Bestimmung von Profilparametern periodischer Sub-Mikrometerstrukturen durch neuronale Klassifizierung optischer Beugungssignaturen
Diplomarbeit
Bearbeitungsstatus:
abgeschlossen
Bearbeiter:
Zekeriya Mansuroglu
Betreuer:
- Benesch, Norbert
Abschlussjahr:
1999
Beschreibung
In der Halbleiterfertigung ist die Einhaltung von Spezifikationen der Strukturbreiten für die richtige Funktion einer Schaltung von großer Bedeutung. Eine Möglichkeit zur Überwachung der Strukturbreiten von Sub-Mikrometerstrukturen liegt in der Nutzung der Streulichtmessung. Durch die Messung der Intensitäten von Beugungsmustern als Funktion eines Strahlparameters (z.B. Einfallswinkel) erhält man Beugungssignaturen, deren Verläufe für die Gitterstruktur charakteristisch sind. Eine geeignete Bewertung dieser Beugungssignaturen kann Informationen über die Parameter der Halbleiterstruktur liefern.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein neues Konzept zur Bewertung von Beugungssignaturen getestet. Im Kapitel 2 dieser Arbeit wurde das Konzept und die konstruktiven Maßnahmen zu seiner Realisierung ausführlich dargestellt. Zur Auswertung gemessener Beugungssignaturen wurde ein neuronales Netz verwendet. Das Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung von Eigenschaften verschiedener Typen und Struktu-ren von neuronalen Netzen bei der Auswertung von Beugungssignaturen. Um dabei Ergebnisse zu erzielen, die allgemeingültige Aussagen ermöglichen, wird jeweils eine Vielzahl von Proben verschiedener Gitterstrukturen benötigt. Da die Bereitstellung einer ausreichenden Anzahl geeigneter Proben nicht möglich war, wurden mit Hilfe eines Simulationsprogramms Beugungssignaturen an Gitterstrukturen aus Halbleitermaterialien berechnet. Bei der Simulation wurden als Störeffekte die Schwankungen der Lichtquelle und Lagefehler oder eine Wölbung der Proben angenommen. Darüber hinaus wurden Abweichungen der Gitterparameter (Linienbreite, Grabentiefe) simuliert, die zum Beispiel auf einen Fehler in einem Ätzprozeß zurückzuführen sind. Zur Berücksichtigung des Meßrauschens wurde den simulierten Signaturen ein normalverteiltes Rauschsignal überlagert.
Im Kapitel 4 wurden die simulierten Beugungssignaturen analysiert. Dabei ließ sich feststel-len, daß die betrachteten Abweichungen der Gitterparameter Intensitätsänderungen hervorrufen, die bis zu 10% der einfallenden Lichtintensität betragen können. Die Störeffekte sind dagegen vernachlässigbar klein. Ebenfalls im Kapitel 4 wurde die Hauptkomponentenanalyse erläutert, die zur Vorverarbeitung der Intensitätssignaturen angewendet wird, um kleine neuronale Netze zu ermöglichen und die Anzahl der notwendigen Trainingsdaten zu minimieren.
Im Idealfall soll ein neuronales Netz als Ergebnis der Bewertung der Beugungssignaturen eine quantitative Schätzung der Gitterparameter liefern. Um dieses Ziel mit den simulierten Signaturen zu erreichen, wurden sogenannte Backpropagation-Netze (BP-Netze) getestet. Mit einer Trainingsmenge von 120 Trainingsmustern ließen sich die Gitterparameter einer einfa-chen Linienstruktur mit maximalen Schätzfehlern von 3% bis 4 % vorhersagen. Dieses Ergebnis gilt unmittelbar nach dem Training des Netzes. Wird das vom Netz gespeicherte Wissen an neue Signaturen angepaßt, so lassen sich bessere Schätzergebnisse erzielen.
Die Schätzung der Gitterparameter einer Struktur mit größerer Periode ließ sich mit den BP-Netzen nur bedingt durchführen. Während sich die Linienbreite dieser Struktur mit guter Genauigkeit schätzen ließ, erhält man für die Grabentiefe aufgrund der stark nichtlinearen Ab-hängigkeiten keine sinnvollen Ausgabewerte. Der Einsatz von RBF-Netzwerken auch für die quantitative Beurteilung einer Struktur kann hier eine Lösung darstellen. Es ließ sich ebenfalls zeigen, daß sich die Störeffekte, die den Intensitätssignaturen überlagert sind, bei komplexen Gitterstrukturen verstärkt bemerkbar machen. Daher ist es für eine quantitative Schätzung der Gitterparameter von großer Bedeutung, daß durch konstruktive Maßnahmen am Meßgerät die Störeffekte minimiert werden. Besonders an die Stabilität der Lichtquelle müssen hohe Anforderungen gestellt werden.
Unter Umständen ist für eine effektive Überwachung der Strukturbreiten in der Halbleiterfertigung eine qualitative Schätzung der Gitterparameter ausreichend. Die Klassifikation der simulierten Signaturen wurde hier mit Hilfe von RBF-Netzwerken durchgeführt und führte zu zufriedenstellenden Ergebnissen. Dabei ist jedoch ein Kompromiß zwischen der Anzahl der als unbekannt eingeordneten Strukturen und der Zahl falsch klassifizierter Signaturen zu schließen. Die Anzahl der fehlerhaft oder als unbekannt eingeordneten Strukturen kann durch ständiges Nachtrainieren weiter reduziert werden. Stehen genügend Trainingsdaten zur Verfügung, so wird die Genauigkeit der Klassifikation ausschließlich durch die Genauigkeit der Intensitätsmessung bestimmt.
Abschließend kann festgestellt werden, daß die Variation des Azimut-Winkels zur Erzeugung von Intensitätssignaturen eine eindeutige Bestimmung von Strukturparametern ermöglicht. Allerdings wäre eine Erweiterung der Signaturen zum Beispiel durch zusätzliche Variation der Polarisation sinnvoll, um den Signal-Rausch-Abstand zu verbessern. Generell müssen die Störeinflüsse auf die Strahleigenschaften und die Lage der Probe durch konstruktive Maßnahmen minimiert werden. Die Verwendung von RBF-Netzwerken erlaubt anhand der gemessenen Beugungsintensitäten sowohl eine quantitative als auch eine qualitative Bewertung periodischer Strukturen. Speziell im Fall kleiner Gitterperioden können die Strukturparameter mit Hilfe von BP-Netzwerken bereits mit wenigen Trainingsdaten bestimmt werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit rechtfertigen daher nachfolgende Untersuchungen des Meßverfahrens mit einer großen Anzahl realer periodischer Strukturen.