Dissertation von N. Benesch
Entwicklung eines integrierbaren optischen Meßsystems zur Kontrolle der Linienbreiten periodischer sub-Mikrometerstrukturen
Datum der Promotion: 30.05.2003
Diese Dissertation ist unter der ISBN 3-8322-1766-5 in der Reihe "Erlanger Berichte Mikroelektronik" im Shaker-Verlag erschienen.
Abstract:
Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung eines kostengünstigen und integrierbaren Messgeräts zur Kontrolle der Abmessungen von periodischen sub-Mikrometerstrukturen. Als Anwendungsbereich wird die Produktion von Speicherbausteinen betrachtet, wobei Linienbreitenmessungen direkt an DRAM-Zellenfeldern durchgeführt werden. Ausgangspunkt ist die anhand von Cost-of-Ownership-Berechnungen bestätigte Erkenntnis, daß bereits sehr geringe Ausbeute- oder Durchsatzsteigerungen den Einsatz zusätzlicher Meßtechnik für die strukturierenden Fertigungsprozesse Lithographie und Ätzen rechtfertigen. Ein in Produktionsgeräte integriertes Messsystem kann Strukturgrößen während oder unmittelbar nach einem Herstellungsschritt kontrollieren, so daß Geräte- oder Prozessfehler sofort erkannt werden und eine Produktion weiterer defekter Scheiben vermieden wird. Die bislang für die Linienbreitenkontrolle eingesetzte, hohe Kosten verursachende Elektronenmikroskopie kann dadurch reduziert bzw. ergänzt werden. Grundlage des hier entwickelten Meßprinzips ist die Nutzung der optischen Beugung an periodischen Gitterstrukturen. Die Intensitäten von Beugungsordnungen werden dabei als Funktion des Messstrahl-Azimutwinkels gemessen und sind charakteristisch für die Oberflächen- und Materialeigenschaften der Probe. Eine Berechnung der Beugungseffekte an sub-Mikrometerstrukturen erfordert für den Einzelfall die numerische Lösung des zugehörigen Maxwellschen Randwertproblems. Aufgrund des damit verbundenen Rechenaufwands ist die Messung von Strukturbreiten mit Hilfe der optischen Beugung bisher auf linienförmige Gitter beschränkt. Um auch bei komplizierten Gitterstrukturen - wie DRAM-Zellenfeldern mit Periodizitäten in zwei Raumrichtungen - auf Probeneigenschaften schließen zu können, wird hier ein neuer Ansatz realisiert: Mit Hilfe von Referenzmeßgeräten werden zunächst die Gittereigenschaften einer Menge von unterschiedlichen Proben ermittelt. Zusammen mit den ebenfalls gemessenen Beugungssignaturen der Gitterstrukturen werden die Daten zum Training adaptiver neuronaler Netzwerke verwendet. Diese ermöglichen anschließend eine schnelle Erkennung fehlerhafter Bauelemente und eine Schätzung von Gitter- oder Prozessparametern. Ein Test dieses Konzepts erfolgte in einer realen Produktionsumgebung. Hierzu wurde eine Meßanordnung für eine winkelabhängige, monochromatische Beugungsmessung aufgebaut, die sich aufgrund ihres geringen Platzbedarfs und ihrer kostengünstigen Komponenten für eine Integration in Fertigungsgeräte eignet. Das Meßgerät wurde so konstruiert, daß es auf FOUP-Beladestationen von Halbleiterfertigungsgeräten für 300-mm-Scheiben aufgesetzt werden kann. Die Funktionsfähigkeit des beschriebenen Verfahrens zur Linienbreitenkontrolle konnte mit verschiedenen Lithographiesequenzen sowohl anhand systematisch variierter DRAM-Strukturen als auch bei zufällig auftretenden Prozessvariationen bestätigt werden.