Особенности измерений линейных размеров субмикронных структур методом растровой электронной микроскопии

• Автор: Заблоцкий, Алексей Васильевич
• Шифр специальности: 01.04.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Долгопрудный
• Количество страниц: 129 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Измерение линейных размеров в растровой электронной микроскопии

1.1 Физические основы и устройство растрового электронного микроскопа

1.2 Вторичная электронная эмиссия

1.2.1 Упругое рассеяние электронов

1.2.2 Неупругое рассеяние электронов

1.3 Измерение линейных размеров в растровой электронной микроскопии

1.3.1 Расхождение результатов при измерениях с помощью различных методов

1.3.2 Подход к измерениям, основанный на моделировании

1.3.3 Безмодельный подход на основе анализа формы видеосигнала

1.3.4 Развитие подходов измерений, основанных на моделировании
Заключение к главе
ГЛАВА 2. Разработка программной модели РЭМ
2.1 Моделирование взаимодействия электронного зонда с исследуемым
образцом
2.1.1 Метод Монте-Карло
2.1.2 Моделирование первичного пучка электронов
2.1.3 Взаимодействие пучка ускоренных электронов с образцом
2.2 Моделирование сбора вторичных электронов
2.3 Проверка модели
Заключение к главе
ГЛАВА 3. Измерение линейных размеров методом растровой электронной
микроскопии
3.1 Концепция проведения измерений
3.2 Привязка к первичному эталону длины
3.3 Измерение линейных размеров и определение погрешности
Заключение к главе
ГЛАВА 4. Применение представленного способа измерения линейных размеров для
ю-эйи диагностики
4.1 Атомно-проекционная литография
4.2 Определение параметров микролинз
Заключение к главе
Заключение
Литература

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы
Современный уровень технологий позволяет производить объекты и структуры чрезвычайно малых размеров. Согласно Международной дорожной карте развития полупроводниковых технологий [1] размер затвора современных транзисторов составляет менее 32 нм, что является одним из наиболее малых массово производимых объектов, для которых необходим строгий контроль линейных размеров [2]. Для определения значения критических размеров в субмикронном диапазоне (от десятков до сотен нанометров) применяются различные виды высокоразрешающей микроскопии, такие как сканирующая зондовая микроскопия, просвечивающая электронная микроскопия, растровая электронная микроскопия, микроскопия на основе фокусированных ионных пучков и т.д. Однако, для решения задач, требующих оперативного контроля (без специальной пробоподготовки, высокопроизводительного, неразрушающего) подходит только растровая электронная микроскопия. При этом, несмотря на то, что диаметр электронного зонда современных растровых электронных микроскопов (РЭМ) может достигать единиц нанометров, размер области сбора вторичных электронов, формирующих информативный сигнал РЭМ, за счет процессов рассеяния может достигать значений нескольких десятков нанометров. Это приводит к расхождению между «кажущимся» размером элемента, определённым по профилю видеосигнала РЭМ, и его реальным размером.
В связи с этим актуальной является задача разработки способов определения (измерения) геометрических параметров субмикронных объектов путём анализа РЭМ изображений с учетом информации о режиме работы РЭМ, при котором выполнены измерения. Один из таких способов заключается в моделировании физических процессов, происходящих в РЭМ, для получения модельных РЭМ изображений. Подбирая параметры модели изучаемых объектов, добиваются наилучшего совпадения реального и модельного изображения. После этого полученные оптимальные параметры принимают за реальные размеры объекта [3-6]. Способ применяют для определения критических размеров изделий современной микроэлектроники с помощью прецизионных низковольтных РЭМ с внутрилинзовыми детекторами [5]. При этом вычислительная задача моделирования РЭМ упрощается, вследствие уменьшения области взаимодействия электронного зонда с исследуемым образцом. Однако в реальной практике используются разнообразные модели РЭМ, в том числе высоковольтные, с детектором Эверхарта-Торнли. Это требует дальнейшей проработки подходов к

моделированию физических процессов формирования информативного сигнала РЭМ. При этом в процессе проведения измерений линейных размеров методом растровой электронной микроскопии важно показать прослеживаемость результатов измерений к первичному эталону длины.
К кругу задач, требующих оперативного контроля, относится т-вИи диагностика результатов технологических операций, выполненных с помощью научно-исследовательского оборудования (двулучевых систем, сочетающих растровую электронную микроскопию и технологию фокусированных ионных пучков; многокамерных нанотехнологических комплексов и т.д.). В частности, новый способ литографии, основан на принципе «камеры-обскура» с использованием пучка нейтральных атомов, проходящих через массив малых отверстий в тонкой мембране, называемых микролинзами. В настоящее время микролинзы с характерным размером порядка 25 нм и более изготавливаются с использованием технологии фокусированных ионных пучков. При этом, практическое применение данного способа литографии (например, для создания метаматериалов) требует, чтобы создаваемые структуры имели одинаковые размеры. В свою очередь, разброс размеров создаваемых структур зависит от разброса эффективного диаметра микролинз, который необходимо оперативно контролировать /п-э//и в процессе их изготовления.
Цель диссертационной работы
Целью настоящей работы является разработка компьютерной модели растрового электронного микроскопа, адекватно учитывающей процессы взаимодействия электронного зонда с исследуемым образцом и сбора вторичных электронов, и разработка на основе этой модели способа измерения линейных размеров в субмикронном и нанометровом диапазоне, позволяющего определить погрешность (неопределенность) проводимых измерений и обеспечивающего прослеживаемость к первичному эталону длины.
Таким образом, перед диссертационной работой были поставлены следующие задачи:
-анализ способов измерений линейных размеров субмикронных структур методом растровой электронной микроскопии;
- разработка компьютерной модели РЭМ, учитывающей физические процессы формирования информативного сигнала: взаимодействие электронного зонда с исследуемым образцом, сбор и детектирование вторичных электронов;

выхода вторичных медленных электронов принимают в диапазоне 1-10 нм [18]. В работе [16] приведено выражение для этой глубины
гг = ,9Аг-° 6р-х, (1.22)
где А - атомный вес, I - атомный номер, р - плотность испускающего электронный вещества в г/см3, а измеряется в нанометрах. Для кремния выражение (1.22) дает = 4,7 нм.
Кроме эффекта ионизации атома, связанного с неупругими потерями энергии электроном, существуют реакции выбивания электрона из атома. К ним относятся эффект Оже [71,72] и так называемая (е, 2е)-реакция [85]. В результате обеих этих реакций атом испускает электроны с фиксированной энергией, определяемой не только строением конкретного атома, но и строением конкретной молекулы, в которую этот атом входит. Такие вторичные электроны дают вклад в область Ь спектра вторичных электронов, изображенных на рис. 1.1.
Рисунок 1.16 суммирует данные о глубине генерации и пространственного разрешения различных режимов, реализуемых в РЭМ для элементов с низкими и средними атомными номерами: во вторичных, отраженных и оже-электронах в рентгеновском излучении [18]. Легко заметить, что пространственное разрешение РЭМ в режиме регистрации вторичных медленных электронов существенно превосходит разрешение в режим регистрации отраженных электронов.
ЮА. оме-электрон ы
Вторичные электроны
Отраженные электроны
Характеристическое рентгеновское излучение

Непрерывное рентгеновское излучение
Вторичная флуоресценция за счет непрерывного и характеристического рентгеновского излучения
{Пространственна*
Iразрешающая : способность » отраженных электронах
“| Пространственная разре-г*— шающая способность в рентгеновском излучении
Рис. 1.16. Схематическое изображение области генерации и пространственного разрешения в отраженных электронах, вторичных электронах, рентгеновском излучении и оже-электронах, образующихся в РЭМ [18].