichungen sind jedoch klein, da in der Simulation bereits optische Effekte und Designregeln berücksichtigt sind. Weiterhin ist die Ausrichtung an anhand eines Gesamtverlaufes von Intensitäten präziser als die Ausrichtung anhand von Konturen. Aus diesen beiden Gründen ergibt sich eine verbesserte Ausrichtung der Strukturen aus den Luftbildmessungen.
Dabei kann das simulierte Luftbild für ein Registrierungsmesssystem und/oder für ein Maskeninspektionssystem erzeugt werden. Mit anderen Worten wird das simulierte Luftbild dadurch erzeugt, dass der jeweiligen Simulation die Abbildungseigenschaften eines Registrierungsmesssystems und/oder eines Maskeninspektionssystems zugrunde gelegt werden.
Auf Basis des Ergebnisses können in einem weiteren Schritt Korrekturstrategien entwickelt werden, um den gemessenen Fehler zu korrigieren. Dabei können entweder die Auswirkungen der gemessenen Fehler auf das Bild im Wafer oder die Fehler in der Maske selbst korrigiert werden.
In einer ersten Variante können die ermittelten Fehler über die scannereigenen Korrekturmöglichkeiten korrigiert werden. Dazu dient beispielsweise der ermittelte Versatz von Strukturen als Eingabeparameter für die Scanner-Software, welche nachfolgend eine Strategie erstellt, mit der unter dynamischer Anpassung von geeigneten Scanner-Parametern die Verzeichnung beim Belichten des Wafers im Scanner in situ korrigiert wird.
In einem weiteren Fall kann eine Anlage zur physischen Maskenverzerrung genutzt werden, wie die unter den Bezeichnungen RegC oder ForTune Systeme der Carl Zeiss SMT GmbH. Derartige Anlagen sind in der Lage, die Maske physisch und punktuell zu strecken. Unter Eingabe des o.g. Ergebnisses kann die anlageneigene Software eine geeignete Maskenbehandlung entwickeln.
Idealerweise werden die Möglichkeiten aus dem Scanner und der Maskenverzerrungsanlage kombiniert betrachtet, um ein bestmögliches Korrekturergebnis zu erhalten.
Des Weiteren ist nicht jeder Versatz auf der Maske gleich kritisch für die Funktionalität der zu fertigenden Halbleiterstruktur. Ein kleiner Versatz an einer kritischen Stelle ist kritischer zu bewerten als ein größerer Versatz an einer unkritischen Stelle. Daher kann es durchaus sinnvoll sein, den ermittelten Versatz an einer bestimmten Stelle mit einem Kritikalitätsmaß dieser Stelle zu gewichten. Dadurch kann die Erstellung der Korrekturstrategie weiter optimiert werden, indem kritische Punkte stärker berücksichtigt werden als unkritischere.
Die bisher genannten Ausführungen beziehen sich auf den Fall, in dem eine Maske und eine Waferbelichtung eine Chipebene erzeugt. Hier spricht man von Einfachbelichtungsverfahren bzw. Single Patterning.
Es ist jedoch durchaus üblich, dass eine Chipebene mittels zwei oder mehr Belichtungen hergestellt wird, also ein sogenanntes Zweifach- oder Mehrfachbelichtungsverfahren bzw. Double oder Multi Patterning zur Anwendung kommt. Dabei werden in der Regel auch zwei oder mehr Masken genutzt. Jede dieser Masken trägt mit ihrer eigenen Verzeichnung zum Gesamtbild der Chipebene bei.
In diesem Fall spielt neben der absoluten Verzeichnung auch die Verzeichnungsdifferenz(en) für die spätere Halbleiterstruktur eine Rolle. Da nach dem beschriebenen Verfahren die Verzeichnungen beziehungsweise Fehler individuell für jede Maske erzeugt werden, sind die Verzeichnungsdifferenzen ebenfalls durch einfache mathematische Subtraktion der individuellen Verzeichnungen zu errechnen und im Anschluss kann eine Korrekturstrategie, basierend auf Scanner und/oder auf Maske, daraufhin zu optimiert werden. Dabei wird dann nicht jede Maske bestmöglich für sich korrigiert, sondern jede Maske erhält eine Korrektur, die eine kleinstmögliche kombinierte Gesamtverzeichnung auf der späteren Halbleiterstrukur erzeugt.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

1 ein exemplarisches Luftbild einer Maske,
2 schematisch Bildfehler, insbesondere Verzerrungen, in dem in 1 dargestellten Luftbild
3 eine Unterteilung des Luftbildes in unterschiedliche Regions of Interest
4 extrahierte Konturen von Strukturen
5 das Ergebnis eines optionalen Matchings des Maskendesigns mit dem Luftbild
6 die gewünschten Strukturen auf dem Wafer
7 eine Darstellung, in welcher die Resultate einer separaten Registrierungsmessung zusammen mit dem bislang erhaltenen Ergebnis dargestellt werden.

1 zeigt das Ergebnis der Aufnahme einer realen Maske mittels eines Maskeninspektionssystems. Dargestellt ist ein durch das Maskeninspektionssystem unter scanneräquivalenten Bedingungen aufgenommenes Luftbild einer Maske, wie es im Wesentlichen auch in einem Scanner entstehen würde. Maskeninspektionssysteme stellen scanneräquivalente Bedingungen her, indem sie den Scanner beleuchtungsseitig möglichst gut nachbilden. Dies beinhaltet beispielsweise eine flexible Einstellung der Beleuchtungsmuster sog. Settings und der Polarisationsmuster unter Verwendung einer Lichtquelle derselben oder sehr nahen Wellenlänge, wie sie im Scanner benutzt wird. Erkennbar ist die Intensitätsverteilung, wie sie auch in eine Lackschicht eines zu belichtenden Wafers hineinprojiziert würde.
2 zeigt schematisch die Verzerrungen, die auf das Maskeninspektionssystem zurückgehen, und die zur Bildkorrektur von dem in 1 dargestellten Bild subtrahiert werden. Da diese Verzerrungen nur das Maskeninspektionssystem betreffen, sind sie für den späteren Einsatz der Maske im Scanner und damit für die Chipfertigung belanglos. Eine Trennung der Verzerrungen in Verzerrungen die durch die Maske selbst verursacht werden und Verzerrungen durch das Maskeninspektionssystem ist daher vorteilhaft.
In 3 ist die Unterteilung des um die Verzerrungen korrigierten Bildes in verschiedene, in der verwendeten Darstellung gestrichelt gezeichneten Unterbereiche, sogenannten „Regions of Interest“ 1 dargestellt. Diese Regions of Interest 1 (im Folgenden „ROI“) werden im Wesentlichen dadurch definiert, dass sie interessierende, in sich geschlossene Features oder Featuregruppen, also bestimmte auf dem Wafer zu erzeugende und auf der Maske entsprechend angelegte Strukturen 2 oder Strukturgruppen enthalten.
4 zeigt das Ergebnis einer ersten Konturextraktion für die einzelnen ROIs 1. Die Konturextraktion geschieht dabei dadurch, dass zunächst ein bestimmter Intensitätswert, dem sog. Threshold, festgelegt wird, der ein Maß für das Entstehen einer Kante auf dem realen Wafer darstellt. Es versteht sich von selbst, dass auch prozessspezifische Parameter des Lithographieprozesses, wie beispielsweise die Art des verwendeten Fotolackes, Einfluss auf den Threshold hat. Aus der Bildverarbeitung ist eine große Anzahl von Kantendetektionsverfahren bekannt (z.B. Canny-Verfahren, Sobel-Verfahren, gradientenbasierte Verfahren u.v.m). Anstelle eines Threshold könnte auch ein anderes Verfahren dieser Gruppe verwendet werden. Ferner lassen sich Konturen auch mittels künstlicher Intelligenz aus an geeigneten Luftbildern trainierten Datensätzen ableiten. Im Ergebnis erhält man in den einzelnen ROIS durchgezogen dargestellte Strukturkanten 3, also diejenigen Kanten 3, die die extrahierten Konturen begrenzen.
5 zeigt das Ergebnis eines optionalen Matchings des Maskendesigns mit dem Luftbild.
In 6 sind als im Wesentlichen durch gerade Strecken begrenzte Strukturen die gewünschten Strukturen in der Waferebene, also das Litho Target 4, dargestellt. An diese Strukturen 4 werden nun die im Maskeninspektionssystem gemessenen Kanten 3 angefittet. Als Fitparameter kommen insbesondere der Threshold und x-und y-Positionen in Frage. Aus dem Fitprozess erhält man die bestmögliche Überlagerung der real gemessenen Konturen in der Waferebene gegenüber dem Litho Target 4. Die beschriebene exakte Anpassung wurde durch die Verwendung des Maskeninspektionssystem möglich, da dieses wie bereits erwähnt die Eigenschaften eines Scanners in hohem Maße nachbildet. In dem Fitprozess wird also die Lage in der Waferebene (x- und y-Position) und der Threshold mit seiner Auswirkung auf die Kantenlage solange variiert bis ein vorgegebenes Optimierungskriterium erreicht ist. Da die x-und y-Positionen als Parameter des Fitprozesses angesehen werden, kann aus dem Ergebnis nicht mehr mit hinreichender Genauigkeit auf eine Verschiebung der Strukturkanten geschlossen werden. Der anhand 6 beschriebene Prozess kann insbesondere für jede ROI durchgeführt werden. Er ermöglicht erstmals eine Kombination aus der realen im Scanner erzeugten Kontur inkl. aller optischen Abbildungseffekte und deren Position auf der Maske.
In 7 ist ein weiterer Schritt dargestellt, in welchem die Resultate einer separaten Registrierungsmessung auf das bislang erhaltene Ergebnis angewendet werden. Dargestellt in der Figur, insbesondere in der in der Figur unten dargestellten Ausschnittsvergrößerung, ist das Litho Target 4, erkennbar durch seine geraden Begrenzungen, die angefittete Kontur 3 aus der Luftbildmessung (gestrichelt dargestellt) sowie die um den separat gemessenen Registrierungsfehler versetzte Kontur 5. Der Registrierungsfehler kann dabei insbesondere mittels einer Koordinatenmessmaschine ermittelt werden, es sind selbstverständlich auch andere Methoden zur Ermittlung des Registrierungsfehlers denkbar. Das erhaltene Bild zeichnet sich durch seinen hohen Informationsgehalt aus. Es enthält zum einen eine realistische Darstellung der auf dem Wafer zu erwartenden Konturen (gewonnen aus dem Luftbild des Maskeninspektionssystem), zum anderen aber auch für jede Region of Interest den zu erwartenden Registrierungsfehler. Insbesondere dann, wenn Strukturen auf demselben Layer eines Wafers mittels einer Doppelbelichtung durch zwei verschiedene Masken erzeugt werden sollen, könnte der Fall eintreten, dass sich die unterschiedlichen, aber vorhandenen Registrierungsfehler der Masken aufsummieren und in Kombination mit vom Litho Target abweichenden realen Konturen der Features im Ergebnis zu fehlerhaft erzeugten Strukturen führen. Dadurch, dass erfindungsgemäß das absehbare Problem frühzeitig anhand der Vermessung der Maske erkannt werden kann, kann eine effektive entsprechende Maskenkorrektur mit den bekannten Systemen vorgenommen werden.
Allerdings geht der vorstehend beschriebene Ansatz davon aus, dass sich die Luftbilder, die durch ein Maskeninspektionssystem und diejenigen Luftbilder, die durch das Registrierungsmesssystem aufgenommen wurden, nicht oder nur geringfügig voneinander unterscheiden. Da sich jedoch die genannten Systeme unter anderem in Hinblick auf die Beleuchtung und die numerische Apertur erheblich unterscheiden, ist diese Annahme nicht ganz zutreffend. Deswegen besteht die Möglichkeit, dass ein durch das Registrierungsmesssystem ermittelter Registrierungsfehler nicht vollständig auf ein durch das Maskeninspektionssystem erzeugtes Luftbild übertragbar ist.
Um dieser Problematik zu begegnen, wird zusätzlich zu den bereits bekannten Verfahrensschritten mittels einer Simulation, insbesondere mittels einer Kirchhoff oder rigorosen Simulation aus dem Maskendesign ein Registrierungs-Bild und ein Maskeninspektionssystem-Bild erzeugt. Die Simulation des Registrierungs-Bildes liefert einen Wert für die Registrierung; sie berücksichtigt insbesondere auch bekannte Abbildungsfehler wie beispielsweise Verzerrungen. Diese Simulation wird zur Ermittlung der Registrierung ohnehin üblicherweise vorgenommen. Aus dem Vergleich der beiden simulierten Bilder untereinander lässt sich ein differentieller Fehler der Registrierungsmessung zwischen dem Registrierungsmesssystem und Maskeninspektionssystem System ableiten, der bei der weiteren Messung und Qualifikation der Maske berücksichtigt werden kann.
Insbesondere wird zunächst die x-/y Anpassung auf Basis des simulierten Luftbildes (und nicht mehr auf Basis des Litho-Targets) vorgenommen.
Im zweiten Schritt wird dann ohne weitere Anpassung der x- und y- Werte der Threshold derart angepasst, dass die CD-Werte der jeweiligen betrachteten Struktur aus dem Litho-Target möglichst gut erreicht werden.
Im Ergebnis erhält man unter anderem eine Darstellung des Versatzes der ermittelten Struktur gegenüber dem Litho Target, da die Simulation des Maskendesigns die Fehler des OPC (also derjenigen Software, auf deren Basis startend von dem Litho Target das Maskendesign festgelegt wurde) erkennbar macht.
Bezugszeichenliste

1: Region of Interest (ROI)
2: Struktur
3: Strukturkante
4: Litho Target
5: Versetzte Kontur aus Registrierungsmessung

Claims

Verfahren zur Vermessung einer Photomaske für die Halbleiterlithographie, mit den folgenden Schritten - Aufnehmen eines Luftbildes mindestens eines Bereiches der Photomaske - Festlegen mindestens einer Region of Interest (1) - Ermitteln von Strukturkanten (3) in mindestens einer Region of Interest (1) - Bereitstellen von gewünschten, durch die Photomaske herzustellenden Strukturen (4) -Anpassen der ermittelten Strukturkanten (3) an die gewünschten Strukturen (4) - Verschieben der angepassten Strukturkanten mittels der Ergebnisse einer separaten Registrierungsmessung.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei nach dem Aufnehmen des Luftbildes eine rechnerische Korrektur von Bildfehlern des zur Aufnahme des Luftbildes verwendeten Systems erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei im Schritt des Anpassens der ermittelten Strukturkanten (3) ein auf Basis des Maskendesigns simuliertes Luftbild verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das simulierte Luftbild für ein Registrierungsmesssystem und/oder für ein Maskeninspektionssystem erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die ermittelten Informationen dafür genutzt werden, Korrekturstrategien für die Maske oder für einen Scannerbelichtungsprozess zu erstellen.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei es sich bei einer Korrekturstrategie für eine Maske um ein gezieltes physisches Strecken der Maske handelt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf einander abgestimmte Korrekturstrategien für mindestens zwei Masken erstellt werden.