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Neue Methode für die Messung von Strukturbreiten mit atomarer Auflösung

Besonders interessant für:
  • Halbleiterindustrie
  • Mikro- und Nano-Messtechnik

Mit einer in der PTB entwickelten Referenzmessmethode können die Abmessungen von Nanostrukturen, etwa auf Halbleiterchips, mit hoher Präzision gemessen werden. Die Methode kombiniert Messungen eines hochpräzisen Rasterkraftmikroskopes mit denen eines Transmissions-Elektronenmikroskopes, das mit atomarer Auflösung misst.

3D-Ansicht eines CD-AFM-Bildes, gemessen an einer Gruppe von 5 Linienmerkmalen

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 Silizium- Wafern und Fotomasken. Wegen der fortschreitenden Miniaturisierung im Herstellungsprozess, heute bis hinab zu Strukturbreiten von 22 nm, werden immer höhere Anforderungen an die Messunsicherheiten der CD-Messtechnik bis hin in den Sub-Nanometerbereich gestellt. Die Industrie benötigt dringend genaue und rückführbare CD-Referenzmessverfahren, um die verschiedenen in den Fertigungslinien der Halbleiterindustrie eingesetzten CD-Messgeräte, wie z. B. optische Scatterometer, zu charakterisieren und zu überprüfen.

Die neue Referenzmethode kombiniert zwei Techniken: Transmissions-Elektronenmikroskopie (TEM) und Rasterkraftmikroskopie (AFM). Ein hochauflösendes 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 wird. Auf diese Weise lässt sich die Strukturbreite direkt an den atomaren Abstand im Kristallgitter anschließen, der mit einem kombinierten optischen Lichtund Röntgen-Interferometer rückführbar kalibriert werden kann. Beispielsweise wurde der Gitterabstand d111, d. h. der Abstand zwischen den (111) Kristallebenen des Materials Silizium 28Si, zu (0,31356011 ± 0,00000017) nm bestimmt.

Vor der TEM-Messung werden auf dem Wafer zwei Strukturen mit dem AFM genau gemessen. Eine der Stellen 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 nicht mehr zur Verfügung steht. Über die TEM-Messung lassen sich jedoch inhärente systematische Fehler der AFMMethode erfassen und korrigieren. Im Ergebnis kann man schließlich Referenz- CD-Werte an der unzerstörten Struktur mit einer abgeschätzten kombinierten Standardmessunsicherheit von 0,81 nm bestimmen. Dies wurde in fünf voneinander unabhängigen, an unterschiedlichen TEM durchgeführten Untersuchungen der CD einer Referenzstruktur bestätigt. Die neue Referenzmethode wurde zudem erfolgreich in Messungen von verschiedenen Strukturmerkmalen einer EUV-Fotomaske eingesetzt (EUV: extremes ultraviolettes Licht). Mit den Ergebnissen konnten Messungen mit Synchrotronstrahlung am EUV-Scatterometer der PTB bestätigt werden. Die Einbindung der Kombination von FIB und TEM zur genaueren Rückführung soll darüber hinaus auch ein Thema am Nano- Labor LENA sein, das derzeit an der Technischen Universität Braunschweig in Kooperation mit der PTB entsteht.

Ansprechpartner

Gaoliang Dai
Fachbereich 5.2 Dimensionelle Nanometrologie
Telefon: (0531) 592-5127
Opens window for sending emailgaoliang.dai(at)ptb.de

Wissenschaftliche Veröffentlichung:

G. Dai, M. Heidelmann, Chr. Kübel, R. Prang, J. Flügge, H. Bosse: Reference nano-dimensional metrology by scanning transmission electron microscopy. Meas. Sci. Technol. 24, 085001 (2013)