МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2015, том 44, № 2, с. 152-158
= МЕТРОЛОГИЯ
УДК 537.533
ВЛИЯНИЕ НАКЛОНА ТЕСТ-ОБЪЕКТА НА КАЛИБРОВКУ РЭМ
© 2015 г. Ю. А. Новиков
Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской АН E-mail: nya@kapella.gpi.ru Поступила в редакцию 31.03.2014 г.
Рассмотрено влияние наклона тест-объекта с трапециевидным профилем и большими углами наклона боковых стенок на калибровку растрового электронного микроскопа. Показано, что при использовании в качестве аттестованного параметра шага структуры или размеров верхних и нижних оснований выступов и канавок наклон тест-объекта не оказывает влияния на калибровку РЭМ. При использовании величины проекции боковой наклонной стенки выступов и канавок на основание структуры наклон тест-объекта приводит к появлению систематической погрешности определения увеличения (размера пикселя) в несколько раз большей случайной погрешности. Разработан метод определения угла наклона тест-объекта, который позволяет измерить этот угол, определить и устранить систематическую погрешность.
DOI: 10.7868/S0544126915020052
1. ВВЕДЕНИЕ
Развитие современных микроэлектроники и нанотехнологии невозможно без измерения линейных размеров. Размеры элементов, с которыми имеют дело эти технологии, лежат в диапазоне 1 нм—100 мкм. Среди устройств, позволяющих визуализировать объекты с такими размерами, выделяется растровый электронный микроскоп (РЭМ) [1—7]. Это объясняется следующими причинами. Во-первых, РЭМ перекрывает весь необходимый диапазон размеров [6, 7]. Во-вторых, для РЭМ, работающего в режиме сбора вторичных медленных электронов (ВМЭ), созданы тест-объекты [6—9] для калибровки РЭМ и разработаны сами методы калибровки [6—9]. В-третьих, созданы методы измерения размеров [6, 7, 10, 11] элементов микро- и наноструктур практически во всем необходимом диапазоне.
Однако РЭМ обладает и некоторыми недостатками. К ним относятся проведение измерений в вакууме и невозможность проконтролировать наклон исследуемого образца. Необходимость вакуума может быть как недостатком, так и достоинством в связи с тем, что многие технологические процессы в микро- и нанотехнологиях проводятся в вакууме. А вот отсутствие контроля наклона образца является серьезным недостатком. Обычно на него не обращают внимание, объясняя это тем, что влияние наклона на калибровку РЭМ и измерение размеров элементов микро- и наноструктур мало и не превышает обычных ошибок измерений. Однако эти утверждения требуют доказательств. Необ-
ходим метод экспериментального определения наклона образца.
Настоящая работа представляет такой метод и результаты учета влияния наклона тест-объекта на калибровку растрового электронного микроскопа.
2. ТЕОРИЯ МЕТОДА
В настоящее время калибровка растрового электронного микроскопа, работающего в режиме сбора ВМЭ, осуществляется с помощью тест-объектов — рельефных шаговых структур [6—9,12, 13]. Выступы и канавки, из которых состоят такие структуры, имеют трапециевидный профиль и большие углы наклона боковых стенок [8, 9, 14]. Схема профиля шаговой структуры такого тест-объекта представлена на рис. 1 вместе с моделью сигнала, получаемого на РЭМ в режиме сбора ВМЭ. Вертикальными штриховыми линиями показаны связи граничных точек профиля (рис. 1а) и контрольных точек (точки 1—6 на рис. 1б) сигнала.
При выполнении условий
= Ь tg Ф > й, Ьр (, ир ( > й, (1)
где d — эффективный диаметр [15, 16] (далее просто диаметр) электронного зонда, ф — угол наклона боковой стенки выступа или канавки относительно нормали к поверхности структуры (см. рис. 1а), параметры сигнала ВМЭ, структуры и микроскопа связаны соотношениями
T
t
Рис. 1. Схемы шаговой структуры (а), состоящей из двух выступов с трапециевидным профилем и большими углами наклона боковых стенок, и сигнала РЭМ (б), получаемого при сканировании такой структуры, 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 пополам.
t = mT, (2)
s = mS, (3)
up = mUp, bp = mBp, (4)
Ut = mUt, bt = mBt, (5)
d = mD. (6)
Здесь т — размер пикселя на ВМЭ изображении.
В выражении (3) учтено, что для структур с большими углами наклона боковых стенок, созданных по технологии анизотропного травления монокремния с ориентацией поверхности (100) [8, 9], выполняются условия
= ^ = ^ = к tg ф. (7)
При этом
Бь = БК = Б. (8)
t cos а
Sl = mSL, up cos a = mUp, ut cos a = mUt,
При этом проекции левой и правой боковых наклонных стенок выступов и канавок на плоскость,
Выражения (2)—(6) демонстрируют, что все параметры выступов и канавок шаговой структуры могут быть использованы для калибровки РЭМ. Так, размер пикселя может быть определен с помощью выражений (2)—(5), а, зная размер пикселя, можно, используя выражение (6), определить величину диаметра d электронного зонда РЭМ.
В случае наклона образца на угол а выражения (2)—(5) перестают быть справедливыми, так как на формирование сигнала оказывает влияние наклон структуры. Потому вместо (2)—(5) при калибровке РЭМ нужно пользоваться выражениями
(9) (10) (11) (12)
перпендикулярную электронному зонду РЭМ, будут разными. Для выступов можно записать
= mT,
Sr = mSR, bp cos a = mBp, bt cos a = mBt.
sL = (h tg ф + h tg a) cos a = s (l + V2tg a) cos a, (13)
sR = (h tg ф- h tg a) cos a = s (l -V2tg a) cos a. (14)
Таблица 1. Численные значения Бь и Эк параметров сигналов, полученных при сканировании 5 и 6 выступов шаговой структуры
Элемент Параметр Размер, р1х
Пятый выступ Эь 235.1 ± 0.2
ЭК 239.9 ± 0.2
Шестой выступ Эь 235.6 ± 0.3
Эк 239.8 ± 0.2
Таблица 2. Усредненные по 5 и 6 выступам Эь и Эк параметры шаговой структуры и производные от них характеристики сигнала
Параметр Размер, р1х
Эь 235.33 ± 0.18
Эк 239.89 ± 0.16
(Бь + Эк)/2 237.61 ± 0.12
(Бь - Эк)/2 -2.28 ± 0.12
1
* Ф = ^
(15)
$г + $
2
— = $ соб а,
-
= к б1п а = $
б1п а
= 72$
2 tg ф из которых легко получить
1 $I - _ 1 - Б—
а,
tg а
л/2
$1 +
Таким образом, из измерений проекций боковых наклонных стенок выступов и канавок, можно определить угол наклона структуры, используемой для калибровки РЭМ. Причем для этого не нужна калибровка РЭМ (определение размера пикселя). Достаточно (см. выражение (18)) измерить параметры Эь и Эк сигнала (рис. 1б).
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ АППАРАТУРА И ИССЛЕДУЕМЫЕ ОБЪЕКТЫ
Экспериментальная проверка описанного выше метода проводилась на РЭМ модели 8 4800,
л/2 Б1 + Б—
(16)
(17)
(18)
работающим в режиме сбора вторичных медленных электронов. Энергия электронов зонда была 20 кэВ. Рабочее расстояние составляло 5.9 мм.
В качестве тест-объекта для калибровки РЭМ использовалась мера МШПС-2.0К [8, 9] (рис. 2), созданная по технологии анизотропного травления пластины монокремния с ориентацией поверхности (100). Мера состоит из 5 блоков по 3 рельефные шаговые структуры в каждом (см. рис. 2а). Шаговые структуры представляют собой 11 канавок (10 выступов) на поверхности кремния (рис. 2б). Выступы и канавки имеют трапециевидный профиль с большими углами наклона боковых стенок. Верх выступов и дно канавок совпадают с кристаллографическими плоскостями {100}, а боковые стенки выступов и канавок совпадают с кристаллографическими плоскостями {111}. Более подробно мера МШПС-2.0К описана в работах [8, 9].
Для эксперимента были выбраны 5-ый и 6-ой выступы и канавка между ними второй шаговой структуры центрального блока тест-объекта. Аттестация шага в этой области осуществлялась на электронно-оптической метрологической системе, описанной в работе [17]. Аттестованное значение шага составило
г = 2001 ± 1 нм.
(19)
Здесь учтено, что для тест-объектов с большими углами наклона боковых стенок выступов и канавок, описанных в работах [8, 9],
Из выражений (13) и (14) можно составить два альтернативные выражения
4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЯ
На рис. 3 приведено РЭМ изображение 5-го и 6-го выступов, а рис. 4 демонстрирует форму сигналов, из которых состоит изображение на рис. 3. Форма сигнала хорошо совпадает со схемой сигнала, представленной на рис. 1б.
В соответствии с рис. 1б были определены параметры сигналов. В табл. 1 приведены численные значения величин средних значений Эь и Эк параметров. Хорошо видно, что размеры Эь и Эк различны как для 5-го, так и для 6-го выступов. Однако все Эь параметры одинаковы, так же как и Эк параметры.
Для расчета угла наклона шаговой структуры были использованы усредненные по 5-му и 6-му выступам Эь и Эк параметры. Они представлены в табл. 2. На основе этих данных была получена величина угла наклона шаговой структуры
а = -0.55° ± 0.03°.
При таких углах наклона тест-объекта поправка к размерам шаговой структуры (шагу, нижним и верхним основаниям выступов и канавок и полусумме проекций боковых наклонных стенок) составляет 5 х 10-5, что для величины шага (19) соответствует 0.1 нм. Это в 10 раз меньше ошибки аттестации величины шага.
(а)
84800 20.0 кВ , 10'° мкм
Рис. 2. РЭМ изображения общего вида (а) тест-объекта МШПС-2.0К и второй шаговой структуры (б) центрального блока на уровне горизонтальных направляющих линий.
4.2. Калибровка РЭМ с помощью аттестованного шага структуры
Для калибровки РЭМ использовались аттестованное значение шага (19) и измеренное на сигналах величина Т (см. рис. 1б). Его среднее значение составило
Т = 1221.86 ± 0.12 рк. (20)
Калибровка РЭМ осуществлялась с использованием выражений (2) и (6), так как наклон тест-
объекта дает поправку значительно меньшую, чем ошибка аттестации шага. Определение размера пикселя и диаметра зонда дали
т = 1.6378 ± 0.0008 нм/рк, d = 15.2 ± 0.3 нм. (21)
При этом фирма изготовитель микроскопа для изображения на рис. 3 приводит значение размера пикселя 1.653646, которое отличается от калиброванного значения на чуть более 1%, но это
Рис. 3. ВМЭ изображение шага тест-объекта МШПС-2.0К, состоящего из 5 и 6 выступов и канавки между ними второй шаговой структуры центрального блока тест-объекта.
Рис. 4. Форма ВМЭ сигнала шаговой структуры, изображение которой представлено на ри
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.