張曉東，趙 琳，李鎖印，韓志國(guó)，許曉青，吳愛(ài)華

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第十三研究所，河北 石家莊 050051)

1 引 言

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)尋求的共同目標(biāo)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(lái)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(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖(international technology roadmap for semiconductors, ITRS)預(yù)測(cè)：從一個(gè)技術(shù)節(jié)點(diǎn)到下一個(gè)技術(shù)節(jié)點(diǎn)，器件的關(guān)鍵線寬是按照0.7倍進(jìn)行縮減，并且縮短的周期在18個(gè)月到2年的時(shí)間。ITRS曾經(jīng)建議晶圓上的線寬均勻性不能超過(guò)線寬的7%，對(duì)于20 nm半周期節(jié)點(diǎn)，線寬均勻性必須小于1.4 nm，因此，保證線寬量值的準(zhǔn)確性十分關(guān)鍵[1]。

掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)是利用二次電子信號(hào)成像的方式觀察樣品的表面信息，即用極狹窄的電子束來(lái)掃描樣板，通過(guò)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(cè)量準(zhǔn)確度高、速度快，被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體器件的測(cè)試[2]。為了滿足掃描電子顯微鏡的校準(zhǔn)需求，2021年，國(guó)家頒布了新的校準(zhǔn)規(guī)范JJF 1916—2021《掃描電子顯微鏡校準(zhǔn)規(guī)范》，對(duì)測(cè)長(zhǎng)示值誤差、正交畸變和線性失真度等3個(gè)參數(shù)提出了計(jì)量要求[3]。

JJF 1916—2021《掃描電子顯微鏡校準(zhǔn)規(guī)范》要求使用10 μm格柵特征來(lái)校準(zhǔn)正交畸變和線性失真度兩個(gè)參數(shù)。為此，本文采用半導(dǎo)體工藝，研制了用于校準(zhǔn)掃描電子顯微鏡的10 μm格柵樣板。另外，為了評(píng)價(jià)樣板的格柵特征一致性，提高掃描電子顯微鏡的定標(biāo)準(zhǔn)確度，研究了一種基于圖像處理技術(shù)的格柵特征一致性檢測(cè)方法，來(lái)評(píng)價(jià)格柵樣板的質(zhì)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(zhǔn)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(guò)程是在Si晶圓片上氧化一層SiO2膜。涂膠過(guò)程是在勻膠顯影機(jī)的旋涂單元中完成，旋涂單元是負(fù)責(zé)對(duì)晶圓表面做光刻膠涂覆，實(shí)現(xiàn)指定的厚度和均勻性；曝光過(guò)程是在光刻機(jī)內(nèi)進(jìn)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(guò)程先采用干法刻蝕使刻蝕深度接近臺(tái)階預(yù)期尺寸，再采用濕法刻蝕對(duì)臺(tái)階的底面進(jìn)行平整光滑處理；去膠過(guò)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(diào)制而成的混合液對(duì)光刻膠進(jìn)行清洗。硫酸先將有機(jī)物中的H和O去除，使其快速碳化，然后雙氧水參與反應(yīng)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(diǎn)是質(zhì)硬而脆、抗腐蝕性強(qiáng)，具有導(dǎo)電性，保證平面度[5]。采用半導(dǎo)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(cè)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(cè)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)格柵特征的快速提取。矩形檢測(cè)算法主要分為以下3個(gè)部分：

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

ρ=xcosθ+ysinθ

(1)

設(shè)置格柵特征的4個(gè)頂點(diǎn)為B1=(x1,y1),B2=(x2,y2),B3=(x3,y3),B4=(x4,y4)，如圖3所示。對(duì)應(yīng)參數(shù)的峰值點(diǎn)為H1=(ρ1，θ1)，H2=(ρ2，θ2),H3=(ρ3，θ3)，H4=(ρ4，θ4)。

(2) 尋找數(shù)組峰值點(diǎn)。采集的格柵標(biāo)準(zhǔn)樣片圖像大小為(W,H)，通過(guò)閾值條件公式來(lái)尋找峰值點(diǎn)，如式(2)所示:

C(ρ,θ)≥TC

(2)

圖3 Hough變換檢測(cè)矩形Fig.3 Hough transform to detect rectangle

(3) 矩形檢測(cè)。通過(guò)尋找數(shù)組峰值點(diǎn)，選擇滿足實(shí)驗(yàn)條件的格柵特征角點(diǎn)。通過(guò)掃描圖像所有峰值點(diǎn)，設(shè)置配對(duì)條件如式(3)所示。通過(guò)式(3)將兩個(gè)峰值點(diǎn)Hi和Hj配對(duì)在一起。

(3)

式中：Tθ代表角度閾值;TL代表歸一化閾值。設(shè)置參數(shù)P(η,α)來(lái)表示每個(gè)配對(duì)組合的峰值點(diǎn)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(duì)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(chǔ)起來(lái)。

4 測(cè)量實(shí)驗(yàn)

4.1 矩形檢測(cè)算法實(shí)驗(yàn)

針對(duì)研制的標(biāo)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(dǎo)入基于矩形檢測(cè)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(duì)比實(shí)驗(yàn)

為了定量分析矩形檢測(cè)算法的優(yōu)劣，采用原子力顯微鏡測(cè)量數(shù)據(jù)作為參考。原子力顯微鏡的原理是通過(guò)探測(cè)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(lái)獲得形貌。當(dāng)探針在樣品表面上移動(dòng)時(shí)，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(cè)量過(guò)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(cè)量速率較差，但存在以下優(yōu)點(diǎn)：(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(cè)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(duì)待測(cè)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(cè)試數(shù)據(jù)作為參考值，來(lái)定量分析矩形檢測(cè)算法的優(yōu)劣。

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

圖6 原子力顯微鏡測(cè)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(píng)價(jià)

為定量評(píng)價(jià)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(duì)10 μm格柵樣板的15個(gè)特征在X方向和Y方向上分別進(jìn)行測(cè)量，如圖7所示。通過(guò)測(cè)量數(shù)據(jù)表明：對(duì)于10 μm格柵樣板而言，矩形檢測(cè)算法和AFM的測(cè)試數(shù)據(jù)能夠穩(wěn)定在 6 nm 以內(nèi)，研制的10 μm格柵樣板一致性較好，能夠應(yīng)用于掃描電子顯微鏡的校準(zhǔn)。

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

為定量分析矩形檢測(cè)算法的優(yōu)劣，針對(duì)矩形檢測(cè)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(píng)價(jià)公式如下：

(5)

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

6 結(jié) 論

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，關(guān)鍵尺寸的準(zhǔn)確測(cè)量問(wèn)題對(duì)于提高元器件的質(zhì)量顯得越來(lái)越重要。掃描電子顯微鏡作為關(guān)鍵尺寸的測(cè)量?jī)x器，如何保證其量值準(zhǔn)確和統(tǒng)一也顯得越來(lái)越重要。針對(duì)掃描電子顯微鏡的校準(zhǔn)需求，國(guó)家頒布了JJF 1916—2021《掃描電子顯微鏡校準(zhǔn)規(guī)范》。規(guī)范中要求使用10 μm格柵樣板來(lái)校準(zhǔn)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(duì)標(biāo)準(zhǔn)器的需求，采用半導(dǎo)體工藝，研制了一種標(biāo)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(gè)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(cè)算法來(lái)計(jì)算格柵特征的幾何參數(shù)，進(jìn)而評(píng)價(jià)10 μm格柵樣板的質(zhì)量，可更好地服務(wù)于掃描電子顯微鏡的校準(zhǔn)工作。