DE4108329C2 - Verfahren zum Bestimmen von Materialparametern, nämlich Dicke, Brechungsindex und Absorptionskoeffizient, einzelner Schichten - Google Patents
Verfahren zum Bestimmen von Materialparametern, nämlich Dicke, Brechungsindex und Absorptionskoeffizient, einzelner SchichtenInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bestimmen von
Materialparametern, nämlich Dicke, Brechungsindex und Absorptionskoeffizient einzelner Schichten mit Hilfe der
Ellipsometrie.
Ein derartiges Verfahren ist aus der Zeitschrift Technisches Messen tm, 55. Jahrgang, Heft
9/1988, Seiten 346 bis 351 bekannt.
Ellipsometrieverfahren werden unter anderem in der
Halbleitertechnologie eingesetzt, um den Beschichtungsprozeß
eines Substrates mit mehreren dünnen Schichten zu
kontrollieren, wobei der Vorteil gegeben ist, daß die
Ellipsometrie ein zerstörungsfreies Meßverfahren ist. Ein
derartiges In-situ-Verfahren ist im Journal of the
Optical Society of America, Band 64, Nr. 6, Seiten 804ff, beschrieben.
Während des
Aufwachsens der Schichtfolge auf einem Substrat wird die Probe dabei
ständig ellipsometrisch vermessen, wobei in diesem Falle ein
Ellipsometer mit einem Laser, einem Polarisator und einem
rotierenden Analysator verwendet wird. Bei diesem Meßverfahren
werden die charakteristischen Ellipsometriewinkel psi und Delta
aufgezeichnet. Aus diesen Werten, die in einem Delta-psi-
Diagramm dargestellt werden, können mit bekannten
Rechenverfahren die Materialparameter der einzelnen Schichten
sehr genau bestimmt werden. In der erstgenannten
Literaturstelle wird zusätzlich darauf hingewiesen, daß eine
Probe auch während vakuumtechnischer Ätzprozesse
ellipsometrisch vermessen werden kann.
Es ist auch bekannt, die
Materialparameter für die oberste Schicht einer Schichtenfolge
zu bestimmen, sofern diese Parameter für die darunter liegenden
Schichten bekannt sind, wie etwa die DE 39 36 541 A1 zeigt.
Bei den angegebenen Verfahren beträgt die Meßgenauigkeit für
die Dicke etwa ± 0,05 nm.
Es ist mit derartigen Ellipsometrieverfahren im Prinzip auch
möglich, bei einer vorliegenden Probe mit mehreren Schichten
die genannten Materialparameter der einzelnen Schichten der
Schichtfolge selbst dann zu bestimmen, wenn nicht nur die
Materialparameter der obersten Schicht, sondern auch diejenigen
darunter liegender Schichten unbekannt sind. Allerdings läßt
sich nur ein ungefähres Bild der Schichtenfolge erzielen, wobei
hierfür noch dazu ein erheblicher Rechenaufwand notwendig ist.
Zwangsläufig sind die Aussagen nur vage und zum Teil
mehrdeutig, und die Meßgenauigkeit ist nicht sehr hoch.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
anzugeben, mit dem die genannten Materialparameter einzelner
Schichten einer vorliegenden Schichtenfolge einer Probe
bestimmt werden können.
Mit der Erfindung wird nun vorgeschlagen, die Probe sukzessive
mittels eines mikroabrasiven Verfahrens in einem Mikrobereich
abzutragen der durch den Auftreffbereich eines Laserstrahls auf der Probe
bestimmt ist, die Probe dort während des Abtragens mittels des Laserstrahls ellipsometrisch zu
vermessen sowie die Meßwerte dabei aufzuzeichnen. Dies wird so
lange fortgesetzt, bis sämtliche zu bestimmenden Schichten
abgetragen sind. Aus den aufgezeichneten Meßwerten, werden dann,
ausgehend von den zuletzt erfaßten Meßwerten die
Materialparameter der einzelnen Schichten berechnet, sozusagen
rückgerechnet. Eine derartige Rückrechnung ist mit relativ
geringem Rechenaufwand möglich.
Das Abtragen kann mit verschiedenen mikroabrasiven Methoden
erfolgen, sofern sich diese auf einen Mikrobereich der Probe beschränken lassen,
so z. B. mit chemischem Naßätzen oder Beschuß des Probenbereichs mit kleinen
Teilchen, wie Sand, Atomen, Ionen oder Molekülen. Bevorzugt
erfolgt das Abtragen durch Teilchenbeschuß, insbesondere
Ionenbeschuß.
Das angegebene Verfahren ist unabhängig von der
Abtraggeschwindigkeit; diese braucht auch nicht bekannt zu
sein.
Das Verfahren gemäß der Erfindung ist auch dann durchzuführen,
wenn im Verlauf der Schichtenfolge eine undurchsichtige Schicht
vorhanden ist, an der normale Ellipsometrie nicht durchführbar
ist: Die Meßwerte verbleiben dann im wesentlichen konstant, bis
diese Schicht vollständig abgetragen ist.
Das angegebene Verfahren kann insbesondere bei der Wafer-
Herstellung in der Halbleitertechnologie von Vorteil sein, etwa
um die Güte der Beschichtung der Wafer in Stichproben zu
überprüfen. Obwohl das Verfahren ein materialzerstörendes
Prüfverfahren ist, kann der zerstörte Bereich auf einen
Mikrobereich beschränkt, so daß die analysierte Probe,
z. B. ein teurer Wafer, weiterverwendet werden kann.
Bevorzugt wird die Probe in einer Vakuumkammer gehalten, in der
dann gleichzeitig die Vorrichtung zum Abtragen der Probe
angeordnet ist, z. B. eine richtbare Ionenkanone.
Die Erfindung ist in einem Ausführungsbeispiel anhand der
Zeichnung näher erläutert. In dieser stellen dar:
Fig. 1 eine Vorrichtung gemäß der Erfindung zum Bestimmen von Materialparametern
einer mit mehreren Schichten versehenen Probe;
Fig. 2 einen Schnitt durch eine zu untersuchende Probe;
Fig. 3 ein Delta-psi-Diagramm in schematischer Darstellung
für die in Fig. 2 dargestellte ellipsometrisch vermessene Probe.
In der sehr schematischen Darstellung gemäß Fig. 1 sieht man
eine Probenkammer 1, in der ein Probenhalter 2 für eine Probe 3
angeordnet ist. Die Probenkammer 1 hat eine Zuleitung 4 und
eine Ableitung 5 und ist als Vakuumkammer ausgebildet. Die auf
dem Probenhalter 2 angeordnete Probe 3 kann mit Hilfe eines
elliptisch polarisierten Laserstrahls 6 bestrahlt werden, wozu
ein Laser 7 mit einem Polarisator 8
und einem Kompensator, z. B. einem Lambda-Viertelplättchen
9 vorgesehen ist. Der Laserstrahl 6 tritt durch ein Fenster
10 in die Probenkammer ein, fällt schräg auf die Probe,
wird an deren Oberfläche reflektiert und tritt aus einem
Austrittsfenster 11 aus der Probenkammer hinaus. Der re
flektierte Laserstrahl durchläuft einen Encoder mit einem
kontinuierlich rotierenden Analysator 12, hinter dem ein
Fotodetektor 13 angeordnet ist. Die Ausgangssignale des
Fotomultiplayers 13 werden einem Prozessor bzw. einem Rechner
14 zugeführt, der auch den Encoder und Analysator 12 steuert,
was durch eine Steuerleitung 15 vom Rechner 14 zum Analysator
12 angedeutet ist. Der Rechner 14 weist unter anderem einen
Meßwertspeicher 16 auf und ist mit einem Terminal 17, z. B.
einem Monitor verbunden.
Zusätzlich ist jedoch in der Probenkammer 1 oberhalb des
Probenhalters 2 eine richtbare Ionenkanone 18 vorgesehen.
Ein Beispiel für eine Probe 3 ist in Fig. 2 gezeigt, diese
besteht aus einem Substrat 21, z. B. einem Siliziumkristall,
zwei darauf abgelegten optisch "durchsichtigen" Schichten
22 und 23, einer darauffolgenden dünnen undurchsichtigen
Schicht 24, z. B. einer Metallschicht, an die sich wiederum
zwei optisch "durchsichtige′′ Schichten 25 und 26 an
schließen. Die Schichten 22, 23, 25 und 26 können z. B.
Oxidschichten oder sonstige Halbleiterschichten sein und,
wie angedeutet, unterschiedliche Dicke aufweisen. Die Anzahl
der Schichten ist im Prinzip beliebig.
Nach Einbringen der Probe 3 in die Probenkammer 1 und Eva
kuierung der Probenkammer wird die Oberfläche der Probe
bestrahlt und das reflektierte Licht analysiert, und zwar
hinsichtlich der charakteristischen Ellipsometriewinkel
Delta und psi. Der gemessene Wert, der Anfangswert Vi,
ist in dem Delta-psi-Diagramm gemäß Fig. 3 eingetragen.
Anschließend wird die Ionenkanone 18 auf einen kleinen
Bereich der Probe 3 gerichtet und eingeschaltet, so daß
die Probe in diesem Bereich kontinuierlich abgetragen wird.
Während dieses Abtragens wird die Probe weiterhin im Hinblick
auf die Ellipsometriewinkel Delta und psi vermessen, so
daß sich ein erster Zug P1 von in Fig. 3 durch kleine Kreuze
angedeuteten Meßwerten ergibt. Sobald die oberste Schicht
26 abgetragen ist, wird der Verlauf der Meßwerte markant
unterbrochen, z. B. erscheint in dem Verlauf der Meßwerte
ein relativ scharfer erster Knick K1, der der Grenzfläche
zwischen den beiden Schichten 26 und 25 zuzuordnen ist.
An diesen Knick K1 schließt sich ein zweiter Zug P2 von
Meßwerten entsprechend der jeweiligen Dicke der zweiten
Schicht 25 an. Ist auch diese Schicht 25 abgetragen, so
trifft die Laserstrahlung auf die optisch undurchsichtige
Metallschicht 24. Deren optischen Eigenschaften hinsichtlich
der charakteristischen Ellipsometriewinkel Delta und psi
sind unabhängig von ihrer Dicke konstant, so daß sich die
Meßwerte praktisch nicht ändern, sondern durch das Apparate
rauschen um einen Mittelwert schwanken. Dies ist in Fig.
3 durch den Meßwerthaufen H angedeutet. Sobald der Laser
strahl dann auf die Oberfläche der jetzt freigelegten Schicht
23 trifft, verfolgen die Meßwerte einen dritten Zug P3,
der nach vollständigem Abtragen dieser Schicht 23 durch
einen zweiten Knick K2 abgeschlossen wird, an den sich
dann ein vierter Zug P4 von Meßwerten anschließt, der der
untersten Schicht 22 zugeordnet werden kann. Ist auch diese
Schicht vollständig abgetragen, so erreicht der Zug den
Endwert Ve der Meßwerte.
Um nun die Materialparameter Dicke, Brechungsindex und
Absorptionskoeffizient der einzelnen Schichten zu ermitteln,
werden die Meßwerte der Züge P1 bis P4 zurückgerechnet,
d. h. daß diese Berechnung am Endwert Ve beginnt. Durch
Rückrechnung der Meßwerte des Zuges P4 werden dann die
Materialparameter der untersten Schicht 22, durch Rückrechnung
der Meßwerte entlang des Zuges P3 die Parameter der zweiten
Schicht 23 usw. bestimmt.
Claims (5)
1. Verfahren zum Bestimmen von Materialparametern, nämlich
Dicke, Brechungsindex und Absorptionskoeffizient, einzelner
Schichten einer mehrere Schichten aufweisenden Probe, wobei
die Probe abgetragen und während des Abtragens mittels eines
Laserstrahls ellipsometrisch vermessen wird, dadurch
gekennzeichnet, daß die Abtragung mit einem mikroabrasiven
Verfahren erfolgt, daß die Abtragung auf einen Mikrobereich
der Probe (3) beschränkt ist, der durch den Auftreffbereich
des Laserstrahls (6) auf der Probe (3) bestimmt ist, daß die
Meßwerte dabei aufgezeichnet werden, bis sämtliche zu
bestimmenden Schichten (22, 23, 25, 26) abgetragen sind, und
daß aus den Meßwerten, ausgehend von dem zuletzt erfaßten
Meßwert (VE), die Materialparameter der Schichten berechnet
werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
während des Abtragens der Probe (3) die charakteristischen
Ellipsometriewinkel (Delta, psi) aufgezeichnet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Probe (3) in einer Vakuumkammer (1) gehalten wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß das mikroabrassive Abtragen durch
Teilchenbeschuß erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Probe (3) mit Ionen beschossen wird.
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