НАНОМЕТРОЛОГИЯ
537.533
Измерение линейных размеров рельефных элементов микро- и наноструктур на высоко-и низковольтных растровых электронных
микроскопах
Ч. П. ВОЛК*, Ю. А. НОВИКОВ**, А. В. РАКОВ**, П. А. ТОДУА***
* ОАО «НИИМЭ и завод «Микрон», Москва, Россия ** Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, Москва, Россия,
e-mail: nya@kapella.gpi.ru
*** Научно-исследовательский центр по изучению свойств поверхности и вакуума,
Москва, Россия, e-mail: fgupnicpv@mail.ru
Проведены измерения ширины линии одного и того же тест-объекта на высоко- и низковольтных растровых электронных микроскопах.
Ключевые слова: растровый электронный микроскоп, тест-объект, ширина линии, линейные размеры рельефных структур.
Linewidth measurements of the same test-object using high- and low-voltage scanning electron microscopes are carried out.
Key words: scanning electron microscopes, test-object, linewidth, linear dimensions of relief structures.
Развитие микроэлектроники и нанотехнологии неразрывно связано с измерением линейных размеров рельефных элементов на поверхности твердого тела [1]. В настоящее время такие измерения выполняют на растровых электронных микроскопах (РЭМ). В мировой практике применения РЭМ для этих целей наметились два подхода: один из них связан с использованием низковольтных (менее 3 кВ) микроскопов [2, 3], другой опирается на применение высоковольтных (более 15 кВ) микроскопов [4, 5]. В [4, 6] были приведены результаты сравнения измерений линейных размеров одних и тех же структур на высоко- и низковольтных РЭМ с помощью известных на то время алгоритмов измерений. Это сравнение показало, что два подхода дают разные результаты. Однако в последующие годы произошли существенные изменения в понимании формирования изображения в РЭМ, возникли новые методы измерения линейных размеров элементов микроструктур. Они прошли широкую проверку на высоковольтных микроскопах и показали хорошие результаты. В связи с этим встала задача повторить сравнение результатов измерения на высоко- и низковольтных РЭМ с учетом этих новых знаний. Настоящая работа посвящена именно такому сравнению.
Методика измерений. Задачу сравнения процедуры измерений на разных типах РЭМ можно разбить на три составляющие. Во-первых, необходимо правильно выбрать объект измерения и исследовать его на обоих типах микроскопов. Во-вторых, надо иметь методы калибровки этих микроскопов (определения основных параметров, таких как увеличение и диаметр зонда). В-третьих, необходимо иметь методы измерения линейных размеров на этих типах РЭМ, которые в принципе могут быть различными.
В качестве объекта измерения лучше всего подходит рельефная структура тест-объекта МШПС-2.0К, подробное описание которого приведено в [7]. Тест-объект представ-
ляет собой набор рельефных шаговых структур, выполненных на поверхности кремния с помощью анизотропного травления. Верхние плоскости выступов и нижние плоскости канавок определяются кристаллографическими плоскостями {100}, а боковые стороны рельефных элементов — плоскостями {111}. Конструкция объекта измерений позволяет не только легко находить любой элемент любой шаговой структуры, но и выделять на выбранном рельефном элементе один и тот же фрагмент, что дает возможность исключить ошибки, связанные с неодинаковостью разных элементов, обусловленные технологией изготовления самого объекта.
На рис. 1 приведены изображения шаговых структур тест-объекта МШПС-2.0К в высоко- (рис. 1, а) и низковольтном (рис. 1, б) РЭМ, а на рис. 2 показаны сигналы, полученные на этих микроскопах при сканировании одного шага (два выступа и канавка между ними) рельефной структуры этого тест-объекта.
Схемы шаговой структуры, имеющей трапециевидный профиль элементов, и сигналов высоко- и низковольтного РЭМ, с помощью которых описываются параметры их ре-
Рис. 1. Изображения шаговой структуры тест-объекта МШПС-2.0К, полученные на растровых электронных микроскопах Сат^сап S-4 (а) и S-6200H (б) при энергиях электронов зонда Е = 25 и 0,85 кэВ, соответственно
Рис. 2. Видеосигналы изображений, полученных на растровых электронных микроскопах СатЭсап Э-4 (сигнал 1) и Э-6200Н (сигнал 2) при сканировании шага (два выступа и канавка между ними) измеряемого тест-объекта МШПС-2.0К
альных сигналов, а также определение параметров структуры и сигналов представлены на рис. 3, из которого следует, что форма сигналов обоих микроскопов (см. рис. 2) хорошо совпадает с формой модельных сигналов (см. рис. 3, б и в) для этих микроскопов.
Выбор в качестве объекта измерений шаговой структуры позволяет существенно упростить калибровку обоих типов РЭМ. Измерение увеличения М микроскопа осуществля-
ется в этом случае при помощи аттестованного значения шага структуры t и определенного на изображении значения параметра Т, который характеризует шаг на изображении (сигнале):
М = Т/ I
(1)
Такая калибровка увеличения легко осуществляется как на низковольтных, так и на высоковольтных РЭМ. Однако в настоящее время в связи с использованием цифровых изображений параметр увеличения теряет свой физический смысл [7]. Поэтому в качестве параметра РЭМ, характеризующего увеличение, используют
т = 1/М = t / Т.
(2)
В [7] было предложено называть его размером пиксела.
Диаметр d электронного зонда РЭМ можно определить из выражения
d = mD = Dt / Т.
(3)
Физический смысл и метод определения параметра D, входящего в (3), описан в [7, 8].
Калибровку РЭМ можно осуществить и с использованием проекции боковой наклонной стенки выступов и канавок шаговой структуры МШПС-2.0К:
т = з/8; d = Ds / 8.
(4)
(5)
Такая калибровка в ряде случаев даже более выгодна, чем при помощи выражений (1) и (3), так как в силу особенностей технологии изготовления тест-объекта МШПС-2.0К проекция боковой наклонной стенки имеет меньший разброс значений по всему тест-объекту, чем шаг структуры [7].
Отметим, что методы калибровки обоих типов РЭМ оказались одинаковыми. Это обусловлено выбором в качестве тест-объекта, с помощью которого осуществляется калибровка микроскопов, шаговых структур МШПС-2.0К, уникальные свойства которых подробно описаны в [7].
Методы измерения линейных размеров рельефных элементов полностью определяются физическими механизмами формирования изображений в РЭМ [9] и режимом сбора вторичных электронов [9—11 ].
Энергия вторичных электронов лежит в диапазоне 0—Е, где Е — энергия первичных электронов зонда микроскопа. Для низковольтных РЭМ значение Е составляет менее 3 кэВ. Современные детекторы вторичных электронов не позволяют различать электроны по энергиям в такой области. Поэтому низковольтный электронный микроскоп имеет только один режим сбора вторичных электронов.
Диапазон энергий, в котором лежат вторичные электроны высоковольтных РЭМ, составляет от нуля до десятков килоэлектрон-вольт. Современные детекторы вторичных электронов, применяемые в растровых электронных микроскопах, обычно раздельно регистрируют низко- (менее 50 эВ) и высоковольтные (более 2 кэВ) вторичные электроны. Поэтому высоковольтные РЭМ имеют два режима сбора вторичных электронов: сбор вторичных медленных и обрат-норассеянных электронов.
Оба эти режима были исследованы для использования в методах измерений линейных размеров рельефных элементов микроструктур [10, 11 ]. Было установлено, что режим сбора обратнорассеянных электронов является нелинейным, т. е. он вносит нелинейные геометрические искажения в форму изображения рельефных элементов и поэтому не может применяться для измерения линейных размеров.
В силу высказанных соображений для высоковольтных микроскопов был выбран режим сбора вторичных медленных электронов. В этом режиме при условии, что размеры всех элементов шаговой структуры много больше диаметра d электронного зонда РЭМ:
з = h tg ф >> d;
иР, t >> ^
Ьр, t >> ^
(6)
формы сигналов высоко- и низковольтного РЭМ будут иметь вид, показанный на рис. 3, б и в, соответственно. Условия (6)
Ьр Ь*
. f
!-о и
Ш1
« Ср >
а 6 в
Рис. 3. Схемы шаговой структуры (а) и сигналов, получаемых при ее сканировании с большим наклоном боковых стенок в высоко- (б)
и низковольтном (в) РЭМ, и определения их параметров
Т а б л и ц а 2
Параметры структуры, измеренные на разных растровых электронных
микроскопах
Микроскоп Параметры структуры, нм s, нм
2-й выступ канавка 3-й выступ
up bp ut up bp
CamScan S-4 521 ± 2 1439 ± 3 1478 ± 3 559 ± 2 523 ± 2 1 455 ± 4 462 ± 2
S-6200H 523 ± 6 1 436 ± 6 1469 ± 4 562 ± 7 533 ± 4 1 443 ± 8 455 ± 3
можно преобразовать в другие, более удобные для работы на РЭМ:
S >> D; Lp, ( >> D; Gp, ( >> D, (7)
которые позволяют анализировать изображения (сигналы) РЭМ даже без предварительной калибровки микроскопа (определения размера пиксела т и диаметра зонда б), так как в (7) входят только измеряемые параметры сигналов (см. рис. 3, б и в).
Знание увеличения микроскопа (размера пиксела) и диаметра зонда, определенных с помощью аттестованного значения шага t (выражения (1)—(3)) или проекции наклонной стенки s (выражения (4) и (5)), позволяет определить все параметры шаговой структуры:
размеры верхнего и нижнего оснований выступов
ир = mLp - б; (8)
Ьр = mGp - б; (9)
канавок
и( = т^ + б; (10)
Ь = mGt + б; (11)
проекции боковой наклонной стенки
s = mS. (12)
Так как в процессе одного измерения определяются все параметры РЭМ и структуры, то такое измерение не чувствительно к погрешностям фокусировки.
Отметим, что методы измерения линейных размеров рельефных структур (включая ширины линий — размеры верхних и нижних оснований выступов и канавок) на обоих типах РЭМ оказались одинаковыми. Это обусловлено выбором в качестве экспериментального объекта, на котором осуществляются измерения размеров, тест-объекта МШПС-2.0К.
Экспериментальные результаты. Эксперименты выполняли на двух растровых электронных микроскопах: высоковольтном СатБсап Б-4 при энергии электронов зонда 25 кэВ и низковольтном Б-6200Н при энергии 0,85 кэВ. В качестве экспериментального образца использовали тест-объект МШПС-2.0К [7] с аттестованным значением шага t =1997 ± 1 нм. Аттестацию шага проводи
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.