關鍵尺寸掃描電鏡校準及符合性評價技術研究

秦凱亮 饒張飛 金紅霞 薛 棟

(西安微電子技術研究所，陜西西安 71000)

1 引 言

關鍵尺寸(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，特設計一種反映集成電路特征線條寬度的專用線條圖形。半導體晶圓制造工藝中關鍵尺寸變化量是反應工藝穩定性的重要參數。關鍵尺寸掃描電子顯微鏡(CD-SEM)是晶圓級的掃描電子顯微鏡，在半導體制造中，用于半導體晶圓制備工藝過程中的光刻及刻蝕后關鍵尺寸測量，是檢驗半導體制造工藝制程是否已到達相關要求的關鍵技術手段。其基本原理是將電子加壓后逐點掃描樣品表面，電子束與樣品表面相互作用后產生二次電子和二階電子等信號，受激發電子的數量與樣品表面結構有關，通過收集放大激發信號來表征樣品形貌。使用CD-SEM測量時掃描圖像易產生畸變、放大倍率誤差較大，因此需經常進行校準及調整，其精度直接取決于校準標準在待測尺寸附近的精度。

CD-SEM的校準主要采用傳遞校準法，通過關鍵尺寸標準樣板對各測量設備進行校準，再通過關鍵尺寸標準樣板溯源至國家標準和SI基本單位。關鍵尺寸(CD)標準其主要包括：節距(1D柵格)標準、線寬標準、直徑標準等。CD標準樣板可通過校準的原子力顯微鏡(C-AFM)溯源之SI長度單位。節距(1D柵格)標準樣板一般用于校準關鍵尺寸掃描電子顯微鏡(CD-SEM)，因為采用線寬標準或直徑標準校準時會產生共模誤差，而采用節距(1D柵格)標準校準時可有效消除共模誤差。

2 校準方法及原理

測量系統的分析通常包括五個部分:偏差、重復性、再現性、穩定性和線性。偏差的定義是觀測值的平均值與標準的參考值之間的差值，是關鍵尺寸掃描電子顯微鏡(CD-SEM)校準時的主要對象。使用一維柵格標準對CD-SEM進行校準時，標準差主要取決于4個方面：①CD-SEM儀器的噪音；②一維柵格標準的均勻性；③一維柵格標準的線邊緣粗糙度；④使用CD-SEM測量CD標準時電子束對CD標準造成的污染。因此，在使用CD標準校準CD-SEM時，如何有效降低測量時CD-SEM和標準樣板質量屬性對測量結果的影響，及確定標準樣板同一位置受到污染前可以用于校準的最大次數，是實現CD-SEM準確校準的前提。下面本文將從以下兩方面進行分析。

2.1 降低測量時CD-SEM和標準樣板質量屬性對測量結果影響的方法

使用CD標準校準CD-SEM偏差時，測量值一般采用多次測量的平均值，假設測量了

N

個周期(

L

,

L

，…

L

)。則測量結果最好的估計是平均值，其平均值按公式(1)計算。

(1)

標準差按公式(2)計算。

(2)

式中：

σ

-1—線間距測量值的標準差；

標準不確定度按公式(3)計算。

(3)

公式：

u

—線間距測量值的標準不確定度；通過公式(3)可知，當測量次數

N

一定時，如果標準差

σ

越小，則測量不確定度

u

越小。

擴展不確定度按公式(4)計算。

U

=

u

t

(4)

式中：

U

—擴展不確定度，

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，標準偏差

σ

越小，為了獲得同樣期望的擴展不確定度

U

，所需的測量次數就越少。較少的測量延長了標準的使用壽命，因為電子束測量時會誘導碳氫化合物沉積使標準樣板受到污染。因此，小的標準偏差

σ

是以最小的樣品損傷獲得快速、準確校準的關鍵。

通過上述分析可知，在使用標準樣板校準CD-SEM時，通過測量標準樣板內幾個相鄰節距(pitch)對應的距離，將測量的距離除以被測節距的數目，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目，可降低樣品間距不均勻性引起的測量不確定度。

2.2 標準樣板同一位置可以用于校準的最大次數

使用標準樣板校準CD-SEM時，由于電子束測量時會誘導碳氫化合物沉積使標準樣板受到污染。標準樣板同一位置可用于校準的測量次數，將直接影響使用標準樣板校準CD-SEM結果的準確性。為確定標準樣板同一位置可用于校準的最大測量次數，本文通過使用Hitachi S9830 CD-SEM,電壓800V、電流10pA，在同一位置連續測量10個相鄰節距(pitch)5000次，測量邊緣檢測使用50%閾值的算法，進行定量實驗分析。由于，Hitachi S9830 CD-SEM在連續測量模式下，電子束積累發射頻率約166.7次/min，因此5000次測量可等效為30min，測量結果見表1。

表1 CD-SEM測量結果

通過上述測量可以看出，長時間的測量會導致標準樣板節距的線條變寬。如圖1(b)所示，經過90s(即：250次)測量后已很明顯。經過10min(即：1667次)測量后，臨界尺寸(CD)和線邊緣粗糙度(LER)發生了明顯變化如圖1(c)所示。經過25min(即：4167次)測量之后，標準樣板的CD和LER已嚴重退化,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CD的變化抵消了。因此由表1數據可以看出，由50%閾值的邊緣檢測算法確定的周期值仍然相同。當約30min(即：5000次)測量之后標準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測量結果

基于上述實驗分析，得出以下結論:①一維柵格標準的測量結果不會明顯受到電子束污染的影響；②使用CD-SEM測量一維柵格時，在其允許誤差范圍內至少可進行4000次測量。③經過250次左右的測量，標準樣板被測區域有明顯的退化，但不會影響測量結果。

當使用標準樣板校準CD-SEM時，一般采用自動模式，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保守地設定為不超過250次。同時結合降低測量時CD-SEM和標準樣板質量屬性對測量結果影響的方法分析，建議取10次測量的平均值。因此，使用標準樣板校準CD-SEM時，標準樣板認證區域內的任何一個區可最多進行25次校準。

3 CD-SEM校準及校準結果的不確定度評定

3.1 CD-SEM校準

采用VLSI公司的6英寸100nm晶圓級一維柵格標準樣板校準Hitachi S9830 CD-SEM。校準時，依據6英寸生產線使用的CD-SEM測量關鍵尺寸時的相關條件，將CD-SEM的測試電壓設置為800V、電流設置為10pA、放大倍數100K，并按以下步驟進行校準：

(1)將標準樣板固定在CD-SEM樣品臺上，運行CD-SEM自動裝載樣板。通過調節

X

、

Y

方向位置及CD-SEM放大倍數，找到圖2所示的標準樣板測試區域。旋轉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 標準樣板示意圖

(2)調整CD-SEM放大倍數，使屏幕能夠顯示10～11個完成周期，對圖像上

X

方向的10個線距進行測量，如圖3所示。重復測量10次(每次測量需重新掃描)，測量時使用儀器的自動圖像掃描功能，測量時邊沿算法采用CD-SEM自動測量算法，避免人員操作引入的影響。校準數據如表2所示。

表2 校準數據

圖3 測量示意圖

3.2 不確定度評定

3.2.1 使用標準樣板校準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

——標準樣板標稱值，nm。式(6)中，

L

、

L

之間互相獨立。

3.3.2

不確定度來源a)標準樣板的校準值引入的標準不確定度分量

u

；b)溫度變化引入的標準不確定度分量

u

；c)CD-SEM測量分辨力引入的標準不確定度分量

u

；d)測量重復性引入的標準不確定度分量

u

。

3.3.3

不確定度分析和評定a)由標準樣板的校準值引入的標準不確定度分量

u

通過校準證書得知，校準標準樣板時校準結果的標準不確定度

U

=0

.

6nm,

k

=2，則

(7)

b)溫度變化引入的標準不確定度分量

u

室內溫度20℃±2℃,晶圓標準熱膨脹系數為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準不確定度分量

u

(8)

d)測量重復性引入的標準不確定度分量

u

被校設備的重復性引入的標準不確定度，按A類評定，用統計法得出。

用CD-SEM重復測量標準樣板10次，得到10個觀測值，測量數量見表3。CD-SEM的重復性用測量平均值的實驗標準偏差

S

(

L

)表征。

表3 重復性測量數據

平均值：

使用貝塞爾公式計算單次標準偏差：

=0

.

008nm

因此

3.3.4

合成標準不確定度

合成標準不確定度按公式(9)計算。

(9)

u

=0

.

31nm

3.2.5

擴展不確定度取包含因子

k

=2，則擴展不確定度按公式(10)計算。

U

=

ku

(10)

U

=0

.

62nm

4 CD-SEM符合性評價

使用標準樣板校準CD-SEM時，僅對CD-SEM的測量誤差進行了評估，而未對CD-SEM的校準因子進行調整。由于調整CD-SEM的校準因子后，CD-SEM的測量結果會發生基線偏移，會使得通過統計過程控制圖(SPC)跟蹤半導體產品質量變得復雜。因此，在實際應用中通常需要通過校準結果對CD-SEM是否滿足預期使用要求進行符合性評價，當校準結果不滿足預期使用要求時，對CD-SEM進行重新調整。

使用校準結果對CD-SEM進行符合性判定時，不確定度對符合性判定會產生影響。依據CNAS-GL015《聲明檢測和校準結果及與規范符合性的指南》，本文在引入測量不確定度后，通過以下方法對CD-SEM進行符合性評價。

如圖4所示，當增加了測量不確定度的影響后，符合性判定規則將發生改變，增加了不確定區域，縮小了合格區域和不合格區域。CD-SEM校準結果的完全表述為：

L

=

L

±

U

；其中

L

：校準結果；

U

擴展不確定度。則判斷規則如下：

圖4 不確定區域

①當校準結果

LSL

+

U

<

L

<

USL

-

U

，即

L

在圖4所示的3合格區域內時，滿足使用要求；②當校準結果

L

<

LSL

-

U

或

L

>

USL

+

U

，即

L

在圖4所示的4不合格區域內時，不滿足使用要求；③當校準結果

L

-

U

<

LSL

<

L

+

U

或

L

-

U

<

USL

<

L

+

U

，即

L

在圖4所示的不確定區域內時，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，需根據實際使用情況進行判定。在實際應用中為確保CD-SEM測量結果的可靠性及一致性，僅當校準結果滿足上述判斷規則①時，即完全滿足使用要求時，CD-SEM不需要重新進行調整，否則使用包含因子

k

進行校正。

(14)

通過表1及式(13)可知：

L

=99.616nm；

U

=0.62nm。因此，Hitachi S9830 CD-SEM校準結果為

L

=99.616nm±0.62nm。根據Hitachi S9830 CD-SEM的技術說明書可知，其在100nm測量時的準確度為1

%

，則最大允許誤差

MPE

=1nm，校準時標準樣片標準值為

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標準樣板校準Hitachi S9830 CD-SEM的結果表明，其校準結果完全滿足判斷規則①要求，CD-SEM測量關鍵尺寸時的準確度很高，滿足使用要求，無需進行調整。

5 結束語

關鍵尺寸掃描電子顯微鏡(CD-SEM)是半導體制備工藝過程中的關鍵測量設備，在使用標準樣板對CD-SEM進行校準時，標準樣板的選擇應根據工藝過程中的常用值選擇一個或多個標準樣板進行校準。本文提出的使用標準樣板校準CD-SEM時的建議方法(①建議測量標準樣板10個周期的值，計算得單個周期值；②重復測量10次取平均值；③在標準樣板同一位置的測量次數設定為不超過250次，即標準樣板認證區域內的任何一個區可最多進行25次校準)及使用100nm標準樣板對CD-SEM進行校準時的過程、校準結果的不確定度評定和CD-SEM符合性評價方法，同樣適用于使用其它標準樣板校準、評價CD-SEM或SEM。