趙 琳 李鎖印 馮亞南 韓志國 許曉青 梁法國

(中國電子科技集團公司第十三研究所,河北石家莊050000)

1 引 言

隨著納米科技、生命科學的蓬勃發(fā)展，微納米線寬尺寸測量類儀器已廣泛應用于前沿科學研究、產品設計和大規(guī)模生產的過程質量控制中。在微電子行業(yè)中，該類儀器包括有線寬測量儀、掃描電子顯微鏡、原子力顯微鏡等等，其最直接的應用是解決芯片制造過程中大量線條尺寸的測量問題，以微波場效應器件中柵的線條寬度測量為例，經分析，如果微波場效應器件中柵的線寬尺寸測量超差將會影響其電特性，進而會給器件的應用造成隱患，所以使用微納米線寬尺寸測量類儀器對其精確測量是十分必要的。該類儀器的測量準確度直接影響其測量結果的準確性，進而會影響到產品的性能，所以必須對其開展校準工作。

國內外都使用線距標準樣片對微納米線寬尺寸測量類儀器進行校準［1，2］。線距標準樣片是具有固定標稱周期尺寸的標準物質，是實現(xiàn)微納尺寸從國家計量標準部門的標準器件傳遞到實際生產、制造中的重要傳遞介質［3-5］。半導體行業(yè)器件中線條尺寸屬于微納米量級范圍，因此要求測量儀器在該尺度準確計量。本文主要針對微米量級尺寸的精確測量提出研制微米量級的線距樣片，選用硅作為襯底材料，生長二氧化硅用于加工線距結構，利用Laser-beam制版技術制作掩模板，使用投影光刻技術加工制作了微米級線距樣片。標準樣片的質量直接影響量值傳遞過程的準確性，本文研制了線距尺寸(1～10)μm一系列的樣片，包括一維光柵和二維格柵兩種結構，并對樣片的直線度、均勻性、穩(wěn)定性等質量參數(shù)進行了評價，最后與VLSI標準樣片進行了比較。

2 微米級線距樣片的研制

2.1 線距樣片的圖形設計

針對線距樣片的應用目的在圖形設計時需考慮兩個方面：1）什么結構的樣片適用于校準微納米線寬尺寸測量類儀器？2）多種尺寸、多種結構的樣片如何方便快捷的應用于校準該類儀器的工作中？目前，微電子行業(yè)內常用的微納米線寬尺寸測量類儀器有很多，其中使用最廣泛的是掃描電鏡，該儀器的主要計量項目為放大倍數(shù)示值誤差和圖像的線性失真度，用于校準儀器放大倍數(shù)的樣片通常為光柵結構，而校準儀器圖像的線性失真度采用的是格柵結構樣片，并且格柵樣片還可以應用于校準原子力顯微鏡的圖像放大倍率及Z軸測量能力［6］，為了滿足上述的需求，設計的線距樣片為光柵和格柵兩種結構。

本文設計了兩類圖形：線距標準圖形，快速尋跡標志，并對相應的標稱尺寸進行了標記。圖形結構的整體尺寸為10mm×10mm，線距的周期尺寸包括1μm、2μm、5μm、10μm，圖形結構如圖1所示。

標準線距，用于校準微納米線寬尺寸測量類儀器的水平測量性能。制作尺寸為1mm×1mm，并且每10個周期進行標記，為了方便校準位置的選擇被標記的柵條要求長于其他光柵。并且該樣片中格柵結構的樣片帶有臺階高度，增加了樣片的使用功能。

圖1 微米級線距樣片的整體結構圖Fig.1 Microstructure of the micro-scale linear distance specimens

2.2 線距樣片的加工

線距樣片的材料選取需要綜合考慮加工的難易程度、樣片的穩(wěn)定性和用于校準儀器時的成像質量等等諸多因素。通過查閱相關資料，結合我所現(xiàn)有的半導體加工條件，制作標準樣片的材料選擇為：選擇硅作為襯底材料，線距材料為二氧化硅。微米級線距樣片的加工過程包括：氧化、光刻、刻蝕、去膠等，樣片中線條的尺寸和邊緣效果決定了樣片質量的優(yōu)劣。通過優(yōu)化制版的各項參數(shù)、刻蝕過程中的試劑配比以及刻蝕時間制作出線條均勻、邊緣陡直的線距樣片，樣片的線距結構材料為SiO2，底面是硅。硅在空氣中易氧化，導致線距樣片的臺階高度不穩(wěn)定；同時SiO2層是絕緣體，不導電，不適用于掃描電鏡的校準。采用的解決措施是對線距樣片濺射一層金屬鉻，提高樣片的穩(wěn)定性和使用范圍。選擇鉻的原因是鉻性能穩(wěn)定，在空氣中不發(fā)生反應，且硬度較大。制作工藝基本流程圖如圖 2 所示［7］。

微米級線距樣片實物圖如圖3所示，其中圖3(a)未濺射金屬層，圖3(b)為濺射了金屬層的效果圖。

3 微米級線距樣片的考核

制作的樣片能否作為標準樣片需要對其質量進行考核，通過查閱相關文獻了解到作為校準微納米線寬尺寸測量類儀器的標準樣片，其評價的基本要求如下。

圖2 微米級線距樣片的制作工藝流程圖Fig.2 Production process flow chart of the micro-scale linear distance specimens

圖3 微米級線距樣片的實物圖Fig.3 Physical map of the micro-scale linear distance specimens

1）制作的樣片的線距尺寸與設計的標稱尺寸一致，偏差盡量??；

2）制作的樣片的線條直線度盡量?。?/p>

3）樣片的區(qū)域均勻性好，在線距樣片的測量區(qū)域內，不同位置測得的線距尺寸一致性好；

4）穩(wěn)定性好，在長期使用中樣片的線距尺寸值保持不變［8］。

使用CD-SEM作為線距樣片線距尺寸及質量評價的測量儀器。CD-SEM可以把集成電路圖形以光學顯微鏡所達不到的倍率高分辨率、高精度、高效率的方式展示出來，并通過專業(yè)量測軟件對需要量測的線條進行測量。以標稱尺寸1μm和10μm的線距樣片為例對質量參數(shù)進行評價，評價參數(shù)為：直線度、均勻性和穩(wěn)定性。同時，使用相同儀器、相同測量方法對美國VLSI公司［9］的相同標稱尺寸的線距樣片的直線度、均勻性和穩(wěn)定性進行評價，評價結果與本文制作樣片的評價結果相比較。

3.1 線距尺寸的測量

本文采用CD-SEM對其線距樣片的線條尺寸進行測量。使用CD-SEM對研制的標稱尺寸為1μm和10μm的線距標準樣片進行測量時，首先將樣片放置于裝置的自動傳輸系統(tǒng)中，固定完畢，該裝置自動將樣片經過兩級抽真空送入儀器的測量腔內，調整測量模式到最適合的測量狀態(tài)，電子束掃描被測樣片將其成像于顯示屏中，參照《JJF(軍工） 103—2015納米級形貌樣板校準規(guī)范》中節(jié)距間距的算法使用自帶測量軟件對樣片規(guī)定的有效測量區(qū)域內中心位置的多個周期線距進行測量，重復測量10次，并對測量結果求平均值作為該尺寸線距樣片的結果［10］。測量時使用儀器的自動對焦和自動掃描圖像功能，避免人為調節(jié)圖像引入的影響。測量結果見表1。

表1 周期尺寸為1μm和10μm線距樣片的測量結果Tab.1 Measured results of the pitch of 1μm and10μm

由表中數(shù)據(jù)可知，兩個不同線距尺寸樣片的測量結果分別為0.9940μm和9.9125μm，樣片實際線距尺寸與設計的尺寸基本一致，測量結果的重復性分別為2.6nm和2.4nm。

3.2 線距樣片的直線度

線距樣片的直線度分別在圖1所示的各個結構的樣片中測量，在線距樣片的測量區(qū)域中選擇9個不同位置的周期柵，每個柵條均勻選取9個位置分別進行線距尺寸測量，如圖4所示，用線距尺寸的最大值與最小值的差表征該周期線距的直線度，按照式（1）計算，選取最大值作為該線距樣片的直線度［10］。

式中：LZ——線距樣片的直線度，nm；Lmax——周期線距結構尺寸的最大值，nm；Lmin——周期線距結構尺寸的最小值，nm。

直線度對比測量結果見表2。

圖4 線距樣片的直線度選點示意圖Fig.4 Schematic diagram of straightness selection of the linear distance specimens

表2 直線度對比結果Tab.2 Comparison results of the straightness

由測量結果可得，本文制作的樣片與美國VLSI公司樣片的直線度質量相當。

3.3 線距樣片的均勻性

在樣片測量區(qū)域內，選擇10個周期的線距結構，以有效測量區(qū)域中心線為中線測量線，兩側分別取4條均勻分布的測量線，選取位置在圖1中所示的有效測試區(qū)域內。分別對每條測量線上的線距尺寸進行測量，以9條測量線上線距的實驗標準偏差作為線距均勻性的測量結果，按照式(2)計算。在線距標準樣片有效區(qū)域的上下左右以及中心的五個位置進行測量［10］。

式中：Ev——線距樣片的均勻性，nm；Pk——第q個周期線距結構的測量尺寸，nm；q——所選測量線數(shù)，此處q=9；—q個周期線距樣片的線距尺寸平均值，nm。

VLSI標準樣片同樣按照相同測量方法、測量位置對樣片均勻性進行分析。1μm和10μm樣片針對不同測量位置的測量結果分別如圖5、圖6所示。

圖5 1μm線距樣片均勻性測量結果Fig.5 Measured results of the pitch 1μm uniformity

圖6 10μm線距樣片均勻性測量結果Fig.6 Measured results of the pitch 10μm uniformity

以五個位置測量結果的的最大值作為該線距樣片的均勻性，本文制作1μm和10μm的樣片均勻性分別為3.3nm和12.5nm，VLSI公司相近標稱尺寸樣片均勻性分別為2.6nm和11.2nm。

3.4 線距樣片的穩(wěn)定性

對研制的樣片穩(wěn)定性進行考核，每個月測量一次樣片的重復性，共監(jiān)測12個月，1μm和10μm兩個樣片測量結果分別如圖7和圖8所示。

由圖7、圖8可得，標稱線距尺寸1μm和10μm的線距標準樣片穩(wěn)定性測量結果分別為2.7nm、1.6nm。通過實驗數(shù)據(jù)可以看出樣片的性能在12個月內沒有顯著變化，線距樣片的線距尺寸值穩(wěn)定。

圖7 1μm線距樣片穩(wěn)定性測量結果Fig.7 Measured results of the pitch 1μm stability

圖8 10μm線距樣片穩(wěn)定性測量結果Fig.8 Measured results of the pitch 10μm stability

4 結束語

本文設計制作了用于微納米線寬尺寸測量類儀器校準的微米級線距標準樣片。介紹了樣片圖形結構及樣片的制作過程，分析了作為標準物質的基本要求，使用CD-SEM對樣片的直線度、均勻性、穩(wěn)定性進行了考核，并使用相同儀器、相同方法對美國VLSI公司的相同標稱尺寸的線距樣片的直線度和均勻性進行測量。實驗結果表明，本文制備的樣片線距尺寸與設計值基本一致，直線度、均勻性與美國VLSI公司的樣片測量結果一致，穩(wěn)定性較好。