DE4228870A1

DE4228870A1 - Verfahren zum Bestimmen der Geometrie dünner, optisch transparenter Schichten

Info

Publication number: DE4228870A1
Application number: DE19924228870
Authority: DE
Inventors: Michael Dipl Phys Dr Eichler; Paul Dipl Phys Marczinski
Original assignee: Institut fuer Halbleiterphysik GmbH
Current assignee: Institut fuer Halbleiterphysik GmbH
Priority date: 1992-08-29
Filing date: 1992-08-29
Publication date: 1994-03-03
Anticipated expiration: 2012-08-30
Also published as: DE4228870C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Geometrie von dünnen Deck schichten aus lichtoptisch transparenten Materialien auf reflektierenden Unterlagen unter Verwendung einer densitometrischen Breitenmessung und einer spektralphotometrischen Dickenmessung. Die Oberfläche kann geneigt, gekrümmt oder strukturiert sein. Die late ralen Strukturabmessungen betragen einige Mikrometer bis wenige 0,1 Mikrometer.

Das Verfahren wird angewendet beim Vermessen von Strukturen auf Masken und Wa fern in der Bauelementefertigung der Mikroelektronik, aber auch in anderen Bereichen der Technik, die eine Erfassung der Geometrie von dünnen Deckschichten erforderlich werden lassen, insbesondere in der Biologie und der Medizin.

Nach Schäfer, W. Terlecki, G. : Halbleiterprüfung Licht- und Rasterelektronenmikro skope, Hüthig Verlag, Heidelberg, 1986 sind lichtoptische Meßverfahren bekannt, die ei ne Bestimmung von Strukturbreiten und Schichtdicken an dünnen strukturierten Schich ten berührungslos und in einer Umgebungsatmosphäre zulassen.

Die spektralphotometrische Schichtdickenmessung beruht auf der Analyse eines von den zu untersuchenden Schichten reflektierten Meßstrahls. Es wird eine integrale Aussage über den Schichtaufbau der gesamten vom Meßstrahl getroffenen und für die Analyse herangezogenen Oberfläche des Meßobjektes gewonnen.

Geneigte, gewölbte oder strukturierte Oberflächen im Bereich des Meßstrahls werden als eben behandelt und liefern einen Wert, der keine Rückschlüsse auf Details zuläßt.

Bei der Messung wird der reflektierte polychromatische Meßstrahl in das Reflexions spektrum zerlegt, also die Abhängigkeit der Reflexion von der Lichtwellenlänge gewon nen. Diese gemessene Abhängigkeit wird mit einer modellierten verglichen, die im we sentlichen die Interferenz zwischen dem Reflex an der Oberfläche und an einer (oder mehreren) tiefer liegenden Grenzflächen berücksichtigt. Bei genügender Übereinstim mung zwischen gemessener und modellierter Abhängigkeit wird auf die Schichtdicke der transparenten Schicht oder Schichten geschlossen.

Die Übereinstimmung zwischen Modell und Messung wird durch die Variation von Pa rametern des Modells erreicht. Diese Modellparameter werden zweckmäßig in objektbezo gene und sonstige unterteilt.

Die Ergebnisse sind nicht immer eindeutig, da z. B. bestimmte Schichtfolgen eines ebenen Objektes ein Reflexionsspektrum liefern, das dem eines lateral strukturierten, aber mit nur einer Schicht bedeckten, gleicht.

Neben der Schichtdickenmessung kann an demselben Bereich der Oberfläche eine Breiten messung mit einem Mikrodensitometer erfolgen. Man erhält die Abhängigkeit der Intensi tät des reflektierten Meßstrahls von der Koordinate in Meßrichtung. Über der zweiten Ko ordinate wird von den Meßgeräten häufig integriert. Es ist bekannt, diese Intensitätsvertei lung mit einer Modellrechnung nachzubilden. Dabei wird ein Satz von Parametern in die Modellrechnung eingegeben, der z. B. einerseits Eigenschaften des Meßgerätes, Wellen länge des Meßstrahles und andererseits objektbezogene optische Eigenschaften der Schichten wie Schichtaufbau an der Meßstelle, Oberflächengeometrie an der Meß stelle beschreibt.

Die Modellrechnung berücksichtigt je nach Näherungsgrad Beugungseffekte, Interferenzen von Reflexionen und Brechungen im Objekt. Hat man auf anderem Weg die Kenntnis eini ger Parameter erlangt, kann durch Variation eines oder weniger noch unbekannter anderer Parameter die Übereinstimmung von gemessener und modellierter Intensitätsverteilung er reicht werden. Auf diese Weise können so Angaben zur Oberflächengeometrie erhal ten werden. Infolge der Periodizität von Interferenzen, die mit steigender Schichtdicke zu nehmend auftreten, können auch weiterhin Mehrdeutigkeiten auftreten.

Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zum Bestimmen der Geometrie dün ner, optisch transparenter Schichten, das mit größerer Eindeutigkeit detaillierte Aussagen zu topologischen Strukturen von dünnen, optisch transparenten Schichten ermöglicht.

Der Erfindung liegt dabei die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Bestimmen der Geo metrie dünner, optisch transparenter Schichten anzugeben, das die Vieldeutigkeit der der Geometrieparameterbestimmung zugrunde liegenden einzelnen Meßkurven weitgehend ausschließt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die beiden Modellrechnungen über die Beziehung, daß das Integral der Intensitätsverteilung über der Meßkoordinate der Breitenmessung bei einer bestimmten Wellenlänge proportional der Intensität des Refle xes der spektralphotometrischen Messung bei derselben Wellenlänge ist, verknüpft werden und berücksichtigt wird, daß die objektbezogenen Parameter der beiden Teilmodelle identisch sein müssen und die Anpassung der beiden Teilmodelle an die beiden gemessenen Abhängigkeiten durch Variation der Geometrieparameter angeglichen wird.

Im Rahmen dieses iterativen Prozesses wird es möglich, den komplexen Informationsgehalt für die Bestimmung der Geometrie in einem geneigten, gekrümmten oder fein strukturierten Gebiet besser zu nutzen und die Aussage zur Geometrie der Schicht in eindeutigerer Weise, als es durch die bloße parallele Anwendung beider Meßverfahren bisher möglich war, zu präzisieren.

Die Erfindung soll anhand einer Ausführungsbeispielsbeschreibung näher erläutert werden.

Ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung ist in den Figuren dargestellt, und zwar zeigt

Fig. 1a einen Schnitt durch eine Meßstruktur mit einem Steg auf einer Nitridschicht über Silizium.

Fig. 1b eine Draufsicht auf die Anordnung nach Fig. 1a.

Fig. 2 Mit einem Breitenmeßgerät aufgenommene Intensitätsverteilung über der Meß koordinate (entsprechend Fig. 1) und an die Intensitätsverteilung angepaßte Mo dellkurve.

Fig. 3 Im gleichen Bereich des Meßobjektes aufgenommenes Reflexionsspektrum und an das Reflexionsspektrum angepaßte Modellkurve.

Fig. 4 Darstellung zum Begriff Geometrieparameter an der Schnittzeichnung eines Ste ges.

Fig. 5 Die im Beispiel ermittelten Geometrieparameter.

Ein Siliziumwafer ist mit einer D1 Nanometer dicken Siliziumnitridschicht bedeckt, auf der sich ein B1 Nanometer breiter, D2 Nanometer hoher Steg befindet. Die Ausdehnung in Y- Richtung ist groß und hier nicht von Interesse, das Problem wird dadurch zweidimensio nal. An der Stelle des Steges und seiner näheren Umgebung wird mit dem densitometri schen Breitenmeßgerät die Intensitätsverteilung entlang der Meßkoordinate in X- Richtung aufgenommen (Fig. 1; Fig. 2).

An der gleichen Stelle wurde auch das Reflexionsspektrum, siehe Fig. 3, ermittelt. Beide Abhängigkeiten werden mit Rechenmodellen, die erfindungsgemäß verknüpft sind, nachge bildet, wobei die Anpassung der modellierten an die gemessenen Abhängigkeiten durch Va riation der Geometrieparameter erreicht wird. Im Falle bester Anpassung werden diese als die das Objekt beschreibenden betrachtet.

Innerhalb der Modellrechnung wurde für die Untersuchung an einfachen Strukturen wie Gräben und Stegen ein Satz von Geometrieparametern definiert, der in Fig. 4 als Werte der X- Koordinate X1 . . . X8 und der dazugehörigen Schichtdickenwerte Z0 . . . Z4 dargestellt ist.

Die ermittelten Werte sind in Fig. 5 aufgelistet.

Abkürzungen

Fig. 1a:
MD - Meßbereich Dicke
MB - Meßbereich Breite
Nd - Nitridschicht
Si - Siliziumsubstrat
X - X-Koordinate
Z - Z-Koordinate
D1 - Dicke der Nitridschicht
D2 - Höhe des Steges auf der Nitridschicht
B1 - Breite des Steges auf der Nitridschicht
Fig. 1b:
MD - Meßbereich Dicke
MB - Meßbereich Breite
S - Steg
X - X-Koordinate
Y - Y-Koordinate
Fig. 2:
Pr - Profil der Schichtoberfläche
Sl - Signalkurve
A - gemessene Signalkurve
B - modellierte Signalkurve
Fig. 3:
A - gemessene Intensitätskurve
B - modellierte Intensitätskurve
Fig. 4 und Fig. 5:
X1 = 2,32 µm  X5 = 4,20 µm  Z0 = 0,000 µm  Z4 = 0,078 µm
X2 = 2,56 µm  X6 = 3,76 µm  Z1 = 0,061 µm
X3 = 2,56 µm  X7 = 3,76 µm  Z2 = 0,063 µm
X4 = 2,56 µm  X8 = 3,76 µm  Z3 = 0,063 µm

Claims

Verfahren zum Bestimmen der Geometrie dünner, optisch transparenter Schichten mit schrägen, gekrümmten oder strukturierten Oberflächen wobei von der zu bestimmenden Stelle der Oberfläche sowohl mit einem Dickenmeßgerät ein Reflexionsspektrum als auch mit einem densitometrischen Breitenmeßgerät die Intensitätsverteilung des Reflexes des Meßstrahls über der Meßkoordinate gewonnen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden so gemessenen Abhängigkeiten über Rechenmodelle nachgebildet werden und die beiden Teilmodelle über die Beziehung, daß die Intensität des Reflexionsspektrums bei ei ner bestimmten Wellenlänge dem Integral der Intensitätsverteilung der densitometrischen Messung über genau dem gemeinsamen Meßgebiet bei derselben Wellenlänge proportional ist, verknüpft sind, daß berücksichtigt wird, daß die objektbezogenen Parameter der beiden Teilmodelle identisch sein müssen und daß die beiden nachgebildeten Abhängigkeiten durch Variation der Geometrieparameter an die gemessenen Abhängigkeiten angeglichen werden und die Geometrieparameter für den Fall der ausreichenden Anpassung als die ge suchten Geometriegrößen betrachtet werden.