張曉東，趙 琳，李鎖印，韓志國，許曉青，吳愛華

(中國電子科技集團公司 第十三研究所，河北 石家莊 050051)

1 引 言

半導體產(chǎn)業(yè)尋求的共同目標是研制出體積更小、耗能更低、性能更快的元器件。隨著元器件集成度越來越高，器件上的幾何參數(shù)如線寬、柵間距等成為了影響整體性能的重要參數(shù)。根據(jù)國際半導體技術路線圖(international technology roadmap for semiconductors, ITRS)預測：從一個技術節(jié)點到下一個技術節(jié)點，器件的關鍵線寬是按照0.7倍進行縮減，并且縮短的周期在18個月到2年的時間。ITRS曾經(jīng)建議晶圓上的線寬均勻性不能超過線寬的7%，對于20 nm半周期節(jié)點，線寬均勻性必須小于1.4 nm，因此，保證線寬量值的準確性十分關鍵[1]。

掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)是利用二次電子信號成像的方式觀察樣品的表面信息，即用極狹窄的電子束來掃描樣板，通過電子束和樣品之間的相互作用獲得表面形貌的信息。由于掃描電子顯微鏡的測量準確度高、速度快，被廣泛應用于半導體器件的測試[2]。為了滿足掃描電子顯微鏡的校準需求，2021年，國家頒布了新的校準規(guī)范JJF 1916—2021《掃描電子顯微鏡校準規(guī)范》，對測長示值誤差、正交畸變和線性失真度等3個參數(shù)提出了計量要求[3]。

JJF 1916—2021《掃描電子顯微鏡校準規(guī)范》要求使用10 μm格柵特征來校準正交畸變和線性失真度兩個參數(shù)。為此，本文采用半導體工藝，研制了用于校準掃描電子顯微鏡的10 μm格柵樣板。另外，為了評價樣板的格柵特征一致性，提高掃描電子顯微鏡的定標準確度，研究了一種基于圖像處理技術的格柵特征一致性檢測方法，來評價格柵樣板的質量。

2 10 μm格柵樣板的研制

10 μm格柵樣板研制工藝包括：材料準備、氧化、涂膠、曝光、顯影、刻蝕、去膠等工藝步驟，如圖1所示[4]。

圖1 格柵樣板的制備工藝流程Fig.1 Preparation process of line lattice sample

氧化過程是在Si晶圓片上氧化一層SiO2膜。涂膠過程是在勻膠顯影機的旋涂單元中完成，旋涂單元是負責對晶圓表面做光刻膠涂覆，實現(xiàn)指定的厚度和均勻性；曝光過程是在光刻機內進行，采用的是接觸式曝光方法，即掩模板和晶圓表面直接接觸，掩模板上的圖形按1:1直接投射在晶圓表面的光刻膠上；刻蝕過程先采用干法刻蝕使刻蝕深度接近臺階預期尺寸，再采用濕法刻蝕對臺階的底面進行平整光滑處理；去膠過程是采用傳統(tǒng)去膠工藝，使用98%的H2SO4和30%的H2O2按4:1的比例調制而成的混合液對光刻膠進行清洗。硫酸先將有機物中的H和O去除，使其快速碳化，然后雙氧水參與反應生成揮發(fā)性的CO2和CO2，最后使用去離子水沖洗。濺射是在線間隔樣板和格柵樣板的上下表面，濺射一層金屬鉻(Cr)，其主要特點是質硬而脆、抗腐蝕性強，具有導電性，保證平面度[5]。采用半導體工藝研制備的10 μm格柵樣板，如圖2所示。

圖2 10 μm格柵樣板Fig.2 10 μm lattice sample

3 矩形檢測算法

由于格柵樣板的特征單一，采用基于Hough變化的矩形檢測算法來實現(xiàn)格柵特征的快速提取。矩形檢測算法主要分為以下3個部分：

(1) Hough變換。Hough變換是利用像素與參數(shù)空間之間的轉換，來實現(xiàn)邊界的提取[6]。其中，矩形周圍會出現(xiàn)噪聲，因此像素空間的直線邊界就會轉化成參數(shù)空間的峰值。使用極坐標的方法來表示圖像平面中的一條任意直線，并用式(1)來表示。因此，像素空間坐標(x,y)就可以轉化成參數(shù)空間坐標(ρ,θ)[7]:

ρ=xcosθ+ysinθ

(1)

設置格柵特征的4個頂點為B1=(x1,y1),B2=(x2,y2),B3=(x3,y3),B4=(x4,y4)，如圖3所示。對應參數(shù)的峰值點為H1=(ρ1，θ1)，H2=(ρ2，θ2),H3=(ρ3，θ3)，H4=(ρ4，θ4)。

(2) 尋找數(shù)組峰值點。采集的格柵標準樣片圖像大小為(W,H)，通過閾值條件公式來尋找峰值點，如式(2)所示:

C(ρ,θ)≥TC

(2)

圖3 Hough變換檢測矩形Fig.3 Hough transform to detect rectangle

(3) 矩形檢測。通過尋找數(shù)組峰值點，選擇滿足實驗條件的格柵特征角點。通過掃描圖像所有峰值點，設置配對條件如式(3)所示。通過式(3)將兩個峰值點Hi和Hj配對在一起。

(3)

式中：Tθ代表角度閾值;TL代表歸一化閾值。設置參數(shù)P(η,α)來表示每個配對組合的峰值點Hi和Hj，其滿足以下公式：

(4)

式中：Tα代表角度閾值，滿足式(4)的配對組合則可以判定為矩形。最后，將格柵特征的數(shù)據(jù)全部存儲起來。

4 測量實驗

4.1 矩形檢測算法實驗

針對研制的標稱值為10 μm的格柵樣板，使用掃描電子顯微鏡采集樣板的格柵特征并獲取數(shù)據(jù)圖像。然后，將數(shù)據(jù)圖像導入基于矩形檢測算法的格柵樣板數(shù)據(jù)獲取軟件中，如圖4所示。

圖4 格柵樣板數(shù)據(jù)獲取軟件Fig.4 Data acquisition software of lattice sample

4.2 原子力顯微鏡對比實驗

為了定量分析矩形檢測算法的優(yōu)劣，采用原子力顯微鏡測量數(shù)據(jù)作為參考。原子力顯微鏡的原理是通過探測探針與樣品表面之間的相互作用力所造成的探針懸臂的彎曲變化量來獲得形貌。當探針在樣品表面上移動時，不同探針與樣品之間存在一些相互作用力，如范德華力等。而在測量過程中，范德華力起到了主要作用，并且探針與樣品之間力隨著距離的變化,如圖5所示[8～11]。

圖5 原子力顯微鏡的原理Fig.5 Principle of AFM

原子力顯微鏡的測量速率較差，但存在以下優(yōu)點：(1)相較于掃描電子顯微鏡，原子力顯微鏡能提供分辨率更高的三維形貌信息；(2)測試環(huán)境要求低，原子力顯微鏡不需要真空條件，普通的環(huán)境中就可以工作；(3)對待測樣品要求低，不需要金屬層等特殊處理[12，13]。因此，可以選擇原子力顯微鏡測試數(shù)據(jù)作為參考值，來定量分析矩形檢測算法的優(yōu)劣。

在X方向上，采用原子力顯微鏡測量樣板的15個格柵特征，如圖6所示。從測試曲線上可以看出：

圖6 原子力顯微鏡測試數(shù)據(jù)Fig.6 Measurement data of AFM

10 μm格柵樣板一致性較好。

5 格柵特征一致性評價

為定量評價格柵特征的一致性，使用格柵樣板數(shù)據(jù)獲取軟件和AFM分別對10 μm格柵樣板的15個特征在X方向和Y方向上分別進行測量，如圖7所示。通過測量數(shù)據(jù)表明：對于10 μm格柵樣板而言，矩形檢測算法和AFM的測試數(shù)據(jù)能夠穩(wěn)定在 6 nm 以內，研制的10 μm格柵樣板一致性較好，能夠應用于掃描電子顯微鏡的校準。

圖7 10 μm格柵特征的測量數(shù)據(jù)Fig.7 Measurement data of 10 μm lattice feature

為定量分析矩形檢測算法的優(yōu)劣，針對矩形檢測方法和原子力顯微鏡獲取的10 μm格柵特征數(shù)據(jù)，使用式(5)作為X方向(Y方向)的一致性評價公式如下：

(5)

表1 格柵特征的一致性Tab.1 Consistency of lattice feature

6 結 論

隨著半導體技術的發(fā)展，關鍵尺寸的準確測量問題對于提高元器件的質量顯得越來越重要。掃描電子顯微鏡作為關鍵尺寸的測量儀器，如何保證其量值準確和統(tǒng)一也顯得越來越重要。針對掃描電子顯微鏡的校準需求，國家頒布了JJF 1916—2021《掃描電子顯微鏡校準規(guī)范》。規(guī)范中要求使用10 μm格柵樣板來校準儀器的畸變和線性失真度等參數(shù)[15，16]。為了滿足掃描電子顯微鏡對標準器的需求，采用半導體工藝，研制了一種標稱值為10 μm的格柵樣板。由于格柵特征呈現(xiàn)陣列式排列，每個格柵特征的幾何尺寸不能保證完全一致。因此，研究了一種快速且穩(wěn)定的矩形檢測算法來計算格柵特征的幾何參數(shù)，進而評價10 μm格柵樣板的質量，可更好地服務于掃描電子顯微鏡的校準工作。