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(jiǎn)稱CD)在集成電路光掩膜制造或光刻工藝中為評(píng)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(cè)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(cè)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(cè)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(duì)各測(cè)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(cè)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(cè)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(duì)象。使用一維柵格標(biāo)準(zhǔn)對(duì)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(cè)量CD標(biāo)準(zhǔn)時(shí)電子束對(duì)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(cè)量時(shí)CD-SEM和標(biāo)準(zhǔn)樣板質(zhì)量屬性對(duì)測(cè)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(cè)量時(shí)CD-SEM和標(biāo)準(zhǔn)樣板質(zhì)量屬性對(duì)測(cè)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(cè)量值一般采用多次測(cè)量的平均值，假設(shè)測(cè)量了

N

個(gè)周期(

L

,

L

，…

L

)。則測(cè)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(cè)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(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)不確定度；通過公式(3)可知，當(dāng)測(cè)量次數(shù)

N

一定時(shí)，如果標(biāo)準(zhǔn)差

σ

越小，則測(cè)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(cè)量次數(shù)就越少。較少的測(cè)量延長了標(biāo)準(zhǔn)的使用壽命，因?yàn)殡娮邮鴾y(cè)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(cè)量標(biāo)準(zhǔn)樣板內(nèi)幾個(gè)相鄰節(jié)距(pitch)對(duì)應(yīng)的距離，將測(cè)量的距離除以被測(cè)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(cè)量不確定度。另一方面，通過增加測(cè)量位置的數(shù)目，可降低樣品間距不均勻性引起的測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量10個(gè)相鄰節(jié)距(pitch)5000次，測(cè)量邊緣檢測(cè)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(cè)量模式下，電子束積累發(fā)射頻率約166.7次/min，因此5000次測(cè)量可等效為30min，測(cè)量結(jié)果見表1。

表1 CD-SEM測(cè)量結(jié)果

通過上述測(cè)量可以看出，長時(shí)間的測(cè)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(cè)量后已很明顯。經(jīng)過10min(即：1667次)測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)算法確定的周期值仍然相同。當(dāng)約30min(即：5000次)測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量。③經(jīng)過250次左右的測(cè)量，標(biāo)準(zhǔn)樣板被測(cè)區(qū)域有明顯的退化，但不會(huì)影響測(cè)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(cè)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(cè)量時(shí)CD-SEM和標(biāo)準(zhǔn)樣板質(zhì)量屬性對(duì)測(cè)量結(jié)果影響的方法分析，建議取10次測(cè)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(píng)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(cè)量關(guān)鍵尺寸時(shí)的相關(guān)條件，將CD-SEM的測(cè)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(cè)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(cè)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(duì)圖像上

X

方向的10個(gè)線距進(jìn)行測(cè)量，如圖3所示。重復(fù)測(cè)量10次(每次測(cè)量需重新掃描)，測(cè)量時(shí)使用儀器的自動(dòng)圖像掃描功能，測(cè)量時(shí)邊沿算法采用CD-SEM自動(dòng)測(cè)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(cè)量示意圖

3.2 不確定度評(píng)定

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

測(cè)量模型見公式(6)

Δ

=

L

-

L

(6)

式中：

Δ

——示值誤差，nm；

L

——CD-SEM測(cè)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(cè)量分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量

u

；d)測(cè)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(píng)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(cè)量分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量

u

(8)

d)測(cè)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(píng)定，用統(tǒng)計(jì)法得出。

用CD-SEM重復(fù)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)樣板10次，得到10個(gè)觀測(cè)值，測(cè)量數(shù)量見表3。CD-SEM的重復(fù)性用測(cè)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(cè)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(píng)價(jià)

使用標(biāo)準(zhǔn)樣板校準(zhǔn)CD-SEM時(shí)，僅對(duì)CD-SEM的測(cè)量誤差進(jìn)行了評(píng)估，而未對(duì)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(cè)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(duì)CD-SEM是否滿足預(yù)期使用要求進(jìn)行符合性評(píng)價(jià)，當(dāng)校準(zhǔn)結(jié)果不滿足預(yù)期使用要求時(shí)，對(duì)CD-SEM進(jìn)行重新調(diào)整。

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

如圖4所示，當(dāng)增加了測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量設(shè)備，在使用標(biāo)準(zhǔn)樣板對(duì)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(cè)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(cè)量10次取平均值；③在標(biāo)準(zhǔn)樣板同一位置的測(cè)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(duì)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(píng)定和CD-SEM符合性評(píng)價(jià)方法，同樣適用于使用其它標(biāo)準(zhǔn)樣板校準(zhǔn)、評(píng)價(jià)CD-SEM或SEM。