CD-Messung

Die Critical Dimension (CD) bezeichnet die kleinste, für die Funktion eines Bauteils entscheidende Strukturbreite auf dem Wafer – klassischerweise die Gate-Länge eines Transistors, aber auch Leiterbahnbreiten, Spacer-Dicken oder Kontaktloch-Durchmesser. Da die CD direkt in elektrische Kenngrößen wie Schaltgeschwindigkeit, Leckstrom und Schwellspannung eingeht, muss sie mit einer Genauigkeit im niedrigen Nanometer- bzw. sogar Sub-Nanometerbereich kontrolliert werden.

Die CD-Kontrolle erfolgt an mehreren Stellen der Prozesskette: direkt nach der Lithografie (Photoresist-CD, um Belichtungsdosis und Fokus zu überwachen), nach dem Ätzen (Final-CD, da sich die Struktur beim Ätzen weiter verändert) sowie stichprobenartig nach weiteren kritischen Schritten. Man unterscheidet dabei zwischen der Bias, also der systematischen Abweichung zwischen Maskenmaß und tatsächlicher Struktur, und der CD-Uniformity, also der Streuung der Messwerte über den Wafer, zwischen Wafern und zwischen Losen.

Für die eigentliche Messung stehen mehrere Verfahren zur Verfügung, die sich in Auflösung, Geschwindigkeit und Zerstörungsfreiheit unterscheiden. In der Fertigung dominieren zwei Ansätze: die direkte, bildgebende Messung mittels Rasterelektronenmikroskop (CD-SEM) und die indirekte, modellbasierte optische Messung (OCD/Scatterometrie).

Ein CD-SEM ist ein auf Durchsatz und Reproduzierbarkeit optimiertes Rasterelektronenmikroskop, das speziell für die automatisierte Vermessung von Strukturbreiten in der Halbleiterfertigung ausgelegt ist. Ein fein fokussierter Elektronenstrahl rastert die Zielstruktur zeilenweise ab; an den Kanten der Struktur ändert sich die Ausbeute an Sekundärelektronen sprunghaft (Kanteneffekt), da dort zusätzliche Elektronen aus den Seitenwänden austreten können.

Sekundärelektronen-Signal beim Abrastern einer Kante

Aus dem resultierenden Intensitätsprofil (Linescan) wird die Kantenposition über einen Schwellwert-Algorithmus bestimmt, beispielsweise als der Punkt, an dem das Signal 50 % zwischen Grundlinie und Peak erreicht. Da Form und Höhe des Sekundärelektronen-Peaks jedoch vom Kantenprofil (senkrecht, geneigt, abgerundet) und vom Material abhängen, liefern unterschiedliche Auswertealgorithmen für dieselbe physikalische Kante leicht unterschiedliche CD-Werte – die Wahl und Konsistenz des Algorithmus ist daher Teil der Messrezept-Qualifizierung.

Um Aufladungseffekte und Strahlschäden an empfindlichen Materialien (insbesondere Photoresist) zu vermeiden, wird mit niedriger Beschleunigungsspannung und möglichst geringer Dosis gearbeitet. Moderne CD-SEM-Systeme erreichen dabei eine Wiederholpräzision im Bereich von unter einem Nanometer.