秦凱亮 饒張飛 金紅霞 薛 棟

(西安微電子技術(shù)研究所，陜西西安 71000)

1 引 言

關(guān)鍵尺寸(Critical Dimension，簡稱CD)在集成電路光掩膜制造或光刻工藝中為評估及控制工藝的圖形處理精度，特設(shè)計(jì)一種反映集成電路特征線條寬度的專用線條圖形。半導(dǎo)體晶圓制造工藝中關(guān)鍵尺寸變化量是反應(yīng)工藝穩(wěn)定性的重要參數(shù)。關(guān)鍵尺寸掃描電子顯微鏡(CD-SEM)是晶圓級(jí)的掃描電子顯微鏡，在半導(dǎo)體制造中，用于半導(dǎo)體晶圓制備工藝過程中的光刻及刻蝕后關(guān)鍵尺寸測量，是檢驗(yàn)半導(dǎo)體制造工藝制程是否已到達(dá)相關(guān)要求的關(guān)鍵技術(shù)手段。其基本原理是將電子加壓后逐點(diǎn)掃描樣品表面，電子束與樣品表面相互作用后產(chǎn)生二次電子和二階電子等信號(hào)，受激發(fā)電子的數(shù)量與樣品表面結(jié)構(gòu)有關(guān)，通過收集放大激發(fā)信號(hào)來表征樣品形貌。使用CD-SEM測量時(shí)掃描圖像易產(chǎn)生畸變、放大倍率誤差較大，因此需經(jīng)常進(jìn)行校準(zhǔn)及調(diào)整，其精度直接取決于校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)在待測尺寸附近的精度。

CD-SEM的校準(zhǔn)主要采用傳遞校準(zhǔn)法，通過關(guān)鍵尺寸標(biāo)準(zhǔn)樣板對各測量設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)，再通過關(guān)鍵尺寸標(biāo)準(zhǔn)樣板溯源至國家標(biāo)準(zhǔn)和SI基本單位。關(guān)鍵尺寸(CD)標(biāo)準(zhǔn)其主要包括：節(jié)距(1D柵格)標(biāo)準(zhǔn)、線寬標(biāo)準(zhǔn)、直徑標(biāo)準(zhǔn)等。CD標(biāo)準(zhǔn)樣板可通過校準(zhǔn)的原子力顯微鏡(C-AFM)溯源之SI長度單位。節(jié)距(1D柵格)標(biāo)準(zhǔn)樣板一般用于校準(zhǔn)關(guān)鍵尺寸掃描電子顯微鏡(CD-SEM)，因?yàn)椴捎镁€寬標(biāo)準(zhǔn)或直徑標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生共模誤差，而采用節(jié)距(1D柵格)標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)時(shí)可有效消除共模誤差。

2 校準(zhǔn)方法及原理

測量系統(tǒng)的分析通常包括五個(gè)部分:偏差、重復(fù)性、再現(xiàn)性、穩(wěn)定性和線性。偏差的定義是觀測值的平均值與標(biāo)準(zhǔn)的參考值之間的差值，是關(guān)鍵尺寸掃描電子顯微鏡(CD-SEM)校準(zhǔn)時(shí)的主要對象。使用一維柵格標(biāo)準(zhǔn)對CD-SEM進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)差主要取決于4個(gè)方面：①CD-SEM儀器的噪音；②一維柵格標(biāo)準(zhǔn)的均勻性；③一維柵格標(biāo)準(zhǔn)的線邊緣粗糙度；④使用CD-SEM測量CD標(biāo)準(zhǔn)時(shí)電子束對CD標(biāo)準(zhǔn)造成的污染。因此，在使用CD標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)CD-SEM時(shí)，如何有效降低測量時(shí)CD-SEM和標(biāo)準(zhǔn)樣板質(zhì)量屬性對測量結(jié)果的影響，及確定標(biāo)準(zhǔn)樣板同一位置受到污染前可以用于校準(zhǔn)的最大次數(shù)，是實(shí)現(xiàn)CD-SEM準(zhǔn)確校準(zhǔn)的前提。下面本文將從以下兩方面進(jìn)行分析。

2.1 降低測量時(shí)CD-SEM和標(biāo)準(zhǔn)樣板質(zhì)量屬性對測量結(jié)果影響的方法

使用CD標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)CD-SEM偏差時(shí)，測量值一般采用多次測量的平均值，假設(shè)測量了

N

個(gè)周期(

L

,

L

，…

L

)。則測量結(jié)果最好的估計(jì)是平均值，其平均值按公式(1)計(jì)算。

(1)

標(biāo)準(zhǔn)差按公式(2)計(jì)算。

(2)

式中：

σ

-1—線間距測量值的標(biāo)準(zhǔn)差；

標(biāo)準(zhǔn)不確定度按公式(3)計(jì)算。

(3)

公式：

u

—線間距測量值的標(biāo)準(zhǔn)不確定度；通過公式(3)可知，當(dāng)測量次數(shù)

N

一定時(shí)，如果標(biāo)準(zhǔn)差

σ

越小，則測量不確定度

u

越小。

擴(kuò)展不確定度按公式(4)計(jì)算。

U

=

u

t

(4)

式中：

U

—擴(kuò)展不確定度，

t

—置信度為

P

的

t

分布的值，自由度為

n

-1。置信度

P

用百分比表示，其典型的置信度

P

=95

%

。

通過公式(3)及公式(4)可得:

(5)

從公式(5)可知，標(biāo)準(zhǔn)偏差

σ

越小，為了獲得同樣期望的擴(kuò)展不確定度

U

，所需的測量次數(shù)就越少。較少的測量延長了標(biāo)準(zhǔn)的使用壽命，因?yàn)殡娮邮鴾y量時(shí)會(huì)誘導(dǎo)碳?xì)浠衔锍练e使標(biāo)準(zhǔn)樣板受到污染。因此，小的標(biāo)準(zhǔn)偏差

σ

是以最小的樣品損傷獲得快速、準(zhǔn)確校準(zhǔn)的關(guān)鍵。

通過上述分析可知，在使用標(biāo)準(zhǔn)樣板校準(zhǔn)CD-SEM時(shí)，通過測量標(biāo)準(zhǔn)樣板內(nèi)幾個(gè)相鄰節(jié)距(pitch)對應(yīng)的距離，將測量的距離除以被測節(jié)距的數(shù)目，可以降低由于線邊緣粗糙度和儀器噪聲引起的測量不確定度。另一方面，通過增加測量位置的數(shù)目，可降低樣品間距不均勻性引起的測量不確定度。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)樣板同一位置可以用于校準(zhǔn)的最大次數(shù)

使用標(biāo)準(zhǔn)樣板校準(zhǔn)CD-SEM時(shí)，由于電子束測量時(shí)會(huì)誘導(dǎo)碳?xì)浠衔锍练e使標(biāo)準(zhǔn)樣板受到污染。標(biāo)準(zhǔn)樣板同一位置可用于校準(zhǔn)的測量次數(shù)，將直接影響使用標(biāo)準(zhǔn)樣板校準(zhǔn)CD-SEM結(jié)果的準(zhǔn)確性。為確定標(biāo)準(zhǔn)樣板同一位置可用于校準(zhǔn)的最大測量次數(shù)，本文通過使用Hitachi S9830 CD-SEM,電壓800V、電流10pA，在同一位置連續(xù)測量10個(gè)相鄰節(jié)距(pitch)5000次，測量邊緣檢測使用50%閾值的算法，進(jìn)行定量實(shí)驗(yàn)分析。由于，Hitachi S9830 CD-SEM在連續(xù)測量模式下，電子束積累發(fā)射頻率約166.7次/min，因此5000次測量可等效為30min，測量結(jié)果見表1。

表1 CD-SEM測量結(jié)果

通過上述測量可以看出，長時(shí)間的測量會(huì)導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)樣板節(jié)距的線條變寬。如圖1(b)所示，經(jīng)過90s(即：250次)測量后已很明顯。經(jīng)過10min(即：1667次)測量后，臨界尺寸(CD)和線邊緣粗糙度(LER)發(fā)生了明顯變化如圖1(c)所示。經(jīng)過25min(即：4167次)測量之后，標(biāo)準(zhǔn)樣板的CD和LER已嚴(yán)重退化,如圖1(d)所示。由于線條都以相同的速度加寬，所以在測量時(shí)CD的變化抵消了。因此由表1數(shù)據(jù)可以看出，由50%閾值的邊緣檢測算法確定的周期值仍然相同。當(dāng)約30min(即：5000次)測量之后標(biāo)準(zhǔn)樣板的線邊緣開始彼此合并，無法有效界定臨界尺寸(CD)和線邊。

圖1 CD-SEM測量結(jié)果

基于上述實(shí)驗(yàn)分析，得出以下結(jié)論:①一維柵格標(biāo)準(zhǔn)的測量結(jié)果不會(huì)明顯受到電子束污染的影響；②使用CD-SEM測量一維柵格時(shí)，在其允許誤差范圍內(nèi)至少可進(jìn)行4000次測量。③經(jīng)過250次左右的測量，標(biāo)準(zhǔn)樣板被測區(qū)域有明顯的退化，但不會(huì)影響測量結(jié)果。

當(dāng)使用標(biāo)準(zhǔn)樣板校準(zhǔn)CD-SEM時(shí)，一般采用自動(dòng)模式，掃描電鏡將光束重新定位到同一位置的能力受其定位精度的限制。因此，建議同一位置的測量次數(shù)保守地設(shè)定為不超過250次。同時(shí)結(jié)合降低測量時(shí)CD-SEM和標(biāo)準(zhǔn)樣板質(zhì)量屬性對測量結(jié)果影響的方法分析，建議取10次測量的平均值。因此，使用標(biāo)準(zhǔn)樣板校準(zhǔn)CD-SEM時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)樣板認(rèn)證區(qū)域內(nèi)的任何一個(gè)區(qū)可最多進(jìn)行25次校準(zhǔn)。

3 CD-SEM校準(zhǔn)及校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度評定

3.1 CD-SEM校準(zhǔn)

采用VLSI公司的6英寸100nm晶圓級(jí)一維柵格標(biāo)準(zhǔn)樣板校準(zhǔn)Hitachi S9830 CD-SEM。校準(zhǔn)時(shí)，依據(jù)6英寸生產(chǎn)線使用的CD-SEM測量關(guān)鍵尺寸時(shí)的相關(guān)條件，將CD-SEM的測試電壓設(shè)置為800V、電流設(shè)置為10pA、放大倍數(shù)100K，并按以下步驟進(jìn)行校準(zhǔn)：

(1)將標(biāo)準(zhǔn)樣板固定在CD-SEM樣品臺(tái)上，運(yùn)行CD-SEM自動(dòng)裝載樣板。通過調(diào)節(jié)

X

、

Y

方向位置及CD-SEM放大倍數(shù)，找到圖2所示的標(biāo)準(zhǔn)樣板測試區(qū)域。旋轉(zhuǎn)樣板使柵格的線條沿著豎直方向，柵格間距的測量方向沿著圖像的

X

軸。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)樣板示意圖

(2)調(diào)整CD-SEM放大倍數(shù)，使屏幕能夠顯示10～11個(gè)完成周期，對圖像上

X

方向的10個(gè)線距進(jìn)行測量，如圖3所示。重復(fù)測量10次(每次測量需重新掃描)，測量時(shí)使用儀器的自動(dòng)圖像掃描功能，測量時(shí)邊沿算法采用CD-SEM自動(dòng)測量算法，避免人員操作引入的影響。校準(zhǔn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 校準(zhǔn)數(shù)據(jù)

圖3 測量示意圖

3.2 不確定度評定

3.2.1 使用標(biāo)準(zhǔn)樣板校準(zhǔn)CD-SEM的測量模型

測量模型見公式(6)

Δ

=

L

-

L

(6)

式中：

Δ

——示值誤差，nm；

L

——CD-SEM測量值，nm；

L

——標(biāo)準(zhǔn)樣板標(biāo)稱值，nm。式(6)中，

L

、

L

之間互相獨(dú)立。

3.3.2

不確定度來源a)標(biāo)準(zhǔn)樣板的校準(zhǔn)值引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量

u

；b)溫度變化引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量

u

；c)CD-SEM測量分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量

u

；d)測量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量

u

。

3.3.3

不確定度分析和評定a)由標(biāo)準(zhǔn)樣板的校準(zhǔn)值引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量

u

通過校準(zhǔn)證書得知，校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)樣板時(shí)校準(zhǔn)結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

U

=0

.

6nm,

k

=2，則

(7)

b)溫度變化引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量

u

室內(nèi)溫度20℃±2℃,晶圓標(biāo)準(zhǔn)熱膨脹系數(shù)為6×10℃,因此溫度變化引入的不確定度可以忽略。

c)CD-SEM測量分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量

u

(8)

d)測量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量

u

被校設(shè)備的重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，按A類評定，用統(tǒng)計(jì)法得出。

用CD-SEM重復(fù)測量標(biāo)準(zhǔn)樣板10次，得到10個(gè)觀測值，測量數(shù)量見表3。CD-SEM的重復(fù)性用測量平均值的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差

S

(

L

)表征。

表3 重復(fù)性測量數(shù)據(jù)

平均值：

使用貝塞爾公式計(jì)算單次標(biāo)準(zhǔn)偏差：

=0

.

008nm

因此

3.3.4

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度按公式(9)計(jì)算。

(9)

u

=0

.

31nm

3.2.5

擴(kuò)展不確定度取包含因子

k

=2，則擴(kuò)展不確定度按公式(10)計(jì)算。

U

=

ku

(10)

U

=0

.

62nm

4 CD-SEM符合性評價(jià)

使用標(biāo)準(zhǔn)樣板校準(zhǔn)CD-SEM時(shí)，僅對CD-SEM的測量誤差進(jìn)行了評估，而未對CD-SEM的校準(zhǔn)因子進(jìn)行調(diào)整。由于調(diào)整CD-SEM的校準(zhǔn)因子后，CD-SEM的測量結(jié)果會(huì)發(fā)生基線偏移，會(huì)使得通過統(tǒng)計(jì)過程控制圖(SPC)跟蹤半導(dǎo)體產(chǎn)品質(zhì)量變得復(fù)雜。因此，在實(shí)際應(yīng)用中通常需要通過校準(zhǔn)結(jié)果對CD-SEM是否滿足預(yù)期使用要求進(jìn)行符合性評價(jià)，當(dāng)校準(zhǔn)結(jié)果不滿足預(yù)期使用要求時(shí)，對CD-SEM進(jìn)行重新調(diào)整。

使用校準(zhǔn)結(jié)果對CD-SEM進(jìn)行符合性判定時(shí)，不確定度對符合性判定會(huì)產(chǎn)生影響。依據(jù)CNAS-GL015《聲明檢測和校準(zhǔn)結(jié)果及與規(guī)范符合性的指南》，本文在引入測量不確定度后，通過以下方法對CD-SEM進(jìn)行符合性評價(jià)。

如圖4所示，當(dāng)增加了測量不確定度的影響后，符合性判定規(guī)則將發(fā)生改變，增加了不確定區(qū)域，縮小了合格區(qū)域和不合格區(qū)域。CD-SEM校準(zhǔn)結(jié)果的完全表述為：

L

=

L

±

U

；其中

L

：校準(zhǔn)結(jié)果；

U

擴(kuò)展不確定度。則判斷規(guī)則如下：

圖4 不確定區(qū)域

①當(dāng)校準(zhǔn)結(jié)果

LSL

+

U

<

L

<

USL

-

U

，即

L

在圖4所示的3合格區(qū)域內(nèi)時(shí)，滿足使用要求；②當(dāng)校準(zhǔn)結(jié)果

L

<

LSL

-

U

或

L

>

USL

+

U

，即

L

在圖4所示的4不合格區(qū)域內(nèi)時(shí)，不滿足使用要求；③當(dāng)校準(zhǔn)結(jié)果

L

-

U

<

LSL

<

L

+

U

或

L

-

U

<

USL

<

L

+

U

，即

L

在圖4所示的不確定區(qū)域內(nèi)時(shí)，則既不能判定為滿足使用要求，也不能判定為不滿足使用要求，需根據(jù)實(shí)際使用情況進(jìn)行判定。在實(shí)際應(yīng)用中為確保CD-SEM測量結(jié)果的可靠性及一致性，僅當(dāng)校準(zhǔn)結(jié)果滿足上述判斷規(guī)則①時(shí)，即完全滿足使用要求時(shí)，CD-SEM不需要重新進(jìn)行調(diào)整，否則使用包含因子

k

進(jìn)行校正。

(14)

通過表1及式(13)可知：

L

=99.616nm；

U

=0.62nm。因此，Hitachi S9830 CD-SEM校準(zhǔn)結(jié)果為

L

=99.616nm±0.62nm。根據(jù)Hitachi S9830 CD-SEM的技術(shù)說明書可知，其在100nm測量時(shí)的準(zhǔn)確度為1

%

，則最大允許誤差

MPE

=1nm，校準(zhǔn)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)樣片標(biāo)準(zhǔn)值為

L

=99.86nm，則：

(15)

(16)

可得：

LSL

+

U

=99

.

48nm<

L

=99

.

616nm<

USL

-

U

=100

.

24nm

(17)

因此，本文中基于100nm標(biāo)準(zhǔn)樣板校準(zhǔn)Hitachi S9830 CD-SEM的結(jié)果表明，其校準(zhǔn)結(jié)果完全滿足判斷規(guī)則①要求，CD-SEM測量關(guān)鍵尺寸時(shí)的準(zhǔn)確度很高，滿足使用要求，無需進(jìn)行調(diào)整。

5 結(jié)束語

關(guān)鍵尺寸掃描電子顯微鏡(CD-SEM)是半導(dǎo)體制備工藝過程中的關(guān)鍵測量設(shè)備，在使用標(biāo)準(zhǔn)樣板對CD-SEM進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)樣板的選擇應(yīng)根據(jù)工藝過程中的常用值選擇一個(gè)或多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣板進(jìn)行校準(zhǔn)。本文提出的使用標(biāo)準(zhǔn)樣板校準(zhǔn)CD-SEM時(shí)的建議方法(①建議測量標(biāo)準(zhǔn)樣板10個(gè)周期的值，計(jì)算得單個(gè)周期值；②重復(fù)測量10次取平均值；③在標(biāo)準(zhǔn)樣板同一位置的測量次數(shù)設(shè)定為不超過250次，即標(biāo)準(zhǔn)樣板認(rèn)證區(qū)域內(nèi)的任何一個(gè)區(qū)可最多進(jìn)行25次校準(zhǔn))及使用100nm標(biāo)準(zhǔn)樣板對CD-SEM進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)的過程、校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度評定和CD-SEM符合性評價(jià)方法，同樣適用于使用其它標(biāo)準(zhǔn)樣板校準(zhǔn)、評價(jià)CD-SEM或SEM。