DE10355256A1

DE10355256A1 - Semiconductor surface structure examination method, whereby the surface is illuminated with electromagnetic radiation and a characteristic parameter determined from the reflected radiation and compared with a reference value

Info

Publication number: DE10355256A1
Application number: DE2003155256
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dr. Mantz; Oliver Dr. Genz
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2003-11-26
Filing date: 2003-11-26
Publication date: 2005-04-14

Abstract

Method for determining the quality of the surface of a structure mounted on a support has the following steps: irradiation of an area of the structure with electromagnetic radiation with a given orientation; determination of a value of a characteristic parameter of the reflected radiation; comparison of the determined value with an expectation value of the characteristic parameter, whereby the difference between determined and expected values is a measure of the quality of the surface structure. The invention also relates to a corresponding device.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen der Güte einer Struktur mit einem regelmäßigen Muster Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen der Güte einer auf einer Oberfläche eines Trägers angeordneten Struktur mit einem regelmäßigen Muster.method and device for determining the quality of a structure with a regular pattern The present invention relates to a method and a device for determining the quality one on a surface a carrier arranged structure with a regular pattern.

Die Elektronik wird heutzutage von mikroelektronischen Halbleiter-Bauelementen mit integrierten Schaltkreisen dominiert. Diese integrierten Schaltkreise, welche auf einem als Chip bezeichneten Halbleitersubstrat angeordnet sind, sind durchweg in Form von elektronischen Strukturen mit einem regelmäßigen Muster ausgebildet. Beispielsweise sind die Speicherzellen eines Speicherbausteins in der Regel in einer matrixförmigen Struktur angeordnet. Die Herstellung der strukturierten Schaltkreise auf einer Halbleiterscheibe, im folgenden als Halbleiterwafer bezeichnet, erfordert eine große Anzahl an aufeinanderfolgenden Prozess- bzw. Strukturierungsschritten.The Electronics today is made of microelectronic semiconductor devices dominated by integrated circuits. These integrated circuits, which are arranged on a semiconductor substrate designated as a chip are consistently in the form of electronic structures with a regular pattern educated. For example, the memory cells of a memory module usually in a matrix Structure arranged. The production of the structured circuits a semiconductor wafer, referred to below as semiconductor wafer, requires a big one Number of consecutive process or structuring steps.

Als Reaktion auf die Forderung nach immer schnelleren und günstigeren integrierten Schaltkreisen ist die Halbleiterindustrie stets bestrebt, immer kleinere Strukturdimensionen zu realisieren. Damit steigen jedoch die Anforderungen an die Präzision der eingesetzten Fertigungsprozesse.When Responding to the demand for ever faster and cheaper integrated circuits, the semiconductor industry is always eager to to realize ever smaller structural dimensions. So go up However, the demands on the precision of the manufacturing processes used.

Gleichzeitig ist man auf exakte Kontrollverfahren zum Überwachen der Fertigungsprozesse angewiesen. Zum Teil treten bei den derzeitig erreichbaren Strukturgrößen im Bereich von 100nm lokale Abweichungen in der gleichen Größenordnung auf, welche durch bestimmte Prozesse wie beispielsweise Ätzprozesse verursacht werden können. Da derartige Störungen einer Struktur die Funktionsweise eines Chips beeinträchtigen können, kommen insbesondere Verfahren zum Bestimmen der Güte ei ner Struktur mit einem regelmäßigen Muster eine große Bedeutung zu.simultaneously one is on exact control procedures to supervise the manufacturing processes reliant. Partly occur in the currently achievable structure sizes in the range of 100nm local deviations in the same order of magnitude, which by certain processes such as etching processes are caused can. Because such disturbances a structure affect the functioning of a chip can, In particular, methods for determining the quality of a structure occur with a regular pattern a big meaning to.

Abweichungen von als CD („critical dimension") bezeichneten lateralen Strukturdimensionen lassen sich mit Hilfe eines Rasterelektronenmikroskops untersuchen. Allerdings würde das Erfassen von über einen gesamten Halbleiterwafer verteilten lateralen Variationen einer Struktur hierbei eine lange Zeit beanspruchen. Darüber hinaus können auf diese Weise Strukturinformationen nur topographisch von der unmittelbaren oder nahen Oberfläche gewonnen werden, so dass vertikale Tiefenunterschiede von beispielsweise Grabenstrukturen nicht erfasst werden. Zum Bestimmen von Tiefendimensionen verbleibt lediglich das Verfahren, den Halbleiterwafer aufzubrechen und eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der Bruchkante anzufertigen. Infolgedessen ist das Erfassen von über einen Halbleiterwafer verteilten Tiefenvariationen mit einem sehr hohen Aufwand verbunden.deviations from as CD ("critical dimension ") lateral structural dimensions can be examined with the aid of a scanning electron microscope. However, that would capturing over an entire semiconductor wafer distributed lateral variations a structure take a long time here. Furthermore can in this way structure information only topographically from the immediate or near surface be obtained, so that vertical differences in depth of, for example Trench structures are not detected. To determine depth dimensions only the process remains to break up the semiconductor wafer and a scanning electron micrograph of the fracture edge to customize. As a result, capturing is about one Semiconductor wafers distributed depth variations with a very high level Effort connected.

Des weiteren sind zum Erfassen von Strukturdimensionen optische Verfahren basierend auf Streuprozessen der eingesetzten elektromagnetischen Strahlung bekannt. Diese Verfahren eignen sich jedoch nicht zum Erfassen von lokalen Strukturvariationen, da die Verfahren auf das Bestrahlen von relativ großen Messflächen mit einer Vielzahl von Strukturelementen angewiesen sind. Aus diesem Grund lassen sich nur Mittelwerte der Strukturdimensionen erfassen.Of others are optical methods for detecting structural dimensions based on scattering processes of the electromagnetic used Radiation known. However, these methods are not suitable for Detecting local structural variations as the procedures are based on the Irradiate relatively large measuring surfaces are dependent on a variety of structural elements. For this reason Only average values of the structural dimensions can be captured.

Aus der EP 1006348 A1 ist ein weiteres auf ellipsometrischen Messmethoden basierendes Verfahren bzw. eine Vorrichtung zum Bestimmen von Strukturgrößen einer ein regelmäßiges Muster aufweisenden Struktur auf einem Halbleiterwafer bekannt. Hierbei werden die durch eine in eine Schicht mit an sich isotropen optischen Eigenschaften eingebrachte regelmäßige Struktur hervorgerufenen anisotropen optischen Eigenschaften ausgenutzt. Zum Bestimmen der Strukturdimensionen wird die Struktur mit elektromagnetischer Strahlung einer definierten Polarisation unter unterschiedlichen Ausrichtungen relativ zu der Struktur bestrahlt und jeweils die veränderte Polarisation der reflektierten Strahlung gemessen. Aus den Messgrößen kann anschließend auf die Strukturgrößen geschlossen werden. Nachteilig bei diesem Verfahren ist jedoch, dass sich die Auswertung, also die Korrelation der Messgrößen zu den Strukturgrößen, sehr kompliziert und aufwendig gestaltet. Darüber hinaus ist das Verfahren lediglich zum Bestimmen von Mittelwerten der Strukturgrößen ausgelegt, so dass keine oder nur unzureichende Aussagen über die Güte einer Struktur getroffen werden können.From the EP 1006348 A1 For example, another method based on ellipsometric measurement methods or apparatus for determining feature sizes of a regular pattern structure on a semiconductor wafer is known. In this case, the anisotropic optical properties caused by a regular structure introduced into a layer having intrinsically isotropic optical properties are exploited. In order to determine the structure dimensions, the structure is irradiated with electromagnetic radiation of a defined polarization at different orientations relative to the structure, and in each case the changed polarization of the reflected radiation is measured. From the measured variables, it is then possible to deduce the structure sizes. A disadvantage of this method, however, is that the evaluation, ie the correlation of the measured variables to the structure sizes, is very complicated and expensive. In addition, the method is designed only for determining average values of the feature sizes, so that no or only insufficient statements can be made about the quality of a structure.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes Verfahren bzw. eine verbesserte Vorrichtung bereitzustellen, mit deren Hilfe eine einfache und schnelle Bestimmung der Güte einer auf einer Oberfläche eines Trägers angeordneten Struktur mit einem regelmäßigen Muster ermöglicht wird.The Object of the present invention is to provide an improved To provide method or an improved device, with their help a simple and quick determination of the quality of a on a surface a carrier arranged structure with a regular pattern is made possible.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Vorrichtung gemäß Anspruch 20 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.These The object is achieved by a method according to claim 1 and a device according to claim 20 solved. Further advantageous embodiments are in the dependent claims specified.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Bestimmen der Güte einer auf einer Oberfläche eines Trägers angeordneten Struktur mit einem regelmäßigen Muster vorgeschlagen, bei welchem in einem ersten Verfahrensschritt ein Bereich der Struktur auf der Oberfläche mit einer elektromagnetischen Strahlung mit einer vorgegebenen Orientierung bestrahlt wird, in einem zweiten Verfahrensschritt ein Wert eines charakteristischen Parameters der reflektierten Strahlung ermittelt wird und in einem dritten Verfahrensschritt der ermittelte Wert mit einem Erwartungswert des charakteristischen Parameters bei Bestrahlen des Bereichs der Struktur auf der Oberfläche mit der elektromagnetischen Strahlung mit der vorgegebenen Orientierung verglichen wird, wobei die Abweichung zwischen dem er mittelten Wert und dem Erwartungswert als Maß für die Güte der Struktur herangezogen wird.According to the invention, a method for determining the quality of a structure arranged on a surface of a carrier with a regelmäßi In a first method step, an area of the structure on the surface is irradiated with electromagnetic radiation having a predetermined orientation, in a second method step a value of a characteristic parameter of the reflected radiation is determined and in a third method step the determined value is compared with an expected value of the characteristic parameter when irradiating the area of the structure on the surface with the electromagnetic radiation having the predetermined orientation, wherein the deviation between the averaged value and the expected value is used as a measure of the quality of the structure.

Dieses Verfahren basiert auf den durch eine Struktur hervorgerufenen optischen Eigenschaften einer Oberfläche. Eine unstrukturierte planare Oberfläche weist im allgemeinen isotrope optische Eigenschaften auf, lässt sich also mit Hilfe von isotropen optischen Konstanten beschreiben. Sofern auf einer solchen Oberfläche eine symmetrische Struktur mit einem idealen regelmäßigen Muster aufgebracht wird, werden die optischen Eigenschaften anisotrop, d.h. bei Bestrahlen der Struktur mit elektromagnetischer Strahlung verhalten sich charakteristische Parameter der reflektierten Strahlung wie beispielsweise die Polarisation abhängig von der Orientierung der Strahlung relativ zu der Struktur. Dieser Effekt wird auch als Formdoppelbrechung bezeichnet. Je mehr Variationen oder Abweichungen das Muster der Struktur aufweist, desto weniger stark sind die anisotropen Eigenschaften der Oberfläche ausgebildet. Bei einer vollkommen unregelmäßigen Struktur ohne jegliche Vorzugsrichtungen weist die Oberfläche wieder ein isotropes optisches Verhalten auf.This Method is based on the caused by a structure optical Properties of a surface. An unstructured planar surface is generally isotropic optical properties thus describe themselves with the help of isotropic optical constants. Unless on such a surface a symmetrical structure with an ideal regular pattern is applied, the optical properties are anisotropic, i. when irradiating the structure with electromagnetic radiation behavior characteristic parameters of the reflected radiation such as For example, the polarization depends on the orientation of the radiation relative to the structure. This effect is also called form birefringence designated. The more variations or deviations the pattern of the structure The less strong are the anisotropic properties the surface educated. In a completely irregular structure without any Preferential directions, the surface again has an isotropic optical Behavior on.

Der Erwartungswert des charakteristischen Parameters der reflektierten Strahlung beruht auf den vollständig ausgeprägten anisotropen Eigenschaften der strukturierten Oberfläche, also auf einer idealen Struktur mit einem regelmäßigen Muster. Sofern in dem bestrahlten Bereich die Strukturgrößen, also laterale Strukturdimensionen oder auch Tiefendimensionen, variieren und damit die Regelmäßigkeit des Musters der Struktur gestört ist, weicht der ermittelte Wert des charakteristischen Parameters von dessen Erwartungswert ab. Die Abweichung zwischen diesen beiden Werten, welche abhängig ist von der Stärke der Störung der Struktur, ist demnach ein Anhaltspunkt für die Größe der Variationen der Struktur und kann infolgedessen als ein Maß für die Güte der Struktur herangezogen werden. Auf diese Weise lässt sich die Güte der Struktur in dem bestrahlten Bereich einfach und schnell bestimmen.Of the Expected value of the characteristic parameter of the reflected Radiation relies on the complete pronounced anisotropic properties of the structured surface, ie on an ideal structure with a regular pattern. If in the irradiated area the structure sizes, so lateral structural dimensions or depth dimensions, vary and thus the regularity of Pattern of the structure disturbed is, deviates the determined value of the characteristic parameter from its expected value. The deviation between these two Values which are dependent is of the strength the disorder structure, is therefore a clue to the size of the variations of the structure and, as a result, can be used as a measure of the quality of the structure become. That way the goodness determine the structure in the irradiated area easily and quickly.

In der für die Praxis relevanten Ausführungsform wird die Orientierung der einfallenden elektromagnetischen Strahlung durch eine Polarisation der Strahlung und/oder einen schrägen Einfallswinkel mit einer vorgegebenen Ausrichtung relativ zu der Struktur festgelegt.In the for the practice relevant embodiment becomes the orientation of the incident electromagnetic radiation by a polarization of the radiation and / or an oblique angle of incidence fixed with a given orientation relative to the structure.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden die Verfahrensschritte bei mehreren Orientierungen der elektromagnetischen Strahlung durchgeführt. Da der charakteristische Parameter der reflektierten Strahlung bei Bestrahlen einer anisotrope Eigenschaften aufweisenden Oberfläche in Abhängigkeit der Orientierung einen sinusförmigen, periodischen Verlauf aufweist, ergibt sich hierdurch die Möglichkeit, die Güte der Struktur anhand eines Vergleichs der aus den ermittelten Werten und den Erwartungswerten zusammengesetzten Verläufe des charakteristischen Parameters zu beurteilen.According to one preferred embodiment the process steps at several orientations of the electromagnetic Radiation performed. Since the characteristic parameter of the reflected radiation at Irradiation of an anisotropic properties surface in dependence orientation a sinusoidal, has a periodic course, this results in the possibility the goodness structure based on a comparison of the values obtained and the expectation values of the characteristic curves To assess parameters.

In einer bevorzugten Ausführungsform decken die Orientierungen hierbei einen vorgegebenen Winkelbereich ab.In a preferred embodiment cover the orientations here a predetermined angular range from.

Dieser Winkelbereich beträgt gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform 360°, um wenigsten eine Periode des Verlaufs des charakteristischen Parameters zu ermitteln. Hierdurch kann der Vergleich der aus den ermittelten Werten und den Erwartungswerten zusammengesetzten Verläufe anhand der Amplitude, also der Differenz zwischen dem maximalen Wert und dem minimalen Wert des charakteristischen Parameters, durchgeführt werden. Falls die Struktur in dem bestrahlten Bereich Variationen aufweist, wodurch die anisotropen Eigenschaften abgeschwächt sind, ist auch die Amplitude des aus den ermittelten Werten des charakteristischen Parameters zusammengesetzten Verlaufs gegenüber der Amplitude des Verlaufs der Erwartungswerte verkleinert. Je mehr das Muster der Struktur gestört ist, desto kleiner ist die Amplitude des Verlaufs der ermittelten Werte. Bei einer vollkommen unregelmäßigen und damit optisch isotropen Struktur weisen die ermittelten Werte des charakteristischen Parameters unabhängig von der Orien tierung der einfallenden Strahlung einen konstanten Wert auf. Der Vergleich der Amplitude des Verlaufs der Erwartungswerte mit der Amplitude des Verlaufs der ermittelten Werte des charakteristischen Parameters lässt demzufolge einen guten Rückschluss auf die Güte der Struktur zu.This Angle range is according to one particular preferred embodiment 360 °, at least to determine a period of the course of the characteristic parameter. As a result, the comparison of the determined from the values and the expected values composite waveforms based on the amplitude, ie the difference between the maximum value and the minimum value of the characteristic parameter. If the structure in the irradiated area has variations, whereby the anisotropic Properties weakened are also the amplitude of the determined values of the Characteristic parameter composite course over the Amplitude of the course of the expectation values reduced. The more the pattern of the structure is disturbed, the smaller is the amplitude of the course of the determined values. In a completely irregular and Thus optically isotropic structure exhibit the determined values of the characteristic parameter regardless of the orientation of the incident radiation has a constant value. The comparison of Amplitude of the course of the expected values with the amplitude of the Course of the determined values of the characteristic parameter leaves accordingly a good inference on the goodness the structure too.

In einer alternativen Ausführungsform werden die Orientierungen so gewählt, dass der maximale Wert und der minimale Wert und damit die Amplitude des Verlaufs des charakteristischen Parameters ermittelt werden. Hierdurch wird das Verfahren sehr schnell, da die Verfahrensschritte lediglich bei den zwei Orientierungen durchgeführt werden müssen, bei welchen der maximale und der minimale Wert des charakteristischen Parameters ermittelt wird.In an alternative embodiment the orientations are chosen that the maximum value and the minimum value and therefore the amplitude the course of the characteristic parameter are determined. This makes the process very fast, as the process steps only at the two orientations must be performed at which the maximum and the minimum value of the characteristic Parameters is determined.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die Struktur mit unpolarisierter elektromagnetischer Strahlung bestrahlt, und ist die Intensität der reflektierten Strahlung der charakteristische Parameter. Diese Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens lässt sich mit einem relativ geringen Aufwand durchführen.According to a preferred embodiment, the structure with unpolarized electromagnetic irradiation of radiation and the intensity of the reflected radiation is the characteristic parameter. This embodiment of a method according to the invention can be carried out with relatively little effort.

In einer hierzu alternativen Ausführungsform wird die Struktur mit polarisierter elektromagnetischer Strahlung bestrahlt und ist die Intensität der reflektierten Strahlung und/oder die Änderung des Polarisationszustandes der Strahlung der charakteristische Parameter. Diese Ausführungsform ist zwar mit einem höheren Aufwand verbunden, ermöglicht aber ein genaueres Bestimmen der Güte der Struktur, da die Änderung des Polarisationszustandes einen besonders empfindlichen Parameter im Hinblick auf optische Eigenschaften einer strukturierten Oberfläche darstellt.In an alternative embodiment the structure is irradiated with polarized electromagnetic radiation and is the intensity the reflected radiation and / or the change of the polarization state the radiation of the characteristic parameters. This embodiment is with a higher one Effort connected, allows but a more accurate determination of the quality of the structure, since the change the polarization state a particularly sensitive parameter with regard to optical properties of a structured surface.

Bevorzugt ist es weiterhin, die Verfahrensschritte an wenigstens zwei Bereichen einer auf einer Oberfläche eines Halbleiterwafers angeordneten Struktur mit einem regelmäßigen Muster durchzuführen. Hierdurch ist es möglich, über den Halbleiter wafer verteilte lokale Variationen der Struktur, welche von einem fehlerhaften Fertigungs- bzw. Strukturierungsprozess herrühren können, zu bestimmen.Prefers it is still the process steps in at least two areas one on a surface a semiconductor wafer arranged structure with a regular pattern perform. This makes it possible over the Semiconductor wafer distributed local variations of the structure, which of a faulty manufacturing or structuring process may result, too determine.

Besonders bevorzugt ist es ferner, die Verfahrensschritte an äquivalenten Bereichen von wenigstens zwei Halbleiterwafern mit auf den Oberflächen angeordneten entsprechenden Strukturen mit einem regelmäßigen Muster durchzuführen. Auf diese Weise kann, sofern die Halbleiterwafer aus einer gemeinsamen Charge von Halbleiterwafern entnommen werden, welche dem gleichen Fertigungs- bzw. Strukturierungsprozess unterzogen wurden, eine bessere Beurteilung darüber getroffen werden, ob festgestellte Variationen der Struktur durch die Prozesse hervorgerufen werden.Especially it is also preferred that the process steps be equivalent Regions of at least two semiconductor wafers arranged on the surfaces perform corresponding structures with a regular pattern. On this way, if the semiconductor wafers from a common Lot of semiconductor wafers are taken, which are the same Manufacturing or structuring process have been better Judgment on it whether established variations of the structure are met the processes are evoked.

Erfindungsgemäß wird weiter eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens vorgeschlagen, welche eine Strahlungsquelle zum Aussenden der elektromagnetischen Strahlung, eine Aufnahmeeinrichtung zum Ermitteln des Wertes des charakteristischen Parameters der reflektierten Strahlung, eine Halteeinrichtung zum Halten des Trägers und eine Auswerteeinrichtung zum Vergleichen des ermittelten Wertes mit dem Erwartungswert des charakteristischen Parameters aufweist.According to the invention will continue a device for performing the method proposed which a radiation source for emitting the electromagnetic radiation, a recording device for determining the value of the characteristic parameter of the reflected radiation, a Holding device for holding the carrier and an evaluation device for comparing the determined value with the expected value of characteristic parameter.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:The The invention will be explained in more detail below with reference to FIGS. Show it:

1 schematische Darstellungen einer lateralen Struktur mit unterschiedlich regelmäßig ausgeprägtem Muster, 1 schematic representations of a lateral structure with patterns of varying regularity,

2 ein Ablaufdiagramm einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens, 2 a flow diagram of a first embodiment of a method according to the invention,

3 eine schematische Darstellung des Verlaufs von ellipsometrischen Parametern in Abhängigkeit eines Drehwinkels beim Bestrahlen einer optisch anisotropen Struktur, 3 a schematic representation of the course of ellipsometric parameters as a function of a rotation angle when irradiating an optically anisotropic structure,

4 eine 3 entsprechende Darstellung beim Bestrahlen einer optisch isotropen Struktur, 4 a 3 corresponding representation when irradiating an optically isotropic structure,

5 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung, und 5 a schematic representation of an embodiment of a measuring device according to the invention, and

6 ein Ablaufdiagramm einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens. 6 a flow diagram of a second embodiment of a method according to the invention.

1 zeigt drei schematische Darstellungen einer lateralen Struktur 1, 2, 3 mit unterschiedlich regelmäßig ausgeprägtem Muster. Die Struktur 1, 2, 3 ist auf der Oberfläche eines in 1 nicht dargestellten Halbleiterwafers angeordnet und mittels eines Strukturierungsprozesses hergestellt worden. Bei einer idealen Prozessführung ergibt sich die Struktur 1 mit einem sehr regelmäßigen Muster. Es kann jedoch auch vorkommen, dass sich die Struktur 2 mit Variationen ausbildet, bei welcher einige wenige Strukturelemente abweichende Strukturdimensionen aufweisen. Derartige Variationen können von Prozessproblemen herrühren. Im schlimmsten Falle ergibt sich die dargestellte Struktur 3 mit einem vollkommen unregelmäßigen Muster. 1 shows three schematic representations of a lateral structure 1 . 2 . 3 with different regularly pronounced pattern. The structure 1 . 2 . 3 is on the surface of an in 1 Not shown semiconductor wafer arranged and manufactured by means of a patterning process. Ideal process control results in the structure 1 with a very regular pattern. However, it may also happen that the structure 2 with variations in which a few structural elements have different structural dimensions. Such variations can result from process problems. In the worst case, the structure shown 3 with a completely irregular pattern.

Die dargestellten Bereiche der Oberfläche des Halbleiterwafers mit den verschiedenen Ausprägungen der Struktur 1, 2, 3 weisen unterschiedliche optische Eigenschaften auf. Die optischen Eigenschaften der Oberfläche bzw. eines Films, auf welchem die Struktur 1, 2, 3 ausgebildet ist, können über den dielektrischen Tensor bzw. die optischen Konstanten beschrieben werden.The illustrated areas of the surface of the semiconductor wafer with the various forms of the structure 1 . 2 . 3 have different optical properties. The optical properties of the surface or of a film on which the structure 1 . 2 . 3 can be described via the dielectric tensor or the optical constants.

In der Regel zeigen unstrukturierte Filme, welche aus den in der Halbleiterindustrie verwendeten Materialien bestehen, ein isotropes optisches Verhalten, lassen sich also durch isotrope optische Parameter beschreiben. Dies gilt gemäß „Effektiver Medium Theorien" wie beispielsweise der „Bruggemenn Ef fective Medium Approximation" (BEMA) auch für Filme aus Materialmischungen, solange die Wellenlängen der elektromagnetischen Strahlung wesentlich größer sind als die Abmessungen der aus den unterschiedlichen Materialkomponenten zusammengesetzten Bereiche.In usually show unstructured films, which from the in the semiconductor industry materials used, an isotropic optical behavior, can therefore be described by isotropic optical parameters. This applies according to "Effective medium Theories "such as the "Bruggemenn Effective Medium Approximation "(BEMA) as well for movies from material mixtures, as long as the wavelengths of the electromagnetic Radiation are much larger as the dimensions of the different material components compound areas.

Sobald ein Film mit einer sehr regelmäßigen Struktur wie der in 1 dargestellten Struktur 1 versehen ist, lassen sich jedoch anisotrope optische Eigenschaften beobachten, falls die Wellenlängen der elektromagnetischen Strahlung wesentlich größer sind als die Strukturdimensionen der Struktur. Bei Vorliegen von Strukturvariationen wie bei der Struktur 2 ist diese optische Anisotropie dagegen weniger deutlich ausgeprägt. Im Falle eines völlig unregelmäßigen Musters wie bei der Struktur 3 lässt sich keine Anisotropie mehr feststellen, vielmehr sind die optischen Eigenschaften der betreffenden Oberfläche isotrop.Once a movie with a very regular structure like the one in 1 illustrated structure 1 provided, however, can be anisotropic optical egg If the wavelengths of the electromagnetic radiation are significantly larger than the structural dimensions of the structure, In case of structural variations as in the structure 2 However, this optical anisotropy is less pronounced. In the case of a completely irregular pattern as in the structure 3 no more anisotropy can be detected, but the optical properties of the respective surface are isotropic.

Dieses durch unterschiedlich ausgeprägte Muster einer Struktur hervorgerufene optische Verhalten einer Oberfläche kann ausgenutzt werden, um die Güte einer Struktur auf der Oberfläche eines Halbleiterwafers zu bestimmen. Hierzu zeigt 2 ein Ablaufdiagramm einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens.This optical behavior of a surface caused by differently pronounced patterns of a structure can be exploited in order to determine the quality of a structure on the surface of a semiconductor wafer. This shows 2 a flow diagram of a first embodiment of a method according to the invention.

Bei diesem Verfahren wird in einem ersten Verfahrensschritt 21 ein Bereich der zu untersuchenden Struktur auf der Oberfläche des Halbleiterwafers mit polarisierter elektromagnetischer Strahlung, beispielsweise linear polarisierter elektromagnetischer Strahlung, unter einem schrägen Einfallswinkel mit einer vorgegebenen Ausrichtung relativ zu der Struktur bestrahlt. In einem nachfolgenden Verfahrensschritt 22 wird die durch die Reflexion der Strahlung an der Oberfläche hervorgerufene Änderung des Polarisationszustandes ermittelt. In der Regel ist die reflektierte Strahlung elliptisch polarisiert. Anschließend wird in einem nachfolgenden Verfahrensschritt 23 die Ausrichtung relativ zu der Struktur sukzessiv über einen Winkelbereich von 360° verändert, wobei zu jeder weiteren Ausrichtung weitere Werte der Änderung des Polarisationszustandes ermittelt werden. Dieser Verfahrensschritt 23 kann beispielsweise durch eine schrittweise Drehung des Halbleiterwafers um einen vorgegebenen Drehwinkel durchgeführt werden, wobei die Drehachse senkrecht zur Oberfläche des Halbleiterwafers verläuft. Anschließend werden in einem Verfahrensschritt 24 die ermittelten Werte mit Erwartungswerten der Änderung des Polarisationszustandes verglichen.In this process, in a first process step 21 irradiating a region of the structure to be examined on the surface of the semiconductor wafer with polarized electromagnetic radiation, for example linearly polarized electromagnetic radiation, at an oblique angle of incidence with a predetermined orientation relative to the structure. In a subsequent process step 22 the change in the polarization state caused by the reflection of the radiation at the surface is determined. As a rule, the reflected radiation is elliptically polarized. Subsequently, in a subsequent process step 23 the orientation relative to the structure is successively changed over an angular range of 360 °, wherein for each further alignment further values of the change of the polarization state are determined. This process step 23 can be performed, for example, by a stepwise rotation of the semiconductor wafer by a predetermined angle of rotation, wherein the axis of rotation is perpendicular to the surface of the semiconductor wafer. Subsequently, in a process step 24 the determined values are compared with expected values of the change of the polarization state.

Die Erwartungswerte entsprechen Werten der Änderung des Polarisationszustandes beim Bestrahlen einer entsprechenden Struktur auf der Oberfläche mit einem idealen regelmäßigen Muster, so dass Abweichungen zwischen den ermittelten Werten und den Erwartungswerten als Maß für die Güte der Struktur herangezogen werden können.The Expected values correspond to values of the change in polarization state when irradiating a corresponding structure on the surface with an ideal regular pattern, so that deviations between the determined values and the expected values as a measure of the quality of the structure can be used.

Die dargestellten Verfahrensschritte 21 und 22 stimmen im wesentlichen mit einer ellipsometrischen Messung überein. Durch Erfassen der bei einer Reflexion von elektromagnetischer Strahlung stattfindenden Änderung des Polarisationszustandes werden bei der Ellipsometrie üblicherweise optische Konstanten von Oberflächen oder auch Schichtdicken mit einer hohen Genauigkeit bestimmt. Grundsätzlich wird bei der Ellipsometrie die Änderung des Polarisationszustandes der Strahlung durch zwei ellipsometrische Parameter Δ und ψ dargestellt. Über den Parameter Δ wird eine Phasenverschiebung und über den Parameter ψ ein Amplitudenverhältnis von reflektierter und einfallender elektromagnetischer Strahlung abgebildet.The illustrated method steps 21 and 22 are essentially consistent with an ellipsometric measurement. By detecting the change in the state of polarization taking place when electromagnetic radiation is reflected, optical constants of surfaces or even layer thicknesses are usually determined with high accuracy in ellipsometry. Basically, in ellipsometry the change of the polarization state of the radiation is represented by two ellipsometric parameters Δ and ψ. A phase shift is mapped via the parameter Δ and an amplitude ratio of reflected and incident electromagnetic radiation is mapped via the parameter ψ.

Entsprechend wird auch bei dem in 2 dargestellten erfindungsgemäßen Verfahren die Änderung des Polarisationszustandes bevorzugt über die ellipsometrischen Parameter Δ und ψ dargestellt. Anhand der folgenden 3 und 4 wird deutlich, wie sich mittels dieser Parameter Δ und ψ die Güte einer Struktur bestimmen lässt.Accordingly, also in the in 2 illustrated inventive method, the change in the polarization state preferably via the ellipsometric parameters .DELTA. and ψ shown. Based on the following 3 and 4 It becomes clear how the quality of a structure can be determined by means of these parameters Δ and ψ.

3 zeigt einen schematischen Verlauf 4 der ellipsometrischen Parameter Δ und ψ in Abhängigkeit eines Drehwinkels φ bei Bestrahlen einer Oberfläche mit einer sehr regelmäßig ausgebildeten Struktur, wobei die Drehachse wiederum senkrecht zur Oberfläche verläuft. Zur Veranschaulichung ist in 3 eine Oberfläche 5 mit einer Linienstruktur gewählt, welche im Querschnitt dargestellt ist. Die Struktur weist einheitliche Linien mit einer Linienbreite b, einem Linienabstand a und einer Dicke d auf. 3 shows a schematic course 4 the ellipsometric parameters Δ and ψ as a function of a rotational angle φ when irradiating a surface with a very regularly formed structure, wherein the axis of rotation again runs perpendicular to the surface. By way of illustration is in 3 a surface 5 chosen with a line structure, which is shown in cross section. The structure has uniform lines with a line width b, a line spacing a, and a thickness d.

Beide Parameter Δ und ψ weisen jeweils einen periodischen und sinusförmigen Verlauf auf. Dieser Verlauf spiegelt die durch die regelmäßige Struktur hervorgerufenen anisotropen optischen Eigenschaften der Oberfläche 5 wieder, also die Abhängigkeit der Änderung des Polarisationszustandes, dargestellt über die ellipsometrischen Parameter Δ und ψ, von der Ausrichtung der einfallenden Strahlung relativ zu der Struktur und damit von dem Drehwinkel φ. Die Anzahl der Oszillationen innerhalb des dargestellten Winkelbereichs von 360° ist dabei abhängig von den Symmetrieeigenschaften der Struktur.Both parameters Δ and ψ each have a periodic and sinusoidal course. This course reflects the anisotropic optical properties of the surface caused by the regular structure 5 again, ie the dependence of the change of the polarization state, represented by the ellipsometric parameters Δ and ψ, on the orientation of the incident radiation relative to the structure and thus on the angle of rotation φ. The number of oscillations within the illustrated angular range of 360 ° depends on the symmetry properties of the structure.

Im Unterschied hierzu zeigt 4 einen schematischen Verlauf 6 der ellipsometrischen Parameter Δ und ψ bei Bestrahlen einer Oberfläche mit isotropen optischen Eigenschaften, für welche zur Veranschaulichung eine unstrukturierte Oberfläche 7 dargestellt ist. Aufgrund der Isotropie sind die Änderung des Polarisationszustandes der reflektierten Strahlung und damit auch die ellipsometrischen Parameter Δ und ψ unabhängig von der Ausrichtung relativ zu der Struktur. Folglich weisen die Parameter Δ und ψ für jeden Drehwinkel φ einen konstanten Wert auf, was sich in dem geradlinigen Verlauf 6 der Parameter Δ und ψ äußert.In contrast to this shows 4 a schematic course 6 the ellipsometric parameter Δ and ψ when irradiating a surface with isotropic optical properties, for illustration an unstructured surface 7 is shown. Due to the isotropy, the change of the polarization state of the reflected radiation and thus also the ellipsometric parameters Δ and ψ are independent of the orientation relative to the structure. Consequently, the parameters Δ and ψ have a constant value for each rotation angle φ, which results in the rectilinear course 6 the parameter Δ and ψ expresses.

Einen derartigen Verlauf 6 der ellipsometrischen Parameter Δ und ψ erhält man auch beim Bestrahlen einer Struktur mit einem völlig unregelmäßigen Muster, wie beispielsweise der in 1 dargestellten Struktur 3. Je mehr also das Muster ei ner Struktur gestört ist, desto weniger abhängig sind die Parameter Δ und ψ von dem Drehwinkel φ und desto geringer ist die Amplitude, also die Differenz zwischen den jeweiligen maximalen und minimalen Werten der Parameter Δ und ψ.Such a course 6 The ellipsometric parameters Δ and ψ are also obtained when irradiating a structure with a completely irregular pattern, such as the one shown in FIG 1 illustrated structure 3 , The more so the pattern egg ner Structure is disturbed, the less dependent are the parameters Δ and ψ of the rotation angle φ and the lower the amplitude, ie the difference between the respective maximum and minimum values of the parameters Δ and ψ.

Demzufolge kann in Verfahrensschritt 24 des in 2 dargestellten erfindungsgemäßen Verfahrens anhand des Vergleichs der ermittelten Werte der ellipsometrischen Parameter Δ und ψ mit deren Erwartungswerten bzw. anhand des Vergleichs der aus den ermittelten Werten zusammengesetzten Verläufe mit den erwarteten Verläufen die Güte der untersuchten Struktur beurteilt werden. Dies kann auch anhand der Werte von lediglich einem der Parameter Δ bzw. ψ erfolgen.Accordingly, in process step 24 of in 2 The method according to the invention can be assessed on the basis of the comparison of the determined values of the ellipsometric parameters Δ and ψ with their expected values or on the basis of the comparison of the profiles composed of the determined values with the expected progressions of the quality of the examined structure. This can also be done using the values of only one of the parameters Δ or ψ.

Günstig ist insbesondere ein Vergleichen der Amplituden der jeweiligen Verläufe der ellipsometrischen Parameter Δ und ψ. Hierzu muss das in Verfahrensschritt 23 durchgeführte sukzessive Verändern der Ausrichtung relativ zu der Struktur keinen Winkelbereich von 360° abdecken. Es genügt auch ein kleinerer Winkelbereich, in dem jeweils nur ein maximaler und ein minimaler Wert der Parameter Δ und ψ aufgenommen wird, um die Amplitude zu bestimmen.In particular, it is advantageous to compare the amplitudes of the respective courses of the ellipsometric parameters Δ and ψ. This must be done in process step 23 performed successive changing the orientation relative to the structure cover no angle range of 360 °. It is also sufficient a smaller angle range, in each of which only a maximum and a minimum value of the parameters Δ and ψ is taken to determine the amplitude.

Entsprechend besteht die Möglichkeit, die Messung lediglich bei den zwei Ausrichtungen durchzuführen, die die jeweiligen maximalen und minimalen Werte der Parameter Δ und ψ liefern, wodurch das Verfahren sehr schnell wird. Dies gilt insbesondere für den Fall, dass die Messung zu diesen zwei Ausrichtungen zeitgleich durchgeführt wird.Corresponding it is possible, to perform the measurement only at the two orientations, the provide the respective maximum and minimum values of the parameters Δ and ψ, which makes the process very fast. This is especially true for the Case that the measurement is made to these two alignments at the same time.

Anstatt bei dem in 2 dargestellten erfindungsgemäßen Verfahren die Änderung des Polarisationszustandes der elektromagnetischen Strahlung über die ellipsometrischen Parameter Δ und ψ wiederzugeben, kommen alternativ andere optische Parameter in Betracht. Hierzu können beispielweise auch der Brechungsindex n und/oder der Absorptionskoeffizient k herangezogen werden.Instead of the in 2 represented inventive method, the change of the polarization state of the electromagnetic radiation via the ellipsometric parameters .DELTA. and ψ reproduce, alternatively other optical parameters come into consideration. For this purpose, for example, the refractive index n and / or the absorption coefficient k can be used.

Die für die Beurteilung der ermittelten Werte benötigten Erwartungswerte bzw. deren Verlauf werden vorzugsweise mithilfe eines Modells einer der gemessenen Struktur entsprechenden Struktur mit einem idealen regelmäßigen Muster berechnet. Wahlweise besteht auch die Möglichkeit, die Erwartungswerte durch Bestrahlen eines Bereiches einer der gemessenen Struktur entsprechenden, auf einem Halbleiterwafer angeordneten Teststruktur mit einem bekannten idealen regelmäßigen Muster mit elektromagnetischer Strahlung der gleichen Polarisation, unter dem gleichen schrägen Einfallswinkel und den entsprechenden Ausrichtungen und durch Ermitteln der Werte der reflektierten Strahlung zu gewinnen. Die Regelmäßigkeit des Musters dieser Teststruktur kann vorab mit einem bildgebenden Verfahren, beispielsweise mittels eines Rasterelektronenmikroskops, verifiziert werden.The for the Assessment of the determined values required expectation values or their course are preferably measured using a model of one of the Structure corresponding structure with an ideal regular pattern calculated. Optionally, there is also the possibility of the expected values by irradiating a region of one of the measured structures, on a semiconductor wafer arranged test structure with a known ideal regular pattern with electromagnetic radiation of the same polarization, below the same oblique Angle of incidence and the corresponding orientations and by determining to gain the values of the reflected radiation. The regularity The pattern of this test structure can be preceded by an imaging Method, for example by means of a scanning electron microscope, be verified.

Das Bestrahlen des Bereichs der Struktur kann sowohl mit elektromagnetischer Strahlung mit einer vorgegebenen Wellenlänge oder auch spektroskopisch mit elektromagnetischer Strahlung eines Wellenlängenbereichs erfolgen. Die eingesetzten Wellenlängen müssen wie oben beschrieben wesentlich größer sein als die Strukturgrößen, um die anisotropen, durch die Formdoppelbrechung hervorgerufenen Eigenschaften bzw. Abschwächungen derselben beobachten zu können. Hierdurch werden auch die Messung negativ beeinflussende Beugungseffekte unterdrückt.The Irradiating the area of the structure can be both electromagnetic Radiation with a given wavelength or spectroscopically take place with electromagnetic radiation of a wavelength range. The used wavelengths have to as described above, be significantly larger than the feature sizes the anisotropic properties caused by the birefringence of form or weakening to observe the same. As a result, the measurement negatively influencing diffraction effects suppressed.

Die eingesetzten Wellenlängen sind vorzugsweise um einen Faktur 5 bis 10 größer als die Strukturgrößen der Struktur. Aus diesem Grund werden zur Untersuchung von lateralen Variationen an der Oberfläche von auf Halbleiterwafern angeordneten Strukturen, welche heutzutage Strukturgrößen im Bereich von 100 nm aufweisen, Wellenlängen im optisch sichtbaren Bereich eingesetzt. Zur Untersuchung von Tiefenvariationen von beispielsweise Grabenstrukturen, welche Tiefen im Bereich mehrerer μm aufweisen, eignet sich elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen im Infrarotbereich. Im Gegensatz zu elektro magnetischer Strahlung im optisch sichtbaren Bereich zeichnet sich Strahlung im Infrarotbereich zudem durch eine geringe Absorption und dadurch eine hohe Eindringtiefe in den im wesentlichen aus Silizium bestehenden Halbleiterwafern aus.The wavelengths used are preferably one billing 5 to 10 larger than the structure sizes of the structure. For this reason, wavelengths in the optically visible range are used to investigate lateral variations on the surface of structures arranged on semiconductor wafers which today have feature sizes in the region of 100 nm. For examining depth variations of, for example, trench structures having depths in the range of several μm, electromagnetic radiation with wavelengths in the infrared range is suitable. In contrast to electromagnetic radiation in the optically visible range, radiation in the infrared range is also characterized by low absorption and thus a high penetration depth in the semiconductor wafers consisting essentially of silicon.

Zur Beurteilung von über den Halbleiterwafer verteilten Variationen der Struktur, welche von einem fehlerhaften Strukturierungsprozess herrühren können, werden bei dem in 2 dargestellten erfindungsgemäßen Verfahren in einem zusätzlichen Verfahrensschritt 25 die Verfahrensschritte 21 bis 24 an weiteren Bereichen der Oberfläche des Halbleiterwafers durchgeführt. Zum Erfassen von lokal sehr beschränkten Variationen sollte jeweils ein entsprechend kleiner Bereich bestrahlt werden. Grundsätzlich muss ein bestrahlter Bereich mindestens zehn Strukturelemente der Struktur umfassen, um eine für die Messung erforderliche Mittelung zu gewährleisten.For the evaluation of variations of the structure distributed over the semiconductor wafer, which may result from a faulty patterning process, in the 2 illustrated inventive method in an additional process step 25 the process steps 21 to 24 performed on other areas of the surface of the semiconductor wafer. To detect locally very limited variations, a correspondingly small area should be irradiated. In principle, an irradiated area must comprise at least ten structural elements of the structure in order to ensure averaging required for the measurement.

Um möglichst schnell einen Überblick darüber zu erhalten, ob ein Halbleiterwafer Strukturvariationen aufweist bzw. wie sich Variationen über den Halbleiterwafer verteilen, können auch lediglich durch Bestrahlen verschiedener Bereiche der Oberfläche Werte bzw. Verläufe der Änderung des Polarisationszustandes ermittelt und diese miteinander verglichen werden. Für eine genauere Einschätzung können diese Werte dann den entsprechenden Erwartungswerten gegenübergestellt werden.Around preferably quickly an overview about that to determine whether a semiconductor wafer has structural variations or how variations over distribute the semiconductor wafer can also merely by irradiating different areas of the surface values or gradients the change the polarization state determined and compared with each other become. For a more accurate assessment, these can Values then compared to the corresponding expected values become.

Um eine bessere Beurteilung darüber treffen zu können, ob festgestellte Variationen der Struktur durch einen fehlerhaften Strukturierungsprozess hervorgerufen werden, werden in einem Verfahrensschritt 26 die Verfahrensschritte 21 bis 24 an äquivalenten Bereichen von weiteren Halbleiterwafern, welche dem gleichen Strukturierungsprozess unterzogen wurden, durchgeführt.In order to be able to make a better judgment as to whether identified variations of the structure are caused by a faulty structuring process, in one process step 26 the process steps 21 to 24 at equivalent areas of other semiconductor wafers subjected to the same patterning process.

5 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung 10, mittels derer das in 2 dargestellte Verfahren zur Untersuchung einer auf einer Oberfläche eines Halbleiterwafers 17 angeordneten Struktur durchgeführt werden kann. Die Messvorrichtung 10 weist eine Halteeinrichtung 13 zum Halten des Halbleiterwafers 17 auf. Über die Halteeinrichtung 13, welche an eine Auswerteeinrichtung 16 angeschlossen ist, kann der Halbleiterwafer lateral in einer XY-Ebene und in der Höhe justiert werden, als auch um einen Drehwinkel φ gedreht werden. Die Drehachse, welche senkrecht zur Oberfläche des Halbleiterwafers 17 verläuft, ist in 6 durch eine Flächennormale N des Halbleiterwafers 17 dargestellt. 5 shows an embodiment of a measuring device according to the invention 10 , by means of which the in 2 illustrated method for examining a on a surface of a semiconductor wafer 17 arranged structure can be performed. The measuring device 10 has a holding device 13 for holding the semiconductor wafer 17 on. About the holding device 13 which are connected to an evaluation device 16 is connected, the semiconductor wafer can be laterally adjusted in an XY plane and in height, as well as rotated by a rotation angle φ. The axis of rotation, which is perpendicular to the surface of the semiconductor wafer 17 runs, is in 6 by a surface normal N of the semiconductor wafer 17 shown.

Über eine Strahlungsquelle 11 wird der Halbleiterwafer unter einem Einfallswinkel α mit elektromagnetischer Strahlung bestrahlt. Mittels eines Polarisators 12 lässt sich die einfallende Strahlung polarisieren. Vorzugsweise wird hierbei eine lineare Polarisation gewählt. Dies ist anhand eines elektrischen Feldvektors E_i der einfallenden Strahlung sowie dessen Komponenten E_p und E_s parallel bzw. senkrecht zu einer durch die Flächennormale N und die einfallende Strahlung aufgespannten Ebene dargestellt.About a radiation source 11 the semiconductor wafer is irradiated with electromagnetic radiation at an angle of incidence α. By means of a polarizer 12 the incident radiation can be polarized. Preferably, a linear polarization is chosen here. This is illustrated by means of an electric field vector E _{i of} the incident radiation and its components E _p and E _s parallel or perpendicular to a plane spanned by the surface normal N and the incident radiation.

An der Oberfläche des Halbleiterwafers 17 wird die Strahlung unter einem dem Einfallswinkel α entsprechenden Reflexionswinkel β reflektiert. Die im allgemeinen elliptische Polarisation der reflektierten Strahlung ist über einen elektrischen Feldvektor E_r dargestellt. Die Polarisation der Strahlung wird mithilfe eines Analysators 14 und eines die Intensität messenden Detektors 15 bestimmt. Der Analysator 14 lässt entsprechend dem Polarisator 12 in Abhängigkeit eines Azimutwinkels θ nur bestimmte Polarisationszustände der Strahlung hindurch. Zum Bestimmen der Polarisation der reflektierten Strahlung wird die Intensität in Abhängigkeit des Azimutwinkels θ des Analysators 14 gemessen.On the surface of the semiconductor wafer 17 the radiation is reflected at a reflection angle β corresponding to the angle of incidence α. The generally elliptical polarization of the reflected radiation is represented by an electric field vector E _r . The polarization of the radiation is measured using an analyzer 14 and an intensity measuring detector 15 certainly. The analyzer 14 leaves according to the polarizer 12 depending on an azimuth angle θ only certain polarization states of the radiation therethrough. For determining the polarization of the reflected radiation, the intensity becomes dependent on the azimuth angle θ of the analyzer 14 measured.

Der Analysator 14 und der Detektor 15 sind beide an die Auswerteeinrichtung 16 angeschlossen. Mittels der Auswerteeinrichtung 16 werden die bei verschiedenen Einstellungen des Drehwinkels φ gemessenen Werte der Änderung der Polarisation mit den Erwartungswerten verglichen, um ein Maß für die Güte der Struktur in dem bestrahlten Bereich zu erhalten. Die Erwartungswerte sind dazu in der Auswerteeinrichtung 16 abgelegt. Um über den Halbleiterwafer 17 verteilte Variationen der Struktur zu erfassen, wird der Halbleiterwafer 17 mittels der Halteeinrichtung 13 zu weiteren Positionen verschoben, um weitere Bereiche der Oberfläche zu bestrahlen.The analyzer 14 and the detector 15 Both are connected to the evaluation device 16 connected. By means of the evaluation device 16 For example, the values of the change in the polarization measured at different settings of the rotation angle φ are compared with the expected values in order to obtain a measure of the quality of the structure in the irradiated area. The expected values are in the evaluation device 16 stored. To over the semiconductor wafer 17 To detect distributed variations of the structure becomes the semiconductor wafer 17 by means of the holding device 13 moved to further positions to irradiate further areas of the surface.

Anstatt bei dem in 2 dargestellten Verfahren einen schrägen Einfallswinkel einzusetzen, besteht wahlweise die Möglichkeit, die Oberfläche senkrecht zu bestrahlen. Hierbei wird die Ausrichtung relativ zu der Struktur über die Polarisationsrichtung der einfallenden Strahlung festgelegt. Möglich ist es auch, das Verfahren bei mehreren unterschiedlichen Einfallswinkeln durchzuführen, um beispielweise eine bessere Anpassung der Messung an eine gegebene Struktur herbeizuführen.Instead of the in 2 As shown methods used to use an oblique angle of incidence, there is the option of irradiating the surface perpendicularly. In this case, the orientation relative to the structure is determined by the polarization direction of the incident radiation. It is also possible to perform the method at several different angles of incidence, for example to bring about a better adaptation of the measurement to a given structure.

Eine weitere Alternative besteht in der Verwendung von unpolarisierter elektromagnetischer Strahlung. Hierzu zeigt 6 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens.Another alternative is the use of unpolarized electromagnetic radiation. This shows 6 a second embodiment of a method according to the invention.

Bei diesem Verfahren wird in einem ersten Verfahrensschritt 31 ein Bereich der Struktur auf der Oberfläche des Halbleiterwafers mit unpolarisierter elektromagnetischer Strahlung unter einem schrägen Einfallswinkel mit einer vorgegebenen Ausrichtung relativ zu der Struktur bestrahlt und in einem darauffolgenden Verfahrensschritt 32 die Intensität der reflektierten Strahlung ermittelt. Anschließend wird in einem Verfahrensschritt 33 die Ausrichtung relativ zu der Struktur sukzessiv über einen Winkelbereich von 360° verändert, um weitere Werte zu ermitteln. In einem nachfolgenden Verfahrensschritt 34 werden die ermittelten Werte mit Erwartungswerten verglichen, um ein Maß für die Güte der Struktur zu erhalten.In this process, in a first process step 31 a portion of the structure on the surface of the semiconductor wafer is irradiated with unpolarized electromagnetic radiation at an oblique angle of incidence at a predetermined orientation relative to the structure and in a subsequent process step 32 determines the intensity of the reflected radiation. Subsequently, in a process step 33 the alignment relative to the structure is successively changed over an angular range of 360 ° in order to determine further values. In a subsequent process step 34 the values obtained are compared with expected values in order to obtain a measure of the quality of the structure.

Entsprechend der oben beschriebenen Ausführungsform wird bei diesem Verfahren das durch die Struktur hervorgerufene optische Verhalten der Oberfläche ausgenutzt. Bei einer idealen regelmäßigen Struktur beschreibt die gemessene Intensität in Abhängigkeit der Ausrichtung der Strahlung relativ zu der Struktur einen periodischen sinusförmigen Verlauf. Störungen der Regelmäßigkeit des Musters äußern sich wiederum in einer Verkleinerung der Amplitude.Corresponding the embodiment described above In this process, the structure caused by the structure optical behavior of the surface exploited. In an ideal regular structure describes the measured intensity dependent on the orientation of the radiation relative to the structure a periodic sinusoidal Course. disorders the regularity of the pattern express themselves again in a reduction of the amplitude.

Da die Güte der Struktur lediglich anhand der Intensität der reflektierten Strahlung bestimmt wird, zeichnet sich dieses Verfahren durch einen geringeren Aufwand aus. Nachteilig ist jedoch, dass die Messung der Intensität weniger sensitiv auf Strukturvariationen ist, so dass sich die Güte der Struktur weniger genau beurteilen lässt.There the goodness the structure only on the basis of the intensity of the reflected radiation is determined, this method is characterized by a lower Effort out. The disadvantage, however, is that the measurement of intensity less is sensitive to structural variations, so that the quality of the structure less accurately judged.

Entsprechend den Erläuterungen zu der oben beschriebenen ersten Ausführungsform lässt sich das in 6 dargestellte Verfahren mit elektromagnetischer Strahlung einer Wellenlänge oder spektroskopisch mit Strahlung eines Wellenlängenbereichs durchführen, wobei die Wellenlängen wiederum wesentlich größer sind als die Strukturgrößen der untersuchten Struktur. Ferner ist es günstig, das Verfahren an verschiedenen Bereichen des Halbleiterwafers bzw. an äquivalenten Bereichen von mehreren Halbleiterwafern durchzuführen. Darüber hinaus sind auch für dieses Verfahren die oben beschriebenen Abwandlungen wie beispielsweise das Abdecken eines kleineren Winkelbereichs vorstellbar.According to the explanation of the first embodiment described above, the in 6 illustrated method with electromagnetic radiation of a wavelength or spectroscopically with radiation of a wavelengths range, wherein the wavelengths are in turn substantially larger than the structure sizes of the examined structure. Furthermore, it is favorable to carry out the method on different regions of the semiconductor wafer or on equivalent regions of a plurality of semiconductor wafers. In addition, the modifications described above, such as covering a smaller angular range are conceivable for this method.

Die anhand der Figuren erläuterten erfindungsgemäßen Verfahren und die erfindungsgemäße Messvorrichtung sind nicht nur zur Bestimmung der Güte von auf Oberflächen von Halbleiterwafern angeordneten Strukturen geeignet. Möglich ist auch die Beurteilung von auf anderen Trägern angeordneten Strukturen.The explained with reference to the figures inventive method and the measuring device according to the invention are not just for determining the quality of on surfaces of Semiconductor wafers arranged structures suitable. Is possible also the assessment of structures arranged on other supports.

11: Struktur mit regelmäßigem Musterstructure with a regular pattern
22: Struktur mit Variationenstructure with variations
33: Struktur mit unregelmäßigem Musterstructure with irregular pattern
44: Verlauf der ellipsometrischen Parametercourse the ellipsometric parameter
55: Oberfläche mit LinienstrukturSurface with line structure
66: Verlauf der ellipsometrischen Parametercourse the ellipsometric parameter
77: Unstrukturierte Oberflächeunstructured surface
1010: Messvorrichtungmeasuring device
1111: Strahlungsquelleradiation source
1212: Polarisatorpolarizer
1313: Halteeinrichtungholder
1414: Analysatoranalyzer
1515: Detektordetector
1616: Auswerteeinrichtungevaluation
1717: HalbleiterwaferSemiconductor wafer
21, 22, 23, 2421 22, 23, 24: Verfahrensschrittesteps
25, 2625 26: Verfahrensschrittesteps
31, 32, 33, 3431 32, 33, 34: Verfahrensschrittesteps
aa: Linienabstandline spacing
bb: Linienbreitelinewidth
dd: Dickethickness
NN: Flächennormalesurface normal
E_i E _i: Elektrischer Feldvektor der einfallendenelectrical Field vector of the incident
: Strahlungradiation
E_p E _p: Komponente von E_i parallel zur EinfallsebeneComponent of E _i parallel to the plane of incidence
E_s E _s: Komponente von E_i senkrecht zur EinfallsebeneComponent of E _i perpendicular to the plane of incidence
E_r E _r: Elektrischer Feldvektor der reflektiertenelectrical Field vector of the reflected
: Strahlungradiation
αα: Einfallswinkelangle of incidence
ββ: Reflexionswinkelangle of reflection
φφ: Drehwinkelangle of rotation
θθ: Azimutwinkelazimuth angle
Δ, ψΔ, ψ: Ellipsometrische Parameterellipsometric parameter

Claims

Method for determining the quality of a material on a surface of a carrier ( 17 ) having a regular pattern comprising the steps of: a) irradiating a portion of the structure on the surface with an electromagnetic radiation having a predetermined orientation; b) determining a value of a characteristic parameter (Δ, ψ) of the reflected radiation; c) comparing the determined value with an expected value of the characteristic parameter (Δ, ψ) when irradiating the area of the structure on the surface with the electromagnetic radiation having the predetermined orientation, wherein the deviation between the determined value and the expected value as a measure of the quality the structure is used.

The method of claim 1, wherein the orientation by a polarization of the radiation and / or an oblique angle of incidence (α) with a predetermined orientation relative to the structure becomes.

Method according to one of the preceding claims, wherein the process steps a) to c) at several orientations of electromagnetic radiation.

The method of claim 3, wherein the orientations cover a given angular range.

The method of claim 4, wherein the angular range 360 °.

Method according to one of claims 3 or 4, wherein the orientations so chosen be that the maximum value and the minimum value of the characteristic Parameters (Δ, ψ) determined become.

Method according to one of the preceding claims, wherein irradiated the structure with unpolarized electromagnetic radiation will and the intensity the reflected radiation is the characteristic parameter.

Method according to one of claims 1 to 6, wherein the structure with polarized electromagnetic shear radiation is irradiated and the intensity of the reflected radiation and / or the change of the polarization state (Δ, ψ) of the radiation is the characteristic parameter.

Method according to one of the preceding claims, wherein the expected value of the characteristic parameter (Δ, ψ) with help a model of a structure corresponding to the measured structure with an ideal regular pattern is calculated.

Method according to one of claims 1 to 8, wherein the expected value of the characteristic parameter (Δ, ψ) by irradiating a portion of a the measured structure corresponding, arranged on a support Test structure with a known ideal regular pattern with the electromagnetic Radiation with the given orientation and determining a Value of the characteristic parameter (Δ, ψ) of the reflected radiation is won.

Method according to one of the preceding claims, wherein electromagnetic radiation of a predetermined wavelength used which is much larger as a structural size of the structure.

Method according to one of claims 1 to 10, wherein electromagnetic Radiation is used which extends over a wavelength range extends, with the wavelengths are much larger as a structural size of the structure.

Method according to one of claims 11 or 12, wherein the used wavelength by a factor of five until ten are bigger as the structure size of the structure.

Method according to one of the preceding claims, wherein the method steps a) to c) are carried out at several angles of incidence.

Method according to one of the preceding claims, wherein the irradiated area of the structure is a pattern of at least ten Includes structural elements.

Method according to one of the preceding claims, wherein the method steps a) to c) at at least two areas of a on a surface of a semiconductor wafer ( 17 ) arranged structure are performed with a regular pattern.

Method according to one of the preceding claims, wherein the process steps a) to c) at equivalent ranges of at least two semiconductor wafers with corresponding ones disposed on the surfaces Structures with a regular pattern carried out become.

Method according to one of claims 16 or 17, wherein electromagnetic Radiation with wavelengths is used in the optically visible range.

Method according to one of claims 16 or 17, wherein electromagnetic Radiation with wavelengths is used in the infrared area.

Device for carrying out the method according to one of the preceding claims with a radiation source ( 11 ) for emitting the electromagnetic radiation, a receiving device ( 14 . 15 ) for determining the value of the characteristic parameter (Δ, ψ) of the reflected radiation, a holding device ( 13 ) for holding the carrier ( 17 ) and an evaluation device ( 16 ) for comparing the determined value with the expected value of the characteristic parameter (Δ, ψ).