Flächenbestimmung von Nanostrukturen im Raster-Elektronenmikroskop

Die präzise Kontrolle der Größen und Positionen von Strukturen auf Halbleiterlayouts spielt eine wichtige Rolle für die Qualität und praktische Verwendbarkeit von Lithografie-Masken und Wafern in der Halbleiterindustrie. Häufig werden Raster-Elektronenmikroskope (REM) zur Messung von Mikro- und Nanostrukturen eingesetzt. Im Rahmen des BMBF-Verbundprojektes CDuR32 wurde in der PTB ein neuer Auswerte-Algorithmus (NanoAREA [1]) für rasterelektronenmikroskopische Flächenmessungen an Nanostrukturen entwickelt, der auf der physikalischen Modellierung der Bildentstehung im Raster-Elektronenmikroskop basiert und der auch die Bestimmung von Form und Position von komplexen Probenstrukturen ermöglicht.

Der NanoAREA-Algorithmus bestimmt zunächst mittels einfacher Bildverarbeitung (Glättung, Binarisierung, Flächenfüllung) die groben Positionen der Kanten einer Struktur und legt damit Profile fest, die den Rand rechtwinklig schneiden und entlang derer er dann zur genaueren Positionsbestimmung der Kanten validierte Kantenoperatoren wie z.B. den TopCD-Algorithmus der PTB verwendet (Abb.1). Voraussetzung ist hierbei, dass die Bildvergrößerung und eventuelle Nichtlinearitäten im Bildscan bekannt sind.

Abb. 1:
Links: TopCD-Kantenoperator der PTB, angewendet auf ein von NanoAREA bestimmtes Profil aus einem REM-Bild. Die grüne Linie stellt die obere Kantenposition dar.
Rechts: Kontaktloch mit allen von NanoAREA bestimmten Profilen (grüne Profil-Linien), der groben Kantenposition (grüne Kontur) und die genauen  Positionen der oberen Strukturkanten (rote Punkte).

Der Algorithmus wurde sowohl mit Hilfe von simulierten REM-Bildern validiert als auch anhand von bei dem Kooperationspartner AMTC in Dresden gemessenen REM-Bildern von quadratischen und nicht-quadratischen Kontaktlöchern einer Maske mit dem beim Projektpartner eingesetzten MaskEXPRESS Algorithmus [2] verglichen. Ein Beispiel einer Simulation zeigt Abb. 2. Dabei stellen die gelben Linien die von NanoAREA bestimmten Profile dar, auf denen NanoAREA mittels Kantenoperator die rot eingezeichneten Kantenpunkte bestimmt hat.

Abb. 2: REM-Bild mit quadratischen und nicht-quadratischen Kontaktlöchern: NanoAREA bestimmte für alle vollständig im Bild liegenden Strukturen Profile, auf denen er mit Hilfe des TopCD-Algorithmus der PTB die genaue Kantenposition (rote Punkte) ermittelte.

Der NanoAREA Algorithmus ist in MATLAB programmiert und kann für die Form- und Flächenbestimmung von Layoutstrukturen in REM-Bildern von Masken und Wafern eingesetzt werden.

[1] K.-P.Johnsen, C.G. Frase, H. Bosse, I. Yonekura, M. Higuchi, J. Richter: Comparison of different algorithms to determine areas from SEM images; Proc. of SPIE, Band 7638 (2010).

[2] I. Yonekura, Y. Fukushima,, F. Matsuo, M. Otaki, N. Fukugami, Pattern Shape Analysis Tool for Quantitative Estimate of Photomask and Process,  Proc. of SPIE, Band 4409  (2001).