DE4301889A1

DE4301889A1 - Verfahren zum Bestimmen charakteristischer Größen transparenter Schichten mit Hilfe der Ellipsometrie

Info

Publication number: DE4301889A1
Application number: DE4301889A
Authority: DE
Inventors: Uwe Dipl Phys Wielsch; Uwe Dipl Phys Richter; Helmut Dr Rer Nat Witek; Albrecht Dr Rer Nat Krueger
Original assignee: Sentech Instruments GmbH
Current assignee: Sentech Instruments GmbH
Priority date: 1993-01-14
Filing date: 1993-01-14
Publication date: 1994-07-21
Also published as: JPH06317408A; US5526117A

Description

Die Erfindung betrifft die ellipsometrische Bestimmung transparenter dünner Schichten im Nanometerbereich, insbe sondere für die Anwendung in der Optik und in der Halblei tertechnik.

Bei den bekannten Ellipsometern wird eine Probe mit einem linear polarisierten Laserstrahl bestrahlt, wozu ein Laser mit einem Polarisator und einem Kompensator angeordnet ist. Der Laserstrahl fällt schräg auf die Probe, wird an deren Oberfläche reflektiert und als elliptisch polarisierter Strahl über einen rotierenden Analysator auf einen Fotode tektor gerichtet. Die Ausgangssignale des Fotodetektors werden in der Regel einem Rechner zur Auswertung der Meßsi gnale zugeführt. Gemessen wird bei der Ellipsometrie die Änderung des Polarisationszustandes des reflektierten Lichtes. Das Reflektionsverhältnis aus parallel und senk recht polarisiertem Licht ist u. a. eine Funktion der Schichtdicke (DE-OS 39 26 184, DE-OS 41 08 329).

Der Vorteil der Ellipsometrie im Vergleich z. B. zur Photome trie besteht darin, daß die unabhängige Messung von zwei Parametern in einem Meßvorgang möglich ist, z. B. der Dicke und des Brechungsindex. Weiterhin ist eine schnelle Messung mit hoher Genauigkeit möglich.

Der Nachteil einfacher Ellipsometer, die bei einer Wellen länge arbeiten, besteht darin, daß man keine spektralen Informationen erhält und daß die Messung der Schichtdicke nur innerhalb einer ellipsometrischen Periode möglich ist. Wenn kein Aussage über die Periode vorhanden ist, kann auch keine Aussage zur absoluten Schichtdicke gemacht werden.

Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die hohe Meßgenau igkeit von der Filmdicke abhängig ist, wenn der Brechungsin dex unbekannt ist. Der Zusammenhang wird in der Fig. 1 dargestellt. Dort sind die ellipsometrischen Winkel Psi und Delta für unterschiedliche Brechungsindices dargestellt. Im Bereich des Fokus, der bei einem Delta von 180° liegt, also bei der Messung von Schichten mit einer Dicke von ca. 220 bis 340 Nanometer, ist die unabhängige Messung der Schicht dicke und des Brechungsindex nicht möglich.

Für die Dickenmessung an transparenten Schichten sind weiterhin Spektralphotometer bekannt (DE-OS 39 26 184). Bei diesen wird die zu untersuchende Schicht mit weißem Licht, d. h. mit Licht eines genügend großen Wellenlängenbereiches bestrahlt. Wird eine derartige Strahlung von einer transpa renten Schicht reflektiert, legen die an der vorderen und hinteren Grenzfläche reflektierten Anteile unterschiedliche Wege zurück.

Bei ihrer Überlagerung entstehen Interferenzen, d. h. in Abhängigkeit von der optischen Schichtdicke und Wellenlänge wird die reflektierte Strahlung entweder verstärkt oder geschwächt bzw. ausgelöscht. Das Reflexionsvermögen ist eine Funktion des Produktes Brechungsindex mal Schicht dicke, so daß bei bekanntem Brechungsindex die Schichtdicke ermittelt werden kann.

Bei der Messung mit dem Spektralphotometer besteht der Nachteil, daß die gleichzeitige Bestimmung sowohl der Schichtdicke als auch des Brechungsindex wegen der spektra len Abhängigkeit vom Brechungsindex nicht in einer Messung möglich ist.

Die genannten Nachteile lassen sich durch die Verwendung eines Spektro-Ellipsometers vermeiden. Bei diesem werden die Messungen in einem kontinuierlich durchstimmbaren Spektrum durchgeführt.

Der Nachteil des Spektro-Ellipsometers besteht aber darin, daß dessen Aufbau sehr aufwendig und dadurch teuer ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei der ellipsome trischen Messung von transparenten Filmen auf reflektieren den Substraten bei einer Wellenlänge oder bei wenigen diskreten Wellenlängen mindestens zwei charakteristische Größen des Filmes, wie z. B. Schichtdicke und Brechungsindex sowie die Dispersion, mit hoher Genauigkeit auch bei Schichtdicken zu bestimmen, bei denen mindestens eine der charakteristischen Größen mit ellipsometrischen Messun gen bei einer Wellenlänge oder wenigen diskreten Wellenlän gen bisher nicht bzw. ungenau zu ermitteln gewesen ist, und zusätzlich die spektrale Abhängigkeit der charakteristi schen Größen zu ermitteln.

Erfindungsgemäß wird das durch die Merkmale des Anspruchs 1 erreicht.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst minde stens ein Paar der ellipsometrischen Winkel Psi und Delta bei mindestens einem Einfallswinkel der Lichtstrahlung auf die Probe für mindestens eine Ellipsometerwellenlänge gemessen, aus denen mit an sich bekannten Beziehungen mindestens eine charakteristische Größe des zu vermessenden transparenten Films für eine Ellipsometerperiode ermittelt wird. In einem zweiten Schritt wird photometrisch die wel lenlängenabhängige Reflexion der Probe in dem interessieren den Wellenlängenbereich gemessen und daraus mit einer bekannten Beziehung unter Zuhilfenahme einer im ersten Schritt bei der oder den diskreten Ellipsometerwellenlängen ermittelten charakteristischen Größe des transparenten Films als Startwert die spektrale Abhängigkeit der charakte ristischen Größen bestimmt.

Im ersten Schritt kann als charakteristische Größe die Schichtdicke d und der Brechungsindex n des zu vermessenden Films für eine Ellipsometerperiode ermittelt werden, wobei die ellipsometrische Ordnung zunächst unbekannt ist. Mit Hilfe der im zweiten Schritt ermittelten wellenlängenabhän gigen Reflexion der Probe wird anschließend mit einer bekannten Beziehung unter Annahme des konstanten und aus dem ersten Schritt bestimmten Brechungsindex näherungsweise die absolute Schichtdicke bestimmt. In einem weiteren Schritt wird mit der im zweiten Schritt bestimmten absolu ten Schichtdicke unter Zuhilfenahme der im ersten Schritt ermittelten Schichtdicke die im zweiten Schritt ermittelte Schichtdicke mit Hilfe einer bekannten Beziehung in ihrer Genauigkeit verbessert. Mit dieser Schichtdicke und dem ellipsometrisch bestimmten Brechungsindex als Startwert wird schließlich mit einer bekannten Beziehung die spektra le Abhängigkeit des Brechungsindex bestimmt.

Für den Fall, daß der Ellipsometerwinkel Delta im Bereich von 180° liegt, und damit aus den gemessenen Ellipsometer winkeln Psi und Delta nur das Produkt des Brechungsindex und der Schichtdicke n×d genau ermittelt werden kann, die Einzelgrößen n und d aber nur ungenau ermittelt werden können, werden erfindungsgemäß in einem ersten Schritt der Brechungsindex n und die Schichtdicke d ellipsometrisch mit der verfahrensbedingten großen Ungenauigkeit ermittelt. In einem zweiten Schritt wird die wellenabhängige Reflexion spektralphotometrisch gemessen. In einem dritten Schritt wird mit diesem gemessenen Reflexionswert und dem ellipsome trisch ermittelten Brechungsindex nach einer bekannten Beziehung ein genauerer Wert der Schichtdicke ermittelt. Mit dieser neu ermittelten Schichtdicke und dem ellipsome trisch ermittelten Brechungsindex wird in einem vierten Schritt ein verbesserter Wert des Brechungsindex ermittelt. In einem fünften Schritt wird mit diesem verbesserten Wert des Brechungsindex ein verbesserter Wert der Schichtdicke ermittelt. Die im vierten und fünften Schritt angegebenen Verfahrensschritte werden iterativ solange fortgesetzt, bis die zu ermittelnden Werte der Schichtdicke und des Bre chungsindex konstant bleiben und damit beide Werte mit ellipsometrischer Genauigkeit bestimmt sind.

Die bekannte Beziehung zwischen dem Brechungsindex und den übrigen Größen lautet:

n = n_e + a (w² - w_e ²) + b (w⁴ - w_e ⁴)

n_e = n₀ + a w_e ² + b w_e ⁴

wobei bedeuten:

n
Brechungsindex des Films
n_e	Brechungsindex, der ellipsometrisch bei einer Wellenlänge ermittelt worden ist.
n₀, a, b	Dispersions-Koeffizienten
w	Wellenzahl
w_e	Ellipsometer-Wellenzahl, bei der gemessen wird

Anhand von Diagrammen sollen die Zusammenhänge erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 die Darstellung der ellipsometrischen Winkel Psi und Delta bei unterschiedlichen Brechungsindices,

Fig. 2 den Verlauf des Fehlers des Brechungsindex für unterschiedliche Ellipsometerwinkel.

Aus der Fig. 2 ist die Abhängigkeit der Schichtdicke von der Genauigkeit der Messung des Brechungsindex n ersicht lich. Es ist zu erkennen, daß bei Halbperioden und Peri oden, d. h. wenn der Ellipsometerwinkel 180° oder ganzzahli ge Vielfache davon betragen, der Brechungsindex ellipsome trisch nur sehr ungenau bestimmt werden kann. Dieser Nach teil wird durch das erfindungsgemäße Verfahren beseitigt. Bei der Einwinkelmessung wird der Verlauf 11 des Fehlers erzielt, der die genannten großen Fehler bei den Halbperi oden und Perioden hat. Bei der Mehrwinkelmessung reduziert sich der Fehler auf den Verlauf 12. Mit dem erfindungsgemä ßen Verfahren wird der Fehlerverlauf 13 erreicht und damit eine Fehlerminimierung bei den Halbperioden und Perioden.

Claims

1. Verfahren zum Bestimmen charakteristischer Größen trans parenter Schichten mit Hilfe der Ellipsometrie, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst mindestens ein Paar der ellip sometrischen Winkel Psi und Delta bei mindestens einem Ein fallswinkel der Lichtstrahlung auf die Probe für mindestens eine Ellipsometerwellenlänge gemessen wird, aus denen mit an sich bekannten Beziehungen mindestens eine charakteristi sche Größe des zu vermessenden transparenten Films für eine Ellipsometerperiode ermittelt wird, daß in einem zweiten Schritt spektralphotometrisch die wellenlängenabhängige Re flexion der Probe in dem interessierenden Wellenlängenbe reich gemessen und daraus mit einer bekannten Beziehung unter Zuhilfenahme einer im ersten Schritt bei der oder den diskreten Ellipsometerwellenlängen ermittelten charakteri stischen Größe des transparenten Films als Startwert die spektrale Abhängigkeit der charakteristischen Größen be stimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im ersten Schritt als charakteristische Größe die Schicht dicke d und der Brechungsindex n des zu vermessenden Films für eine Ellipsometerperiode ermittelt wird, wobei die el lipsometrische Ordnung zunächst nicht ermittelbar ist, daß mit Hilfe der im zweiten Schritt ermittelten wellenlängenab hängigen Reflexion der Probe anschließend mit einer bekann ten Beziehung unter Annahme des konstanten und aus dem ersten Schritt ermittelten Brechungsindex näherungsweise die absolute Schichtdicke bestimmt wird, daß in einem weite ren Schritt mit der im zweiten Schritt bestimmten absoluten Schichtdicke unter Zuhilfenahme der im ersten Schritt ermittelten Schichtdicke die im zweiten Schritt ermittelte Schichtdicke mittels einer bekannten Beziehung in ihrer Genauigkeit verbessert wird, und daß mit dieser Schicht dicke und dem ellipsometrisch bestimmten Brechungsindex als Startwert schließlich mit einer bekannten Beziehung die spektrale Abhängigkeit des Brechungsindex bestimmt wird.

3. Verfahren zum Bestimmen charakteristischer Größen trans parenter Schichten mit Hilfe der Ellipsometrie, dadurch gekennzeichnet, daß für den Fall, daß der Ellipsometerwin kel Delta im Bereich von 180° liegt, und damit aus den ge messenen Ellipsometerwinkeln Psi und Delta nur das Produkt des Brechungsindex und der Schichtdicke n×d genau ermit telt werden kann, die Einzelgrößen n und d aber nur ungenau ermittelt werden können, in einem ersten Schritt der Bre chungsindex n und die Schichtdicke d ellipsometrisch mit der verfahrensbedingten großen Ungenauigkeit ermittelt werden, daß in einem zweiten Schritt die wellenlängenabhän gige Reflexion spetralphotometrisch gemessen wird, daß in einem dritten Schritt mit diesem gemessenen Reflexionswert und dem ellipsometrisch ermittelten Brechungsindex nach einer bekannten Beziehung ein genauerer Wert der Schicht dicke ermittelt wird, daß mit dieser neu ermittelten Schichtdicke und dem ellipsometrisch ermittel ten Brechungsindex in einem vierten Schritt ein verbesser ter Wert des Brechungsindex ermittelt wird, daß in einem fünften Schritt mit diesem verbesserten Wert des Brechungsindex ein verbesserter Wert der Schichtdicke ermittelt wird, und daß die im vierten und fünften Schritt angegebenen Verfahrensschritte iterativ solange fortgesetzt werden, bis die zu ermittelnden Werte der Schichtdicke und des Brechungsindex konstant bleiben und damit beide Werte mit ellipsometrischer Genauigkeit bestimmt sind.