DE4228870C2

DE4228870C2 - Verfahren zum Bestimmen geometrischer Abmessungen an dünnen, optisch transparenten Schichten

Info

Publication number: DE4228870C2
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: 1997-01-09
Anticipated expiration: 2012-08-30
Also published as: DE4228870A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen geometrischer Abmessungen an dünnen, optisch transparenten Schichten unter Verwendung einer lichtoptischen Strukturbreitenmessung und einer spektralphotometrischen Schichtdickenmessung. Die Oberfläche kann geneigt, gekrümmt oder strukturiert sein.

Die lateralen Strukturabmessungen können einige Mikrometer bis wenige Zehntel Mikrometer betragen. Das Verfahren wird angewendet beim Vermessen von Strukturen auf Masken und Wafern 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 Rasterelektronenmikroskopie, Hüthig Verlag, Heidelberg, 1986, und E. Beckmann: Optische Meßverfahren bei der Herstellung integrierter Schaltkreise, Technisches Messen, 54. Jahrgang, Heft 12/1987, S. 464-469, sind lichtoptische Meßverfahren bekannt, die eine Bestimmung von Strukturbreiten und Schichtdicken an dünnen strukturierten Schichten 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 Reflexionsspektrum zerlegt, also die Abhängigkeit der Reflexion von der Lichtwellenlänge gewonnen. Diese gemessene Abhängigkeit wird mit einer modellierten verglichen, die im wesentlichen die Interferenz zwischen dem Reflex an der Oberfläche und an einer (oder mehreren) tiefer liegenden Grenzflächen berücksichtigt. Bei genügender Übereinstimmung 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 Parametern des Modells erreicht. Diese Modellparameter werden zweckmäßig in objekt bezogene 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 Breitenmessung mit einem lichtoptischen Strukturbreitenmeßgerät erfolgen. Man erhält die Abhängigkeit der Intensität des reflektierten Meßstrahls von der Koordinate in Meßrichtung. Über die zweite Koordinate wird von den Meßgeräten häufig integriert. Es ist bekannt, diese Intensitäts verteilung mit einer Modellrechnung nachzubilden. Dabei wird ein Satz von Parametern in die Modellrechnung eingegeben, der z. B. einerseits Eigenschaften des Meßgerätes und die Wellenlänge des Meßstrahles, andererseits objektbezogene optische Eigenschaften der Schichten, wie den Schichtaufbau an der Meßstelle und die Oberflächengeometrie an der Meßstelle beschreibt. Die Modellrechnung berücksichtigt je nach Näherungsgrad Beugungseffekte, Interferenzen von Reflexionen und Brechungen im Objekt. Hat man auf anderem Weg die Kenntnis einiger Parameter erlangt, kann durch Variation eines oder weniger noch unbekannter anderer Parameter die Übereinstimmung von gemessener und modellierter Intensitätsverteilung erreicht werden. Auf diese Weise können so Angaben zur Oberflächengeometrie erhalten werden. Infolge der Periodizität von Interferenzen, die mit steigender Schichtdicke zunehmend auftreten, können auch weiterhin Mehrdeutigkeiten auftreten.

Weiterhin ist aus US 3,824,017 eine Meßmethode für Schickdicken bekannt, die auf der Grundlage der Auswertung von Änderungen des Polarisationszustandes zwischen dem einfallenden und dem vom Meßobjekt reflektierten lichtoptischen Meßstrahl in Abhängigkeit der Wellenlänge arbeitet. Eine spektralphotometrische Schichtdickenmessung, bei der die Auswertung über eine Korrelation zwischen der Messung der Reflektivität in Abhängigkeit von der lichtoptischen Wellenlänge und einem entsprechenden Modell erfolgt, ist aus US 4,555,767 bekannt.

Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zum Bestimmen geometrischer Abmessungen an dünnen, optisch transparenten 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 geometrischer Abmessungen an dünnen, optisch transparenten Schichten anzugeben, das die Mehrdeutigkeit der der Geometrieparameterbestimmung zugrunde liegenden einzelnen Meßkurven weitgehend ausschließt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen nach dem Patentanspruch gelöst.

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die Figuren näher erläutert werden, 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 Strukturbreitenmeßgerät aufgenommene Intensitätsverteilung über der Meßkoordinate (entsprechend Fig. 1) und an die Intensitätsverteilung angepaßte Modellkurve;

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

Fig. 4 Darstellung zum Begriff "Parameter eines geometrischen Grundmodells" an der Schnittzeichnung eines Steges.

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, so daß das Problem zweidimensional behandelt werden kann. An der Stelle des Steges und seiner näheren Umgebung wird mit dem lichtoptischen Strukturbreitenmeßgerät die Intensitätsverteilung entlang der Meßkoordinate in X- Richtung aufgenommen (Fig. 1; Fig. 2). An der gleichen Stelle wird auch das Reflexionsspektrum (siehe Fig. 3) ermittelt. Beide Abhängigkeiten werden mit Rechenmodellen, die erfin dungsgemäß verknüpft sind, nachgebildet, wobei die Anpassung der modellierten, an die gemessenen Abhängigkeiten durch Variation der Parameter des Grundmodells erreicht wird. Im Falle bester Anpassung werden diese als die gesuchten Abmessungen betrachtet.

Für Modellrechnung wurde zur Untersuchung an einfachen Strukturen wie Gräben und Stegen ein Satz von Parametern definiert, der der Fig. 4 als Werte der X-Koordinate X1 . . . X8 und dazugehöriger Schichtdickenwerte Z0 . . . Z4 entnehmbar ist. Die im Rahmen einer praktischen Durchführung ermittelten Werte sind in Fig. 5 aufgelistet.

Verwendete Abkürzungen in den Figuren

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
X2 = X3 = X4 = 2,56 µm
X5 = X6 = X7 = 3,76 µm
X8 = 4,20 µm
Z0 = 0,000 Üm
Z1 = 0,061 µm
Z2 = 0,063 µm
Z3 = Z4 = 0,078 µm

Claims

Verfahren zum Bestimmen geometrischer Abmessungen an dünnen, optisch transparenten Schichten mit schrägen, gekrümmten oder strukturierten Oberflächenbereichen, bei dem
- - mit einem spektralphotometrischen Schichtdickenmeßgerät das Reflexionsspektrum eines Meßstrahls und
- - mit einem lichtoptischen Strukturbreitenmeßgerät die Intensitätsverteilung des Reflexes des Meßstrahls über einer Meßkoordinate für eine oder mehrere Meßwellenlängen aufgenommen werden,
- - für das Meßobjekt anhand eines geometrischen Grundmodells mit variierbaren geometrischen Abmessungen als Parameter
  - - einerseits über eine Modellrechnung, die im wesentlichen die Interferenzen zwischen den Reflexen an der Oberfläche und tieferliegenden Grenzflächen für eine integrale Aussage über den Schichtaufbau der gesamten, vom Meßstrahl getroffenen Oberfläche berücksichtigt, das Reflexionsspektrum und
  - - andererseits über eine weitere Modellrechnung die Intensitäts verteilung des Reflexes des Meßstrahls in Abhängigkeit von der Meßkoordinate für eine oder mehrere Meßwellenlängen nachgebildet werden,
- - die nachgebildeten Kurvenverläufe zu identischen Parametern des geometrischen Grundmodells durch identische Variation dieser Parameter an die gemessenen Kurvenverläufe iterativ angeglichen werden und die identischen Parameter für den Fall ausreichender Anpassung als die gesuchten geometrischen Abmessungen betrachtet werden und
- - die zu identischen Parametern des geometrischen Grundmodells nach gebildeten Kurvenverläufe über die Beziehung, wonach die Intensität des Reflexionsspektrums bei einer bestimmten Wellenlänge dem Integral der Intensitätsverteilung des Reflexes in Abhängigkeit von der Meßkoordinate über dem gemeinsamen Meßgebiet bei derselben Wellenlänge proportional ist, verknüpft sind.