ОПТИЧЕСКАЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА И СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КРИТИЧЕСКОГО РАЗМЕРА НАНОСТРУКТУР НА ПЛОСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ Российский патент 2013 года по МПК G01B11/30 B82Y35/00 

Изобретение относится к технике измерений, а более конкретно к измерению геометрических параметров нанообъектов путем исследования рассеянного излучения при сканировании объектов.

В современном производстве полупроводниковых чипов по мере развития технологий микролитографии наблюдается тенденция к уменьшению критического размера (КР) изготавливаемых структур. Критическим размером называют один из характерных размеров наноструктуры, представляющий интерес для исследования и величина которого составляет несколько десятков нанометров. На сегодняшний день технологически достижимый предел критического размера структуры составляет ~30 нм и в ближайшем будущем он может снизиться до ~20 нм.

Массовое производство полупроводниковых структур со столь низким критическим размером повышает требования к точности и надежности измерительного оборудования, а также к быстроте и стоимости измерительного процесса. При этом существующие способы измерения с использованием сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) и атомно-силового микроскопа (АСМ) оказываются слишком медленными и дорогими, особенно на стадии отбраковки чипов с заранее известной топологией, характерные размеры структуры которых лишь незначительно отличаются от требуемых размеров. Для такого рода измерений разработаны различные оптические способы, основанные на технологии эллипсометрии [1] и скеттерометрии [2], в частности широко известный способ «оптического критического размера» (OCD, Optical Critical Dimension) [3], которые позволяют распознать критический размер полупроводниковой структуры, меньший, чем рэлеевский предел разрешения.

Каждый из существующих оптических способов анализа имеет свои преимущества и недостатки.

В способе [3] используется установленная зависимость коэффициента отражения субволновой структуры от критического размера, длины волны падающего излучения и угла падения излучения на исследуемый объект. Описаны два варианта применения способа [3]. В одном из них при фиксированной длине волны падающего излучения измеряют зависимость коэффициента отражения от угла падения излучения на объект (сканирование по углу), в другом варианте при фиксированном угле падения излучения на объект измеряют зависимости коэффициента отражения от длины волны (сканирование по длине волны). На практике во втором варианте измеряют спектр падающего и отраженного излучения и на их основе определяют зависимость коэффициента отражения от длины волны. Измеренную зависимость сравнивают с расчетными зависимостями, полученными при различных значениях критического размера. Наилучшее совпадение измеренной и расчетной кривой дает искомое значение критического размера.

Способ [3] получил широкое применение в полупроводниковом производстве, однако он не позволяет проводить анализ непериодических структур, структур с малым числом периодов или структур, состоящих из одного или нескольких изолированных объектов.

Метод «сканирующей через фокус оптической микроскопии» (TSOM, Through-focus Scanning Optical Microscopy) [4], основанный на анализе неконтрастных (дефокусированных) изображений исследуемого объекта, полученных при помощи микроскопа при сканировании объекта вдоль оптической оси, позволяет анализировать непериодические и изолированные объекты. Данный метод наиболее близок к заявляемому изобретению и выбран в качестве прототипа.

В методе [4] система механического сканирования, обеспечивающая перемещения исследуемого объекта вдоль фокуса с точностью несколько десятков нанометров, является одним из основных и вместе с тем наиболее уязвимым в смысле надежности узлом измерительной TSOM-установки. Требования к понижению необходимого шага сканирования и точности позиционирования объекта вдоль фокуса возрастают при уменьшении характерных размеров объекта, что в условиях вибраций может снижать точность измерений и надежность всей измерительной системы в целом.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в том, чтобы разработать оптическую измерительную систему и способ измерения критического размера наноструктуры, основанный на обработке дефокусированных изображений и не требующий механического сканирования исследуемого объекта вдоль фокуса. Под термином наноструктура при этом понимается такая структура, у которой, по крайней мере, один из характерных размеров составляет несколько десятков нанометров и находится ниже рэлеевского предела разрешения.

Поставленная задача решена путем разработки на основе оптического микроскопа измерительной системы и способа измерения, в котором регистрируется только одно неравномерно дефокусированное изображение исследуемой плоской наноструктурированной поверхности 2, расположенной под изображающим микрообъективом 1 так, что нормаль 7 к этой поверхности 2 и оптическая ось 6 микрообъектива 1 образуют некоторый угол Θ (см. Фиг.1). При этом на исследуемой поверхности 2 присутствует область 4, которая отображается на чувствительный элемент камеры микроскопа резко, т.е. находится в наилучшем положении фокуса, а также области 3 и 5, которые отображаются на камеру микроскопа не резко, т.е. находятся не в фокусе объектива 1. Таким образом, степень дефокусировки вдоль объекта является неравномерной, линейно изменяется в пределах поля зрения микроскопа, и механическое сканирование вдоль фокуса не требуется. Регистрируемое изображение, которое представляет собой сложную суперпозицию дифракционных паттернов, сравнивается с изображениями, полученными расчетным путем в предположении, что неизвестное значение КР (CD) находится в заранее известном диапазоне CD1<CD<CD2. Расчет и сравнение изображений продолжаются до тех пор, пока не будет достигнуто совпадение. Значение CD, при котором такое совпадение произойдет, представляет собой наилучшую оценку для измеряемого значения КР. Для модельного расчета регистрируемого дифракционного паттерна в предпочтительном варианте применяются численные способы RCWA (Строгий анализ связных волн) [5] и FDTD (Метод конечных разностей по временной области) [6], основанные на точном решении уравнений Максвелла. При моделировании необходимо точно контролировать параметры оптической схемы и условия облучения, а также иметь априорные знания о топологии исследуемой наноструктуры. Таким образом, технический результат достигается за счет разработки оптической измерительной системы и способа измерений КР. При этом оптическая измерительная система объединяет в себе оборудование, программное обеспечение и содержит:

- оптический модуль освещения и регистрации изображения наклонной поверхности на основе микроскопа;

- модуль изменения и контроля условий освещения и параметров оптической схемы;

- модуль расчета изображений наклонной поверхности;

- модуль сравнения измеренного и рассчитанных изображений наклонной поверхности.

Способ измерения КР предусматривает выполнение следующих операций:

- выбор параметров оптической схемы и условий освещения;

- регистрация изображения наклонной наноструктурированной поверхности;

- расчет изображений наклонной наноструктурированной поверхности при значениях КР, лежащих в известных границах;

- сравнение измеренного изображения поверхности с расчетными изображениями и определение наилучшего приближения значения КР.

В случае если измеренное и расчетное изображения совпадают с заданной точностью, соответствующее наилучшее приближение значения КР выводится измерительной системой в качестве искомого значения. В случае если совпадение изображений не достигнуто с заданной точностью, определяется новый более узкий диапазон изменения КР, и последние две операции повторяются, пока необходимая точность не будет достигнута. При этом в модуле сравнения измеренного изображения поверхности с расчетными изображениями подбор значения КР может происходить различными способами. В предпочтительном варианте рассматриваются способ оптимизации и способ расчета библиотеки изображений. В способе оптимизации наилучшая оценка КР находится путем минимизации абсолютного значения разности измеренного и рассчитанного изображений. В способе расчета библиотеки изображений измеренное изображение последовательно сравнивается с рядом заранее рассчитанных изображений при условии, что значение КР меняется в известном интервале значений. В результате выполнения описанной последовательности операций, составляющих суть измерительного способа, находится наилучшая оценка измеряемого значения КР наноструктуры.

Для лучшего понимания сути изобретения его существо поясняется далее с привлечением графических материалов.

Фиг.1 - схема расположения исследуемой наноструктурированной поверхности под микрообъективом оптической измерительной системы.

Фиг.2 - схема оптической измерительной системы критического размера наноструктурированной поверхности.

Фиг.3 - блок-схема способа измерения критического размера наноструктурированной поверхности.

Фиг.4 - схема оптического модуля освещения и регистрации изображения наклонной поверхности.

Фиг.5 - вид 5.1 - пример изображения наклонной наноструктурированной поверхности, представляющей собой периодическую решетку на стекле с периодом 3µ и высотой штрихов решетки с критическим размером 100 нм;

вид 5.2 - пример обработки изображения наклонной решетки на стекле (Т=3µ; h(CD)=100 нм) с построением фокус-метрики вдоль поверхности для сравнения измеренного изображения поверхности с рассчитанными изображениями из библиотеки.

Фиг.6 - пример построения библиотеки, состоящей из трех рассчитанных изображений наклонной решетки на стекле (Т=3µ), в некотором диапазоне изменения высоты штрихов CD-10 нм ≤CD≤CD+10 нм с построением метрик вдоль поверхности для сравнения с измеренным изображением.

Заявляемое изобретение реализуется на основе схемы оптического микроскопа с освещением по Келеру, работающего в режиме регистрации излучения отраженного от образца по способу светлого поля [8]. На Фиг.4 схематично представлены основные оптические элементы и приборы оптического модуля освещения и регистрации изображения наклонной поверхности, к которым относятся: источник 8 света; конденсор 9; цветные фильтры 10; поляризатор 11; амплитудная маска 12, располагающаяся в плоскости, оптически сопряженной с задней фокальной плоскостью микрообъектива 15; релей линза 13; делитель 14 пучка; микрообъектив 1; трубная линза 16; ПЗС (прибор с зарядовой связью) камера (CCD-камера, Charge-coupled device) - 17. На Фиг.4 схематично представлена также исследуемая наклонная наноструктурированная поверхность 2.

Основными параметрами оптической схемы, определяющими условия освещения и регистрации изображения исследуемой наноструктурированной поверхности 2, являются: частотный спектр освещающего излучения; направление вектора поляризации; размер и форма отверстия в амплитудной маске 12, а также ее положение в плоскости перпендикулярной оптической оси 6, которые определяют пространственный спектр излучения, освещающего исследуемую поверхность 2; числовая апертура микрообъектива 1, а также угол Θ наклона нормали 7 к исследуемой поверхности относительно оптической оси 6 микрообъектива 1. Оптимальные параметры оптической схемы в каждом конкретном измерении зависят от топологии наноструктурированной поверхности и критического размера наноструктуры и выбираются в следующих диапазонах изменения значений:

- спектр освещающего излучения с шириной полосы не более 100 нм в диапазоне длин волн 350-700 нм;

- размер отверстия в амплитудной маске, находящейся в плоскости, оптически сопряженной задней фокальной плоскости микрообъектива такой, что справедливо условие 0,1<(NAill/NA)<0,8, где NAill - числовая апертура освещения, NA - числовая апертура микрообъектива;

- числовая апертура микрообъектива NA: 0,4<NA<0,9;

- угол наклона нормали к исследуемой поверхности относительно оптической оси микрообъектива Θ: α<Θ<2α, α~d²/λD, где λ - центральная длина волны спектра освещающего излучения, d - пространственное разрешение по объекту, D - наибольший характерный размер наноструктуры.

Для точного расчета изображения наклонной наноструктурированной поверхности и последующего сравнения этого рассчитанного изображения с измеренным изображением необходимо в расчете корректно учесть все существенные параметры оптической схемы, определяющие условия освещения и регистрации изображения. Для этой цели все параметры должны быть измерены и переданы в модуль расчета изображения наклонной поверхности. Оборудование, необходимое для измерения этих параметров, образует модуль изменения и контроля условий освещения и параметров оптической схемы (Фиг.2) и включает в себя: спектрометр (не показан на Фиг.2), систему позиционирования (не показана на Фиг.2) амплитудной маски 12 и дополнительную ПЗС-камеру (не показана на Фиг.2) для измерения размера и формы отверстия в амплитудной маске 12, а также систему позиционирования (не показана на Фиг.2) исследуемой наноструктурированной поверхности 2 для выставления необходимого угла Θ наклона нормали 7 к исследуемой поверхности 2 относительно оптической оси 6 микрообъектива 1.

Программный модуль расчета библиотеки изображений наклонной поверхности в предпочтительном варианте реализован за счет комбинации способов расчета электромагнитного поля RCWA (Строгий анализ связных волн) [5] и FDTD (Метод конечных разностей по временной области) [6], основанных на точном решении уравнений Максвелла. Входными параметрами данного модуля являются параметры оптической схемы, определяющие условия освещения и регистрации изображения наклонной поверхности, указанные выше, а также диапазон изменения КР, из которого выбираются значения для расчета изображений. В большинстве практически важных метрологических задач полупроводникового производства диапазон изменения КР измеряемой наноструктуры известен достаточно точно, и выбор начального диапазона для расчета изображений наклонной поверхности не представляет трудностей и производится экспертным путем. Более узкий, уточненный диапазон изменения КР определяется в результате сравнения измеренного изображения с рассчитанным изображением.

Модуль сравнения измеренного и рассчитанного изображений наклонной поверхности является одним из важных модулей измерительной системы. На вход данного модуля поступают измеренное изображение исследуемой наклонной поверхности и рассчитанные изображения для определенного диапазона изменения КР. На выходе в результате сравнения определяется наилучшая оценка измеряемого критического размера и/или более узкий уточненный диапазон изменения значения КР. Из литературы известно несколько способов сравнения цифровых изображений, которые могут применяться в данном программном модуле. Причем результатом сравнения должно быть число, показывающее, насколько измеренное изображение близко к расчетному изображению из библиотеки. Для анализа изображений различной степени дефокусировки вводят понятие «фокус-метрики» [7]. Каждому дефокусированному изображению I_i,j ставят в соответствие некоторый параметр М(I_i,j), который зависит от топологии объекта и степени дефокусировки. Этот параметр тем или иным образом характеризует контраст изображения при данной степени дефокусировки. Таким параметром, в частности, может быть стандартное отклонение, вычисляемое по цифровому изображению, которое представляет собой двумерный массив данных (1).

где М - фокус-метрика, I_i,j - интенсивность пикселя с координатами (i,j) в изображении, I - средняя интенсивность по всем пикселям в изображении, N - полное количество пикселей в изображении. Вычисляя фокус-метрику для изображения в каждом положении дефокусировки, получают кривую фокус-метрики вдоль фокуса M(h), где h - координата объекта вдоль фокуса.

Поскольку в изображении наклонной наноструктурированной поверхности степень дефокусировки меняется вдоль самого изображения (вдоль исследуемой наклонной поверхности), кривая фокус-метрики может быть вычислена вдоль изображения поверхности. Для этого необходимо задать некоторое окно, размер которого вдоль направления наклона поверхности должен быть достаточно мал, чтобы степень дефокусировки в пределах данного окна можно было считать одинаковой. Далее необходимо сканировать это окно вдоль изображения наклонной поверхности, вычисляя в нем фокус-метрику. Результатом такой обработки изображения будет кривая фокус-метрики М(х) вдоль поверхности или «метрика вдоль поверхности», где х -координата положения окна на изображении вдоль направления наклона поверхности. На Фиг.5 (вид 5.1) приведен пример цифрового изображения наклонной поверхности решетки на стекле с периодом 3µ и высотой штрихов решетки с критическим размером 100 нм. Направление наклона поверхности показано на изображении стрелкой. Вдоль направления наклона на изображении легко различимы муаровые полосы. На изображении наклонной решетки показано окно сканирования в нескольких положениях вдоль направления наклона. На Фиг.5 (вид 5.2) приведен пример метрики вдоль поверхности, полученной путем обработки изображения наклонной решетки на Фиг. (вид 5.1). Форма и все существенные особенности этой кривой зависят от параметров оптической схемы, определяющих условия освещения и регистрации изображения, а также от критического размера решетки (в данном случае высоты штрихов, которая составляет 100 нм).

Кривые метрик вдоль поверхности, полученные путем обработки измеренного и рассчитанного изображений наклонной наноструктурированной поверхности, могут сравниваться одна с другой по какому-либо параметру, который можно связывать с измеряемым КР (CD). На Фиг.6 приведен пример построения библиотеки, состоящей из трех рассчитанных изображений наклонной решетки на стекле (Т=3µ) в некотором диапазоне изменения высоты штрихов CD-10 нм ≤CD≤CD+10 нм с построением метрик вдоль поверхности для сравнения с измеренным изображением. Кривые метрик вдоль поверхности нормированы на единицу. Легко видеть, что формы кривых, рассчитанных для решеток, высоты штрихов которых отличаются на 10 нм, близки между собой. Кривые имеют три выраженных максимума. Параметром, по которому кривые метрик вдоль поверхности, полученные путем обработки измеренного и рассчитанного изображений, сравниваются друг с другом в данном случае, является величина метрики, соответствующая левому максимуму кривой. При этом M_CD+10нм<M_CD<M_CD-10нм. В случае если значение для метрики вдоль поверхности, полученной при обработке измеренного изображения решетки с неизвестным значением критического размера CD*, будет получено с необходимой точностью MCD*=MCD, то значение CD следует признать наилучшей оценкой для измеряемого значения CD*.

Изобретение может быть использовано при измерении геометрических параметров нанообъектов путем исследования рассеянного излучения при сканировании объектов. Оптическая измерительная система содержит: оптический модуль освещения и регистрации изображения, модуль управления параметрами оптической схемы и условиями освещения; модуль расчета изображений наклонной поверхности образца; модуль сравнения измеренного и рассчитанных изображений наклонной поверхности образца. Способ заключается в том, что регистрируют дефокусированное изображение наклонной наноструктурированной поверхности при выбранных фиксированных параметрах оптической схемы; рассчитывают изображения наклонной наноструктурированной поверхности образца при значении критического размера, находящемся в известных заданных границах; сравнивают измеренное изображение поверхности образца с расчетными изображениями и определяют наилучшее приближение значения критического размера. Технический результат - обеспечить измерение критического размера наноструктуры на основе обработки дефокусированных изображений без механического сканирования исследуемой наноструктуры вдоль фокуса. 2 н. и 21 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Оптическая измерительная система для измерения критического размера периодических и непериодических наноструктур на плоской поверхности исследуемого образца, отличающаяся тем, что содержит:
- оптический модуль освещения и регистрации изображения, выполненный на основе оптической схемы микроскопа с возможностью регистрирования неравномерно дефокусированного изображения наноструктурированной поверхности образца, нормаль к которой расположена наклонно относительно оптической оси микроскопа;
- модуль управления параметрами оптической схемы и условиями освещения, выполненный с возможностью измерения и передачи параметров оптической схемы и освещения в модуль расчета изображений наклонной поверхности;
- модуль расчета изображений наклонной поверхности образца;
- модуль сравнения измеренного и рассчитанных изображений наклонной поверхности образца.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что нормаль к наноструктурированной поверхности образца и оптическая ось микрообъектива образуют угол Θ, выбираемый из диапазона: α<Θ<2α, α~d²/λD, где λ - центральная длина волны спектра освещающего излучения, d - пространственное разрешение оптической схемы по объекту, D - наибольший характерный размер наноструктуры.

3. Система по п.1, отличающаяся тем, что оптический модуль освещения и регистрации изображения включает в себя источник света, конденсор, цветные фильтры, поляризатор, амплитудную маску, располагающуюся в плоскости, оптически сопряженной с задней фокальной плоскостью микрообъектива, релей линзу, делитель пучка, микрообъектив, трубную линзу, прибор с зарядовой связью (ПЗС-камеру).

4. Система по п.1, отличающаяся тем, что модуль управления параметрами оптической схемы выполнен с возможностью изменения, и/или измерения, и/или контроля параметров оптической схемы.

5. Система по п.1, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, один управляемый параметр оптической схемы выбран из группы: частотный спектр освещающего излучения, направление вектора поляризации, размер отверстия в амплитудной маске, и/или форма отверстия в амплитудной маске, и/или положение амплитудной маски в плоскости, перпендикулярной оптической оси, числовая апертура микрообъектива, угол наклона нормали к исследуемой поверхности относительно оптической оси микрообъектива.

6. Система по п.1, отличающаяся тем, что спектр освещающего излучения имеет ширину не более 100 нм и лежит в диапазоне длин волн 350-700 нм.

7. Система по п.1, отличающаяся тем, что размер отверстия в амплитудной маске, находящейся в плоскости, оптически сопряженной с задней фокальной плоскостью микрообъектива, выбран так, что справедливо условие 0,1<(NAill/NA)<0,8, где NAill - числовая апертура освещения, NA - числовая апертура микрообъектива.

8. Система по п.1, отличающаяся тем, что значение числовой апертуры микрообъектива лежит в диапазоне от 0,4 до 0,9.

9. Система по п.1, отличающаяся тем, что модуль управления параметрами оптической схемы и условиями освещения включает в себя:
спектрометр, систему позиционирования амплитудной маски и ПЗС-камеру, выполненную с возможностью измерения размера и формы отверстия в амплитудной маске, систему позиционирования наноструктурированной поверхности, выполненную с возможностью выставления угла наклона нормали к исследуемой поверхности относительно оптической оси микрообъектива.

10. Система по п.1, отличающаяся тем, что оптический модуль освещения и регистрации изображения выполнен на основе оптической схемы микроскопа с освещением по Келеру.

11. Система по п.1, отличающаяся тем, что модуль расчета изображений наклонной поверхности образца реализован путем комбинирования способов расчета электромагнитного поля: способа строгого анализа связанных волн (RCWA) и способа конечных разностей по временной области (FDTD).

12. Способ измерения критического размера периодических и непериодических наноструктур на плоской поверхности исследуемого образца, отличающийся тем, что:
- выбирают параметры оптической схемы, созданной на основе оптической схемы микроскопа, и условия освещения;
- регистрируют одно дефокусированное изображение наклонной наноструктурированной поверхности образца при выбранных фиксированных параметрах оптической схемы;
- рассчитывают изображения наклонной наноструктурированной поверхности образца при значении критического размера, находящемся в известных заданных границах;
- сравнивают измеренное изображение поверхности образца с расчетными изображениями и определяют наилучшее приближение значения критического размера.

13. Способ по п.12, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один параметр оптической схемы выбирают из группы: частотный спектр освещающего излучения, направление вектора поляризации, размер отверстия в амплитудной маске, и/или форма отверстия в амплитудной маске, и/или положение амплитудной маски в плоскости, перпендикулярной оптической оси, числовая апертура микрообъектива, угол наклона нормали к исследуемой поверхности относительно оптической оси микрообъектива.

14. Способ по п.12, отличающийся тем, что угол между нормалью к наноструктурированной поверхности образца и оптической осью микроскопа выбирают из диапазона: α<Θ<2α, α~d²/λD, где λ - центральная длина волны спектра освещающего излучения, d - пространственное разрешение оптической схемы по объекту, D - наибольший характерный размер наноструктуры.

15. Способ по п.12, отличающийся тем, что размер отверстия в амплитудной маске, находящейся в плоскости, оптически сопряженной с задней фокальной плоскостью микрообъектива, выбирают таким, чтобы было справедливо условие 0,1<(NAill/NA)<0,8, где NAill - числовая апертура освещения, NA - числовая апертура микрообъектива.

16. Способ по п.12, отличающийся тем, что спектр освещающего излучения выбирают таким, что его ширина не превышает 100 нм и располагается в диапазоне длин волн 350-700 нм.

17. Способ по п.12, отличающийся тем, что значение числовой апертуры микрообъектива выбирают в диапазоне от 0,4 до 0,9.

18. Способ по п.12, отличающийся тем, что при регистрации дефокусированного изображения наклонной поверхности регистрируют излучение, отраженное от образца по способу светлого поля.

19. Способ по п.12, отличающийся тем, что рассчитывают изображения наклонной поверхности образца путем комбинирования способов расчета электромагнитного поля: способа строгого анализа связанных волн (RCWA) и способа конечных разностей по временной области (FDTD).

20. Способ по п.12, отличающийся тем, что определяют наилучшее приближение значения критического размера способом оптимизации.

21. Способ по п.12, отличающийся тем, что определяют наилучшее приближение значения критического размера способом расчета библиотеки изображения и сравнения рассчитанных изображений с измеренным.

22. Способ по п.12, отличающийся тем, что сравнение измеренного изображения наклонной наноструктурированной поверхности с рассчитанными изображениями происходит путем вычисления кривых фокус метрики вдоль изображений поверхности, когда участкам изображения, отличающимся степенью дефокусировки, ставится в соответствие параметр, зависящий от степени дефокусировки и топологии наноструктуры.

23. Способ по п.12, отличающийся тем, что сравнение двумерных изображений сводится к сравнению кривых фокус метрики вдоль поверхности.