检测10纳米以下半导体 CD-SEM量测技术迈大步

　　多年来，业界一直使用微距量测扫描式电子显微镜(CD-SEM)来进行量测，此种显微镜会射出电子束，与要扫描的材料作用，然后回传讯号，再由量测机台比对运算这些讯号。今日，针对小于10纳米(nm)的尺寸，CD-SEM或其他所有量测设备，必须处理更多的薄膜层、更高的纵横比(HAR)、更窄的间距，以及三维(3D)架构的轮廓和形状，人们对于这些设备是否具备此等能力，提出严重的质疑。

　　在量测技术、多重微影技术与材料的改良下，半导体装置的3D内存与临界尺寸(CD)能够沿用到小于10纳米制程。在10纳米制程上，组件的复杂度不断提高，使得目前的光微影技术遭遇到极为重大的挑战。鳍式场效晶体管(FinFET)与3D储存型闪存(NAND Flash)设计，让需要量测与控制的参数持续增加，进一步提高图案制作与量测的复杂性。

　　技术新突破　CD-SEM量测精准度受瞩目

　　应用材料对CD-SEM技术进行重大的改良，在最近于加州举行的国际光学工程学会(SPIE)先进微影技术研讨会上，展示这项量测技术的可沿用性。此项改良技术的主要应用，包括有效将新的先进CD-SEM技术应用于逻辑导孔(Logic Vias)、复杂的迭层(Overlay)、超高纵横比的先进内存(HAR Contacts)等高难度制程挑战。

　　CD-SEM已可做为有效量测技术

　　从图1可看出在沟槽内导孔底部临界尺寸与对准方面，所面临的量测与监控挑战--导孔的边缘与位置必须精确，才能确保底层与迭覆金属层间的正确连结。位在右侧的导孔并未与下方的铜线对准，将会影响到各层间的导电性;底下的SEM影像则显示偏移与对准导孔间的差异。这两组关键影像，都是采用称为背向散射电子(BSE)影像技术取得，这项技术正成为可行的量测技术。这个例子显示，在此等复杂的多步骤制程中，可使用CD-SEM做为有效的量测与对准技术。

　　图1　沟槽中的导孔影像，由Fischer博士等人在2013年SPIE会议上发表。

　　CD-SEM拥有高解析影像显示能力

　　由于目前的CD-SEM技术不够精确，若要针对小于10纳米尺寸找出导孔对准的问题，则须提高扫描电子显微镜(SEM)的分辨率。由于制程必须一路往下对准底部抗反射涂层(BARC)、硬质罩幕层，以及金属(接点或鳍片)，因此今日业界的新发展，是使用数千伏特能源的SEM来「透视」到最低层，比较先进CD-SEM与传统SEM技术，可看出在透视材料时，拥有更高分辨率影像显示能力。

　　CD-SEM可结合BSE讯号轻取导孔真实影像

　　图2中最上方的SEM显示适当蚀刻后的接触导孔，导孔完全蚀刻穿透，而下图中的导孔则未完全穿透，须要在进行沉积前修正。能够针对此等HAR接触导孔取得影像，是因为使用改良的侦测与收集技术。结合BSE讯号与增强的过滤技术(只针对碰到底层表面后返回的电子，运用其讯号)，就能够取得底层的影像，并传回HAR导孔的真实影像。

　　图2　完全蚀刻与部分蚀刻的接触导孔

　　2D升级3D　量测技术迭有突破

　　除了以上范例成功针对小于10纳米尺寸运用CD-SEM技术外，应用材料也提出先前所述应用的案例，将CD-SEM应用于FinFET晶体管与硅纳米线3D量测。前述的这些主题都有一个共通点，就是能够让受到光微影限制的2D影像缩放技术，转换为以量测与材料为主的3D图案影像技术。

　　幸运的是，量测技术的进展正在克服主要的制程微缩问题。小于10纳米结构与3D内存需要更高分辨率的SEM，提供更清晰的对焦、更精细的影像与数据撷取方法，以及对形状更为敏感、以物理学为基础的模型和仿真技术。未来也会须要结合不同的量测技术，包括CD-SEM、CD原子力显微镜(AFM)，以及穿透式电子显微镜(TEM)。