DE69620371T2 - Verfahren zur Messung von Dimensionen von Mustern auf einer Probe - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung einer Musterdimension wie sie in den Präambeln der Ansprüche 1 bzw. 3 beschrieben sind.
• Ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung zur Messung einer Musterdimension ist aus der EP 0 617 257 A1 bekannt. Dieses Dokument offenbart eine Elektronenstrahl-Messvorrichtung, bei der eine Messeinheit automatisch die Dimensionen eines Bildes einer voreingestellten Position berechnet, wenn eine Bildanzeigeeinheit ein vergrößertes Bild eines zu untersuchenden Objekts anzeigt. Das Verfahren ist derart, dass eine Elektronenstrahl-Messvorrichtung es ermöglicht, die Messergebnis als richtig oder falsch zu beurteilen, selbst wenn die automatisch gemessenen Ergebnisse außerhalb des Toleranzbereichs liegen.
• Die Messung der Dimension eines feines Musters unter Verwendung einer Sonde aus einem Partikelstrahl wie z. B. einem Elektronenstrahl, einem Ionenstrahl, einem optischen Strahl usw. oder einer mechanischen Sonde ist bekannt.
• Als typisches Beispiel wird ein Fall erörtert, bei dem die Messung einer kritischen Dimension eines in einem Halbleiter- Herstellungsprozess bearbeiteten Musters unter Verwendung eines Abtastelektronenmikroskops (scanning electron microscope -SEM) (Längsmessungs-SEM) durchgeführt wird.
• Fig. 1 ist eine schematische Darstellung des Grundprinzips und der Konstruktion des Längsmessungs-SEM. Ein von einer Elektronenpistole 1 abgegebener Elektronenstrahl 2 wird durch eine Konsensorlinse 3 und eine Objektivlinse 4 konvergiert und auf einem Wafer 5 fokussiert. Gleichzeitig wird der Weg des Elektronenstrahls 2 mittels eines Deflektors 6 abgelenkt, um eine zweidimensionale oder lineare Abtastung des Wafers 5 vorzunehmen. Aus dem vom Elektronenstrahl 2 bestrahlten Waferabschnitt wird ein sekundäres Elektron 7 abgegeben. Das sekundäre Elektron 7 wird von einem sekundären Elektronendetektor 8 erkannt, in ein elektrisches Signal gewandelt und dann Prozessen wie Verstärkung usw. unterworfen.
• Ein sekundäres Elektronensignal wird als Helligkeitsmodulationssignal oder als Ablenkungssignal einer Anzeige 9, wie eine CRT (cathode ray tube - Elektronenstrahlröhre) oder dgl. verwendet. Synchron mit der zweidimensionalen Abtastung der Waferoberfläche durch den Elektronenstrahl 2 wird ein Bildschirm der Anzeige 9 zweidimensional abgetastet, um das Leuchtdichtesignal mit dem sekundären Elektronensignal zu modulieren. Somit wird auf der Anzeige 9 ein SEM-Bild gebildet. Andererseits kann ein Linienprofil auf der Anzeige dargestellt werden, wenn ein Abtastsignal des Elektronenstrahls 2 als ein Ablenkungssignal in X-Richtung der Anzeige 9 und ein sekundäres Elektronendetektorsignal als Ablenkungssignal in Y- Richtung herangezogen werden.
• Ein Beispiel einer Prozedur bei der Messung einer Musterdimension auf dem Wafer unter Anwendung des Längsmessungs-SEM wird im Folgenden erörtert. Das aus einem Waferträger 10 zu entnehmende Wafer 5 wird zuvor bezüglich einer Orientierungsfläche oder -kerbe ausgerichtet. In Zusammenhang damit wird eine auf das Wafer geschriebene Wafernummer von einem Wafernummernleser (nicht dargestellt) gelesen. Die Wafernummer ist für jedes Wafer eindeutig. Indem die Wafernummer als Schlüssel verwendet wird, kann ein Rezept entsprechend dem zu messenden Wafer 5 ausgelesen werden. Das Rezept definiert eine Messprozedur für das Wafer oder eine Messbedingung und ist für jedes Wafer registriert. Alle nachfolgenden Operationen werden entsprechend diesem Rezept durchgeführt.
• Nach dem Auslesen der Wafernummer wird das Wafer 5 in eine Probenkammer 11 eingebracht, die im Vakuumzustand gehalten wird, und auf eine XY-Plattform 12 gelegt. Das auf der XY- Plattform 12 liegende Wafer 5 wird mittels eines auf ersterer ausgeformten Ausrichtungsmusters ausgerichtet. Das Ausrichtungsmuster wird mit einer Vergrößerung im Bereich von einigen hundert unter Verwendung eines optischen Mikroskops 13 und eines Bilderfassungsgeräts 14, das in der oberen Wand der Probenkammer 11 installiert ist, erfasst. Das erfasste Ausrichtungsmuster wird von einer Steuerungseinheit 15 mit einem vorläufig registrierten Referenzbild verglichen. Die Steuerungseinheit 15 platziert das Wafer in ausgerichtetem Zustand, indem sie die Positionkoordinaten der XY-Plattform 12 durch Steuern eines Antriebsmotors 16 korrigiert, so dass das erfasste Muster vom Referenzbild gerade überlagert wird.
• Nach dem Ausrichten wird das zu messende Wafer 5 mit der Plattform in einen vorgegebenen Längenmessungspunkt verschoben. Im Längenmessungspunkt wird der Abtastelektronenstrahl 2 abgestrahlt, um ein SEM-Bild mit starker Vergrößerung zu bilden. Unter Verwendung dieses SEM-Bildes wird eine hochgenaue Positionierung des zu messenden Musters auf dem Wafer vorgenommen. Ähnlich wie bei der Ausrichtoperation erfolgt die Positionierung durch Vergleichen des SEM-Bildes im Messpunkt mit dem Referenzbild und durch Feineinstellung der Abtastzone des Elektronenstrahls, so dass das SEM-Bild exakt vom Referenzbild überlagert wird. Das positionierte Wafer 5 wird so angeordnet, dass das zu messende Muster im Wesentlichen in der Mitte des Bildschirms platziert wird, nämlich unmittelbar unterhalb des Elektronenstrahls 2. In diesem Zustand führt der Elektronenstrahl 2 eine lineare Abtastung des zu messenden Musters aus, wobei die Abtastteilung (Pixelgröße) gleich ist wie bei der Bildung des SEM-Bildes. Aus dem erhaltenen Linienprofil ergibt sich die Musterdimension gemäß eines vorgegebenen Längenmessalgorithmus. Ist auf dem Wafer eine Mehrzahl Messpunkte vorhanden, kann die Operation nach der Verschiebung des Längenmesspunktes wiederholt werden. Ist andererseits eine Mehrzahl zu messende Wafer im Waferträger vorhanden, kann die Operation nach dem Einbringen des Wafers in die Probenkammer 11 wiederholt werden.
• Obwohl es verschiedene Längenmessalgorithmen zum Erhalt der Musterdimension aus dem Linienprofil gibt, können typischerweise ein in Fig. 2 dargestelltes Schwellenverfahren, ein Verfahren der maximalen Neigung, ein lineares Näherungsverfahren usw. angewendet werden. In Fig. 2 zeigt (A) in Diagrammform die Art des Abtastens des zu messenden Musters 19 auf dem Wafer 5 durch den Elektronenstrahl 2, (B) zeigt das erhaltene Linienprofil. (C) ist dagegen eine Darstellung zur Verdeutlichung des Schwellenverfahrens, (D) ist eine Darstellung zur Verdeutlichung des linearen Näherungsverfahrens und (E) ist eine Darstellung zur Verdeutlichung des Verfahrens der maximalen Neigung.
• Das Schwellenverfahren ist ein Verfahren zum Erhalt von Positionen 21 und 22, wo sich Neigungsabschnitte an beiden Enden des Linienprofils mit einem vorgegebenen Niveau (Schwellenwert) L schneiden, und zum Erfassen eines Abstands W zwischen den beiden Positionen 21 und 22 als die Dimension des Musters 19. Der Schwellenwert L wird normalerweise als Verhältnis relativ zur maximalen Höhe des Linienprofils bestimmt. Das lineare Näherungsverfahren ist ein Verfahren zur linearen Näherung der geneigten Abschnitte an beiden Enden des Linienprofils durch das Verfahren der kleinsten Quadrate und zum Erfassen eines Abstands W zwischen Schnittpunkten 23 und 24 zwischen entsprechenden Geraden und einer Grundlinie als Musterdimension. Das Verfahren der maximalen Neigung dagegen ist ein Verfahren zum Anlegen von Tangenten an Abschnitte, wo die geneigten Abschnitte an beiden Enden des Linienprofils die maximale Neigung haben und zum Erfassen eines Abstands W zwischetx Schnittpunkten 25 und 26 zwischen den Tangenten und der Grundlinie als Musterdimension.
• Bei der Positionierung des zu messenden Musters wird zur Vereinfachung des Suchens eines gewünschten Musters unter einer Mehrzahl Mustern häufig das SEM-Bild mit relativ niedriger Vergrößerung verwendet. Andererseits kann bei der Messung der Musterdimension mit hoher Vergrößerung die Messung durch Variieren der Vergrößerung vorgenommen werden.
• Allerdings gibt es bei der Messung sogar desselben Musters ein Phänomen, das eine Änderung des gemessenen Wertes und der Messpräzision in Abhängigkeit von der Vergrößerung verursacht, wenn die Vergrößerung variiert wird.
• Wird deshalb die Messung bei niedriger Vergrößerung zum oben genannten Zweck durchgeführt, kann der gemessene Wert von einer realen Dimension erheblich abweichen, und eine starke Schwankung des gemessenen Wertes nimmt zu. Andererseits haben des lineare Näherungsverfahren und das Verfahren der maximalen Neigung im Vergleich zum Schwellenverfahren eine starke Abhängigkeit von der Messvergrößerung des gemessenen Wertes.
• Fig. 3 ist ein Beispiel für das Maß der Abhängigkeit der SEM- Bildvergrößerung vom gemessenen Wert und Fig. 4 zeigt die Abhängigkeit der Vergrößerung von der Schwankung (Ja) des gemessenen Wertes. In den Zeichnungen sind die Messwerte beim Verfahren mit maximaler Neigung und beim Schwellenverfahren dargestellt. Die Angabe 20%, 50% und 80% beim Schwellenverfahren repräsentiert das Schwellenniveau. Beispielsweise repräsentiert der als 20% dargestellte Graph das Messergebnis in dem Fall, bei dem das Schwellenniveau beim Schwellenverfahren auf 20% der maximalen Höhe des Linienprofils eingestellt ist.
• Aus Fig. 3 und 4 ist ersichtlich, dass dann, wenn das Schwellenniveau beim Verfahren mit maximaler Neigung und beim Schwellenverfahren auf 20% eingestellt ist, der Messwert der Musterbreite bei relativ niedriger Vergrößerung groß wird und die Messschwankung zunimmt. Andererseits wird beim Schwellenverfahren mit einer Einstellung des Schwellenniveaus auf 80% der gemessene Werte bei Messung mit hoher Vergrößerung groß.
• Ein Ergebnis einer Untersuchung über die Ursache der Abhängigkeit der Messvergrößerung vom gemessenen Wert der Musterdimension zeigt, dass die Messvergrößerung klein wird, um die Abtastteilung (Pixelgröße) groß zu machen, und die Rundung der Wellenform des Linienprofils nimmt zu. Diese Tendenz wird bemerkenswert, wenn die Abtastteilung größer ist als oder gleich dem Durchmesser des Elektronenstrahls.
• Fig. 5 stellt diesen Mechanismus in Diagrammform dar. Weiße Kreise an der Abtasteilung repräsentieren Abtastpunkte durch den Elektronenstrahl 2. Die Pixelgröße d ist gleich dem von einem Abtastpunkt abgedeckten Bereich. Als Linienprofil ist das Linienprofil dargestellt, das durch die an der Abtastteilung abgetasteten Daten erzeugt wird. Die die Vergrößerung angebenden Zählen dienen als Vergleich. Wie in (a) dargestellt wird die Rundung der Wellenform des Linienprofils bei niedriger Vergrößerung stärker und die Größe W des im Linienprofil erscheinenden Musters wird größer als ein tatsächliches Muster 19. Entsprechend der zunehmenden Vergrößerung in der Reihenfolge von (b), (c) und (d) variieren der Größen W der im Linienprofil erscheinenden Muster.
• Die vorliegende Erfindung wird in Anbetracht des dem Stand der Technik anhaftenden Problems ausgearbeitet. Es ist eine Aufgabe, ein Verfahren bereitzustellen, das unabhängig von der Einstellung der Messvergrößerung oder dem Längenmessalgorithmus, der zur Bestimmung der Musterdimension vom Linienprofil abgeleitet wird, die Musterdimension genau bestimmen kann.
• Das Verfahren und die Vorrichtung zur Lösung dieses Problems werden in Anspruch 1 bzw. 3 beschrieben.
• Die verwendete Sonde ist vorzugsweise ein Elektronenstrahl.
• Da gemäß der vorliegenden Erfindung die Abhängigkeit der Messvergrößerung vom gemessenen Wert der Dimension abnimmt, wird es selbst bei Messung mit geringer Vergrößerung möglich, den gemessenen Wert nahe der tatsächlichen Dimension zu erhalten und eine Messung mit hoher Wiederholgenauigkeit zu ermöglichen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht zur Erläutung des Prinzips und des Aufbaus eines SEM.
• Fig. 2A ist eine schematische Ansicht, die einen Abtastelektronenstrahl auf einem zu messenden Muster einer Probe zeigt.
• Fig. 2B zeigt eine schematische Ansicht eines Linienprofils, das durch Abtasten mit dem Elektronenstrahl erhalten wird.
• Fig. 2C ist eine erläuternde Ansicht, wie eine Musterdimension mit einem Schwellenwertverfahren erhalten wird.
• Fig. 2D ist eine erläuternde Ansicht, wie eine Musterdimension mit einem linearen Näherungsverfahren erhalten wird.
• Fig. 2E ist eine erläuternde Ansicht, wie eine Musterdimension mit einem Verfahren mit der maximalen Neigung erhalten wird.
• Fig. 3 ist eine schematische Ansicht zur Darstellung eines Beispiels für die Abhängigkeit zwischen Vergrößerung und Längenmesswert.
• Fig. 4 ist eine schematische Ansicht zur Darstellung einer Beziehung zwischen der Schwankung des Längenmesswerts und der Vergrößerung.
• Fig. 5 ist eine schematische Ansicht zur Erläuterung eines Mechanismus der Abhängigkeit der Vergrößerung vom gemessenen Wert der Dimension.
• Fig. 6 ist eine schematische Ansicht eines Messverfahrens der Musterdimension gemäß der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
• Im Folgenden wird ein Modus zur Implementierung der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erörtert. Dabei wird ein Fall beschrieben, bei dem die Dimension eines Musters auf einem Wafer unter Anwendung eines Längenmessungs- SEM gemessen wird.
• Fig. 6 ist eine beispielhafte Darstellung der Ausführungsform. Bei dieser Ausführungsform werden bei der Messung mit niedriger Vergrößerung die Abtastteilung bei der Positionierung eines zu messenden Musters und die Abtastteilung bei Erhalt einer Musterdimension automatisch umgeschaltet, um die Abtastteilung bei Erhalt der Musterdimension in der Erstreckung des Durchmessers des Elektronenstrahls klein zu machen.
• Die Beobachtung und Messung erfolgen gemäß dem dargestellten Flussdiagramm. Zunächst wird ein zu messendes Wafer auf eine XY-Plattform geladen (S1) und die Ausrichtung des Wafers erfolgt anhand eines Ausrichtmusters auf dem Wafer (S2). Danach wird die XY-Plattform in einen Messpunkt verfahren (S3) und die Positionierung des zu messenden Musters erfolgt unter Verwendung eines spezifischen Musters aus SEM-Bildern 61, so dass das zu messende Muster p gerade unterhalb des Elektronenstrahls liegt (S4). Zu einem Zeitpunkt, in dem die Positionierung des zu messenden Musters p abgeschlossen ist, liegt bei einem SEM-Bild 62 das zu messende Muster p in der Mitte eines Bildschirms. Danach wird ein zu messender Abschnitt im Muster p gekennzeichnet (S5), der in einem SEM-Bild 63 mit einer gestrichelten Linie umgeben ist.
• Ist Schritt S5 beendet, wird die Abtastteilung automatisch umgeschaltet, so dass sie im Wesentlichen gleich ist dem Durchmesser des Elektronenstrahls (S6), und dann erfolgt die Messung der Musterdimension bei dieser kleinen Teilung. Zu diesem Zeitpunkt wird eine Abtastzone des Elektronenstrahl wie mit 64 gekennzeichnet. Wird eine relative Dimension eines Pixels des SEM-Bildes bei der Positionierung in Schritt S6 mit 66 dargestellt, wird eine Pixeldimension des SEM-Bildes bei der Messung der Musterdimension mit 67 repräsentiert.
• Wie oben dargelegt kann unabhängig von der Beobachtungsvergrößerung bei der Positionierung des zu messenden Musters die Messung der Dimension konstant mit der gleichen Präzision durchgeführt werden, indem die Abtastteilung bei der Messung der Musterdimension auf eine vorgegebene Teilung zur genauen Messung einer tatsächlichen Dimension eines Musters umgeschaltet wird, und somit kann eine Schwankung des Längenmesswerts aufgrund unterschiedlicher Vergrößerung verhindert werden.

Claims (4)

1. Verfahren zur Messung von Dimensionen von Mustern durch Abtasten einer Probe (5) in einer vorgegebenen Abtastteilung mittels einer Sonde (2), wobei dieses Verfahren die Schritte der Bildung eines Probenbildes unter Verwendung eines Abtastsignals, das von der Probe (5) erhalten wird, des Abtastens eines vorgegebenen Abschnitts eines Musters (p), das in einem Probenbild von der Sonde (2) zu messen ist, und des Messens einer Dimension des vorgegebenen Abschnitts durch Verarbeitung des erhaltenen Abtastsignals gemäß einem vorgegebenen Algorithmus enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastteilung bei Messung der Dimensionen des Musters so variiert wird, dass sie kleiner ist als bei Bildung des Probenbildes.

2. Verfahren zur Messung von Dimensionen von Mustern nach Anspruch 1, bei dem die Sonde (2) ein Elektronenstrahl ist.

3. Vorrichtung zur Messung von Dimensionen von Mustern durch Abtasten einer Probe (5) in einer vorgegebenen Abtastteilung mittels einer Sonde (2), wobei die Vorrichtung eine Einrichtung zur Bildung eines Probenbildes unter Verwendung eines Abtastsignals, das von der Probe (5) erhalten wird, eine Einrichtung zum Abtasten eines vorgegebenen Abschnitts eines Musters (p), das in einem Probenbild von der Sonde (2) zu messen ist, und eine Einrichtung zum Messen einer Dimension des vorgegebenen Abschnitts durch Verarbeitung des erhaltenen Abtastsignals gemäß einem vorgegebenen Algorithmus enthält, dadurch gekennzeichnet, dass

die Vorrichtung eine Einrichtung zum Variieren der Abtastteilung bei Messung der Dimensionen des Musters enthält, so dass sie kleiner ist als bei Bildung des Probenbildes.

4. Vorrichtung zur Messung von Dimensionen von Mustern nach Anspruch 3, bei dem die Sonde (2) ein Elektronenstrahl ist.