DE10335565A1

DE10335565A1 - Verfahren zur Überprüfung von periodischen Strukturen auf Lithographiemasken

Info

Publication number: DE10335565A1
Application number: DE10335565A
Authority: DE
Inventors: Roderick Dipl.-Ing. Köhle; Martin Dr.rer.nat. Verbeek
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Qimonda AG
Priority date: 2003-07-31
Filing date: 2003-07-31
Publication date: 2005-05-19
Also published as: US20050048379A1; US7424144B2

Abstract

Die Erfindung, welche ein Verfahren zur Überprüfung von periodischen Strukturen auf Lithographiemasken betrifft, bei dem mit einer abbildenden Optik eines Mikroskops ein Abbild der Struktur der Lithographiemaske erzeugt wird, liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Inspektion von Strukturen auf Lithographiemasken anzugeben, mit dem Abweichungen in der periodischen Struktur einer Lithographiemaske dargestellt werden, wobei eine bessere Abgrenzung der periodischen Struktur von einer Abweichung erreicht wird. Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Parameter Wellenlänge lambda, die numerische Apertur NA und die Kohärenz der Beleuchtung sigma der abbildenden Optik des Mikroskops so gewählt werden, dass die die Auflösungsgrenze für eine periodische Struktur (1) mit der Periode P beschreibende Ungleichung DOLLAR F1 erfüllt wird und dass das so erzeugte Abbild (5) der Struktur (1) nach Abweichungen in der periodischen Struktur (1) ausgewertet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überprüfung von periodischen Strukturen auf Lithographiemasken, bei dem mit einer abbildenden Optik eines Mikroskops ein Abbild der Struktur der Lithographiemaske erzeugt wird.
In der Mikrolithographie werden Halbleiterstrukturen bekanntermaßen durch die Abbildung einer Struktur, die vorher auf einer Lithographiemaske erzeugt worden ist, auf einem mit einem Photoresist beschichteten Wafer durch Belichten und nachfolgendes Entwickeln des Photoresists realisiert.
Nach der Fertigung der Lithographiemaske hat diese unterschiedliche Eigenschaften, die sich von Maske zu Maske ändern. Diese unterschiedlichen Eigenschaften haben bei der Abbildung derselben einen erheblichen Einfluss auf die Photolithographie. Es wird hierbei zwischen allgemeinen (globalen) und lokalen Eigenschaften unterschieden, die normalerweise spezifiziert sind.
Globale Eigenschaften sind beispielsweise die Abweichung der Linienbreite (CD-Target Value) vom Zielmaß (Offset Error), sowie die Schwankung der Abweichung über das Bildfeld (Uniformity Error). Bei den alternierenden Phasenmasken gibt es Strukturen, die bei kohärenter Beleuchtung phasenschiebende Eigenschaften besitzen. Diese Phasenschieber werden realisiert, indem man Strukturen in das Glas ätzt. Durch Abweichungen von der idealen Ätztiefe kommt es zu unerwünschten Helligkeitsabweichungen, die ebenfalls eine globale Maskeneigenschaft darstellen.
Lokale Eigenschaften sind Defekte auf der Maske, die entweder durch Fehler bei der Maskenherstellung entstanden sind, oder aber nachträgliche Verunreinigungen, z.B. durch Staub.
Das Ziel bei der Herstellung von Lithographiemasken ist daher, eine Lithographiemaske herzustellen, die sämtliche Anforderungen an Genauigkeit und Fehlerfreiheit erfüllt. Mit Bezug auf die lokalen Eigenschaften werden die Masken gegenwärtig durch Prozesskontrolle und Qualitätsmessungen geprüft.

Im Stand der Technik werden systematische Fertigungsfehler von Lithographiemasken, wie regelmäßige Abweichungen des Linienabstandes (Offset Target Error) und Änderungen der Linienbreite (Uniformity Error) direkt an den Strukturen durch verschiedene SEM-Messungen (Scanning Electron Microscopy) auf vielen Punkten der Maske gemessen. Das kann ein zeitaufwendiger und unzuverlässiger Bewertungsprozess sein, da die Messfehler und die schlechte Wiederholbarkeit einer SEM nachteilig sind. So beeinflusst zum Beispiel die Richtung eines Elektronenstrahles das Messergebnis signifikant. Aus diesem Grund ist dieses Verfahren für in Quarz geätzte Lithographiemasken nicht geeignet, da bei diesen keine gut definierten Kanten für die SEM-Linienbreitenmessung vorhanden sind. Ein weiteres Problem ist die Verunreinigung des Maskanmaterials durch Kohlenstoffablagerungen die während des Messprozesses entstehen.

Für neue Maskentechnologien, wie Interferenzmasken, wird die Maskenbewertung sehr schwierig. Interferenzmasken enthalten Trenches (Gräben), die in die Maske geätzt worden sind und eine Beugung (Phasenverschiebung) des durchgeleiteten Lichtes bewirken. Für die Bestimmung der Beugungs- und Übertra gungsparameter existiert allerdings kein eingeführtes Verfahren.

Zur Kontrolle der Ätztiefe der Trenches bei alternierenden Phasenmasken wird eine Kombination aus Tiefenmessung und optischer Messung unter Verwendung eines MSM- Mikroskopes (Microlithography Simulation Microscope) angewendet. Die mit einem solchen Mikroskop erhaltenen Messwerte werden schließlich mit Linienbreitenmessungen von strukturierten Wafern verglichen, um eine Information über den Wert der neu produzierten Lithographiemasken zu erhalten.

Ein weiteres Ziel besteht darin, nun zur Defektinspektion überzugehen. Da einige Defekte auf der Lithographiemaske auf die auf dem Wafer ausgeformten Chips übertragen werden, ist es sehr wichtig, eine fehlerfreie Maskenstruktur sicherzustellen. Da jeder Prozessschritt bei der Maskenfertigung unvermeidlich einige Defekte in der Lithographiemaske generiert, ist es notwendig, in der Lage zu sein, Lithographiemasken zu inspizieren und zu reparieren.

Bei der Maskeninspektion wird die Lithographiemaske auf Defekte untersucht und die gefundenen Defekte nach deren Bedeutung für die Lithographie und dem Einfluss auf die Funktionalität des Chips klassifiziert. Maskendefekte, welche die Funktionalität und die Zuverlässigkeit der Chipfunktion gefährden, müssen unbedingt repariert werden.

Die gegenwärtig eingesetzten Prüfeinrichtungen nutzen die Laser Scanning Microskopy, um Lithographiemasken auf Defekte zu überprüfen. Dabei wird die Maskenoberfläche mit einem Laserstrahl abgetastet und das reflektierte und übertragene Licht gemessen. Bei defektfreien Bereichen liegt die Summe des reflektierten und des übertragenen Lichtes über einem vordefinierten Wert, wohingegen bei Defekten das Licht ge streut wird, so dass sich die Summe der Intensitäten von einem vordefinierten Wert unterscheidet.

Bei High-End-Masken wird diese Näherung auf verschiedenen Wegen ausgeweitet, so wird beispielsweise anstelle des Vergleiches mit einem Referenzsignal (Die-to-Database), ein benachbartes Chip als Referenz für die „Die-to-Die" Inspection genutzt, wobei jeweils eine Unterteilung der Chipoberfläche in zu untersuchende Arrays erfolgt und die Arrays dann paarweise verglichen werden.

Bei Standard-Qualitätsmasken ist diese Näherung einfach und effizient in Bezug auf die Inspektionszeit und die Kosten. Bei High-End-Masken und insbesondere bei Interferenzmasken leidet diese Näherung an der Tatsache, dass diese eine unterschiedliche niedrigere Wellenlänge als beim abschließenden Lithographieschritt nutzen. Da aber eine niedrigere Wellenlänge eine niedrigere Auflösung bedeutet, ist die Empfindlichkeit in Bezug auf Defekte geringer, als beim abschließenden Lithographieprozess.

Ein anderes Problem des Laser-Scanning-Verfahrens ist, dass die Interferenzmasken (Beugungsgitter) beim Laser Scanning und bei der optischen Abbildung sehr unterschiedlich gesehen werden.

Eine Lösung dieses Problems besteht darin, den lithographischen Abbildungsprozess mit einem modifizierten Mikroskop zu simulieren. Eine derartige Art von Lithographie-Mikroskopen wird abgekürzt mit dem Produktnamen MSM (Microlithography Simulation Microscope) bezeichnet und wird beispielsweise durch die Fima ZEISS angeboten. Das MSM hat den Vorteil, dass es die gleiche Wellenlänge wie beim Lithographieprozess, die gleiche Beleuchtung der Lithographiemaske und die gleichen optischen Vorgaben für den Öffnungswinkel der Pro jektionsoptik verwendet.

Im Gegensatz zur lithographischen Belichtung, bei der die Abbildung von der Lithographiemaske verkleinert wird, vergrößert das MSM das Abbild der Lithographiemaske auf einen Sensor. Weiterhin kann das MSM nur einen kleinen Abschnitt der Maske gleichzeitig abbilden.

Beim schrittweisen Abtasten der Lithographiemaske ist es möglich, Abbilder derselben aufzunehmen, die im wesentlichen der Intensität entsprechen, mit der ein Wafer belichtet würde.

Wenn ein Fehler einen starken Einfluss auf die Belichtung des Resists hat, würde dies aus dem Luftbild, welches von dem MSM Mikroskop aufgenommen worden ist, ersichtlich sein. Um das Mikroskop allerdings für die Inspektion nutzen zu können, benötigt man ein Fehlersignal, das den Defekt signalisiert. Somit muss die Lithographiemaske verschiedene identische Chip-Layouts aufweisen, so dass das Mikroskop diese Abbildungen paarweise vergleichen kann oder das gesamte Abbild einer fehlerfreien Lithographiemaske liegt für den Vergleich in einem Speicher vor.

Der Nachteil bei diesem Verfahren ist, dass jedes Abbild der Lithographiemaske durch das allgemeine Rauschen beeinflusst wird und dass das schlussendliche Fehlerabbild ein höheres Rauschen aufweist.

Ein weiterer Nachteil dieses Verfahrens ist dessen Komplexität, indem das gesamte Abbild einer Lithographiemaske in den Speicher des Computers gescannt, vor einem Vergleich ausschnittweise justiert und nachfolgend verglichen werden muss. Das erfordert sowohl ein beträchtliches Speichervolumen, als auch erhebliche Rechenzeit.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Überprüfung von Strukturen auf Lithographiemasken anzugeben, mit dem Abweichungen in der periodischen Struktur einer Lithographiemaske dargestellt werden, wobei eine bessere Abgrenzung der periodischen Struktur von einer Abweichung erreicht wird.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Parameter Wellenlänge λ, die numerische Apertur NA und die Kohärenz der Beleuchtung σ der abbildenden Optik des Mikroskops so gewählt werden, dass die die Auflösungsgrenze für eine periodische Struktur mit der Periode P beschreibende Ungleichung

erfüllt wird und dass das so erzeugte Abbild der Struktur nach Abweichungen in der periodischen Struktur ausgewertet wird.

Grundsätzlich kann man die Numerische Apertur wie auch den Pitch Masken- oder Waferseitig definieren. Um Umrechnungen die durch den Verkleinerungsfaktor der abbildenden Optik anfallen zu vermeiden werden alle Koordinaten stets Waferseitig angegeben. Damit lässt sich der Parameter P für den Pitch einfacher definieren, der Pitch P ist somit der Pitch der auf dem Wafer zu strukturierenden Gitter unabhängig davon ob eine Schrägbeleuchtungstechnik oder alternierende Phasenmasken-technik eingesetzt wird. Eine abbildende Optik, beispielsweise eines Mikroskops, wird im wesentlichen durch die Parameter Wellenlänge λ, den Öffnungswinkel der Linse welcher durch die numerische Apertur NA dargestellt wird und die Kohärenz der Beleuchtung σ beschrieben. Die Auflösungsgrenze für ein Gitter mit einer Periode P wird mit diesen optischen Parametern durch die Ungleichung

be schrieben. Diese Ungleichung zeigt, dass für eine kontrastreiche Abbildung kleiner periodischer Strukturen sowohl eine kleine Wellenlänge der verwendeten Beleuchtungsquelle als auch eine große Numerische Apertur und Kohärenz der Beleuchtung notwendig sind. Für das erfindungsgemäße Verfahren wird aber durch die Wahl geeigneter Größen der optischen Parameter ein kontrastarmes Abbild der periodischen Gitterstruktur für eine Defektinspektion einer Lithographiemaske erzeugt oder anders ausgedrückt, das Gitter optisch nicht aufgelöst. In dem so erzeugten Abbild werden die fehlerfreien periodischen Strukturen beispielsweise durch eine hohe Beleuchtungsintensität dargestellt, die fehlerhaften, nichtperiodischen Anteile der zu untersuchenden Struktur einer Lithographiemaske hingegen mit einer geringen Beleuchtungsintensität. Das erzeugte Abbild zeigt somit die Defektstellen der Lithographiemaske durch deutlich erkennbare Beleuchtungsintensitätsunterschiede auf. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können sowohl linienartige Gitter als auch Kontaktlochgitter untersucht werden.

In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kohärenz der Beleuchtung σ mittels einer Beleuchtungsblende festgelegt wird.

Im Stand der Technik werden verschiedene Blendenformen zur Optimierung einer kontrastreichen Abbildung eingesetzt. Auch bei der erfindungsgemäßen Lösung wird der optische Parameter Kohärenz der Beleuchtung σ mittels einer Beleuchtungsblende beeinflusst und somit die im Hauptanspruch aufgeführte Ungleichung erfüllt.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Beleuchtungsblende eine invertierte der für eine kontrastreiche Abbildung optimierten Beleuchtungsblende ist.

Zur Erzielung eines kontrastreichen Abbildes einer periodischen Struktur bei der Defektinspektion werden spezielle darauf optimierte Beleuchtungsblenden eingesetzt. Das erfindungsgemäße Verfahren erzeugt aber ein nichtkontrastreiches Abbild. Hierfür kann beispielsweise eine invertierte Beleuchtungsblende einer für eine kontrastreiche Abbildung geeigneten Beleuchtungsblende genutzt werden wobei die dem Gitter kontrastgebenden Stellen der Blende abgeschattet sind.

In einer besonderen Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Auswertung des erzeugten Abbilds durch eine elektronische Schwellwerterkennung erfolgt.

Das durch das Verfahren erzeugte Abbild mit seinen Beleuchtungsintensitätsunterschieden kann durch eine elektronische Schwellwerterkennung ausgewertet werden bei der bei einer Überschreitung einer zulässigen Abweichung ein Fehlersignal ausgegeben wird.

In einer Ausgestaltungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Auswertung des erzeugten Abbilds durch eine manuelle Auswertung erfolgt.

Das durch das Verfahren erzeugte Abbild kann auch manuell beispielsweise durch visuelle Auswertung eines Monitorbildes beurteilt werden. Diese Möglichkeit ist speziell dann von Bedeutung wenn die lokale Position eines Defektes auf der Lithographiemaske, beispielsweise nach der Reparatur einer Defektstelle, bekannt ist.

In einer Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein erstes erzeugtes Abbild mit einem zweiten erzeugten Abbild verglichen und dass beim Überschreiten einer definierten Ma ximalabweichung zwischen beiden Abbildungen ein Fehlersignal ausgegeben wird.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird ein erstes Abbild einer ersten periodischen oder nichtperiodischen Struktur erzeugt und gleichzeitig oder nachfolgend ein zweites Abbild einer zweiten, beispielsweise auf der Lithographiemaske benachbarten äquivalenten, periodischen oder nichtperiodischen Struktur. Die Abbilder werden miteinander elektronisch verglichen (z. B. Die-to-Die) und bei der Überschreitung einer vorgegebenen Abweichung erfolgt die Ausgabe eines Fehlersignals bei der Defektinspektion.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigt
1 ein Fehlerabbild aus dem Stand der Technik,
2 ein durch das erfindungsgemäße Verfahren erzeugtes Fehlerabbild,
3 eine periodische Struktur mit einem Defekt und eine schlitzförmige Beleuchtungsblende,
4 ein Abbild eines Defekts nach dem stand der Technik mit einer auf Kontrast optimierten Schlitzblende und eine verfahrensgemäßes Abbild des gleichen Defekts für die Invertierte der optimalen Beleuchtungsblende und
5 weitere erfindungsgemäße Abbilder verschiedener Defekte, jeweils im Vergleich zum Abbild aus dem Stand der Technik. (5a dunkler Defekt, 5b heller Defekt).
Bei der Herstellung von Lithographiemasken ist es wichtig sicherzustellen, dass diese von Defekten 2 frei sind. Aus diesem Grund wird ein Arbeitsschritt Maskeninspektion zum Auffinden von Defekten 2 durchgeführt. Hierfür wird beispielsweise mittels einer abbildenden Optik eines Mikroskops ein Abbild 4 der periodischen Struktur 1 einer Lithographiemaske, wie in 1 dargestellt, erzeugt und ausgewertet.
Die abbildende Optik wird im wesentlichen durch die Parameter Wellenlänge λ, den Öffnungswinkel der Linse welcher durch die numerische Apertur NA dargestellt wird und die Kohärenz der Beleuchtung σ beschrieben. Während im Stand der Technik die optischen Parameter so gewählt werden, dass die periodische Struktur 1 mit möglichst gutem Kontrast abgebildet wird, ist die Auswahl der Parameter im erfindungsgemäßen Verfahren darauf ausgerichtet, dass die periodische Struktur 1 gerade nicht aufgelöst wird wie in 2 dargestellt.
Die Wahl der Parameter im erfindungsgemäßen verfahren erfolgt so, dass die Ungleichung
erfüllt wird. Durch diese Ungleichung wird die Auflösungsgrenze für eine periodische Struktur 1 mit einer Periode P, wobei die Periode der Pitch des auf dem Wafer strukturieren Gitters unabhängig davon ob eine Schrägbeleuchtungstechnik oder alternierende Phasenmaskentechnik eingesetzt wird ist.
In der 3 ist eine chromlos alternierende periodische 70 nm Struktur 1 dargestellt. Die Maskenstruktur enthält einen Defekt 2 (Phasendefekt). Eine optimale Beleuchtungseinstellung für eine Numerische Apertur mit NA = 0.75 ist eine schlitzförmige Beleuchtungsblende 3. Das berechnete Abbild, welches sich mit dieser Einstellung ergibt sowie die mit dem Stand der Technik erzeugte Abbildung 4, ist in der 4 dargestellt. Die Abbildung des Defekts 2 ohne die periodi sche Struktur 1 wird beispielsweise durch die Verwendung der invertierten Beleuchtungsblende 3 erreicht wie ebenfalls in 4 dargestellt. In dem so erzeugten verfahrensgemäßen Abbild 5 ist der Defekt 2 durch eine geringere Beleuchtungsintensität dargestellt. Die periodische Struktur 1 hingegen wird nicht mehr abgebildet. Durch diese verfahrensgemäße Abbildung 5 ist es möglich, das Abbild 5 durch eine einfache Schwellwerterkennung auf Defekte 2 hin auszuwerten und bei der Überschreitung eines definierten Grenzwertes ein Fehlersignal auszugeben welches einen aufgefundenen Defekt 2 auf der Lithographiemaske bei der Maskeninspektion kennzeichnet.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel wird eine kreisförmige Beleuchtungsblende 3 verwendet. Auch in diesem Fall müssen die Parameter Kohärenz und Numerische Apertur so gewählt werden, dass die Auflösungsgleichung
gerade nicht erfüllt ist. Für eine periodische Struktur 1 mit einer Periode P, Numerischer Apertur NA und der Wellenlänge λ wählt man die Kohärenz gemäß der Ungleichung
.
Dieser Ausdruck ist sowohl für binäre Lithographiemasken als auch für Interferenzmasken, zu denen beispielsweise alternierende Masken und chromlos alternierende Masken gehören, gültig. Im diesem Beispiel wurde eine Halbtonphasenmaske mit einer periodischen Struktur 1 für 90nm Linien-Spalt Gitter (Periode P = 180nm) untersucht. Die nominale Belichtung wird bei einer NA = 0,70 und einer annularen Belichtung von s = 0,85/0,53 durchgeführt. Um die periodische Struktur 1 herauszufiltern ist die Maximale Kohärenz nach der oben beschriebenen Ungleichung von 0,53 zulässig:
Für das Beispiel wurde eine Kohärenz von 0,2 verwendet. Das Ergebnis mit einem AIMS (Aerial Image Measurement System) ist in der 5 dargestellt. In dieser Figur sind verschiedene Fehler jeweils mit verschiedenen optischen Parametern paarweise gegenübergestellt. Dabei wurden zur Auflösung der periodischen Struktur 1, welche jeweils links im Bildpaar dargestellt ist, die Parameter NA = 0,7 und σ = 0.85/0,53 bei einer 90nm Struktur gewählt. Zur Erzeugung des erfindungsgemäßen Abbildes 5, welches in jedem Bildpaar rechts dargestellt ist, wurden die Parameter NA = 0,7 und σ = 0,2 gewählt. Wie in 5 dargestellt wird somit die Darstellung im wesentlichen auf die Defektstelle 2 der Lithographiemaske reduziert. An dieser Darstellung 5 wird ebenfalls erkennbar, dass sich durch die Reduzierung der Bildinformationen ebenfalls der Aufwand bei einer Bilderkennung verkleinert.

1: periodische Struktur
2: Defekt
3: Beleuchtungsblende
4: Fehlerabbild aus dem Stand der Technik
5: Fehlerabbild mit erfindungsgemäßen Verfahren

Claims

Verfahren zur Überprüfung von periodischen Strukturen auf Lithographiemasken, bei dem mit einer abbildenden Optik eines Mikroskops ein Abbild der Struktur der Lithographiemaske erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter Wellenlänge λ, die numerische Apertur NA und die Kohärenz der Beleuchtung σ der abbildenden Optik des Mikroskops so gewählt werden, dass die die Auflösungsgrenze für eine periodische Struktur (1) mit der Periode P beschreibende Ungleichung
erfüllt wird und dass das so erzeugte Abbild (5) der Struktur (1) nach Abweichungen in der periodischen Struktur (1) ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennz eichnet, dass die Kohärenz der Beleuchtung σ mittels einer Beleuchtungsblende (3) festgelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 0, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsblende (3) eine invertierte der für eine kontrastreiche Abbildung optimierten Beleuchtungsblende (3) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung des erzeugten Abbilds (5) durch eine elektronische Schwellwerterkennung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung des erzeugten Abbilds (5) durch eine manuelle Auswertung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes erzeugtes Abbild (5) mit einem zweiten erzeugten Abbild (5) verglichen und dass beim Überschreiten einer definierten Maximalabweichung zwischen beiden Abbildungen (5) ein Fehlersignal ausgegeben wird.