基于二氧化硅的微米級(jí)線距樣片制備

趙 琳 李鎖印 馮亞南 韓志國(guó) 許曉青 梁法國(guó)

(中國(guó)電子科技集團(tuán)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(xué)的蓬勃發(fā)展，微納米線寬尺寸測(cè)量類儀器已廣泛應(yīng)用于前沿科學(xué)研究、產(chǎn)品設(shè)計(jì)和大規(guī)模生產(chǎn)的過(guò)程質(zhì)量控制中。在微電子行業(yè)中，該類儀器包括有線寬測(cè)量?jī)x、掃描電子顯微鏡、原子力顯微鏡等等，其最直接的應(yīng)用是解決芯片制造過(guò)程中大量線條尺寸的測(cè)量問(wèn)題，以微波場(chǎng)效應(yīng)器件中柵的線條寬度測(cè)量為例，經(jīng)分析，如果微波場(chǎng)效應(yīng)器件中柵的線寬尺寸測(cè)量超差將會(huì)影響其電特性，進(jìn)而會(huì)給器件的應(yīng)用造成隱患，所以使用微納米線寬尺寸測(cè)量類儀器對(duì)其精確測(cè)量是十分必要的。該類儀器的測(cè)量準(zhǔn)確度直接影響其測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，進(jìn)而會(huì)影響到產(chǎn)品的性能，所以必須對(duì)其開展校準(zhǔn)工作。

國(guó)內(nèi)外都使用線距標(biāo)準(zhǔn)樣片對(duì)微納米線寬尺寸測(cè)量類儀器進(jìn)行校準(zhǔn)［1，2］。線距標(biāo)準(zhǔn)樣片是具有固定標(biāo)稱周期尺寸的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，是實(shí)現(xiàn)微納尺寸從國(guó)家計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)部門的標(biāo)準(zhǔn)器件傳遞到實(shí)際生產(chǎn)、制造中的重要傳遞介質(zhì)［3-5］。半導(dǎo)體行業(yè)器件中線條尺寸屬于微納米量級(jí)范圍，因此要求測(cè)量?jī)x器在該尺度準(zhǔn)確計(jì)量。本文主要針對(duì)微米量級(jí)尺寸的精確測(cè)量提出研制微米量級(jí)的線距樣片，選用硅作為襯底材料，生長(zhǎng)二氧化硅用于加工線距結(jié)構(gòu)，利用Laser-beam制版技術(shù)制作掩模板，使用投影光刻技術(shù)加工制作了微米級(jí)線距樣片。標(biāo)準(zhǔn)樣片的質(zhì)量直接影響量值傳遞過(guò)程的準(zhǔn)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(jié)構(gòu)，并對(duì)樣片的直線度、均勻性、穩(wěn)定性等質(zhì)量參數(shù)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，最后與VLSI標(biāo)準(zhǔn)樣片進(jìn)行了比較。

2 微米級(jí)線距樣片的研制

2.1 線距樣片的圖形設(shè)計(jì)

針對(duì)線距樣片的應(yīng)用目的在圖形設(shè)計(jì)時(shí)需考慮兩個(gè)方面：1）什么結(jié)構(gòu)的樣片適用于校準(zhǔn)微納米線寬尺寸測(cè)量類儀器？2）多種尺寸、多種結(jié)構(gòu)的樣片如何方便快捷的應(yīng)用于校準(zhǔn)該類儀器的工作中？目前，微電子行業(yè)內(nèi)常用的微納米線寬尺寸測(cè)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(jì)量項(xiàng)目為放大倍數(shù)示值誤差和圖像的線性失真度，用于校準(zhǔn)儀器放大倍數(shù)的樣片通常為光柵結(jié)構(gòu)，而校準(zhǔn)儀器圖像的線性失真度采用的是格柵結(jié)構(gòu)樣片，并且格柵樣片還可以應(yīng)用于校準(zhǔn)原子力顯微鏡的圖像放大倍率及Z軸測(cè)量能力［6］，為了滿足上述的需求，設(shè)計(jì)的線距樣片為光柵和格柵兩種結(jié)構(gòu)。

本文設(shè)計(jì)了兩類圖形：線距標(biāo)準(zhǔn)圖形，快速尋跡標(biāo)志，并對(duì)相應(yīng)的標(biāo)稱尺寸進(jìn)行了標(biāo)記。圖形結(jié)構(gòu)的整體尺寸為10mm×10mm，線距的周期尺寸包括1μm、2μm、5μm、10μm，圖形結(jié)構(gòu)如圖1所示。

標(biāo)準(zhǔn)線距，用于校準(zhǔn)微納米線寬尺寸測(cè)量類儀器的水平測(cè)量性能。制作尺寸為1mm×1mm，并且每10個(gè)周期進(jìn)行標(biāo)記，為了方便校準(zhǔn)位置的選擇被標(biāo)記的柵條要求長(zhǎng)于其他光柵。并且該樣片中格柵結(jié)構(gòu)的樣片帶有臺(tái)階高度，增加了樣片的使用功能。

圖1 微米級(jí)線距樣片的整體結(jié)構(gòu)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(zhǔn)儀器時(shí)的成像質(zhì)量等等諸多因素。通過(guò)查閱相關(guān)資料，結(jié)合我所現(xiàn)有的半導(dǎo)體加工條件，制作標(biāo)準(zhǔn)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(jí)線距樣片的加工過(guò)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(zhì)量的優(yōu)劣。通過(guò)優(yōu)化制版的各項(xiàng)參數(shù)、刻蝕過(guò)程中的試劑配比以及刻蝕時(shí)間制作出線條均勻、邊緣陡直的線距樣片，樣片的線距結(jié)構(gòu)材料為SiO2，底面是硅。硅在空氣中易氧化，導(dǎo)致線距樣片的臺(tái)階高度不穩(wěn)定；同時(shí)SiO2層是絕緣體，不導(dǎo)電，不適用于掃描電鏡的校準(zhǔn)。采用的解決措施是對(duì)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(yīng)，且硬度較大。制作工藝基本流程圖如圖 2 所示［7］。

微米級(jí)線距樣片實(shí)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(jí)線距樣片的考核

制作的樣片能否作為標(biāo)準(zhǔn)樣片需要對(duì)其質(zhì)量進(jìn)行考核，通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)了解到作為校準(zhǔn)微納米線寬尺寸測(cè)量類儀器的標(biāo)準(zhǔn)樣片，其評(píng)價(jià)的基本要求如下。

圖2 微米級(jí)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(jí)線距樣片的實(shí)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(shè)計(jì)的標(biāo)稱尺寸一致，偏差盡量小；

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(cè)量區(qū)域內(nèi)，不同位置測(cè)得的線距尺寸一致性好；

4）穩(wěn)定性好，在長(zhǎng)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(zhì)量評(píng)價(jià)的測(cè)量?jī)x器。CD-SEM可以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)專業(yè)量測(cè)軟件對(duì)需要量測(cè)的線條進(jìn)行測(cè)量。以標(biāo)稱尺寸1μm和10μm的線距樣片為例對(duì)質(zhì)量參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)參數(shù)為：直線度、均勻性和穩(wěn)定性。同時(shí)，使用相同儀器、相同測(cè)量方法對(duì)美國(guó)VLSI公司［9］的相同標(biāo)稱尺寸的線距樣片的直線度、均勻性和穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果與本文制作樣片的評(píng)價(jià)結(jié)果相比較。

3.1 線距尺寸的測(cè)量

本文采用CD-SEM對(duì)其線距樣片的線條尺寸進(jìn)行測(cè)量。使用CD-SEM對(duì)研制的標(biāo)稱尺寸為1μm和10μm的線距標(biāo)準(zhǔn)樣片進(jìn)行測(cè)量時(shí)，首先將樣片放置于裝置的自動(dòng)傳輸系統(tǒng)中，固定完畢，該裝置自動(dòng)將樣片經(jīng)過(guò)兩級(jí)抽真空送入儀器的測(cè)量腔內(nèi)，調(diào)整測(cè)量模式到最適合的測(cè)量狀態(tài)，電子束掃描被測(cè)樣片將其成像于顯示屏中，參照《JJF(軍工） 103—2015納米級(jí)形貌樣板校準(zhǔn)規(guī)范》中節(jié)距間距的算法使用自帶測(cè)量軟件對(duì)樣片規(guī)定的有效測(cè)量區(qū)域內(nèi)中心位置的多個(gè)周期線距進(jìn)行測(cè)量，重復(fù)測(cè)量10次，并對(duì)測(cè)量結(jié)果求平均值作為該尺寸線距樣片的結(jié)果［10］。測(cè)量時(shí)使用儀器的自動(dòng)對(duì)焦和自動(dòng)掃描圖像功能，避免人為調(diào)節(jié)圖像引入的影響。測(cè)量結(jié)果見表1。

表1 周期尺寸為1μm和10μm線距樣片的測(cè)量結(jié)果Tab.1 Measured results of the pitch of 1μm and10μm

由表中數(shù)據(jù)可知，兩個(gè)不同線距尺寸樣片的測(cè)量結(jié)果分別為0.9940μm和9.9125μm，樣片實(shí)際線距尺寸與設(shè)計(jì)的尺寸基本一致，測(cè)量結(jié)果的重復(fù)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(gè)結(jié)構(gòu)的樣片中測(cè)量，在線距樣片的測(cè)量區(qū)域中選擇9個(gè)不同位置的周期柵，每個(gè)柵條均勻選取9個(gè)位置分別進(jìn)行線距尺寸測(cè)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(jì)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(jié)構(gòu)尺寸的最大值，nm；Lmin——周期線距結(jié)構(gòu)尺寸的最小值，nm。

直線度對(duì)比測(cè)量結(jié)果見表2。

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

表2 直線度對(duì)比結(jié)果Tab.2 Comparison results of the straightness

由測(cè)量結(jié)果可得，本文制作的樣片與美國(guó)VLSI公司樣片的直線度質(zhì)量相當(dāng)。

3.3 線距樣片的均勻性

在樣片測(cè)量區(qū)域內(nèi)，選擇10個(gè)周期的線距結(jié)構(gòu)，以有效測(cè)量區(qū)域中心線為中線測(cè)量線，兩側(cè)分別取4條均勻分布的測(cè)量線，選取位置在圖1中所示的有效測(cè)試區(qū)域內(nèi)。分別對(duì)每條測(cè)量線上的線距尺寸進(jìn)行測(cè)量，以9條測(cè)量線上線距的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差作為線距均勻性的測(cè)量結(jié)果，按照式(2)計(jì)算。在線距標(biāo)準(zhǔn)樣片有效區(qū)域的上下左右以及中心的五個(gè)位置進(jìn)行測(cè)量［10］。

式中：Ev——線距樣片的均勻性，nm；Pk——第q個(gè)周期線距結(jié)構(gòu)的測(cè)量尺寸，nm；q——所選測(cè)量線數(shù)，此處q=9；—q個(gè)周期線距樣片的線距尺寸平均值，nm。

VLSI標(biāo)準(zhǔn)樣片同樣按照相同測(cè)量方法、測(cè)量位置對(duì)樣片均勻性進(jìn)行分析。1μm和10μm樣片針對(duì)不同測(cè)量位置的測(cè)量結(jié)果分別如圖5、圖6所示。

圖5 1μm線距樣片均勻性測(cè)量結(jié)果Fig.5 Measured results of the pitch 1μm uniformity

圖6 10μm線距樣片均勻性測(cè)量結(jié)果Fig.6 Measured results of the pitch 10μm uniformity

以五個(gè)位置測(cè)量結(jié)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(biāo)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(duì)研制的樣片穩(wěn)定性進(jìn)行考核，每個(gè)月測(cè)量一次樣片的重復(fù)性，共監(jiān)測(cè)12個(gè)月，1μm和10μm兩個(gè)樣片測(cè)量結(jié)果分別如圖7和圖8所示。

由圖7、圖8可得，標(biāo)稱線距尺寸1μm和10μm的線距標(biāo)準(zhǔn)樣片穩(wěn)定性測(cè)量結(jié)果分別為2.7nm、1.6nm。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出樣片的性能在12個(gè)月內(nèi)沒(méi)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(cè)量結(jié)果Fig.7 Measured results of the pitch 1μm stability

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

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)制作了用于微納米線寬尺寸測(cè)量類儀器校準(zhǔn)的微米級(jí)線距標(biāo)準(zhǔn)樣片。介紹了樣片圖形結(jié)構(gòu)及樣片的制作過(guò)程，分析了作為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的基本要求，使用CD-SEM對(duì)樣片的直線度、均勻性、穩(wěn)定性進(jìn)行了考核，并使用相同儀器、相同方法對(duì)美國(guó)VLSI公司的相同標(biāo)稱尺寸的線距樣片的直線度和均勻性進(jìn)行測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文制備的樣片線距尺寸與設(shè)計(jì)值基本一致，直線度、均勻性與美國(guó)VLSI公司的樣片測(cè)量結(jié)果一致，穩(wěn)定性較好。