利用Park NX系统的全自动原子粒显微镜测量及分析.docx

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1、利用ParkNX系统的全自动原子粒显微镜测量及分析P1umiKoni1apani,Gera1dPascua1,ByongKim,andKeibock1eeApp1ications&Technica1Marketing,ParkSystems,1nc.,SantaC1ara.USA简介多年来，为了不断满足市场需求和同比更快更高效的设计，半导体元件尺寸已经达到甚至小于IX纳米节点。元件制造方法一直在提高，从2006年的65纳米达到了2014年的14纳米IX节点。国际半导体技术路线图目前预测笫个替代IX的7纳米元件或许会在2017年初次登场。川为了延续这样的速度，制造商必须有满足分辨率、精密度和精确

2、度的计量要求的能力。满足这些需求的器械必须提供用于临界尺寸测量的纳米成像技术，测量结果可重复并且在大规模生产环境中能精确到提高生产力。2为了应对这些挑战，通过Park系统，用原子力显微镜（AFM）工具和为自动采集和分析数据而特别定制的软件研发出一个引人注目的纳米测量方案。该软件被命名为ParkXEA3,设计这个软件的目的是为了让过程控制工程师使用AFM系统获得目标元件准确和可重复的纳米级图像，依据用户自定义的程序定制配套文件。相应的增加生产力，使这种结合的软件和硬件方案吸引各个圆片级元件制造工厂。实验本实验用到个三英寸的硅片图案样本。晶片上的目标图案由个间距10微米，阶跃高度120纳米的长方形

3、凹点组成。在目标图案的两个凹点处进行形貌和粗糙度分析。把样本安装到ParkNX-HDMAFM系统4,利用XEA软件成像。在非接触模式下使用联悬臂进行AFM空中成像。在晶片内部选中五个测量点，如图Ia所示：Fifi.Ia-Thefivemeasuremen1sitesse1ectedforimagingfromthesamp1epatternedsi1iconwafer.图-从联片样本图案选中五个测量点成像。参考测量点（点#5,图Ia）在相同图案的元件选中四个附加测量点，为实现样本特征的形貌和粗糙度的自动测量，这些点应选在晶片内部不同的XY轴。为开始制定测量和分析方案，完成XEA软件的对教学例程

4、，允许它利用光找到悬臂顶端和样本图案的位置。这些教学例程（见图Ib和IC）包括将光学图像、XY段调整和教用户的数据输入到软件中，指导硬件将目标图案测量点带到落点位置顶端。NgHKJg1ifmuSiFig.Ib-Optica1camerafeedfromtheXEAsoftwareinterfacedisp1ayinga95%confidence1eve1inthesoftware,sabi1itytorecognizethesamp1epattern.图历-选自XEA软件的光学相机界面显示在软件中识别样本图案的能力有95%的置信水平。Fig.Ic-Optica1camerafeedfromth

5、eXEAsoftwareinterfacedisp1ayinga95%confidence1eve1inthesoftwaresabi1itytorecognizetheCdit1i1ever.TheredCross1tairisauser-definedesiimaeofthecanti1ever1ips1ocation.图c-选自XEA软件的光学相机界面显示在软件中识别悬臂的能力有95%的置信水平。红色的卜字光标是一个悬臂顶端位置的用户自定义的判断。此外，有需要时，样本图案的初始参考扫描图像习惯于调整XY定位偏移。例如，如果一个研究的目标图案通过软件进行光学识别不致，用户可以通过相对于图案

6、附近的坐标来定义图案的位置。那么，将设计个方案，自动将样本移至悬臂顶端，相应地利用坐标来定位。为了用户自定义范围精确成像使用纳米级精度。完成教学例程并确定XY偏移，为获得样本形貌和粗糙度扫描参数，然后通过用户定义。整个校准和说明都被编译成个方案文件，该文件现在可以在样本上自动运行和测量在测量完每个点之后立即编译XEA方案，完成后立即对采集的数据进行自动分析。在每个测量点取得的数据合计报表是为之后研究所有测量点和排除方案所用。结果与讨论完成扫描后，我们发现这五个用户自定义的测量点都通过AFM精确地成像了。同时，在用户自定义位置内测量它们的形貌和粗糙度，AFM成像提供的绿色矩形和谱线轮廓的深蓝色列

7、，如图2a-2e所示。为了在用户自定义的喜好区域设定元件的阶跃高度和粗糙度，应该在每个区域都测量两个点。VZ1位于元件左边的第一个凹点底部，作为参考，凸起的区域的一个点位于在第一个凹点中间，第二个凹点在它的右侧。Fig.2a-AFMtopographyimageofmeasurementsite#/withgreeninsetrectang1edeniinfspecificareaofinterest.T1tisareas1ineprofi1eisa1soprovideda1ongwithrecordedstepheight(H)androughness(R)va1uesgatheredbym

8、easuringsitesVZI(inthesixthdevicepit)andReference(intheraisedareabeveenthesixthand1astdevicepits).图2-测:点切的AFM形貌成像，绿色嵌入矩形表示特殊位置。这个区域布记录的阶跃高度(H)和粗糙度(R)的谱线轮廓和也由测量点VZ/(在第六个元件尖湍)一起提供，作为参考(在第六个和最后一个元件尖端的中间凸起区域)。Fig.2b-AFMtopographyimageofmeasurementsite#2,areaofinterest1ineprofi1e,andco11ectedstepheight(H

9、)androughness(R)va1ues.图2b-测量点#2的AFM形貌成像，喜好区域的线轮廓，采集的阶跃高度(H)和粗糙度(R)。Fig.2c-AFMtopographyimageofmeasurementsite#3,areaofinterest1ineprofi1e,andco11ectedstepheight(H)androughness(R)va1ues.图2c-测量点#3的AFM形貌成像，喜好区域的线轮廓，采集的阶跃高度(H)和粗糙度(R)。Fig.2d-AFMtopographyimageofmeasurementsite#4,areaofinterest1ineprofi1

10、e,andco11ectedstepheight(H)androughness(R)va1ues.用2d-测量点#4的AFM形貌成像，喜好区域的线轮廓，采集的阶跃高度(H)和粗糙度(R)。Fig.2e-AFMtopographyimageqHieasureinerifsite#5.areaofinterest1ineprofi1e,andco11ectedstepheight(H)androughness(R)va1ues.图2e-测量点#5的AFM形貌成像，喜好区域的线轮廓，采集的阶跃高度(H)和粗糙度(R),计完不同点和VZI点的平均高度之间的差来获得阶跃高度。高度差也反映在彩色图用于AF

11、M成像，如图2a-2e所示样深。凹陷的特征比如顶端为深色而在它们之间凸起的部分颜色更明亮。元件的粗糙度通过扫描VZ1和参照特殊位置再次计算，我们对顶端地面粗糙度（VZ1处）更感兴趣。采集的资料说明这五个点的顶端大约高130纳米，节距10微米。记录节距也能通过检查如图2a-2e所示的每个AFM形貌成像来反复、形象、简单地确认。每个形貌成像也可以用来形象直观地确认，而AFM不能在每个测量点精确地扫描感兴趣的相同区域，每个内凹的绿色矩形的偏移度可以在一微米内测量一非常小的方差在研究中采取自动化。最后一步阶跃高度和粗糙度的采集可以通过软件使用表格形式，用户自定义的方案完成运行（见表I）Samp1eID

12、SiteNoIName1_R(nm)Data11VZ1-1314836.3Data12VZ1-11S7133&658Data13VZ1-13278726.048Data14VZ1-126.694.843Data15VZ1-117.92117.763Average-124.9191&663Std.deviation6.9548612.69973Tab1e1-Stepheight（H）androughness（R）va1uesmeasuredateachofthefivese1ectedsiteswithCorreSPondingaveragesauistandarddeviations.表/-选

13、平均值和标准差一致的五个点，测量每个点的阶跃高度（H）和粗糙度（R）这表明暴露在空气中的样本大部分时间都被AFM扫描。这导致包含所有测量点的晶片上的不同位置的样本被污染,尤其是在点2和点5处。这与图2b和2e收集的谱线轮廓中的描绘差异以及两个点显示的粗糙度有关联。个原始样本的粗糙度的标准偏差明显大于预期值。这个偏差可能源于收集了在周围环境中长时间暴露的样本表面的污染物。这种污染物的非预期效应进步证明了AMF测量的敏感度并且它具有纳米级的识别偏差的能力。总结一个三英寸的硅片上有五个相同的或非门元件，包含节距为10微米，阶跃高度120纳米的长方形凹点，通过ParkNX-HDMAFM系统顺利地成像，

14、这个系统带有XEA,它是Park系统的一个自动化软件。通过结合光学模式识别和AFM的精密，创建一个用户自定义的方案，精确和重复的纳米级计量，可计量数据经由自动化数据和分析的获取，在五个图案上都有显示。这种自动化采集数据和分析的能力的过程可以运用于类似的领域。裸露的硅晶片制造(表面粗糙度)和晶片设计研究(临界尺寸测量)领域是工业和研究的两个方向，通过结合全自动化AFM工具研究常规产品，可以极大地提高他们的生产能力和生产率。参考内容IMoammer,K.(n.d.).TSMC1aunchingIOnmFinFETProcessin2016,7nmin2017Readmore:Ht1P:WeCf1e

15、CfromhitD：WCCfteC(2 J.Foucher;RTherese;Y.1ee;S.-I.Park;S-J.Proc.SPIE8681,Metro1ogy,Inspection,andProcessContro1forMicro1i1hographyXXVII,868106(Apri118,2013);doi:10.1117/12.2011463(3 ParkNX-HDMfeatures-AutomaticMeasurementContro1,(n.d.).RetrievedJune03,2016,fromh11D：WWW.Darkafm.coVindex.DhD/DrOdUC1sindus1ria1-afmDark-hdm/aDD1ica1ions(4 ParkHDM-OverviewParkAtomicForceMicroscope,(n.d.).RetrievedJune3,