專利名稱：測量掃描電子顯微鏡的性能的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于測定掃描電子顯微鏡的成像質(zhì)量的方法，該電子顯微鏡用于在制造器件的過程中測量形成在襯底層上的器件特征的尺寸，該方法包括以下步驟提供多孔硅表面區(qū)域；利用掃描電子顯微鏡掃描表面區(qū)域；利用快速傅立葉變換技術(shù)分析由掃描電子顯微鏡獲取的圖象，以獲得掃描電子顯微鏡的分辨率的指標(biāo)。
本發(fā)明還涉及用于上述方法的測試襯底、制造測試襯底的方法、使用上述測定方法大批量制造器件的方法和自檢掃描電子顯微鏡。
為了制造所述器件，使用了光刻方法，其包括大量的掩膜、蝕刻、植入等步驟。光刻投影裝置在光刻技術(shù)中是一個重要的工具。利用這種裝置，對于每個要被構(gòu)成的器件層，可以在成像步驟之前，將具有圖案特征的掩膜圖案轉(zhuǎn)印到涂覆在所述層上的輻射敏感薄膜上，其中，該圖案特征與所述層上要被構(gòu)型的器件特征相應(yīng)。輻射敏感層對用于成像的輻射特別敏感，即，在輻射照射的的區(qū)域內(nèi)改變其特性。這種層是抗蝕劑層的一個實施例，該術(shù)語還含蓋了對帶電粒子束如電子束敏感的層。轉(zhuǎn)印圖案應(yīng)理解為利用如電子束在抗蝕劑層上成像掩膜圖案和在該層上寫入圖案。在器件制造期間，連續(xù)掩模圖案，另一襯底層的每一個都由此轉(zhuǎn)印到相同的目標(biāo)上例如襯底上的IC區(qū)域。
光刻方法和裝置還用在IC之外的器件的制造上，如，集成或平面光學(xué)器件、磁頭或液晶顯示板。
襯底應(yīng)理解為材料如硅的平板，其構(gòu)成了完整的多層器件，如IC，該器件通過多組處理過程一層一層的形成。每組都包括下述主要的處理步驟在襯底上涂覆輻射敏感的或抗蝕劑薄膜，使掩模與襯底對準(zhǔn)，在抗蝕劑薄膜上成像掩模圖案，顯影抗蝕劑薄膜，通過抗蝕劑薄膜蝕刻襯底，進一步清理和其他處理步驟。術(shù)語襯底包括了在制造過程中不同階段內(nèi)的襯底，即，包括了沒有和僅具有一層已經(jīng)構(gòu)型的器件特征的襯底及所有層而不是一層已經(jīng)構(gòu)型有器件特征的襯底，和所有的中間襯底。
對投影裝置的性能和設(shè)定如焦點在規(guī)則的時間點被控制，例如在工作日的開始或在曝光一批相同的襯底的開始。用于曝光一批晶片的測試掩?；蛑圃煅谀Ｔ诓煌恢贸上?，因此，有可能在測試襯底上的抗蝕劑層中具有不同的焦點設(shè)定。在抗蝕劑層顯影之后，測試襯底的表面由電子顯微鏡(SEM)掃描，以確定構(gòu)型在抗蝕劑層上的圖案的質(zhì)量。通常，需要測定最小特征尺寸的質(zhì)量，也被稱為臨界尺寸(CD)。在這種情況下，可以確定最佳焦點設(shè)定，并確定是否獲得所需的圖象質(zhì)量。由測試曝光性能得到的數(shù)據(jù)可以用于校正投影裝置的設(shè)定。
最好穩(wěn)定地降低構(gòu)型在襯底上的器件特征的寬度，以穩(wěn)定地增加器件的操作速度和/或增加IC器件內(nèi)電子元件的數(shù)量。結(jié)果，具有增加的較小的圖案特征和這些特征之間的較小距離的掩模圖案被成像。這意味著增加的嚴(yán)格的要求不得不強加在器件制造環(huán)境中的CD控制上，并不得不降低或消除影響該控制的誤差源。一個重要的誤差源就是廣泛使用的度量工具SEM的不穩(wěn)定性。
通常，通過使用標(biāo)準(zhǔn)化的測試樣本，即提供有特征的特定掩模圖案的校準(zhǔn)晶片，穩(wěn)定并校準(zhǔn)CD-SEM，以SEM監(jiān)控間隙和特征以及周期。如果測量的特征寬度和周期不同于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值，將不得不調(diào)整SEM，直到測量的數(shù)值等于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值。這種校準(zhǔn)方法引起的一個問題就是用于分析SEM輸出數(shù)據(jù)的線寬測量算法不適用于檢測小聚焦誤差或共點誤差的情況，從而這些誤差不能引起注意。這導(dǎo)致了劣質(zhì)器件層通過SEM測試，這種情況將會繼續(xù)，直到發(fā)現(xiàn)器件生產(chǎn)過程的生產(chǎn)率下降。同時，浪費了很多器件。此外，這種校準(zhǔn)方式與特定的測試樣本極為相關(guān)。如果需要以一個新的測試樣本替代測試樣本，如由于前一樣本損壞或污染而需要更換，則需要首先測量新的測試樣本，以將其特征化，并需要將測量新的測試樣本所獲得的結(jié)果和前一測試樣本的結(jié)果彼此分別聯(lián)系起來。
如由G.L.Fanget等人在文章“Survey of Scanning ElectronMicroscopes Using Quantitative Resolution Evaluation”SPIEVol.3050，1997，80-92頁所指出的，SEM的分辨率提供SEM的性能的良好圖象，以執(zhí)行CD測量或過程估計。分辨率通過以SEM掃描特定樣本而被測定，由SEM獲取的圖象數(shù)據(jù)以頻域變換進行處理。這使得相比人眼檢測，這種分辨率的測定更加客觀，因為人眼的測定是錯綜復(fù)雜并且主觀的。所使用的樣本是具有多微孔表面的硅層，其表面分布有任意直徑和位置的微孔。具有5到50nm范圍內(nèi)的直徑的深微孔幾乎垂直于表面，并具有薄壁，從而產(chǎn)生了高對比度圖象。該樣本通過在氫氟酸電解液中蝕刻硅晶片而獲得。在掃描該樣本之后，執(zhí)行二維快速傅立葉變換(2D FFT)圖象分析過程，其產(chǎn)生了在頻域(FD)的任意位置上出現(xiàn)的具有小峰值的噪聲頻譜。為了改進該測量方法，通過卷積所謂二維門函數(shù)平滑頻譜。這提供了域在頻域的每個方向上確定象素的移動平均值相同的結(jié)果。然后，檢查頻域的多個例如六十個方向，確定每個的截止頻率(COF)。這些COF的數(shù)值描述在分辨率輪廓圖表中。
在此種分辨率測量方法中，測量相同樣本的結(jié)構(gòu)需要進行多次，測量數(shù)值受到樣本結(jié)構(gòu)的影響。該方法是一種依靠樣本結(jié)構(gòu)的并需要調(diào)整的方法。該方法在第二篇文章中被披露了“A contribution tothe evaluation of scanning electron microscope resolution”，SPIE，Vol.3332，1998，71-80頁。根據(jù)該文章，圖象處理過程通過從樣本圖象提取SEM的轉(zhuǎn)印函數(shù)并分析該函數(shù)而進行。這將減少樣本參數(shù)對最后結(jié)果的影響，并與樣本描述法相比提供了關(guān)于SEM自身的更為精確的信息。在第二方法中，測量相同的樣本結(jié)構(gòu)也進行多次。
本發(fā)明的目的在于提供一種快速測定如開頭段落中所描述的SEM的成像質(zhì)量的方法，其中，測量的分辨率與表面結(jié)構(gòu)無關(guān)。該方法的特征在于掃描表面區(qū)域的步驟和獲得分辨率的步驟分別包括以下步驟獲取多種表面結(jié)構(gòu)的圖象，該表面結(jié)構(gòu)具有不同的平均微孔尺寸；計算這些圖象的每一個的傅立葉頻譜，和通過從所有所述圖象的傅立葉頻譜的寬度、信號振幅和噪聲偏移外推屬于信噪比為零的分辨率，確定掃描電子顯微鏡的分辨率。
本發(fā)明還基于這樣的理解通過獲取具有多種充分平均微孔尺寸的足夠多種表面區(qū)域的圖象，其中，每個圖象都具有特定的傅立葉頻譜，將可以獲得足夠的圖象數(shù)據(jù)，以用于在信噪比為零的情況下從頻譜寬度的這些數(shù)值進行外推。后者的數(shù)據(jù)與SEM的分辨率相對應(yīng)。這樣，獲得的分辨率與使用的測試樣本無關(guān)。
方法的第一實施例的特征在于獲取圖象的步驟包括以下步驟掃描多個分開的襯底的多孔硅表面區(qū)域，每個襯底都具有不同的平均微孔尺寸。
該方法的具有創(chuàng)造性的和優(yōu)選的實施例的特征在于獲取圖象的步驟包括以下步驟掃描提供有多孔硅表面的單個襯底，該多孔硅表面的平均微孔尺寸在一個方向上從小到大連續(xù)增加。
本發(fā)明的實施例還基于這樣的理解可以將具有不同平均微孔尺寸的多孔結(jié)構(gòu)提供在單個測試襯底上，以使可以通過僅掃描該單個襯底就可以測定SEM的分辨率，時間由此而大大節(jié)省。
為了允許初始聚焦在測試樣本上和/或可以進行導(dǎo)航和圖案識別，第二實施例優(yōu)選地還具有下述的特征使用這樣一種襯底，該襯底的多孔表面提供有具有遠大于微孔尺寸的尺寸的附加的特征的圖案。
附加的圖案的特征的尺寸在幾μm范圍內(nèi)，其允許SEM在多孔結(jié)構(gòu)上的初始聚焦和最終，如步進的，聚焦。每個附加的圖案可以包括有關(guān)相關(guān)襯底表面區(qū)域的位置的信息，從而允許將任意給定區(qū)域定位在SEM的物場中。
本發(fā)明還涉及一種新的和具有創(chuàng)造性的用在該新的方法中的測試襯底。該襯底的特征在于多孔硅表面的平均微孔尺寸在一個方向上從小到大連續(xù)增加。
該襯底的優(yōu)點在于其使得用于測定SEM的分辨率所需的時間明顯下降，這對使用SEM的器件制造環(huán)境是極為重要的。
該測試襯底的優(yōu)選實施例的特征在于多孔表面提供有附加的特征的圖案，其尺寸遠大于微孔尺寸。
該測試襯底允許SEM初始聚焦在樣本上和/或可以進行導(dǎo)航和圖案識別。
優(yōu)選的，該測試襯底的特征在于附加的圖案包括伸長的特征，其長度方向沿平均微孔尺寸增加的方向。
測試襯底還具有這樣的特征附加的圖案由非硅材料的形成圖案的層構(gòu)成。
該圖案的特征與其周圍環(huán)境形成的鮮明的對比。
該測試襯底的一個實施例的特征在于形成圖案的層包括下述金屬之一鎢、鈦、鋯、鉿、鈷、釔、鑭、鉑、鈀和鋁。
這些在光刻技術(shù)中用于其他目的的材料可以有效抵抗HF蝕刻。
測試襯底的另一個實施例的特征在于形成圖案的層包括材料氮化鋯、氮化硅和碳化硅之一。
具有大量的硅的氮化物特別適合于該層。
本發(fā)明還涉及一種用于制造具有多孔硅的測試襯底的方法，該多孔硅的平均微孔尺寸在一個方向上從小到大連續(xù)增加。該方法的特征在于包括下述順序步驟將P+攙雜的硅襯底放置在裝有鹽水溶液的電解槽中；將電解槽浸入裝有電解溶液的容器中；將電流源的一個電極連接到設(shè)置在容器上的陰極上，另一極連接到電解槽上，該電解槽形成了陽極，由此，電流從襯底流動到陽極；在一個方向上，連續(xù)減小暴露在電解溶液中的襯底的表面區(qū)域，和當(dāng)襯底表面離開電解溶液時切斷電流。
這是一種簡單而快速的形成執(zhí)行上述方法所需的組成多孔結(jié)構(gòu)的方法，該方法可以以簡單的裝置的執(zhí)行。
該方法的特征在于還具有下述附加步驟形成附加的特征的圖案，其尺寸遠大于微孔尺寸。
可以首先形成附加的圖案，然后蝕刻微孔。對于形成圖案的層，非常適用于上述金屬材料中的一種，因為它們都具有良好的HF蝕刻抵抗力。
優(yōu)選的，制造方法的特征在于在襯底表面已經(jīng)提供有多孔結(jié)構(gòu)之后，形成附加的圖案。
用于測定SEM在制造器件如IC的過程的環(huán)境中的圖象質(zhì)量的方法和裝置的使用使得該過程的生產(chǎn)率提高。本發(fā)明還涉及一種大批量制造器件的過程，該器件在器件襯底的至少一個襯底層上具有器件特征，該過程至少包括一個下述順序步驟提供具有與要構(gòu)型在所述層上的器件特征相應(yīng)的特征的掩膜圖案；將掩膜圖案成像在涂覆在襯底上的抗蝕劑層上，顯影該層，從而形成相應(yīng)于掩膜圖案的形成圖案的層；從襯底層的區(qū)域上移開材料或?qū)⒉牧细郊拥揭r底層的區(qū)域上，其中，該區(qū)域由形成圖案的覆層的圖案進行勾畫；
其中，在進行批量生產(chǎn)的開始，通過以掃描電子顯微鏡獲取圖象并分析圖象，控制提供有形成圖案的覆層的襯底，以控制形成圖案的覆層特征的尺寸。該過程的特征在于電子顯微鏡的成像質(zhì)量通過上述方法被規(guī)律地檢查。
本發(fā)明還涉及一種掃描電子顯微鏡，包括掃描電子單元、用于保持要被顯微鏡檢測的物體的載物架和提供有用于分析由掃描單元提供的數(shù)據(jù)的程序的信號處理單元。該顯微鏡的特征在于載物架表面面對掃描器件的一小部分永久的提供有小多孔硅表面形式的測試樣本，其平均微孔尺寸在掃描單元的掃描方向上連續(xù)增加，其中，處理單元提供有附加的程序，用于在掃描測試樣本的過程中分析由掃描單元提供的數(shù)據(jù)。
通過這種方式定位載物架使樣本位于物場中，同時掃描樣本并處理由掃描單元提供的數(shù)據(jù)，可以確定顯微鏡的即時性能。這樣，可以獲得可以自檢的電子顯微鏡。
通過下面參考實施例的非限定性實施例的描述，本發(fā)明的這些和其他方面將更加明顯。
在附圖中

圖1示出了傳統(tǒng)測試襯底的表面；圖2示出了該表面的傅立葉頻譜；圖3示出了在本發(fā)明的方法中使用的多孔硅表面的實施例的傅立葉頻譜；圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的用于制造測試硅襯底的裝置；圖5示出了作為HF濃度和電流密度的函數(shù)的測試襯底的微孔尺寸的變化；圖6a和6b示出了由本發(fā)明的測試襯底制造方法獲得的多孔表面的兩部分；圖7示出了當(dāng)掃描該表面時獲得的傅立葉頻譜的信噪比和1/e-寬度的數(shù)值以及這些數(shù)值的最佳匹配曲線；圖8a和8b示出了提供有附加圖案的多孔表面的部分的不同放大率的圖象；圖9示出了在最佳聚焦條件下由不同方向進行測量得到的最佳匹配曲線；
圖10示出了實現(xiàn)本發(fā)明的SEM的第一實施例，和圖11示出了實現(xiàn)本發(fā)明的SEM的第二實施例。
SEM的質(zhì)量的主要參數(shù)是其分辨率。通常，測定分辨率的工作是一個主觀過程。典型的，要被檢測的SEM掃描提供有金粒子的碳樣本，如圖1所示。在該附圖中，亮的金粒子由附圖標(biāo)記2指示，黑的碳背景由附圖標(biāo)記4指示。操作者檢測由SEM提供的圖象，以測定最小的粒子和/或可見的粒子之間的最小的粒子間隔。最小間隔被稱為分辨率。以這種方式測定分辨率是一種主觀過程，需要技術(shù)熟練的操作者。由于通常檢測單個圖象這一實際情況，而沒有采取措施消除或降低噪聲影響，因此，錯誤測定的概率增加。
SEM的成像質(zhì)量，即顯微照片的質(zhì)量，如圖1所示，可以在頻域，即傅立葉域，較容易的被估計。用于這種估計的計算機程序已經(jīng)存在。這種程序降低了估計的主觀性，并提供了用于監(jiān)控隨時間變化的分辨率、象散、圖象質(zhì)量并用于比較不同SEM的性能的定量框架。測量數(shù)據(jù)還用于調(diào)整SEM，以獲得最佳性能。
在通過已知的快速傅立葉變換技術(shù)分析SEM數(shù)據(jù)的過程中，可以獲得頻域的頻譜。該頻譜已經(jīng)由高斯形狀詳細描述了出來。圖2示出了這種傅立葉頻譜的一個實施例。作為掃描樣本上的粒子的密度的函數(shù)的快速傅立葉變換(FFT)數(shù)值Fs由高斯曲線Fc表示，該曲線與計算值最為匹配。樣本上沿XY坐標(biāo)系的Y軸延伸的粒子的密度dy沿圖2的水平線繪制。傅立葉頻譜不僅由SEM的分辨率決定，而且由樣本的結(jié)構(gòu)決定，從而，分辨率測量受到樣本結(jié)構(gòu)的影響。
現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，具有多微孔表面結(jié)構(gòu)的硅襯底是用于高分辨率測量的理想樣本。如果SEM設(shè)定在高分辨率，將可以觀測到多孔結(jié)構(gòu)的精細細節(jié)。多微孔結(jié)構(gòu)可以通過硅襯底在濃氫氟(HF)酸中的陽極溶解而得到，如下所述。結(jié)構(gòu)的微孔與表面垂直，并具有銳壁，以獲得高對比度。
當(dāng)以SEM掃描該多孔硅結(jié)構(gòu)并分析圖象時，可以獲得如圖2所示的傅立葉頻譜。該頻譜的曲線與上述文件中所示的理想曲線相同，上述文件為“一種對掃描電子顯微鏡分辨率估計的方法”。傅立葉頻譜包括與用于掃描多孔結(jié)構(gòu)的SEM的分辨率相關(guān)的信息，以使分辨率可以大體上從該頻譜中被推導(dǎo)出來。然而，根據(jù)該文件獲得的傅立葉數(shù)值不僅取決于SEM的分辨率，而且取決于多孔襯底的結(jié)構(gòu)。測量的分辨率包括基于襯底結(jié)構(gòu)的項，這意味著必須要執(zhí)行校準(zhǔn)過程。此外，噪聲也同樣影響測量的分辨率。
為了獲得其微孔具有給定平均尺寸的多孔硅表面結(jié)構(gòu)，在給定時間間隔內(nèi)，硅片在給定恒定電流密度下具有給定百分比的HF的溶液中被陽極氧化。通過使用不同的電流密度和不同的濃度的HF，可以獲得具有不同平均微孔尺寸的多孔結(jié)構(gòu)。如果電流密度增加，HF濃度降低，平均微孔尺寸將增加。如果電流密度降低，HF濃度增加，平均微孔尺寸將降低。當(dāng)硅襯底被浸入到HF溶液中時，電流將被迫從襯底流動到置于HF溶液中的陰極，由于F離子的侵蝕而發(fā)生硅的溶解，形成氟化硅原子，其中包含有電荷。如果襯底為P+攙雜的硅，電子空穴將由材料的大塊部分移動到表面上?；诳昭◤墓鑹K到微孔的擴散受限的移動過程，可以形成表面的微孔。由于擴散長度取決于電流密度和攙雜水平，因此，微孔的尺寸及其分布是這兩個參數(shù)的函數(shù)。
本發(fā)明的方法利用了以上述簡單的方法控制平均微孔尺寸的可能性。根據(jù)本發(fā)明，可以形成多種不同的多孔結(jié)構(gòu)，每種多孔結(jié)構(gòu)都利用了不同的電流密度和不同的HF濃度。要被檢測的SEM掃描每個多孔結(jié)構(gòu)，其傅立葉頻譜被計算出來。在此過程中，還考慮了噪聲影響?？梢垣@得相應(yīng)數(shù)量的傅立葉頻譜，其中之一如圖3所示。該頻譜是通過在7.5mA/cm2的恒定電流密度下將硅片在10％的HF中陽極氧化5分鐘所得的多孔結(jié)構(gòu)的頻譜。
圖3示出了大量離散傅立葉數(shù)值Fd。虛曲線Fc是高斯曲線，其與離散數(shù)值Fd最佳匹配。傅立葉頻譜或曲線Fc具有信號振幅Sa，并示出了恒定的偏移，其代表基本均勻的背景或恒定的噪聲電平NL，其與樣本無關(guān)。該噪聲電平NL與SEM相關(guān)，其物理影響可以是SEM的檢測器的熱噪聲或散粒噪聲，該噪聲具有白噪聲頻譜，和/或樣本保持器的機械振動。
新方法的重要參數(shù)是由圖3中的W(1/e)指示出來的曲線Fc的1/e-寬度，即高斯曲線在信號振幅上的寬度，其是最大值Sa的1/e。1/e-寬度、信號振幅Sa和噪聲電平NL可以從通過使用已知的最小平方擬合例程，即對試驗數(shù)據(jù)的匹配曲線的方法，從圖象數(shù)據(jù)中計算出來。1/e-寬度用于測定SEM的分辨率。該寬度還依賴測試襯底的多孔結(jié)構(gòu)，從而，由具有給定結(jié)構(gòu)的單個樣本測量出來的SEM分辨率還包括依賴襯底結(jié)構(gòu)的項。根據(jù)本發(fā)明，具有不同平均微孔尺寸的多個多孔硅結(jié)構(gòu)被掃描，其傅立葉頻譜的數(shù)據(jù)被組合，SEM分辨率通過對這些數(shù)據(jù)進行外推而測定出來，該SEM分辨率與多孔結(jié)構(gòu)無關(guān)。
該方法所需的多種多孔結(jié)構(gòu)可以以不同結(jié)構(gòu)提供在不同襯底上，其被連續(xù)呈現(xiàn)在要被測量的SEM的物場中，被掃描并被從該物場中移開。如果這些結(jié)構(gòu)可以放在單個襯底的離散表面區(qū)域上，將可以基本減少測量不同多孔結(jié)構(gòu)所需的時間。之后，通過掃描一個襯底，收集所有必需的信息。
本發(fā)明的物質(zhì)部分適用于用于構(gòu)成具有多種多孔結(jié)構(gòu)的此種襯底的方法和裝置。該方法和裝置的原理如圖4所示。
圖4的蝕刻裝置包括裝有包括有氫氟酸(HF)的電解液的蝕刻池保持器HEb。陰極Ka，如由鉑制成的陰極，放置在保持器HEb中。在保持器HEb中，用于容納襯底Su的電解槽Ce浸泡在電解液El中。該電解槽包括由如鉑構(gòu)成的陽極An，其連接到電流源Cs的第一極，其另一極連接到陰極Ka。在蝕刻期間，電流源使恒定電流從陽極流動到陰極。電解槽Ce裝有有鹽水Sa，如濃度為22g/l的K2SO4，其提供了陽極和襯底Su之間的電連接。由此，襯底在蝕刻過程中作為陽極。要被蝕刻的襯底是P+硅片，其重攙雜有硼，并具有如0.01-0.02歐姆.厘米的低電阻。這種低電阻的優(yōu)點在于，晶片可以簡單的浸泡在電解槽中，不需要背面接觸任何的硼植入和鋁蒸發(fā)。電解液EL最好包括如50％的乙醇。將乙醇添加到HF溶液中保證了蝕刻過程的結(jié)果的可再生性。根據(jù)另一種改進方式，可以將如10ml/61濃度的少量三硝基甲苯添加到溶液中，以降低表面張力。
在蝕刻過程開始，襯底Su完全浸入電解液，電流分布在整個表面上，以使電流密度相對較低。然后，與電解液接觸的襯底表面區(qū)域緩緩下降。當(dāng)電流恒定時，電流密度將持續(xù)增加，其導(dǎo)致形成的微孔的平均尺寸持續(xù)增加。該尺寸在與電解液接觸最長時間的表面區(qū)域上最大。這樣，形成了具有平均微孔尺寸梯度的多孔硅表面。在蝕刻池中的HF的量可以在約為10％的范圍內(nèi)，電流密度可以從幾個到幾十個mA/cm2。
為了減小與電解液接觸的襯底表面區(qū)域，將襯底從電解液中拉出，即從圖4中所示的裝置中拉出，襯底慢慢向上移動。優(yōu)選地，電解液的水位簡便地通過打開蝕刻池保持器HEb的閥門Va而緩緩下降。
離開閥門的電解液在容器Co被收集，可以被清洗，并再次用于后面的蝕刻過程中。
圖5示出了作為濃度HF(10Log(HF沿水平軸)和電(陽極氧化的)流I(10Log(I))沿垂直軸)的函數(shù)的微孔半徑的變化。圖5顯示了在高HF濃度和低電流密度的條件下有利于形成微孔，即在圖中所示的區(qū)域PF中有利于形成微孔。在低HF濃度和高電流密度的情況下，即在圖5中的區(qū)域EP中，表面將電鍍-拋光。區(qū)域PF和EP之間還存在過渡區(qū)域TA。在PF中的圓點代表了試驗中的設(shè)定條件，在這些圓點附近的數(shù)字指出了以nm為單位的典型的微孔尺寸，其在使用上述設(shè)定條件的情況下形成。例如，在10％的HF濃度和7.5mA/cm2的電流密度的條件下，形成半徑在13到5nm范圍內(nèi)的微孔。圖5確證了微孔尺寸可以通過改變HF濃度和電流密度進行調(diào)節(jié)的事實。根據(jù)拇指法則，大電流密度導(dǎo)致大微孔和較寬闊的微孔尺寸范圍，高HF濃度可以獲得較小的微孔和較小的微孔尺寸范圍。
通過圖4所示的方法和裝置獲得的多孔結(jié)構(gòu)在一個方向上顯示了在平均微孔尺寸上的梯度，即在與電解液接觸的表面區(qū)域減少的方向上的梯度。在襯底的上側(cè)Sut的平均微孔尺寸最小，在下側(cè)Sub的最大?？梢砸赃@種方式設(shè)定蝕刻條件即，使得平均微孔尺寸在約為1nm的精細微孔范圍到約為25nm的粗微孔范圍之間進行變化。提供有多孔結(jié)構(gòu)的襯底可以是當(dāng)前的8英寸硅片。
圖6a示意性地示出了襯底上側(cè)精細多孔結(jié)構(gòu)PSF的部分，圖6b示出了襯底下側(cè)粗大多孔結(jié)構(gòu)PSC的部分。兩個圖都是以放大率為300000X的SEM得到的。
根據(jù)本發(fā)明，通過將具有平均微孔尺寸為梯度的多孔硅表面放置在SEM的物場中并在梯度的方向上對其進行掃面可以測定SEM的分辨率。SEM獲取連續(xù)表面區(qū)域部分的圖象，該圖象被用于分析。每個圖象都被變換為類似圖3中所示的傅立葉頻譜。測定每個頻譜的1/e寬度(W(1/e))和信噪比(SNR)。圖7示出了整個圖象的參數(shù)的數(shù)值，以及與這些數(shù)值最佳匹配的理論曲線CF。
該方法具有下述物理背景。對于具有相對比較大的微孔的多孔結(jié)構(gòu)來說，襯底的下側(cè)的PSC，以圖3中的線條/nmDy表示的單位長度的微孔的數(shù)量相對較少。微孔直徑剛好在SEM的分辨率界限范圍內(nèi)，從而，傅立葉頻譜的1/e-寬度由多孔結(jié)構(gòu)確定。這種相對粗大的結(jié)構(gòu)的頻譜顯示了相對較高的頻譜強度。對于具有相對較小的微孔的多孔結(jié)構(gòu)來說，襯底的上側(cè)的PSF，單位長度的微孔的數(shù)量相對較多，1/e-寬度相對較大，接近SEM的分辨率。因此不能分析多孔結(jié)構(gòu)，其空間頻率超過了SEM的分辨率。精細多孔結(jié)構(gòu)的頻譜強度相對較小。圖3還示出了與頻率無關(guān)的噪聲分布，或噪聲電平NL。該噪聲電平與SEM本身相關(guān)，由如SEM檢測器的散粒噪聲或襯底保持器的機械振動引起。噪聲電平恒定，與多孔結(jié)構(gòu)無關(guān)。由于較為精細的多孔結(jié)構(gòu)提供較小的頻譜強度，因此，其傅立葉頻譜示出了比粗大多孔結(jié)構(gòu)小的信噪比SNR。在精細微孔結(jié)構(gòu)的界限內(nèi)，SNR趨于零，頻譜的1/e-寬度接近SEM的分辨率。該界限可以通過將具有平均微孔尺寸在如1到25nm的范圍內(nèi)的多個多孔硅樣本提供給SEM、確定每個樣本的W(1/e)和SNR的數(shù)值、繪制與這些數(shù)值相匹配的曲線CF并確定曲線CF的交點而被發(fā)現(xiàn)。該交點R，由圖7中的實線箭頭指出，代表正在被檢測的SEM的分辨率。
相對于在一個方向上平均微孔尺寸具有梯度的單個樣本，上述方法還可以用在組合有多個樣本的情況下，其中，每個樣本都具有不同于其他樣本的給定平均微孔尺寸。各樣本可以通過在HF溶液中陽極氧化相應(yīng)數(shù)量的硅襯底而得到，在此過程中，每次都利用不同的電流密度和/或不同的HF濃度?？梢允褂脠D4中的裝置。在蝕刻襯底期間，閥門Va保持關(guān)閉。
圖7的曲線CF是在一個方向上，如正交系坐標(biāo)的X方向上，1/e-寬度的最佳匹配曲線，由此曲線，可以確定在該方向上SEM的分辨率?？梢詼?zhǔn)備在Y方向上具有梯度平均微孔尺寸的第二測試樣本，并以SEM掃描該樣本。然后獲得Y方向上的1/e-寬度的最佳匹配曲線。這在圖9中示出，其中，X方向的任意最佳匹配曲線由CF(x)表示出來，Y方向上的最佳匹配曲線由CF(y)表示出來。在X和Y坐標(biāo)中，信噪比(SNR)為零時相應(yīng)于SEM的分辨率的1/e寬度由R(x)和R(y)分別表示。如圖9所示，如果X方向上的分辨率不同于Y方向上的分辨率，測量的SEM將出現(xiàn)象散。通過利用本發(fā)明的方法在兩個，最好是相互正交的方向，上進行測量，將可以測量出SEM的象散。該象散與R(y)-R(x)成比例。該測量的結(jié)構(gòu)可以用于控制SEM的繪圖器，以使SEM的象散可以被消除或降低到一個可以接收的水平。
SEM的性能的另一個重要參數(shù)是焦點。每次執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的測量方法時，都可以形成不同的焦點設(shè)定，其被稱為掃描經(jīng)過焦點。由這種改進的測量方法得到的檢測器信號經(jīng)過處理，轉(zhuǎn)換為傅立葉變換項，可以去定最佳焦點值的最佳匹配曲線。該曲線由圖9中的CF(bf)表示。屬于該曲線的分辨率R(bf)是SEM的理想的或最佳的分辨率，即具有最佳焦點和沒有象散的分辨率。
上述方法和裝置可以用于在例如SEM制造的最后階段或在驗收檢驗的過程中由SEM的用戶對SEM的質(zhì)量進行測定。本方法和裝置還用在IC制造環(huán)境中，在該環(huán)境中，在制造IC期間，SEM用于測量臨界尺寸(CD)。這種測量執(zhí)行在如抗蝕劑層已經(jīng)以掩膜圖案曝光并且抗蝕劑圖案產(chǎn)生之后，并在抗蝕劑圖案轉(zhuǎn)印到IC襯底的適當(dāng)層之前。通過在規(guī)定時間間隔內(nèi)檢驗用于這些測量的SEM，可以保證測量結(jié)果的可靠性。正在被制造的IC的質(zhì)量的下降可以被發(fā)現(xiàn)，制造過程可以在較早的生產(chǎn)階段內(nèi)被校正，從而，生產(chǎn)率可以保持在高水平。為了大批量生產(chǎn)IC，這在IC生產(chǎn)過程中是最重要的。在IC生產(chǎn)環(huán)境中，可以使用多個SEM在IC的制造過程中的不同階段執(zhí)行測量，即在IC襯底的不同層上執(zhí)行測量。對于具有較精細的結(jié)構(gòu)，即較小的CD，的IC層，相比具有較粗大的結(jié)構(gòu)的IC層，該IC層需要進行更為精確的測量，因此，也需要使用具有更高分辨率的SEM。本發(fā)明的方法和裝置還可以用于根據(jù)SEM的分辨率對其進行分級，以使這些SEM可以以最佳方式進行使用。
如果將SEM設(shè)定在高放大率上，要被測定的SEM將可以觀測到具有約幾nm的微孔尺寸的多孔結(jié)構(gòu)，例如，圖6a和6b中所示的圖象被放大了300000倍。將設(shè)定在高放大率的SEM聚焦在具有約幾nm的特征尺寸的結(jié)構(gòu)上是相當(dāng)困難的。確定正在掃描的多孔結(jié)構(gòu)的部分或?qū)EM導(dǎo)航到結(jié)構(gòu)所需的部分上也是十分困難的。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種允許所需的聚焦和導(dǎo)航的方法。該方法通過在樣本或襯底上附加特征的圖案而構(gòu)成，該特征具有遠大于微孔尺寸的尺寸，該方法使用SEM的低放大率。
圖8a示出了提供有附加或聚焦和導(dǎo)航圖案的多孔硅襯底的一小部分的圖象，該部分具有特征的結(jié)構(gòu)，如不同長度和寬度的條。附加特征的縱向最好是平均微孔尺寸產(chǎn)生梯度的方向。附加特征的尺寸約為幾um。在附加結(jié)構(gòu)中，襯底上的位置被編碼。圖8a的圖象放大了1000倍。在SEM的該放大率上，微孔是不可見的。圖8b示出了在圖8a的一個條的邊緣的位置處的一個小分支部分的圖象，該圖象以SEM放大了100000倍。在該圖象中，各微孔是可見的。當(dāng)開始測定測試襯底時，SEM的放大率被設(shè)定在低水平上，SEM聚焦在一個附加圖案結(jié)構(gòu)上。然后，讀取聚焦其上的襯底區(qū)域，如果需要，則移動襯底，以將另一襯底區(qū)域位于SEM視場中。SEM的放大率增大，直到微孔可見?？梢灾鸩皆黾臃糯舐剩瑫r使用不同尺寸的附加圖案結(jié)構(gòu)。
附加圖案結(jié)構(gòu)可以是形成圖案的層，其通過傳統(tǒng)的平版印刷過程形成，該過程使用如光學(xué)光刻投影裝置，如晶片分檔器/掃描器。層的材料可以是任意一種允許用在“前端光刻”技術(shù)中的材料，其是光刻過程中的最重要的部分，對污染極為敏感。該材料應(yīng)當(dāng)可以抵抗HF蝕刻，并可以是金屬，如鎢(W)、鈦(Ti)、鋯(Zr)、鉿(Hf)、鈷(Co)、釔(Y)、鑭(La)、鉑(Pa)、鈀(Pa)和鋁(Al)。形成圖案的層的材料還可以是非金屬材料，如氮的化合物，如氮化鋯(ZrN)、氮化硅(SiN)和碳化硅(SiC)。優(yōu)選采用鋁、鎢和氮化物，通常采用如氮化硅(Si3N4)和富氮化硅(silicon rich nitrides)。具有導(dǎo)航和聚焦圖案的多孔硅襯底可以通過先在襯底上提供圖案而后以HF溶液蝕刻該襯底而生產(chǎn)出來。然而，最好首先蝕刻襯底，提供具有具有形成圖案的層的襯底的多孔表面。然后避免對附加圖案的蝕刻，這樣可以允許對用于形成圖案的層的材料具有更寬的選擇面。
SEM用在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，作為一種用于控制光刻過程的質(zhì)量的元件，和一種用于將掩膜圖案成像在提供有抗蝕劑層的襯底或晶片上的裝置。形成在抗蝕劑層上的圖象勾畫出襯底的表面區(qū)域，其中，進行材料上的變化。大批量生產(chǎn)器件的過程包括在器件襯底的至少一個襯底層上加入器件特征的步驟，該過程包括下述順序的步驟中的至少一個步驟提供具有與要構(gòu)型在所述層上的器件特征相應(yīng)的特征的掩膜圖案；
將掩膜圖案成像在涂覆在襯底上的抗蝕劑層上，顯影該層，從而形成相應(yīng)于掩膜圖案的形成圖案的層；從襯底層的區(qū)域上移開材料或?qū)⒉牧细郊拥揭r底層的區(qū)域上，其中，該區(qū)域由形成圖案的覆層的圖案進行勾畫；其中，在進行批量生產(chǎn)的開始，通過以掃描電子顯微鏡獲取圖象并分析圖象，控制提供有形成圖案的覆層的襯底，以控制形成圖案的覆層特征的尺寸。
當(dāng)以上述方法規(guī)則地檢驗電子顯微鏡的成像質(zhì)量時，可以保證控制是可靠的。這使得在制造器件如IC的光刻過程中產(chǎn)生的偏差或誤差可以在較早的階段中被檢測出來，從而，執(zhí)行校正測量，并可以將生產(chǎn)率保持在較高的水平上。由此，本發(fā)明影響了大批量生產(chǎn)器件的操作過程，從而，這種過程被認(rèn)為是本發(fā)明的一個實施方式。
本發(fā)明的另一方面涉及一種掃描電子顯微鏡，其提供有自檢功能。這種SEM不僅可以用于光刻過程中的檢查，而且可以用于普通的測量和檢查。圖10示意性的示出了SEM的一個實施例。SEM10包括抽空的外殼11，其容納有電子槍12、形成并加速電子束的控制電極13和陽極14。由電子槍發(fā)出的電子束(未示出)連續(xù)穿過第一電磁聚焦透鏡16、偏轉(zhuǎn)板17和18以及第二電磁聚焦透鏡19，然后照射在要被檢驗樣本21上。該樣本設(shè)置在承物玻璃片或鏡臺23上，其可以在x和y方向上移動。如果希望，可以使用電磁偏轉(zhuǎn)線圈取代偏轉(zhuǎn)板17和18，該線圈可以以這種方式設(shè)置即使得它們可以比偏轉(zhuǎn)板產(chǎn)生更小的畸變。一旦電子束的(主)電子照射在樣本上，次電子將離開樣本、取決于樣本的結(jié)構(gòu)如其表面結(jié)構(gòu)或其他的材料。檢測器25捕捉次電子，將入射的次電子的通量轉(zhuǎn)換為檢測器信號Sd，其包括與樣本結(jié)構(gòu)有關(guān)的信息。信號Sd可以提供到陰極射線管(CRT)26，以使得樣本結(jié)構(gòu)對于操作者來說是可見的。有選擇的，或者同時，信號Sd可以提供到處理單元或個人計算機28。該計算提供有專用程序或算法，可以從信號Sd中提取出相關(guān)信息。該信息可以輸出為數(shù)據(jù)流形式的相關(guān)信息信號Si或CRT信號，用于本地或遠程的打印和目測。
根據(jù)本發(fā)明，SEM鏡臺23提供有測試樣本或測試襯底30，其具有多孔表面，如上所述，計算機提供有專用測試分析程序，以分析由SEM獲取的測試樣本的圖象。該樣本可以很小，如1×1cm2，并可以具有平均微孔尺寸在一個方向上持續(xù)降低的多孔表面。通過將測試樣本定位在掃描電子單元(12、13、14、16、17、18、19)的物場中，在平均微孔尺寸降低的方向上掃描樣本，并以測試分析程序分析獲得的檢測器信號Sd，將獲得測試信號St，其包括關(guān)于SEM的性能(分辨率)的信息。這樣，SEM可以通過這種簡單的方法而獲得自測能力。
測試信號提供到另一個處理器32，該處理器從測試信號形成用于一個或多個致動器的一個或多個控制信號。電子掃描裝置的一個或多個元件可以通過控制信號被設(shè)定，從而獲得所需的SEM性能。這樣，SEM可以增加自檢控制能力，由此，在SEM的整個使用期限內(nèi)可以保持良好的性能。圖9中的信號Sc和塊34示意性的表示了所述控制信號或信號和致動器。圖9中所示的SEM是一個通用SEM，其可用于各種測量和檢查。
圖11示意性的SEM的另一個實施例，該實施例特別適于控制具有大直徑如30cm的IC晶片。如果具有該直徑的晶片水平放置，SEM的真空室的尺寸將顯著增大。為了限制SEM的尺寸，可以相對電子束的軸傾斜晶片。在圖11中，附圖標(biāo)記32代表SEM的鏡筒部分。電子源(在圖11中未示出)產(chǎn)生電子束(主電子束)，該電子束沿SEM的光軸34移動。該電子束經(jīng)過一個或多個電磁透鏡，如會聚透鏡36，以最終抵達物鏡38。該透鏡，在該實施例中為單極透鏡，形成磁路的一部分，其中，樣本的壁40或備用的室42也形成了其中的一部分。物鏡38使主電子束聚焦在樣本上，或掃描要被測定并安置在物鏡之下的物體48。利用容納在物鏡38的鏜孔中的掃描線圈44，通過在相互正交的兩個方向上沿物鏡移動主電子束可以影響物體48的掃描。物體安裝在載物架50中，其形成了載物臺53的一部分。載物臺可以在兩個相互正交的方向上移動，以使物體希望觀測的區(qū)域可以被選擇出來，用于測定。另外，載物架50還可以相對載物臺53傾斜。
成像受到從主電子束得到的電子的影響，該主電子束入射到物體上，次電子從物體上失去，次電子向物鏡38傳播。這些次電子由容納在該透鏡的鏜孔中的檢測器46檢測出來。該檢測器連接到處理單元(未示出)，其激發(fā)檢測器將檢測電子的力轉(zhuǎn)換為圖象信號，該圖象信號用于通過如陰極射線管形成物體的圖象。
根據(jù)本發(fā)明，載物架48提供有測試樣本30，處理單元提供有處理掃描樣本30時獲得的檢測信號的程序。這使得SEM可以以相同的方式增加自檢和自控能力，如參考圖10的SEM所述。
由本發(fā)明的方法規(guī)律控制的SEM不僅被用在制造IC的過程中，而且被用在制造其他器件的過程中，如制造集成的和平面的光學(xué)系統(tǒng)、液晶顯示板、薄膜磁頭等的過程中。此外，這種SEM和本發(fā)明可以用在制造領(lǐng)域之外，以進行對精細結(jié)構(gòu)和物體的普通的測量和檢查。
權(quán)利要求
1.一種確定掃描電子顯微鏡的成像質(zhì)量的方法，該電子顯微鏡用于在制造器件的過程中測量構(gòu)型在襯底層上的器件特征的尺寸，該方法包括以下步驟提供多孔硅表面區(qū)域；利用掃描電子顯微鏡掃描該表面區(qū)域；利用快速傅立葉變換技術(shù)分析由掃描電子顯微鏡獲取的圖象，以獲得掃描電子顯微鏡的分辨率的指標(biāo)，其特征在于掃描表面區(qū)域的步驟和獲得分辨率的步驟分別包括以下步驟獲取多種表面結(jié)構(gòu)的圖象，該表面結(jié)構(gòu)具有不同的平均微孔尺寸；計算這些圖象的每一個的傅立葉頻譜，通過從所有所述圖象的傅立葉頻譜的寬度、信號振幅和噪聲偏移外推屬于信噪比為零的分辨率，確定掃描電子顯微鏡的分辨率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于獲取圖象的步驟包括以下步驟掃描多個分開的襯底的多孔硅表面區(qū)域，每個多孔硅表面區(qū)域都具有不同的平均微孔尺寸。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于獲取圖象的步驟包括以下步驟掃描提供有多孔硅表面的單個襯底，該多孔硅表面的平均微孔尺寸在一個方向上從小到大連續(xù)增加。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于使用這樣一種襯底，其多孔表面提供有具有遠大于微孔尺寸的尺寸的附加的特征的圖案。
5.一種用于權(quán)利要求1所述的方法的測試襯底，其特征在于多孔硅表面的平均微孔尺寸在一個方向上從小到大連續(xù)增加。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的測試襯底，其特征在于多孔表面提供有附加的特征的圖案，其尺寸遠大于微孔尺寸。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的測試襯底，其特征在于附加的圖案包括伸長的特征，其長度方向沿平均微孔尺寸增加的方向。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的測試襯底，其特征在于附加的圖案由非硅材料的形成圖案的層構(gòu)成。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的測試襯底，其特征在于形成圖案的層包括下述金屬之一鎢、鈦、鋯、鉿、鈷、釔、鑭、鉑、鈀和鋁。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的測試襯底，其特征在于形成圖案的層包括材料氮化鋯、氮化硅和碳化硅之一。
11.一種用于制造權(quán)利要求5所述的測試襯底的方法，其特征在于該方法包括下述順序的步驟將P+攙雜的硅襯底放置在裝有鹽水溶液的電解槽中；將電解槽浸入裝有電解溶液的容器中；將電流源的一個極連接到設(shè)置在容器上的陰極上，另一極連接到電解槽上，該電解槽形成了陽極，由此，電流從襯底流動到陽極；在一個方向上，連續(xù)減小暴露與電解溶液的襯底的表面區(qū)域，和當(dāng)襯底表面離開電解溶液時切斷電流。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于還具有下述步驟形成附加特征的圖案，其尺寸遠大于微孔尺寸。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于在襯底表面已經(jīng)提供有多孔結(jié)構(gòu)之后，形成附加的圖案。
14.一種大批量制造器件的過程，該器件在器件襯底的至少一個襯底層中具有器件特征，該過程至少包括一組下述順序步驟提供具有與要構(gòu)型在所述層上的器件特征相應(yīng)的特征的掩膜圖案；將掩膜圖案成像在覆于襯底上的抗蝕劑層上，顯影該層，從而形成相應(yīng)于掩膜圖案的形成圖案的覆層；從襯底層的區(qū)域上去除材料或?qū)⒉牧细郊拥揭r底層的區(qū)域上，所述區(qū)域由形成圖案的覆層的圖案進行勾畫；同時，在進行批量生產(chǎn)的開始，通過以掃描電子顯微鏡獲取圖象并分析圖象，控制提供有形成圖案的覆層的襯底，以控制形成圖案的覆層特征的尺寸，其特征在于電子顯微鏡的成像質(zhì)量通過權(quán)利要求1所述的方法被規(guī)律地檢查。
15.一種掃描電子顯微鏡，包括掃描電子單元、用于保持要被顯微鏡檢測的物體的載物架和提供有用于分析由掃描單元提供的數(shù)據(jù)的程序的信號處理單元，其特征在于載物架表面面對掃描器件的一小部分永久地提供有小多孔硅表面形式的測試樣本，其平均微孔尺寸在掃描單元的掃描方向上連續(xù)增加，其中，處理單元提供有附加的程序，用于在掃描測試樣本的過程中分析由掃描單元提供的數(shù)據(jù)。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的掃描電子顯微鏡，其特征在于附加的程序嵌入在伺服系統(tǒng)中，用于控制掃描電子單元的至少一個元件的設(shè)定。
全文摘要
掃描電子顯微鏡(SEM)(10)的性能通過以SEM掃描多孔硅表面區(qū)域(PS
文檔編號H01J37/28GK1476627SQ02802988
公開日2004年2月18日 申請日期2002年7月19日 優(yōu)先權(quán)日2001年7月26日
發(fā)明者P·迪爾克森, R·J·G·埃爾夫林克, C·A·H·于費爾曼斯, G 埃爾夫林克, H 于費爾曼斯, P 迪爾克森 申請人:皇家菲利浦電子有限公司