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扫描电子显微镜

Scanning Electron Microscope

 
 
 
 
 

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超高分辨率扫描电镜XHR-SEM工作台光刻工艺控制(转载)  

2011-08-15 13:08:10|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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作者:Richard Young, Ralf Lehmann and Ingo Gestmann, FEI Co., Eindhoven, Netherlands  来源: 半导体国际

核心提示:超高分辨率电镜术可提高低光束能量的分辨率和成像质量,将样品损坏降至最低,同时提供准确的计量数据,而且使一些材料获得了新的用途,如低k电介质及其它光束敏感的样品。


低电压扫描电镜(SEM)可获取高分辨率和保真度的表面细节图像,因此广泛用于众多行业和研究领域。然而这种技术一直存在着基本性能局限,尤其是色差效果,限制了低光束电压下的分辨率 – 光束的能量扩散度比在加速电压下更大。而最近推出的超高分辨率(XHR)SEM则验证了其非凡性能,可在极低光束电压下精确描绘表面细节,获得亚纳米级的分辨率。1,2

XHR SEM系统使用一个源单色器减少束流能散和色差效果,形成一个更集中的电子束。电子束减速(在电子束抵达样品表面之前减少束能)可以进一步改进低压成像,提高优化图像对比度的灵活度。虽然单色器是改进低电压成像性能的必要组件,不过其它系统元件 – 如扫描检测器、阶段和环境控制器 – 对实用性和实际日常运转的产量亦很关键。和其它现有的SEM相比,XHR SEM使用方便、样品产量相当或更高一些。

研发改良型低电压SEM的主要驱动因素来自于半导体市场。无论是用于研究、工艺开发、工艺控制或是用于故障分析,半导体设备制造商在整个行业历史中都大力生产SEM。32nm和低于32nm设计节点下开发的新工艺非常需要高分辨率成像技术。透射电镜(TEM)可提供原子层的成像和化学分析,但是需要复杂得多的样品制备过程,而且不是非常适合检测3D表面特征。SEM通常样品制备较简单,适合于开裂段和复杂3D表面的高效率成像。XHR SEM的高分辨率、表面灵敏度和易使用特性将大大扩展32nm节点及以上的SEM实用性。

低电压SEM传统上用于减少非导体材料上的积累电荷,避免损坏灵敏电子设备、提高对表面细节的灵敏度(损失一些分辨率)。目前XHR SEM具有次纳米级分辨率相同的优势。分辨率(在优化操作距离下)的规格为0.8nm(15kV)和0.9nm(1kV)。即使低于常规的1kV限制,XHR SEM亦可达到1.5nm分辨率(200V)(使用电子束减速)。

分辨率和样品相互作用体积

高分辨率成像通常选用二次电子(SE)信号,当背向散射电子束离开样品表面(远离初始电子束光电)时,会形成Type II SE,此时SE信号会减弱。Type II SE可以源自于一个大得多的区域,大体上与相互作用体积对应。

如图1中的蒙特卡罗模拟所示,渗透深度(和相互作用体积的大小)减少一个数量级,从30kV到5kV,然后从5kV到1kV。XHR SEM在极低电压下亦可保持一个小而良好聚焦的束点,减少电子束渗透,给出无损坏成像和更高灵敏度以获得精细表面细节。

硅中电子散射的蒙特卡罗模拟,描述了电子束能量对相互作用体积(跨两个数量级)的影响。 

1. 硅中电子散射的蒙特卡罗模拟,描述了电子束能量对相互作用体积(跨两个数量级)的影响。留在样品中的主电子束为蓝色。主电子束在样品上发生背向散射,可能形成Type II二次电子,它们离开样品表面,显示为红色。

电子束对抗蚀剂的影响

所用样品是一种193nm曝光的抗蚀剂,用以形成标准Qimonda 70nm产品的光刻结构。已知抗蚀剂对电子束的曝光十分灵敏,最显著的作用是出现局部收缩。所述样品已开裂并镀有金/钯镀层以减少充电作用,不过在为镀层样品上仍然获得了极佳的结果(如下所述)。

此研究着重确定是否有低加速电压和低射束电流的优化组合方法,可以将电子束暴露对抗蚀剂的结构影响降至最低。抗蚀剂成像的加速电压通常为1-3kV,而常规SEM分辨率仍足以获得可接受的图像质量,可以测量抗蚀剂结构并使工艺工程师评估光刻工艺的质量。然而由于电子束暴露的作用,在抗蚀剂结构开始明显变形之前,只有极短的时间来优化成像条件,例如焦点和像散修正。

在1kV和16pA条件下,局部区域观察到抗蚀剂结构开始立即收缩 

2. 在1kV和16pA条件下,局部区域观察到抗蚀剂结构开始立即收缩

在进行慢速扫描或高质量照片扫描时可立即观察到这种效果。即使在1kV条件下,充电效果可以被减速,但是样品仍立即开始降解(图2)。暴露在电子束下数秒后,操作员通常可看见变形现象。最终这会影响测量精确度、准确度以及严格控制光刻工艺的能力。XHR SEM的主要目标是找到抗蚀剂变化尽可能小的成像条件,同时图像质量和分辨率保持在操作员可准确测量成像结构的水平。

找到最佳条件

图像显示了非常精细的抗蚀剂结构细节,横截面的粗糙表面亦清晰可见。 

3. 在500V和6.2pA条件下样品稳定,同时获得优化的聚焦和像散以及对比度与亮度比。图像显示了非常精细的抗蚀剂结构细节,横截面的粗糙表面亦清晰可见。

在寻求可以减少损坏的电子束条件中,将电压和电流都降低。在500V和6.2pA条件下,在足以优化图像参数的时间内未观察到损坏,包括聚焦和像散修正、光圈颤动和对比度、亮度的调节(图3)。然后用标准慢速扫描获得最终图像,而不使用快速扫描技术和图像整合或均化。在300kX放大(Polaroid模式)时需要带度量数据的图像,该图像的水平场宽(HFW)为423nm。

横截面表面在阐述图像时有一些问题。要分析样品制备时是否可能将人为杂质带入横截面图像和测量中,这非常重要。这也可以提供一定线索,横截面的什么位置可能提供最佳测量质量。和“端头直对”地观察抗蚀剂排列线相比,稍微倾斜并旋转样品通常更有效果,可得到横截面本身、抗蚀剂结构和排列线侧壁的良好视图。这种特殊的角度还可以让工艺工程师获得极为详细的、关于潜在曝光问题的信息和工艺中均匀度的信息(图4)。

倾斜图像在500V下的聚焦深度,可检查横截面质量、抗蚀剂排列线侧壁的底脚和粗糙度。  

4. 轻微倾斜并旋转样品,可以更容易区分制备的人为杂质(左)和优化的结构成像位置(方便度量)(右)。倾斜图像在500V下的聚焦深度,可检查横截面质量、抗蚀剂排列线侧壁的底脚和粗糙度。

在500V(左)、3.0pA和350V(右)条件下获得的图像,仍可给出极好的图像质量和分辨率。  

5. 在500V(左)、3.0pA和350V(右)条件下获得的图像,仍可给出极好的图像质量和分辨率。

使用2mm操作距离的无镀层抗蚀剂给出了基本无电荷图像,可清晰观察到横截面图像和非常细节的表面信息。未出现电子束损坏。 

6. 使用2mm操作距离的无镀层抗蚀剂给出了基本无电荷图像,可清晰观察到横截面图像和非常细节的表面信息。未出现电子束损坏。

XHR SEM图像显著改进了抗蚀剂结构的所有分析结果。低电压和低电流成像、高分辨率和高表面灵敏度、加上谨慎处理灵敏的抗蚀剂材料,为光刻工艺控制开启了新的天地。由于该系统没有样品大小、类型、制备和方向上(透镜内SEM相关)的限制,如果方便使用1-4mm操作距离,则样品/横截面自身可达到10mm或更长。也可以实现单根部上的多样品分析。电子束电流和加速电压可以更低(图5),完全无镀层的抗蚀剂在“电子束减速模式”下亦获得良好结果(图6)。

结论

从历史上看,SEM是纳米级分辨率图像的最快方案。样品通常可加载至SEM,样品制备和成像只需几分钟。相反,TEM可提供更高的最终空间分辨率,但是样品制备比较复杂。样品必须非常薄(厚度小于100nm),使用聚焦离子束(FIB)碾磨或机械切割技术,大大增加了最终图像的时间和成本。

此外,有一些样品根本无法轻易制备成薄片样品(如3D结构),而XHR SEM可在保持初始状态下对这些样品成像。在需要TEM分析时,由于关键尺度的持续收缩,XHR SEM成为非常有力的补充手段。

XHR SEM提高了极低电子束能量下的分辨率和图像质量,扩展了SEM微电子应用的范围。本文显示的结果论证了降低加速电压以最小化样品损坏的附加优势,同时保持准确和精确度量所需的分辨率。

在极低电子束电压下降低样品损坏,还可以检测低k电介质和其它电子束敏感样品。此外,XHR SEM及具有低电压,又保留了所有常规SEM在速度、灵活度和易使用方面的优点。

致谢

我们诚挚感谢R. Kaesmaier和U. Ritter,他们在Qimonda-Dresden故障分析实验室的支持下,在Qimonda作了此项研究的具体工作。

References

1. R.J. Young et al., “Extreme High Resolution SEM: A Paradigm Shift,” Microscopy Today, July/August 2008, p. 24.

2. R.J. Young et al., “XHR SEM: Enabling Extreme High Resolution Scanning Electron Microscopy,” Proc. SPIE, Vol. 7378, 737803 (2009).

Author Information

Richard Young is technology manager in the Electronics Market Division at FEI, focused on SEM, FIB and DualBeam systems used for failure analysis and characterization. He holds a Ph.D. in physics from the University of Cambridge, and joined FEI in 1991.

Ralf Lehmann is a senior field applications engineer with FEI. Ralf joined FEI in 2002, having worked for Siemens/Infineon Dresden in its Physical Failure Analysis Laboratory since 1995.

Ingo Gestmann is an applications engineer within the FEI NanoPort in Eindhoven, Netherlands. Ingo has been a key contributor to the development of the Magellan XHR SEM.

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