DE19925831A1

DE19925831A1 - Verfahren zur Messung des Positionierungsfehlers von Strukturmustern

Info

Publication number: DE19925831A1
Application number: DE19925831A
Authority: DE
Inventors: Joachim Bauer; Joerg Bischoff
Original assignee: Institut fuer Halbleiterphysik GmbH
Current assignee: Bauer Joachim Dr 15326 Lebus De; Bischoff Joerg Dr 98693 Ilmenau De
Priority date: 1999-06-07
Filing date: 1999-06-07
Publication date: 2000-12-14

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung des Positionierungsfehlers von Strukturmustern, insbesondere für die Anwendung in der Halbleiterherstellung. DOLLAR A Aufgabe der Erfindung ist es, mit Hilfe der an sich bekannten Scatterometrie der inversen Streulicht-Verteilung und einer anschließenden Datenanalyse in einem ersten Anlernschritt und nachfolgenden Auswertungsschritten ein Verfahren vorzuschlagen, nach dem der Positionierungsfehler zweier lithographischer Ebenen direkt im Herstellungsprozeß ermittelt werden kann. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gelöst, das durch folgende Schritte gekennzeichnet ist: DOLLAR A A Erzeugung zweier Testgitterstrukturen in mindestens einer Ebene, DOLLAR A B Messung des an den Testgitterstrukturen gebeugten Lichts, DOLLAR A C Ermittlung des Zusammenhangs zwischen dem gebeugten Licht und der Positionierung der beiden Testgitterstrukturen zueinander durch Kalibriermessungen und durch Simulationsberechnungen und DOLLAR A D Bestimmung des Positionsfehlers mittels Messung der Intensität des gebeugten Lichts einer oder meherer Beugungsordnungen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung des Positionierungsfehlers von Strukturmu stern, die in mehreren Ebenen übereinander angeordnet sind, insbesondere für die Anwendung in der Halbleiterherstellung.

In dem Bestreben der Erzielung höherer Packungsdichten erreichen die Strukturbreiten in Halbleiterbauelementen eine Größenordnung von sub. 0,25 µm. Das macht in dem Herstel lungsprozeß eine Positionierungsgenauigkeit von kleiner 5 nm erforderlich, wobei der zu be trachtende Gesamtfehler aus der Summe von Einstell- und Maschinenfehler besteht. Die derzeit angewendeten Meßverfahren beruhen im wesentlichen auf optischen, abbildenden Verfahren, die mit einer hochgenauen Bildverarbeitung gekoppelt sein können. Trotz der enormen Kosten, die die Anfertigung von Geräten auf der Basis dieser Verfahren fordert, stoßen die optischen, abbildenden Meßverfahren bei Strukturbreiten von 0,6-0,8 µm, verursacht durch die Apertur und die Wellenlänge des Lichts, an ihre physikalischen Grenzen. Dabei lassen sich die zuge sagten Meßgenauigkeiten nur unter besonderen Bedingungen erzielen, beispielsweise bei sehr kontrastreichen Objekten beziehungsweise nur außerhalb des Produktionsprozesses unter spe ziellen Laborbedingungen. Geräte mit kürzeren Abbildungswellenlängen, wie beispielsweise Rasterelektronenmikroskope, sind noch kostenintensiver, arbeiten nicht zerstörungsfrei, sind deshalb nicht in-line-fähig und sind zum Teil strahlungsgefährdend.

Unter Verzicht auf die Abbildung der zu messenden Strukturmuster bieten indirekte Messun gen auf der Grundlage von Streulicht-Methoden höhere Genauigkeiten. Eine Information über die Struktur wird dabei aus den relativen Intensitäten des Lichts in den einzelnen Beugungs ordnungen gewonnen. Bekannt geworden ist hierzu ein Gerät zur fotoelektrischen Messung des Positionierungsfehlers zweier zueinander beweglicher Körper, wobei der eine Körper ein Skalen-Gitter und der andere Körper ein Index-Gitter trägt. Auf das Skalen-Gitter fällt ein di rekter Lichtstrahl in der Weise, daß das reflektierte, das Index-Gitter passierende Licht zumin dest teilweise diffus ist. Das das Index-Gitter passierende Licht wird zwecks Analyse der räumlichen, periodischen Verteilung seiner Beugungsmuster auf einer Skala fotoelektrischer Wandler abgebildet. Aus der Intensität der räumlichen, periodischen Verteilung des Streulichts wird auf die Position der beiden Körper zueinander geschlossen, vgl. US-PS 4.079.252.

In Bezug auf den Herstellungsprozeß von Halbleiterstrukturen hat die hier angewendete Me thode den Nachteil, daß zwei räumlich getrennte Gitter mit fester Gitterperiode in ihrer Positi on zueinander vermessen werden.

Ein weiteres Verfahren zur Messung des Positionierungsfehlers bedient sich zweier übereinan der angeordneter Submikrometer-Gitterstrukturen unterschiedlicher Periodizität. Dabei ist die eine Gitterstruktur an einen Bezugskörper gebunden, während die andere Gitterstruktur mit einer lithographischen Vorlage in Verbindung steht. Ein diese Anordnung passierender Licht strahl läßt ein Beugungsmuster des Lichts entstehen, dessen räumliche Verteilung Aufschluß über die Position der lithographischen Vorlage in Hinsicht auf den Bezugskörper gewährt, vgl. US-PS 5.216.257 und 5.343.292.

Diesen Verfahren gemeinsam haftet der Mangel an, daß die Position der zu prüfenden Struktur nur in Relation auf den Bezugskörper bestimmt werden kann, wobei jeweils die zu prüfende Struktur und der Bezugskörper zu Meßzwecken an einem vorbestimmten Punkt außerhalb der lithographischen Vorlage die zueinander auszurichtenden Gitterstrukturen aufweisen. Eine derartige Anordnung läßt lediglich die Schlußfolgerung zu, daß nach Ausrichtung der Gitter strukturen auch die lithographischen Strukturen in der gewünschten Genauigkeit zueinander ausgerichtet sind. Ein Fehler zwischen Gitterstruktur und lithographischer Vorlage bleibt dabei unberücksichtigt. Der Fehler zweier lithographischer Ebenen wird nicht unmittelbar gemessen, und der tatsächliche Zustand der Positionierung zweier Ebenen bleibt unbekannt.

Weiter wurde der Öffentlichkeit bekanntgemacht, daß mit Meßverfahren auf der Basis der in versen Streulichtverteilung die Meßgenauigkeit an lithographischen Strukturen erheblich ver bessert werden kann. Dazu wird das an sehr feinen Strukturen reflektierte und in mehreren Ordnungen gebeugte Licht als Scatterogramm aufgezeichnet. Die anschließende Datenanalyse geschieht in zwei Schritten. In dem ersten Schritt ist ein Anlernzyklus mit einer rigorosen Vorwärtsmodellierung verbunden. In dem folgenden Schritt werden die so gewonnenen Daten zur Interpretation der aufgezeichneten Scatterogramme genutzt und auf die Breite der Struktu ren geschlossen. Es wurde gezeigt, daß derartige Scatterogramme an unterschiedlichen Mate rialien des Herstellungsprozesses von integrierten Schaltkreisen gewonnen werden können, vgl. Photoresistmetrology based on light scattering - SPIE Vol. 2725; Diffraction analysis based on characterization of very fine gratings - SPIE Vol. 3099-25; Optical scatterometry of quarter micron patterns using neural regressions - SPIE Vol. 333.

Mit den hier aufgezeigten Meßverfahren sind erstmals Messungen im Submikrometer-Bereich möglich geworden, wobei die Breite einzelner Strukturelemente unter Laborbedingungen er mittelt wird. Ungelöst bleibt jedoch das Problem, den Positionierungsfehler einer Struktur zu bestimmen, die in einem folgenden technologischen Schritt auf eine vorhandene Struktur auf gebracht wurde.

Aufgabe der Erfindung ist es, mit Hilfe der an sich bekannten Scatterometrie der inversen Streulicht-Verteilung und einer anschließenden Datenanalyse in einem ersten Anlernschritt und nachfolgenden Auswertungsschritten ein Verfahren vorzuschlagen, nach dem der Positionie rungsfehler zweier lithographischer Ebenen direkt im Herstellungsprozeß ermittelt werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gelöst, das durch die folgenden Verfahrenschritte gekennzeichnet ist:

1. A: Erzeugung von zwei Testgitterstrukturen in mindestens einer Ebene,
2. B: Messung des an den Testgitterstrukturen gebeugten Lichts,
3. C: Ermittlung des Zusammenhanges zwischen dem gebeugten Licht und der Positionie rung der beiden Testgitterstrukturen zueinander durch Kalibriermessung und durch Si mulationsberechnung und
4. D: Bestimmung des Positionierungsfehlers mittels Messung der Intensität des gebeugten Lichts einer oder mehrerer Beugungsordnungen.

Bevorzugt wird der Positionierungsfehler mittels Messung des gebeugten Lichts einer jeweils 1. Ordnung bestimmt. Dazu wird je eine Testgitterstruktur in einer Schaltkreisebene und in einer weiteren Ebene erzeugt. In einer anderen bevorzugten Ausführung wird auf einem Sub strat zuerst eine erste Testgitterstruktur erzeugt und danach das Substrat anhand der Marken der ersten Testgitterstruktur erneut justiert und innerhalb der ersten Testgitterstruktur eine zweite Testgitterstruktur erzeugt. Vorteilhafterweise wird auf dem Substrat mittels eines litho graphischen Verfahrens, insbesondere Fotolithographie, mit der Strukturierung einer Schalt kreisstruktur zugleich eine Testgitterstruktur erzeugt. Die Schaltkreisstruktur, in der die Test gitterstruktur erzeugt wird, ist eine Ebene im Halbleiter-Herstellungsprozeß. Dabei wird die Testgitterstruktur durch Ätzen einer Metallschicht, einer Isolationsschicht oder eines Halblei ters erzeugt. In einer weiteren vorteilhaften Ausführung wird die fiestgitterstruktur durch das Belichten und Entwickeln einer Fotoresistschicht erzeugt. Die Strukturbreite der Testgitter strukturen liegt im µm- bis subµm-Bereich. Vorteilhafterweise ist das Pitch einer Testgitter struktur größer als die Summe aus dem maximalen absoluten Positionierungsfehler und den Strukturbreiten der Testgitterstrukturen. Vorzugsweise besitzt die Testgitterstruktur aus der Fotoresistschicht dieselbe Strukturbreite wie die Testgitterstruktur, die in einer Schalt kreisstruktur erzeugt wird, so daß ein Mischgitter mit doppelter Strukturbreite entsteht.

Zur Durchführung des Verfahrens wird auf die Testgitterstrukturen ein unter einem bestimm ten Winkel einfallender Lichtstrahl gerichtet. In einer anderen Ausführung werden auf die Testgitterstrukturen gleichzeitig mehrere, unter verschiedenen Winkeln einfallende Lichtstrah len gerichtet. Die Intensität des gebeugten Lichts wird an einer seiner räumlichen Verteilung entsprechenden Skala fotoelektrischer Wandler gemessen. Vorzugsweise wird ein Lichtstrahl aus einem Laser auf die Testgitterstrukturen gerichtet. In einer anderen Ausführung wird ein Lichtstrahl aus einer monochromatischen Strahlungsquelle auf die Testgitterstrukturen gerich tet.

Die Merkmale der Erfindung gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehre ren in Form von Unterkombinationen schutzfähige Ausführungen darstellen, für die hier Schutz beansprucht wird. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1a)-i): Verfahrensschritte zur Herstellung von Testgitterstrukturen in der Ebene einer Schaltkreisstruktur und in einer lithografischen Ebene,

Fig. 2 schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Streulichtmessung,

Fig. 3 Darstellung der Diffraktionseffektivität in Abhängigkeit vom Positio nierfehler für ein erstes Beispiel,

Fig. 4a)-g) Verfahrensschritte zur Herstellung von Testgitterstrukturen in einer Ebene

Fig. 5 Darstellung der Diffraktionseffektivität in Abhängigkeit vom Positio nierfehler für ein zweites Beispiel.

Beispiel 1

Das Beispiel 1 zeigt die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte zur Messung des Positionie rungsfehlers einer Bauelemente-Ebene zu einer weiteren lithographischen Ebene innerhalb des Herstellungsprozesses für ein Halbleiterbauelement. Die Aufeinanderfolge der einzelnen Ver fahrensschritte ist in der Fig. 1 dargestellt.

Auf einem Substrat 1 ist eine erste Ebene als eine Testgitterstruktur herzustellen. Bei der er sten Ebene handelt es sich in diesem Beispiel um eine Schaltkreisstruktur in Form einer Metal lisierung 2 aus Aluminium. Eine Schaltkreisstruktur als eine Ebene im Halbleiter- Herstellungsprozeß können beliebige Metallisierungen, unterschiedliche Halbleitermaterialien, wie monokristallines oder polykristallines Silizium, aber auch Isolationsschichten, wie SiO₂, sein. Dazu wird in einem ersten Schritt (Fig. 1a) auf die Metallisierung 2 eine Fotoresist schicht 3 aufgebracht, belichtet (Fig. 1b) und entwickelt (Fig. 1c). Durch ein Ätzen der Metal lisierung 2 (Fig. 1d) entsteht eine erste Testgitterstruktur 4 in der ersten Ebene in der Form eines Aluminiumgitters. Auf das Aluminiumgitter wird anschließend eine SiO₂-Schicht 5 (Fig. 1e) aufgebracht. In einer weiteren lithographischen Strukturierung durch das Auftragen einer nächsten Fotoresistschicht 6 und deren Belichtung (Fig. 1f) sowie einer nachfolgenden Ent wicklung (Fig. 1g) entsteht in einer zweiten Ebene ein Fotoresistgitter als eine zweite Testgit terstruktur 7. Das Fotoresistgitter besitzt dieselben Strukturmaße wie das Aluminiumgitter, nämlich eine Strukturbreite von 0,4 µm bei einem Pitch von 1,6 µm. Das Fotoresistgitter soll derart über der ersten Testgitterstruktur 4 positioniert sein, daß es mittig innerhalb der ersten Testgitterstruktur 4 angeordnet ist. Auf diese Weise entsteht ein Mischgitter aus einer Schalt kreisstruktur und einer Fotoresiststruktur. Die Strukturbreiten der beiden Testgitterstrukturen 4; 7 müssen für dieses Verfahren nicht identisch sein, jedoch sollten sich die beiden Gitter auch bei auftretenden Positionierungsfehlern, wie sie beispielhaft in Fig. 1h und Fig. 1i dargestellt sind, nicht überlappen.

Nach der Lithographie folgt die Vermessung der Position mittels einer Streulichtanalyse. Eine Vorrichtung zur Streulichtmessung ist in Fig. 2 schematisch dargestellt. Auf die beiden Test gitterstrukturen 4; 7 werden ein oder gleichzeitig mehrere, unter verschiedenen Winkeln ein fallende Lichtstrahlen gerichtet und die Intensitäten der gebeugten Lichtstrahlen an einer ihrer räumlichen Verteilung entsprechenden Skala fotoelektrischer Wandler gemessen. Ein Positio nierungsfehler beeinflußt dabei die Streulichtverteilung. Somit ist eine Kontrolle der Positionie rungsgenauigkeit der Ebenen zueinander möglich. Die Positionierungsfehler können beispiels weise als Korrekturwert in Datenfiles der Lithographiegeräte (Stepper) eingegeben werden. Somit lassen sich die Positionierungsgenauigkeiten aller Ebenen zueinander korrigieren und verbessern.

Fig. 3 zeigt die Abhängigkeit der Diffraktionseffektivität vom Positionierungsfehler. Es wurde die Intensität der +1. Ordnung bei senkrecht polarisierter Strahlung gemessen. Grundsätzlich ist die Messung der Intensität jeder anderen Beugungsordnung ebenfalls möglich, jedoch wird die Messung der Intensität des gebeugten Lichts der +1. bzw. -1. Ordnung bevorzugt, da in diesen Ordnungen die stärksten Intensitäten auftreten und das gebeugte Licht im Sinne des Meßverfahrens sehr sensibel reagiert. Es ist aber auch die Messung des in höheren Ordnungen gebeugten Lichts bzw. der gesamten Streulichtverteilung möglich. In diesem Ausführungsbei spiel wurde ein Helium-Neon-Laser mit einer Wellenlänge von 633 nm zur Erzeugung der po larisierten Strahlung verwendet. Es können aber auch andere Laser oder monochromatische Strahlungsquellen vom roten bis zum UV-Bereich genutzt werden. Durch Kalibriermessungen und durch Simulationsberechnungen wird der Zusammenhang zwischen dem gebeugten Licht und der Positionierung der beiden Ebenen zueinander zunächst ermittelt, während anschließend der Positionierfehler genau bestimmt wird.

Beispiel 2

In diesem Ausführungsbeispiel soll die Positioniergenauigkeit von lithographischen Geräten bestimmt werden. Hierbei wird ein mit einer Fotoresistschicht 22 beschichtetes Substrat 21 in einer Ebene zur Justierung bzw. Kontrolle der Positioniergenauigkeit des Steppers eines litho graphischen Gerätes strukturiert. Dazu wird die Fotoresistschicht 22 fotolithographisch struk turiert (Fig. 4a; 4b; 4c), wodurch eine erste Testgitterstruktur 23 entsteht.

Nach dem Entwickeln wird das Substrat 21 erneut in dem Stepper an den Justiermarken der ersten Testgitterstruktur 23 justiert. Es folgt die Belichtung einer zweiten Testgitterstruktur 24 in die erste Testgitterstruktur 23 hinein (Fig. 4d). Nach dem Entwickeln (Fig. 4e) erhält man somit eine zweite Testgitterstruktur 24 innerhalb der ersten Testgitterstruktur 23. Mit ihrer Hilfe läßt sich die Positioniergenauigkeit eines Steppers in einem lithographischen Gerät mittels der bereits im Beispiel 1 beschriebenen Streulichtmessung bestimmen. Zwei Beispiele von Po sitionierfehlern sind in Fig. 4f) und 4g) dargestellt.

Fig. 5 zeigt die Abhängigkeit der Diffraktionseffektivität von Positionierfehler für das Beispiel 2. Es wurde die Intensität der +1. Ordnung bei senkrecht polarisierter Strahlung gemessen. In diesem Ausführungsbeispiel wurde ebenfalls ein Helium-Neon-Laser mit einer Wellenlänge von 633 nm zur Erzeugung der polarisierten Strahlung verwendet. Durch Kalibriermessungen und durch Simulationsberechnungen wird der Zusammenhang zwischen dem gebeugten Licht und der Positionierung der beiden Ebenen zueinander ermittelt. Anschließend wird der Positionier fehler genau bestimmt.

In der vorliegenden Erfindung wurde anhand konkreter Ausführungsbeispiele ein Verfahren zur Messung des Positionierfehlers von Strukturmustern erläutert. Es sei aber vermerkt, daß die vorliegende Erfindung nicht auf die Einzelheiten der Beschreibung in den Ausführungsbei spielen eingeschränkt ist, da im Rahmen der Patentansprüche Änderungen und Abwandlungen beansprucht werden.

Claims

1. Verfahren zur Messung des Positionierungsfehlers von Strukturmustern, gekennzeich net durch die Verfahrensschritte:

1. A: Erzeugung von zwei Testgitterstrukturen (4; 7; 23; 24) in mindestens einer Ebene,
2. B: Messung des an den Testgitterstrukturen (4; 7; 23; 24) gebeugten Lichts,
3. C: Ermittlung des Zusammenhanges zwischen dem gebeugten Licht und der Positionie rung der beiden Testgitterstrukturen (4; 7; 23; 24) zueinander durch Kalibriermes sung und durch Simulationsberechnung und
4. D: Bestimmung des Positionierungsfehlers mittels Messung der Intensität des gebeug ten Lichts einer oder mehrerer Beugungsordnungen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Positionierungsfehler mittels Messung des gebeugten Lichts einer jeweils 1. Ordnung bestimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß je eine Testgitter struktur (4; 7) in einer Schaltkreisebene und in einer weiteren Ebene erzeugt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem Substrat (1) zuerst eine erste Testgitterstruktur (23) erzeugt wird und danach das Substrat (1) anhand der Marken der ersten Testgitterstruktur (23) erneut justiert und innerhalb der ersten Testgitterstruktur (23) eine zweite Testgitterstruktur (24) erzeugt wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß auf einem Substrat (1) mittels eines lithographischen Verfahrens, insbe sondere Fotolithographie, mit der Strukturierung einer Schaltkreisstruktur zugleich eine Testgitterstruktur (4) erzeugt wird.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß die Schaltkreisstruktur, in der die Testgitterstruktur (4) erzeugt wird, eine Ebene im Halbleiter-Herstellungsprozeß ist.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß die Testgitterstruktur (4) durch Ätzen einer Metallschicht, einer Isolati onsschicht oder eines Halbleiters erzeugt wird.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß die Testgitterstruktur (7; 23; 24) durch das Belichten und Entwickeln ei ner Fotoresistschicht (3; 6; 22) erzeugt wird.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß die Strukturbreite der Testgitterstrukturen (4; 7; 23; 24) im µm-Bereich bis subµm-Bereich liegt.

10. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß das Pitch einer Testgitterstruktur (4; 7; 23; 24) größer als die Summe aus dem maximalen absoluten Positionierungsfehler und den Strukturbreiten der Testgitter strukturen ist.

11. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß die Testgitterstruktur (7) aus der Fotoresistschicht (6) dieselbe Struktur breite besitzt wie die Testgitterstruktur (4), die in einer Schaltkreisstruktur erzeugt wird, so daß ein Mischgitter mit doppelter Strukturbreite entsteht.

12. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß auf die Testgitterstrukturen (4; 7; 23; 24) ein unter einem bestimmten Winkel einfallender Lichtstrahl gerichtet wird.

13. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß auf die Testgitterstrukturen (4; 7; 23; 24) gleichzeitig mehrere, unter ver schiedenen Winkeln einfallende Lichtstrahlen gerichtet werden.

14. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß die Intensität des gebeugten Lichts an einer seiner räumlichen Verteilung entsprechenden Skala fotoelektrischer Wandler gemessen wird.

15. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß ein Lichtstrahl aus einem Laser auf die Testgitterstrukturen (4; 7; 23; 24) gerichtet wird.

16. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß ein Lichtstrahl aus einer monochromatischen Strahlungsquelle auf die Testgitterstrukturen (4; 7; 23; 24) gerichtet wird.