31.12.2005
Die quantitative und rückführbare Messung von Linienbreiten z. B. auf Masken, Wafern oder an Si-Strukturen bis hinunter zu Linienbreiten von 100 nm ist eine große Herausforderung für die Messtechnik. Zukünftige Masken, die nach der ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors) ab dem Jahre 2007 mit der 65 nm-Technologie gefertigt werden, erfordern Messmöglichkeiten mit Auflösungen bis zu 130 nm. Ein wichtiges Kriterium bei der Wahl der Messmethode ist die sog. CD-Linearität. CD steht für „Critical Dimension“ und wird als Synonym für Linienbreite verwendet.
An der PTB wurde in den letzten Jahren ein neuartiges optisches Dunkelfeldmikroskopieverfahren AGID (Alternating Grazing Incidence Dark Field Microcopy) für quantitative Linienbreitenmessungen entwickelt [1]. Dieses zeigt eine bessere CD-Linearität als die optische Hellfeldmikroskopie [2]. Ein optisches Hellfeldmikroskop mit einem Wasserimmersionsobjektiv von Leica bei einer Wellenlänge von 248 nm erreicht zur Zeit sowohl für periodische als auch für Einzelstrukturen eine CD-Linearität etwa bis zu 220 nm [3]. Das AGID-Verfahren kann jedoch für Einzelstrukturen bis in den Bereich der halben Wellenlänge linear messen [1].
Es wurde ein neuer Prototyp, der auf dem AGID-Verfahren basiert, im Rahmen eines Forschungsprojektes aufgebaut. Messungen an einer geätzten Si-Struktur werden vorgestellt und mit Messungen an einem optischen Hellfeldmikroskop verglichen.
Ziel der Messung ist die Bestimmung der Linien- bzw. Spaltbreiten (Bild 1). Dazu werden heutzutage optische, elektronenoptische oder Rasterkraftmikroskope eingesetzt. Jedes dieser drei Verfahren hat spezifische Vor- und Nachteile. Ein großer Vorteil der optischen Systeme ist z. B., dass das Messobjekt eine sehr geringe Schädigung erfährt.
Bild 1: Messobjekt und Definition der Messgrößen
Der neue AGID-Prototyp verwendet als Lichtquelle zwei Laserdioden bei einer Wellenlänge von 374 nm. Durch Verschieben der Probe entlang der optischen Achse wird mit einer UV-Kamera eine Fokusserie aufgenommen. Aus dieser Fokusserie wird das fokale Bild bestimmt und mit zwei unterschiedlichen angepassten rigorosen Simulationsmodellen verglichen (Rigorous Coupled Wave Analysis (RCWA) und Finite Elements Methods (FEM)).
Bild 2: Experimenteller Aufbau des AGID-Prototyps
Bild 3: Photo des AGID-Prototyps
In Bild 4 ist eine AGID-Simulation für eine 100 nm-Chrom-Linie dargestellt. Das linke Bild zeigt eine Fokusserie bei linksseitiger Beleuchtung und das rechte Bild stellt eine Fokusserie bei rechtsseitiger Beleuchtung dar. Würde man jedoch - wie bei der Hellfeldmikroskopie - das ganze Objekt komplett beleuchten, so würden sich die Signale von der linken und rechten Kante überlagern. Dieser sog. Proximityeffekt wird durch die alternierende Dunkelfeldbeleuchtung effizient unterdrückt. Des Weiteren kann man an den Simulationsbildern sehen, dass das höchste Signal nicht direkt an der Kante lokalisiert ist. Deshalb ist eine modellbasierte Auswertung notwendig. Für die RCWA-Simulationen wird das am Institut für Technische Optik in Stuttgart entwickelte Softwarepaket „MicroSim“ eingesetzt. Die FEM-Simulationen werden mit dem Softwarepaket „DIPOG“ vom Weierstraß Institut in Berlin durchgeführt.
Bild 4: RCWA-Simulation von AGID (Cr-Linie mit LW = 100 nm bei 375 nm)
Am Beispiel einer geätzten Si-Struktur (Bild 5) werden Messungen mit dem AGID-Verfahren und der Hellfeldmikroskopie gezeigt. Ziel dieser Messung ist die Bestimmung der Linienbreite (LW: linewidth) des mittleren Steges mit einer Linienbreite von etwa 130 nm. Die Periode beträgt
Λ = 1363 nm und die Schichtdicke d = 670 nm.
Bild 5: Si-Struktur mit 6 geätzten Gräben
Das entsprechende Hellfeldmikroskopiebild ist in Bild 6 und die AGID-Dunkelfeldbilder sind in Bild 7 dargestellt.
Bild 6: Bild eines Hellfeldmikroskops bei 365 nm
Bild 7: AGID-Bilder: (a) Beleuchtung von links, (b) Beleuchtung von rechts
Bild 8 zeigt den Vergleich der gemessen und der simulierten Daten.
Bild 8: Modellbasierte Auswertung des mittleren Stegs führt zu einer Linienbreite von 130 nm.
Bild 6 zeigt deutlich, das es mit der Hellfeldmikroskopie schwierig ist, kleine Linienbreiten von nur 130 nm aufzulösen. Der AGID-Prototyp kann das Signal der rechtsseitigen Beleuchtung und das Signal der linksseitigen Beleuchtung trennen. Als Ergebnis der modellbasierten Auswertung erhält man eine Linienbreite von 130 nm. Man hat damit eine gute Übereinstimmung mit elektronenoptischen Messungen.
Da AGID den Proximity-Effekt effizient unterdrückt, erhält man eine bessere CD-Linearität, als bei der Hellfeldmikroskopie. Dies haben auch Messungen an einer Cr-Maske gezeigt. Damit bietet sich das AGID-Messverfahren als eine hervorragende Ergänzung bestehender optischer Linienbreitenmesssysteme an.
Literatur:
[1] B. Bodermann, W. Michaelis, A. Diener, W. Mirandé, Alternating grazing incidence dark field microscopy for dimensional measurements, Proc. of SPIE 4277, 352-361 (2002)
[2] G. Ehret, B. Bodermann, W. Mirandé, Einfluss von Polarisation, Einfallswinkel und Materialkonstanten bei der Dunkelfeldmikroskopie mit alternierender Beleuchtung bei streifenden Einfall, Online-Proceedings of DGaO 2004, (2004)
[3] G. Scheuring et al., DUV Water Immersion Technology Extends Linearity, Proceedings EMLC 2005, Dresden, pp. 143-150, (2005)