基于CD-SEM的線距標準樣片測量

馮亞南 趙琳 李鎖印 韓志國 許曉青/中國電子科技集團公司第十三研究所

0 引言

在半導體、微電子和納米制造領域中，線寬尺寸是衡量工藝水平的重要參數，在器件制作工藝過程中，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，線條寬度變得越來越窄[1-2]。對各種線條寬度參數的精確、快速測定和控制，是保證器件質量、提高生產效率的重要手段。

微納米線間距尺寸測量類儀器應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可真實地得到樣品表面的形貌結構圖像，圖像是真正的三維圖像，并能測量樣品的三維信息。SEM只能提供二維圖像，但其圖像有很大的景深，視野較大[3]。實際使用時可根據測量需求選擇合適儀器。掃描電鏡（CD-SEM）是具有自動定位并測量線條功能的掃描電鏡，廣泛應用在半導體生產線，用于線條寬度的監控。

1 CD-SEM的測量原理

CD-SEM測量原理為：在高真空的環境下，通過電子槍加熱產生熱電子束，通過由電磁透鏡所組成的電子光學系統，電子束會聚后在樣品表面聚焦。在末級透鏡上的掃描線圈作用下，電子束在樣品表面進行掃描。高能電子束與樣品相互作用產生二次電子置換，背反射電子，X射線等信號。這些信號分別被不同的接收器接收，經放大后用來調制熒光屏的亮度。電子束打到樣品上一點時，在熒光屏上就有一亮點與之對應，其亮度與激發后的電子能量成正比。SEM是采用逐點成像的圖像分解法進行的，光點成像的順序是從左上方開始到右下方，直到最后一行右下方的像元掃描完畢就算完成一幅圖像。來自樣品表層(數納米)的信號的二次電子(能量)較小，只有數十電子伏以下，它是SEM檢測出的主要信號。圖像被稱為二次電子圖像，它準確地反映樣品表面的形貌(凹凸)特征，具有立體感的圖像[3]。通過專業量測軟件對需要量測的線條進行測量。測量原理如圖1所示。該設備含有樣片自動傳輸系統、自動調焦、圖形自動對準、自動定點測量、量測數據自動保存并上傳等先進功能。

圖1 CD-SEM測量原理圖

2 線距標準樣片尺寸測量

本文采用掃描電鏡（CD-SEM）對VLSI線距標準樣片的線間距尺寸進行測量。實驗選擇樣品為VLSI購買的線距標準樣片[4]，樣片信息如表1所示。

表1 VLSI標準樣片信息

2.1 測量實驗

圖2 一維光柵測量圖片

圖3 二維格柵測量圖片

參照JJF（軍工）103-2015《納米級形貌樣板校準規范》中節距間距的算法使用自帶測量軟件對樣片規定的有效測量區域內中心位置的多個周期線間距進行測量，重復測量10次，并對測量結果求平均值作為該樣片尺寸的結果[5]。測量時使用儀器的自動對焦和自動掃描圖像功能，避免人為調節圖像引入的影響。測量結果如表2所示。

表2 CD-SEM測量結果

2.2 測量結果的不確定度評定

使用CD-SEM測量線距標準樣片線間距尺寸的不確定度分量主要包括[6]：圖像測量標尺標定引入的不確定度；線距標準樣片均勻性引入的不確定度；測量結果的重復性引入的不確定度；溫度變化引入的不確定度。

下面逐次逐項分析。

1）圖像測量標尺標定引入的不確定度

CD-SEM測量是電子束轟擊樣品表面產生二次電子置換，再由光電信號轉換成像方式，測量軟件對所拍圖片的線間距進行測量。標定軟件測量標尺的兩個標準件不確定度分別為U= 0.6 nm（k= 2）和U= 6.0 nm（k= 2），兩個標準件分別對CD-SEM的不同倍率進行標定。則該不確定度分量為：

2）線距標準樣片均勻性引入的不確定度

“過去，老上海人有過‘南翔小籠饅頭配湖心亭茶’的傳統。當時，因為當地人愛去茶館，吳翔升便把饅頭做小，放在小型竹籠格里蒸，作為茶點送到茶館。長興館在九曲橋畔開業后，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，可以說是老上海生活方式的最佳體現。”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量范圍內，線間距尺寸的變化。該值以9條測量線上線間距的實驗標準偏差進行表征。經測量，標稱尺寸100 nm線間距的均勻性為0.4 nm、標稱尺寸3 μm線間距的均勻性為6.5 nm、標稱尺寸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）測量結果的重復性引入的不確定度

定標結果是以10次測量的平均值表示，以平均值的實驗標準偏差作為重復測量引入的不確定度，用10次重復安裝樣塊后的測量值計算實驗標準偏差。標稱尺寸100 nm線間距的重復性為0.2 nm、標稱尺寸3 μm線間距的重復性為5.2 nm、標稱尺寸10 μm線間距的重復性為8.8 nm，對樣片不同標稱尺寸的線間距進行重復測量實驗，分別計算實驗標準偏差。

4）溫度變化引入的不確定度

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

5）測量不確定度

擴展不確定度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 測量結果比對

使用CD-SEM測量VLSI線距標準樣片的測量結果與樣片證書給出的標準值相比，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，測量不確定度相當。比對結果如表3所示。

表3 CD-SEM測量結果與VLSI證書標準值比對

通過比對結果的En值能有效說明比對結果的相互認可度[7]，En值計算公式如式（1）所示：

式中：x1——CD-SEM測量結果；

x2——VLSI證書給出的測量結果；

U1——CD-SEM測量結果的擴展不確定度；

U2——VLSI證書給出測量結果的擴展不確定度

當|En|≤1時，比對結果滿意，實驗室之間的數據認可通過。按照式（3）計算CD-SEM和VLSI證書給出測量結果的En值，結果列入表4中。

表4 En值計算結果

CD-SEM測量結果與VLSI測量結果的En值最大為-0.7，測量結果的一致性很高，由此可證明CD-SEM測量線間距的準確度很高。

3 結語

CD-SEM具有高景深、非接觸、速度快等優點。本文使用CD-SEM對VLSI線距標準樣片的線間距進行測量，測量結果與樣片證書給出的標準值相比，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，測量不確定度相當。該測量結果與VLSI測量結果的En值最大為-0.7，由此表明CD-SEM測量線間距是可行的，并且在100 nm～10 μm范圍內的測量準確度也是很高的。