[發明專利]半導體器件關鍵尺寸量測方法及取得SEM圖像的方法

有效

• 申請號: 202011132183.4
• 申請日: 2020-10-21
• 公開（公告）號: CN112259469B
• 公開（公告）日: 2022-10-18
• 發明（設計）人: 吳林;孟鴻林;張辰明;魏芳
• 申請（專利權）人: 上海華力集成電路制造有限公司
• 主分類號: H01L21/66
• 分類號: H01L21/66
• 代理公司: 上海浦一知識產權代理有限公司 31211
• 代理人: 張彥敏

本發明涉及半導體器件關鍵尺寸量測方法，涉及半導體集成電路量測技術，在進行第n次掃描獲取SEM圖像后，實時計算SEM圖像和OPC模型預測版圖數據輪廓的偏移量(ΔXn，ΔYn)，并當偏移量ΔXn或Δyn大于一閾值時，得出電子束的補正值(ax,ay)和硅片臺的補正值(Ax,Ay)，關鍵尺寸掃描電子顯微鏡機臺獲得電子束的補正值(ax,ay)和硅片臺的補正值(Ax,Ay)，并補正到第n+1次的掃描獲取SEM圖像過程中，以實現SEM圖像偏移補正，從而提高SEM圖像和OPC模型預測版圖數據輪廓的對準率，避免和降低因SEM圖像和OPC模型預測版圖數據輪廓的偏移過大導致的對準無法補償的問題。

技術領域

本發明涉及半導體集成電路量測技術，尤其涉及一種半導體器件關鍵尺寸量測方法。

背景技術

在半導體集成電路技術領域，半導體關鍵尺寸(CD)越來越小，半導體器件數量和工藝難度越來越復雜，計算光刻預測的工藝熱點級數增長；關鍵尺寸的采樣量測需求大幅增加，計算光刻軟件預測的工藝熱點分布在數平方毫米范圍內(常規chip大小)，需要收集幾萬、幾十萬、甚至上百萬的采樣數據，傳統關鍵尺寸掃描電子顯微鏡(CriticalDimension Electronic Microscope,CDSEM)量測已無法滿足需求。

以chip大小的范圍進行大量CD量測的挑戰主要是時間成本和數據可靠性，量測機臺需要提高單位時間的量測效率和量測可靠性。提高量測效率可以通過升級硬件性能在單位時間內量測盡可能多的采樣點，如使用大可視化觀測窗口(field of view,FOV)來覆蓋更多的量測范圍。為了提高大量數據量測的可靠性則要求硬件在長時間內保持穩定(確保圖像質量和圖像偏移的波動盡量小)，但在以chip大小的面積來量測時，錄取硅片圖像的時間需要連續數十小時乃至數天時間；當耗費大量時間完成錄圖后，需要使用數據庫對比技術(D2DB)對準gds和硅片SEM圖像來進行快速定位量測數萬數十萬張圖片中的采樣點。D2DB技術要求圖像質量好且圖像偏移變化小，圖像質量可以引入評價參數來濾除不符合的圖像，但是對于圖像偏移問題還在探索中：圖像偏移量會隨著量測時間逐漸變大，當圖像偏移量太大時，D2DB技術無法對準gds和硅片SEM圖像，導致采樣點位置無法定位，無法進行量測。

具體的，業界用于量測關鍵尺寸(CD)的CDSEM量產機型通常FOV大小在0.7um，用于量測少量的制程監控圖形，對大多數圖形已經可以做到全自動量測，但是該機器單位時間量測數數據少不適用于大規模數據量測。

為了滿足大規模CD量測需求，大FOV的CDSEM機型被研制出來，引入數據庫對比技術(D2DB)，該技術通過將硅片上的SEM圖像(如圖1所示)和版圖數據gds layout(如圖2所示)進行對準，將版圖數據中發現的大量工藝熱點位置轉移到硅片上量測，以此來提高量測效率，同時可以將硅片CD數據導入計算光刻數據庫，提高計算光刻模型預測和驗證，確保研發和生產安全。

D2DB技術的關鍵是硅片SEM圖像和gds layout的對準，當SEM圖像和gds layout完全對準時(如圖3所示)，就可以量測版圖數據中的工藝熱點的CD。大致流程是先將硅片上需要量測的區域掃描成像形成一個完整的區域(如一個chip)，然后D2DB軟件將SEM圖像和gdslayout對準進行大量CD量測。

但由于光學臨近效應，gds layout和SEM圖像在圖形轉角和通孔時無法對準(如圖3所示)，解決方案是建立OPC模型預測gds layout在硅片上輪廓(如圖4所示)，而提取得到如圖5所示的OPC模型預測版圖數據輪廓(OPC Model contour)，再將OPC模型預測版圖數據輪廓與SEM圖形對準，該方案可以將轉角和通孔的SEM圖像與OPC模型預測版圖數據輪廓完全對準(如圖6所示)。

版圖數據中的工藝熱點在硅片上的分布區域是數平方毫米，用于大規模量測CDSEM的FOV約40um，因此需要數萬張SEM圖像組合。此時D2DB將遇到一個挑戰：不同時間的SEM圖像與OPC模型預測版圖數據輪廓的偏移量是不同的，如圖7所示兩者在X軸方向上的偏移量為ΔX1，在Y軸方向上的偏移量為ΔY1。