DE19840725B4 - Method and interference-optical measuring device for optoelectronic measurement of the microstructures of a microelectronic component - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur optoelektronischen Vermessung der Mikrostrukturen eines mikroelektronischen Bauelementes auf einem in einer Ätzkammer befindlichen Halbleiterwafer während des gesamten Ablaufs eines Ätzprozesses zur Ausbildung der Mikrostrukturen, bei dem ein kohärenter Lichtwellenzug durch einen Strahlenteiler in zwei getrennte Wellenzüge aufgespalten wird, von denen einer auf die Oberfläche eines Halbleiterwafers geleitet und dort reflektiert wird, der andere auf einen Referenzspiegel geleitet, dort reflektiert und dem vom Halbleiterwafer reflektierten Wellenzug überlagert wird, und aus der Größe des Unterschiedes der Weglängen des reflektierten Lichtes unter Verwendung eines Mess- und Steuerrechners Messwerte ermittelt werden, indem ausgewählte Objektfelder der Waferoberfläche und die Interferenzstreifen auf der Matrix einer CCD-Aufnahmekamera, beispielsweise über ein Zeit-Ätztiefen-Diagramm, abgebildet werden.method for the optoelectronic measurement of the microstructures of a microelectronic component on one in an etching chamber while semiconductor wafer the entire course of an etching process for the formation of the microstructures, in which a coherent light wave train split by a beam splitter into two separate wave trains one of which is on the surface of a semiconductor wafer guided and reflected there, the other directed to a reference mirror, reflected there and superimposed on the wave train reflected by the semiconductor wafer becomes, and from the size of the difference the path lengths of the reflected light using a measuring and control computer Measured values are determined by selecting selected object fields of the wafer surface and the interference fringes are imaged on the matrix of a CCD camera, for example via a time-etched-depth diagram become.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine interferenzoptische Messeinrichtung zur optoelektronischen Vermessung der Mikrostrukturen eines mikroelektronischen Bauelementes auf einem in einer Ätzkammer befindlichen Halbleiterwafer während des gesamten Ablaufs eines Ätzprozesses zur Ausbildung der Mikrostrukturen.The The invention relates to a method and an optical interference measuring device for the optoelectronic measurement of the microstructures of a microelectronic Component on a in an etching chamber located semiconductor wafer during the entire course of an etching process for the formation of microstructures.
Eine bevorzugte Anwendung der Erfindung ist das Vermessen der Ätztiefen der durch Ätzverfahren herzustellenden Mikrostrukturen auf dem Halbleiterwafer.A preferred application of the invention is the measurement of etch depths by etching to be produced microstructures on the semiconductor wafer.
Es
ist bekannt, Messungen im Mikro- und Nanometerbereich, beispielsweise
zur Bewertung der Mikrorauhigkeit einer optisch glatten Oberfläche einer
Halbleiterscheibe/Mikrochip mit interferenzoptischen Verfahren und
Einrichtungen vorzunehmen –
Entsprechend
dem Interferometerprinzip, das diesen Verfahren und Einrichtungen
zugrunde liegt, wird ein von einer lichtquelle kommender kohärenter Wellenzug
durch einen Strahlenteiler in zwei getrennte Wellenzüge aufgespalten, die
dann das Messobjekt (Objektwelle) und den Referenzspiegel (Referenzwelle)
beleuchten. Infolge der Reflexion der Lichtwellen am Referenzspiegel
und an der Oberfläche
des Messobjektes werden sowohl die Referenzwelle als auch die Objektwelle
zum Strahlenteiler zurückgeführt und
zu einem optoelektronischen Sensor geleitet. Aufgrund der unterschiedlichen
optischen Weglängen
des Objekt- und Referenzstrahlenganges besitzen die beiden kohärenten Lichtwellenzüge einen
geringfügigen
Phasenversatz, der nach dem Durchtritt des jeweils reflektierten
Lichtes durch den Strahlenteiler eine interferentielle Überlagerung bewirkt.
Am optoelektronischen Sensor werden somit in Abhängigkeit von der Größe des Unterschiedes
in der optischen Weglänge
der beiden Lichtstrahlengänge
unterschiedlich dichte Interferenzstreifenverläufe (Intensitätsmodulationen)
registriert. Aus den Unterschieden der optischen Weglängen zwischen dem
reflektierten Referenzstrahlengang und den von der Messfläche zurückgeführten Lichtwellen
kann durch Auszählung
der an einem optischen Sensor registrierten Interferenzstreifenzahlen
beispielsweise die Qualität
und die Quantität
einer Oberflächenstruktur
bestimmt werden. Als optischer Sensor kann beispielsweise auch eine
CCD-Aufnahmekamera vorgesehen
sein, siehe
Diese interferenzoptischen Messverfahren und Einrichtungen haben aber den Nachteil, dass aufgrund des Interferometerprinzips geringste Störeffekte, wie beispielsweise Umgebungsschwingungen oder Temperaturschwankungen, wie sie bei praktischen Messungen immer wieder auftreten, zu Änderungen in den optischen Weglängen führen und somit die Messungen stören, indem man falsche oder keine Messergebnisse erhält. Derartige Störungen treten vor allem bei praktischen Messungen außerhalb von Optiklabors oder speziell ausgerüsteten Messräumen auf.These but interference optical measurement methods and facilities have the disadvantage that due to the interferometer principle least parasitics, such as environmental vibrations or temperature fluctuations, as they occur again and again in practical measurements, to changes in the optical path lengths lead and thus disturbing the measurements, by getting wrong or no measurement results. Such disturbances occur especially in practical measurements outside of optical laboratories or specially equipped measuring rooms on.
Um Verfälschungen und Störungen des Messergebnisses bei der Bestimmung der Oberflächenrauhigkeit einer Halbleiterscheibe durch Tageslicht oder Fremdlichtquellen auszuschließen und eine eindeutige Zuordnung der reflektierten Lichtstrahlen bei Verwendung von Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen für die durchzuführenden Messungen zu verwenden, wird nach DE-OS 36 37 477 der auf die Scheibenoberfläche gerichtete Lichtstrahl vor seinem Auftreffen mit einer charakteristischen Frequenz periodisch unterbrochen oder die Verwendung eines gepulsten Lasers angeregt.Around falsifications and disorders the measurement result in determining the surface roughness a semiconductor wafer by daylight or extraneous light sources excluded and an unambiguous assignment of the reflected light beams in use of light of different wavelengths for the one to be performed To use measurements, according to DE-OS 36 37 477 directed to the disc surface Beam of light before its impact with a characteristic frequency periodically interrupted or the use of a pulsed laser stimulated.
Die Herstellung von Mikrostrukturen eines elektronischen Bauelementes auf einem Halbleiterwafer oder die Produktion von speziell strukturierten Oberflächen einer Halbleiterscheibe erfolgen weitestgehend durch Ätzprozesse. Diese Ätzprozesse werden mit Hilfe ätzender Flüssigkeiten oder mit entsprechend aktivierten Gasen, z.B. mittels Plasmaätzverfahren, durchgeführt. Im Falle einer sogenannten Trockenätzung mit ätzenden Gasen wird die Halbleiterscheibe, auf der zuvor das Layout der Mikrostruktur aufgebracht worden ist, in eine Ätzkammer gebracht und nach Evakuierung der Ätzkammer durch einströmende aggressive Gase der Ätzprozess durchgeführt. Die Qualität der so hergestellten mikroelektronischen Struktur und die Leistungsparameter des mikroelektronischen Bauelementes werden entscheidend von der Maßhaltigkeit und der Kantenstruktur der auf ätztechnischem Wege hergestellten Mikrostruktur bestimmt. Mit der Zielstellung, die dem vorgegebenen Layout entsprechende Mikrostruktur des Chips im Ätzprozess zu erzeugen, wird zum Beispiel der Ätzprozess mehrfach unterbochen, der Halbleiterwafer aus der Ätzkammer entnommen und außerhalb der Ätzkammer die bereits durch den Ätzprozess hergestellte Struktur, beispielsweise mit Hilfe eines Rasterelektronenmikroskops, vermessen. Sofern die projektierten Ätztiefen noch nicht erreicht worden sind, wird nach der Vermessung der Wafer in die Ätzkammer zurückgebracht und der Ätzprozess fortgesetzt.The Production of microstructures of an electronic component on a semiconductor wafer or the production of specially textured surfaces of a Semiconductor wafer are largely carried out by etching processes. These etching processes become more corrosive with the help liquids or with appropriately activated gases, e.g. by plasma etching, carried out. In the case of a so-called dry etching with corrosive gases, the semiconductor wafer, on which previously the layout of the microstructure has been applied, in an etching chamber brought and after evacuation of the etching chamber by inflowing aggressive Gases of the etching process performed. The quality the microelectronic structure thus produced and the performance parameters of microelectronic components are crucial to the dimensional stability and the edge structure of the etched Paths fabricated microstructure determined. With the goal, the microstructure of the chip corresponding to the given layout in the etching process For example, the etching process is repeatedly interrupted, the semiconductor wafer from the etching chamber taken and outside the etching chamber already through the etching process produced structure, for example by means of a scanning electron microscope, measure. If the projected etch depths have not yet been reached After measurement, the wafer is returned to the etching chamber and the etching process continues.
Diese Art der Vermessung der Mikrostruktur bzw. die Überwachung des Ätzprozesses durch mehrfache Entnahme des Halbleiterwafers aus der Ätzkammer ist sehr zeit-aufwendig und damit unwirtschaltlich. Zum anderen wird durch das wiederholte Unterbrechen des Ätzprozesses für die durchzuführenden Messungen bis zum Erreichen der gewünschten Ätztiefe die Qualität der Ätzstruktur erheblich nachteilig beeinflusst.This type of measurement of the microstructure or the monitoring of the etching process by multiple removal of the semiconductor wafer from the etching chamber is very time-consuming and thus unmanageable. On the other hand, the repeated interruption of the etching process for the durchzufüh rende measurements until the desired etching depth, the quality of the etching structure significantly adversely affected.
Andererseits ist diese umständliche Verfahrensweise dadurch bedingt, dass infolge der während des Ätzprozesses auftretenden Schwingungen, beispielsweise für die Herstellung und Aufrechterhaltung des Vakuums in der Ätzkammer, geeignete optoelektronische Messverfahren und – einrichtungen, die eine in situ Vermessung ermöglichen würden, nicht eingesetzt werden können.on the other hand is this awkward Due to the fact that due to the during the etching process occurring vibrations, for example, for the production and maintenance the vacuum in the etching chamber, suitable optoelectronic measuring methods and devices which have an in allow situ measurement would not can be used.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Messeinrichtung der eingangs genannten Gattung dahingehend weiterzubilden, dass ohne Unterbrechung des Ätzvorganges eine ständige Kontrolle des Ätzprozesses und eine Vermessung der durch Ätzen herzustellenden Mikrostruktur eines Halbleiterwafers in situ und in Echtzeit möglich sind.Of the Invention is therefore the object of a method and a Further develop measuring equipment of the type mentioned at the outset, that without interrupting the etching process permanent Control of the etching process and a measurement of by etching to be fabricated microstructure of a semiconductor wafer in situ and possible in real time are.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in den Ansprüchen 1, 14 und 15 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.According to the invention this Task by the in the claims 1, 14 and 15 specified characteristics solved. Advantageous developments The invention will become apparent from the dependent claims.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung werden ausgewählte Objektfelder der Waferoberfläche und die Interferenzstreifen auf der Matrix der CCD-Aufnahmekamera abgebildet. Auf diese Weise kann der gesamte Ablauf des Ätzvorganges zur Ausbildung der Mikrostrukturen eines in der Ätzkammer befindlichen Halbleiterwafers direkt überwacht und beispielsweise die Ätztiefe an frei ausgewählten unterschiedlichen Waferbereichen direkt gemessen bzw. durch separate Kurvenverläufe erfasst werden. Zu diesem Zweck wird ein speziell entwickeltes Mess- und Steuersoftwarepaket verwendet, mit dessen Hilfe am Rechnermonitor ein Zeit-Ätztiefen-Diagramm erscheint, anhand dessen die Ätztiefe in Echtzeit verfolgt werden kann.With the solution according to the invention become selected object fields the wafer surface and the interference fringes on the matrix of the CCD camera displayed. In this way, the entire process of the etching process for forming the microstructures of a semiconductor wafer located in the etching chamber directly monitored and for example the etching depth at freely selected different wafer ranges measured directly or by separate curves be recorded. For this purpose, a specially developed measuring and Control software package used with its help on the computer monitor a time-etched-depth diagram appears based on which the etching depth can be tracked in real time.
Bei der Ätzung von Mikrostrukturen auf Wafern ist es üblich und notwendig, diese mit einer Abdeckmaske zu versehen, um zu gewährleisten, dass durch den Ätzvorgang tatsächlich nur die abzutragenden Waferbereiche durch das Ätzmaterial (Gas oder Flüssigkeit) erreicht und abgetragen werden können.at the etching of microstructures on wafers it is common and necessary to use these provided with a mask to ensure that by the etching process indeed only the wafer areas to be removed by the etching material (gas or liquid) can be reached and removed.
Für die Vermessung der Ätztiefe unter Verwendung der erfindungsgemäßen Lösung werden durch die Abbildung der Waferoberfläche auf dem Rechnermonitor jeweils mit der Maus des Rechners zwei auszuwertende Flächen definiert, wobei eine auf der Maske und die andere im zu ätzenden Bereich des Wafers liegt. Im ungeätzten Ausgangszustand existiert eine Fhasenverschiebung, deren Wert auf Null gesetzt wird. Mit Beginn des Ätzvorganges ändert sich die optische Weglänge im Ätzbereich, wodurch am optoelektronischen Sensor dann ein von Null verschiedener Phasenunterschied zu registrieren ist, der aufgrund der Verwendung monochromatischen Lichtes ein direktes Maß für den Ätzabtrag ist.For the survey the etching depth using the solution according to the invention by the figure the wafer surface on the computer monitor in each case with the mouse of the computer two to be evaluated surfaces defined, one on the mask and the other in the etched Range of the wafer is located. In the unetched initial state exists a phase shift whose value is set to zero. With beginning the etching process changes the optical path length in the etching area, thereby at the optoelectronic sensor then a non-zero phase difference To register is due to the use of monochromatic Light a direct measure of the Ätzabtrag is.
Der in der Ätzkammer befindliche Halbleiterwafer wird erfindungsgemäß durch Lichtwellenimpulse von einigen Mikrosekunden Pulslänge einer mit Hilfe des Mess- uns Steuerrechners getriggerten monochromatischen Lichtquelle beleuchtet. Aufgrund der kurzen Belichtungszeiten ist die Fhasendifferenz zwischen Objekt und Referenzstrahlengang der Lichtwellenimpulse innerhalb der Belichtungszeit konstant. Auch sehr starke Schwingungen und andere störende Einflüsse, die bisher zwangsmäßig zu Störeffekten in den optischen Weglängen der Objekt- und Referenzlichtwellen eines Interferometers führten, werden von der CCD-Aufnahmekamera dadurch nicht mehr registriert.Of the in the etching chamber located semiconductor wafer according to the invention by light wave pulses of a few microseconds pulse length a monochromatic one triggered with the help of the measuring and control computer Illuminated light source. Due to the short exposure times is the phase difference between object and reference beam path of the lightwave pulses constant within the exposure time. Also very strong vibrations and other disturbing ones influences, the previously obsessive about in the optical path lengths of the object and reference light waves of an interferometer no longer registered by the CCD camera.
Auf diese Weise ist es möglich, trotz extremer Schwingungen der interferenzoptischen Messeinrichtung und des Messobjektes stehende Interferenzbilder am Mess- und Steuerrechner zu erhalten, die beispielsweise eine exakte messtechnische Bewertung der Ätztiefen einer Mikrostruktur auf einem Halbleiterwafer ermöglichen.On this way it is possible despite extreme vibrations of the interference optical measuring device and the measurement object standing interference images on the measuring and control computer to obtain, for example, an exact metrological evaluation the etching depths enable a microstructure on a semiconductor wafer.
Nach einem weiteren Merkmal besitzt die erfindungsgemäße Messeinrichtung einen Laser oder eine Laserdiode mit zwei unterschiedlichen Lichtwellenlängen, wodurch die Abbildung eines 3D-Profils (Mapping) von der Mikrostuktur im Halbleiterwafer möglich ist.To a further feature of the measuring device according to the invention has a laser or a laser diode having two different wavelengths of light, thereby the mapping of a 3D-profile (mapping) of the microstructure in the Semiconductor wafer possible is.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung entsprechnd Anspruch 3 bzw. Anspruch 14 wird der Referenzspiegel aus dem Strahlengang entfernt. Das Entfernen des Referenzspiegels aus dem Strahlengang führt dazu, dass der CCD-Sensor der Kamera das von der Oberfläche des Wafers reflektierte Licht aufnimmt. Im Falle einer reflektierenden Waferoberfläche kann während des Ätzprozesses die Reflektivität der Waferoberfläche bzw. deren Änderung verfolgt werden, z.B. beim Abtrag unterschiedlich reflektierender Schichten.To an embodiment according to claim 3 or claim 14 is the reference mirror removed from the beam path. Removing the reference mirror out of the beam path leads that the CCD sensor of the camera from the surface of the Wafer's reflected light picks up. In the case of a reflective wafer surface can while the etching process the reflectivity the wafer surface or their change be followed, e.g. when removing different reflective Layers.
Bei Vorhandensein einer transparenten Schicht, z.B. SiO2, auf einer reflektierenden Unterlage, z.B. Silizium-Wafer, nimmt der CCD-Sensor der Kamera das durch Interferenz an dünnen Schichten entstehende Interferenzlicht auf.In the presence of a transparent layer, for example SiO 2 , on a reflective base, for example silicon wafers, the CCD sensor of the camera picks up the interference light produced by interference on thin layers.
Jeder Einzelsensor der CCD-Kamera und damit jeder Pixel des Monitorbildes kann als separates Interferometer angesehen werden.Everyone Single sensor of the CCD camera and thus each pixel of the monitor image can be considered as a separate interferometer.
Es wird gegenüber herkömmlichen Lösungen eine hohe laterale Auflösung erreicht, die lediglich vom verwendeten optischen System und der Anzahl der Elemente der CCD-Matrix festgelegt ist. Es können beliebig viele voneinander unabhängige Messpunkte gewählt werden (max. Anzahl der Elemente der CCD-Matrix).It is opposite usual solutions a high lateral resolution achieved only by the optical system used and the Number of elements of the CCD matrix is set. It can be arbitrary many independent measuring points chosen (maximum number of elements of the CCD matrix).
Das mehrfache Unterbrechen des Ätzvorganges zum Vermessen der Ätztiefe und der Mikrostrukturen sowie das jeweils erneute Anfahren des Ätzvorganges entfallen bei allen Ausführungsformen nach der Erfindung vollständig. Der kontinuierliche Ablauf des Ätzprozesses führt nicht nur zu einer erheblichen Zeiteinsparung, sondern ist insbesondere mit einer wesentlichen Steigerung in der Qualität der geätzten Mikrostrukturen und mit einer entscheidenden Anhebung der Leistungsparameter des Halbleiterwafers verbunden.The multiple interruption of the etching process for measuring the etching depth and the microstructures and each renewed start of the etching process omitted in all embodiments the invention completely. The continuous process of the etching process does not lead only to a considerable time saving, but is in particular with a significant increase in the quality of the etched microstructures and with a significant increase in the performance parameters of the semiconductor wafer connected.
Die Erfindung soll nachstehend an Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In der dazugehörigen Zeichnung zeigen:The Invention will be explained in more detail below by exemplary embodiments. In the corresponding Show drawing:
Die
in
Mit
Hilfe des Strahlenteilers
Nach
der Reflexion an den spiegelnden Flächen des Referenzspiegels
Zur
Vermeidung eines unnötig
langen Kameraarmes der interferenzoptischen Messeinrichtung werden
die vom Referenzspiegel
Bei
der Ausführung
der interferenzoptischen Messeinrichtung nach
Bei
einer Überlagerung
von gegeneinander geneigten ebenen Lichtwellen ist der Intensitätsverlauf
senkrecht zu den am Monitor sichtbaren Interferenzstreifen sinusförmig. Da
die Objektwellenfront vom Halbleiterwafer bei der Vermessung von Ätzstufen
aufgrund der Struktur des Wafers nur stückweise eben ist, ist der Intensitätsverlauf
des Interferenzbildes in der Matrixebene der CCD-Aufnahmekamera
Die
Intensität
der Teilstrahlen
- 11
- Lichtquellelight source
- 22
- Kollimatoroptikcollimator optics
- 33
- Referenzspiegelreference mirror
- 44
- Strahlenteilerbeamsplitter
- 55
- HalbleiterwaferSemiconductor wafer
- 66
- Abbildungsoptikimaging optics
- 77
- CCD-AufnahmekameraCCD recording camera
- 88th
- Interferenzfilterinterference filters
- 99
- Ätzkammeretching chamber
- 1010
- Umlenkspiegeldeflecting
- 1111
- Teilstrahlpartial beam
- 1212
- Teilstrahl (Referenzarm)partial beam (The reference arm)
- 1313
- Objektarmobject arm
- αα
- Winkelangle
- δδ
- Phasenverschiebungphase shift
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Owner name: GF MESSTECHNIK GMBH, 14513 TELTOW, DE FORSCHUNGSVE |
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Effective date: 20120301 |