DE60215821T2

DE60215821T2 - Verfahren zum messen der leistung eine raster-elektronenmikroskops

Info

Publication number: DE60215821T2
Application number: DE60215821T
Authority: DE
Inventors: Peter Dirksen; J. Rene ELFRINK; A. Casparus JUFFERMANS
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2001-07-26
Filing date: 2002-07-19
Publication date: 2007-09-06
Anticipated expiration: 2022-07-20
Also published as: JP2004537142A; EP1415320B1; CN1476627A; US6960764B2; WO2003010792A1; ATE344530T1; DE60215821D1; EP1415320A1; CN1305100C; TW571335B; KR20040028623A; US20040173748A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung der Abbildungsqualität eines Rasterelektronenmikroskops, das zur Messung der Größe von Bauteilstrukturdetails, die während der Herstellung von Bauteilen in einer Substratschicht konfiguriert werden, verwendet wird, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:

– Schaffen poröser Siliziumoberflächengebiete;
– Abtasten der Oberflächengebiete mit Hilfe des Rasterelektronenmikroskops;
– Analysieren der mit dem Rasterelektronenmikroskop angefertigten Abbildungen mit Hilfe einer schnellen Fourier-Transformations-Technik, um eine Indikation für die Auflösung des Rasterelektronenmikroskops zu erhalten.

Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Testsubstrat zur Verwendung mit dem Verfahren, ein Verfahren zur Herstellung des Testsubstrats, einen Prozess zur Massenfertigung von Bauteilen, in dem das Bestimmungsverfahrung verwendet wird und ein selbsttestendes Rasterelektronenmikroskop.
Für das Herstellen der genannten Bauteile werden Lithografie-Verfahren verwendet, die eine größere Anzahl von Maskierungs-, Ätz-, Implantations- und anderen Schritten umfassen. Ein Lithografie-Projektionsgerät ist ein essenzielles Werkzeug in den Lithografie-Techniken. Mit Hilfe eines derartigen Gerätes wird, für jede zu konfigurierende Schicht des Bauteils, ein Maskenmuster mit Strukturdetails, die den Strukturdetails des zu konfigurierenden Bauteils in der genannten Schicht entsprechen, auf einen strahlungsempfindlichen Film, mit dem die genannte Schicht vor dem Belichtungsschritt beschichtet wurde, übertragen. Die strahlungsempfindliche Schicht ist speziell für die Strahlung empfindlich, die für das Belichten verwendet wird, d.h. sie ändert ihre Eigenschaften in Gebieten, wo die Strahlung eingefallen ist. Eine derartige Schicht ist eine Ausführungsform einer Photolackschicht, wobei dieser Ausdruck auch eine Schicht abdeckt, die empfindlich für einen geladenen Teilchenstrahl, beispielsweise einen Elektronenstrahl, ist. Unter Übertragung eines Musters wird sowohl das Abbilden eines Maskenmusters in eine Photolackschicht als auch das Schreiben eines Musters in eine derartige Schicht, beispielsweise mit Hilfe eines Elektronenstrahls, verstanden. Während des Herstellprozesses von Bauteilen werden aufeinander folgende Maskenmuster, jede für eine andere Substratschicht, auf dasselbe Ziel, beispielsweise ein IC-Gebiet, auf das Substrat übertragen.
Das Lithografieverfahren und Gerät können auch in der Herstellung anderer Bauteile als ICs, beispielsweise integrierte oder planare optische Bauteile, Magnetköpfe oder Flüssigkristallanzeigefelder verwendet werden.
Unter einem Substrat wird eine Materialplatte, beispielsweise Silizium, verstanden, in der ein komplettes Vielschichtbauteil, wie z.B. ein IC, Schicht für Schicht mit Hilfe einer Anzahl von aufeinander folgenden Sätzen von Prozessschritten gebildet werden soll. Jeder dieser Sätze umfasst als Hauptprozessschritte: Beschichten des Substrats mit einem strahlungsempfindlichen oder Photolack-Film, Ausrichten des Substrat gegenüber der Maske, Abbilden des Maskenmusters in den Photolackfilm, Entwickeln des Photolackfilms, Ätzen des Substrat durch den Photolackfilm und außerdem Reinigen und andere Prozessschritte. Der Ausdruck Substrat deckt Substrate an verschiedenen Stufen in dem Herstellprozess ab, d.h. sowohl ein Substrat ohne oder mit nur einer Ebene von schon konfigurierten Strukturdetails des Bauteils als auch ein Substrat mit der vorletzten Ebene von schon konfigurierten Strukturdetails des Bauteils und alle Zwischen-Substrate.
Die Einstellungen, beispielsweise der Fokus, und die Leistung des Projektionsgeräts werden zu regelmäßigen Zeitpunkten, beispielsweise zu Beginn eines Arbeitstages oder beim Starten der Belichtung einer Charge von identischen Substraten, kontrolliert. Eine Testmaske oder Produktionsmaske, die zur Belichtung einer Charge von Scheiben verwendet wird, wird an verschiedenen Positionen und möglicherweise mit verschiedenen Fokus-Einstellungen auf die Photolackschicht auf einem Testsubstrat abgebildet. Nachdem der Photolack entwickelt ist, wird die Oberfläche auf dem Testsubstrat mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM) abgetastet, um die Qualität des in der Photolackschicht konfigurierten Musters zu bestimmen. Normalerweise wird die Qualität der kleinsten Strukturdetailabmessungen, auch „critical dimensions (CD)" [kritische Dimensionen] genannt, bestimmt. Auf diese Weise kann die beste Fokus-Einstellung bestimmt werden und ob die geforderte Abbildungsqualität erreicht wurde. Die aus der Testbelichtungsleistung erzielten Daten können verwendet werden, um Einstellungen des Projektionsgerät zu korrigieren.
Es ist erwünscht, die Strukturdetailbreiten des in einem Substrat konfigurierten Bauteils ständig zu verringern, um ständig die Arbeitsgeschwindigkeit eines Bauteils zu erhöhen und/oder die Anzahl der elektronischen Komponenten in einer IC-Bauteil zu erhö hen. Als eine Konsequenz sollten Maskenmuster mit zunehmend kleineren Musterstrukturdetails und kleineren Abständen zwischen diesen Strukturdetails belichtet werden. Das bedeutet, dass zunehmend strengere Anforderungen an die CD-Kontrolle in der Produktionsumgebung des Bauteils durchgesetzt werden müssen und Fehlerquellen, die diese Kontrolle beeinträchtigen können, reduziert oder eliminiert werden müssen. Eine wichtige Fehlerquelle ist die Instabilität des weitverbreitet verwendeten Messwerkzeugs, des REMs. Traditionell wird ein CD-REM durch Verwendung einer Standard-Testprobe stabilisiert und kalibriert, d.h. eine Kalibrierungsscheibe, die mit einem speziellen Maskenmuster von Strukturdetails und Zwischenräumen und den Breiten und Periodizitäten der Strukturdetails versehen ist, wird durch das REM überwacht. Wenn die gemessene Strukturdetailbreite und -periode von den Standardwerten verschieden sind, muss das REM justiert werden, bis die gemessenen Werte den Standardwerten entsprechen. Ein inhärentes Problem bei dieser Art der Kalibrierung ist, dass der Algorithmus zur Linienbreitenmessung zur Analyse der REM-Ausgangsdaten nicht zum Festellen von kleinen Fokusfehlern oder stigmatischen Fehlern geeignet ist, so dass derartige Fehler unbemerkt bleiben können. Das kann zur Folge haben, dass schlechte Bauteil-Schichten den REM-Test passieren, was weitergeht, bis bemerkt wird, dass die Ausbeute des Produktionsprozesses des Bauteils gefallen ist. Inzwischen ist eine Menge von Bauteilen verschwendet. Außerdem ist diese Art der Kalibrierung streng an eine spezielles Testprobe gekoppelt. Wenn eine Testprobe durch eine neue Testprobe ausgetauscht werden muss, beispielsweise weil die erste Testprobe zerbrochen oder verunreinigt ist, muss die neue Testprobe zuerst gemessen werden, um sie zu charakterisieren und die Ergebnisse der mit der neuen beziehungsweise der ersten Testprobe durchgeführten Messungen müssen zueinander in Relation gesetzt werden.
Wie von G.L. Fanget et al. in der Veröffentlichung: „Survey of Scanning Electron Microscopes Using Quantitative Resolution Evaluation" in SPE Vol. 3050, 1997, Seiten 80–92 verdeutlicht wurde, liefert die Auflösung eines REMs ein gutes Abbild von der Fähigkeit des REMs, CD-Messungen oder Prozess-Beurteilungen durchzuführen. Die Auflösung wird durch Abtasten einer speziellen Probe mit dem REM bestimmt und die vom REM aufgenommenen Abbildungsdaten werden mit Frequenzbereichstransformierten verarbeitet. Das erlaubt eine objektivere Bestimmung der Auflösung als eine Überprüfung mit dem menschlichen Auge, die schwierig und subjektiv ist. Die verwendete Probe ist eine Siliziumschicht mit einer mikroporösen Oberfläche mit einer zufälligen Verteilung der Durchmesser und Lokalisierung der Poren. Tiefe Poren mit Durchmessern im Bereich von 5 bis 50 nm, fast senkrecht zur Oberfläche und mit dünnen Wänden führen zu Abbildungen mit hohem Kontrast. Die Probe erhält man durch Ätzen einer Siliziumscheibe in einem Flusssäure-Elektrolyt. Nach dem Abtasten der Probe wird ein zwei-dimensionaler schneller Fourier-Transformations (2D-FFT) -Abbildungsanalyseprozess durchgeführt, der in einem verrauschten Spektrum mit kleinen Spitzen, die zufällig in dem Frequenzbereich (FD) verteilt sind, resultiert. Um die Messung zu verbessern, wird das Spektrum durch eine Faltung geglättet, die eine Zwei-Dimensionen-Türfunktion genannt wird. Das liefert dieselben Ergebnisse wie das Bestimmen eines gleitenden Mittelwerts in jeder Richtung des Frequenzbereichs. Dann werden eine große Anzahl, beispielsweise sechzig Richtungen des Frequenzbereichs überprüft und eine Grenzfrequenz (COF) auf jeder von ihnen bestimmt. Die Werte dieser COFs werden in einer Auflösungs-Kontur-Karte dargestellt.
In diesem Verfahren zur Auflösungsmessung wird die Probenstruktur mehrere Male gemessen und die gemessenen Werte sind durch die Probenstruktur beeinflusst. Das Verfahren ist also Probenstruktur-abhängig und erfordert Kalibrierung. Das ist in einer zweiten Veröffentlichung bestätigt: „A contribution to the evaluation of scanning electron microscope resolution" in: SPE Vol. 3332, Seiten 71–80. Gemäß dieser Veröffentlichung ist die Abbildungsverarbeitung designt, um die Transfer-Funktion des REM aus der Probenabbildung zu extrahieren und diese Funktion zu analysieren. Das würde den Einfluss der Probenparameter auf die Endergebnisse verringern und präzisere Information über das REM selbst liefern als eine Beschreibung der Probe. Auch in dem zweiten Verfahren wird die Probenstruktur mehrer Male gemessen.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein schnelles Verfahren zum Bestimmen der eingangs definierten Abbildungsqualität eines REMs zu schaffen, in dem die gemessene Auflösung unabhängig von der Oberflächenstruktur ist. Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Abtastens der Oberflächengebiete beziehungsweise des Verschaffens der Auflösung Folgendes umfasst:

– Anfertigen von Abbildungen von einer Anzahl von Oberflächenstrukturen mit unterschiedlichen mittleren Porengrößen;
– Berechnen des Fourier-Spektrums jeder dieser Abbildungen; und
– Bestimmung der Auflösung des Rasterelektronenmikroskops durch Extrapo lation der Auflösung, die zu einem Signal/Rausch-Verhältnis von Null gehört, aus der Breite, der Signalamplitude und dem Rausch-Offset des Fourier-Spektrums von allen genannten Abbildungen.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass durch Anfertigen von Abbildungen einer ausrechenden Menge von Oberflächengebieten mit ausreichend unterschiedlichen Porengrößen, wobei jede Abbildung ein spezifisches Fourier-Spektrum hat, ausreichend Abbildungsdaten gewonnen werden können, um aus diesen den Wert der Spektrumsbreite für ein Signal/Rausch-Verhältnis von Null zu extrapolieren. Der letztere Wert entspricht der Auflösung des REMs. Auf diese Weise ist die gewonnene Auflösung unabhängig von der verwendeten Testprobe.
Eine erste Ausführungsform des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt, Abbildungen anzufertigen, das Abtasten von Gebieten poröser Siliziumoberflächen von einer Anzahl verschiedener Substrate umfasst, von denen jedes eine unterschiedliche mittlere Porengröße hat.
Eine erfinderische und bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt, Abbildungen anzufertigen, das Abtasten eines einzigen Substrats umfasst, das mit einer porösen Siliziumoberfläche mit einer mittleren Porengröße, die kontinuierlich in einer Richtung von einer kleinen Größe zu einer größeren Größe zunimmt, versehen ist.
Diese erfinderische Ausführungsform beruht auf der Erkenntnis, dass die poröse Struktur mit unterschiedlichen mittleren Porengrößen auf einem einzigen Testsubstrat bereitgestellt werden kann, sodass die Auflösung des REMs bestimmt werden kann, indem nur dieses einzelne Substrat abgetastet wird, was eine erhebliche Zeitersparnis hervorbringt.
Um eine Anfangsfokussierung auf der Testprobe und/oder Navigation und Mustererkennung zu erlauben, ist die zweite Ausführungsform vorzugsweise dadurch gekennzeichnet, dass ein Substrat verwendet wird, dessen poröse Oberfläche mit einem zusätzlichen Muster von Strukturdetails mit Abmessungen, die wesentlich größer als die Porengrößen sind, versehen ist.
Die Abmessungen der Strukturdetails der zusätzlichen Muster liegen im Bereich von Mikrometern, die eine Anfangsfokussierung und eine ultimative, beispielsweise schrittweise, Fokussierung des REMs auf die poröse Struktur erlaubt. Jedes zusätzliche Muster kann Information über die Position der zugeordneten Substratoberfläche enthalten, die es erlaubt, jede gegebene Fläche in das Objektfeld des REMs zu positionieren.
Die Erfindung bezieht sich auch auf ein neues und erfindungsreiches Substrat zur Verwendung in dem neuen Verfahren. Dieses Substrat ist gekennzeichnet durch eine poröse Siliziumoberfläche mit einer mittleren Porengröße, die kontinuierlich in einer Richtung von einer kleinen Größe zu einer größeren Größe zunimmt.
Der Vorteil dieses Substrats ist, dass es eine erhebliche Reduzierung der Zeit, die zur Bestimmung der Auflösung des REMs notwendig ist, erlaubt, was in einer Produktionsumgebung für Bauteile, in der das REM verwendet wird, von großer Wichtigkeit ist.
Eine bevorzugte Ausführungsform dieses Testsubstrats ist dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Oberfläche mit einem zusätzlichen Muster von Strukturdetails mit Abmessungen, die wesentlich größer als die Porengrößen sind, versehen ist.
Diese Testsubstrat erlaubt eine Anfangsfokussierung des REMs auf die Probe und/oder Navigation und Mustererkennung.
Vorzugsweise ist dieses Testsubstrat dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzlichen Muster längliche Strukturdetails umfassen, die ihre Längsausrichtung in Richtung der zunehmenden mittleren Porengröße haben.
Das Testsubstrat kann außerdem dadurch gekennzeichnet sein, dass das zusätzliche Muster aus einer strukturierten Schicht eines Nicht-Silizium-Materials aufgebaut ist.
Die Strukturdetails dieses Musters zeigen in Bezug auf ihre Umgebung genügend Kontrast.
Eine Ausführungsform dieses Testsubstrats ist dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte Schicht eines der Metalle Wolfram, Titan, Zirkonium, Hafnium, Kobalt, Yttrium, Lanthan, Platin, Palladium und Aluminium umfasst.
Diese Materialien, die für andere Zwecke in Lithografie-Techniken verwendet werden, sind gut gegen HF-Ätzen resistent.
Eine alternative Ausführungsform des Testsubstrats ist dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte Schicht eines der Materialien Zirkoniumnitrid, Siliziumnitrid und Siliziumkarbid umfasst.
Besonders eine Nitridzusammensetzung mit einer großen Menge an Silizium ist für diese Schicht sehr geeignet.
Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Herstellung eines Testsubstrats mit einem porösen Silizium, wobei dessen mittlere Porengröße kontinuierlich in einer Richtung von einer kleinen Größe zu einer größeren Größe zunimmt. Dieses Verfahren ist gekennzeichnet durch die folgenden aufeinanderfolgenden Schritte:

– in Anordnen eines p⁺-dotierten Substrats in einer mit Salzlösung gefüllten Zelle;
– Eintauchen der Zelle in einen mit einer Elektrolytlösung gefüllten Behälter;
– Verbinden eines der Pole einer Stromquelle mit einer Kathode, die in dem Behälter angeordnet ist, und des anderen Pols mit der Zelle, die eine Anode bildet, sodass ein elektrischer Strom von dem Substrat zu der Anode fließt;
– kontinuierliches Reduzieren der Substratoberfläche, die der elektrolytischen Lösung ausgesetzt ist, in eine Richtung; und
– Abschalten der Stromquelle, wenn die Substratoberfläche von der Elektrolytlösung frei kommt.

Dies ist ein einfaches und schnelles Verfahren, die zusammengesetzte poröse Struktur zu erhalten, die notwendig ist, um das oben beschriebene Verfahren durchzuführen, wobei das Verfahren mit einfachen Mitteln durchgeführt werden kann.
Dieses Verfahren kann außerdem durch zusätzliche Schritte der Bildung eines zusätzlichen Musters von Strukturdetails mit Abmessungen, die wesentlich größer als die Porengröße sind, gekennzeichnet sein.
Das zusätzliche Muster kann zuerst gebildet werden und dann werden die Poren geätzt. Für die strukturierte Schicht ist eines der oben erwähnten Metalle sehr geeignet, weil diese eine gute Widerstandsfähigkeit gegen HF-Ätzen haben.
Vorzugsweise ist das Herstellungsverfahren dadurch gekennzeichnet, dass das zusätzlich gebildete Muster gebildet wird, nachdem die Substratoberfläche mit einer porösen Struktur versehen worden ist.
Die Verwendung des Verfahren zur Bestimmung der Abbildungsqualität eines Rasterelektronenmikroskops in der Umgebung eines Prozesses zur Herstellung von Bauteilen wie z.B. ICs erlaubt, die Ausbeute dieses Prozesses zu verbessern. Die Erfindung bezieht sich deshalb auch auf einen Prozess zur Massenfertigung von Bauteilen mit Bauteilstrukturdetails in mindestens einer Substratschicht von Bauteilesubstraten, wobei der Prozess mindestens einen Satz der folgenden aufeinanderfolgenden Schritte umfasst:

– Bereitstellen eines Maskenmusters mit Strukturdetails, die den Bauteilstrukturdetails entsprechen, die in der genannten Schicht konfiguriert werden sollen;
– Abbilden des Maskenmusters in eine Photolackschicht, mit der die Substrate beschichtet sind und Entwickeln dieser Schicht, wobei dabei eine strukturierte Beschichtung entsprechend dem Maskenmuster gebildet wird;
– in Entfernen von Material oder Hinzufügen von Material auf Gebieten der Substratschicht, wobei die Gebiete durch das Muster der strukturierten Beschichtung abgegrenzt werden;
– wobei am Beginn der Herstellung einer Charge ein mit einer strukturierten Beschichtung versehenes Substrat kontrolliert wird, indem Abbildungen davon mit Hilfe eines Elektronenmikroskops angefertigt werden und die Abbildungen analysiert werden, um die Abmessungen der Strukturdetails der strukturierten Beschichtung zu kontrollieren. Dieser Prozess ist dadurch gekennzeichnet, dass die Abbildungsqualität des Rasterelektronenmikroskops regelmäßig mit Hilfe des hier vorher beschriebenen Verfahrens überprüft wird.

Die Erfindung kann auch in einem Rasterelektronenmikroskop mit einer Elektronenabtasteinheit, einem Objektträgers zum Halten eines mit dem Mikroskop zu untersuchenden Objekts und einer Signalverarbeitungseinheit, die mit einem Programm zur Analyse der von der Abtasteinheit gelieferten Daten versehen ist, implementiert werden. Dieses Mikroskop ist dadurch gekennzeichnet, dass ein kleiner Teil der Objektträgeroberfläche, die der Abtastvorrichtung zugewandt ist, permanent mit einer Testprobe in Form einer kleinen porösen Siliziumoberfläche versehen ist, deren mittlere Porengröße kontinuierlich in der Abtastrichtung der Abtasteinheit zunimmt, und dadurch, dass die Verarbeitungseinheit mit einem zusätzlichen Programm zur Analyse der während des Abtastens der Testprobe von der Abtasteinheit gelieferten Daten versehen ist.
Durch Positionieren des Objektträgers auf eine derartige Weise, dass die Testprobe im Objektfeld ist, während die Probe abgetastet wird und die von der Abtasteinheit gelieferten Daten analysiert werden, kann die unmittelbare Leistung des Mikroskops bestimmt werden. Auf diese Weise ist ein selbsttestendes Elektronenmikroskop geschaffen.
Diese und andere Aspekte der Erfindung werden als nicht-einschränkendes Beispiel mit Bezug auf die im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen erklärt und werden aus diesen ersichtlich. In der Zeichnung zeigen:
1 die Oberfläche eines konventionellen Testsubstrats;
2 das Fourier-Spektrum einer derartigen Oberfläche;
3 ein Fourier-Spektrum einer Ausführungsform einer porösen Siliziumoberfläche, die in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet wird;
4 ein Gerät zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Siliziumsubstrats;
5 die Variation der Porengröße des Testsubstrats als Funktion der HF-Konzentration und der Stromdichte;
6a und 6b zwei Teile der porösen Oberfläche, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von Testsubstraten erzielt wurde;
7 die Werte der 1/e-Breiten und die Signal/Rausch-Verhältnisse von Fourier-Spektren, die beim Abtasten dieser Oberfläche erzielt wurden und eine Best-Fit-Kurve für diese Werte;
8a und 8b Abbildungen bei entsprechend verschiedenen Vergrößerungen von Teilen einer porösen Oberfläche, die mit einem zusätzlichen Muster versehen ist;
9 Best-Fit-Kurven, die aus Messungen in verschiedene Richtungen und unter den besten Fokusbedingungen resultieren;
10 eine erste Ausführungsform eines REMs, in das die Erfindung implementiert ist; und
11 eine zweite Ausführungsform eines REMs, in das die Erfindung implementiert ist.
Der Hauptparameter für die Qualität eines REMs ist dessen Auflösung. Normalerweise ist die Bestimmung der Auflösung eine subjektive Prozedur. Typischerweise tastet ein zu kontrollierendes REM eine Kohlenstoffprobe ab, die mit Goldpartikeln versehen ist, wie in 1 gezeigt. In dieser Abbildung sind die hellen Goldpartikel mit dem Bezugszeichen 2 bezeichnet und der schwarze Kohlenstoffhintergrund ist mit dem Bezugszeichen 4 bezeichnet. Ein Bediener kontrolliert die von dem REM erstellten Abbildungen, um die kleinsten Partikel und/oder die kleinsten Abstände zwischen Partikeln, die noch sichtbar sind, zu bestimmen. Der kleinste Abstand wird die Auflösung genannt. Bestimmen der Auflösung auf diese Weise ist ein subjektiver Prozess und erfordert von dem Bediener Fertigkeit. Die Chance für eine falsche Bestimmung wird durch die Tatsache erhöht, dass normalerweise eine einzige Abbildung geprüft wird, so dass keine Maßnahmen unternommen werden, Rauscheffekte auszulöschen oder zu reduzieren.
Die Abbildungsqualität eines REMs, also die Qualität einer mikroskopischen Aufnahme wie die in 1 gezeigte kann leichter in dem Frequenz-, d.h. dem Fourier-, Bereich untersucht werden. Computerprogramme für eine derartige Untersuchung sind schon verfügbar. Ein derartiges Programm reduziert die Subjektivität der Untersuchung und stellt ein quantitatives Gerüst zur Überwachung von Auflösung, Astigmatismus, Abbildungsqualität über die Zeit und zum Vergleichen der Leistung verschiedener REMs bereit.
Beim Analysieren der REM-Daten mit Hilfe der gut bekannten Technik der schnellen Fourier-Transformation wird ein Spektrum im Frequenzbereich erzielt. Dieses Spektrum ist gut durch eine Normalverteilung beschrieben. 2 zeigt ein Beispiel eines derartigen Fourier-Spektrums. Die Werte F_s der schnellen Fourier-Transformation (FFT) als Funktion der Partikeldichte auf der abgetasteten Probe sind durch die Gaußkurve F_c dargestellt, die am besten zu den berechneten Werten passt. Die Dichte d_y der Partikel auf der Probe entlang der y-Achse eines xy-Koordinatensystems ist entlang der horizontalen Linie in 2 gezeichnet. Das Fourier-Spektrum wird nicht nur durch die Auflösung des REMs bestimmt, sondern auch durch die Struktur der Probe, sodass die Messung der Auflösung durch die Probenstruktur beeinflusst wird.
Es hat sich herausgestellt, dass ein Siliziumsubstrat mit einer mikroporösen Oberflächenstruktur eine attraktive Probe für hochauflösende Messungen ist. Sehr feine Details der Porenstruktur können beobachtet werden, wenn das REM auf hohe Auflösung eingestellt ist. Die mikroporöse Struktur kann durch eine anodische Auflösung eines Siliziumsubstrats in einer konzentrierten Flusssäure (HF) erzielt werden, wie im Folgenden beschrieben wird. Die Poren der Struktur liegen senkrecht zur Oberfläche und haben scharfe Wände, sodass ein hoher Kontrast erzielt wird.
Beim Abtasten einer derartigen porösen Siliziumstruktur mit einem REM und dem Analysieren der Abbildungen wird ein Fourier-Spektrum wie das in 2 erzielt. Die Kurve dieses Spektrums ist ähnlich einer theoretischen Kurve die in der oben erwähnten Veröffentlichung „A contribution to the evaluation of scanning electron miscroscope resolution" gezeigt ist. Das Fourier-Spektrum umfasst Informationen über die Auflösung des REMs, das verwendet wurde, um die poröse Struktur abzutasten, sodass die Auflösung im Prinzip aus diesem Spektrum abgeleitet werden könnte. Aber die Fourier-Werte, die gemäß der genannten Veröffentlichungen erhalten werden, sind wieder nicht nur von der Auflösung des REM abhängig, sondern auch von der Struktur des porösen Siliziums. Die gemessene Auflösung umfasst einen Substratstruktur-abhängigen Term, was bedeutet, dass ein Kalibrierungsprozess ausgeführt werden muss. Außerdem beeinflussen auch Rauscheffekte die gemessene Auflösung.
Um eine poröse Siliziumoberflächenstruktur zu erhalten, deren Poren eine gegebene mittlere Größe haben, wird eine Siliziumscheibe in einer Lösung mit einem gege benen HF-Prozentsatz unter einer gegebenen konstanten elektrischen Stromdichte während eines gegebenen Zeitintervalls anodisiert. Durch Verwendung unterschiedlicher elektrischer Stromdichten und unterschiedlichen HF-Konzentrationen werden poröse Strukturen mit unterschiedlichen mittleren Porengrößen erzielt. Wenn die Stromdichte erhöht wird und die HF-Konzentration verringert wird, nimmt die mittlere Porengröße zu. Wenn die Stromdichte verringert wird und die HF-Konzentration erhöht wird, nimmt die mittlere Porengröße ab. Wenn das Siliziumsubstrat in eine HF-Lösung eingetaucht wird und ein elektrischer Strom von dem Substrat zu einer Kathode, die in der HF-Lösung angeordnet ist, eingeprägt wird, findet eine Auflösung des Siliziums auf Grund des Angriffs von F^– -Ionen statt und es werden Siliziumfluoridionen gebildet, wobei Elektronenladungen beteiligt sind. Wenn das Substrat P⁺-dotiert ist, werden elektrische Löcher aus dem Volumeninneren des Materials an die Oberfläche transportiert. Die Bildung der Oberflächenporen beruht auf dem Diffusionsbegrenzten Transport von Löchern aus dem Siliziumvolumeninneren zu den Poren, die gebildet werden. Da die Diffusionslänge von der elektrischen Stromdichte und den Dotierungsniveaus abhängt, sind die Größe der Poren und ihre Verteilung eine Funktion dieser zwei Parameter.
Das erfindungsgemäße Verfahren macht vorteilhaften Gebrauch von der Möglichkeit, die mittlere Porengröße in der obigen, leichten Weise zu steuern. Gemäß der Erfindung wird eine Anzahl unterschiedlicher Porenstrukturen hergestellt, jede mit Hilfe einer unterschiedlichen Stromdichte und einer unterschiedlichen HF-Konzentration. Das zu messende REM tastet jede dieser Strukturen ab, und ihre Fourier-Spektren werden berechnet. Rauscheffekte werden auch berücksichtigt. Eine entsprechende Anzahl von Fourier-Spektren wird erzielt, von denen eines in 3 gezeigt ist. Dieses Spektrum ist ein Spektrum einer porösen Struktur, die durch Anodisierung einer Siliziumscheibe in 10% HF bei einer konstanten elektrischen Stromdichte von 7,5 mA/cm² erzielt wurde.
3 zeigt eine große Anzahl diskreter Fourier-Werte Fa. Die gestrichelte Kurve F_c ist die Gauß-Kurve, die am besten mit den diskreten Werten F_d fittet. Das Fourier-Spektrum oder Kurve F_c hat eine Signalamplitude Sa und zeigt einen konstanten Offset, der einen im Wesentlichen gleichmäßigen Hintergrund oder konstanten Rauschpegel NL darstellt, der unabhängig von der Probe ist. Der Rauschpegel NL ist auf das REM bezogen und sein physikalischer Grund kann thermisches oder Schrotrauschen des Detektors des REMs, wobei das Rauschen ein weißes Rauschspektrum hat, und/oder mechanische Vibration des Probenhalters sein.
Ein wichtiger Parameter für das neue Verfahren ist die 1/e-Breite, in 3 mit W(1/e) bezeichnet, der Kurve F_c, d.h. die Breite der Gaußkurve bei einer Signalamplitude, die 1/e des Maximalwertes Sa ist. Die 1/e-Breite, die Signalamplitude Sa und der Rauschpegel NL können aus den Abbildungsdaten durch Verwendung der Anpassung mit Hilfe einer Fehlerquadratroutine, d.h. eines Verfahrens zum Fitten einer Kurve an experimentelle Daten, berechnet werden. Die 1/e-Breite wird verwendet, die Auflösung des REMs zu bestimmen. Diese Breite ist auch von der porösen Struktur des Testsubstrats abhängig, sodass eine REM-Auflösung, die mit Hilfe einer einzige Probe mit einer gegebenen Struktur gemessen wird, immer noch einen Substrat-abhängigen Term umfassen würde. Erfindungsgemäß wird eine Anzahl von porösen Siliziumstrukturen mit unterschiedlichen mittleren Porengrößen abgetastet, die Daten ihrer Fourier-Spektren werden kombiniert und durch Extrapolation wird eine REM-Auflösung, die unabhängig von der porösen Struktur ist, bestimmt.
Die unterschiedlichen Porenstrukturen, die für dieses Verfahren benötigt werden, können in Form derartiger Strukturen auf verschiedenen Substraten, die nacheinander in das Objektfeld des zu messenden REMs gelegt werden, abgetastet werden und aus dem Objektfeldfeld entfernt werden werden, bereitgestellt werden. Die zum Messen der unterschiedlichen Porenstrukturen benötigte Zeit kann wesentlich reduziert werden, wenn diese Strukturen auf getrennte Oberflächengebiete auf einem einzigen Substrat aufgebracht werden können. Dann wird die gesamte notwendige Information durch Abtasten eines Substrats gesammelt.
Ein wesentlicher Teil der Erfindung beruht auf dem Verfahren und dem Gerät zur Herstellung eines derartigen Substrats mit unterschiedlichen Porengrößen. Das Prinzip dieses Verfahrens und Geräts ist in 4 gezeigt.
Das Ätzgerät von 4 umfasst einen Ätzbadhalter H_Eb, der mit einem Elektrolyt mit Flusssäure (HF) gefüllt ist. In dem Halter H_Eb ist eine Kathode Ka, beispielsweise aus Platin angefertigt, angebracht. In den Halter H_Eb ist eine Zelle Ce zum Unterbringen eines Substrats Su in das Elektrolyt El eingetaucht. Die Zelle umfasst eine Anode An, beispielsweise aus Platin angefertigt, die mit einem ersten Pol einer Stromquelle Cs verbunden ist, deren anderer Pol mit der Kathode Ka verbunden ist. Während des Ätzprozesses prägt die Stromquelle einen konstanten Strom von der Anode zur Kathode ein. Die Zelle Ce ist mit einer Salzlösung Sa, beispielsweise K₂SO₄ in einer Konzentration von 22 g/l, gefüllt, die eine elektrische Verbindung zwischen der Anode und dem Substrat Su schafft. So wirkt das Substrat während des Ätzprozesses als Anode. Das zu ätzende Substrat ist eine P⁺-Siliziumscheibe, die stark mit Bor dotiert ist und einen niedrigen elektrischen Widerstand hat, beispielsweise 0,01–0,02 Ωcm. Der Vorteil eines derart niedrigen Widerstands ist, dass die Scheibe einfach in die Zelle eingetaucht werden kann und kein Rückseitenkontakt aus Bor-Implantation und Aluminiumbedampfung notwendig ist. Das Elektrolyt El umfasst vorzugsweise Äthanol, beispielsweise 50 %. Der Zusatz von Äthanol zu der HF-Lösung garantiert, dass das Ergebnis des Ätzprozesses reproduzierbar ist. Als eine weiter Verbesserung kann eine kleine Menge von Triton-X, beispielsweise 10 ml/6 l, der Lösung zugefügt werden, um die Oberflächenspannung zu verringern.
Zu Beginn des Ätzprozesses ist das Substrat Su völlig in das Elektrolyt eingetaucht und der elektrische Strom wird auf die gesamte Substratoberfläche verteilt, sodass die Stromdicht relativ gering ist. Dann wird die Substratfläche, die in Kontakt mit dem Elektrolyt kommt, kontinuierlich verringert. Da der Strom konstant ist, wird die Stromdichte kontinuierlich zunehmen, was in einer kontinuierlichen Zunahme der mittleren Größe der gebildeten Poren resultiert. Diese Größe wird die größte an den Oberflächengebieten sein, die die längste Zeit mit dem Elektrolyt in Kontakt stehen. Auf diese Weise wird eine poröse Siliziumoberfläche mit einem Gradienten in der mittleren Porengröße gebildet. Die Menge an HF im dem Ätzbad kann in der Größenordnung von 10 % liegen und die Stromstärke kann sich zwischen ein paar bis zu einigen zehn mA/cm² bewegen.
Um die Substratoberfläche, die in Kontakt mit dem Elektrolyte steht, zu verringern, kann das Substrat aus dem Elektrolyt gezogen werden, d.h. in dem Gerät von 4 wird das Substrat langsam nach oben gezogen. Vorzugsweise wird der Pegel des Elektrolyts einfach durch Öffnen des Ventils Va in dem Ätzbadhalter H_Eb langsam verringert.
Das Elektrolyt, das das Ventil verlässt, wird in einem Behälter Co gesammelt und kann gereinigt und in einem nachfolgenden Ätzprozess wiederverwendet werden. 5 zeigt die Variation des Porenradius als Funktion der Konzentration HF (log₁₀(HF) entlang der horizontalen Achse) und des elektrischen (Anodisierungs-) Stroms I (log₁₀(I) entlang der vertikalen Achse). 5 zeigt, dass die Porenbildung bei höheren HF-Konzentrationen und niedrigeren Stromdichten begünstigt ist, d.h. die Fläche PF in der 5. Bei niedrigeren HF-Konzentrationen und höheren Stromdichten, d.h. die Fläche EP in 5, wird die Oberfläche elektropoliert. Zwischen den Flächen PF und EP gibt es eine Übergangsfläche TA. Die Punkte in der PF-Fläche repräsentieren Einstellungen, die in den Experimenten verwendet wurden, und die Zahlen an diesen Punkten deuten die typi schen Porengrößen in nm an, die mit diesen Einstellungen gebildet werden. Beispielsweise werden mit einer 10% HF-Konzentration und einer Stromdichte von 7,5 mA/cm² Poren mit einem Radius in dem Bereich von 13 bis 5 nm gebildet. 5 bestätigt die Tatsache, dass die Porengröße durch Variieren der HF-Konzentration und der Stromdichte eingestellt werden kann. Als Daumenregel: eine größere Stromdichte resultiert in größeren Poren und einem breitem Bereich der Porengrößen, und eine höhere HF-Konzentration resultiert in kleineren Poren und einem schmaleren Bereich der Porengrößen.
Die poröse Struktur, die mit Hilfe des in 4 illustrierten Verfahrens und Gerätes erzielt wird, zeigt einen Gradienten in der mittleren Porengröße in einer Richtung, nämlich der Richtung, in der die Oberfläche, die mit dem Elektrolyt in Kontakt steht, reduziert wird. Die mittlere Porengröße an der höheren Seite Su_t des Substrats ist am kleinsten, und die an der niedrigeren Seite Su_b ist am größten. Die Ätzbedingungen können in der Art eingestellt werden, dass die mittlere Porengröße zwischen sehr fein, in der Größenordnung von 1 nm, und relativ grob, in der Größenordnung von 25 nm liegt. Das Substrat, das mit der porösen Struktur versehen wird, kann eine aktuelle 8-Zoll Siliziumscheibe sein.
6a zeigt als Abbildung einen Teil feinen porösen Struktur PS_F der höheren Substratseite und 6b einen Teil der gröberen Porenstruktur PS_C der niedrigeren Substratseite. Beide Abbildungen wurden mit einer REM-Einstellung von 300.000-fach gemacht.
Erfindungsgemäß wird die Auslösung eines REMs bestimmt, in dem man die poröse Siliziumoberfläche mit dem Gradienten in der mittleren Porengröße in dem Objektfeld des REM anordnet und sie in Richtung des Gradienten abtastet. Das REM macht Abbildungen von aufeinander folgenden Oberflächenbereichsteilen, deren Abbildungen analysiert werden. Jede Abbildung wird in ein Fourier-Spektrum wie das von 3 transformiert. Die 1/e-Breite (W(1/e)) und das Signal/Rausch-Verhältnis (SNR) jedes Spektrums werden bestimmt. 7 zeigt die Werte dieser Parameter für alle Abbildungen und auch die, theoretische, Kurve CF, die am besten mit dieses Werten fittet.
Das Verfahren hat folgenden physikalischen Hintergrund: Für poröse Strukturen mit relativ großen Poren, PS_C an der niedrigeren Seite des Substrats ist die Anzahl der Poren pro Längeneinheit, ausgedrückt in Linien/nm D_y in 3, relativ klein. Der Porendurchmesser liegt gut innerhalb der Auflösungsgrenze des REMs, sodass die 1/e-Breite des Fourier-Spektrums durch die poröse Struktur bestimmt ist. Das Spektrum einer derartigen relativ groben Struktur zeigt relativ hohe Spektralintensitäten. Für poröse Strukturen mit relativ kleinen Poren, PS_F an der höheren Seite des Substrats, ist die Anzahl der Poren pro Längeneinheit relativ groß und die 1/e-Breite ist relativ groß und nähert sich der Auflösung des REMs. Es ist unmöglich, poröse Strukturen aufzulösen, deren räumliche Frequenzen jenseits der Auflösung des REMs sind. Die spektralen Intensitäten einer feinen Porenstruktur sind relativ klein. 3 zeigt auch einen frequenzunabhängigen Rauschbeitrag oder den Rauschpegel NL. Dieser Rauschpegel ist auf das REM selbst bezogen und wird beispielsweise durch das Schrotrauschen des REM-Detektors oder durch mechanische Vibrationen des Substrathalters verursacht. Der Rauschpegel ist konstant und unabhängig von der Porenstruktur. Da eine feinere Porenstruktur kleinere spektrale Intensitäten liefert, zeigt ihr Fourier-Spektrum ein kleineres Signal/Rausch-Verhältnis SNR als eine gröbere Porenstruktur. Innerhalb der Grenze einer sehr feinen Porenstruktur nähert sich SNR null und die 1/e-Breite des Spektrums nähert sich der Auflösung des REMs. Diese Grenze kann gefunden werden, indem man das REM mit einer Anzahl von porösen Siliziumproben mit mittleren Porengrößen in dem Bereich von beispielsweise 1 bis 25 nm versorgt, die Werte für W(1/e) und SNR für jede Probe bestimmt, diese Werte als Kurve CF fittet und den Schnittpunkt der Kurve CF bestimmt. Dieser Punkt R, bezeichnet mit dem durchgezogenen Pfeil in 7, repräsentiert die Auflösung des überprüften REMs.
Das oben beschriebene Verfahren in Bezug auf eine einzelne Probe mit einem Gradienten der mittleren Porengröße in einer Richtung kann auch in Kombination mit einer Anzahl von Proben, wobei jede eine gegebene mittlere Porengröße hat, die unterschiedlich zu den der anderen Proben ist, verwendet werden. Diese separaten Proben können durch Anodisierung einer entsprechenden Anzahl von Siliziumsubstraten in einer HF-Lösung geschaffen werden, jedes Mal mit einer anderen Stromdichte und/oder einer anderen HF-Konzentration. Das Gerät aus 4 kann verwendet werden. Während des Ätzens eines Substrats bleibt das Ventil Va geschlossen.
Der Graph CF von 7 ist die Best-Fit-Kurve für 1/e-Breiten in einer Richtung, beispielsweise die x-Richtung aus einem rechtwinkligen Koordinatensystem, aus welcher die Auflösung eines REMs in der Richtung bestimmt werden kann. Eine zweite Testprobe mit einem Gradienten der mittleren Porengrößen in der y-Richtung kann vorbereitet und mit dem REM abgetastet werden. Dann erhält man eine Best-Fit-Kurve für die 1/e-Breiten in y-Richtung. Dies ist in 9 illustriert, worin eine willkürliche Best-Fit-Kurve für die x-Richtung mit CF(x) und eine Best-Fit-Kurve für die y-Richtung mit CF(y) bezeichnet ist. Die 1/e-Breite bei einem Signal/Rausch-Verhältnis (SNR), das gleich null ist, entsprechend der Auflösung des REMs in der x- und der y-Richtung, ist mit R(x) beziehungsweise R(y) bezeichnet. Wenn, wie in 9 illustriert, die Auflösung in x-Richtung von der in y-Richtung verschieden ist, zeigt das gemessene REM Astigmatismus. Durch Ausweiten des erfindungsgemäßen Verfahrens auf Messungen in zwei, vorzugsweise zueinander senkrechten, Richtungen kann der Astigmatismus des REMs gemessen werden. Dieser Astigmatismus ist proportional zu R(y) – R(x). Das Ergebnis dieser Messung kann verwendet werden, um den Stigmatisierer des REMs zu steuern, sodass der Astigmatismus des REMs ausgelöscht oder auf ein akzeptables Niveau reduziert werden kann.
Ein anderer Parameter, der für die Leistung des REMs wichtig ist, ist der Fokus. Die erfindungsgemäße Messung kann jedes Mal für eine unterschiedliche Fokuseinstellung durchgeführt werden, was Durch-den-Fokus-Abtasten genannt wird. Die Detektorsignale, die aus einer derartigen erweiterten Messung resultieren, können zu Fourier-Transformations-Ausdrücken verarbeitet werden und eine Best-Fit-Kurve für die besten Fokuswerte kann bestimmt werden. Eine derartige Kurve ist in 9 mit CF(bf) bezeichnet. Die Auflösung R(bf), die zu dieser Kurve gehört, ist die reale, oder optimale, Auflösung des REMs, d.h. die Auflösung für optimalen Fokus und ohne Astigmatismus.
Das oben beschrieben Verfahren und Gerät können verwendet werden, um die Qualität eines REMs zu bestimmen, beispielsweise im Endstadium seiner Herstellung oder durch den Benutzer während eines Abnahmetests. Das Verfahren und Gerät können auch in einer IC-Produktionsumgebung verwendet werden, wo REMs verwendet werden, um kritische Abmessungen (CD) während der Herstellung von ICs zu messen. Eine derartige Messung wird beispielsweise durchgeführt, nachdem eine Photolackschicht mit einer Maskenstruktur belichtet und der Photolack entwickelt wurde, und bevor die Photolackstruktur in eine geeignete Schicht des IC-Substrats übertragen wird. Durch Überprüfen des für diese Messungen verwendeten REMs in regelmäßigen Zeitintervallen wird sichergestellt, dass die Ergebnisse dieser Messungen zuverlässig sind. Eine Abnahme in der Qualität der ICs kann beobachtet werden und der Herstellungsprozess kann in einer frühen Phase korrigiert werden, sodass die Ausbeute der Herstellung auf einem hohen Niveau gehalten werden kann. In Hinsicht auf die großen Mengen von produzierten ICs, ist dies von größter Wichtigkeit in der IC-Produktion. In einer IC-Produktionsumgebung können eine Anzahl von REMs verwendet werden, um in verschiedenen Stufen in dem Produktionsprozess für ICs, d.h. für verschiedene Schichten des IC-Substrats Messungen durchzuführen. Für IC-Schichten mit feineren Strukturen, d.h. schmaleren CDs, werden genauere Messungen und so REMs mit einer höheren Auflösung benötigt, als für IC-Schichten mit gröberen Strukturen. Das vorliegende Verfahren und Gerät können auch verwendet werden, um die REMs entsprechend ihrer Auflösung einzustufen, sodass diese REMs in optimaler Weise verwendet werden können.
Das zu überprüfende REM kann die Porenstruktur mit Porengrößen in der Größenordnung von nm nur dann überwachen, wenn es auf eine hohe Vergrößerung eingestellt ist, zum Beispiel sind die in 6a und 6b gezeigten Abbildungen mit einer Vergrößerung von 300.000X gemacht. Es ist ziemlich schwierig, ein REM, das auf eine so hohe Vergrößerung eingestellt ist, auf eine Struktur mit Strukturdetailabmessungen in der Größenordnung von nm zu fokussieren. Es ist auch schwierig, festzustellen, welcher Teil der Porenstruktur momentan abgetastet wird oder das REM auf einen geforderten Teil der Struktur zu navigieren. Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung sind Mittel geschaffen, welche das geforderte Fokussieren und Navigieren erlauben. Diese Mittel sind in Kombination mit einer niedrigeren Vergrößerung des REMs durch zusätzliche Muster von Strukturdetails auf der Probe oder dem Substrat ausgebildet, wobei die Strukturdetails Abmessungen haben, die wesentlich größer als die Porengröße sind.
8a zeigt eine Abbildung eines kleinen Teils eines porösen Siliziumsubstrats, das mit einem zusätzlichen, oder Fokus- und Navigationsmuster, das ein Muster von Strukturdetails, beispielsweise Balken verschiedener Längen und Breiten, umfasst, versehen ist. Die Längsrichtung der zusätzlichen Strukturdetails ist vorzugsweise die Richtung, in welcher der Gradient der mittleren Porengröße auftritt. Die Abmessungen der zusätzlichen Strukturdetails liegen in der Größenordnung von μm. In der zusätzlichen Struktur kann eine Position auf dem Substrat codiert sein. Die Abbildung von 8a wurde bei einer Vergrößerung von 1000X gemacht. Bei einer solchen Vergrößerung des REMs sind die Poren nicht sichtbar. 8b zeigt eine Abbildung eines kleinen Unterteils an dem Ort einer Ecke eines der Balken von 8a, gemacht mit einer REM-Vergrößerung von 100.000X. In dieser Abbildung sind individuelle Poren sichtbar. Wenn die Prüfung des Testsubstrats gestartet wird, wird die Vergrößerung des REMs auf ein niedriges Niveau eingestellt und das REM wird auf eine der zusätzlichen Musterstrukturen eingestellt. Dann wird die Substratfläche, auf die fokussiert wird, gelesen und das Substrat wird, wenn notwendig, bewegt, um eine andere Substratfläche in das Feld des REMs zu bewegen. Die Vergrößerung des REMs wird erhöht, bis die Poren sichtbar werden. Die Vergrößerung kann schrittweise vergrößert werden, während unterschiedliche Abmessungen der zusätzlichen Musterstruktur verwendet werden können.
Die zusätzliche Musterstruktur kann eine strukturierte Schicht sein, die mit Hilfe eines konventionellen Lithografieprozesses gebildet ist, der beispielsweise ein optisches Projektionsgerät, das auch als „Wafer stepper/scanner" bekannt ist, verwendet. Das Material der Schicht kann irgendeins der Materialien sein, das in der „Anfangsphasenlithografie-Technik", was der kritischste Teil eines Lithografieprozesses ist und sehr empfindlich gegenüber Verunreinigungen ist, verwendet werden darf. Das Material sollte resistent gegen HF-Ätzen sein und kann ein Metall sein, beispielsweise Wolfram (W), Titan (Ti), Zirkonium (Zr), Hafnium (Hf), Kobalt (Co), Yttrium (Y), Lanthan (La), Platin (Pt), Palladium (Pa) und Alumminium (Al). Das Material der strukturierten Schicht kann auch aus einem nicht-metallischen Material sein, beispielsweise Zusammensetzungen mit Stickstoff wie Zirkoniumnitrid (ZrN), Siliziumnitrid (SiN) und Siliziumkarbid (SiC). Bevorzugt werden Aluminium, Wolfram und Nitrid-Zusammensetzungen wie Siliziumnitrid (Si₃N₄) und Silizium-reiche Nitride im Allgemeinen. Ein poröses Siliziumsubstrat mit dem Navigations- und Fokusmuster kann produziert werden, indem erst das Substrat mit dem Muster versehen wird und dann das Substrat in HF-Lösung geätzt wird. Aber bevorzugt wird, das Substrat zu ätzen und die poröse Oberfläche mit der strukturierten Schicht zu versehen. Ätzen der zusätzlichen Muster wird dann vermieden, was eine breitere Auswahl von Materialien für die strukturierte Schicht erlaubt.
Ein REM wird in der Halbleiterindustrie als ein Element zur Kontrolle der Qualität des Lithografieprozesses und der Geräte dafür, um ein Maskenmuster auf ein Substrat, oder eine Scheibe, die mit einer Photolackschicht versehen ist, abzubilden, verwendet. Die in der Photolackschicht gebildete Abbildung beschreibt die Oberflächengebiete des Substrats, wo Änderungen im Material ausgeführt werden sollen. Ein Prozess zur Massenfertigung von Bauteilen umfasst Bauteilestrukturdetails in mindestens einer Substratschicht des Bauteilesubstrats, wobei der Prozess mindestens einen Satz der folgenden aufeinanderfolgenden Schritte umfasst:

– Bereitstellen eines Maskenmusters mit Strukturdetails, die den Bauteilestrukturdetails entsprechen, die in der genannten Schicht konfiguriert werden sollen;
– Abbilden des Maskenmusters in eine Photolackschicht, mit der die Substrate beschichtet sind und Entwickeln dieser Schicht, wobei dabei eine strukturierte Schicht entsprechend dem Maskenmuster gebildet wird;
– Entfernen von Material oder Hinzufügen von Material auf Gebieten der Sub stratschicht, wobei die Gebiete durch das Muster der strukturierten Beschichtung beschrieben werden;

Wenn die Abbildungsqualität des Rasterelektronenmikroskops regelmäßig mit dem oben beschriebenen Verfahren überprüft wird, ist es sichergestellt, dass die Kontrolle zuverlässig ist. Das erlaubt, Abweichungen oder Fehler, die in dem Lithografieprozess zur Herstellung von Bauteilen, wie z.B. ICs, auftreten, in einer frühen Phase festzustellen, sodass korrektive Maßnahmen ergriffen werden können, und die Ausbeute des Prozesses auf einem hohen Niveau zu halten. Die Erfindung hat also einen Effekt auf den Prozess der Massenfertigung von Schaltungsanordnungen, sodass ein derartiger Prozess als eine Implementierung der Erfindung angesehen werden kann.
Ein anderer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein Rasterelektronenmikroskop, dass mit Selbsttest-Einrichtungen versehen ist. Ein derartiges REM kann nicht nur zur Inspektion in einem Lithografieprozess verwendet werden, sondern auch für Messungen und Inspektionen im Allgemeinen. 10 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines REMs. Das REM 10 umfasst eine evakuierte Umhüllung 11, die eine Elektronenkanone 12, eine Steuerelektrode 13, durch die ein Elektronenstrahl gebildet und beschleunigt wird, und eine Anode 14 enthält. Der (nicht gezeigte) Elektronenstrahl aus der Kanone passiert nacheinander eine erste elektromagnetische fokussierende Linse 16, Ablenkplatten 17 und 18 und eine zweite elektromagnetische fokussierende Linse 19 und fällt nachfolgend auf eine zu untersuchende Probe 21 ein. Diese Probe ist auf einem Objektträger oder einem Objekttisch 23 angeordnet, der in x- und y-Richtung beweglich ist. Wenn gewünscht, können elektromagnetische Ablenkspulen anstatt der Ablenkplatten 17 und 18 verwendet werden, wobei die Spulen so angeordnet werden können, dass sie weniger Abbildungsfehler als die Ablenkplatten erzeugen. Auf den Einfall der (primären) Elektronen des Elektronenstrahls auf die Probe werden sekundäre Elektronen aus dem Probenmaterial in Abhängigkeit von der Struktur der Probe, d.h. ihrer Oberflächenstruktur oder anders, freigesetzt. Die sekundären Elektronen werden von einem Detektor 25 eingefangen, der den Fluss einfallender sekundärer Elektronen in ein Detektorsignal Sd umsetzt, das Informationen über die Struktur der Probe umfasst. Das Signal Sd kann an eine Kathodenstrahlröhre (CRT) 26 geliefert werden, um die Probenstruktur für den Bediener sichtbar zu machen. Alternativ oder gleichzeitig kann das Signal Sd an eine Verarbeitungseinheit oder einen Personal Computer 28 geliefert werden. Dieser Computer ist mit einem dedizierten Programm oder Algorithmus versehen, das erlaubt, relevante Informationen aus dem Signal Sd zu extrahieren. Diese Information kann als relevantes Informationssignal Si in Form eines Datenstroms oder eines CRT-Signals zum Drucken beziehungsweise zur Visualisierung lokal oder remote ausgegeben werden.
Gemäß der Erfindung ist der REM-Objekttisch mit einer Testprobe oder Testsubstrat 30 mit einer porösen Oberfläche wie hier vorher beschrieben versehen, und der Computer ist mit einem dedizierten Testanalyseprogramm zum Analysieren der von dem REM von der Testprobe gemachten Abbildung versehen. Die Testprobe kann klein sein, beispielsweise 1 × 1 cm² und kann eine poröse Oberfläche mit einer mittleren Porengröße, die in einer Richtung abnimmt, umfassen. Durch Positionierung der Testprobe in dem Objektfeld der Abtastelektroneneinheit (12, 13, 14, 16, 17, 18, 19), Abtasteten der Probe in Richtung der abnehmenden mittleren Porengröße und Analysieren des Detektorsignals Sd, das so von dem Testanalyseprogramm erhalten wird, wird ein Testsignal St erzielt, das Information über die Leistung (die Auflösung) des REMs umfasst. Auf diese Weise ist ein REM durch wirklich einfache Mittel mit einer Selbsttestfähigkeit erweitert.
Das Testsignal kann ein einen weiteren Prozessor 32 geliefert werden, der aus dem Testsignal ein oder mehr Steuersignale für einen oder mehr Stellantriebe bildet. Eine oder mehr Komponenten der Elektronen-rasternden Vorrichtung können durch das Steuersignal eingestellt werden, sodass die geforderte REM-Leistungung erzielt wird. Auf diese Weise ist das REM mit Selbststeuerungsmöglichkeiten erweitert, durch die eine gute Leistung über die Lebensdauer des REMs hin aufrecht erhalten werden kann. Das Signal Sc und der Block 34 in 9 stellen schematisch das/die genannte(n) Steuersignal oder – signale und die Stellantriebe dar. Das in 9 gezeigte REM ist ein Allzweck-REM, das für unterschiedliche Messungen und Überprüfungen verwendet werden kann.
11 zeigt schematisch eine andere Ausführungsform eines REMs, wobei diese Ausführungsform speziell zur Überprüfung von IC-Scheiben mit größeren Durchmes sern, zum Beispiel 30 cm, geeignet ist. Wenn eine Scheibe mit einem derartigen Durchmesser horizontal platziert werden sollte, müsste die Größe der Vakuumkammer des REMs erheblich zunehmen. Um die Größe des REMs zu begrenzen, wird die Scheibe in Bezug auf die Achse des Elektronenstrahl geneigt. In 11 bezeichnet Bezugszeichen 32 einen Teil der Säule des REMs. Eine Elektronenquelle (in 11 nicht gezeigt) erzeugt einen Elektronenstrahl (den primären Strahl), der entlang der optischen Achse 34 des REMs verläuft. Dieser Elektronenstrahl kann eine oder mehr elektronische Linsen passieren, wie z.B. eine Kondensatorlinse 36, um entgültig ein Objektivlinse 38 zu erreichen. Diese Linse, in dieser Ausführungsform eine Einpollinse, bildet einen Teil eines magnetischen Kreises, von dem die Wand 40 der Proben-, oder Präparatkammer 42 auch einen Teil bildet. Die Objektivlinse 38 bringt den primären Elektronenstrahl zu einem Fokus mit einer Probe oder einem Objekt 48, die/das geprüft werden soll, und unter der Objektivlinse angeordnet abgetastet wird. Das Abtasten des Objekts 48 wird durch Bewegen des primären Elektronenstrahls in zwei zueinander senkrechten Richtungen mit Hilfe der Abtastspulen 44, die in der Bohrung der Objektivlinse 38 untergebracht sind, bewirkt. Das Objekt ist auf einen Objektträger 50 befestigt, der einen Teil des Objekttisches 53 bildet. Der Objektträger kann in zwei zueinander senkrechten Richtungen verschoben werden, sodass eine geforderte Fläche des Objekts zur Überprüfung ausgewählt werden kann. Zusätzlich dazu kann der Objektträger 50 relativ zu dem Objekttisch 53 geneigt werden.
Das Abbilden wird dadurch bewirkt, dass Elektronen aus dem primären Strahl, die auf das Objekt einfallen, sekundäre Elektronen von dem Objekt lösen, wobei die sekundären Elektronen sich in Richtung der Objektivlinse 38 ausbreiten. Dieses sekundären Elektronen werden von einem Detektor 46 erfasst, der in der Bohrung dieser Linse untergebracht ist. Dieser Detektor ist mit einer Verarbeitungseinheit (nicht gezeigt) verbunden, die den Detektor anregt, die Detektorelektronen in ein Abbildungssignal umzusetzen, das zur Bildung einer Abbildung des Objekts, zum Beispiel mit Hilfe einer Kathodenstrahlröhre, verwendet werden kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Objektträger 48 mit einer Testprobe 30 versehen und die Verarbeitungseinheit mit einem Programm zum Verarbeiten der Detektorsignale, die beim Abtasten der Probe 30 erzielten Signale versehen. Das erlaubt, dass dieses REM mit Selbsttest- und einer Selbststeuerungsfähigkeit in derselben Weise wie mit Bezug auf das REM von 10 beschrieben erweitert ist.
Ein REM, das regelmäßig mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung überprüft wird, kann nicht nur in einem Prozess zur Herstellung von ICs verwendet werden, sondern auch in Prozessen zur Herstellung anderer Bauteile wie integrierter und planarer optischer Systeme, Flüssigkristallanzeigetafeln, Dünnfilmmagnetköpfe usw.. Zudem kann ein derartiges REM und so die Erfindung außerhalb dieses Herstellungsfeldes für allgemeine Messungen und Überprüfungen feiner Strukturen und Objekte verwendet werden.

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Abbildungsqualität eines Rasterelektronenmikroskops, das zur Messung der Größe von Bauteilstrukturdetails, die während der Herstellung von Bauteilen in einer Substratschicht konfiguriert werden, verwendet wird, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: – Schaffen poröser Siliziumoberflächengebiete; – Abtasten der Oberflächengebiete mit Hilfe des Rasterelektronenmikroskops; – Analysieren der mit dem Rasterelektronenmikroskop angefertigten Abbildungen mit Hilfe einer schnellen Fourier-Transformations-Technik, um eine Indikation für die Auflösung des Rasterelektronenmikroskops zu erhalten, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Abtastens der Oberflächengebiete beziehungsweise des Verschaffens der Auflösung Folgendes umfasst: – Anfertigen von Abbildungen von einer Anzahl von Oberflächenstrukturen, die unterschiedliche mittlere Porengrößen haben; – Berechnen des Fourier-Spektrums jeder dieser Abbildungen; und Bestimmen der Auflösung des Rasterelektronenmikroskops durch Extrapolation der Auflösung, die zu einem Signal/Rausch-Verhältnis von null gehört, aus der Breite, der Signalamplitude und dem Rausch-Offset des Fourier-Spektrums aller genannten Abbildungen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt, Abbildungen anzufertigen, das Abtasten von Gebieten poröser Siliziumoberflächen von einer Anzahl gesonderter Substrate umfasst, von denen jedes eine unterschiedliche mittlere Porengröße hat.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt, Abbildungen anzufertigen, das Abtasten eines einzigen Substrats umfasst, das mit einer porösen Siliziumoberfläche mit einer mittleren Porengröße, die kontinuierlich in einer Richtung von einer kleinen Größe zu einer größeren Größe zunimmt, versehen ist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Substrat verwendet wird, dessen poröse Oberfläche mit einem zusätzlichen Muster von Strukturdetails mit Abmessungen, die wesentlich größer als die Porengrößen sind, versehen ist.
Testsubstrat zur Verwendung in dem Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Siliziumoberfläche mit einer mittleren Porengröße, die kontinuierlich in einer Richtung von einer kleinen Größe zu einer größeren Größe zunimmt.
Testsubstrat nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Oberfläche mit einem zusätzlichen Muster von Strukturdetails mit Abmessungen, die wesentlich größer als die Porengrößen sind, versehen ist.
Testsubstrat nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zusätzliche Muster längliche Strukturdetails umfasst, deren Längsrichtung in Richtung der zunehmenden mittleren Porengröße verläuft.
Testsubstrat nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, das dass zusätzliche Muster durch eine strukturierte Schicht eines Nicht-Silizium-Materials gebildet ist.
Testsubstrat nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte Schicht eines der Metalle Wolfram, Titan, Zirkonium, Hafnium, Cobalt, Yttrium, Lanthan, Platin, Palladium und Aluminium umfasst.
Testsubstrat nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte Schicht eines der Materialien Zirkoniumnitrid, Siliziumnitrid und Siliziumcarbid umfasst.
Verfahren zur Herstellung eines Testsubstrats nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch die folgenden aufeinanderfolgenden Schritte: – Anordnen eines p⁺-dotierten Siliziumsubstrats in einer mit Salzlösung gefüllten Zelle; – Eintauchen der Zelle in einen mit einer Elektrolytlösung gefüllten Behälter; – Verbinden eines der Pole einer Stromquelle mit einer Kathode, die in dem Behälter angeordnet ist, und des anderen Pols mit der Zelle, die eine Anode bildet, sodass ein elektrischer Strom von dem Substrat zu der Anode fließt; – kontinuierliches Reduzieren der Substratoberfläche, die der elektrolytischen Lösung ausgesetzt ist, in einer Richtung; und – Abschalten des elektrischen Stroms, wenn die Substratoberfläche von der Elektrolytlösung frei kommt.
Verfahren nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch die zusätzlichen Schritte zum Bilden eines zusätzlichen Musters von Strukturdetails mit Abmessungen, die wesentlich größer als die Porengrößen sind.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das zusätzliche Muster gebildet wird, nachdem die Substratoberfläche mit einer porösen Struktur versehen wurde.
Prozess zur Massenfertigung von Bauteilen mit Bauteilstrukturdetails in mindestens einer Substratschicht von Bauteilesubstraten, wobei der Prozess mindestens einen Satz der folgenden aufeinanderfolgenden Schritte umfasst: – Bereitstellen eines Maskenmusters mit Strukturdetails, die den Bauteilstrukturdetails entsprechen, die in der genannten Schicht konfiguriert werden sollen; – Abbilden des Maskenmusters in eine Photolackschicht, mit der die Substrate beschichtet sind und Entwickeln dieser Schicht, wobei dabei eine strukturierte Beschichtung entsprechend dem Maskenmuster gebildet wird; – Entfernen von Material oder Hinzufügen von Material auf Gebieten der Substratschicht, wobei die Gebiete durch das Muster der strukturierten Beschichtung abgegrenzt werden; – wobei am Beginn der Herstellung einer Charge ein mit einer strukturierten Beschichtung versehenes Substrat kontrolliert wird, indem Abbildungen davon mit Hilfe eines Rasterelektronenmikroskops angefertigt werden und die Abbildungen analysiert werden, um die Abmessungen der Strukturdetails der strukturierten Beschichtung zu kontrollieren, dadurch gekennzeichnet, dass die Abbildungsqualität des Elektronenmikroskops regelmäßig mit Hilfe des Verfahrens nach Anspruch 1 überprüft wird.
Rasterelektronenmikroskop mit einer Abtastelektroneneinheit, einem Objektträger zum Halten eines mit dem Mikroskop zu untersuchenden Objekts und einer Signalverarbeitungseinheit, die mit einem Programm zur Analyse der von der Abtasteinheit gelieferten Daten versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein kleiner Teil der Objektträgeroberfläche, die der Abtasteinheit zugewandt ist, permanent mit einer Testprobe in Form einer kleinen porösen Siliziumoberfläche versehen ist, deren mittlere Porengröße in Abtastrichtung der Abtasteinheit kontinuierlich zunimmt, und dadurch, dass die Verarbeitungseinheit mit einem zusätzlichen Programm zur Analyse der während des Abtastens der Testprobe von der Abtasteinheit gelieferten Daten versehen ist.
Rasterelektronenmikroskop nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das zusätzliche Programm in ein Servosystem zur Steuerung mindestens einer der Komponenten der Abtastelektroneneinheit eingebettet ist.