关键尺寸扫描电镜校准及符合性评价技术研究

秦凯亮 饶张飞 金红霞 薛 栋

(西安微电子技术研究所，陕西西安 71000)

1 引 言

关键尺寸(Critical Dimension，简称CD)在集成电路光掩膜制造或光刻工艺中为评估及控制工艺的图形处理精度，特设计一种反映集成电路特征线条宽度的专用线条图形。半导体晶圆制造工艺中关键尺寸变化量是反应工艺稳定性的重要参数。关键尺寸扫描电子显微镜(CD-SEM)是晶圆级的扫描电子显微镜，在半导体制造中，用于半导体晶圆制备工艺过程中的光刻及刻蚀后关键尺寸测量，是检验半导体制造工艺制程是否已到达相关要求的关键技术手段。其基本原理是将电子加压后逐点扫描样品表面，电子束与样品表面相互作用后产生二次电子和二阶电子等信号，受激发电子的数量与样品表面结构有关，通过收集放大激发信号来表征样品形貌。使用CD-SEM测量时扫描图像易产生畸变、放大倍率误差较大，因此需经常进行校准及调整，其精度直接取决于校准标准在待测尺寸附近的精度。

CD-SEM的校准主要采用传递校准法，通过关键尺寸标准样板对各测量设备进行校准，再通过关键尺寸标准样板溯源至国家标准和SI基本单位。关键尺寸(CD)标准其主要包括：节距(1D栅格)标准、线宽标准、直径标准等。CD标准样板可通过校准的原子力显微镜(C-AFM)溯源之SI长度单位。节距(1D栅格)标准样板一般用于校准关键尺寸扫描电子显微镜(CD-SEM)，因为采用线宽标准或直径标准校准时会产生共模误差，而采用节距(1D栅格)标准校准时可有效消除共模误差。

2 校准方法及原理

测量系统的分析通常包括五个部分:偏差、重复性、再现性、稳定性和线性。偏差的定义是观测值的平均值与标准的参考值之间的差值，是关键尺寸扫描电子显微镜(CD-SEM)校准时的主要对象。使用一维栅格标准对CD-SEM进行校准时，标准差主要取决于4个方面：①CD-SEM仪器的噪音；②一维栅格标准的均匀性；③一维栅格标准的线边缘粗糙度；④使用CD-SEM测量CD标准时电子束对CD标准造成的污染。因此，在使用CD标准校准CD-SEM时，如何有效降低测量时CD-SEM和标准样板质量属性对测量结果的影响，及确定标准样板同一位置受到污染前可以用于校准的最大次数，是实现CD-SEM准确校准的前提。下面本文将从以下两方面进行分析。

2.1 降低测量时CD-SEM和标准样板质量属性对测量结果影响的方法

使用CD标准校准CD-SEM偏差时，测量值一般采用多次测量的平均值，假设测量了

N

个周期(

L

,

L

，…

L

)。则测量结果最好的估计是平均值，其平均值按公式(1)计算。

(1)

标准差按公式(2)计算。

(2)

式中：

σ

-1—线间距测量值的标准差；

标准不确定度按公式(3)计算。

(3)

公式：

u

—线间距测量值的标准不确定度；通过公式(3)可知，当测量次数

N

一定时，如果标准差

σ

越小，则测量不确定度

u

越小。

扩展不确定度按公式(4)计算。

U

=

u

t

(4)

式中：

U

—扩展不确定度，

t

—置信度为

P

的

t

分布的值，自由度为

n

-1。置信度

P

用百分比表示，其典型的置信度

P

=95

%

。

通过公式(3)及公式(4)可得:

(5)

从公式(5)可知，标准偏差

σ

越小，为了获得同样期望的扩展不确定度

U

，所需的测量次数就越少。较少的测量延长了标准的使用寿命，因为电子束测量时会诱导碳氢化合物沉积使标准样板受到污染。因此，小的标准偏差

σ

是以最小的样品损伤获得快速、准确校准的关键。

通过上述分析可知，在使用标准样板校准CD-SEM时，通过测量标准样板内几个相邻节距(pitch)对应的距离，将测量的距离除以被测节距的数目，可以降低由于线边缘粗糙度和仪器噪声引起的测量不确定度。另一方面，通过增加测量位置的数目，可降低样品间距不均匀性引起的测量不确定度。

2.2 标准样板同一位置可以用于校准的最大次数

使用标准样板校准CD-SEM时，由于电子束测量时会诱导碳氢化合物沉积使标准样板受到污染。标准样板同一位置可用于校准的测量次数，将直接影响使用标准样板校准CD-SEM结果的准确性。为确定标准样板同一位置可用于校准的最大测量次数，本文通过使用Hitachi S9830 CD-SEM,电压800V、电流10pA，在同一位置连续测量10个相邻节距(pitch)5000次，测量边缘检测使用50%阈值的算法，进行定量实验分析。由于，Hitachi S9830 CD-SEM在连续测量模式下，电子束积累发射频率约166.7次/min，因此5000次测量可等效为30min，测量结果见表1。

表1 CD-SEM测量结果

通过上述测量可以看出，长时间的测量会导致标准样板节距的线条变宽。如图1(b)所示，经过90s(即：250次)测量后已很明显。经过10min(即：1667次)测量后，临界尺寸(CD)和线边缘粗糙度(LER)发生了明显变化如图1(c)所示。经过25min(即：4167次)测量之后，标准样板的CD和LER已严重退化,如图1(d)所示。由于线条都以相同的速度加宽，所以在测量时CD的变化抵消了。因此由表1数据可以看出，由50%阈值的边缘检测算法确定的周期值仍然相同。当约30min(即：5000次)测量之后标准样板的线边缘开始彼此合并，无法有效界定临界尺寸(CD)和线边。

图1 CD-SEM测量结果

基于上述实验分析，得出以下结论:①一维栅格标准的测量结果不会明显受到电子束污染的影响；②使用CD-SEM测量一维栅格时，在其允许误差范围内至少可进行4000次测量。③经过250次左右的测量，标准样板被测区域有明显的退化，但不会影响测量结果。

当使用标准样板校准CD-SEM时，一般采用自动模式，扫描电镜将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，建议同一位置的测量次数保守地设定为不超过250次。同时结合降低测量时CD-SEM和标准样板质量属性对测量结果影响的方法分析，建议取10次测量的平均值。因此，使用标准样板校准CD-SEM时，标准样板认证区域内的任何一个区可最多进行25次校准。

3 CD-SEM校准及校准结果的不确定度评定

3.1 CD-SEM校准

采用VLSI公司的6英寸100nm晶圆级一维栅格标准样板校准Hitachi S9830 CD-SEM。校准时，依据6英寸生产线使用的CD-SEM测量关键尺寸时的相关条件，将CD-SEM的测试电压设置为800V、电流设置为10pA、放大倍数100K，并按以下步骤进行校准：

(1)将标准样板固定在CD-SEM样品台上，运行CD-SEM自动装载样板。通过调节

X

、

Y

方向位置及CD-SEM放大倍数，找到图2所示的标准样板测试区域。旋转样板使栅格的线条沿着竖直方向，栅格间距的测量方向沿着图像的

X

轴。

图2 标准样板示意图

(2)调整CD-SEM放大倍数，使屏幕能够显示10～11个完成周期，对图像上

X

方向的10个线距进行测量，如图3所示。重复测量10次(每次测量需重新扫描)，测量时使用仪器的自动图像扫描功能，测量时边沿算法采用CD-SEM自动测量算法，避免人员操作引入的影响。校准数据如表2所示。

表2 校准数据

图3 测量示意图

3.2 不确定度评定

3.2.1 使用标准样板校准CD-SEM的测量模型

测量模型见公式(6)

Δ

=

L

-

L

(6)

式中：

Δ

——示值误差，nm；

L

——CD-SEM测量值，nm；

L

——标准样板标称值，nm。式(6)中，

L

、

L

之间互相独立。

3.3.2

不确定度来源a)标准样板的校准值引入的标准不确定度分量

u

；b)温度变化引入的标准不确定度分量

u

；c)CD-SEM测量分辨力引入的标准不确定度分量

u

；d)测量重复性引入的标准不确定度分量

u

。

3.3.3

不确定度分析和评定a)由标准样板的校准值引入的标准不确定度分量

u

通过校准证书得知，校准标准样板时校准结果的标准不确定度

U

=0

.

6nm,

k

=2，则

(7)

b)温度变化引入的标准不确定度分量

u

室内温度20℃±2℃,晶圆标准热膨胀系数为6×10℃,因此温度变化引入的不确定度可以忽略。

c)CD-SEM测量分辨力引入的标准不确定度分量

u

(8)

d)测量重复性引入的标准不确定度分量

u

被校设备的重复性引入的标准不确定度，按A类评定，用统计法得出。

用CD-SEM重复测量标准样板10次，得到10个观测值，测量数量见表3。CD-SEM的重复性用测量平均值的实验标准偏差

S

(

L

)表征。

表3 重复性测量数据

平均值：

使用贝塞尔公式计算单次标准偏差：

=0

.

008nm

因此

3.3.4

合成标准不确定度

合成标准不确定度按公式(9)计算。

(9)

u

=0

.

31nm

3.2.5

扩展不确定度取包含因子

k

=2，则扩展不确定度按公式(10)计算。

U

=

ku

(10)

U

=0

.

62nm

4 CD-SEM符合性评价

使用标准样板校准CD-SEM时，仅对CD-SEM的测量误差进行了评估，而未对CD-SEM的校准因子进行调整。由于调整CD-SEM的校准因子后，CD-SEM的测量结果会发生基线偏移，会使得通过统计过程控制图(SPC)跟踪半导体产品质量变得复杂。因此，在实际应用中通常需要通过校准结果对CD-SEM是否满足预期使用要求进行符合性评价，当校准结果不满足预期使用要求时，对CD-SEM进行重新调整。

使用校准结果对CD-SEM进行符合性判定时，不确定度对符合性判定会产生影响。依据CNAS-GL015《声明检测和校准结果及与规范符合性的指南》，本文在引入测量不确定度后，通过以下方法对CD-SEM进行符合性评价。

如图4所示，当增加了测量不确定度的影响后，符合性判定规则将发生改变，增加了不确定区域，缩小了合格区域和不合格区域。CD-SEM校准结果的完全表述为：

L

=

L

±

U

；其中

L

：校准结果；

U

扩展不确定度。则判断规则如下：

图4 不确定区域

①当校准结果

LSL

+

U

<

L

<

USL

-

U

，即

L

在图4所示的3合格区域内时，满足使用要求；②当校准结果

L

<

LSL

-

U

或

L

>

USL

+

U

，即

L

在图4所示的4不合格区域内时，不满足使用要求；③当校准结果

L

-

U

<

LSL

<

L

+

U

或

L

-

U

<

USL

<

L

+

U

，即

L

在图4所示的不确定区域内时，则既不能判定为满足使用要求，也不能判定为不满足使用要求，需根据实际使用情况进行判定。在实际应用中为确保CD-SEM测量结果的可靠性及一致性，仅当校准结果满足上述判断规则①时，即完全满足使用要求时，CD-SEM不需要重新进行调整，否则使用包含因子

k

进行校正。

(14)

通过表1及式(13)可知：

L

=99.616nm；

U

=0.62nm。因此，Hitachi S9830 CD-SEM校准结果为

L

=99.616nm±0.62nm。根据Hitachi S9830 CD-SEM的技术说明书可知，其在100nm测量时的准确度为1

%

，则最大允许误差

MPE

=1nm，校准时标准样片标准值为

L

=99.86nm，则：

(15)

(16)

可得：

LSL

+

U

=99

.

48nm<

L

=99

.

616nm<

USL

-

U

=100

.

24nm

(17)

因此，本文中基于100nm标准样板校准Hitachi S9830 CD-SEM的结果表明，其校准结果完全满足判断规则①要求，CD-SEM测量关键尺寸时的准确度很高，满足使用要求，无需进行调整。

5 结束语

关键尺寸扫描电子显微镜(CD-SEM)是半导体制备工艺过程中的关键测量设备，在使用标准样板对CD-SEM进行校准时，标准样板的选择应根据工艺过程中的常用值选择一个或多个标准样板进行校准。本文提出的使用标准样板校准CD-SEM时的建议方法(①建议测量标准样板10个周期的值，计算得单个周期值；②重复测量10次取平均值；③在标准样板同一位置的测量次数设定为不超过250次，即标准样板认证区域内的任何一个区可最多进行25次校准)及使用100nm标准样板对CD-SEM进行校准时的过程、校准结果的不确定度评定和CD-SEM符合性评价方法，同样适用于使用其它标准样板校准、评价CD-SEM或SEM。