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Systematic analysis of the impact of line-edge roughness on the X-ray scattering pattern
Fernández Herrero, Analía
Increasing miniaturization and complexity of nanostructures, e.g. in semiconductor industry, requires innovative metrology solutions with high throughput that can assess complex 3D structures and their imperfections in a non-destructive manner. Measurement techniques based on light-structure interaction are perfectly suitable for this purpose. Here, grazing incidence scattering techniques from the X-ray to the EUV region are investigated for the characterization of nanostructured surfaces emphasising the imprint of imperfections on the scattering pattern. Roughness is produced at different stages of the manufacturing process and affects the performance of the features. Numerous reports on the determination of dimensional parameters of nanostructures from scattering highlight the impact of roughness on the characterization of the same. In lamellar gratings the randomly distributed variation of the edges of the line is known as line-edge roughness. To quantify line-edge roughness, semi-analytical theories derived for binary gratings have already been reported. However, their applicability for the characterization of roughness from real samples using grazing-incidence techniques has not been proved. In this thesis the effect of roughness on the diffracted intensities is systematically analysed by using a dedicated set of samples formed by periodic nanostructures with a well-defined roughness distribution.
To extract the dimensional parameters of nanostructures from scattering patterns, a forward model is constructed and optimized. New procedures are developed for the complete numerical simulation of all aspects of the experiments. It is shown, that this is essential for the realistic derivation of parameter uncertainties. Moreover, the application limits of the Debye-Waller factor for the quantification of line-edge roughness in three-dimensional structures have been defined. The investigation of different types and distribution of line-edge roughness using grazing-incidence small angle X-ray scattering (GISAXS) and EUV small angle scattering reveals a strong correlation between the type of line roughness and the angular scattering distribution. The distinct diffuse scattering patterns open new paths for the unequivocal characterization of periodic nanostructures. Moreover, EUV scatterometry allows the investigation of smaller areas than GISAXS and is more robust to certain parameters, such as the divergence of the photon beam. Finally, to improve the characterization of the complex structures of the next-generation nm-features using EUV and soft X rays, the combination of fluorescence and scattering is proposed. In this regard, a new set-up is developed to further exploit this hybrid method.
Die zunehmende Miniaturisierung und Komplexität von Nanostrukturen, z. B. in der Halbleiterindustrie, erfordert innovative Messtechniken, die komplexe 3D-Strukturen und deren Imperfektionen zerstörungsfrei untersuchen können. Messverfahren, die auf der Wechselwirkung von Licht mit Strukturen basieren, sind für diesen Zweck ideal geeignet, da sie berührungslos und prinzipiell sehr schnell sind. Hier werden Lichtstreutechniken unter streifendem Einfallswinkel mit Röntgen-und EUV-Strahlung für die Charakterisierung von nanostrukturierten Oberflächen untersucht, wobei dem Einfluss von Imperfektionen auf das Streumuster besondere Aufmerksamkeit gewidmet wird. Eine wichtige Imperfektion ist Rauigkeit. Sie entsteht in verschiedenen Stufen des Herstellungsprozesses und beeinflusst letztendlich die Funktionsfähigkeit der Nanostrukturen, z. B. bei ihrer Anwendung in der Halbleiterindustrie. Bei lamellaren Gittern werden die zufällig verteilten Schwankungen der Linienkanten als line-edge roughness bezeichnet. Zahlreiche Forschungsarbeiten über die Untersuchung von Dimensionsparametern von Nanostrukturen mithilfe von Streulicht betonen den Einfluss der Rauigkeit auf deren Bestimmung. Zur Quantifizierung der Linienrauigkeit existieren analytische Theorien, die für binäre Gitter hergeleitet wurden. Ihre Anwendbarkeit für die Charakterisierung der Rauigkeit von dreidimensionalen Proben mittels Kleinwinkelstreuung wurde jedoch nicht gezeigt. Der Einfluss der Rauigkeit auf die Beugungsintensitäten wird in dieser Arbeit systematisch analysiert, unter anderem mit einem speziell für diesen Zweck hergestellten Probensatz, der aus periodischen Nanostrukturen mit wohldefinierten Rauigkeitsverteilungen besteht.
Um aus den gemessenen Streumustern die dimensionellen Größen zu bestimmen, wird ein Vorwärtsmodell konstruiert und optimiert. Neue Verfahren für die vollständige numerische Simulation aller Aspekte des Experiments werden entwickelt. Es wird gezeigt, dass dies unverzichtbar für die Bestimmung realistischer Parameterunsicherheiten ist. Im Rahmen dieser Arbeit werden die Anwendungsgrenzen der bisher verwendeten Beschreibungen des Rauigkeitseinflusses für dreidimensionale Oberflächen ausgelotet. Innerhalb bestimmter Bereiche liefert der Debye-Waller-Faktor eine gute Beschreibung des Einflusses der Rauigkeit auf die Bestimmung der geometrischen Strukturparameter. Die Untersuchung verschiedener Arten und Verteilungen von Linienkantenrauhigkeiten mittels Röntgenstreuung unter streifendem Einfall (GISAXS) und EUV-Kleinwinkelstreuung zeigt einen klaren Zusammenhang zwischen der Art der Linienrauigkeit und der Winkelverteilung der Streuintensität. Die ausgeprägten diffusen Streumuster ermöglichen eine eindeutige Klassifizierung der Kantenrauigkeit. Außerdem erlaubt EUV-Scatterometrie die Untersuchung kleinerer Bereiche als GISAXS und ist robuster gegenüber bestimmten Parametern, wie z. B. der Divergenz des Photonenstrahls. Die Kombination von Fluoreszenz- und Streumessungen im weichen Röntgen- und EUV-Energiebereich ist eine aussichtsreiche Methode für die Charakterisierung von nanometergroßen Bauelementen der nächsten Generation. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein experimenteller Aufbau erstellt, um das Potenzial dieser hybriden Messmethode zu untersuchen.
