許曉青 李鎖印 趙 琳 張曉東

(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

格柵標(biāo)準(zhǔn)樣片是一種具有二維正交結(jié)構(gòu)的線距標(biāo)準(zhǔn)，在GB/T 27788—2011中，線距的定義為：樣品上最靠近的兩個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。美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院(NIST)[1,2]、德國國家物理技術(shù)實驗室(PTB)[3]、英國國家物理實驗室(NPL)[4]等國家機構(gòu)均已發(fā)布了多個不同線距的標(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類測量儀器的圖像放大倍率，還可以用于校準(zhǔn)該類儀器的圖形畸變[5,6]。

近年來，國內(nèi)外開展了一系列有關(guān)微納米尺寸長度測量標(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)的評價是一項重要的研究內(nèi)容。本文提出了一種以線寬測試顯微鏡(CD-SEM)作為核心儀器進行質(zhì)量參數(shù)評價的方法，并對其測量結(jié)果進行了分析。

2 微米尺度格柵標(biāo)準(zhǔn)樣片的質(zhì)量參數(shù)

作為校準(zhǔn)SEM類測量儀器圖像放大倍率和圖形畸變的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì),根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織制訂的國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 16700—2016的要求，必須滿足以下幾個條件。

1)在SEM圖像中有較好的對比度；

2)線邊緣平直度良好；

3)樣片線距的統(tǒng)一性(一致性)良好；

4)長期穩(wěn)定性良好；

5)標(biāo)定量值必須可溯源到一個正確的物理量值上[7]。

由上述幾個基本特性的要求可知，格柵標(biāo)準(zhǔn)樣片的線邊緣平直度直接影響到線距尺寸的大小，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)主要歸納為表面質(zhì)量、均勻性和穩(wěn)定性。

2.1 表面質(zhì)量

表面質(zhì)量主要包括標(biāo)準(zhǔn)樣片盤坯的表面質(zhì)量以及柵格的線條質(zhì)量。樣片盤坯的表面質(zhì)量主要是指是否有劃痕和崩邊。線條質(zhì)量包括線條是否有斷線，柵格的相鄰兩個邊是否垂直[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

2.2 均勻性

樣片的均勻性主要是指不同區(qū)域線距尺寸的均勻性。在整個有效測量區(qū)域的不同位置選取五個區(qū)域作為均勻性考核區(qū)域，示意圖如圖2所示。在每個考核區(qū)域內(nèi)分別選擇n個周期的線距結(jié)構(gòu)(n的選擇與線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)域中心線為中線測量線，根據(jù)實際成像結(jié)果在中線兩側(cè)各選取4條測量線，測量線選取位置示意圖如圖3所示。分別對成像區(qū)域中每條測量線上的線距尺寸進行測量，計算9次測量結(jié)果的平均值作為該區(qū)域測量結(jié)果，五個測量區(qū)域線距測量結(jié)果計算標(biāo)準(zhǔn)偏差作為該線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

2.3 穩(wěn)定性

(1)

3 質(zhì)量參數(shù)評價裝置

采用光學(xué)顯微鏡和CD-SEM對微米尺度格柵標(biāo)準(zhǔn)樣片的質(zhì)量參數(shù)進行測量，微米尺度格柵標(biāo)準(zhǔn)樣片的質(zhì)量參數(shù)評價裝置框圖如圖4所示。

首先，采用光學(xué)顯微鏡對微米尺度格柵標(biāo)準(zhǔn)樣片的樣片盤坯的表面質(zhì)量進行觀察，應(yīng)完好、無污漬、無變形及裂痕等表面缺陷。對盤坯表面質(zhì)量合格的樣片使用CD-SEM對線距尺寸的均勻性和穩(wěn)定性參數(shù)進行測量。

圖4 格柵標(biāo)準(zhǔn)樣片質(zhì)量參數(shù)評價裝置框圖Fig.4 Block diagram of quality parameter evaluation device for the grid pattern samples

CD-SEM測量原理為在高真空的環(huán)境下，通過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，再由光電信號轉(zhuǎn)換成像方式，把集成電路圖形以光學(xué)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。測量原理如圖5所示。

圖5 CD-SEM測量原理圖Fig.5 Measurement schematic diagram of the CD-SEM

4 質(zhì)量參數(shù)測量數(shù)據(jù)及驗證

4.1 測量環(huán)境

格柵標(biāo)準(zhǔn)樣片在進行線距尺寸的測量時需要相當(dāng)嚴(yán)格的實驗環(huán)境。溫度的變化、塵埃粒子的數(shù)目(潔凈度)、設(shè)備的振動等都需要符合微納米尺寸測量的要求。本文所使用的CD-SEM放置在千級凈化實驗室，且配置了減震臺，質(zhì)量參數(shù)數(shù)據(jù)的整個測量過程基本消除了環(huán)境因素可能帶來的測量誤差。

4.2 實驗

為了便于對比格柵標(biāo)準(zhǔn)樣片的制作材料以及格柵高度對質(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。本文選擇中國電科13所研制的標(biāo)稱尺寸為3μm的線距標(biāo)準(zhǔn)樣片進行質(zhì)量參數(shù)評價方法的驗證。

4.2.1 表面質(zhì)量

將上述各標(biāo)準(zhǔn)樣片在CD-SEM上進行圖像采集，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

對上述柵格標(biāo)準(zhǔn)樣片進行均勻性測量，每種樣片在5個均勻性考核區(qū)域的X、Y方向均選取n=2的線距結(jié)構(gòu)進行考核，其測量數(shù)據(jù)(由于篇幅關(guān)系，本文只列出了每個均勻性考核區(qū)域的測量平均值)見表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，對于同一個格柵標(biāo)準(zhǔn)樣片來說，X方向與Y方向的均勻性參數(shù)相當(dāng)；對于不同高度、不同材料的格柵標(biāo)準(zhǔn)樣片來說，只有格柵高度為50nm的標(biāo)準(zhǔn)樣片均勻性參數(shù)相對于其他樣片來說數(shù)值偏大，經(jīng)分析，是由于該樣片對比度比較差[10]，因而造成CD-SEM實際測量時自動抓取的邊緣與實際格柵邊緣之間有誤差，進而造成均勻性質(zhì)量參數(shù)較差。

4.2.3 穩(wěn)定性

對上述柵格標(biāo)準(zhǔn)樣片進行穩(wěn)定性考核，每種樣片在中心區(qū)域的X、Y方向均選取2個線距結(jié)構(gòu)進行考核。考核數(shù)據(jù)結(jié)果見表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，其測量結(jié)果同表1測量結(jié)果相似，經(jīng)分析，造成該現(xiàn)象的原因亦相同。

通過以上質(zhì)量參數(shù)數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，成像質(zhì)量對于線距尺寸的測量結(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，提高測量準(zhǔn)確度。

5 結(jié)束語

本文提出了以CD-SEM作為主要測量儀器、介紹了微米尺度格柵標(biāo)準(zhǔn)樣片質(zhì)量參數(shù)的評價方法，并采用該方法對我單位制作的標(biāo)稱線距為3μm的不同格柵高度、不同材料的線距樣片進行了各項質(zhì)量參數(shù)的測量比較。通過比較，有針對性的分析影響測量結(jié)果的各項因素，從而選擇優(yōu)質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)樣片校準(zhǔn)SEM類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)評價方法對微米尺度格柵標(biāo)準(zhǔn)樣片的實際應(yīng)用分析有較好的參考價值。