Verbesserung der Rasterelektronenmikroskopmessungen für die Chipherstellung

Forscher des National Institute of Standards and Technology (NIST) und der KLA Corporation, einem Anbieter von Inspektions- und Messsystemen für die Halbleiterindustrie und verwandte Industrien, haben die Genauigkeit von Rasterelektronenmikroskop-Messungen (REM) verbessert. SEMs werden für Prozesssteuerungsanwendungen in der Halbleiterfertigung eingesetzt und tragen dazu bei, die Produktion funktionsfähiger Hochleistungschips mit hoher Ausbeute sicherzustellen.

Ein SEM verwendet einen fokussierten Elektronenstrahl, um Strukturen mit einer Größe von nur einem Nanometer abzubilden, was es zu einem wichtigen Instrument zur Charakterisierung von Halbleiterbauelementstrukturen macht. Bei der Chipherstellung werden hochauflösende REMs für viele Inspektions- und Messanwendungen eingesetzt, darunter die Erkennung sehr kleiner Defekte, die Identifizierung und Klassifizierung von Defekten, die von optischen Inspektoren gefunden werden, kritische Dimensionsmessungen von Mustermerkmalen, Überlagerungsmessungen und mehr. Diese Informationen helfen Chip-Ingenieuren bei der Charakterisierung und Feinabstimmung ihrer Herstellungsprozesse.

Während sich der Elektronenstrahl durch ein REM bewegt, wird er sorgfältig kontrolliert. Eine geringfügige Abweichung des Elektronenstrahls vom idealen Pfad oder eine geringfügige Fehlausrichtung des Winkels, in dem der Strahl auf die Oberfläche des Chips trifft, kann das resultierende REM-Bild verzerren und die Struktur des Geräts falsch darstellen. NIST und KLA verbesserten die Genauigkeit von SEMs, indem sie diese Winkelfehlausrichtungen des Elektronenstrahls berücksichtigten. Das gemeinsame Forschungsprojekt misst die Strahlneigung mit einer Genauigkeit von weniger als einem Milliradian oder fünf Hundertstel Grad, was Fortschritte bei der Winkelauflösung und der Messvalidierung erforderte.

Um die Strahlneigung zu messen, erstellten NIST und KLA einen Prototypstandard für die Elektronenmikroskopie und analysierten die resultierenden elektronenmikroskopischen Aufnahmen auf neue Weise. Der Prototypstandard besteht aus einer Reihe sich verjüngender Siliziumsäulen, die als konische Frusta bekannt sind und Bilder erzeugen, die sehr empfindlich auf die Neigung des Strahls reagieren. Die Neigung zeigt sich als Verschiebung zwischen den Bildmitten der Ober- und Unterkante eines Kegelstumpfes. Mithilfe ihrer Fachkenntnisse in der Modellierung von Elektron-Materie-Wechselwirkungen nutzten die Forscher Simulationen, um das Potenzial für eine Genauigkeit im Sub-Milliradiant-Bereich zu demonstrieren, und leiteten so ihr fortlaufendes Design und die Herstellung der Standardartefakte.

Anordnungen konischer Kegelstümpfe an bekannten Positionen haben das Potenzial, jede Variation der Strahlneigung über den vom REM gescannten und abgebildeten Bereich zu messen. Diese Messungen könnten die Vergrößerung und Verzerrung des Elektronenmikroskops weiter kalibrieren. Darüber hinaus lässt sich der neue Standard auf andere Mikroskopiemethoden anwenden, die bei der Chipherstellung zum Einsatz kommen, darunter Rasterkraftmikroskopie und hochauflösende optische Mikroskopie. Die Möglichkeit, die Ergebnisse verschiedener Mikroskopiemethoden zu vergleichen, trägt dazu bei, Informationen zwischen den verschiedenen Methoden zuverlässig und reproduzierbar zu übertragen und die Genauigkeit von Messmodellen zu verbessern.

„Die Neigung des Elektronenstrahls verschiebt die scheinbaren Positionen von Gerätemerkmalen und verringert so die Genauigkeit von SEM-Messungen“, sagte Andrew C. Madison, NIST-Forscher und Erstautor von Branchenbeiträgen zu dieser Forschung. „Unser neuer Standard und unsere neue Analysemethode können die Elektronenstrahlverschiebung erkennen, wenn sie über das Bildgebungsfeld variiert.“

„Mit diesen Daten können REM-Hersteller Kalibrierungen und Korrekturen durchführen, die die Bildqualität und Messgenauigkeit verbessern“, sagte NIST-Forscher und Hauptforscher Samuel M. Stavis.

„Als Experten für Halbleiterinspektion und -messtechnik erforschen wir kontinuierlich neue Technologien, die die aktuellen Messgrenzen erweitern können“, sagte Yalin Xiong, Senior Vice President und General Manager bei KLA Corporation. „Die Zusammenarbeit mit Forschungsorganisationen spielt eine wichtige Rolle bei der Entdeckung von Innovationen, die zur Weiterentwicklung der Prozesssteuerung in der Chipindustrie beitragen können. Unsere gemeinsame Forschung mit NIST zielt darauf ab, die Genauigkeit der grundlegenden Messungen zur Charakterisierung von Chipherstellungsprozessen zu verbessern.“

NIST plant, den neuen Standard und die neue Analysemethode durch Veröffentlichungen und die eventuelle Verbreitung von Kegelstumpf-Arrays der Chipherstellungsindustrie und der wissenschaftlichen Gemeinschaft allgemein zugänglich zu machen.