МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2012, том 41, № 6, с. 426-429
НАНОМЕТРОЛОГИЯ
УДК 537.533
РАБОТА ЭЛЕКТРОННОГО ЛИТОГРАФА В РЕЖИМЕ РАСТРОВОГО
ЭЛЕКТРОННОГО МИКРОСКОПА © 2012 г. В. А. Кальнов1, Ю. А. Новиков2, А. А. Орликовский1
1 Физико-технологический институт Российской АН, Москва
2 Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской АН
E-mail: orlikovsky@ftian.ru Поступила в редакцию 03.09.2011 г.
Рассмотрена работа электронного литографа Raith-150 в режиме растрового электронного микроскопа. Определены размеры пикселя и эффективного диаметра электронного зонда вдоль обоих направлений сканирования. Параметры системы сканирования и формирования электронного зонда литографа находятся на уровне лучших растровых электронных микроскопов.
1. ВВЕДЕНИЕ
Развитие микроэлектроники идет по пути уменьшения критических (минимальных) размеров интегральных микросхем [1]. В настоящее время критические размеры достигли 32 нм, что превратило микроэлектронику в наноэлектрони-ку. Такие малые размеры до сих пор создаются с помощью фотолитографии. Однако электронные литографы тоже используются в микро- и нано-электронике.
Электронные литографы получили широкое распространение для создания резистовых масок фотошаблонов, заказных микросхем и научных исследований в области литографии. Причем некоторые из литографов могут работать и в режиме растрового электронного микроскопа (РЭМ). Это особенно важно в связи с высокой стоимостью современного научного и технологического оборудования. Кроме того, системы сканирования и формирования электронного зонда у них одинаковые. Учитывая, что методы исследования параметров РЭМ хорошо отработаны, это позволяет надеяться получить дополнительную информацию о работе электронного литографа при исследовании его режима работы в качестве РЭМ.
Цель работы — определение параметров электронного литографа, работающего в режиме РЭМ.
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ АППАРАТУРА
В работе использовался электронный литограф ЯаШ-150. Он позволяет не только проводить литографию, но и работает в режиме РЭМ. Эксперименты выполнялись при энергии первичных электронов 20 кэВ, рабочем расстоянии 6 мм и регистрации вторичных медленных электронов (ВМЭ). Размер регистрируемого изображения составлял 3072 х 2304 р1х.
В качестве тест-объекта для калибровки РЭМ использовалась мера МШПС-2.0К [2]. На рис. 1 приведено РЭМ изображение тест-объекта МШПС-2.0К при разных увеличениях. Аттестованным размером в тест-объекте является величина шага между 5-м и 6-м выступами (рис. 1в) 2-ой (средней) шаговой структуры (рис. 1а, 1б) центрального блока (рис. 1а) на уровне направляющих линий (рис. 1) [2]. Аттестация шага проводилась на электронно-оптической метрологической системе [3]. Величина шага составила ? = = 2001 ± 1 нм.
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЯ
На рис. 2 приведено изображение 5-го и 6-го выступов и канавки между ними в литографе ЯаНН-150, работающим в режиме РЭМ (далее РЭМ ЯаИН-150). На рис. 3 показано изображение концевых участков 5-ой и 6-ой канавки и 5-го выступа шаговой структуры тест-объекта МШПС-2.0К в РЭМ ЯаИН-150. Рис. 4 демонстрирует форму сигналов, из которых состоят рис. 2, 3. Все эти сигналы соответствуют модельным сигналам [4] (см. рис. 5а). Однако есть и небольшое различие.
Сигналы, полученные на РЭМ ЯаИН-150, имеют маленькую по амплитуде область резкого увеличения сигнала (рис. 5а), соответствующую переходу электронного зонда РЭМ на стенку выступа и сходу с нее. На изображении этих областей сигналов находятся точки 1—6 (рис. 5а), характеризующие границы верхних и нижних оснований трапециевидных выступов и канавок (рис. 5б). Малая амплитуда этой области обусловлена большим вкладом в сигнал обратно рассеянных в образце электронов и определяется типом детектора, регистрирующего ВМЭ и используемого в литографе. Однако это не ме-
РАБОТА ЭЛЕКТРОННОГО ЛИТОГРАФА
427
84800 20 кУ
100 цш
(в)
84800 20 кУ
10 цш
Рис. 1. РЭМ изображения тест-объекта МШПС-2.0К при разных увеличениях.
шает воспользоваться всеми достоинствами тест-объекта МШПС-2.0К для калибровки РЭМ Raith-150.
МаБ 70.26 КХ ЕНТ = 20 кУ WD = 6 мм 81§па1 А = 1п^ш
200 нм
Рис. 2. ВМЭ изображение шага тест-объекта МШПС-2.0К, состоящего из 5-го и 6-го выступов и канавки между ними второй шаговой структуры центрального блока тест-объекта, в РЭМ Raith-150.
Согласно результатам работы [4] при выполнении условий
к tg ф > й, Ьр( ,ир( > й,
(1)
где d — эффективный диаметр [5] (далее — диаметр) электронного зонда, ф — угол наклона боковой стенки выступа или канавки относительно нормали к поверхности структуры (см. рис. 5б). Параметры сигнала ВМЭ (рис. 5а) и структуры (рис. 5б) связаны друг с другом соотношениями
t = тТ, й = тБ, = тБь, sR = mSR, и, = тир, Ь, = тБ,,
(2)
(3)
(4)
(5)
(6) (7)
и = ти(, (8)
Ь = тБ,. (9)
Здесь m — размер пикселя на ВМЭ изображении.
Выражения (2)—(9) демонстрируют, что все параметры выступов и канавок шаговой структуры могут быть использованы для калибровки РЭМ: определения размера пикселя m и диаметра d электронного зонда. Однако наилучший результат для определения размера пикселя m дает использование параметров сигналов T и SL и SR, которые характеризуют шаг структуры t и величины sL и sR проекций боковых наклонных стенок выступов и канавок. Зная размер пикселя, можно, используя выражение (3), определить величину диаметра d электронного зонда РЭМ.
428
КАЛЬНОВ и др.
МаБ 70.26 КХ ЕНТ = 20 кУ 200 нм
WD = 6 мм 81§па1 А = 1п^ш
Рис. 3. ВМЭ изображение концевых участков шаговой структуры тест-объекта МШПС-2.0К в РЭМ ЯаИк-150.
Калибровка литографа в режиме работы РЭМ осуществлялась двумя методами. В первом методе [4] использовалось измеренное на изображении (рис. 2) величина шага Ти аттестованное значение шага ? тест-объекта МШПС-2.0К. Используя выражения (2) и (3), в результате калибровки были получены размер пикселя т и диаметр зонда d
т = 1.4080 ± 0.0008 нм/р1х, d = 12.9 ± 0.8 нм.
Второй метод позволяет калибровать прибор по двум координатам [6]. Согласно результатам работы [6] все 3 стороны концевого участка канав-
ки соответствуют кристаллографическим плоскостям {111} кремния. Поэтому выполняются равенства
^ = ^ = 5 = к/ л/2, (10)
где к — глубина (высота) рельефа,
5 = (5Ь + 5К )/ 2. (11)
Используя изображение концевых участков (рис. 3) шаговой структуры тест-объекта МШПС-2.0К и измеренный в первом методе размер проекции боковой наклонной стенки выступов и канавок тест-объекта, были получены следующие параметры:
тх = 1.4078 ± 0.0008 нм/рк, dX = 13.7 ± 0.8 нм, тг = 1.4077 ± 0.0009 нм/р1х, dY = 13.9 ± 1.5 нм.
Обращает на себя внимание одинаковость параметров микроскопа по X и Y координатам (размер пикселя и диаметры зондов). Учитывая, что системы сканирования и формирования электронного пучка в режимах работы литографа и РЭМ одинаковы, это указывает на то, что и в режиме литографа параметры сканирования и формирования пучка электронов тоже одинаковы по обеим координатам.
Хорошая (малая) погрешность определения размера пикселя 0.06% (погрешность аттестации размера тест-объекта составляет 0.05%) указывает на то, что вклад РЭМ ВаЫк-150 в общую погрешность очень мал (менее 0.01%). Величина эффективного диаметра зонда, равная в фокусе 13— 14 нм, находится на уровне лучших микроскопов с
Рис. 4. Сигналы изображений участков шаговой структуры тест-объекта МШПС-2.0Кв РЭМ В.аШ-150. Сигнал 1 соответствует изображению на рис. 2, сигналы 2 и 3 — на рис. 3 при горизонтальном сканировании шага, (сигнал 2) и вертикальном сканировании ступеньки (сигнал 3).
РАБОТА ЭЛЕКТРОННОГО ЛИТОГРАФА
429
Рис. 5. Схемы сигнала РЭМ (а), получаемого при сканировании шаговой структуры (б), состоящей из двух выступов с трапециевидным профилем и большими углами наклона боковых стенок, и обозначения параметров элементов структуры и сигнала. Штриховыми линиями показаны связи граничных точек профиля и контрольных точек (точки 1—6) сигнала. Контрольные точки 1—6 делят соответствующие отрезки сигнала пополам.
автоэмиссионным катодом, для которых этот параметр составляет ~10 нм [5].
4. ВЫВОДЫ
Несмотря на то, что режим работы литографа Raith-150 в качестве растрового электронного микроскопа не является основным режимом работы, его РЭМ параметры находятся на уровне лучших современных растровых электронных микроскопов, а общие системы сканирования и формирования электронного зонда обладают достаточно высокими характеристиками. Это позволяет не только использовать данный прибор в качестве электронного литографа, но и в качестве растрового электронного микроскопа для визуализации рельефа и измерения линейных размеров элементов рельефа, лежащих в нанодиапазоне.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. International Technology Roadmap for Semiconductors. 2009 Edition. Metrology. 2009. 39 p.
2. Волк Ч.П., Горнев Е.С., Новиков Ю.А., Озерин Ю.В., Плотников Ю.И., Прохоров А.М., Раков А.В. Линейная мера микронного, субмикронного и нано-метрового диапазонов для измерений размеров элементов СБИС на растровых электронных и атомно-силовых микроскопах // Микроэлектроника. 2002. Т. 31. № 4. C. 243-262.
3. Haessler-Grohne W, Bosse H. An electron optical metrology system for pattern placement measurements // Meas. Sci. Technol. 1998. V 9. P. 1120-1128.
4. Новиков Ю.А., Озерин Ю.В., Плотников Ю.И., Раков А.В., Тодуа П.А. Линейная мера микрометрового и нанометрового диапазонов для растровой электронной и атомно-силовой микроскопии // Труды ИОФАН. 2006. Т. 62. С. 36-76.
5. Волк Ч.П., Горнев Е.С., Новиков Ю.А., Плотников Ю.И., Раков А.В., Тодуа П.А. Проблемы измерения геометрических характеристик электронного зонда растрового электронного микроскопа // Труды ИОФАН. 2006. Т. 62. С. 77-120.
6. Волк Ч.П., Новиков Ю.А., Раков А.В., Тодуа П.А. Калибровка РЭМ по двум координатам с использованием одного аттестованного размера // Измерительная техника. 2008. № 6. С. 18-20.
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.