CN116659427A - 一种关键尺寸扫描电子显微镜标准样品、校准装置及校准方法 - Google Patents

一种关键尺寸扫描电子显微镜标准样品、校准装置及校准方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种关键尺寸扫描电子显微镜（CD‑SEM）标准样品、校准装置及校准方法，包括：一种关键尺寸扫描电子显微镜标准样品，所述标准样品分为四个不同的区域S1、S2、S3和S4，所述四个区域中图案的最小结构尺寸各不相同；所述四个不同的区域S1、S2、S3和S4中的每个区域又分为四个区域P1、P2、P3和P4，其中的图案为四种不同的形状；所述四种不同的形状又分为上下两个部分，为两种不同的图案类型。一种关键尺寸扫描电子显微镜校准装置，其特征在于，包括：样品承载装置、标准样品、三维运动平台；本发明还公开了一种关键尺寸扫描电子显微镜校准方法，使用所述校准方法可以及时、高效的对CD‑SEM进行校准和实现对样品关键尺寸的量测。

Description

一种关键尺寸扫描电子显微镜标准样品、校准装置及校准 方法
技术领域
本发明涉及扫描电子显微镜技术领域，特别是涉及关键尺寸测量扫描电子显微镜校准装置及校准方法。
背景技术
关键尺寸扫描电子显微镜（Critical Dimension Scanning ElectronMicroscope, CD-SEM）是半导体制程领域用来测量制作在晶圆上的图案的关键尺寸的仪器。随着半导体制程技术的发展，晶圆上图案的关键尺寸越来越小，因此对CD-SEM的测量精度的要求也越来越高，CD-SEM测量的基本原理是：被汇聚成直径在纳米量级的极细电子束在待测样品上进行扫描，产生的信号电子（二次电子或背散射电子）强度随电子束的扫描位置变化，这些信号电子被相应的探测器接收，信号随位置的变化通过信号处理系统形成一张CD-SEM的二维灰度图像，一个像素的灰度值与所在位置产生的信号强度相关，一个像素的大小对应实际的一个扫描点的物理尺寸，通过分析灰度图中某个结构的灰度轮廓得知该结构所占据的像素个数，像素个数乘以单个像素的大小就得到该结构的关键尺寸。
要想使得CD-SEM的测量准确，需要对CD-SEM进行校准，即得到图像中的单个尺寸对应的实际尺寸大小，通常CD-SEM的校准方法是：对具有已知线宽的图案（例如：具有固定间距的刻线）进行测量，测量此固定间距的图案在CD-SEM二维图像中占据的像素数，进而得到校准的像素尺寸。然而根据扫描电子显微镜信号产生的机理，CD-SEM的图像会随被观测图案的大小、形状、凸凹类型发生变化，因此即使校准图案的标称尺寸相同，他们在CD-SEM二维图像中所形成的灰度轮廓也不同，特别是当结构的尺寸达到百纳米量级及以下时，不同形状的灰度轮廓在结构边缘处也会有有较大的差别。因此当待量测样品形状与校准图案的形状不同时，会产生校准及测量的偏差。现有技术中未发现针对此种情况的讨论，针对此问题本发明提出了一种标准样品，可以根据待测样品的结构形状进行有针对性的校准。
经校准后的CD-SEM在使用一段时间后测量精度会下降，因此CD-SEM需要每隔一段时间在精度达不到要求后重新进行校准，现有技术中对CD-SEM校准需要移出待测样品，更换专门的校准样品，过程较为繁琐，而且也不容易及时发现CD-SEM是否已经偏离合格的校准精度，针对此问题本发明提出了一种用于关键尺寸扫描电子显微镜的校准装置及校准方法。。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种关键尺寸扫描电子显微镜标准样品、校准装置及校准方法，以期提高CD-SEM校准的效率，达到高效的对待量测样品进行量测的目地。
本发明公开了一种关键尺寸扫描电子显微镜标准样品，其特征在于：
所述标准样品分为四个不同的区域S1、S2、S3和S4，所述四个区域中图案的最小结构尺寸各不相同；所述四个不同的区域S1、S2、S3和S4中的每个区域又分为四个区域P1、P2、P3和P4，其中的图案为四种不同的形状；所述四种不同的形状又分为上下两个部分，为两种不同的图案类型。
可选的，所述四个不同的区域S1、S2、S3和S4中的最小结构尺寸分别为：S1区的最小结构尺寸为百纳米量级，一个典型的尺寸为100nm；S2区的最小结构尺寸为几个微米量级，一个典型的尺寸为1μm；S3区的最小结构尺寸为十微米量级，一个典型的尺寸为10μm；S4区的最小结构尺寸为百微米量级，一个典型的尺寸为100μm。
可选的，所述P1、P2、P3和P4四个区域图案的形状分别为：P1形状为线条形；P2形状为方块形；P3形状为十字形；P4形状为圆形。
可选的，所述四种不同的形状又分为上下两个部分，为两种不同的图案类型，上部分图案类型为凸起型，下部图案类型为凹陷型。
可选的，按最小结构尺寸和图案形状分类的区域的数量不局限为4个，所述标准样品可以分为M个（M≧2）不同的区域S1、S2，……SM，所述M个区域中图案的最小结构尺寸各不相同；M个区域中的每个区域又分为N（N≧2）个区域P1、P2，……PN，这N个区域中的图案形状各不相同。
同时为了实现本技术方案，本发明还公开了一种关键尺寸扫描电子显微镜校准装置，其特征在于，包括：样品承载装置、标准样品、三维运动平台；
所述样品承载装置可以同时安装所述标准样品和所述待量测样品；
所述样品承载装置安装在所述三维运动平台上；
同时为了实现本技术方案，本发明还公开了一种关键尺寸扫描电子显微镜校准方法，所述方法包括：
步骤Step1：控制三维运动平台运动，使电子束照射的到待量测样品位置，调节电子光学镜筒聚焦电流等参数，获取待量测样品清晰图像；
步骤Step2：根据Step1中获得的图像，得到待量测样品图案的最小结构尺寸，识别出待量测样品的图案形状，并记录当前样品的位置坐标X0，Y0，Z0；
步骤Step3：根据步骤Step2中得到的待量测样品图案的最小结构尺寸、形状和类型信息，找到与之对应的标准样品的校准图案，并获取该校准图案的位置信息；
步骤Step4：根据步骤Step3中获得的标准样品图案位置信息，控制位移台X，Y方向移动到标准样品校准图案位置；
步骤Step5：保持电子光学镜筒聚焦电流等参数不变，调节位移台Z方向的位置，获得标准样品上校准图案的清晰图像，对所获得的校准图案进行关键尺寸量测，与校准图案关键尺寸的标准值进行对比，完成CD-SEM校准；
步骤Step6：控制三维运动平台X，Y，Z方向移动，返回到原待量测样品位置X0，Y0，Z0；
步骤Step7：再次获取待量测样品图案的图像，对图案的关键尺寸进行量测，得到校准后的量测尺寸。
可选的，根据权利要求7所述方法，当待量测样品的最小线宽尺寸接近，形状和类型相同时，只需要使用标准样品进行一次校准，在对整个待量测样品进行成像时，可以始终使用同一电子光学镜筒参数进行成像，此时仅通过三维运动平台Z方向高度调节来确保样品在电子光学镜筒的景深范围内。
可选的，步骤Step5中获取标准样品图案的清晰图像时，其特征还在于：获取一张图像后控制三维运动平台移动，在附近位置获取相同图案的多张图像。
可选的，步骤Step5中对获得的校准图案进行关键尺寸量测时，其特征还在于：在一张图像上的多个位置进行量测，然后对这些量测的结果求平均值。
可选的，步骤Step5中对获得的校准图案进行关键尺寸量测时，其特征还在于：对相同图案获得的多张图像进行量测，然后对这些量测的结果求平均值。
附图说明
附图作为本发明的一部分，用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。
显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。另外，附图为示意图，其大小比例并不一定与实际设计相同，也不对本发明进行任何限定。在附图中：
图1是本发明提供的一种关键尺寸扫描电子显微镜标准样品示意图；
图2是本发明提供的一种关键尺寸扫描电子显微镜标准样品S1尺寸区域示意图；
图3是本发明提供的一种关键尺寸扫描电子显微镜标准样品两种结构类型示意图；
图4是相同尺寸的线条形图案和圆形图案关键尺寸测量灰度轮廓对比示意图；
图5是相同尺寸的线条形图案凸起和凹陷两种类型关键尺寸测量灰度轮廓对比意图；
图6是本发明提供的一种关键尺寸扫描电子显微镜校准装置示意图；
图7是关键尺寸扫描电子显微镜观测位置在待量测样品和标准样品间进行切换的示意图；
图8是本发明提供的一种关键尺寸扫描电子显微镜校准方法流程图；
需要说明的是，这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本发明的构思范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1所示为本发明提供的一种关键尺寸扫描电子显微镜标准样品示意图，下面结合图2和图3对所述标准样品进行详细描述：
如图1所示，标准样品10共分为四个区域，分别用S1、S2、S3和S4表示，这四个区域的图案具有四种不同的最小结构尺寸，其中S1区图案的最小结构尺寸为百纳米量级，一个典型的尺寸为100nm；S2区图案的最小结构尺寸为几个微米量级，一个典型的尺寸为1μm；S3区图案的最小结构尺寸为十微米量级，一个典型的尺寸为10μm；S4区图案的最小结构尺寸为百微米量级，一个典型的尺寸为100μm。设置这四种不同尺寸校准图案的优点在于：对于CD-SEM及其他类电子束仪器来说，电子束扫描视场的控制一般通过调节施加在电偏转器上的电压或施加在磁偏转器线圈中的电流来控制，对电子显微镜来说，实际的视场大小与施加在偏转器上的电压或电流并不是严格的线性关系，因此在较大的视场（低放大倍率）下进行的校准并不适合小视场（高放大倍率）下的测量，反之则类似，因此需要根据待测样品的尺寸来选择与待测样品尺寸最接近的校准样品尺寸，因此本发明提供的标准样品的四种尺寸可以满足对不同尺寸样品进行测量时的校准需求。
需要说明的是，本发明提出的标准样品可以分为四个不同尺寸的区域，但是区域的数量不局限在四个，可以是两个、三个或大于四个。根据本发明的一个特征实施例，按最小结构尺寸和图案形状分类的区域的数量不局限为4个，所述标准样品可以分为M个（M≧2）不同的区域S1、S2，……SM，所述M个区域中图案的最小结构尺寸各不相同；只要是根据待量测样品的尺寸来选择校准样品的尺寸基本思想都在本发明的保护范围之内。
结合图2和图3，以标准样品的S1区为例对标准样品的具体结构进行详细介绍。如图2所示，标准样品S1区中图案分为P1、P2、P3和P4四种不同的形状：P1：线条形；P2：方块形；P3：十字形；P4：圆形。这四种不同的形状又分为凸起型和凹陷型两种不同的类型，如图3所示，以P1的线条形为例说明图案的两种类型，其中左面(a)部分为P1线条形的上视图，其中上半区域301为凸起型，下半区域302为凹陷型；右面(b)部分为P1线条形的截面视图，清晰的展示了上半区域的凸起型301a和下半区域的凹陷型301b，对于S1区，根据本发明，区域内图案的最小结构尺寸为百纳米量级，一个典型的尺寸为100nm，图3右面(b)部分示对此尺寸进行了标注。
需要说明的是，上面描述的标准样品的图案分为P1、P2、P3和P4四种不同的形状，但是图案的形状种类数不局限在四个，可以是两个、三个或大于四个。根据本发明的一个特征实施例，上述按图案的最小关键尺寸分成的M个区域中的每个区域又分为N（N≧2）个区域P1、P2，……PN，这N个区域中的图案形状各不相同。只要是根据待量测样品的形状来选择对应形状的校准样品的基本思想都在本发明的保护范围之内。
以上以P1线条形为例说明了图案的两种类型，对于另外三种形状P2、P3和P4，与P1相同也分为上半区域的凸起型和下半区域的凹陷型。结合图4和图5说明本发明设置这四种形状和两种类型图案的优点。如图4所示，401a为线条形图案，401b是与其对应的CD-SEM图像的灰度轮廓，402a为圆形图案，402b是与其对应的CD-SEM图像的灰度轮廓，可以看出虽然两种图形的关键尺寸相同，但在CD-SEM图像中灰度轮廓却不同，因此使用两种图形对CD-SEM校准时会存在差异；如果待测图图案与校准图案的形状相同或相近，则他们的灰度轮廓也相同或相近，则使用与待测图案形状相同或相近的标准样品进行校准则会显著的减小测量偏差，提高测量的精度。与不同形状对校准产生的影响类似，相同图案的两种凹凸类型也会产生类似的影响，如图5所示，以P1线条形图案为例，501a为凸起型，501b是与其对应的CD-SEM图像的灰度轮廓，由图可以看出虽然它们的关键尺寸相同，均为100nm，但其在CD-SEM图中的灰度轮廓有较大差异，因此这两种类型对CD-SEM校准也会存在偏差，因此要根据待量测的图形类型使用相应的标准样品进行校准，如果待测图形为凸起型，则在CD-SEM校准时选择的图形也应该为凸起型，如果待测图形为凹陷型，则选择的校准图形也应该为凹陷型，从而提高校准和测量精度。
本发明还提供了一种关键尺寸扫描电子显微镜校准装置，如图6所示，所述装置包括：样品承载装置601、标准样品602、三维运动平台603。其中样品承载装置601安装在所述三维运动平台603上，其上设置有标准样品安装位置，安装有标准样品602，同时样品承载装置601上设置有待量测样品安装位置，安装有待量测样品604（图中为一晶圆样品，其上有待量测图案）。如图7所示，701为CD-SEM对待量测样品进行成像的示意图，702为CD-SEM对标准样品进行成像的示意，图中701a示意了CD-SEM的电子光学镜筒，701b为从电子光学镜筒出射的汇聚的电子束。使用本发明提供的种关键尺寸扫描电子显微镜校准装置的优势在于：现有技术中对CD-SEM校准需要移出待测样品，更换专门的校准样品，过程较为繁琐，而且也不容易及时发现CD-SEM是否已经偏离合格的校准精度，使用本发明所述的校准装置，因为标准样品与待量测样品安装在同一个承载装置上，可以方便的对CD-SEM进行校准，及时发现CD-SEM校准精度问题和再次执行校准。
本发明还提供了一种关键尺寸扫描电子显微镜校准方法：
由以上讨论可知，待测量的样品尺寸不同则校准时使用的标准样品的尺寸也不同；待测量的样品的形状和类型不同，要进行精确地校准需要的标准样品的形状和类型也不同；同时在工业生产中为了及时发现CD-SEM的测量精度是否满足要求，需要对CD-SEM的测量精度进行在线检查和实时校准。使用上面描述的本发明提出的标准样品和校准装置，本发明还提出了一种关键尺寸扫描电子显微镜校准方法：
步骤Step1：控制三维运动平台运动，使电子束照射的到待量测样品位置（如图7中701所示），调节电子光学镜筒聚焦电流等参数，获取待量测样品清晰图像；
步骤Step2：根据Step1中获得的图像，得到待量测样品图案的最小结构尺寸，识别出待量测样品的图案形状，并记录当前样品的位置坐标X0，Y0，Z0；例如：待量测图案的最小结构尺寸为80nm左右，图案形状为圆形，凹陷型（孔）结构；
步骤Step3：根据步骤Step2中得到的待量测样品图案的最小结构尺寸、形状和类型信息，找到与之对应的标准样品的校准图案，并获取该校准图案的位置信息；例如：步骤Step2中待量测样品图案的最小结构尺寸为80nm，应选择标准样品中的S1区，因图案形状为圆形，应选择P4形状，因图案为孔结构，应选择P4形状的下半区域的凹陷型；
步骤Step4：根据步骤Step3中获得的标准样品图案位置信息，控制位移台X，Y方向移动到标准样品校准图案位置（如图7中702所示）；
步骤Step5：保持电子光学镜筒聚焦电流等参数不变，调节位移台Z方向的位置，获得标准样品上校准图案的清晰图像，对所获得的校准图案进行关键尺寸量测，与校准图案关键尺寸的标准值进行对比，完成CD-SEM校准；
步骤Step6：控制三维运动平台X，Y，Z方向移动，返回到原待量测样品位置X0，Y0，Z0；
步骤Step7：再次获取待量测样品图案的图像，对图案的关键尺寸进行量测，得到校准后的量测尺寸。
上述方法中，可选的，当待量测样品的最小线宽尺寸接近，形状和类型相同时，只需要使用标准样品进行一次校准，在对整个待量测样品进行成像时，可以始终使用同一电子光学镜筒参数进行成像，此时仅通过三维运动平台Z方向高度调节来确保样品在电子光学镜筒的景深范围内。
上述方法中，可选的，步骤Step5中获取标准样品图案的清晰图像时，可以在获取一张图像后控制三维运动平台移动，在附近位置获取相同图案的多张图像。
上述方法中，可选的，步骤Step5中对获得的校准图案进行关键尺寸量测时，可以采用在一张图像上的多个位置进行量测，然后对这些量测的结果求平均值。
上述方法中，可选的，步骤Step5中对获得的校准图案进行关键尺寸量测时，可以采用对相同图案获得的多张图像进行量测，然后对这些量测的结果求平均值。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
提供了一种用于对CD-SEM进行校准的标准样品，具备四种不同的最小结构尺寸，四种不同的图案形状和两种结构类型。可以根据待量测样品的尺寸、形状和类型信息来选择与之对应的校准样品图案，可以对CD-SEM进行更精确的校准。同时使用本发明提供了一种校准装置，标准样品与待量测样品安装在同一个承载装置上，可以方便的对CD-SEM进行在线校准，及时发现CD-SEM校准精度问题和再次执行校准。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种关键尺寸扫描电子显微镜标准样品，其特征在于：所述标准样品分为四个不同的区域S1、S2、S3和S4，所述四个区域中图案的最小结构尺寸各不相同；所述四个不同的区域S1、S2、S3和S4中的每个区域又分为四个区域P1、P2、P3和P4，其中的图案为四种不同的形状；所述四种不同的形状又分为上下两个部分，为两种不同的图案类型。。
2.如权利要求1所述标准样品，其特征在于，所述四个不同的区域S1、S2、S3和S4中的最小结构尺寸分别为：S1区的最小结构尺寸为百纳米量级，一个典型的尺寸为100nm；S2区的最小结构尺寸为几个微米量级，一个典型的尺寸为1μm；S3区的最小结构尺寸为十微米量级，一个典型的尺寸为10μm；S4区的最小结构尺寸为百微米量级，一个典型的尺寸为100μm。
3.如权利要求1所述标准样品，其特征在于，所述P1、P2、P3和P4四个区域图案的形状分别为：P1形状为线条形；P2形状为方块形；P3形状为十字形；P4形状为圆形。
4.如权利要求1所述标准样品，其特征在于，所述四种不同的形状又分为上下两个部分，为两种不同的图案类型，上部分图案类型为凸起型，下部图案类型为凹陷型。
5.如权利要求1所述标准样品，按最小结构尺寸和图案形状分类的区域的数量不局限为4个，所述标准样品可以分为M个（M≧2）不同的区域S1、S2，……SM，所述M个区域中图案的最小结构尺寸各不相同；M个区域中的每个区域又分为N（N≧2）个区域P1、P2，……PN，这N个区域中的图案形状各不相同。
6.一种关键尺寸扫描电子显微镜校准装置，其特征在于，包括：样品承载装置、标准样品、三维运动平台；
所述样品承载装置可以同时安装所述标准样品和所述待量测样品；
所述样品承载装置安装在所述三维运动平台上。
7.一种关键尺寸扫描电子显微镜校准方法，所述方法包括：
步骤Step1：控制三维运动平台运动，使电子束照射的到待量测样品位置，调节电子光学镜筒聚焦电流等参数，获取待量测样品清晰图像；
步骤Step2：根据Step1中获得的图像，得到待量测样品图案的最小结构尺寸，识别出待量测样品的图案形状，并记录当前样品的位置坐标X0，Y0，Z0；
步骤Step3：根据步骤Step2中得到的待量测样品图案的最小结构尺寸、形状和类型信息，找到与之对应的标准样品的校准图案，并获取该校准图案的位置信息；
步骤Step4：根据步骤Step3中获得的标准样品图案位置信息，控制位移台X，Y方向移动到标准样品校准图案位置；
步骤Step5：保持电子光学镜筒聚焦电流等参数不变，调节位移台Z方向的位置，获得标准样品上校准图案的清晰图像，对所获得的校准图案进行关键尺寸量测，与校准图案关键尺寸的标准值进行对比，完成CD-SEM校准；
步骤Step6：控制三维运动平台X，Y，Z方向移动，返回到原待量测样品位置X0，Y0，Z0；
步骤Step7：再次获取待量测样品图案的图像，对图案的关键尺寸进行量测，得到校准后的量测尺寸。
8.根据权利要求7所述方法，当待量测样品的最小线宽尺寸接近，形状和类型相同时，只需要使用标准样品进行一次校准，在对整个待量测样品进行成像时，可以始终使用同一电子光学镜筒参数进行成像，此时仅通过三维运动平台Z方向高度调节来确保样品在电子光学镜筒的景深范围内。
9.根据权利要求7所述方法，步骤Step5中获取标准样品图案的清晰图像时，其特征还在于：获取一张图像后控制三维运动平台移动，在附近位置获取相同图案的多张图像。
10.根据权利要求7所述方法，步骤Step5中对获得的校准图案进行关键尺寸量测时，其特征还在于：在一张图像上的多个位置进行量测，然后对这些量测的结果求平均值。
11.根据权利要求7所述方法，步骤Step5中对获得的校准图案进行关键尺寸量测时，其特征还在于：对相同图案获得的多张图像进行量测，然后对这些量测的结果求平均值。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN117637513A (zh) * 2023-11-30 2024-03-01 魅杰光电科技(上海)有限公司 关键尺寸量测方法、装置、设备及存储介质

Cited By (1)

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CN117637513A (zh) * 2023-11-30 2024-03-01 魅杰光电科技(上海)有限公司 关键尺寸量测方法、装置、设备及存储介质

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