Spektroskopische Ellipsometrie vs. Reflektometrie: Messgröße, dünne Schichten, Mehrlagen

Beide Methoden beleuchten einen Wafer und messen die Reflexion, um die Dicke dünner Schichten berührungslos und zerstörungsfrei zu bestimmen. Die spektroskopische Ellipsometrie strahlt polarisiertes Licht schräg ein und misst für jede Wellenlänge, wie die Reflexion die Polarisation verändert (Psi und Delta). Die spektrale Reflektometrie beleuchtet meist senkrecht und misst das Spektrum der reflektierten Intensität (Reflexionsgrad). Beide passen ein optisches Modell an, um die Dicke zu erhalten; die Ellipsometrie nutzt aber zusätzlich Phaseninformation und ist daher stärker bei wenige Nanometer dicken Schichten, Mehrlagensystemen und optischen Konstanten, während die Reflektometrie einfacher und schneller ist und sich für die Dickenkontrolle dickerer Schichten eignet.

MerkmalSpektroskopische EllipsometrieSpektrale Reflektometrie
Was gemessen wirdAmplitudenverhältnis (tan Psi) und Phasendifferenz (Delta) zwischen p- und s-polarisierter ReflexionSpektrum der reflektierten Intensität (Reflexionsgrad)
BeleuchtungPolarisiertes Licht unter schrägem Winkel (typischerweise etwa 60 bis 75 Grad)Meist senkrechter Einfall; keine Polarisationskontrolle nötig
ErgebnisseDicke und optische Konstanten (Brechungsindex n und Extinktionskoeffizient k) lassen sich gemeinsam bestimmenVor allem die Dicke; meist werden bekannte optische Konstanten angenommen
ModellabhängigkeitStark: Die Werte ergeben sich aus der Anpassung eines Modells des Schichtstapels und seiner DispersionEbenfalls modellbasiert; bei einer dicken Einzelschicht liefert der Abstand der Interferenzstreifen die Dicke recht direkt, die Ergebnisse hängen aber von den angenommenen optischen Konstanten ab
Empfindlichkeit für sehr dünne Schichten (einige nm oder weniger)Hoch: Delta löst Unterschiede unter 0,1 nm auf, sodass sich native Oxide und Gate-Dielektrika messen lassenGering: Es treten keine Interferenzstreifen auf, und die Änderung des Reflexionsgrads ist klein, daher sinkt die Präzision
Bester Dickenbereich (grober Richtwert)Von unter 1 nm bis zu einigen MikrometernVon einigen zehn Nanometern bis zu einigen zehn Mikrometern
MehrlagensystemeStark: Zwei Größen pro Wellenlänge helfen, Dicke und optische Konstanten jeder Schicht zu trennenJe mehr Schichten, desto schwerer lassen sich die einzelnen Schichten trennen
Gerät und GeschwindigkeitKomplexere Optik mit Polarisatoren; der schräge Strahl erzeugt einen länglichen Messfleck, und jeder Punkt dauert etwas längerEinfach und schnell, mit leicht kleinem Messfleck; lässt sich leicht in andere Anlagen einbauen
Typischer EinsatzGate- und High-k-Dielektrika, dünne Oxide und Nitride, Dicke und optische Konstanten von Mehrlagensystemen, optische Strukturbreitenmessung (Scatterometrie)Dicke von Fotolack und dicken Oxiden oder Zwischenschichtdielektrika sowie in CMP- und andere Anlagen eingebaute Dickenüberwachung

Die Zahlenwerte sind typische Größenordnungen und variieren je nach Prozessgeneration und Produkt.

Wann welche Variante?

Spektroskopische Ellipsometrie
Wenn die Dicke wenige Nanometer dicker Schichten oder von Mehrlagensystemen genau bekannt sein muss oder auch die optischen Konstanten gebraucht werden. Geeignet für Schichten wie Gate-Dielektrika, bei denen ein Unterschied von 0,1 nm zählt.
Spektrale Reflektometrie
Wenn Schichten einige zehn Nanometer oder dicker sind und an vielen Punkten schnell gemessen werden soll. Die einfache Optik macht sie zudem zur üblichen Wahl für die in Abscheide- und CMP-Anlagen eingebaute Dickenüberwachung.

Häufige Fragen

Was sind Psi und Delta in der Ellipsometrie?

Sie beschreiben das Verhältnis zwischen der p- und der s-polarisierten Komponente des reflektierten Lichts: tan Psi ist das Amplitudenverhältnis und Delta die Phasendifferenz. Beide ändern sich mit Schichtdicke und optischen Konstanten, daher werden Dicke und Brechungsindex durch Anpassung eines optischen Modells an sie bestimmt.

Warum ist die Ellipsometrie so gut bei sehr dünnen Schichten?

Die Phasendifferenz Delta ändert sich auch bei Schichten von wenigen Nanometern oder weniger deutlich. Da sie ein Verhältnis zweier Polarisationskomponenten misst, ist sie zudem unempfindlich gegen Schwankungen der Lichtquellenintensität und braucht keine Referenzprobe.

Wie bestimmt die spektrale Reflektometrie die Dicke?

Licht, das an der Oberseite der Schicht reflektiert wird, interferiert mit Licht, das an der darunterliegenden Grenzfläche reflektiert wird, sodass manche Wellenlängen verstärkt und andere abgeschwächt werden. Dickere Schichten ergeben enger liegende Streifen, daher lässt sich die Dicke aus dem Reflexionsspektrum bestimmen. Es ist derselbe Effekt, der Oxid auf Silizium farbig erscheinen lässt.

Wie weit kann man der gemessenen Dicke trauen?

Beide Methoden sind indirekt: Sie passen ein optisches Modell an. Sind der angenommene Schichtaufbau oder die optischen Konstanten falsch, ist auch das Ergebnis falsch. Bei einer neuen Schicht wird das Modell meist zuerst mit einem TEM-Querschnitt oder mit Röntgenreflektometrie (XRR) abgeglichen.

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Was wird mit der Ellipsometrie (spektroskopische Ellipsometrie) hauptsächlich gemessen?

  1. ADer Widerstand bei Stromfluss durch die Probe
  2. BSchichtdicke und Brechungsindex dünner Schichten, bestimmt aus der Änderung des Polarisationszustands des reflektierten Lichts
  3. CDas Massenspektrum einer mit Ionen abgetragenen Probe
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Antwort: B. Schichtdicke und Brechungsindex dünner Schichten, bestimmt aus der Änderung des Polarisationszustands des reflektierten Lichts

Bei der Ellipsometrie wird polarisiertes Licht schräg eingestrahlt, das Amplitudenverhältnis (tanΨ) und die Phasendifferenz (Δ) von p- und s-polarisiertem reflektiertem Licht werden gemessen und durch Anpassung an mit einem optischen Modell berechnete Werte Schichtdicke und Brechungsindex bestimmt. Die spektroskopische Ellipsometrie mit wechselnder Wellenlänge kann auch Mehrschichtsysteme analysieren und erreicht eine Reproduzierbarkeit unter 0,1 nm. Da sie berührungslos und zerstörungsfrei ist, wird sie breit zur Dickenkontrolle von Oxidschichten usw. eingesetzt. Widerstand und Massenspektrum werden nicht gemessen.

Warum erscheinen Oxidfilme auf Silizium je nach Dicke in verschiedenen Farben?

  1. AWegen der Farbe der im Oxidfilm enthaltenen Störstellen
  2. BWegen der Interferenz des an Vorder- und Rückseite (der Grenzfläche zum Silizium) des Oxidfilms reflektierten Lichts
  3. CWeil der Oxidfilm selbst Licht emittiert
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Antwort: B. Wegen der Interferenz des an Vorder- und Rückseite (der Grenzfläche zum Silizium) des Oxidfilms reflektierten Lichts

SiO2 selbst ist transparent, doch das an der Oberfläche des Films reflektierte Licht und das an der Grenzfläche zum Silizium reflektierte Licht interferieren, sodass je nach Filmdicke bestimmte Wellenlängen (Farben) verstärkt erscheinen. Bei etwa 100 nm erscheint z. B. Braun bis Violett, bei etwa 300 nm Blau und bei etwa 500 nm Grünlich; dieselben Farben wiederholen sich periodisch mit der Dicke. Da man aus der Farbe die ungefähre Dicke erkennt, wurde früher mit einer Farbtabelle geprüft. Für präzise Messungen werden Ellipsometrie oder spektrale Interferenz verwendet.

Welches Verfahren bestimmt Dicke und Dichte dünner Schichten aus den Oszillationen der Reflektivität bei Röntgeneinstrahlung unter sehr flachem Winkel?

  1. ASIMS
  2. BRöntgenreflektometrie (XRR)
  3. CVierspitzenmessung
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Antwort: B. Röntgenreflektometrie (XRR)

Bei XRR wird die Reflektivität bei flachem Einfallswinkel der Röntgenstrahlen unter Variation des Winkels gemessen. Da an Oberfläche und Grenzfläche der Schicht reflektierte Röntgenstrahlen interferieren, oszilliert die Reflektivität; aus der Periode folgt die Schichtdicke, aus dem kritischen Winkel der Totalreflexion die Dichte der Schicht und aus der Dämpfung der Oszillation die Grenzflächenrauheit. Da ohne Annahme optischer Konstanten gemessen werden kann, eignet sich XRR für die Bewertung extrem dünner Schichten von einigen nm. SIMS und Vierspitzenmessung messen andere Größen.

  1. Welche Methode misst die Dicke einer niedrig dotierten Epischicht auf einem hochdotierten Substrat mittels Interferenz von Infrarotlicht?
  2. Wie heißen Wafer, die zur Anlagenzustandsprüfung oder Schichtdickenmessung getrennt von Produkten durch den Prozess geschickt werden?

Übungsfragen zu Messtechnik und Analytik

Wichtige Begriffe erklärt

Ellipsometrie
Messverfahren, das Schichtdicke und Brechungsindex einer Dünnschicht aus der Änderung des Polarisationszustands von polarisiert eingestrahltem, reflektiertem Licht bestimmt. Zerstörungsfrei.
Brechungsindex
Lichtgeschwindigkeit im Vakuum geteilt durch die Lichtgeschwindigkeit in einem Material. Bei 1,55 µm Wellenlänge beträgt er für Silizium etwa 3,48 und für Oxid (SiO2) etwa 1,45; je größer dieser Unterschied, desto stärker lässt sich Licht in einem kleinen Wellenleiter einschließen.
Thermische Oxidation
Verfahren, bei dem Silizium in Sauerstoff oder Wasserdampf erhitzt wird und an der Oberfläche eine SiO2-Schicht entsteht. Man unterscheidet trockene und nasse Oxidation.
Natives Oxid
Dünne Oxidschicht von etwa 1 nm Dicke, die sich auf Silizium durch Kontakt mit Luft oder Wasser von selbst bildet. Sie erhöht den Kontaktwiderstand und behindert epitaktisches Wachstum und wird daher unmittelbar vor dem betreffenden Schritt entfernt.
Fotolack (Photoresist)
Lichtempfindliches Material, dessen Löslichkeit im Entwickler sich unter Licht ändert. Beim Positivlack löst sich der belichtete Bereich, beim Negativlack bleibt er stehen.
CMP (chemisch-mechanisches Polieren)
Chemisch-mechanisches Polieren. Die chemische Wirkung der Slurry und das mechanische Polieren durch das Pad werden kombiniert, um die Waferoberfläche zu planarisieren.
Monitor-Wafer
Wafer, der getrennt von Produktwafern durch den Prozess läuft, um z. B. den Anlagenzustand, Schichtdicken und Partikel zu messen. Auch Testwafer genannt. Nach Gebrauch werden die Schichten entfernt und der Wafer neu poliert, meist als Reclaim-Wafer wiederverwendet.

Verwandte Vergleiche