DE2414034A1

DE2414034A1 - Verfahren zur messung der dicke mehrerer uebereinanderliegender schichten

Info

Publication number: DE2414034A1
Application number: DE2414034A
Authority: DE
Inventors: George Tipton Galyon
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1973-03-26
Filing date: 1974-03-22
Publication date: 1974-10-10
Also published as: FR2223662B1; JPS49129558A; FR2223662A1; US3824017A; JPS579002B2; GB1420298A

Description

Böblingen, 21. März 1974 pr-fr

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 10504

Amtl. Aktenzeichen: . Neuanineldung Aktenzeichen der Anmelderin: FI 972 092

Verfahren zur Messung der Dicke mehrerer übereinanderliegender Schichten

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Dicke mehrerer übereinanderliegender Schichten, die mindestens für einen bestimmten elektromagnetischen Wellenlängenbereich durchsichtig sind.

Auf vielen Gebieten der Technik, insbesondere aber bei der Herstellung von integrierten Halbleiterschaltungen, sind genaue zerstörungsfreie Messungen der Dicke einer oder mehrerer übereinanderliegender Schichten erforderlich. Diese Messungen sind, in großer Zahl sowohl bei der Entwicklung neuer integrierter Halbleiterschaltungen und bei dem zu ihrer Herstellung verwendeten Verfahren als auch bei der laufenden Überwachung und Steuerung der Produktion sowie bei der Qualitätskontrolle erforderlich. Die bisher bekanntgewordenen interferometrischen Verfahren sind selbst für die Dickenmessung einzelner Schichten sehr umständlich und zeitraubend, während sie für die Messung der Dicke mehrerer übereinanderliegender Schichten in den meisten Fällen nicht verwendbar sind.

In der Literaturstelle "Solid, State Electronics", Pergamon Press, Juli 1970, Vol. 13, Nr."~7T~*eiten 957-960 wird ein Verfahren zur Messung der Dicke einer Siliziumdioxid(SiO,)-Schicht mit inter-

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ferometrischen Hilfsmitteln beschrieben. Die interferometrischen Meßverfahren können ganz allgemein in zwei Kategorien eingeteilt werden: Erstens, das in der obengenannten Literaturstelle beschriebene und unter der Bezeichnung Vamfo bekannte Verfahren, das von W. A. Pliskin und E. E. Conrad ausgearbeitet wurde und zweitens, das unter der Bezeichnung Caris bekannte Verfahren, wie es beispielsweise von Coyle, Reizman und Goldsmith in "The Investigation of Double Layers in Semiconductor Technology" Solid State Electronics, Pergamon Press 1970, Vol. 13, No. 6, S. 807-814 beschrieben wurde. Beim erstgenannten Verfahren werden Interferenzringe durch Veränderung des Beobachtungswinkels bei konstanter Wellenlänge erzeugt, während im zweitgenannten Verfahren die Wellenlänge verändert und der Einfallswinkel konstant gehalten wird. Mit beiden diesen Verfahren ist es möglich, die Dicke einer dünnen Schicht mit einer relativ hohen Genauigkeit zu messen. Im obengenannten Aufsatz wird die Messung der Dicke einer einzigen Siliziumdioxidschicht beschrieben und im einzelnen diskutiert. Auf den Seiten 807-814 der obengenannten Veröffentlichung, Vol. 13, No. 6 wird ein Verfahren zur Untersuchung doppelter dünner Schichten auf Halbleiteranordnungen beschrieben, mit dem es möglich ist, die Dicke der einen Schicht bei Bekanntsein der Dicke der anderen Schicht zu messen. Unter bestimmten Voraussetzungen ist es auch möglich, mit dem genannten Verfahren die Dicken jeder der beiden Schichten zu bestimmen. Dazu ist aber ein schrittweises Ätzen der obersten Schicht erforderlich, um die Form der bei der Durchführung der Berechnung der Dicken der einzelnen Schichten erforderlichen Kurven zu bestimmen.

Da in letzter Zeit, insbesondere in der Halbleiterindustrie, das Isolieren und Passivieren von Halbleiterschichten sowie das Aufbringen von bestimmte Verunreinigungen und Zusammensetzungen aufweisenden Schichten in immer größerem Umfang angewendet wird' und wobei, bedingt durch die immer kleiner werdenden Abmessungen der einzelnen integrierten Schaltungen immer höhere Anforderungen sowohl an die Geschwindigkeit als auch an die Genauigkeit der eingesetzten Meßverfahren gestellt werden, konnten diese Aufgaben mit den bekannten Verfahren und Hilfsmitteln nicht gelöst

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werden. Als besonders wichtig haben sich für die verschiedensten Schritte der Entwicklung, der Produktionssteuerung und der Qualitätsprüfung sehr genau arbeitende Meßverfahren als erforderlich erwiesen, die bei geringer Störanfälligkeit und kurzen Meßzeiten vor allem auch eine absolut zerstörungsfreie Messung ermöglichen. Die Erfindung geht von der Aufgabenstellung aus, ein Verfahren zum Messen der Dicke einer oder mehrere übereinander liegender Schichten anzugeben, bei denen die Nachteile der bekannten Meßverfahren vermieden und die oben aufgeführten Vorteile erzielt werden können.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein Verfahren zur Messung der Dicke mehrerer übereinanderliegender Schichten, die mindestens für einen bestimmten elektromagnetischen Wellenlängenbereich durchsichtig sind, gelöst, das gekennzeichnet ist durch folgende Schritte:

a) Abtastung der zusammengesetzten Schicht durch elektromagnetische Strahlung mit sich ändernder Wellenlänge, wobei der einfallende und/oder der reflektierte Strahl senkrecht oder parallel zur Einfallsebene polarisiert wird;

b) Abtastung der zusammengesetzten Schicht durch elektromagnetische Strahlung mit sich ändernder Wellenlänge, wobei der einfallende und/oder der reflektierte Strahl senkrecht zur Polarisationsrichtung des Strahls während der ersten Abtastung polarisiert wird;

c) Aufzeichnung der Intensitätsverläufe der reflektierten Strahlung während beider Abtastungen als Funktion der Wellenlänge;

d) Vergleich dieser Aufzeichnungen mit rechnerisch oder experimentell für verschiedene Dicken von zusammengesetzten Schichten ermittelten Aufzeichnungen bis zur Feststellung der Übereinstimmung mit einer einer bekannten Dickenkombination zugeordneten Aufzeichnung.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können mindestens für einen bestimmten Bereich des elektromagnetischen Spektrums durchsichtige Schichten mit einer Dicke von 0 bis 40 000 8 und mehr mit einem relativ geringen apparativen Aufwand in einfacher Weise

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schnell gemessen werden. Es hat sich gezeigt, daß bei entsprechender Anwendung des oben beschriebenen Verfahrens auch mehr als zwei übereinanderliegende Schichten mit guter Genauigkeit gemessen werden können.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die schematische Darstellung einer Vorrichtung

zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 die schematische Darstellung des Strahlenverlaufs beim Durchtritt durch die zu vermessenden Schichten,

Fign. 3A und 3B experimentell ermittelte bzw. gerechnete Kurven,

die die beispielsweise in Fig. 2 dargestellten Verhältnisse wiedergeben,

Fign. 4A und 4B weitere experimentell ermittelte bzw. gerechnete Kurven, die die beispielsweise in Fig. 2 dargestellten Verhältnisse wiedergeben.

Bei der in Fig. 1 wiedergegebenen Vorrichtung erzeugt eine beispielsweise als Laser ausgebildete Lichtquelle 13 einen Lichtstrahl 12, der beim Durchtritt durch einen Polarisator 14 entweder parallel oder senkrecht zur Einfallsebene linear polarisiert wird (P-Strahl bzw. S-Strahl) . De,r an der aus den Einzelschichten 11A und 11B bestehenden zusammengesetzten Schicht 15 reflektierte Strahl verläßt diese Schicht als Strahl 16 und gelangt zu einem Spektrophotometer· 17, mit dessen Hilfe die Intensität des reflektierten Strahls bei verschiedenen Wellenlängen aufgezeichnet wird. Auf diese Weise wird entweder die

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ganze Fläche 15 oder nur ein bestimmter Bereich oder Punkt dieser Fläche abgetastet.

Anhand der Fig. 2 wird das erfindungsgemäße Verfahren näher erklärt. Wenn der Strahl 12 unter einem Winkel al auf die Fläche fällt, wird ein Teil dieses Strahls als Strahl 16A gemäß den Reflexionsgesetzen unter dem gleichen Winkel al reflektiert. Der andere Teil des Strahles 12 wird als Strahl 12B gebeugt. Der Auftreffwinkel dieses gebeugten Strahles auf der Grenzfläche 15A zwischen den Schichten 11A und 11B ist b1. Ein Teil dieses Strahls wird an dieser Fläche unter dem gleichen Winkel b1 als Strahl 16B reflektiert und tritt parallel zum Strahl 16A aus. Ein Teil des Strahles 12B wird unter einem Winkel c1 gebeugt, an der unteren Grenzfläche der Schicht 11B unter dem gleichen Winkel reflektiert und verläßt die Schicht 11A parallel zum Strahl 16B als Strahl 16C. Ein kleiner Teil des Strahls wird unter einem Winkel d beim Eintritt in den Träger 10 gebeugt. Die Strahlen 16A bis 16C werden dem Spektrophotometer 17 zugeführt und die bei verschiedenen Wellenlängen auftretenden Intensitäten gemessen und aufgezeichnet. Der Polarisator 14 wird dann um 90 (Fig. 1) gedreht, so daß eine Abtastung mit einer Lage der Polarisationsebene durchgeführt werden kann, die zur Lage der Polarisationsebene bei der ersten Abtastung senkrecht liegt. Je nachdem, ob die erste Abtastung mit einer zur Einfallsebene parallelen oder senkrechten Lage der Polarisationsebene durchgeführt wurde, erfolgt jetzt eine Abtastung mit einer zur Einfallebene senkrechten bzw. parallelen Lage der Polarisationsebene. Die bei verschiedenen Wellenlängen auftretenden Intensitäten werden wie bei der ersten Abtastung gemessen und aufgezeichnet .

Obwohl bei beiden Abtastungen jeder beliebige Abtastwinkel, der größer als 0 ist, verwendet werden kann, ist es vorteilhaft, Einfallwinkel zu verwenden, die wesentlich größer als 0° sind. Bei derartigen Winkeln wird einerseits die Messung der reflektierten Strahlen wesentlich erleichtert, andererseits hat es

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sich gezeigt, daß mit größer werdendem Einfallwinkel die Unterschiede zwischen der Reflektivität für Strahlen mit senkrecht bzw. parallel zur Einfallsebene liegenden Polarisationsebene ebenfalls größer wird. Eine Kurve, die den Verlauf der bei den einzelnen Wellenlängen gemessenen Intensitäten bei der Abtastung mit senkrecht und parallel zur Einfallebene polarisierten Strahlen als Funktion der Einfallswinkel darstellt, zeigt, daß die Werte bei Einfallswinkeln von O übereinstimmen, anschließend bis zu Einfallswinkeln von etwa 20° langsam und anschließend schneller divergieren. Bei etwa 70 bis 80° wird die Divergenz kleiner, während bei Einfallswinkeln von etwa 90° eine erneute Konvergenz eintritt. Dieser Vorgang wird beispielsweise in der Literaturstelle "Principles of Optics" von Born und Wolf, 4. Auflage, Seite 44, Fig. 1.12 näher beschrieben. Demzufolge wird der Einfallwinkel vorzugsweise größer als 20 und kleiner als 90° gewählt.

Typische Beispiele der bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ermittelten Kurven werden in den Fign. 3A, 3B, 4A und 4B dargestellt. In allen diesen Fällen bestand das Substrat 10 aus Silizium, während die Schichten 11B und 11A aus Siliziumnitrid (Si₃N₄) bzw. aus Siliziumdioxid (SiO.,) bestanden. Bei der Messung der in den Fign. 3A und 3B, 4A und 4B dargestellten Werte war die Lichtquelle 13 so angeordnet, daß der von ihr erzeugte Strahl unter einem Winkel größer als 20° auf die zu messenden Schichten fiel. Der Polarisator 14 war bei den ersten Messungen der Reflektivität bei verschiedenen Wellenlängen so eingestellt, daß die Polarisationsebene des auftreffenden Strahls senkrecht zur Einfallebene lag. Die Wellenlängen wurden innerhalb eines Bereiches des elektromagnetischen Spektrums verändert für den Si₃N₄ und SiO₂ durchsichtig sind. In gleicher Weise wurde anschließend die relative Intensität eines Strahles gemessen, dessen Polarisationsrichtung parallel zur Einfallsebene lag. Die entsprechenden Kurven sind mit P und S bezeichnet. Die in Fig. 3B dargestellten Kurven wurden gemäß den Angaben auf Seite 55-67 der obengenannten Literaturstelle berechnet.

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Die zur Messung der Dicke beider Schichten erforderlichen Gleichungen und die dabei verwendeten Terme werden im folgenden aufgeführt:

n1 = Brechungsindex der Luft

n2 = Brechungsindex der Schicht 11A (im vorliegenden Beispiel SiO₂)

n3 = Brechungsindex der Schicht 11B (im vorliegenden Beispiel Si₃N₄)

n4 = Brechungsindex des Substrats 10 (im vorliegenden Beispiel Si) d2 = Dicke der Schicht 11A

d3 = Dicke der Schicht 11B

Rs = Verhältnis der Amplituden des reflektierten und des einfallenden senkrecht zur Einfallsebene polarisierten Strahls

Rp = Verhältnis der Amplituden des reflektierten und des einfallenden parallel zur Einfallsebene polarisierten Strahls.

Die absolute Reflektivität Ra wird definiert durch RpRp* oder RsRs*, wobei Rp* und Rs* die komplex konjugierten von Rp bzw. Rs sind.

Daher gilt: Ra1 = RpRp* Ra2 = RsRs*

Go = Wellenlänge der einfallenden Strahlung im Vakuum.

Es gelten die Gleichungen;

η - (mil + ml2 P4) P1 - (m21 + M22 P4) ^KS (m11 + m12 P4) P1 + (m21 + m22 P4)

(m'11 + m'12 Q4) Q1 - (m'21 + m'22 Q4) (m'11 + m'12 Q4) Q1 + (m'21 + m'22 Q4)

Im Falle einer doppelten zusammengesetzten Schicht gilt:

(3) m11 = cos B2 cos B3 - || sin B2 sin B3

- 4 /Cos B2 sin B3 . sin B2 cos B3 »

— "J- ν p3 + p2 /

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(5) M21 =-i (P2sin B2 cos B3 + P3 cos B2 sin B3)

(6) M22 = cos B2 cos B3 - |4 sin B2 sin B3

Zur Bestimmung von m'11, rn'12, m'21 und m'22 werden die Gleichungen (3) - (6) verwendet, wobei P2 und P3 durch Q2 bzw. Q3 ersetzt werden, wobei

Für einen senkrecht zur Einfallebene polarisier ten Strahl

Für einen parallel zur Einfallebene polarisier Strahl

P1 = n1 cos al

P2 = n2 cos b1

P3 = n3 cos c1

P4 = n4 cos d1

Q1 = cos a1/n1 Q2 = cos b1/n2 Q3 = cos c1/n3 Q4 = cos dl/n4

B2 = |£°- n2 d2 cos b1

• IaO

3|0

GO

Im Falle der durch die Fign. 3A und 3B und 4A und 4B dargestellten Beispiele waren die optischen Konstanten für Wellenlängen zwischen 3500 und 8000 2. relativ gut bekannt. Die einzigen Unbekannten der Gleichungen für Ra1 und Ra2 waren d2 und d3, Mit Hilfe eines Computers ist es ohne weiteres möglich, durch eine Iteration die in den Fign. 3B und 4B dargestellten Werte zu ermitteln. Stimmt die Form der gerechneten mit der Form der gemessenen Kurven einigermaßen überein, so sind die Dicken d2 und d3 bekannt, da sie die gleichen Dicken sind, die der Berechnung der theoretischen Kurven zugrunde gelegt wurden.

Zur Vereinfachung der Rechenarbeit, insbesondere zur Verringerung der entweder von Hand oder durch einen Computer durchzuführenden Iteration, wird der Einfallwinkel gleich dem
Brewster'sehen Winkel gewählt, da in diesem Fall keine Reflexion des parallel zur Einfallebene polarisierten Strahls
an der oberen Fläche stattfindet und da in allen praktisch

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vorkommenden Fällen Rp unabhängig von der Dicke der oberen Schicht ist.

Es ist zu erwarten, daß das vorliegende Verfahren auch für die Dickenmessung bei drei Schichten angewendet werden kann, wobei die Intensitäten der reflektierten senkrecht und parallel zur Einfallebene polarisierten Strahlen bei zwei Einfallwinkeln gemessen werden und anschließend vier Kurven aufzuzeichnen sind. In entsprechender Weise können auch die Dicken von vier übereinanderliegenden Schichten gemessen werden, wenn man den oben beschriebenen Vorgang bei drei Einfallwinkeln durchführt.

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Claims

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- 10 PATENTANSPRÜCHE

Verfahren zur Messung der Dicke mehrerer übereinanderliegender Schichten, die mindestens für einen bestimmten elektromagnetischen Wellenlängenbereich durchsichtig sind, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

a) Abtastung der zusammengesetzten Schicht (15, 11A, 11B) mit einer elektromagnetischen Strahlung (12) mit sich ändernder Wellenlänge, wobei der einfallende und/oder der reflektierte Strahl senkrecht oder parallel zur Einfallebene polarisiert wird;

b) Abtastung der zusammengesetzten Schicht mit elektromagnetischer Strahlung mit sich ändernder Wellenlänge, wobei der einfallende und/oder der reflektierte Strahl senkrecht zur Polarisationsrichtung während der ersten Abtastung polarisiert wird;

c) Aufzeichnung der Intensitätsverläufe der reflektierten Strahlung während beider Abtastungen als Funktion der Wellenlänge:

d) Vergleich dieser Aufzeichnung mit rechnerisch oder experimentell für verschiedene Dicken von zusammengesetzten Schichten ermittelten Aufzeichnungen bis zur Feststellung der Übereinstimmung einer bekannten Dicken zugeordneten Aufzeichnung.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Abtastungen mit gleichem Einfallwinkel des abtastenden Strahls durchgeführt werden.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einfallwinkel größer als 0° sind.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einfallwinkel zwischen 0 und 90° liegen.
5. Verfahren nach'einem oder mehreren der vorhergehenden ^PI972092 409841/0749

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Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Einfallwinkel gleich dem Brewster'sehen Winkel sind.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten durch einen engen Spalt getrennt sind.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten zusammenhängend sind.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten auf einem Substrat angeordnet sind.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die relativen Brechungsindizes der Schichten bekannt sind.
10. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei mehr als zwei übereinanderliegenden Schichten die Abtastung unter einer Anzahl von Einfallwinkeln durchgeführt wird, die um 1 kleiner als die Anzahl der zu vermessenden Schichten ist.

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