馮亞南 趙琳 李鎖印 韓志國(guó) 許曉青/中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所

0 引言

在半導(dǎo)體、微電子和納米制造領(lǐng)域中，線寬尺寸是衡量工藝水平的重要參數(shù)，在器件制作工藝過(guò)程中，線間距的使用非常廣泛。并且隨著器件特征尺寸的日益縮減，線條寬度變得越來(lái)越窄[1-2]。對(duì)各種線條寬度參數(shù)的精確、快速測(cè)定和控制，是保證器件質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率的重要手段。

微納米線間距尺寸測(cè)量類儀器應(yīng)用最廣泛的是原子力顯微鏡（AFM）和掃描電鏡(SEM)。AFM和SEM所獲得圖像的橫向分辨力相近。AFM可真實(shí)地得到樣品表面的形貌結(jié)構(gòu)圖像，圖像是真正的三維圖像，并能測(cè)量樣品的三維信息。SEM只能提供二維圖像，但其圖像有很大的景深，視野較大[3]。實(shí)際使用時(shí)可根據(jù)測(cè)量需求選擇合適儀器。掃描電鏡（CD-SEM）是具有自動(dòng)定位并測(cè)量線條功能的掃描電鏡，廣泛應(yīng)用在半導(dǎo)體生產(chǎn)線，用于線條寬度的監(jiān)控。

1 CD-SEM的測(cè)量原理

CD-SEM測(cè)量原理為：在高真空的環(huán)境下，通過(guò)電子槍加熱產(chǎn)生熱電子束，通過(guò)由電磁透鏡所組成的電子光學(xué)系統(tǒng)，電子束會(huì)聚后在樣品表面聚焦。在末級(jí)透鏡上的掃描線圈作用下，電子束在樣品表面進(jìn)行掃描。高能電子束與樣品相互作用產(chǎn)生二次電子置換，背反射電子，X射線等信號(hào)。這些信號(hào)分別被不同的接收器接收，經(jīng)放大后用來(lái)調(diào)制熒光屏的亮度。電子束打到樣品上一點(diǎn)時(shí)，在熒光屏上就有一亮點(diǎn)與之對(duì)應(yīng)，其亮度與激發(fā)后的電子能量成正比。SEM是采用逐點(diǎn)成像的圖像分解法進(jìn)行的，光點(diǎn)成像的順序是從左上方開(kāi)始到右下方，直到最后一行右下方的像元掃描完畢就算完成一幅圖像。來(lái)自樣品表層(數(shù)納米)的信號(hào)的二次電子(能量)較小，只有數(shù)十電子伏以下，它是SEM檢測(cè)出的主要信號(hào)。圖像被稱為二次電子圖像，它準(zhǔn)確地反映樣品表面的形貌(凹凸)特征，具有立體感的圖像[3]。通過(guò)專業(yè)量測(cè)軟件對(duì)需要量測(cè)的線條進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量原理如圖1所示。該設(shè)備含有樣片自動(dòng)傳輸系統(tǒng)、自動(dòng)調(diào)焦、圖形自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)、自動(dòng)定點(diǎn)測(cè)量、量測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)保存并上傳等先進(jìn)功能。

圖1 CD-SEM測(cè)量原理圖

2 線距標(biāo)準(zhǔn)樣片尺寸測(cè)量

本文采用掃描電鏡（CD-SEM）對(duì)VLSI線距標(biāo)準(zhǔn)樣片的線間距尺寸進(jìn)行測(cè)量。實(shí)驗(yàn)選擇樣品為VLSI購(gòu)買(mǎi)的線距標(biāo)準(zhǔn)樣片[4]，樣片信息如表1所示。

表1 VLSI標(biāo)準(zhǔn)樣片信息

2.1 測(cè)量實(shí)驗(yàn)

圖2 一維光柵測(cè)量圖片

圖3 二維格柵測(cè)量圖片

參照J(rèn)JF（軍工）103-2015《納米級(jí)形貌樣板校準(zhǔn)規(guī)范》中節(jié)距間距的算法使用自帶測(cè)量軟件對(duì)樣片規(guī)定的有效測(cè)量區(qū)域內(nèi)中心位置的多個(gè)周期線間距進(jìn)行測(cè)量，重復(fù)測(cè)量10次，并對(duì)測(cè)量結(jié)果求平均值作為該樣片尺寸的結(jié)果[5]。測(cè)量時(shí)使用儀器的自動(dòng)對(duì)焦和自動(dòng)掃描圖像功能，避免人為調(diào)節(jié)圖像引入的影響。測(cè)量結(jié)果如表2所示。

表2 CD-SEM測(cè)量結(jié)果

2.2 測(cè)量結(jié)果的不確定度評(píng)定

使用CD-SEM測(cè)量線距標(biāo)準(zhǔn)樣片線間距尺寸的不確定度分量主要包括[6]：圖像測(cè)量標(biāo)尺標(biāo)定引入的不確定度；線距標(biāo)準(zhǔn)樣片均勻性引入的不確定度；測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性引入的不確定度；溫度變化引入的不確定度。

下面逐次逐項(xiàng)分析。

1）圖像測(cè)量標(biāo)尺標(biāo)定引入的不確定度

CD-SEM測(cè)量是電子束轟擊樣品表面產(chǎn)生二次電子置換，再由光電信號(hào)轉(zhuǎn)換成像方式，測(cè)量軟件對(duì)所拍圖片的線間距進(jìn)行測(cè)量。標(biāo)定軟件測(cè)量標(biāo)尺的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)件不確定度分別為U= 0.6 nm（k= 2）和U= 6.0 nm（k= 2），兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)件分別對(duì)CD-SEM的不同倍率進(jìn)行標(biāo)定。則該不確定度分量為：

2）線距標(biāo)準(zhǔn)樣片均勻性引入的不確定度

“過(guò)去，老上海人有過(guò)‘南翔小籠饅頭配湖心亭茶’的傳統(tǒng)。當(dāng)時(shí)，因?yàn)楫?dāng)?shù)厝藧?ài)去茶館，吳翔升便把饅頭做小，放在小型竹籠格里蒸，作為茶點(diǎn)送到茶館。長(zhǎng)興館在九曲橋畔開(kāi)業(yè)后，一水之隔的湖心亭茶客，自然成了南翔小籠饅頭的擁躉。一籠一茶的搭配，可以說(shuō)是老上海生活方式的最佳體現(xiàn)。”在作家沈嘉祿的記憶中有著這樣一段豫園往事。

樣片均勻性是指在樣片測(cè)量范圍內(nèi)，線間距尺寸的變化。該值以9條測(cè)量線上線間距的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差進(jìn)行表征。經(jīng)測(cè)量，標(biāo)稱尺寸100 nm線間距的均勻性為0.4 nm、標(biāo)稱尺寸3 μm線間距的均勻性為6.5 nm、標(biāo)稱尺寸10 μm 線間距的均勻性為10.7 nm，則該不確定度分量為

100 nm：u3=0.4 nm

3 μm：u3=6.5 nm

10 μm：u3=10.7 nm

3）測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性引入的不確定度

定標(biāo)結(jié)果是以10次測(cè)量的平均值表示，以平均值的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差作為重復(fù)測(cè)量引入的不確定度，用10次重復(fù)安裝樣塊后的測(cè)量值計(jì)算實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差。標(biāo)稱尺寸100 nm線間距的重復(fù)性為0.2 nm、標(biāo)稱尺寸3 μm線間距的重復(fù)性為5.2 nm、標(biāo)稱尺寸10 μm線間距的重復(fù)性為8.8 nm，對(duì)樣片不同標(biāo)稱尺寸的線間距進(jìn)行重復(fù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)，分別計(jì)算實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差。

4）溫度變化引入的不確定度

測(cè)量時(shí)溫度的變化將導(dǎo)致樣塊的幾何尺寸發(fā)生變化，樣片線間距寬度為p，硅材料的膨脹系數(shù) 2.5×10-6℃-1，測(cè)量時(shí)溫度變化范圍控制在±3 ℃，按均勻分布估計(jì)，則該不確定度分量為

5）測(cè)量不確定度

擴(kuò)展不確定度k取2，U=2×uc

100 nm：U= 1.9 nm

3 μm：U= 0.02 μm

10 μm：U= 0.03 μm

2.3 測(cè)量結(jié)果比對(duì)

使用CD-SEM測(cè)量VLSI線距標(biāo)準(zhǔn)樣片的測(cè)量結(jié)果與樣片證書(shū)給出的標(biāo)準(zhǔn)值相比，100 nm線間距偏差為0.3 nm、3 μm線間距偏差為-0.02 μm、10 μm線間距偏差為-0.04 μm，測(cè)量不確定度相當(dāng)。比對(duì)結(jié)果如表3所示。

表3 CD-SEM測(cè)量結(jié)果與VLSI證書(shū)標(biāo)準(zhǔn)值比對(duì)

通過(guò)比對(duì)結(jié)果的En值能有效說(shuō)明比對(duì)結(jié)果的相互認(rèn)可度[7]，En值計(jì)算公式如式（1）所示：

式中：x1——CD-SEM測(cè)量結(jié)果；

x2——VLSI證書(shū)給出的測(cè)量結(jié)果；

U1——CD-SEM測(cè)量結(jié)果的擴(kuò)展不確定度；

U2——VLSI證書(shū)給出測(cè)量結(jié)果的擴(kuò)展不確定度

當(dāng)|En|≤1時(shí)，比對(duì)結(jié)果滿意，實(shí)驗(yàn)室之間的數(shù)據(jù)認(rèn)可通過(guò)。按照式（3）計(jì)算CD-SEM和VLSI證書(shū)給出測(cè)量結(jié)果的En值，結(jié)果列入表4中。

表4 En值計(jì)算結(jié)果

CD-SEM測(cè)量結(jié)果與VLSI測(cè)量結(jié)果的En值最大為-0.7，測(cè)量結(jié)果的一致性很高，由此可證明CD-SEM測(cè)量線間距的準(zhǔn)確度很高。

3 結(jié)語(yǔ)

CD-SEM具有高景深、非接觸、速度快等優(yōu)點(diǎn)。本文使用CD-SEM對(duì)VLSI線距標(biāo)準(zhǔn)樣片的線間距進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果與樣片證書(shū)給出的標(biāo)準(zhǔn)值相比，100 nm線寬偏差為0.3 nm、3 μm線間距偏差為-0.02 μm、10 μm線間距偏差為-0.04 μm，測(cè)量不確定度相當(dāng)。該測(cè)量結(jié)果與VLSI測(cè)量結(jié)果的En值最大為-0.7，由此表明CD-SEM測(cè)量線間距是可行的，并且在100 nm～10 μm范圍內(nèi)的測(cè)量準(zhǔn)確度也是很高的。