МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2015, том 44, № 4, с. 306-320
= МЕТРОЛОГИЯ
УДК 537.533
ВИРТУАЛЬНЫЙ РАСТРОВЫЙ ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП. 5. ПРИМЕНЕНИЕ В НАНОТЕХНОЛОГИИ И В МИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКЕ
© 2015 г. Ю. А. Новиков
Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской АН E-mail: nya@kapella.gpi.ru Поступила в редакцию 13.01.2014 г.
Приведены примеры применения виртуального растрового электронного микроскопа, выполненного на основе симулятора, для аттестации размеров тест-объектов на низковольтном РЭМ и калибровки высоковольтного РЭМ, работающего в режиме регистрации вторичных медленных электронов. Демонстрируется использование виртуального РЭМ для решения задачи сравнения разных методов калибровки РЭМ, выполнение которой возможно только с помощью виртуального РЭМ.
DOI: 10.7868/S0544126915030072
1. ВВЕДЕНИЕ
Развитие современных микро- и наноэлектро-ники [1] невозможно без измерений характеристик микросхем и контроля технологии их изготовления. Главными из таких характеристик являются линейные размеры [1—5] элементов микросхем. В настоящее время эти размеры лежат в широком диапазоне от 20 нм [1] до сотен микрометров. В микрометровом диапазоне хорошие результаты дают оптические методы измерения линейных размеров. Но менее 1 мкм оптика работает плохо. Здесь лучше всего себя зарекомендовала растровая электронная микроскопия [3—12]. Она перекрывает практически весь необходимый для микро- и наноэлектро-ники диапазон размеров. Однако растровые электронные микроскопы (РЭМ) обладают и рядом недостатков. Главным из них является то, что для извлечения информации из РЭМ изображений требуется решать обратную задачу, которая некорректна (впрочем аналогичным недостатком обладают практически все измерительные приборы [13]). В таких задачах небольшие отклонения во входных данных могут приводить к большим отклонениям в выходных данных.
Для решения некорректных измерительных задач используются разные методы [13], из которых наиболее перспективным является метод применения виртуальных измерительных приборов (ВИП). Согласно [13] это компьютерная программа, которая, используя входные данные, воспроизводящие характеристики объекта, исследуемого на измерительном (реальном) приборе, генерирует выходные данные, аналогичные выходным данным реального прибора. Можно создать ВИП на основе имитатора или симулятора,
но виртуальный растровый электронный микроскоп (ВРЭМ) нельзя создать на основе имитатора (см. [14]).
В работах [15, 16] был описан виртуальный РЭМ, созданный на основе симулятора информации, аналогичной информации, получаемой на реальном РЭМ при исследовании реальных объектов, аналогичных виртуальным объектам. Этот ВРЭМ ориентирован для работы в наноэлектро-нике, где рельеф поверхности микро- и наноструктур имеет трапециевидный профиль. Поэтому в качестве виртуальных объектов в виртуальном РЭМ используются структуры с трапециевидным профилем.
Настоящая работа представляет собой пятую (заключительную) часть описания виртуального растрового электронного микроскопа, посвященную примерам применения виртуального РЭМ в нанотехнологии и в микро- и наноэлек-тронике.
2. КАЛИБРОВКА РЭМ И АТТЕСТАЦИЯ РАЗМЕРОВ ТЕСТ-ОБЪЕКТОВ
Главной задачей виртуального РЭМ как виртуального измерительного прибора [13] является доказательство правильности решения обратной задачи — извлечения информации из изображений, полученных на реальных РЭМ при сканировании реальных объектов. Рассмотрим несколько примеров решения таких задач с помощью виртуального РЭМ, описанного в [15, 16].
Все результаты работы виртуального РЭМ, приведенные в данной статье, были получены на персональном компьютере с двухядерным процессором Pentium Dual, работающем в режиме одного
(а)
III- Щ
(фМ'Г
1Н—- ни
500 мкм
I_I
(б)
10 мкм
I_I
Рис. 1. ВМЭ изображения тест-объекта МШПС-2.0К и его отдельных частей, выполненные на РЭМ 5 4800 при разных увеличениях: общий вид тест-объекта (а), его центрального модуля (б) и 2 шаговой структуры (в) в области горизонтальных направляющих линий.
ядра, с тактовой частотой процессора 2.2 ГГц и тактовой частотой шины материнской платы 800 МГц. Эти параметры характерны для современных персональных компьютеров, используемых как в бы-
(а)
(в)
{111}
{100}
Рис. 2. Изображения в РЭМ скола (а), в атомно-сило-вом микроскопе рельефа (б) и схемы (в) расположения кристаллографических плоскостей кремния в шаговой структуре тест-объекта МШПС-2.0К.
ту, так и для автоматизации работы измерительных приборов.
В качестве реального объекта воспользуемся тест-объектом МШПС-2.0К[7, 8, 17, 18] (см. рис. 1), состоящим из 5 групп (рис. 1а) по 3 шаговые структуры в группе (рис. 1а и 1б). Каждая шаговая структура (рис. 1б и 1в) представляет собой 11 канавок (10 выступов) на поверхности монокремния с ориентацией (100), полученных жидкостным анизотропным травлением. Профиль выступов и канавок имеет вид трапеции (рис. 2а и 2б) с углом ф наклона боковой стенки относительно вертикали к поверхности тест-объекта. Боковые стенки элементов такого тест-объекта совпадают с кристаллографическими плоскостями {111}
Рис. 3. Реальное (а) и сгенерированное (б) изображения выступа с трапециевидным профилем и большими углами наклона боковых стенок и формы сигналов (в), из которых состоят эти изображения (сигналы 1 и 2 соответственно). Размер меток на изображениях 500 нм.
кремния, а верх выступов и дно канавок — с кристаллографическими плоскостями {100} (рис. 2в). Таким образом, угол ф наклона боковых стенок определяется углом между кристаллографическими плоскостями (111) и (100)
Ф
= arcctg л/2 ~ 35.26°
Более подробно с тест-объектом можно ознакомиться в работах [7—11, 17, 18]. Тест-объекты МШПС-2.0К используются для определения основных параметров растровых электронных микроскопов, применяемых для визуализации и измерения линейных размеров элементов микро-
схем в микро- и наноэлектронике [7—12, 17—23]. Кроме того, такие тест-объекты соответствуют российским национальным стандартам (ГОСТ Р) [24, 25], обеспечивающим передачу размера от первичного эталона метра в нанодиапазон и регламентирующим работу растровых электронных микроскопов в этом диапазоне.
2.1. Аттестация размеров тест-объектов на низковольтном РЭМ
Аттестация размеров нанометровых элементов тест-объектов является одной из главных задач, решаемых в процессе измерения линейных размеров элементов микросхем. В мировой практике считается, что аттестацию тест-объектов и измерение критических (минимальных) размеров микросхем необходимо проводить на низковольтных растровых электронных микроскопах [17, 18]. Выпускаются даже специальные низковольтные РЭМ (так называемые CD-SEM), используемые для измерения критических размеров элементов микросхем. Рассмотрим, как виртуальный РЭМ может помочь в аттестации линейных размеров тест-объекта на низковольтном РЭМ.
Для этого на РЭМ S 4800, работающем в низковольтном режиме (энергия электронов зонда E = 1 кэВ), было зарегистрировано изображение одного из выступов тест-объекта МШПС-2.0К [7, 8]. Реальное изображение (размер 2560 х 1920 pix) такого выступа приведено на рис. 3а. В работе [19] это изображение использовалось для определения плотности распределения электронов в зонде низковольтного РЭМ. Размер пикселя m на изображении согласно данным фирмы-изготовителя РЭМ был 0.8268229 нм/pix. Рисунок 3в демонстрирует форму одного из сигналов (сигнал 1), из которых состоит реальное изображение.
На рис. 4 приведены схемы выступа (рис. 4а) трапециевидной формы с большими углами ф наклона боковых стенок относительно перпендикуляра к основанию структуры с параметрами элементов выступа и низковольтного сигнала РЭМ (рис. 4б) с контрольными размерами, измеряемыми на сигналах. Большими считаются углы, которые удовлетворяют условию [26, 27]
s = h tg ф > d,
где d — эффективный диаметр [20, 21] (далее диаметр) зонда РЭМ, h — высота (глубина) рельефа, s — проекция боковой наклонной стенки на основание структуры.
При выполнении условий
b, u, s > d,
параметры выступа (Ь, u, s), контрольные размеры сигнала (B, U, S, D) и характеристики РЭМ (m, d) связаны друг с другом с помощью выражений
й = шБ, (2)
5 = шБ, (3)
и = ши, Ь = шВ. (4)
Используя формулы (2)—(4), результаты определения контрольных размеров на сигналах (см. рис. 4) и размер пикселя фирмы-изготовителя РЭМ, в работе [19] были получены диаметр электронного зонда РЭМ d = 28 нм и параметры выступа, представленные в табл. 1 (тест-объект).
Отметим, что в данном эксперименте использовался размер пикселя, указанный фирмой-изготовителем РЭМ. Однако при аттестации тест-объектов на специализированных микроскопах [17, 18] размер пикселя определяется с помощью лазерной интерференции, что позволяет осуществить аттестацию элементов тест-объекта с высокой точностью. В нашем случае демонстрируется не аттестация, а применение виртуального РЭМ при аттестации. Поэтому высокоточное знание размера пикселя в нашем случае не является необходимым условием. Достаточно той точности, которую дает фирма-изготовитель РЭМ.
Для проверки правильности решения обратной задачи [13] на виртуальном РЭМ, описанном в [15, 16], было сгенерировано изображение модельного аналога выступа тест-объекта с параметрами, представленными в табл. 1 (модель), и параметрами виртуального РЭМ такими же, как были у реального РЭМ [19]. Размер сгенерированного изображения составил 2560 х 1920 р1х. Время генерации 13.8 мин. Это изображение приведено на рис. 3б, а вид сигналов, из которых состоит изображение, показан на рис. 3в (сигнал 2).
Сравнение реального и виртуального изображений друг с другом осуществлялось путем сравнения сигналов, из которых состоят изображения (см. рис. 3в), и с помощью амплитудных спектров изображений [16], которые приведены на рис. 5. Хорошо видно, что и сигналы и амплитудные спектры реального (рис. 5а) и сгенерированного (рис. 5б) изображений хорошо совпадают друг с другом. Поэтому виртуальное изображение мож-
(б)
Рис. 4. Схемы профиля выступа (а) с трапециевидной формой и большими углами наклона боковых стенок и сигнала низковольтного РЭМ (б), получаемого при
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.