-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Dimensionsmessung und Inspektion von Strukturen mit einem hohen
Seitenverhältnis
gemäß dem Obergriff des
Anspruches 1. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung
zur Dimensionsmessung und Inspektion von der derartigen Strukturen
gemäß dem Obergriff
des Anspruches 12.
-
Um sowohl die elektrische Leistungsfähigkeit als
auch die Ausbeute von hochintegrierten Schaltungen zu gewährleisten,
müssen
die integrierten Schaltungen mit hoher Genauigkeit und Reproduzierbarkeit
hergestellt werden. Dies bedeutet, dass ihre geometrischen Abmessungen,
insbesondere bei Transistoren, Leitungen und Kontaktlöchern, innerhalb
enger Toleranzen gehalten werden müssen. Mit einer Zunahme der
Integration integrierter Schaltungen und einer entsprechenden Abnahme
der Elementgröße von betroffenen
Strukturen wurden die Toleranzen enger und besonders kritisch. Um
die elektrische Leistungsfähigkeit
und Ausbeute aufrechterhalten zu können, muss dementsprechend
jeder Herstellungsschritt bei der Halbleiterproduktion durch Geräte zur Messung
von kritischen Abmessungen (CD) und „Prüfmikroskope" kontrolliert werden. In
der Vergangenheit wurden hierfür
hauptsächlich lichtoptische
Geräte,
wie beispielsweise ein lichtoptisches System zur Messung der kritischen
Abmessungen und eine lichtoptische Nachprüfstation eingesetzt. Derzeit
werden jedoch Rasterelektronenmikroskope verwendet, um die kleinen
Abmessungen von Strukturen während
der Herstellung zu beherrschen. Die Elementgröße liegt derzeit bei 0,25 μm und darunter,
wodurch eine Messgenauigkeit von 20 nm und darunter erforderlich
ist. Außerdem
erhöht
sich die Anzahl der Schichten, nämlich
auf 5 bis T Schichten. Da solch feine und mehrere Lagen umfassende Strukturen
für lichtoptische
Geräte „unsichtbar"
sind, werden jetzt Rasterelektronenmikroskope für diesen Zweck eingesetzt.
-
Mit abnehmenden Strukturgrößen, erreichen selbst
auf Rasterelektronenmikxoskopen beruhende Messungen ihre Grenzen.
Diese Begrenzung hängt nicht
mit der räumlichen
Auflösung,
sondern mit der Sichtbarkeit und der Dimensionsmessung von Strukturen
mit großem
Seitenverhältnis
zusammen. Die Halbleitertechnologie erfordert eine gewisse Höhe ihrer
Strukturen (beispielsweise Dicke der Photolack-, Metall- und Oxidschicht).
Das Seitenverhältnis
(Höhe/Breite
der Struktur) nimmt immer mehr zu. Dies trifft insbesondere auf
Kontaktlöcher
zu, die ein Seitenverhältnis
von mehr als 5 (0,2 μm
Loch in 1 μm Photolackschicht)
aufweisen. Aufgrund dieses hohen Seitenverhältnisses wird die Sichtbarkeit
und dementsprechend die Messung von kritischen Abmessungen am Boden
der Struktur, die extrem wichtig für die Bauteileigenschaften
sind, besonders schwer und in manchen Fällen unmöglich.
-
Grund für diese Unsichtbarkeit sind
die Sekundärelektronen,
die durch den Primärelektronenstrahl
ausgelöst
werden und schwer nachweisbar sind. Bei „postlens" Detektorsystemen,
wo der Detektor zwischen der Probe und der Linse angeordnet ist, können die
Sekundärelektronen
nicht vom Boden der Struktur abgesaugt werden. „In-lens"- oder „pre-lens"-Detektorsysteme,
wo der Detektor in oder vor der Linse angeordnet ist, verwenden
ein hohes Sekundärelektronen-Absaugfeld, wodurch
die Sekundärelektronen
vom Baden der Struktur nur einen sehr schmalen Winkel nahe der optischen
Achse beanspruchen und durch die Rasterelektronenmikroskopsäule in Richtung
Kathode bewegt werden. Nachdem die Sekundärelektronen abgesaugt und beschleunigt
wurden, verhalten sie sich sehr ähnlich wie
der Primärelektronenstrahl
und können
daher nur schwierig nachgewiesen werden. Es kommt hinzu, dass die
Oberflächenaufladung
die Abstrahlung und den Nachweis von Sekundärelektronen beeinflussen kann.
-
Es gibt derzeit folgende Lösungen,
um diese Probleme zu überwinden:
-
- – Verwendung
von Rückstreuelektronen
zur Bilderzeugung,
- – Positive
Oberflächenaufladung
des oberen Teils der Struktur, um die Sekundärelektronen vom Boden der Struktur
abzusaugen,
- – Verwendung
eines Strahlteilers für
den Primärstrahl und
den Sekundärelektronen-
oder Rückstreuelektronenstrahl,
beispielsweise durch einen Wienfilter; dies erfordert jedoch ein
zusätzliches
optisches Element im Mikroskop, wodurch die räumliche Auflösung des
Instruments beeinflusst werden könnte.
-
Rückstreuelektronen
und beschleunigte Sekundärelektronen
sind, wie erwähnt,
schwierig nachzuweisen und erfordern zusätzliche Elemente, wodurch die
Auflösung
begrenzt wird. Künstliche
Oberflächenaufladung
verursacht auch Störungen
des Primärstrahls
und führt
dementsprechend zu Messfehlern und Einschränkungen.
-
US
5,594,245 betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur
Beobachtung von Oberflächenkonfigurationen,
insbesondere Konfigurationen am Boden eines tiefen Lochs, wobei
ein Elektronenstrahl verwendet wird. Um die Beobachtung des Bodens von
Löchern
mit hohem Seitenverhältnis
zu erlauben, hat der Primärelektronenstrahl
eine ausreichend hohe Energie, um reflektierten Elektronen das Durchdringen
der seitlichen Wand des Loches zu ermöglichen.
-
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht
darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Dimensionsmessung
und Inspektion von Strukturen mit einem hohen Seitenverhältnis ohne
Einschränkung
der räumlichen
Auflösung
und ohne Störung des
Primärelektronstrahls
anzugeben.
-
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die
kennzeichnenden Merkmale des Verfahrensanspruchs 1 und
des Vorrichtungsanspruchs 12 gelöst.
-
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung
sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
-
Die Erfindung sind dadurch gekennzeichnet, dass
die Umgebung des interessierenden Elements vor der Messung und Inspektion
entfernt wird, um den Detektionswirkungsgrad zu erhöhen. Eine
Korpuskular-Ätz-Technik
wird zur Entfernung der Umgebung angewandt.
-
Vor dem Entfernen der Umgebung wird
eine Ätzmaske
erzeugt, um durch Abdecken Schaden an dem interessierenden Element
zu vermeiden. Im Prinzip gibt es zwei Möglichkeiten, um den Detektionswirkungsgrad
zu erhöhen:
-
- 1. Es werden wenigstens Teile des die Struktur umgebenden
Materials bis zur einer bestimmten Tiefe entfernt, um das Seitenverhältnis zu
verringern.
- 2. Eine Ätzmaske
zur Entfernung der Umgebung wird erzeugt, die eine Beschädigung des
interessierenden Elements vermeidet und die die Struktur teilweise überlappt.
Die Entfernung des Materials wird dann Passagen für die Rückstreu-
und Sekundärkorpuskel öffnen.
-
Weiter Vorteile und Ausgestaltungen
der Erfindung werden anhand der Beschreibung einige Ausfuhrungsbeispiele
und der Zeichnung näher
erläutert.
In der Zeichnung zeigen
-
1 eine
schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Dimensionsmessung und
Inspektion von Strukturen mit einer nach einer Linse angeordneten Detektoranordnung,
-
2 eine
schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Dimensionsmessung und
Inspektion von Strukturen mit einer vor einer Linse angeordneten Detektoranordnung,
-
3a u. 3b Draufsichten und Querschnittdarstellungen
von Strukturen vor der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
-
4 eine
schematische Ansicht einer Ätzmaske
für die
Struktur gemäß 3a und 3b,
-
5a u. 5b eine Draufsicht und eine Querschnittdarstellung
der Struktur gemäß
-
3a und 3b nach Entfernung des umgebenden
Materials mit Hilfe der Ätzmaske
gemäß 4,
-
6 eine
schematische Ansicht einer alternativen Ätzmaske,
-
7a u. 7b eine Draufsicht und eine Querschnittdarstellung
der Struktur gemäß 3a und 3b nach Entfernung des umgebenden Materials
mit Hilfe der Ätzmaske
gemäß 6,
-
8a u. 8b eine Draufsicht und eine Querschnittdarstellung
einer anderen Struktur vor Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
-
9 eine
Draufsicht gemäß 8a mit einer Ätzmaske
gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel,
-
10a u. l0b eine Draufsicht der Struktur der 8a und 8b, die zwei verschiedene Zustände beim
Anwenden des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt,
-
10c eine
Draufsicht der Struktur nach Entfernung der Umgebung.
-
1 zeigt
eine Vorrichtung zur Dimensionsmessung und Inspektion einer Struktur 1,
mit der ein fokussierter Korpuskularstrahl 2, beispielsweise ein
Elektronenstrahl oder ein Ionenstrahl, in einer optischen Säule erzeugt
werden kann.
-
Zusätzlich zu einer Vielzahl von
magnetischen und/oder elektrostatischen Linsen und Blenden zur Strahlformung
(hier nicht gezeigt), enthält
die Säule 3 im
Wesentlichen Mittel 4 zur Erzeugung des Korpuskularstrahls 2,
eine Objektivlinse 5 zur Fokussierung des Korpuskularstrahls
auf die Struktur 1 und einen Detektor 6 zum Nachweis
der Rückstreu- und/oder
Sekundärelektronen,
die durch den fokussierten Korpuskularstrahl ausgelöst worden
sind.
-
Im dargestellten Ausführungsbeispiel
ist ein Austastsystem 7 und ein Ablenksystem 8 vorgesehen.
Der durch die Mittel 4 erzeugte Korpuskularstrahl 2 wird
durch die Objektivlinse 5 auf die Struktur 1 fokussiert.
-
Die am Boden der Struktur 1 ausgelösten Rückstreu-
und/oder Sekundärelektronen 9 bewegen sich
nahe der optischen Achse in der optischen Säule nach oben und können daher
nur schwer durch den Detektor 6 nachgewiesen werden.
-
2 zeigt
ein zweites erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel
einer Vorrichtung zur Dimensionsmessung und Inspektion von Strukturen
mit einem hohen Seitenverhältnis.
Während 1 einen nach der Linse angeordneten
Detektor zeigt, ist in 2 ein
Detektor vor der Linse offenbart. Dementsprechend ist der Detektor 6' zwischen
den Mittel 4 zur Erzeugung des Korpuskularstrahls und der
Objektivlinse 5 angeordnet. Weiterhin ist eine Beschleunigungselektrode
10 vorgesehen, um die Rückstreu- und
Sekundärelektronen
beim Passieren der Objektivlinse 5 zu unterstützen. Die
beschleunigten Rückstreu-
und Sekundärelektronen 9 verhalten
sich jedoch dann sehr ähnlich
wie der Primärstrahl
und sind daher schwierig nachzuweisen.
-
3a u. 3b zeigen eine Struktur, die ein Kontaktloch
darstellt. Das interessierende Element dieser Struktur ist beispielsweise
der Durchmesser am Boden dieses Loches.
-
Um den Detektorwirkungsgrad zu erhöhen schlägt das erfindungsgemäße Verfahren
vor, die Umgebung des interessierenden Elements vor dessen Messung
und Inspektion zu entfernen.
-
Vorteilhafterweise wird vor dem Entfernen der
Umgebung ein Bild von der Struktur, beispielsweise durch Abtasten
mit Hilfe des Korpuskularstrahls 2 gemacht.
-
Die Ätzmaske wird aus den Bilddaten
der Draufsicht virtuell erzeugt. Dann wird eine virtuelle Ätzmaske
zur Entfernung der Umgebung erzeugt, wodurch Schaden an dem interessierenden
Element vermieden wird. Ein erstes Beispiel für ein Ätzmaske 11 für die Struktur
gemäß 3a und 3b ist in 4 dargestellt.
Die Ätzmaske
enthält
ein rundes Element 11, das den gleichen Durchmesser wie
das Kontaktloch 12 der Struktur aufweist. Die Maske 11 bestimmt weiterhin
ein rechteckiges Fenster 11b, welches das runde Element 11a umgibt.
-
Die Vorrichtungen gemäß 1 oder 2 enthalten ferner Mittel zum Entfernen
der Umgebung des interessierenden Elements um den Detektionswirkungsgrad
zu erhöhen.
Diese Mittel können
durch Mittel 4 zur Erzeugung des Korpuskularstrahls gebildet
werden. Eine weitere Möglichkeit
besteht jedoch in der Bereitstellung eines zusätzlichen Mittels i 3 zur Entfernung
der Umgebung des interessierenden Elements, welches innerhalb der
optischen Säule 3 angeordnet
ist. Eine Ätztechnik
mittels Korpuskularstrahl wird zur Verwendung der Umgebung verwendet.
Zu diesem Zweck kann ein Ionenstrahl oder ein Elektronenstrahl verwendet
werden. Die Mittel zur Entfernung der Umgebung können auch zusätzliche Mittel 11 zur
Anwendung eines Gases im Bereich der Struktur 1 enthalten, um den
Strahl bei der Entfernung der Umgebung zu unterstützen. Es
ist demnach möglich,
einen gasunterstützten
Ionenstrahl oder einen gasunterstützten Elektronenstrahl oder
sogar einen gasunterstützten
Lichtstrahl für
das Entfernen der Umgebung zu verwenden.
-
Vorzugsweise wird der selbe Korpuskularstrahl
für die
Messung und Inspektion als auch für das Entfernen der Umgebung
verwendet. Es kann jedoch auch eine zusätzliche Quelle 13 innerhalb
oder außerhalb
der optischen Säule 3 vorgesehen
werden.
-
Bei Anwendung einer Ätztechnik
mittels Korpuskularstrahl verhindert die Maske 11, dass
das interessierende Element Schaden nimmt und begrenzt den Bereich,
in dem. das Material entfernt wird.
-
5a und 5b zeigen die Struktur gemäß 3a und 3b nach der Entfernung der Umgebung. Die
Umgebung wurde bis auf eine bestimmte Tiefe 1 entfernt,
wodurch das Seitenverhältnis
erhöht
wurde. Die Entfernung der Umgebung ermöglicht die Freisetzung der
Sekundär-
und Rückstreuelektronen oder
anderer Korpuskel, wie das durch 5b im Vergleich
zur 3b ersichtlich ist.
Dementsprechend wird die Abbildung und die hochpräzise Messung
kritischer Abmessungen verbessert.
-
Die Ätzmaske gemäß 4 kann jedoch auch etwas größer als
die Struktur ausgebildet werden, um Schaden an dem interessierenden
Element zu vermeiden. 6 zeigt
eine solche Ätzmaske 11'. Ihr
rundes Element 11'a hat einen etwas größeren Durchmesser als der Innendurchmesser
des Kontaktlochs 12. In diesem Fall resultiert das Entfernen der
Umgebung in einer dünnen,
zylindrischen Wand 12a, die das Element umgibt. Bei dieser
Lösung
werden die an der Außenwand
des Zylinders durch Rückstreuelektronen
erzeugten Sekundärelektronen zusätzlich zu
den direkt freigesetzten Sekundärelektronen
für den
Signalnachweis verwendet.
-
8a und 8b zeigen eine weitere, zu
untersuchende Struktur 13. Diese Struktur zeigt eine dünne Nut.
-
In den 9 und 10a-10c wird einen neue Technik zur Verbesserung
des Detektionswirkungsgrades gezeigt. Es wird wiederum eine Ätzmaske 12" erzeugt,
die Schaden an einem interessierenden Element 16 verhindert.
Die Ätzmaske 12" definiert
ein rechteckiges Fenster, welches die Struktur 13 teilweise überlappt.
-
Im nächsten Schritt wird das Material
bis auf eine bestimmte Tiefe, beispielsweise die Hälfte der Tiefe
der Nut, wie in 1.0.
gezeigt oder die gesamte Tiefe der Nut, wie in 10b, entfernt.
-
Fig. l0c ist
eine Draufsicht der Struktur nach Entfernung des umgebenden Materials,
welches durch die Maske 12" festgelegt worden ist. Diese
Technik öffnet
die Nut an einer ihrer Seiten und öffnet daher Passagen für die Rückstreu-
und Sekundärkorpuskel. 8a zeigt einen Winkelbereich 17 für die Korpuskeldetektion,
der durch die Struktur begrenzt ist. Aufgrund der Entfernung der
Umgebung zeigt 10c einen
verbesserten Winkelbereich 17' für die Korpuskeldetektion.
-
In einigen Fällen könnte es vorteilhaft sein, wenn
die Tiefe des entfernten Materials größer ist als die Tiefe der Struktur.
-
Das vorgeschlagen Verfahren und die
Vorrichtung können
vollständig
automatisiert werden. Dementsprechend kann die Messung und Inspektion von
kritischen Abmessungen ohne Unterstützung durch ein Bedienpersonal
durchgeführt
werden. Bekannte Techniken wie automatische Ansteuerung zum Messort,
automatische Einstellung der Fokus- und Strahlparameter und eine
automatische Bilderfassung können
verwendet werden. Aus den sich ergebenden Daten können kritische
Abmessungen und die Bedingungen der oberen Schicht durch Verwendung
von bekannten Technologien bestimmt werden. Zusätzlich kann die Ätzmaske
automatisch von den Bilddaten der Draufsicht erzeugt werden. Die
Verwendung von Layoutdaten kann diesen Schritt unterstützen. in
manchen Fällen
kann es jedoch vorteilhaft sein, die Ätzmaske manuell zu erstellen.
-
Die Erzeugung der Ätzmaske
und das Entfernen von Material kann sowohl durch Voreinstellungen
der Systemparameter als auch durch das Sekundär- und/oder Rückstreukorpuskelkontrastsignal
erfolgen und kontrolliert werden. Vorzugsweise werden Sekundärelektronen-
und/oder Rückstreuelektronensignale
verwendet, wobei aber auch Sekundär- und/oder Rückstreuionensignale
denkbar sind.
-
Die Ätzmasken werden üblicherweise
virtuell erzeugt, so dass die Mittel 4 zur Erzeugung des
Korpuskularstrahls und das Austastsystem 7 Steuersignale
erhalten, um einen Korpuskularstrahl auf der Struktur zu erzeugen,
der der Ätzmaske
entspricht.
-
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
kann eine Vorrichtung gemäß den 1 oder 2 verwendet werden. Es wird ein hochauflösendes (Niederenergie-)
Sekundärelektronenmikroskop bevorzugt,
das Mittel 4 zur Erzeugung eines Elektronenstrahls mit
Hilfe einer kalten, thermischen Elektronenquelle oder einer Photokathodenelektronenquelle
vorsieht. Die Vorrichtung weist vorzugsweise ein Austastsystem 7 zur
dosierten Steuerung der Elektronen auf. Ebenso können vorzugsweise Komponenten
zur Erhöhung
der räumlichen
Auflösung und/oder
Erhöhung
des Sondenstroms, wie Fehlerkorrekturelemente (beispielsweise Multipolkorrektor), Monochromator,
integriert werden.
-
Weiterhin kann eine hochauflösende Vorrichtung
mit fokussiertem Ionenstrahl mit einer Flüssigmetallionen-, einer Gas-
oder einer anderen Ionenquelle mit hoher Helligkeit verwendet werden.
Es ist schließlich
auch möglich,
eine Kombination eines Sekundärelektronenmikroskops
und einer Vorrichtung mit einem fokussierten Ionenstrahl gemäß den oben angeführten Merkmalen
vorzusehen.
-
Die Vorrichtung sollte vorzugsweise
Mittel zur Durchführung
von gasunterstützten
Materialentfernungstechniken aufweisen, indem beispielsweise ein
oder mehrere Düsen
14 zum Aufbringen eines geeigneten Gases in der Nähe des Korpuskularstrahls
(siehe 2) vorgesehen
sind.
-
Die Anzahl der Ätzmasken zur Erhöhung der Signaldetektion
hängt von
der Form, des Elements, der Messaufgabe und anderen Anforderungen
ab.
-
Die Ausrichtung der Ätzmasken
wird in Abhängigkeit
der Position des Detektors oder der Detektoren ausgewählt, um
eine maximale Wirkungsgrad der Signaldetektion zu erhalten.
-
Die Ausrichtung der Ätzmasken
kann auch so ausgebildet werden, dass eine optimale Kontrastwirkung
(beispielsweise für
spezielle Topographieeinzelheiten) erzeugt werden können.