DE4108329A1 - Ellipsometrische schichtfolgenbestimmung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vor­ richtung zum Bestimmen von Materialparametern dünner Schich­ ten mit Hilfe der Ellipsometrie.

Die Dicke, der Brechungsindex und der Absorptionskoeffi­ zient einer auf einem Substrat mit bekanntem Brechungsver­ halten aufgebrachten dünnen Schicht mit Hilfe der Ellipso­ metrie ist bekannt. Es ist auch bekannt, diese Material­ parameter für die oberste Schicht einer Schichtenfolge zu bestimmen, sofern diese Parameter für die darunter lie­ genden Schichten bekannt sind; vgl. etwa die DE 39 36 541 A1. Derartige Ellipsometrieverfahren werden unter anderem in der Halbleitertechnologie eingesetzt, um die Beschich­ tung eines Substrates mit mehreren dünnen Schichten zu kontrollieren. Ein derartiges In-situ-Verfahren ist etwa in Journal of the Optical Society of America, Band 64, Nr. 6, Seiten 804ff, beschrieben. Während des Aufwachsens der Schichtfolge auf einem Substrat wird die Probe ständig ellipsometrisch vermessen, wobei in diesem Falle ein Ellipso­ meter mit einem rotierenden Analysator verwendet wird. Bei diesem Meßverfahren werden die charakteristischen Ellipso­ metriewinkel psi und Delta aufgezeichnet. Aus diesen Meß­ werten, die in einem Delta-psi-Diagramm dargestellt werden, können mit bekannten Rechenverfahren die Parameter der einzelnen Schichten sehr genau bestimmt werden.

Bei beiden angegebenen Verfahren beträgt z. B. die Meßge­ nauigkeit für die Dicke etwa ± 0,05 nm.

Es ist mit derartigen Ellipsometrieverfahren im Prinzip auch möglich, die genannten Materialparameter von mehreren Schichten einer Schichtfolge selbst dann zu bestimmen, wenn nicht nur die Materialparameter der obersten Schicht, sondern auch diejenigen darunter liegender Schichten unbe­ kannt sind. Allerdings läßt sich nur ein ungefähres Bild der Schichtenfolge erzielen, wobei hierfür noch dazu ein erheblicher Rechenaufwand notwendig ist. Zwangsläufig sind die Aussagen nur vage und zum Teil mehrdeutig, und die Meßgenauigkeit ist nicht sehr hoch.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit der die genannten Mate­ rialparameter einzelner Schichten einer vorliegenden Schich­ tenfolge einer Probe bestimmt werden können.

Mit der Erfindung wird nun vorgeschlagen, die Probe sukzessive abzutragen und während des Abtragens ellipsometrisch zu vermessen und die Meßwerte dabei aufzuzeichnen. Dies wird so lange fortgesetzt, bis sämtliche zu bestimmenden Schich­ ten abgetragen sind. Aus den aufgezeichneten Meßwerten werden dann, ausgehend von den zuletzt erfaßten Meßwerten die Materialparameter der einzelnen Schichten berechnet, sozusagen rückgerechnet. Eine derartige Rückrechnung ist mit nur geringem Rechenaufwand möglich.

Das Abtragen kann mit verschiedenen Methoden erfolgen, so z. B. chemischem Naßätzen, "Beschuß" mit kleinen Teilchen, wie Sand, Atomen, Ionen, Molekülen etc., oder generell mikroabrasiven Verfahren. Das angegebene Verfahren ist unabhängig von der Abtraggeschwindigkeit; diese braucht auch nicht bekannt zu sein.

Das Verfahren gemäß der Erfindung ist auch dann durchzuführen, wenn im Verlauf der Schichtenfolge eine undurchsichtige Schicht vorhanden ist, an der normale Ellipsometrie nicht durchführbar ist: Die Meßwerte verbleiben dann im wesentlichen konstant, bis diese Schicht vollständig abgetragen ist.

Das angegebene Verfahren kann insbesondere bei der Wafer- Herstellung in der Halbleitertechnologie von Vorteil sein. Obwohl das Verfahren ein materialzerstörendes Prüfverfahren ist, kann der zerstörte Bereich auf einen winzigen Mikrobe­ reich beschränkt werden, so daß die analysierte Probe, z. B. ein teurer Wafer, weiterverwendet werden kann.

Bevorzugt wird die Probe in einer Probenkammer, und zwar in einer Vakuumkammer gehalten, in der dann gleichzeitig die Vorrichtung zum Abtragen der Probe angeordnet ist, z. B. eine richtbare Ionenkanone.

Die Erfindung ist in einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert. In dieser stellen dar:

Fig. 1 eine Vorrichtung gemäß der Erfindung zum Bestimmen von Materialparametern einer mit mehreren Schichten versehenen Probe;

Fig. 2 einen Schnitt durch eine zu untersuchende Probe;

Fig. 3 ein Delta-psi-Diagramm in schematischer Darstellung für die in Fig. 2 dargestellte ellipsometrisch ver­ messene Probe.

In der sehr schematischen Darstellung gemäß Fig. 1 sieht man eine Probenkammer 1, in der ein Probenhalter 2 für eine Probe 3 angeordnet ist. Die Probenkammer 1 hat eine Zuleitung 4 und eine Ableitung 5 und ist als Vakuumkammer ausgebildet. Die auf den Probenhalter 2 angeordnete Probe 3 kann mit Hilfe eines elliptisch polarisierten Laserstrahls 6 bestrahlt werden, wozu ein Laser 7 mit einem Polarisator 8 und einem Kompensator, z. B. einem Lambda-Viertelplättchen 9 vorgesehen ist. Der Laserstrahl 6 tritt durch ein Fenster 10 in die Probenkammer ein, fällt schräg auf die Probe, wird an deren Oberfläche reflektiert und tritt aus einem Austrittsfenster 11 aus der Probenkammer hinaus. Der re­ flektierte Laserstrahl durchläuft einen Encoder mit einem kontinuierlich rotierenden Analysator 12, hinter dem ein Fotodetektor 13 angeordnet ist. Die Ausgangssignale des Fotomultiplayers 13 werden einem Prozessor bzw. einem Rechner 14 zugeführt, der auch den Encoder und Analysator 12 steuert, was durch eine Steuerleitung 15 vom Rechner 14 zum Analysator 12 angedeutet ist. Der Rechner 14 weist unter anderem einen Meßwertspeicher 16 auf und ist mit einem Terminal 17, z. B. einem Monitor verbunden.

Die bisher beschriebene Apparatur ist an sich bekannt. Zusätzlich ist jedoch in der Probenkammer 1 oberhalb des Probenhalters 2 eine richtbare Ionenkanone 18 vorgesehen.

Ein Beispiel für eine Probe 3 ist in Fig. 2 gezeigt, diese besteht aus einem Substrat 21, z. B. einem Siliziumkristall, zwei darauf abgelegten optisch "durchsichtigen" Schichten 22 und 23, einer darauffolgenden dünnen undurchsichtigen Schicht 24, z. B. einer Metallschicht, an die sich wiederum zwei optisch "durchsichtige′′ Schichten 25 und 26 an­ schließen. Die Schichten 22, 23, 25 und 26 können z. B. Oxidschichten oder sonstige Halbleiterschichten sein und, wie angedeutet, unterschiedliche Dicke aufweisen. Die Anzahl der Schichten ist im Prinzip beliebig.

Nach Einbringen der Probe 3 in die Probenkammer 1 und Eva­ kuierung der Probenkammer wird die Oberfläche der Probe bestrahlt und das reflektierte Licht analysiert, und zwar hinsichtlich der charakteristischen Ellipsometriewinkel Delta und psi. Der gemessene Wert, der Anfangswert Vi, ist in dem Delta-psi-Diagramm gemäß Fig. 3 eingetragen.

Anschließend wird die Ionenkanone 18 auf einen kleinen Bereich der Probe 3 gerichtet und eingeschaltet, so daß die Probe in diesem Bereich kontinuierlich abgetragen wird. Während dieses Abtragens wird die Probe weiterhin im Hinblick auf die Ellipsometriewinkel Delta und psi vermessen, so daß sich ein erster Zug P1 von in Fig. 3 durch kleine Kreuze angedeuteten Meßwerten ergibt. Sobald die oberste Schicht 26 abgetragen ist, wird der Verlauf der Meßwerte markant unterbrochen, z. B. erscheint in dem Verlauf der Meßwerte ein relativ scharfer erster Knick K1, der der Grenzfläche zwischen den beiden Schichten 26 und 25 zuzuordnen ist. An diesen Knick K1 schließt sich ein zweiter Zug P2 von Meßwerten entsprechend der jeweiligen Dicke der zweiten Schicht 25 an. Ist auch diese Schicht 25 abgetragen, so trifft die Laserstrahlung auf die optisch undurchsichtige Metallschicht 24. Deren optischen Eigenschaften hinsichtlich der charakteristischen Ellipsometriewinkel Delta und psi sind unabhängig von ihrer Dicke konstant, so daß sich die Meßwerte praktisch nicht ändern, sondern durch das Apparate­ rauschen um einen Mittelwert schwanken. Dies ist in Fig. 3 durch den Meßwerthaufen H angedeutet. Sobald der Laser­ strahl dann auf die Oberfläche der jetzt freigelegten Schicht 23 trifft, verfolgen die Meßwerte einen dritten Zug P3, der nach vollständigem Abtragen dieser Schicht 23 durch einen zweiten Knick K2 abgeschlossen wird, an den sich dann ein vierter Zug P4 von Meßwerten anschließt, der der untersten Schicht 22 zugeordnet werden kann. Ist auch diese Schicht vollständig abgetragen, so erreicht der Zug den Endwert Ve der Meßwerte.

Um nun die Materialparameter Dicke, Brechungsindex und Absorptionskoeffizient der einzelnen Schichten zu ermitteln, werden die Meßwerte der Züge P1 bis P4 zurückgerechnet, d. h. daß diese Berechnung am Endwert Ve beginnt. Durch Rückrechnung der Meßwerte des Zuges P4 werden dann die Materialparameter der untersten Schicht 22, durch Rückrechnung der Meßwerte entlang des Zuges P3 die Parameter der zweiten Schicht 23 usw. bestimmt.

Claims (9)

1. Verfahren zum Bestimmen von Materialparametern, nämlich Dicke, Brechungsindex und Absorptionskoeffizient einzelner Schichten einer mehrere Schichten aufweisenden Probe mit Hilfe der Ellipsometrie, dadurch gekennzeichnet,
daß die Probe (3) sukzessive abgetragen sowie während des Abtragens ellipsometrisch vermessen wird und die Meßwerte dabei aufgezeichnet werden, bis sämtliche zu bestimmenden Schichten (22, 23, 25, 26) abgetragen sind,
und daß aus den Meßwerten, ausgehend von dem zuletzt erfaßten Meßwert (Ve), die Materialparameter der Schichten berechnet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während des Abtragens der Probe (3) die charakteristischen Ellipsometriewinkel (Delta, psi) aufgezeichnet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Probe (3) in einer Vakuumkammer (1) gehalten wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Probe mit Hilfe eines mikro­ abrasiven Verfahrens abgetragen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Probe (3) mit Teilchen beschossen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Probe mit Ionen beschossen wird.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einer Probenkammer zur Aufnahme der Probe, einer Lichtquelle, einem Polarisator zur elliptischen Polarisa­ tion des Lichtes der Lichtquelle, einem Analysator, einem Detektor sowie einer einen Meßwertspeicher enthal­ tenden Auswerteschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß in der Probenkammer (1) eine Vorrichtung (18) zum Abtragen der Probe (3) vorgesehen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (18) zum Abtragen der Probe (3) eine richtbare Ionenkanone (18) ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Probenkammer (1) eine Vakuumkammer ist.