DE69922942T2 - Messung einer difraktionsstruktur, breitbandig, polarisierend und ellipsometrisch und eine unterliegende struktur - Google Patents

Messung einer difraktionsstruktur, breitbandig, polarisierend und ellipsometrisch und eine unterliegende struktur Download PDF

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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Streustrahlungsmesser und insbesondere ein spektroskopisches Streustrahlungsmesssystem. Sie betrifft die Messung einer Diffraktionsstruktur auf einer darunter liegenden Struktur, ein Verfahren und eine Vorrichtung.
  • Mit zunehmender Integration und Geschwindigkeit von mikroelektronischen Geräten werden Schaltungsstrukturen immer kleiner, und diese Strukturen verbessern sich immer weiter im Hinblick auf die Schärfe ihrer Profilkanten. Bekannte Geräte benötigen eine beträchtliche Anzahl an Verfahrensschritten. Es wird immer wichtiger, eine genaue Messung der Submikron-Linienbreite und eine quantitative Beschreibung des Profils der geätzten Strukturen auf einem Musterwafer in jedem Verfahrensschritt zu erhalten. Ferner besteht ein wachsender Bedarf an Waferprozessüberwachung und Regelung wie z.B. Fokus-Belichtungs-Regelung in der Fotolithografie.
  • Diffraktionsgestützte Analysetechniken wie z.B. die Streustrahlungsmessung sind besonders gut für Mikroelektronik-Metrologieanwendungen geeignet, weil sie zerstörungsfrei, genau genug, wiederholbar, schnell, einfach und kostenarm im Vergleich zur Kritische-Abmessungen-Rasterelektronenmikroskopie (CD-SEM) sind.
  • Die Streustrahlungsmessung ist die winkelaufgelöste Messung und Charakterisierung von einer Struktur gestreutem Licht. Für Strukturen, die periodisch sind, wird einfallendes Licht in unterschiedliche Ordnungen gestreut oder gebeugt. Die Winkelposition θr der mten Diffraktionsordnung in Bezug auf den Einfallswinkel θ1 wird durch die Gittergleichung vorgegeben:
    Figure 00010001
    wobei λ die Wellenlänge von einfallendem Licht und d die Periode der Diffraktionsstruktur ist.
  • Das gebeugte Lichtmuster von einer Struktur kann als „Fingerabdruck" oder „Signatur" verwendet werden, um die Abmessungen der Struktur selbst zu erkennen. Zusätzlich zur Periode können auch spezifischere Abmessungen wie Breite, Stufenhöhe und Gestalt der Linie, Dicke der Unterlagefilmschichten sowie der Winkel der Seitenwände, die auch als Parameter der Struktur bezeichnet werden, durch Analysieren des Streumusters gemessen werden.
  • Da die Perioden der Gitter in den Geräten des Standes der Technik im Allgemeinen unter 1 μm liegen, existieren nur die 0ten und +/– 1ten Diffraktionsordnungen über einen praktischen Winkelbereich. Ein herkömmliches Streustrahlungsmessgerät, das die gesamte Diffraktionshülle misst, erzeugt nicht die Daten, die für eine genaue Analyse benötigt werden. Eine frühere optische Technik zum Charakterisieren von periodischen topografischen Submikron-Strukturen wird als 2-Θ Streustrahlungsmesstechnik bezeichnet.
  • Der 2-Θ Streustrahlungsmesser überwacht die Intensität einer einzelnen Diffraktionsordnung in Abhängigkeit vom Einfallswinkel des Beleuchtungslichtstrahls. Die Intensitätsvariation der 0ten sowie höheren Diffraktionsordnungen von der Probe gibt Informationen, die zum Ermitteln der Eigenschaften der Probe nützlich sind, die beleuchtet wird. Da die Eigenschaften einer Probe durch den zum Herstellen der Probe verwendeten Prozess ermittelt werden, sind die Informationen auch als indirekter Monitor des Prozesses nützlich.
  • In der 2-Θ Streustrahlungsmesstechnik fällt ein kohärenter Lichtstrahl mit einer einzigen Wellenlänge, z.B. ein Helium-Neon-Laser, auf eine Probe, die auf einer Stufe montiert ist. Durch Drehen der Probenstufe oder des Beleuchtungsstrahls wird der Einfallswinkel auf der Probe verändert. Die Intensität der jeweiligen Diffraktionsordnung (wie z.B. 0te Ordnung oder erste Ordnung) in Abhängigkeit vom Einfallswinkel, die als 2-Θ Plot oder Streustrahlungs-„Signatur" bezeichnet wird, wird dann auf einen Computer heruntergeladen. Um die unterschiedlichen Parameter wie Linienbreite, Stufenhöhe, Gestalt der Linie und Winkel der Seitenwände (der Winkel, den die Seitenwand mit der darunter liegenden Fläche bildet, auch „Wandwinkel" genannt) zu ermitteln, wird ein Diffraktionsmodell verwendet. Verschiedene oben umrissene Gitterparameter werden parametrisiert und es wird ein Parameterraum definiert, indem zugelassen wird, dass jeder gitterförmige Parameter über einen bestimmten Bereich variiert.
  • Ein rigoroses Diffraktionsmodell wird zum Berechnen des theoretischen gebeugten Lichtfingerabdrucks von jedem Gitter in dem Parameterraum verwendet, und ein statistischer Vorhersagealgorithmus wird an diesen theoretischen Kalibrierungsdaten trainiert. Danach wird dieser Vorhersagealgorithmus zum Ermitteln der Parameter verwendet, die den 2-Θ Plots oder der Streustrahlungs-„Signatur" entsprechen, die von einer Zielstruktur an einer Probe gemessen wurde(n).
  • Die 2-Θ Streustrahlungsmesstechnik ist zwar in einigen Umständen nützlich, hat aber viele Nachteile. Die periodische Diffraktionsstruktur befindet sich häufig über einem oder mehreren Filmen, die Licht durchlassen. Daher muss jedes angewendete Diffraktionsmodell die Dicken und Brechungsindexe aller Filme unter der Diffraktionsstruktur berücksichtigen. In einem Ansatz müssen die Dicke und die Brechungsindexe aller Schichten im Voraus bekannt sein. Dies ist unerwünscht, weil diese Größen häufig nicht im Voraus bekannt sind. Insbesondere variieren die Filmdicke und die optischen Indexe von Materialien, die in der Halbleiterherstellung zum Einsatz kommen, häufig von Prozess zu Prozess.
  • Ein weiterer Ansatz zum Lösen des obigen Problems besteht darin, alle unbekannten Parameter in das Modell einzubeziehen, einschließlich Filmdicke und optische Indexe von darunter liegenden Filmmaterialien. Durch ein derartiges Erhöhen der Anzahl von Variablen in dem Modell wächst die Zahl der zu berechnenden Signaturen exponentiell, so dass die involvierte Rechenzeit einen solchen Ansatz für Echtzeitmessungen ungeeignet macht.
  • Ferner ist, da die Intensität der jeweiligen Diffraktionsordnung in Abhängigkeit vom Einfallswinkel des Probenahmestrahls sequentiell mit variierendem Einfallswinkel erfasst wird, die Datenerfassung für den 2-Θ Plot oder die Streustrahlungs-„Signatur" langsam und die erfasste Intensität unterliegt verschiedenen Störquellen wie z.B. Systemvibrationen und elektronischem Zufallsrauschen, die sich mit variierendem Einfallswinkel über die Zeit ändern können.
  • Ein weiterer Ansatz wird von Ziger im US-Patent Nr. 5.607.800 vorgeschlagen. Bei diesem Ansatz wird zunächst, wo ein besonderer strukturierter Film gemessen werden soll, eine erste strukturierte Anordnung mit vorbestimmten und bekannten Gittercharakteristiken nahe denen des zu messenden strukturierten Films hergestellt, wie beispielsweise durch Bilden einer Linienrasterstruktur auf einem ersten Wafer. Mit einem Spektroreflektometer wird dann die Amplitude von reflektierten Signalen von einer solchen Anordnung gemessen, um eine Signatur zu erhalten. Dann wird eine zweite strukturierte Anordnung mit bekannten Gittercharakteristiken, die nahe denen des zu messenden strukturierten Films liegen, z.B. eine weitere Linienrasterstruktur auf einem zweiten Wafer, erhalten und mit einem Spektroreflektometer wird die Amplitude reflektierter Signale von einer solchen Anordnung gemessen, um eine zweite Signatur zu erhalten. Der Vorgang wird an zusätzlichen Wafern wiederholt, und die so gebildeten Signaturen werden zu einer Datenbank organisiert. Dann wird der Ziel-Musterfilm der Probe mit einem Spektroreflektometer gemessen, und seine Signatur wird mit denen in der Datenbank verglichen. Die Signatur in der Datenbank, die mit der Signatur des Zielfilms übereinstimmt, wird dann benutzt, um die Gittercharakteristiken oder Parameter des Zielfilms zu finden.
  • Zigers Ansatz ist begrenzt und unpraktisch, da er eine Replikation von mehreren Referenzmustern analog zum Zielmuster und Messungen solcher Referenzmuster benötigt, um eine Datenbank zu erstellen, bevor eine Messung des Zielmusters erfolgen kann. Zigers Ansatz erfordert auch eine Kontrastdifferenz zwischen dem Reflexionsvermögen des Films gegenüber dem Reflexionsvermögen des Substrats. Mit anderen Worten, das Verfahren von Ziger kann nicht zum Messen der Gittercharakteristiken auf Linienmustern aus einem Material mit einem Reflexionsvermögen verwendet werden, das dem des darunter liegenden Substrats ähnlich ist.
  • Keiner der oben beschriebenen Ansätze ist völlig zufriedenstellend. Es ist daher wünschenswert, ein verbessertes Streustrahlungsmessgerät mit besserer Leistung bereitzustellen.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung ist in den unabhängigen Ansprüchen 1 und 15 dargelegt.
  • Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen von einem oder mehreren Parametern einer Diffraktionsstruktur auf einer darunter liegenden Struktur, wobei die darunter liegende Struktur eine Filmdicke und einen optischen Index hat, umfassend das Bereitstellen eines optischen Index und einer Filmdicke der darunter liegenden Struktur; Konstruieren einer Referenzdatenbank von einem oder mehreren Parametern in Bezug auf die genannte Diffraktionsstruktur unter Verwendung des optischen Index und der Filmdicke der darunter liegenden Struktur; und Richten eines Strahls von elektromagnetischer Strahlung mit einer Mehrzahl von Wellenlängen auf die Diffraktionsstruktur. Das Verfahren umfasst ferner das Erfassen von Intensitäten oder ellipsometrischen Parametern an der Mehrzahl von Wellenlängen einer Diffraktion von der Struktur; sowie das Vergleichen der erfassten Intensitäten oder ellipsometrischen Parameter mit der Datenbank, um die ein oder mehreren Parameter zu bestimmen.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen von einem oder mehreren Parametern einer Diffraktionsstruktur auf einer darunter liegenden Struktur, wobei die darunter liegende Struktur eine Filmdicke und einen optischen Index hat, umfassend Mittel zum Konstruieren einer Referenzdatenbank von einem oder mehreren Parametern in Bezug auf die Diffraktionsstruktur unter Verwendung eines optischen Index und einer Filmdicke der darunter liegenden Struktur; und Mittel zum Richten eines Strahls der elektromagnetischen Strahlung mit Energie mit einer Mehrzahl von Wellenlängen auf die Diffraktionsstruktur. Die Vorrichtung umfasst ferner Mittel zum Erfassen von Intensitäten oder ellipsometrischen Parameter einer Diffraktion von der Struktur mit der Mehrzahl von Wellenlängen; sowie Mittel zum Vergleichen der erfassten Intensitäten oder ellipsometrischen Parameter mit der Datenbank, um die ein oder mehreren Parameter zu bestimmen.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung befasst sich mit einem Streustrahlungsmesser zum Messen eines Parameters einer Diffraktionsstruktur einer Probe, einschließlich einer Quelle, die Breitbandstrahlung emittiert; einen Polarisator, der die Breitbandstrahlung polarisiert, um einen die Struktur abtastenden Abtaststrahl zu erzeugen; und Mittel zum Erfassen von Intensitäten oder ellipsometrischen Parametern einer Diffraktion von der Struktur über einen Bereich von Wellenlängen.
  • Ein zusätzlicher Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen von einem oder mehreren Parametern einer Diffraktionsstruktur einer Probe, beinhaltend die folgenden Schritte: Bereitstellen einer Breitbandstrahlung; Polarisieren der Breitbandstrahlung zum Erzeugen eines Abtaststrahls; und Richten des Abtaststrahls auf die Struktur. Das Verfahren umfasst ferner das Erfassen von Strahlung des Abtaststrahls, der von der Struktur gebeugt wurde, über einen Bereich von Wellenlängen; und das Vergleichen der erfassten Strahlung mit einer Referenz, um die ein oder mehreren Parameter zu bestimmen.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Instrument zum Messen von einem oder mehreren Parametern einer Diffraktionsstruktur auf einer darunter liegenden Struktur einer Probe, umfassend eine Quelle von Breitbandstrahlung; einen Polarisator, der die Strahlung polarisiert, um einen Abtaststrahl in Richtung auf die Probe bereitzustellen; und einen Analysator zum Empfangen von gebeugter Strahlung von der Struktur, um einen Ausgangsstrahl zu erzeugen. Das Instrument umfasst ferner ein Spektrometer, das den Ausgangsstrahl erfasst.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen von einem oder mehreren Parametern einer Diffraktionsstruktur auf einer darunter liegenden Struktur einer Probe, umfassend das Durchführen von spektroskopischen Messungen auf der darunter liegenden Struktur, um ihre Charakteristiken zu bestimmen; das Konstruieren einer Referenzdatenbank von einem oder mehreren Parametern über die Diffraktionsstruktur unter Verwendung von Charakteristiken der darunter liegenden Struktur; das Durchführen von Streustrahlungsmessungen auf der Diffraktionsstruktur, um Intensitäts- oder Ellipsometriedaten zu erhalten; und das Vergleichen der Intensitäts- oder Ellipsometriedaten mit der Referenzdatenbank, um die ein oder mehreren Parameter abzuleiten.
  • Noch ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Instrument zum Messen einer Probe, umfassend ein spektroskopisches Gerät, das Filmdickendaten und Brechungsindexdaten der Probe über ein Spektrum misst; einen Streustrahlungsmesser zum Messen von Diffraktionsdaten von einer Diffraktionsstruktur der Probe über ein Spektrum und Mittel zum Ableiten von physikalischen Parametern in Bezug auf die Struktur von den Filmdickendaten, den Brechungsindexdaten und den Diffraktionsdaten.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1A ist eine schematische Ansicht eines spektroskopischen Streustrahlungsmessers zum Illustrieren der bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung.
  • 1B ist eine schematische Ansicht eines Teils des spektroskopischen Streustrahlungsmessers von 1A zum Illustrieren der bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung.
  • 2 ist eine Querschnittsansicht eines Halbleiterwafers mit einem Linienmuster aus Fotoresist auf einem blanken Siliciumsubstrat, die zum Illustrieren der Erfindung nützlich ist.
  • 3A ist ein grafischer Plot der Intensität der 0ten Diffraktionsordnung als 51 unterschiedliche Funktionen des Einfallswinkels des beleuchtenden Lichtstrahls im 2-Θ Streustrahlungsmesser, wobei die Liniennennbreite mit 250 Nanometern angenommen wurde, und die 51 Funktionen werden unter der Annahme von Linienbreiten von 225 bis 275 Nanometern in 1-Nanometer-Schritten erhalten, zum Vergleichen mit vorhergesagten Ergebnissen der Erfindung.
  • 3B ist ein grafischer Plot der Intensität der 0ten Diffraktionsordnung als 51 unterschiedliche Funktionen der Wellenlänge des beleuchtenden Lichtstrahls gemäß der Erfindung, wobei die Liniennennbreite mit 250 Nanometern angenommen wird, und die 51 Funktionen werden unter der Annahme von Linienbreiten von 225 bis 275 Nanometern in 1-Nanometer-Schritten erhalten, zum Vergleichen mit vorhergesagten Ergebnissen der Erfindung.
  • 3C ist ein Plot der Mittleres-Fehlerquadrat-Differenzmessung in Abhängigkeit von der Linienbreite zwischen der erzeugten Signatur für das Gitter mit der Liniennennbreite von 250 Nanometern und anderen Signaturen, die für andere Linienbreiten unter Anwendung von 2-Θ Streustrahlungsmesstechnik erhalten wurden, und unter Einsatz der bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung über einen vollen Bereich des Spektrums und über UV- und sichtbare Wellenlängenbanden des vollen Spektrums, der zum Illustrieren der Erfindung nützlich ist.
  • 4A ist ein grafischer Plot der Intensität eines ellipsometrischen Parameters tan(psi) als 5 unterschiedliche Funktionen der Wellenlänge des beleuchtenden Lichtstrahls gemäß der Erfindung, wobei die Liniennennbreite mit 180 Nanometern angenommen wird, und die 5 Funktionen werden unter der Annahme von Linienbreiten bei 178, 179, 180, 181, 182 Nanometern erhalten, zum Vergleichen mit vorhergesagten Ergebnissen der Erfindung.
  • 4B ist ein grafischer Plot der Intensität eines ellipsometrischen Parameters cos(delta) als 5 unterschiedliche Funktionen der Wellenlänge des Beleuchtungslichtstrahls gemäß der Erfindung, wobei die Liniennennbreite mit 180 Nanometern angenommen wird, und die 5 Funktionen werden unter der Annahme von Linienbreiten bei 178, 179, 180, 181, 182 Nanometern erhalten, zum Vergleichen mit vorhergesagten Ergebnissen der Erfindung.
  • 5 ist ein Plot von zwei Sätzen von Korrelationsfunktionen zwischen der Signatur für das Gitter mit der Liniennennbreite von 180 Nanometern und anderen Signaturen für Gitter bei anderen Linienbreiten, wobei ein Satz mit tan(psi) und der andere Satz mit cos(delta) erhalten wurde.
  • Zur Vereinfachung der Beschreibung wurden identische Komponenten in der vorliegenden Anmeldung mit denselben Bezugsziffern bezeichnet.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSGESTALTUNG
  • Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass durch Messen oder anderweitiges Erhalten von Charakteristiken wie Filmdicke und optischer Index der unter der Diffraktionsstruktur liegenden Filme die nachfolgenden Aufgaben des Erstellens einer Datenbank und des Vergleichens einer Signatur der Diffraktionsstruktur mit der Datenbank stark vereinfacht werden. Ferner, wenn Filmdicke und optischer Index des/der unter der Diffraktionsstruktur liegenden Films/e mittels spektroskopischer Ellipsometrie gemessen werden, dann kann ein Instrument, das für spektroskopische Ellipsometrie sowie für spektroskopische Streustrahlungsmesstechnik benutzt werden kann, zum Ausführen beider Funktionen bereitgestellt werden. In der bevorzugten Ausgestaltung können das spektroskopische Ellipsometer und sein zugehöriger spektroskopischer Streustrahlungsmesser in dem Instrument viele gemeinsame optische Elemente haben, um die Kosten des kombinierten Instruments zu senken und seinen Betrieb zu vereinfachen.
  • Indem zuerst die Filmdicke und der optische Brechungsindex der darunter liegenden Filme gemessen wird, brauchen keine solchen Parameter mehr in die Berechnung des Modells oder der Datenbank einbezogen zu werden und es brauchen nachfolgend keine Signaturen mehr verglichen zu werden, was die Rechenaufgabe stark vereinfacht.
  • 1A ist eine schematische Ansicht eines spektroskopischen Streustrahlungsmesssystems zum Illustrieren der bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung. Wie in 1A gezeigt, kombiniert das System 10 vorteilhafterweise Merkmale eines spektroskopischen Streustrahlungsmessers, eines spektroskopischen Ellipsometers und eines spektroskopischen Reflektometers. Das spektroskopische Reflektometer oder das spektroskopische Ellipsometer können zum Messen von Filmmdicke und Brechungsindex der unter der Diffraktionsstruktur liegenden Struktur verwendet werden. Wie in 1A gezeigt, kann ein Halbleiterwafer ein Siliciumsubstrat 12a, einen Film 12b auf dem Substrat und eine Diffraktionsstruktur 12c wie z.B. ein Fotoresistmuster auf dem Film umfassen, wo der Film wenigstens teilweise lichtdurchlässig ist und eine(n) bestimmte(n) Filmdicke und Brechungsindex hat (n und k, die reale und die imaginäre Komponente des Index).
  • Vor dem Messen der Diffraktionsstruktur 12c wird der Wafer mit Hilfe einer XYZ-Stufe 14 in den horizontalen XY-Richtungen bewegt, um zunächst die Filmdicke und den Brechungsindex der unter dem Fotoresistmuster 12c liegenden Struktur zu messen. Die Stufe 14 kann auch zum Einstellen der z-Höhe des Wafers 12 wie nachfolgend beschrieben verwendet werden. Die Stufe 14 bewegt den Wafer zu einer Position wie in 1B gezeigt, so dass der Abtaststrahl einen Abschnitt des Films 12b entfernt von der Struktur 12c beleuchtet. Mit Bezug auf die 1A, 1B zum Messen der Filmdicke und des Brechungsindex der darunter liegenden Struktur (12b und 12a) sendet eine Breitbandstrahlungsquelle wie z.B. die Weißlichtquelle 22 Licht durch ein faseroptisches Kabel 24, das die Polarisierung randomisiert und eine gleichförmige Lichtquelle zum Beleuchten des Wafers schafft. Die Quelle 22 liefert vorzugsweise elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen im Bereich von wenigstens 230 bis 800 nm. Nach dem Austreten aus der Faser 24 passiert die Strahlung durch einen optischen Illuminator, der eine Schlitzapertur und eine Fokussierlinse (nicht dargestellt) beinhaltet. Die Schlitzapertur bewirkt, dass der austretende Lichtstrahl einen kleinen Bereich der Schicht 12b abbildet. Das aus dem Illuminator 26 austretende Licht wird von einem Polarisator 28 polarisiert, um einen polarisierten Abtaststrahl 30 zu erzeugen, der die Schicht 12b beleuchtet.
  • Die von dem Abtaststrahl 30 kommende Strahlung wird von der Schicht 12b reflektiert und durch einen Analysator 32 zu einem Spektrometer 34 geleitet, um die unterschiedlichen Spektralkomponenten der reflektierten Strahlung zu erfassen. Im spektroskopischen Ellipsometriemodus von System 10 zum Messen von Filmdicke und Brechungsindex wird entweder der Polarisator 28 oder der Analysator 30 gedreht (um eine relative Drehbewegung zwischen Polarisator und Analysator zu bewirken), wenn das Spektrometer 34 das reflektierte Licht bei einer Mehrzahl von Wellenlängen erfasst, wie z.B. diejenigen im Spektrum der Strahlungsquelle 22, bei denen die Rotation vom Computer 40 auf eine der Fachperson bekannte Weise geregelt wird. Die reflektierten Intensitäten bei verschiedenen erfassten Wellenlängen werden in den Computer 40 gespeist, der die Filmdicke und n- und k-Werte des Brechungsindex der Schicht 12b auf eine der Fachperson bekannte Weise berechnet. Eine Beschreibung eines spektroskopischen Ellipsometers befindet sich in dem am 4. März 1997 erteilten US-Patent Nr. 5.608.526.
  • Die spektroskopische Ellipsometrie wird zwar möglicherweise zum Messen von Filmdicke und Brechungsindex in einigen Anwendungen bevorzugt, wo sich unter der Diffraktionsstruktur vielleicht nur ein oder zwei relativ dicke Filme befinden, aber ein spektroskopisches Reflektometer (auch Spektroreflektometer und Spektrophotometer genannt) kann zum Messen von Filmdicke und Brechungsindex ausreichen. Zu diesem Zweck sammelt und richtet die Linse 23 Strahlung von der Quelle 22 auf einen Strahlenteiler 52, der einen Teil des eingehenden Strahls in Richtung auf die Fokussierlinse 54 reflektiert, die die Strahlung auf die Schicht 12b fokussiert. Das von der Schicht 12b reflektierte Licht wird von der Linse 54 gesammelt und durch den Strahlenteiler 52 zu einem Spektrometer im spektroskopischen Reflektometer 60 geleitet. Die Spektralkomponenten bei verschiedenen gemessenen Wellenlängen werden erfasst und Signale, die solche Komponenten repräsentieren, werden zum Computer 40 gespeist, um Filmdicke und Brechungsindex auf eine Weise zu ermitteln, die beispielsweise in der am 14. April 1994 eingereichten US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 08/227.482 beschrieben ist. Es können auch andere spektroskopische Geräte als das spektroskopische Reflektometer und das spektroskopische Ellipsometer zum Messen von Filmdicke und Brechungsindex der Schicht 12b verwendet werden und liegen im Rahmen der Erfindung. Ein Beispiel für solche spektroskopischen Geräte ist der n & k Analyzer von n & k Technology Inc. aus Santa Clara in Kalifornien, und ist in „Optical Characterization of Amorphous and Polycrystalline Silicon Films" von Ibok et al. beschrieben, Nachdruck von der Ausgabe vom August 1995 von Solid State Technology, herausgegeben von der PennWell Publishing Company; „Optical Dispersion Relations for Amorphous Semiconductors and Amorphous Dielectrics" von Forouhi et al., Physical Review B, Bd. 34, Nr. 10, S. 7018–7026, 15. November 1986; „Optical Properties of Crystalline Semiconductors and Dielectrics" von Forouhi et al., Physical Review B, Bd. 38, Nr. 3, S. 1865–1874, 15. Juli 1988, und US-Patent Nr. 4.905.170.
  • Für die Zwecke des Einstellens der Höhe des Wafers 12 relativ zum Polarisator 28, Analysator 32, um den richtigen Fokus bei der spektroskopischen Ellipsometriemessung oder relativ zur Fokussierlinse 54 und zum spektroskopischen Reflektometer 60 bei der Spektroreflektometermessung zu erzielen, muss möglicherweise die Höhe des Wafers vor der Messung mit Hilfe der Stufe 14 eingestellt werden. Zu diesem Zweck wird ein Teil der von der Schicht 12b (oder der Schicht 12c in der nachfolgenden Beschreibung) reflektierten und von der Linse 54 gesammelten Strahlung von einem Strahlenteiler 62 in Richtung auf einen Fokussier- und Mustererkennungsblock 64 reflektiert, um das reflektierte Bild mit einem Muster zu vergleichen. Der Block 64 sendet dann Informationen über den Vergleich zum Computer 40, der die Stufe 14 steuert. Stufe 14 wiederum bewegt den Wafer 12 in der vertikalen oder Z-Richtung nach oben oder nach unten, um den Wafer 12 in die richtige Höhe relativ zu den optischen Komponenten des Systems 10 zu bringen.
  • Wenn Filmdicke und Brechungsindex der ein oder mehreren Filme unter der Diffraktionsstruktur 12c so gemessen wurden, dann kann jetzt mit dem Computer 40 eine Referenzdatenbank konstruiert werden. Wo Filmdicke und Brechungsindex der ein oder mehreren Filme unter der Diffraktionsstruktur 12c von Anfang an bekannt sind oder geschätzt werden können, da kann der Schritt des Messens dieser Größen wegfallen. Zum Konstruieren der Referenzdatenbank können die Charakteristiken in Bezug auf die Diffraktionsstruktur 12c parametrisiert werden, und die Parameterdatenbank wird dadurch definiert, dass zugelassen wird, dass ein unbekannter Gitterparameter der Struktur, wie z.B. Linienbreite, Höhe und Wandwinkel, über einen bestimmten Bereich variiert. Dies ist in 2 illustriert.
  • 2 ist eine Querschnittsansicht eines Halbleiterwafers, der ein Siliciumsubstrat 12a und eine Diffraktionsstruktur 12c' mit einer Linienbreite CD, einem Abstand p, einer Höhe h und einem Wandwinkel α wie in 2 gezeigt umfasst. Somit beinhalten die Gitterformparameter, die parametrisiert und über einen bestimmten Bereich variiert werden können, z.B. CD, h und α. Ein rigoroses Diffraktionsmodell, wie z.B. die Modellmethode durch Modalexpansion (MMME), wird zum Berechnen des theoretischen gebeugten Lichtfingerabdrucks von jedem Gitter im Parameterraum verwendet, und ein statistischer Vorhersagealgorithmus, wie z.B. Partial-Leased-Squares (PLS) oder Minimum-Mean-Square-Error (MMSE), wird an diesen theoretischen Kalibrierungsdaten trainiert. Eine Beschreibung von MMME befindet sich in „Convergence of the Coupled-Wave Method for Metallic Lamellar Diffraction Gratings" von Li et al. im Journal of the Optical Society of America A, Bd. 10, Nr. 6, S. 1184–1189, Juni 1993; und in "Multilayer Modal Method for Diffraction Gratings of Arbitrary Profile, Depth and Permittivity" von Li et al. im Journal of the Optical Society of America A, Bd. 10, Nr. 12, S. 2582–2591, Dez. 1993.
  • Anstatt mit MMME können die Gitterformparameter auch mit einer rigorosen Kopplungshohlwellenanalyse ("RCWA") parametrisiert werden. Ein solches Verfahren ist beispielsweise in „Rigorous coupled-wave analysis of planar-grating diffraction" von M. Moharam et al., J. Opt. Soc. Am., Bd. 71, Nr. 7, Juli 1981, S. 811–818, „Stable implementation of the rigorous coupled-wave analysis for surface-relief gratings: enhanced transmittance matrix approach" von M. Moharam et al., J. Opt. Soc. Am. A, Bd. 12, Nr. 5, Mai 1995, S. 1077–1086, und in "Analysis and Applications of Optical Diffraction by Gratings," T. Gaylord et al., Proceedings of the IEEE, Bd. 73, Nr. 5, Mai 1985, S. 894–937, beschrieben.
  • Wo mehr als ein Gitterformparameter variiert wird, da kann die Berechnung von Fingerabdrücken dadurch erfolgen, dass jeweils immer nur ein Parameter variiert wird, während die anderen Parameter auf gewählten konstanten Werten innerhalb gewählter Bereiche gehalten werden. Dann wird zugelassen, dass ein anderer Parameter variiert, usw. Danach werden mit Hilfe dieses Vorhersagealgorithmus die Werte der Parameter ermittelt, die dem von Schicht 12c' gemessenen Fingerabdruck entsprechen.
  • Da Filmdicke und optische Indexe von einer unter einem Film liegenden Diffraktionsstruktur 12c oder 12c' von den spektroskopischen Ellipsometrie- oder Spektroreflektometriemessungen oder anderweitig bekannt sind, können diese Werte beim Erstellen der Referenzdatenbank verwendet werden, so dass Filmdicke und Brechungsindex keine Parameter in der Datenbank zu sein brauchen. Dadurch wird die Zahl der Variablen im Parameterraum stark reduziert und auch die Zahl der Signaturen, die für die Referenzdatenbank berechnet werden müssen, wird stark reduziert. Somit ermöglicht die vorliegende Erfindung im Vergleich zur 2-Θ Streustrahlungsmessmethode, wo solche Variablen im Parameterraum und bei der Berechnung von Signaturen berücksichtigt werden müssen, die Verwendung einer kleineren Datenbank bei der Suche nach Lösungen. Ferner kann es aufgrund der Zahl der Variablen, die in einer solchen 2-Θ Streustrahlungsmessmethode parametrisiert werden, mehrere Lösungen geben, die Schwierigkeiten beim Erhalt einer richtigen Lösung verursachen. Durch Reduzieren der Größe der Datenbank können mit der vorliegenden Erfindung in den meisten Fällen eindeutige Lösungen gefunden werden. Auf diese Weise reduziert die vorliegende Erfindung die Berechnungszeit um viele Größenordnungen im Vergleich zur 2-Θ Streustrahlungsmesstechnik.
  • Das Verfahren zum Messen der Signatur von Schicht 12c und 12c' wird nachfolgend mit Bezug auf 1A beschrieben. Wie oben beschrieben, bewegt Stufe 14 den Wafer 12 so, dass der Abtaststrahl 30 einen Bereich des darunter liegenden Films 12b beleuchtet, ohne einen Teil der Diffraktionsstruktur 12c zu beleuchten. Jetzt bewirkt der Computer 40 zum Messen der Struktur 12c, dass die Stufe 14 den Wafer entlang einer Richtung in der XY-Ebene bewegt, so dass der Abtaststrahl 30 auf Schicht 12c (oder 12c' in 2) trifft. Breitbandstrahlung von der Quelle 22 wird vom Polarisator 28 zu einem polarisierten Breitbandabtaststrahl 30 polarisiert. Eine Diffraktion des Strahls 30 wird zum Spektrometer 34 gesendet, das im Wesentlichen gleichzeitig die Strahlungsintensitäten bei verschiedenen Wellenlängen einer Diffraktion von der Struktur 12c misst, wie z.B. bei Wellenlängen über das Spektrum der Strahlungsquelle 22. In der bevorzugten Ausgestaltung wird die Intensität der 0ten Diffraktionsordnung gemessen, obwohl für einige Strukturen eine Messung von Intensitäten einer höheren Diffraktionsordnung ebenfalls möglich ist. Das soeben beschriebene Verfahren ist der Streustrahlungsmessmodus von System 10.
  • Intensitäten der 0ten oder einer höheren Diffraktionsordnung bei verschiedenen Wellenlängen, die vom Spektrometer 34 erfasst werden, werden zur Analyse und Ermittlung einer Signatur der Struktur 12c oder 12c' in den Computer 40 gespeist. Diese Signatur wird dann mit denen verglichen, die in der oben beschriebenen Weise in der Referenzdatenbank vorberechnet wurden. Die Gitterformparameter der Signatur in der Referenzdatenbank, die mit der gemessenen Signatur der Struktur 12c oder 12c' übereinstimmen, sind dann die Gitterformparameter der Struktur.
  • Im Streustrahlungsmessmodus kann der Analysator 32 einfach aus dem Lichtweg von der Struktur 12c zum Spektrometer 34 entfernt werden. Alternativ können Polarisator 28 und Analysator 32 mit einem Computer 40 so gesteuert werden, dass der Polarisator 28 Strahlung einer bestimmten Polarisation durchlässt, und der Analysator 32 kann so ausgerichtet ist, dass er Strahlung derselben Polarisation wie die durchlässt, die vom Polarisator 28 durchgelassen wird. Die vorliegende Erfindung basiert auf der Entdeckung, dass dort, wo die Einfallsebene des Strahls 30 im Wesentlichen normal zum Gitter 12c ist, die Empfindlichkeit von Streustrahlungsmessungen verbessert wird, wenn der Polarisator 28 so ausgerichtet ist, dass er einen Abtaststrahl 30 erzeugt, der in der TE-Mode (S-polarisiert) polarisiert, und der Analysator 32 so ausgerichtet ist, dass er Licht in der TE-Mode durchlässt. Alternativ wird dort, wo die Einfallsebene des Strahls 30 im Wesentlichen parallel zum Gitter 12c ist, die Empfindlichkeit von Streustrahlungsmessungen verbessert, wenn der Polarisator 28 so ausgerichtet ist, dass er einen Abtaststrahl 30 liefert, der in der TE-Mode (P-polarisiert) polarisiert ist, und der Analysator 32 so ausgerichtet ist, dass er Licht in der TE-Mode durchlässt.
  • Wenn mehr als eine Diffraktionsstruktur mit unterschiedlichen Formparametern auf dem Wafer 12 vorliegt, dann kann die Stufe 14 vom Computer 40 so gesteuert werden, dass sie den Wafer 12 so bewegt, dass der Abtaststrahl 30 nacheinander in Richtung auf jede solche Diffraktionsstruktur gerichtet wird. Das System 10 wird dann im Streustrahlungsmessmodus gefahren, um Signaturen von jeder dieser Diffraktionsstrukturen zu erhalten. Die Signatur jeder Diffraktionsstruktur kann dann mit einer Signatur in der Referenzdatenbank verglichen werden, um die Gitterformparameter einer solchen Struktur zu erhalten.
  • Man wird feststellen, dass dort, wo eine Messung der Charakteristiken der darunter liegenden Struktur (12a, 12b) notwendig ist, diese nur einmal für jeden Wafer zu erfolgen braucht, und die Referenzdatenbank braucht ebenfalls nur einmal für den Wafer konstruiert zu werden. Wenn dies durchgeführt ist, dann können die Streustrahlungsmessungen der verschiedenen Beugungsstrukturen auf dem Wafer 12 schnell durchgeführt und die Signaturen jeder Diffraktionsstruktur rasch mit der Referenzdatenbank verglichen werden. Wie oben erwähnt, da die Referenzdatenbank eine kleinere Zahl von Signaturen enthält, wird die Vergleichs- oder Vorhersagegeschwindigkeit der Gitterformparameter der unterschiedlichen Diffraktionsstrukturen auf dem Wafer 12 stark erhöht. Dies ermöglicht die Durchführung von Echtzeit- und Inline-Messungen der Diffraktionsstrukturen. In einigen Anwendungen liegt bei einer Reihe von Halbleiterwafern, die mit demselben Prozess hergestellt wurden, unter den Diffraktionsstrukturen dieselbe Struktur; diese darunter liegenden Strukturen der verschiedenen Wafer können im Wesentlichen dieselben Filmdicken und Brechungsindexe haben. Wenn dies der Fall ist, dann brauchen der oben beschriebene Vorgang zum Messen von Filmdicke und Brechungsindex sowie die Konstruktion der Referenzdatenbank nur einmal für das gesamte mit demselben Prozess hergestellte Waferlos durchgeführt zu werden, wenn die Toleranz des Vorgangs bekannt ist. Dadurch wird der Mess- und Rechenvorgang noch weiter beschleunigt.
  • Im Vergleich zur 2-Θ Streustrahlungsmesstechnik misst der spektroskopische Streustrahlungsmesser der vorliegenden Erfindung die Diffraktion sowie eine Reihe von Wellenlängen gleichzeitig. Dies steht im Gegensatz zur 2-Θ Streustrahlungsmesstechnik, wo der Benutzer eine Messung der Diffraktion jeweils in einem einzigen Einfallswinkel durchführt. Ein solches Merkmal beschleunigt auch den Messvorgang. Man wird auch feststellen, dass die oben beschriebene Referenzdatenbank ohne die Verwendung von Referenzproben konstruiert wird. Somit braucht der Benutzer keine Referenzwafer mit Diffraktionsstrukturen analog zu den gemessenen herzustellen oder Messungen von solchen Referenzproben durchzuführen, bevor eine Datenbank konstruiert werden kann. Ferner wird ein rigoros radikales Modell wie MMME zum Erzielen genauer Ergebnisse verwendet.
  • Vorzugsweise wird im spektroskopischen Ellipsometriemodus und im Streustrahlungsmessmodus der Abtaststrahl 30 in einem schrägen Winkel zu den Schichten 12b und 12c auf den Wafer 12 gerichtet. Der Abtaststrahl 30 hat vorzugsweise einen schrägen Winkel im Bereich von 40 bis 80°, stärker bevorzugt im Bereich von 60 bis 80° für Messungen von Siliciumwafern von einer Normalen zu den Schichten auf dem Wafer 12. Ein besonders bevorzugter Einfallswinkel von der Normalen beträgt etwa 76°, was im Wesentlichen der Brewster-Winkel für Silicium ist. Im System 10 benutzen das spektroskopische Ellipsometer und der spektroskopische Streustrahlungsmesser vorteilhafterweise viele gemeinsame optische Elemente wie z.B. die Breitbandquelle 22, die Faser 24, den Illuminator 26, den Polarisator 28 und das Spektrometer 34. Dadurch wird das Design des Systems 10 vereinfacht, die Kosten werden gesenkt und sein Betrieb wird vereinfacht.
  • Der Vorgang zum Einstellen der Höhe des Wafers 12 in Bezug auf die optischen Komponenten in der Spektroreflektometrie- und der spektroskopischen Ellipsometriebetriebsart wurde oben beschrieben. Wenn jedoch vom Strahlenteiler 52 reflektiertes Licht in Richtung auf eine Diffraktionsstruktur wie bei 12c gerichtet wird, dann wird es bevorzugt, dass das Licht so reflektiert wird, dass es polarisiert ist und dieselbe Polarisation hat wie im Abtaststrahl 30, wenn die Höhe des Wafers 12 eingestellt wird. Zu diesem Zweck wird die von der Quelle 22 gelieferte Strahlung durch einen Polarisator 72 geleitet, bevor sie zum Strahlenteiler 52 gerichtet wird. Die optische Achse des Polarisators 72 wird vom Computer 40 so gesteuert, dass sie dieselbe Ausrichtung hat wie die optische Achse des Polarisators 28, wenn der Fokussier- und Mustererkennungsblock 64 zum Erkennen von Strahlung verwendet wird, die von der Struktur 12c reflektiert wird, und die Stufe 14 wird vom Computer 40 so gesteuert, dass sie die Höhe des Wafers in Bezug auf den Abtaststrahl 30 richtig einstellt. Der Polarisator 72 beeinflusst den Höheneinstellvorgang während des Spektroreflektometrie- und des spektroskopischen Ellipsometriemodus oder der spektroskopischen Reflektometriemessungen nicht. Die vom spektroskopischen Reflektometer 60 erfasste polarisierte Strahlung kann auch zum Normalisieren der Intensitätsmessung in dem oben beschriebenen Streustrahlungsmessmodus in einem schrägen Winkel verwendet werden, um die Effekte von Intensitätsvariationen der Quelle 22 zu reduzieren.
  • 3A ist ein grafischer Plot der Intensität der 0ten Diffraktionsordnung als 51 Funktionen des Einfallswinkels des Beleuchtungslichtstrahls in einer 2-Θ Streustrahlungsmessstruktur 12c' von 2, wo die Liniennennbreite mit 250 nm angenommen wird, und die 51 Funktionen werden unter der Annahme von Linienbreiten von 225 bis 275 Nanometern in 1-Nanometer-Schritten erhalten. Die bei einer Berechnung des grafischen Plots in 3A verwendeten Einfallswinkel variieren zwischen 0 und 60° mit gleichmäßigen 1°-Inkrementen, was 61 Datenpunkte pro Signaturkurve ergibt. Es wird angenommen, dass der Lichtstrahl TE-polarisiert ist und die Wellenlänge 0,6328 Mikron betrug.
  • 3B ist ein grafischer Plot der Intensität der 0ten Diffraktionsordnung in Abhängigkeit von der Wellenlänge des Beleuchtungslichtstrahls gemäß der Erfindung, verwendet zum Messen der Struktur 12c' von 2, wobei die Liniennennbreite mit 250 nm angenommen wird, und die 51 Funktionen werden unter der Annahme von Linienbreiten von 225 bis 275 Nanometern in 1-Nanometer-Schritten erhalten. Diese 51 Funktionen werden mit Hilfe des oben beschriebenen rigorosen MMME-Diffraktionsverfahrens unter Verwendung der bekannten oder gemessenen Brechungsindex- und Filmdickeninformationen erhalten. Diese Kurven werden im Vergleich mit gemessenen Ergebnissen der Erfindung zum Vorhersagen der Linienbreite der gemessenen Struktur verwendet. Die Intensität der 0ten Ordnung wird in Abhängigkeit von der Wellenlänge des Beleuchtungslichtstrahls berechnet, und die für die Berechnung verwendeten Wellenlängen variieren von 0,23 bis 0,850 Mikron mit einem gleichmäßigen Inkrement von 0,01 Mikron, was 63 Datenpunkte pro Signaturkurve ergibt. Es wird angenommen, dass der Lichtstrahl TE-polarisiert ist und mit einem schrägen Winkel von 76° von der Normalen beleuchtet wird. 3C ist ein Plot der Mittleres-Fehlerquadrat-Differenzmessung in Abhängigkeit von der Linienbreite zwischen der Signatur, die für das Gitter mit der Linienbreite von 250 nm erzeugt wird, und anderen Signaturen, die bei anderen Linienbreiten mit 2-Θ Streustrahlungsmesstechnik erhalten werden. 3C zeigt auch Plots der Mittleres-Fehlerquadrat-Differenzmessung in Abhängigkeit von der Linienbreite zwischen der Signatur, die für das Gitter mit der Linienbreite von 250 nm erzeugt wurde, und anderen Signaturen, die bei anderen Linienbreiten erhalten wurden, und unter Anwendung der bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung über einen vollen Bereich des Spektrums sowie über ultraviolette (UV-) und sichtbare Wellenlängenbanden des vollen Spektrums. Aus 3C geht hervor, dass der spektroskopische Streustrahlungsmesser der vorliegenden Erfindung empfindlicher ist als der 2-Θ Streustrahlungsmesser. Die Mittlere-Quadrate-Flächendifferenz für 1 nm Linienbreite (CD) Empfindlichkeit ist in den Tabellen 1 und 2 unten dargestellt.
  • TABELLE 1 MSE-Differenz für 1 nm CD Empfindlichkeit
    Figure 00120001
  • TABELLE 2 MSE-Verhältnis mit Bezug auf 2-Θ
    Figure 00120002
  • Aus 3C geht auch hervor, dass die Empfindlichkeit höher sein kann, wenn nur Daten, die mit Strahlung in einer Subbande des vollen Spektrums gesammelt wurden, zum Vergleichen der Signatur verwendet werden. Somit kann, obwohl das Spektrometer 34 nur die Beugung für den vollen Bereich von Wellenlängen im Spektrum aufzeichnet, die Empfindlichkeit auch dann verbessert werden, wenn nur die Beugung bei Wellenlängen in der ultravioletten (UV-) Bande zum Konstruieren der gemessenen Signaturen von der Diffraktionsstruktur von 12c und 12c' verwendet wird. Solche Signaturen werden dann auch mit Signaturen in der für die UV-Bande berechneten Datenbank verglichen. Anhand von 3B stellt man fest, dass jede der Kurven eine Funktion ist, die eine bestimmte Signatur eines Gitters charakterisiert. Während in 3C Informationen in der ultravioletten Bande eine höhere Empfindlichkeit im Vergleich zur sichtbaren Bande oder zur Vollbande bereitstellen können, können Informationen in einem anderen Teil des Spektrums eine bessere Empfindlichkeit für Gitter anderer Formen und Abmessungen bereitstellen. Alle solche Variationen liegen im Rahmen der Erfindung.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung basiert auf der Beobachtung, dass anstatt des Erfassens der Intensität der 0ten, ersten oder anderen Diffraktionsordnung von der Struktur 12c oder 12c' die Vorrichtung 10 von 1A zum Erfassen von ellipsometrischen Parametern einer Diffraktion einer solchen Ordnung von der Struktur zum Ermitteln von einem oder mehreren Parametern der Diffraktionsstruktur verwendet werden kann. Mit anderen Worten, während des Streustrahlungsmessmodus steuert der Computer 40 den Polarisator 28 und den Analysator 32, um eine relative Rotation und Bewegung dazwischen zu bewirken, und das System 10 wird zum Messen von ellipsometrischen Parametern wie tan(psi) und cos(delta) bei eine Mehrzahl von Wellenlängen verwendet, wie z.B. bei Wellenlängen im Spektrum der Strahlungsquelle 22. Mit bekannten oder gemessenen Brechungsindex- und Filmdickeninformationen der ein oder mehreren unter der Struktur 12c oder 12c' liegenden Filme kann mit Hilfe des oben beschriebenen MMME-Verfahrens eine Datenbank von tan(psi) und cos(delta) in Abhängigkeit von der Wellenlänge konstruiert werden, wie in den 4A und 4B illustriert ist, die verschiedenen Werten von Parametern der Struktur 12c oder 12c' entspricht. Wie also in 4A dargestellt ist, kann das Modell zum Konstruieren von fünf Funktionen für tan(psi) in Abhängigkeit von der Wellenlänge bei fünf verschiedenen Linienbreiten verwendet werden. 4B illustriert einen ähnlichen Plot für den ellipsometrischen Parameter cos(delta). Die Liniennennbreite beträgt 180 Nanometer. Durch Messen der beiden ellipsometrischen Parameter der Struktur 12c oder 12c' mit Hilfe des Systems 10 können die gemessenen Funktionen mit denen in 4A und 4B verglichen werden, um die beste Anpassung zu finden. Die Empfindlichkeit bei der Verwendung der ellipsometrischen Parameter ist in 5 dargestellt. 5 ist ein Plot der Korrelation zwischen den ellipsometrischen Parametern, die dem 180-Nanometer-Nennwert entsprechen, und denen, die den übrigen vier Linienbreitenwerten entsprechen. Von den oben bemerkten Unterschieden abgesehen, arbeitet das System 10 in diesem Aspekt der Erfindung, wo ellipsometrische Parameter zum Ermitteln von Charakteristiken der Struktur 12c, 12c' verwendet werden, auf eine Weise und nutzt dieselben Vorteile im Wesentlichen wie die, die oben für die Messung der Intensität der Beugung beim Ermitteln von Charakteristiken der Struktur 12c, 12c' beschrieben wurden. Für einige Anwendungen kann die Messung der ellipsometrischen Parameter eine höhere Empfindlichkeit bieten.
  • Die Konstruktion der Datenbank wurde zwar oben mit Bezug auf Funktionen illustriert, die unterschiedlichen Linienbreiten entsprechen, aber es ist zu verstehen, dass ähnliche Funktionen auch mit dem Modell für andere Parameter der Struktur 12c oder 12c' wie z.B. Höhe oder Wandwinkel der Struktur konstruiert werden können.

Claims (38)

  1. Verfahren zum Messen von einem oder mehreren Parametern einer Diffraktionsstruktur auf einer unterliegenden Struktur, wobei die unterliegende Struktur eine Dicke und einen optischen Index aufweist, umfassend die folgenden Schritte Bereitstellen eines optischen Index und einer Filmdicke der unterliegenden Struktur; Berechnen einer Referenzdatenbank, die sich auf reflektierte Intensitäten zu einem oder mehreren Parametern der Diffraktionsstruktur bezieht, unter Verwendung des optischen Index und der Filmdicke der darunter liegenden Struktur; Richten eines Strahls mit einer elektromagnetischen Strahlung bei einer Vielzahl von Wellenlängen an die Diffraktionsstruktur; Erfassen von Intensitäten einer Diffraktion bei der Vielzahl von Wellenlängen von der Struktur des Strahls; und Vergleichen der erfassten Intensitäten mit der Datenbank, um den einen oder die mehreren Parameter zu bestimmen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Richten eine polarisierte Strahlung auf die Diffraktionsstruktur richtet.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Richten den Strahl bei einem schrägen Winkel auf die Diffraktionsstruktur richtet.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der schräge Winkel in dem Bereich von ungefähr 40 bis 80 Grad zu der normalen Richtung zu der Diffraktionsstruktur ist.
  5. Verfahren nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, wobei das Erfassen eine Diffraktion Nullter Ordnung des Strahls von der Diffraktionsstruktur erfasst.
  6. Verfahren nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, wobei die Referenzdatenbank unter Verwendung einer Vielzahl von Funktionen berechnet wird, wobei jede der Funktionen einem oder mehreren Parametern der Diffraktionsstruktur entspricht und Werte der Intensität bei der Vielzahl von Wellenlängen bereitstellt.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei jede der Funktionen einer wahrscheinlichen Linienbreite, einer Höhe oder einem Wandwinkel der Diffraktionsstruktur entspricht.
  8. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Datenbank mit Hilfe eines Modells ohne die Verwendung von Referenzproben berechnet wird.
  9. Verfahren nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, wobei die Vielzahl von Wellenlängen ultraviolette Wellenlängen einschließen.
  10. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Referenzdatenbank über ein Spektrum von Wellenlängen berechnet wird, das Richten einen Strahl mit einer Breitbandstrahlung bei Wellenlängen, die das Spektrum einschließen, richtet und das Erfassen Intensitätsdaten über das Spektrum von Wellenlängen erfasst.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, bei das Vergleichen Intensitätsdaten bei Wellenlängen in einem gewählten Abschnitt des Spektrums mit einem Abschnitt der Datenbank vergleicht.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Spektrum ultraviolette Wellenlängen einschließt, wobei der Abschnitt aus Wellenlängen in dem ultravioletten Bereich besteht.
  13. Verfahren nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, wobei das Bereitstellen ein Messen eines optischen Index und eine Filmdicke der zugrundeliegenden Struktur einschließt.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Messen mit Hilfe eines spektroskopischen Ellipsometers, eines Spektrophotometers oder eines Spektroreflektometers misst.
  15. Vorrichtung zum Messen von einem oder mehreren Parametern einer Diffraktionsstruktur auf wenigstens einer unterliegenden Struktur einer Probe, wobei die unterliegende Struktur eine Filmdicke und einen optischen Index aufweist, umfassend: eine berechnete Referenzdatenbank, die eine Beziehung zwischen reflektierten Intensitäten und einem oder mehreren Parameter der Diffraktionsstruktur herstellt, unter Verwendung des optischen Index und der Filmdicke der unterliegenden Struktur; eine Einrichtung (22, 26, 28) zum Richten eines Strahls einer elektromagnetischen Strahlung bei einer Vielzahl von Wellenlängen an die Diffraktionsstruktur (12c), eine Einrichtung (32, 34) zum Erfassen von Intensitäten einer Diffraktion bei der Vielzahl von Wellenlängen von der Diffraktionsstruktur (12c); und eine Einrichtung (40) zum Vergleichen der erfassten Intensitäten mit der Datenbank, um den einen oder die mehreren Parameter zu bestimmen.
  16. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die Richtungseinrichtung (22, 26, 28) eine polarisierte Strahlung auf die Diffraktionsstruktur richtet.
  17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, wobei die Richtungseinrichtung (22, 26, 28) den Strahl bei einem schrägen Winkel auf die Diffraktionsstruktur richtet.
  18. Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei der schräge Winkel in dem Bereich von ungefähr 40 bis 80 Grad ist.
  19. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 15 bis 18, wobei die Erfassungseinrichtung (32, 34, 40) eine Diffraktion Null-ter Ordnung des Strahls von der Diffraktionsstruktur erfasst.
  20. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 15 bis 19, wobei die Richtungseinrichtung einen Polarisator (28) einschließt.
  21. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 15 bis 20, wobei eine Berechnungseinrichtung (64) eine Referenzdatenbank berechnet, die eine Vielzahl von Funktionen umfasst, wobei jede der Funktionen einem oder mehreren Parametern der Diffraktionsstruktur entspricht und Werte der Intensität bei der Vielzahl von Wellenlängen bereitstellt.
  22. Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei jede der Funktionen einer wahrscheinlichen Linienbreite (CD), einer Höhe (h) oder einem Wandwinkel (α) der Diffraktionsstuktur (12c') entspricht.
  23. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 15 bis 20, wobei eine Berechnungseinrichtung (64) die Datenbank mit Hilfe eines Modells ohne die Verwendung von Referenzproben berechnet.
  24. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 15 bis 23, wobei die Vielzahl von Wellenlängen ultraviolette Wellenlängen einschließen.
  25. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 15 bis 20, wobei eine Berechnungseinrichtung (64) eine Referenzdatenbank von einem oder mehreren Parametern über ein Spektrum von Wellenlängen berechnet, wobei die Richtungseinrichtung (22, 26, 28) einen Strahl einer Breitbandstrahlung bei Wellenlängen, die das Spektrum einschließen, richtet und die Erfassungseinrichtung (72, 74) Intensitätsdaten über das Spektrum von Wellenlängen erfasst.
  26. Vorrichtung nach Anspruch 25, wobei die Vergleichseinrichtung (40) Intensitätsdaten bei Wellenlängen in einem gewählten Abschnitt des Spektrums mit einem Abschnitt der Datenbank vergleicht.
  27. Vorrichtung nach Anspruch 26, wobei das Spektrum ultraviolette Wellenlängen einschließt, wobei der Abschnitt aus Wellenlängen in dem ultravioletten Bereich besteht.
  28. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 15 bis 27, ferner umfassend eine Einrichtung (22, 26, 28, 32, 34, 40; 22, 52, 60, 54) zum Messen des optischen Index und der Filmdicke der unterliegenden Struktur.
  29. Vorrichtung nach Anspruch 28, wobei die Messeinrichtung ein spektroskopisches Ellipsometer (34), ein Spektrophotometer oder ein Spektroreflektometer (60) einschließt.
  30. Vorrichtung nach Anspruch 28, wobei die Mess- und Richtungs-Einrichtungen gemeinsame optische Elemente verwenden, wobei die gemeinsamen Elemente eine Breitbandstrahlungsquelle (22), einen Polarisator (28) und eine Spektrometer (34) einschließen.
  31. Vorrichtung nach Anspruch 28, wobei die Mess- und Richtungs-Einrichtungen gemeinsame optische Elemente verwenden, wobei die gemeinsamen Elemente auch einen Analysator (32) einschließen, wobei der Polarisator (28) und der Analysator (32) eingestellt sind, um eine Strahlung mit im wesentlichen der gleichen Polarisation bereitzustellen und zu übergeben, wenn Intensitätsdaten von der Diffraktionsstruktur (12c) erfasst werden, und um eine Drehung zwischen dem Polarisator (28), und dem Analysator (32) zu verursachen, wenn ellipsometrische Parameter von der Diffraktionsstruktur (12c) erfasst werden.
  32. Vorrichtung nach Anspruch 20, die als ein Streuungsmessgerät arbeitet, wobei der eine oder die mehreren Parameter, der/die von der Vorrichtung bestimmt wird/werden, die Form von Linien, die Linienbreite, den Abstand, die Höhe und/oder den Seitenwandwinkel der Diffraktionsstruktur einschließt/einschließen.
  33. Vorrichtung nach Anspruch 32, ferner umfassend einen Analysator (32), der die Strahlung des Strahls, der durch die Diffraktionsstruktur eine Diffraktion durchlaufen hat, analysiert, um einen Ausgangsstrahl zu erzeugen, wobei die Erfassungseinrichtung (34) den Ausgangsstrahl erfasst.
  34. Vorrichtung nach Anspruch 33, wobei der Polarisator (28) und der Analysator (32) orientiert sind, um jeweils eine Strahlung mit im wesentlichen der gleichen Polarisation bereitzustellen und weiterzugeben, wenn Intensitäten einer Diffraktion von der Diffraktionsstruktur (12c) nicht erfasst werden.
  35. Vorrichtung nach Anspruch 32, ferner umfassend eine Datenbank mit Intensitätsdaten, die von anderen Diffraktionsstrukturen gemessen sind, und eine Einrichtung zum Vergleichen der Intensitäten, die erfasst werden, mit den Daten in der Datenbank zum Bestimmen des einen oder der mehreren Parameter der Diffraktionsstruktur.
  36. Vorrichtung nach Anspruch 32, wobei der Polarisator (28) einen Strahl in dem TE Mode erzeugt.
  37. Vorrichtung nach Anspruch 32, ferner umfassend eine Fokussierungseinrichtung (22, 23, 72, 54, 62, 64) zum Bereitstellen einer polarisierten Strahlung, um eine Höhe der Probe (12) relativ zu dem Polarisator und Erfassungseinrichtung einzustellen.
  38. Vorrichtung nach Anspruch 37, wobei die polarisierte Strahlung, die durch die Fokussierungseinrichtung bereitgestellt wird, im wesentlichen die gleiche Polarisation wie der Strahl aufweist, der auf die Diffraktionsstruktur gerichtet wird.
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