許曉青 李鎖印 趙 琳 張曉東
(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所,河北石家莊 050051)
格柵標(biāo)準(zhǔn)樣片是一種具有二維正交結(jié)構(gòu)的線(xiàn)距標(biāo)準(zhǔn),在GB/T 27788—2011中,線(xiàn)距的定義為:樣品上最靠近的兩個(gè)相似特征之間的最小間隔,這種間隔在重復(fù)的樣式上是相等的。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院(NIST)[1,2]、德國(guó)國(guó)家物理技術(shù)實(shí)驗(yàn)室(PTB)[3]、英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室(NPL)[4]等國(guó)家機(jī)構(gòu)均已發(fā)布了多個(gè)不同線(xiàn)距的標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)(SRM)或?qū)嵨飿?biāo)準(zhǔn)(RM)。格柵標(biāo)準(zhǔn)樣片不僅可以用于校準(zhǔn)SEM類(lèi)測(cè)量?jī)x器的圖像放大倍率,還可以用于校準(zhǔn)該類(lèi)儀器的圖形畸變[5,6]。
近年來(lái),國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了一系列有關(guān)微納米尺寸長(zhǎng)度測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的研究。其中,微米尺度格柵標(biāo)準(zhǔn)樣片質(zhì)量參數(shù)的評(píng)價(jià)是一項(xiàng)重要的研究?jī)?nèi)容。本文提出了一種以線(xiàn)寬測(cè)試顯微鏡(CD-SEM)作為核心儀器進(jìn)行質(zhì)量參數(shù)評(píng)價(jià)的方法,并對(duì)其測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了分析。
作為校準(zhǔn)SEM類(lèi)測(cè)量?jī)x器圖像放大倍率和圖形畸變的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì),根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織制訂的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 16700—2016的要求,必須滿(mǎn)足以下幾個(gè)條件。
1)在SEM圖像中有較好的對(duì)比度;
2)線(xiàn)邊緣平直度良好;
3)樣片線(xiàn)距的統(tǒng)一性(一致性)良好;
4)長(zhǎng)期穩(wěn)定性良好;
5)標(biāo)定量值必須可溯源到一個(gè)正確的物理量值上[7]。
由上述幾個(gè)基本特性的要求可知,格柵標(biāo)準(zhǔn)樣片的線(xiàn)邊緣平直度直接影響到線(xiàn)距尺寸的大小,該特征可歸結(jié)到樣片的均勻性中,因此,格柵標(biāo)準(zhǔn)樣片的質(zhì)量參數(shù)主要?dú)w納為表面質(zhì)量、均勻性和穩(wěn)定性。
表面質(zhì)量主要包括標(biāo)準(zhǔn)樣片盤(pán)坯的表面質(zhì)量以及柵格的線(xiàn)條質(zhì)量。樣片盤(pán)坯的表面質(zhì)量主要是指是否有劃痕和崩邊。線(xiàn)條質(zhì)量包括線(xiàn)條是否有斷線(xiàn),柵格的相鄰兩個(gè)邊是否垂直[8]。格柵的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。
圖1 格柵結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the grid pattern
樣片的均勻性主要是指不同區(qū)域線(xiàn)距尺寸的均勻性。在整個(gè)有效測(cè)量區(qū)域的不同位置選取五個(gè)區(qū)域作為均勻性考核區(qū)域,示意圖如圖2所示。在每個(gè)考核區(qū)域內(nèi)分別選擇n個(gè)周期的線(xiàn)距結(jié)構(gòu)(n的選擇與線(xiàn)距尺寸以及圖像放大倍率有關(guān),微米尺度樣片建議1≤n≤5),以成像區(qū)域中心線(xiàn)為中線(xiàn)測(cè)量線(xiàn),根據(jù)實(shí)際成像結(jié)果在中線(xiàn)兩側(cè)各選取4條測(cè)量線(xiàn),測(cè)量線(xiàn)選取位置示意圖如圖3所示。分別對(duì)成像區(qū)域中每條測(cè)量線(xiàn)上的線(xiàn)距尺寸進(jìn)行測(cè)量,計(jì)算9次測(cè)量結(jié)果的平均值作為該區(qū)域測(cè)量結(jié)果,五個(gè)測(cè)量區(qū)域線(xiàn)距測(cè)量結(jié)果計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差作為該線(xiàn)距樣片的柵格均勻性[9]。
圖2 均勻性考核區(qū)域示意圖Fig.2 Sketch image of uniformity assessment area
圖3 區(qū)域均勻性選取位置示意圖Fig.3 Sketch image of selection for regional uniformity
(1)
采用光學(xué)顯微鏡和CD-SEM對(duì)微米尺度格柵標(biāo)準(zhǔn)樣片的質(zhì)量參數(shù)進(jìn)行測(cè)量,微米尺度格柵標(biāo)準(zhǔn)樣片的質(zhì)量參數(shù)評(píng)價(jià)裝置框圖如圖4所示。
首先,采用光學(xué)顯微鏡對(duì)微米尺度格柵標(biāo)準(zhǔn)樣片的樣片盤(pán)坯的表面質(zhì)量進(jìn)行觀(guān)察,應(yīng)完好、無(wú)污漬、無(wú)變形及裂痕等表面缺陷。對(duì)盤(pán)坯表面質(zhì)量合格的樣片使用CD-SEM對(duì)線(xiàn)距尺寸的均勻性和穩(wěn)定性參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。
圖4 格柵標(biāo)準(zhǔn)樣片質(zhì)量參數(shù)評(píng)價(jià)裝置框圖Fig.4 Block diagram of quality parameter evaluation device for the grid pattern samples
CD-SEM測(cè)量原理為在高真空的環(huán)境下,通過(guò)電子槍高壓引出電流形成電子束轟擊樣品表面產(chǎn)生二次電子置換,再由光電信號(hào)轉(zhuǎn)換成像方式,把集成電路圖形以光學(xué)顯微鏡所達(dá)不到的倍率高分辨率、高精度、高效率的方式展示出來(lái),并通過(guò)專(zhuān)業(yè)量測(cè)軟件對(duì)需要量測(cè)的線(xiàn)條進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量原理如圖5所示。
圖5 CD-SEM測(cè)量原理圖Fig.5 Measurement schematic diagram of the CD-SEM
格柵標(biāo)準(zhǔn)樣片在進(jìn)行線(xiàn)距尺寸的測(cè)量時(shí)需要相當(dāng)嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。溫度的變化、塵埃粒子的數(shù)目(潔凈度)、設(shè)備的振動(dòng)等都需要符合微納米尺寸測(cè)量的要求。本文所使用的CD-SEM放置在千級(jí)凈化實(shí)驗(yàn)室,且配置了減震臺(tái),質(zhì)量參數(shù)數(shù)據(jù)的整個(gè)測(cè)量過(guò)程基本消除了環(huán)境因素可能帶來(lái)的測(cè)量誤差。
為了便于對(duì)比格柵標(biāo)準(zhǔn)樣片的制作材料以及格柵高度對(duì)質(zhì)量參數(shù)的影響,在硅晶圓片上分別以SiO2和 Si3N4制作了格柵結(jié)構(gòu),其中,SiO2/Si標(biāo)準(zhǔn)樣片的格柵高度為100nm,Si3N4/Si標(biāo)準(zhǔn)樣片的格柵高度分別為50nm,100nm,180nm。本文選擇中國(guó)電科13所研制的標(biāo)稱(chēng)尺寸為3μm的線(xiàn)距標(biāo)準(zhǔn)樣片進(jìn)行質(zhì)量參數(shù)評(píng)價(jià)方法的驗(yàn)證。
4.2.1 表面質(zhì)量
將上述各標(biāo)準(zhǔn)樣片在CD-SEM上進(jìn)行圖像采集,設(shè)置相同的加載電壓、電流以及圖像放大倍率,各標(biāo)準(zhǔn)樣片的采集圖像如圖6所示。由圖中可以看出,在格柵高度相同的情況下,SiO2制作的格柵成像質(zhì)量要優(yōu)于Si3N4制作的格柵;在制作材料相同的情況下,格柵高度越高,成像質(zhì)量越好。
圖6 各標(biāo)準(zhǔn)樣片的采集圖像Fig.6 Collection image of the each standard sample
4.2.2 均勻性
對(duì)上述柵格標(biāo)準(zhǔn)樣片進(jìn)行均勻性測(cè)量,每種樣片在5個(gè)均勻性考核區(qū)域的X、Y方向均選取n=2的線(xiàn)距結(jié)構(gòu)進(jìn)行考核,其測(cè)量數(shù)據(jù)(由于篇幅關(guān)系,本文只列出了每個(gè)均勻性考核區(qū)域的測(cè)量平均值)見(jiàn)表1。
表1 均勻性考核數(shù)據(jù)Tab.1 The measurement datas of uniformity材料SiO2/SiSi3N4/Si格柵高度/nm1005010050X方向Y方向X方向Y方向X方向Y方向X方向Y方向各考核區(qū)域測(cè)量結(jié)果平均值/μmA5.90245.88795.91365.89325.91925.89025.92105.9035B5.91025.88685.90125.89995.90465.88645.91055.8992C5.89155.87255.89085.88715.90635.87525.91455.8851D5.90185.87965.91585.87705.90805.88055.92885.8910O5.88985.89015.92415.87015.92115.89535.92125.8996均勻性/nm8.57.213.112.07.77.97.07.5
由表1中數(shù)據(jù)可知,對(duì)于同一個(gè)格柵標(biāo)準(zhǔn)樣片來(lái)說(shuō),X方向與Y方向的均勻性參數(shù)相當(dāng);對(duì)于不同高度、不同材料的格柵標(biāo)準(zhǔn)樣片來(lái)說(shuō),只有格柵高度為50nm的標(biāo)準(zhǔn)樣片均勻性參數(shù)相對(duì)于其他樣片來(lái)說(shuō)數(shù)值偏大,經(jīng)分析,是由于該樣片對(duì)比度比較差[10],因而造成CD-SEM實(shí)際測(cè)量時(shí)自動(dòng)抓取的邊緣與實(shí)際格柵邊緣之間有誤差,進(jìn)而造成均勻性質(zhì)量參數(shù)較差。
4.2.3 穩(wěn)定性
對(duì)上述柵格標(biāo)準(zhǔn)樣片進(jìn)行穩(wěn)定性考核,每種樣片在中心區(qū)域的X、Y方向均選取2個(gè)線(xiàn)距結(jié)構(gòu)進(jìn)行考核??己藬?shù)據(jù)結(jié)果見(jiàn)表2。
表2 穩(wěn)定性考核結(jié)果Tab.2 The measurement results of stability材料SiO2/SiSi3N4/Si格柵高度/nm10050100180X方向Y方向X方向Y方向X方向Y方向X方向Y方向穩(wěn)定性/nm7.57.913.612.58.08.77.88.0
由表2數(shù)據(jù)可以看出,其測(cè)量結(jié)果同表1測(cè)量結(jié)果相似,經(jīng)分析,造成該現(xiàn)象的原因亦相同。
通過(guò)以上質(zhì)量參數(shù)數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出,成像質(zhì)量對(duì)于線(xiàn)距尺寸的測(cè)量結(jié)果非常重要,若要提高格柵樣片成像質(zhì)量,除了選擇合適的材料外,還應(yīng)使格柵具有一定的高度,從而使采集圖像清晰,提高測(cè)量準(zhǔn)確度。
本文提出了以CD-SEM作為主要測(cè)量?jī)x器、介紹了微米尺度格柵標(biāo)準(zhǔn)樣片質(zhì)量參數(shù)的評(píng)價(jià)方法,并采用該方法對(duì)我單位制作的標(biāo)稱(chēng)線(xiàn)距為3μm的不同格柵高度、不同材料的線(xiàn)距樣片進(jìn)行了各項(xiàng)質(zhì)量參數(shù)的測(cè)量比較。通過(guò)比較,有針對(duì)性的分析影響測(cè)量結(jié)果的各項(xiàng)因素,從而選擇優(yōu)質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)樣片校準(zhǔn)SEM類(lèi)儀器的圖像放大倍率和圖形畸變,提高校準(zhǔn)結(jié)果的準(zhǔn)確度,在不同領(lǐng)域中得到應(yīng)用。本文的質(zhì)量參數(shù)評(píng)價(jià)方法對(duì)微米尺度格柵標(biāo)準(zhǔn)樣片的實(shí)際應(yīng)用分析有較好的參考價(jià)值。