СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ И ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ АНИЗОТРОПНОЙ ЩЕЛЕВОЙ СТРУКТУРЫ С НАНОМЕТРОВЫМИ И СУБМИКРОННЫМИ РАЗМЕРАМИ ЭЛЕМЕНТОВ Российский патент 2008 года по МПК G01B11/30 

Изобретение относится к оптическим методам комплексного контроля и измерения параметров щелевых структур типа анизотропный слой на изотропной подложке с нанометровыми и субмикронными размерами элементов и может быть использовано для разработки и прогнозирования функциональных элементов в оптоэлектронике (лазеров, фильтров, поляризаторов), для контроля параметров газовых сенсоров, для исследования свойств структур, заполненных жидкими кристаллами, для контроля структур ИМС, созданных по нанометровой технологии.

Структуры с нанометровыми размерами следует характеризовать не отдельными параметрами, а комплексом свойств. Оптические свойства нанослоев зависят не только от вещества слоя, но также могут зависеть от геометрии и толщины слоя, что связано с размерными эффектами; от способа получения и окружающей среды. Поэтому для точного контроля и измерения параметров наноструктур оптимально использовать методы, контролирующие не один, а несколько связанных параметров, например глубину образованных в слое канавок и показатель преломления.

Известны способы определения параметров анизотропных структур, принципиально отличающиеся от предлагаемого способа. Среди них широко известным является электронная микроскопия. При анализе щелевых структур по электронному отражению получают поперечные изображения рельефа, по которым определяется глубина щелей, а также средняя ширина нижних и верхних граней.

Однако недостатком методов электронной микроскопии является измерение геометрии готовых структур и невозможность контроля параметров в технологическом процессе, а также сложность предварительной подготовки образцов.

В настоящее время существует интерферометрический метод измерения толщины и глубины структурных элементов in-situ по технологии Integrated Rate Monitor (In-Situ predictive endpoint for dual damascene trench etch depth control for composite dielectric films. Jaiswal, R.; Sim, I.; Jain, A.; Chen, Т.О.; Meng, L.; Pradeep, Y. Semiconductor Manufacturing, 2003 IEEE International Symposium on Volume, Issue, 30 Sept-2 Oct. 2003 Page(s): 370-373).

Наиболее близким к заявляемому способу является способ определения параметров анизотропной структуры (см. АС №1262280, МПК G01B 11/30), в котором исследуемую поверхность с канавками, имеющими период чередования в интервале (1-100)·λ, где λ - длина волны когерентного, монохроматического излучения, используемого при исследованиях, и ширину не менее λ/4, освещают пучком когерентного монохроматического излучения, плоскость поляризации которого перпендикулярна плоскости падения излучения. В качестве источника такого излучения предлагается использовать гелий-неоновый лазер, имеющий длину волны λ=0.63 мкм. В данном методе поверхность ориентируют так, что плоскость падения излучения параллельна направлению анизотропии, то есть перпендикулярна щелям. Изменяя угол падения излучения, одновременно с этим производят измерение интенсивности дифрагированного излучения. По угловому распределению экстремумов дифрагированного излучения определяют глубину канавок.

Недостатком способа является то, что характерные размеры элементов структуры должны быть сопоставимы с длиной волны анализирующего излучения. Это не позволяет исследовать структуры с нанометровыми размерами излучением в видимом диапазоне длин волн. Способ применим только для строго периодических структур, т.к. параметры определяются по дифракции излучения.

Задачей заявляемого изобретения является определение оптическим методом глубины щелей, показателя преломления и показателя поглощения анизотропного слоя или глубины щелей (канавок), ширины верхней и нижней граней поверхностного слоя.

При этом важным является то, что длина волны анализирующего излучения на порядок больше характерных размеров элементов структуры, что дает возможность расширить диапазон геометрических параметров, измеряемых оптическими методами.

Получаемая информация об оптических свойствах структуры позволит судить о качественном составе и анизотропных свойствах слоя. Комплексное определение параметров дает возможность более достоверно прогнозировать функциональные свойства устройств и приборов на основе анизотропных структур. Высокая точность и оперативность измерений позволит более определенно связать технологические факторы и оптимальные параметры структур.

Поставленная задача достигается тем, что в способе определения параметров анизотропной структуры по угловой зависимости отраженного монохроматического излучения, согласно изобретению в качестве структуры выбирают щелевые структуры с нанометровыми и субмикронными размерами элементов, длина волны анализирующего излучения превосходит характерные размеры элементов структуры более чем в 10-40 раз, анализирующее излучение в виде расходящегося пучка фокусируют на исследуемой области образца, регистрируют интенсивность отраженного одновременно под несколькими углами излучения, отображая угловую зависимость интенсивности отраженного излучения в используемом диапазоне углов падения, по которой определяют геометрические параметры структуры и/или показатели преломления и поглощения материала щелей.

Интенсивности отраженного излучения регистрируют при числе углов падения, превышающем число определяемых параметров, при этом угловое распределение отраженного излучения регистрируют несколько раз, параметры определяют по усредненным данным.

Варьируют поляризацию падающего или отраженного излучения по отношению к ориентации щелей и зависимости интенсивности отраженного излучения от угла падения фиксируют при каждой ориентации.

Сущность изобретения состоит в том, что способ определения оптических и геометрических параметров анизотропной структуры с нанометровыми и субмикронными размерами элементов имеет ряд признаков, сходных с прототипом (см. АС №1262280, МКИ G01B 11/30).

1. Параметры структуры определяются по анализу угловых зависимостей отраженного от структуры излучения.

2. Используется монохроматическое, поляризованное излучение.

3. Для анализа структур с размерами менее 70 нм может использоваться гелий-неоновый лазер.

Способ определения оптических и геометрических параметров анизотропной структуры с нанометровыми и субмикронными размерами элементов имеет ряд признаков, отличных от прототипа.

1. Длина волны анализирующего излучения превосходит характерные размеры элементов структуры более чем на порядок (в 10-40 раз).

2. Анализирующее излучение фокусируется на исследуемой области образца, отражается одновременно под несколькими углами, и интенсивность расходящегося пучка регистрируется фотоприемником, отображая угловую зависимость.

3. Интенсивности отраженного излучения регистрируются более чем при 2 n углах падения, где n - число определяемых параметров, при этом угловое распределение отраженного излучения регистрируется несколько раз, обеспечивая тем самым избыточность экспериментальных данных и повышение точности определения параметров.

4. Поляризация падающего или отраженного излучения варьируется по отношению к ориентации щелей. Зависимости интенсивности отраженного излучения от угла падения фиксируются при каждой ориентации.

5. Зависимости интенсивности отраженного излучения в используемом диапазоне углов падения определяют геометрические параметры структуры и, или показатели преломления и поглощения материала щелей.

6. О параметрах структуры судят по зависимости интенсивности отраженного излучения от угла падения, а не только по положению экстремальных точек.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена структура типа анизотропный слой на изотропной подложке, a₁ - ширина верхней грани, а₂ - ширина нижней грани, h₁ - глубина щели; n₁*_e, n₁*_o - эффективные комплексные показатели преломления слоя для направления вектора Е вдоль щелей и поперек соответственно, n₂* - комплексный показатель преломления подложки, на фиг.2 - приведена схема измерительной установки,

где 1 - лазер,

2 - четвертьволновая пластинка,

3 - поляризатор,

4 - рассеивающая линза,

5 - коллимирующая линза,

6 - короткофокусная собирающая линза,

7 - образец,

8 - фотоприемник.

Способ определения оптических и геометрических параметров анизотропной структуры с нанометровыми и субмикронными размерами элементов осуществляется следующим образом.

Рассматриваются неоднородные структуры типа анизотропный слой на изотропной подложке (фиг.1).

Слой может быть металлическим, диэлектрическим или полупроводниковым. Длина волны падающего излучения много меньше характерных размеров структуры и дифракция отсутствует, а структура описывается как однородная анизотропная среда. Рассматриваемая структура характеризуются геометрическими параметрами a1, a2, h1 и оптическими параметрами слоя n1*_е, n1*_о и подложки n2* (фиг.1). Как известно, комплексный показатель преломления записывается как n*=n+ik, где n - показатель преломления, k - показатель поглощения.

При описанных условиях измерения исследуемый объект характеризуется эффективными параметрами, в частности определяющими его отражательные свойства. При рассмотрении идеализированного случая взаимодействия электромагнитного излучения с системой тонких параллельных пластин, описывающего свойства пленки щелевой структуры (см. М.Борн, Э.Вольф. Основы оптики. М.: Наука, 1970, стр.651), можно получить следующие соотношения:

где n1*_е, n1*_о- эффективные комплексные показатели преломления слоя для направления вектора Е вдоль щелей и поперек соответственно; q1 и q2 - доли общего объема, занимаемые пластинами и окружающей средой соответственно; n*₀ - комплексный показатель преломления среды между пластинами, n*₁ - комплексный показатель преломления вещества пластин; а₁ - ширина верхней грани щелей, а₂ - ширина нижней грани.

Соответствие такой простой теории с экспериментом для решеток с периодом, в три раза меньшем длины волны анализирующего излучения, показано в работе Flanders D.C. Appl. Phys. Lett. 42 (6), 15 1983. p.492-494., что говорит об адекватности представления пленки однородной, анизотропной средой.

Разберем подробно случай, когда плоскость падения излучения расположена параллельно щелям структуры. Рассматривая отражение излучения от структур типа анизотропная пленка на изотропной подложке и учитывая многократные отражения в пленке, можно получить диагональные коэффициенты отражения p- и s-составляющих излучения (см. Аззам Р., Башара Н. Эллипсометрия и поляризованный свет. «Мир», 1981), и для трехслойной системы среда-пленка-подложка энергетический коэффициент отражения запишется как

где r_01p, r_01s - диагональные коэффициенты отражения от границы среда-пленка для p- и s-компонент падающего излучения соответственно, r_12р, r_12s - коэффициенты отражения от границы пленка-подложка для p- и s-компонент падающего излучения соответственно.

А также соответствующие им фазовые толщины для случая, когда плоскость падения излучения расположена вдоль щелей:

где h1 - глубина щелей, λ - длина волны падающего излучения, © - угол падения излучения. Выражения для коэффициентов отражения r_01p, r_01s, r_12р, r_12s можно получить методом, описанным в (см. Аззам Р., Башара Н. Эллипсометрия и поляризованный свет. «Мир», 1981)

Посредством приведенных формул устанавливается связь геометрических и оптических параметров структуры с ее отражательными свойствами. Проведение угловых исследований коэффициента отражения может дать информацию о глубине щелей h1 и оптических свойствах n1*_е, n1*_о, или глубине щелей и геометрических параметрах а1 и а2.

Для произвольной ориентации поляризации формула для коэффициента отражения имеет вид

Метод определения параметров состоит в получении экспериментальной угловой зависимости коэффициента отражения с помощью установки (фиг.2). Длина волны излучения лазера должна быть на порядок больше характерных размеров анализируемой структуры. На схеме установки показано, что излучение лазера 1 проходит через оптическую систему 4, 5, 6 и падает на исследуемый образец 7 под несколькими углами. Четвертьволновая пластинка 2 и поляризатор 3 предназначены для изменения поляризации анализирующего излучения лазера. Фотоприемник 8 в виде матрицы ПЗС или фотодиодной линейки регистрирует отраженный сигнал одновременно для нескольких углов. Таким образом, собираются данные об угловой зависимости отраженного излучения в диапазоне углов, определяемом оптической системой и составляющем 20-40 градусов. По угловой зависимости отраженного излучения, полученной для 20-40 углов, определяется всего 3 параметра, поэтому система уравнений для нахождения искомых параметров является переопределенной, что дает возможность усреднять получаемые решения, тем самым повышая точность метода. Многократное сканирование распределения интенсивности также позволяет усреднять экспериментальные значения. После получения экспериментальной кривой используется метод наименьших квадратов и с помощью ПК ведется подбор таких параметров h1, n1, k1 (или h1, a1, а2), которые максимально приближают теоретическую кривую к экспериментальной. Таким образом определяются глубина щелей - h1, показатель преломления - n1 и показатель поглощения - k1 вещества, образующего нанометровые образования (или h1 - глубина щелей, a1, а2 - ширина верхних и нижних граней структуры). Наличие в схеме четвертьволновой пластинки и поляризатора (фиг.2) дает возможность выставлять произвольное значение поляризации падающего излучения.

Способ определения параметров анизотропной структуры по угловой зависимости отраженного монохроматического излучения, отличающийся тем, что в качестве структуры выбирают щелевые структуры с нанометровыми и субмикронными размерами элементов, длина волны анализирующего излучения превосходит характерные размеры элементов структуры более чем в 10-40 раз, анализирующее излучение в виде расходящегося пучка фокусируют на исследуемой области образца, регистрируют интенсивность отраженного одновременно под несколькими углами излучения, отображая угловую зависимость интенсивности отраженного излучения в используемом диапазоне углов падения, по которой определяют геометрические параметры структуры и/или показатели преломления и поглощения материала щелей. Технический результат: расширение диапазона геометрических параметров, измеряемых оптическими методами. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ определения параметров анизотропной структуры по угловой зависимости отраженного монохроматического излучения, отличающийся тем, что в качестве структуры выбирают щелевые структуры с нанометровыми и субмикронными размерами элементов, длина волны анализирующего излучения превосходит характерные размеры элементов структуры более чем в 10-40 раз, анализирующее излучение в виде расходящегося пучка фокусируют на исследуемой области образца, регистрируют интенсивность отраженного одновременно под несколькими углами излучения, отображая угловую зависимость интенсивности отраженного излучения в используемом диапазоне углов падения, по которой определяют геометрические параметры структуры и/или показатели преломления и поглощения материала щелей.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что интенсивности отраженного излучения регистрируют при числе углов падения, превышающем число определяемых параметров, при этом угловое распределение отраженного излучения регистрируют несколько раз, параметры определяют по усредненным данным.3. Способ по п.2, отличающийся тем, что варьируют поляризацию падающего или отраженного излучения по отношению к ориентации щелей и зависимости интенсивности отраженного излучения от угла падения фиксируют при каждой ориентации.