李幸和

（中國電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇無錫214035）

接觸孔關(guān)鍵尺寸測量研究與工序能力提高

李幸和

（中國電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇無錫214035）

在集成電路制造業(yè)，對關(guān)鍵層次的CD（Critical Dimension，關(guān)鍵尺寸）測量是控制質(zhì)量的重要手段。廣泛采用統(tǒng)計(jì)過程控制SPC（Statistical Process Control）系統(tǒng)來控制工藝穩(wěn)定性。介紹了掃描電鏡的基本工作原理和常見問題，通過增加dummy site及選擇測量位置的方法降低充電效應(yīng)，以提高測量圖形質(zhì)量和CD測量精度。利用方差分析優(yōu)化測量設(shè)備參數(shù)，并利用回歸分析的方法對不同測量機(jī)臺進(jìn)行匹配，最終達(dá)到R2=0.99，實(shí)現(xiàn)了不同測試機(jī)臺的匹配，提高了孔層次的CPK （Process capacity index，工序能力指數(shù)）。這種工程技術(shù)和統(tǒng)計(jì)學(xué)結(jié)合的匹配優(yōu)化方法還可以進(jìn)一步擴(kuò)展到其他相同屬性不同類型的測量機(jī)臺的數(shù)據(jù)匹配上。

集成電路；關(guān)鍵尺寸；方差分析；回歸分析；均值檢驗(yàn)；匹配

1　引言

在大規(guī)模集成電路制造業(yè)中，對關(guān)鍵層次的CD測量是控制質(zhì)量的重要手段，測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確、反饋結(jié)果的及時與否都會影響到產(chǎn)品的各項(xiàng)電性參數(shù)以及最終的良品率。目前廣泛采用統(tǒng)計(jì)過程控制SPC系統(tǒng)來控制工藝穩(wěn)定性，更高級的會采用智能制程控制APC（Advanced Process Control），及時把前一道制程的變化傳遞給下一道，從而智能控制工藝表現(xiàn)，生產(chǎn)出良率更好的產(chǎn)品［1］。

CD-SEM作為CD的重要測量方式已經(jīng)在大規(guī)模集成電路制造生產(chǎn)線廣泛應(yīng)用多年，隨著工藝越來越先進(jìn)，CD越做越小，針對小于10 nm的尺寸，以及更多的薄膜層、更高的縱橫比（HAR）、更窄的間距，以及三維架構(gòu)的輪廓和形狀，CD-SEM技術(shù)也面臨著諸多挑戰(zhàn)［2］，更加先進(jìn)的測量方式諸如OCD（Optical Critical Dimension，光譜散射儀）與AFM（Atomic Force Microscope，原子力顯微鏡）也已經(jīng)被廣泛應(yīng)用［1，3］。但是SEM技術(shù)在近幾年還是取得了長足的進(jìn)步，CD-SEM仍然可以擔(dān)負(fù)22nm節(jié)點(diǎn)以下工藝的測量技術(shù)。

日本 Hitachi High-Technologies公司生產(chǎn)的S-9200和美國KLA-Tencor公司生產(chǎn)的8250 CD-SEM systems這兩種機(jī)臺都是國內(nèi)8英寸生產(chǎn)線的主流設(shè)備，其基本原理和測量能力接近，但是對圖形的處理上有細(xì)微差別。這種細(xì)微差別在接觸孔蝕刻后AEI （After Etch Inspection）CD的測量上尤為明顯，本文從這種差別出發(fā)，探索不同種類SEM機(jī)臺之間測量的匹配性問題，并藉此提高接觸孔AEI CD的工序能力。

2　SEM測量基礎(chǔ)

2.1SEM測量系統(tǒng)的基本構(gòu)成

SEM測量原理如圖1所示，顯微鏡在晶片正上方射出電子束，與晶片表面材料相作用，材料表面會產(chǎn)生X射線和二次電子，其中二次電子被接收機(jī)接收轉(zhuǎn)化成電信號，再由測量機(jī)臺處理轉(zhuǎn)化后的電信號并給出測量值。

圖1　SEM原理

2.2SEM信號數(shù)據(jù)處理

接收機(jī)處理后的電信號與實(shí)際圖形對應(yīng)關(guān)系如圖2所示。對于條形圖像來說，其縱切面一般為輕微的正梯形，信號在圖形頂部的法線方向達(dá)到最大值，而在圖形底部和頂部信號強(qiáng)度都比較弱。

接收機(jī)的電信號邊沿有很多毛刺不便于數(shù)據(jù)處理，信號經(jīng)過一次平滑處理后的毛刺現(xiàn)象將得到很大改善，圖3和圖4分別為平滑處理前后的信號圖。

圖2　SEM處理后的電信號與實(shí)際圖形對應(yīng)關(guān)系

圖3　平滑處理前的信號

圖4　平滑處理后的信號圖

SEM機(jī)臺對平滑后的電信號進(jìn)行處理得到CD測量值，影響CD測量值的因素有以下幾個方面。

（1）閾值設(shè)定（Threshold）：Threshold是CD-SEM測量中一個非常重要的參數(shù)，其基本定義為單側(cè)信號（Y軸）相對于信號最小處與最大處的位置，兩邊對應(yīng)X軸上的值之間的差值就是CD值，圖5顯示了Threshold設(shè)定為50%時CD所代表的意義。

圖5　閾值設(shè)定為50%時CD所代表的意義

（2）測量方向：前文提到信號在圖形頂部的法線方向達(dá)到最大值，而在圖形底部和頂部信號強(qiáng)度都比較弱，對單側(cè)信號峰來說，無論是從圖形底部往頂部還是從圖形頂部往底部，信號強(qiáng)度都是增加的，換成SEM測量的專業(yè)詞匯就是從里往外還是從外往里定義閾值。顯而易見，方向不同時，CD大小也會明顯不同。一般來說，對于線形圖形，一般定義是從外往里，對于孔圖形，一般定義從里往外。

（3）參考標(biāo)準(zhǔn)：實(shí)際上在一個半導(dǎo)體制造生產(chǎn)線新建的時候，會結(jié)合最終切片結(jié)果和電性指標(biāo)或者電子線寬去確定CD，然后根據(jù)這個CD值來確定測量方向和閾值設(shè)定。

（4）放大倍率：一般來講，放大倍率對CD測量的影響較小，對于200 nm的圖形，100 k與120 k的放大倍率測量值之間的差異在1 nm以內(nèi)，這個差別與重復(fù)測量的誤差接近，基本忽略不計(jì)。

（5）充電效應(yīng)（Charging Effect）：充電效應(yīng)已經(jīng)被業(yè)界廣泛研究過，引起充電效應(yīng)的原因主要來源于幾個方面：機(jī)臺設(shè)計(jì)差異導(dǎo)致對充電效應(yīng)的影響不同，測量結(jié)構(gòu)的不同導(dǎo)致充電效應(yīng)的影響不同，測量程式的設(shè)計(jì)也會對充電效應(yīng)帶來明顯影響。以下就從這幾個方面來討論充電效應(yīng)對接觸孔測量造成的影響。

3　充電效應(yīng)對接觸孔測量造成的影響

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，我們發(fā)現(xiàn)接觸孔的CD測量最容易發(fā)生充電效應(yīng)現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為CD的均勻性不好，SPC控制圖經(jīng)常出現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)差值超出規(guī)格線的情況，如圖6與圖7所示，均值和標(biāo)準(zhǔn)差任一項(xiàng)差超過規(guī)格線都會在兩張控制圖上標(biāo)記為“×”。

圖6　接觸孔CD均值控制圖

查看SEM圖片均發(fā)現(xiàn)接觸孔底發(fā)白，與正常圖片的對比如圖8和圖9所示。

正常情況下，如果發(fā)現(xiàn)明顯的充電效應(yīng)，晶片會被要求重新測量，重新測量后的數(shù)據(jù)將被收集作為最終數(shù)據(jù)。但是有更多時候，不太明顯的充電效應(yīng)并不會引起標(biāo)準(zhǔn)偏差超過控制線，但是收緊控制線來檢測充電效應(yīng)又不太合適，這樣導(dǎo)致的一個后果就是標(biāo)志工序能力的重要指標(biāo)Cpk總是不能達(dá)到1.67的目標(biāo)。

圖7　接觸孔CD標(biāo)準(zhǔn)差控制圖

圖8　發(fā)生充電效應(yīng)的SEM照片

圖9　正常未發(fā)生充電效應(yīng)的SEM照片

為了改善接觸孔測量的充電效應(yīng)，參照業(yè)界的研究成果，筆者進(jìn)行了以下改進(jìn)：

（1）優(yōu)化測量程式：一般SEM測量步驟大致分為以下幾步：光學(xué)對準(zhǔn)→Site1特征圖形識別→調(diào)整到合適倍率并自動對焦→Site1測量→保存Site1測量照片。接下來對Site2重復(fù)從“特征圖形識別”到“保存測量照片”之間的步驟直至所有Site測量結(jié)束。筆者通過觀察發(fā)現(xiàn)，在接觸孔測量的時候，如果第一個測量點(diǎn)的特征圖形識別比較慢的情況下非常容易發(fā)生接觸孔的充電效應(yīng)，究其原因可能是在特征圖形識別不夠順暢的情況下，多次電子掃描引起了晶片表面局部發(fā)生充電效應(yīng)。因此，筆者采取在第一個測量點(diǎn)前加一個假性測量點(diǎn)（Dummy Site）以優(yōu)化測量程式，這個點(diǎn)沒有測量步驟，僅僅是為了降低接下來正常的測量點(diǎn)發(fā)生充電效應(yīng)的機(jī)會。

（2）對于接觸孔層次，被測量的接觸孔主要有兩種類型，一種是開在柵極上的接觸孔，一種是開在有源區(qū)上的接觸孔，電子在對晶片表面進(jìn)行掃描的時候?qū)Ρ砻孢M(jìn)行充電（電荷），有源區(qū)的接觸孔上的電荷能夠比較容易地通過襯底導(dǎo)到基座，而柵極區(qū)的接觸孔因?yàn)闆]有放電通路，因而柵極上的接觸孔更容易發(fā)生充電效應(yīng)。因此可以要求工藝整合部門的工程師更改工藝手冊，對接觸孔只測量有源區(qū)部分，同時也保障實(shí)際上測量的就是有源區(qū)的接觸孔。

（3）生產(chǎn)線上有兩種類型的測量機(jī)臺，之前兩種SEM上分別測量不同的層次，接觸孔主要在KLA-Tencor公司生產(chǎn)的8250上進(jìn)行。某次測試時發(fā)現(xiàn)，接觸孔在Hitachi S-9200上的圖形質(zhì)量較8250更佳，研究后發(fā)現(xiàn)，兩種設(shè)備在測量“動作”原理上有很大區(qū)別：8250在找到測量位置后，對測量區(qū)域（測量程序事先定義）的二次電子信號進(jìn)行處理，得到測量數(shù)值后再拍照存檔（測量程序也可以定義不拍照）；Hitachi S-9200在測量時，找到測量位置后先對測量區(qū)域拍照，同時根據(jù)測量程式里定義好的閾值對圖形的邊界做好標(biāo)記，這個標(biāo)記也被保存在圖形上，對具體圖形來說線性圖形就是兩條平行線，孔就是一個圓，之后計(jì)算機(jī)對這個標(biāo)記進(jìn)行計(jì)算處理。如此，在Hitachi S-9200機(jī)臺上測試圖形被電子照射的時間比8250上短，充電效應(yīng)自然沒有8250嚴(yán)重。Hitachi S-9200保存的圖像如圖10所示，因此有了把接觸孔測量從8250轉(zhuǎn)到Hitachi S-9200的需求。

圖10　Hitachi CD-SEM圖像

但進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，Hitachi S-9200的測量結(jié)果與KLA-Tencor的8250并不一致，而且在比較大的范圍內(nèi)出現(xiàn)很大的偏差，對兩種類型的SEM在各個節(jié)點(diǎn)的測量數(shù)據(jù)畫散點(diǎn)圖（見圖11）并進(jìn)行方差分析，我們可以有初步的結(jié)論。圖11中擬合線不過對角線而且沿線分布不緊密，說明兩組數(shù)據(jù)之間有較大偏差，回歸分析報告圖（見圖12）顯示兩組數(shù)據(jù)強(qiáng)線性相關(guān)，但是兩組數(shù)據(jù)之間截距超過11 nm，不滿足SEM校準(zhǔn)與匹配的標(biāo)準(zhǔn)R2≥0.97且絕對值相差1 nm以內(nèi)的要求。介于其他層次的測量正常，對SEM機(jī)臺進(jìn)行的GRR檢測也處于正常比較高的水平。而且在大部分情況下，SEM校準(zhǔn)需要資深的專業(yè)人員來完成。當(dāng)然，這個成本也是非常高的。筆者需要采取合適的測量方法保證對接觸孔層次兩種類型SEM的測量結(jié)果匹配，同時也是本文所述工作中最重要的部分。

圖11　兩種SEM測量數(shù)據(jù)的散點(diǎn)圖

圖12　兩種SEM測量數(shù)據(jù)的回歸分析結(jié)果

4　不同種類SEM機(jī)臺之間測量的匹配性

為了保證兩側(cè)結(jié)果在較大范圍內(nèi)的匹配性，筆者準(zhǔn)備了一片 FEM Wafer，F(xiàn)EM（Focus and Energy Matrix，聚焦與曝光量矩陣）是通過改變光刻條件中的焦距和能量來改變CD的方法，用這個方法能在某個節(jié)點(diǎn)附近驗(yàn)證光刻與刻蝕工藝窗口，我們用這個方法產(chǎn)生盡可能大范圍的CD線寬。前文提過，Threshold 是CD-SEM測量的一個重要參數(shù)，筆者設(shè)計(jì)了集中不同的Threshold值，用這幾種Threshold設(shè)定對準(zhǔn)備好的晶片進(jìn)行多次測量，然后對每個節(jié)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行方差分析，箱線圖和方差分析結(jié)果如圖13和圖14所示。不難發(fā)現(xiàn)，Threshold設(shè)定為90%的那一組測量數(shù)據(jù)擁有最優(yōu)良的穩(wěn)定性。

圖13　不同Threshold的箱線圖

圖14　不同Threshold的方差分析

本著假設(shè)檢驗(yàn)先精確再準(zhǔn)確的原則，再找到一種最優(yōu)的Threshold設(shè)定，筆者按照這個設(shè)定對兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析，發(fā)現(xiàn)R2有了進(jìn)一步增加，而且數(shù)據(jù)點(diǎn)分布較先前的設(shè)定更加靠近擬合線，但是截距還是維持在11 nm左右，散點(diǎn)圖和方差分析結(jié)果如圖15與圖16所示。

圖15　90%Threshold測量數(shù)據(jù)的散點(diǎn)圖

HITACHI CD-SEM機(jī)臺可以通過Recipe設(shè)定里的AX+B功能對測量數(shù)據(jù)做Off-Set，對本文中的案例來說，可以選擇合適的A和B值實(shí)現(xiàn)兩組數(shù)據(jù)的結(jié)果匹配。添加-11 nm Off-Set后，Hitachi S-9200的測量結(jié)果已經(jīng)接近完美匹配KLA-Tencor的8250，散點(diǎn)圖和方差分析結(jié)果如圖17與圖18所示，滿足SEM校準(zhǔn)與匹配的標(biāo)準(zhǔn)R2≥0.97、且絕對值相差1 nm以內(nèi)的要求。

圖16　90%Threshold測量數(shù)據(jù)的回歸分析

圖17　Off-Set后測量數(shù)據(jù)的散點(diǎn)圖

圖18　Off-Set后測量數(shù)據(jù)的回歸分析

按照此設(shè)定，把接觸孔的測量從KLA-Tencor轉(zhuǎn)移到HITACHI CD-SEM并觀察一段時間，均值沒有明顯變化，如圖19，但是從圖20可以看出，測量數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差大大地改善了。

圖19　轉(zhuǎn)移到HITACHI SEM接觸孔CD均值控制圖

圖20　轉(zhuǎn)移到HITACHI SEM接觸孔CD標(biāo)準(zhǔn)偏差控制圖

5　結(jié)論

本文結(jié)合SEM測量機(jī)臺和原理、均值檢驗(yàn)、方差與回歸分析理論，實(shí)現(xiàn)不同類型的SEM測量的匹配，通過提高測量數(shù)據(jù)質(zhì)量提升了接觸孔層次的工序能力，實(shí)現(xiàn)了工程技術(shù)與統(tǒng)計(jì)分析技術(shù)的完美結(jié)合。此類方法還可以進(jìn)一步擴(kuò)展到其他相同屬性不同類型的測量機(jī)臺的數(shù)據(jù)匹配上，因而有著廣泛的實(shí)用價值。

［1］容勁文.大規(guī)模集成電路中關(guān)鍵尺寸測量方法與應(yīng)用的重要性研究［D］.北京大學(xué)碩士畢業(yè)論文，2013.

［2］Braun，A E.SEM還有未來嗎？［J］.集成電路應(yīng)用，2008，3. 032.

［3］E Braun.A CD-SEM如何與散射成像相互補(bǔ)充 ［J］.集成電路應(yīng)用，2009，（9）:20-23.

［4］黃怡，林益世，蔡博修，等.CDSEM校準(zhǔn)方法［P］. CN103591911A，2012-8-13.

［5］博，嚴(yán)，玢，薛，欣，楊，等.一種CDSEM校準(zhǔn)用樣品的制作方法［P］.CN101009236，2006-1-24.

Research on Contact Critical Dimension Measurement and Process Capability Improvement

LI Xinghe
（China Electronics Technology Group Corporation No.58 Research Institute，Wuxi 214035，China）

In integrated circuit manufacturing enterprises，critical dimension measurement and statistical process control are significant for quality control and process reliability.The paper at first overviews the working principle and issues of scanning electron microscope and highlights the charging effect reduction by adding dummy site and selecting the measurement locations.Then the paper optimizes measurement equipment parameters and matches different measurement machines，thereby enhancing the CPK.The matching optimization method combining the engineering and statistics can be further extended to data matching of various measurement machines.

IC；critical dimension；variance analysis；regression analysis；mean value test；matching

TN407

A

1681-1070（2016）08-0009-05

2016-5-6

李幸和（1982—），男，江蘇揚(yáng)州人，中國電子科技集團(tuán)公司第58研究所工程師，從事IC制造多年，主要研究方向?yàn)镮C工藝技術(shù)。