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TEM-Messungen für die Rückführung der Linienbreite von Nanostrukturen

01.12.2013

Zur hochgenauen Bestimmung der Linienbreite (CD-Werte) von Nanostrukturen wurden Messungen sowohl mit einem Raster-kraftmikroskop als auch mit höchstauflösenden Transmissions-elektronenmikroskopen (TEM) durchgeführt und miteinander verknüpft. Im Ergebnis können Linienbreiten von Referenzstruk-turen nun mit einer erweiterten Messunsicherheit von U(k=2) = 1,6 nm kalibriert werden.


Der Begriff „Critical Dimension“ (CD) wird häufig als Synonym für „Strukturbreite“ verwendet. In der Fertigungskontrolle der Halbleiterindustrie spielt die Critical-Dimension-Messtechnik eine bedeutende Rolle bei der Sicherstellung einer zuverlässigen Fertigung von Mikro- und Nanostrukturen auf Silicium-Wafern und Photomasken. Wegen der fortschreitenden Miniaturisierung im Herstellungsprozess, heute bis hinab zu Strukturbreiten von 22 nm und darunter, werden Anforderungen an die Messunsicherheiten der CD-Messtechnik bis in den Sub-Nanometerbereich gestellt. Die Industrie benötigt dringend genaue und rückführbare CD-Referenz-Messverfahren, um die verschiedenen in den Fertigungslinien der Halbleiterindustrie eingesetzten CD-Messgeräte wie z. B. optische Scatterometer zu charakterisieren und zu überprüfen.

Die in der PTB angewandte Referenzmethode zur hochgenauen und rückführbaren CD-Messung kombiniert zwei Techniken: Transmissions-Elektronenmikroskopie (TEM) und Rasterkraftmikroskopie (AFM). Das hochauflösende TEM mit Aberrationskorrektur kann Nanostrukturen an dünnen einkristallinen Schichten mit atomarer Auflösung messen. Bei der Strukturbreiten-Kalibrierung an Querschliffen von Linienstrukturen bietet es höchste Genauigkeiten, wobei der Abstand zwischen den Atomen in der Struktur als interner Maßstab verwendet werden kann. Auf diese Weise ist die Strukturbreite direkt auf den atomaren Abstand im Kristallgitter rückführbar, der mit einem kombinierten optischen und Röntgen-Interferometer hochgenau kalibriert werden kann. Beispielsweise wurde der Gitterabstand d111, d.h. der Abstand zwischen den (111) Kristallebenen des Materials Silicium 28Si, zu (0,31356011 ± 0,00000017) nm bestimmt.

Vor der TEM-Messung werden auf dem Wafer an unterschiedlichen Stellen zwei ähnliche Linienstrukturen mit dem AFM genau gemessen. Eine der Strukturen wird anschließend für die TEM-Messungen mittels fokussiertem Ionenstrahl (FIB) sorgfältig herausgetrennt und anschließend auf wenige 100 nm Dicke abgedünnt. Nachteil ist, dass dieser Probenbereich für weitere CD-Messungen mittels AFM nicht mehr zur Verfügung steht. Aber über die TEM-Messung kann man die AFM-Messung um den Spitzenradius, der bei der CD-Messung inhärent mit gemessen wird, korrigieren. Im Ergebnis kann schließlich der Referenz-CD-Wert an der unzerstörten Struktur mit einer abgeschätzten kombinierten Standardmessunsicherheit von 0,8 nm bestimmt werden. Dies wurde in fünf voneinander unabhängigen an unterschiedlichen TEM durchgeführten Untersuchungen der CD einer Referenzstruktur bestätigt. Die neue Referenzmethode wurde zudem erfolgreich in vergleichenden Messungen von verschiedenen Strukturmerkmalen einer EUV-Photomaske eingesetzt (EUV: extremes ultraviolettes Licht). Mit den Ergebnissen konnten die Messungen der Linienbreite von Maskenstrukturen mit dem EUV-Scatterometer der PTB überprüft werden.


Bild 1: (a) Das schematische Diagramm zeigt die Strategie der rückführbaren und genauen Kalibrierung der Strukturbreite unter Verwendung von CD-AFM und TEM; (b) 3D-Ansicht eines an einer Gruppe von 5 Linienmerkmalen gemessenen CD-AFM-Bildes; (c) HAADF-STEM-Bild eines Linienmerkmales; der markierte Bereich, der in der Vergrößerung detailliert zu sehen ist, zeigt die Silizium (111)-Kristallebenen.