用于扫描电子显微镜校准的10 μm格栅样板

张晓东，赵 琳，李锁印，韩志国，许晓青，吴爱华

(中国电子科技集团公司 第十三研究所，河北 石家庄 050051)

1 引 言

半导体产业寻求的共同目标是研制出体积更小、耗能更低、性能更快的元器件。随着元器件集成度越来越高，器件上的几何参数如线宽、栅间距等成为了影响整体性能的重要参数。根据国际半导体技术路线图(international technology roadmap for semiconductors, ITRS)预测：从一个技术节点到下一个技术节点，器件的关键线宽是按照0.7倍进行缩减，并且缩短的周期在18个月到2年的时间。ITRS曾经建议晶圆上的线宽均匀性不能超过线宽的7%，对于20 nm半周期节点，线宽均匀性必须小于1.4 nm，因此，保证线宽量值的准确性十分关键[1]。

扫描电子显微镜(scanning electron microscope，SEM)是利用二次电子信号成像的方式观察样品的表面信息，即用极狭窄的电子束来扫描样板，通过电子束和样品之间的相互作用获得表面形貌的信息。由于扫描电子显微镜的测量准确度高、速度快，被广泛应用于半导体器件的测试[2]。为了满足扫描电子显微镜的校准需求，2021年，国家颁布了新的校准规范JJF 1916—2021《扫描电子显微镜校准规范》，对测长示值误差、正交畸变和线性失真度等3个参数提出了计量要求[3]。

JJF 1916—2021《扫描电子显微镜校准规范》要求使用10 μm格栅特征来校准正交畸变和线性失真度两个参数。为此，本文采用半导体工艺，研制了用于校准扫描电子显微镜的10 μm格栅样板。另外，为了评价样板的格栅特征一致性，提高扫描电子显微镜的定标准确度，研究了一种基于图像处理技术的格栅特征一致性检测方法，来评价格栅样板的质量。

2 10 μm格栅样板的研制

10 μm格栅样板研制工艺包括：材料准备、氧化、涂胶、曝光、显影、刻蚀、去胶等工艺步骤，如图1所示[4]。

图1 格栅样板的制备工艺流程Fig.1 Preparation process of line lattice sample

氧化过程是在Si晶圆片上氧化一层SiO2膜。涂胶过程是在匀胶显影机的旋涂单元中完成，旋涂单元是负责对晶圆表面做光刻胶涂覆，实现指定的厚度和均匀性；曝光过程是在光刻机内进行，采用的是接触式曝光方法，即掩模板和晶圆表面直接接触，掩模板上的图形按1:1直接投射在晶圆表面的光刻胶上；刻蚀过程先采用干法刻蚀使刻蚀深度接近台阶预期尺寸，再采用湿法刻蚀对台阶的底面进行平整光滑处理；去胶过程是采用传统去胶工艺，使用98%的H2SO4和30%的H2O2按4:1的比例调制而成的混合液对光刻胶进行清洗。硫酸先将有机物中的H和O去除，使其快速碳化，然后双氧水参与反应生成挥发性的CO2和CO2，最后使用去离子水冲洗。溅射是在线间隔样板和格栅样板的上下表面，溅射一层金属铬(Cr)，其主要特点是质硬而脆、抗腐蚀性强，具有导电性，保证平面度[5]。采用半导体工艺研制备的10 μm格栅样板，如图2所示。

图2 10 μm格栅样板Fig.2 10 μm lattice sample

3 矩形检测算法

由于格栅样板的特征单一，采用基于Hough变化的矩形检测算法来实现格栅特征的快速提取。矩形检测算法主要分为以下3个部分：

(1) Hough变换。Hough变换是利用像素与参数空间之间的转换，来实现边界的提取[6]。其中，矩形周围会出现噪声，因此像素空间的直线边界就会转化成参数空间的峰值。使用极坐标的方法来表示图像平面中的一条任意直线，并用式(1)来表示。因此，像素空间坐标(x,y)就可以转化成参数空间坐标(ρ,θ)[7]:

ρ=xcosθ+ysinθ

(1)

设置格栅特征的4个顶点为B1=(x1,y1),B2=(x2,y2),B3=(x3,y3),B4=(x4,y4)，如图3所示。对应参数的峰值点为H1=(ρ1，θ1)，H2=(ρ2，θ2),H3=(ρ3，θ3)，H4=(ρ4，θ4)。

(2) 寻找数组峰值点。采集的格栅标准样片图像大小为(W,H)，通过阈值条件公式来寻找峰值点，如式(2)所示:

C(ρ,θ)≥TC

(2)

图3 Hough变换检测矩形Fig.3 Hough transform to detect rectangle

(3) 矩形检测。通过寻找数组峰值点，选择满足实验条件的格栅特征角点。通过扫描图像所有峰值点，设置配对条件如式(3)所示。通过式(3)将两个峰值点Hi和Hj配对在一起。

(3)

式中：Tθ代表角度阈值;TL代表归一化阈值。设置参数P(η,α)来表示每个配对组合的峰值点Hi和Hj，其满足以下公式：

(4)

式中：Tα代表角度阈值，满足式(4)的配对组合则可以判定为矩形。最后，将格栅特征的数据全部存储起来。

4 测量实验

4.1 矩形检测算法实验

针对研制的标称值为10 μm的格栅样板，使用扫描电子显微镜采集样板的格栅特征并获取数据图像。然后，将数据图像导入基于矩形检测算法的格栅样板数据获取软件中，如图4所示。

图4 格栅样板数据获取软件Fig.4 Data acquisition software of lattice sample

4.2 原子力显微镜对比实验

为了定量分析矩形检测算法的优劣，采用原子力显微镜测量数据作为参考。原子力显微镜的原理是通过探测探针与样品表面之间的相互作用力所造成的探针悬臂的弯曲变化量来获得形貌。当探针在样品表面上移动时，不同探针与样品之间存在一些相互作用力，如范德华力等。而在测量过程中，范德华力起到了主要作用，并且探针与样品之间力随着距离的变化,如图5所示[8～11]。

图5 原子力显微镜的原理Fig.5 Principle of AFM

原子力显微镜的测量速率较差，但存在以下优点：(1)相较于扫描电子显微镜，原子力显微镜能提供分辨率更高的三维形貌信息；(2)测试环境要求低，原子力显微镜不需要真空条件，普通的环境中就可以工作；(3)对待测样品要求低，不需要金属层等特殊处理[12，13]。因此，可以选择原子力显微镜测试数据作为参考值，来定量分析矩形检测算法的优劣。

在X方向上，采用原子力显微镜测量样板的15个格栅特征，如图6所示。从测试曲线上可以看出：

图6 原子力显微镜测试数据Fig.6 Measurement data of AFM

10 μm格栅样板一致性较好。

5 格栅特征一致性评价

为定量评价格栅特征的一致性，使用格栅样板数据获取软件和AFM分别对10 μm格栅样板的15个特征在X方向和Y方向上分别进行测量，如图7所示。通过测量数据表明：对于10 μm格栅样板而言，矩形检测算法和AFM的测试数据能够稳定在 6 nm 以内，研制的10 μm格栅样板一致性较好，能够应用于扫描电子显微镜的校准。

图7 10 μm格栅特征的测量数据Fig.7 Measurement data of 10 μm lattice feature

为定量分析矩形检测算法的优劣，针对矩形检测方法和原子力显微镜获取的10 μm格栅特征数据，使用式(5)作为X方向(Y方向)的一致性评价公式如下：

(5)

表1 格栅特征的一致性Tab.1 Consistency of lattice feature

6 结 论

随着半导体技术的发展，关键尺寸的准确测量问题对于提高元器件的质量显得越来越重要。扫描电子显微镜作为关键尺寸的测量仪器，如何保证其量值准确和统一也显得越来越重要。针对扫描电子显微镜的校准需求，国家颁布了JJF 1916—2021《扫描电子显微镜校准规范》。规范中要求使用10 μm格栅样板来校准仪器的畸变和线性失真度等参数[15，16]。为了满足扫描电子显微镜对标准器的需求，采用半导体工艺，研制了一种标称值为10 μm的格栅样板。由于格栅特征呈现阵列式排列，每个格栅特征的几何尺寸不能保证完全一致。因此，研究了一种快速且稳定的矩形检测算法来计算格栅特征的几何参数，进而评价10 μm格栅样板的质量，可更好地服务于扫描电子显微镜的校准工作。