基于二氧化硅的微米级线距样片制备

赵 琳 李锁印 冯亚南 韩志国 许晓青 梁法国

(中国电子科技集团公司第十三研究所,河北石家庄050000)

1 引 言

随着纳米科技、生命科学的蓬勃发展，微纳米线宽尺寸测量类仪器已广泛应用于前沿科学研究、产品设计和大规模生产的过程质量控制中。在微电子行业中，该类仪器包括有线宽测量仪、扫描电子显微镜、原子力显微镜等等，其最直接的应用是解决芯片制造过程中大量线条尺寸的测量问题，以微波场效应器件中栅的线条宽度测量为例，经分析，如果微波场效应器件中栅的线宽尺寸测量超差将会影响其电特性，进而会给器件的应用造成隐患，所以使用微纳米线宽尺寸测量类仪器对其精确测量是十分必要的。该类仪器的测量准确度直接影响其测量结果的准确性，进而会影响到产品的性能，所以必须对其开展校准工作。

国内外都使用线距标准样片对微纳米线宽尺寸测量类仪器进行校准［1，2］。线距标准样片是具有固定标称周期尺寸的标准物质，是实现微纳尺寸从国家计量标准部门的标准器件传递到实际生产、制造中的重要传递介质［3-5］。半导体行业器件中线条尺寸属于微纳米量级范围，因此要求测量仪器在该尺度准确计量。本文主要针对微米量级尺寸的精确测量提出研制微米量级的线距样片，选用硅作为衬底材料，生长二氧化硅用于加工线距结构，利用Laser-beam制版技术制作掩模板，使用投影光刻技术加工制作了微米级线距样片。标准样片的质量直接影响量值传递过程的准确性，本文研制了线距尺寸(1～10)μm一系列的样片，包括一维光栅和二维格栅两种结构，并对样片的直线度、均匀性、稳定性等质量参数进行了评价，最后与VLSI标准样片进行了比较。

2 微米级线距样片的研制

2.1 线距样片的图形设计

针对线距样片的应用目的在图形设计时需考虑两个方面：1）什么结构的样片适用于校准微纳米线宽尺寸测量类仪器？2）多种尺寸、多种结构的样片如何方便快捷的应用于校准该类仪器的工作中？目前，微电子行业内常用的微纳米线宽尺寸测量类仪器有很多，其中使用最广泛的是扫描电镜，该仪器的主要计量项目为放大倍数示值误差和图像的线性失真度，用于校准仪器放大倍数的样片通常为光栅结构，而校准仪器图像的线性失真度采用的是格栅结构样片，并且格栅样片还可以应用于校准原子力显微镜的图像放大倍率及Z轴测量能力［6］，为了满足上述的需求，设计的线距样片为光栅和格栅两种结构。

本文设计了两类图形：线距标准图形，快速寻迹标志，并对相应的标称尺寸进行了标记。图形结构的整体尺寸为10mm×10mm，线距的周期尺寸包括1μm、2μm、5μm、10μm，图形结构如图1所示。

标准线距，用于校准微纳米线宽尺寸测量类仪器的水平测量性能。制作尺寸为1mm×1mm，并且每10个周期进行标记，为了方便校准位置的选择被标记的栅条要求长于其他光栅。并且该样片中格栅结构的样片带有台阶高度，增加了样片的使用功能。

图1 微米级线距样片的整体结构图Fig.1 Microstructure of the micro-scale linear distance specimens

2.2 线距样片的加工

线距样片的材料选取需要综合考虑加工的难易程度、样片的稳定性和用于校准仪器时的成像质量等等诸多因素。通过查阅相关资料，结合我所现有的半导体加工条件，制作标准样片的材料选择为：选择硅作为衬底材料，线距材料为二氧化硅。微米级线距样片的加工过程包括：氧化、光刻、刻蚀、去胶等，样片中线条的尺寸和边缘效果决定了样片质量的优劣。通过优化制版的各项参数、刻蚀过程中的试剂配比以及刻蚀时间制作出线条均匀、边缘陡直的线距样片，样片的线距结构材料为SiO2，底面是硅。硅在空气中易氧化，导致线距样片的台阶高度不稳定；同时SiO2层是绝缘体，不导电，不适用于扫描电镜的校准。采用的解决措施是对线距样片溅射一层金属铬，提高样片的稳定性和使用范围。选择铬的原因是铬性能稳定，在空气中不发生反应，且硬度较大。制作工艺基本流程图如图 2 所示［7］。

微米级线距样片实物图如图3所示，其中图3(a)未溅射金属层，图3(b)为溅射了金属层的效果图。

3 微米级线距样片的考核

制作的样片能否作为标准样片需要对其质量进行考核，通过查阅相关文献了解到作为校准微纳米线宽尺寸测量类仪器的标准样片，其评价的基本要求如下。

图2 微米级线距样片的制作工艺流程图Fig.2 Production process flow chart of the micro-scale linear distance specimens

图3 微米级线距样片的实物图Fig.3 Physical map of the micro-scale linear distance specimens

1）制作的样片的线距尺寸与设计的标称尺寸一致，偏差尽量小；

2）制作的样片的线条直线度尽量小；

3）样片的区域均匀性好，在线距样片的测量区域内，不同位置测得的线距尺寸一致性好；

4）稳定性好，在长期使用中样片的线距尺寸值保持不变［8］。

使用CD-SEM作为线距样片线距尺寸及质量评价的测量仪器。CD-SEM可以把集成电路图形以光学显微镜所达不到的倍率高分辨率、高精度、高效率的方式展示出来，并通过专业量测软件对需要量测的线条进行测量。以标称尺寸1μm和10μm的线距样片为例对质量参数进行评价，评价参数为：直线度、均匀性和稳定性。同时，使用相同仪器、相同测量方法对美国VLSI公司［9］的相同标称尺寸的线距样片的直线度、均匀性和稳定性进行评价，评价结果与本文制作样片的评价结果相比较。

3.1 线距尺寸的测量

本文采用CD-SEM对其线距样片的线条尺寸进行测量。使用CD-SEM对研制的标称尺寸为1μm和10μm的线距标准样片进行测量时，首先将样片放置于装置的自动传输系统中，固定完毕，该装置自动将样片经过两级抽真空送入仪器的测量腔内，调整测量模式到最适合的测量状态，电子束扫描被测样片将其成像于显示屏中，参照《JJF(军工） 103—2015纳米级形貌样板校准规范》中节距间距的算法使用自带测量软件对样片规定的有效测量区域内中心位置的多个周期线距进行测量，重复测量10次，并对测量结果求平均值作为该尺寸线距样片的结果［10］。测量时使用仪器的自动对焦和自动扫描图像功能，避免人为调节图像引入的影响。测量结果见表1。

表1 周期尺寸为1μm和10μm线距样片的测量结果Tab.1 Measured results of the pitch of 1μm and10μm

由表中数据可知，两个不同线距尺寸样片的测量结果分别为0.9940μm和9.9125μm，样片实际线距尺寸与设计的尺寸基本一致，测量结果的重复性分别为2.6nm和2.4nm。

3.2 线距样片的直线度

线距样片的直线度分别在图1所示的各个结构的样片中测量，在线距样片的测量区域中选择9个不同位置的周期栅，每个栅条均匀选取9个位置分别进行线距尺寸测量，如图4所示，用线距尺寸的最大值与最小值的差表征该周期线距的直线度，按照式（1）计算，选取最大值作为该线距样片的直线度［10］。

式中：LZ——线距样片的直线度，nm；Lmax——周期线距结构尺寸的最大值，nm；Lmin——周期线距结构尺寸的最小值，nm。

直线度对比测量结果见表2。

图4 线距样片的直线度选点示意图Fig.4 Schematic diagram of straightness selection of the linear distance specimens

表2 直线度对比结果Tab.2 Comparison results of the straightness

由测量结果可得，本文制作的样片与美国VLSI公司样片的直线度质量相当。

3.3 线距样片的均匀性

在样片测量区域内，选择10个周期的线距结构，以有效测量区域中心线为中线测量线，两侧分别取4条均匀分布的测量线，选取位置在图1中所示的有效测试区域内。分别对每条测量线上的线距尺寸进行测量，以9条测量线上线距的实验标准偏差作为线距均匀性的测量结果，按照式(2)计算。在线距标准样片有效区域的上下左右以及中心的五个位置进行测量［10］。

式中：Ev——线距样片的均匀性，nm；Pk——第q个周期线距结构的测量尺寸，nm；q——所选测量线数，此处q=9；—q个周期线距样片的线距尺寸平均值，nm。

VLSI标准样片同样按照相同测量方法、测量位置对样片均匀性进行分析。1μm和10μm样片针对不同测量位置的测量结果分别如图5、图6所示。

图5 1μm线距样片均匀性测量结果Fig.5 Measured results of the pitch 1μm uniformity

图6 10μm线距样片均匀性测量结果Fig.6 Measured results of the pitch 10μm uniformity

以五个位置测量结果的的最大值作为该线距样片的均匀性，本文制作1μm和10μm的样片均匀性分别为3.3nm和12.5nm，VLSI公司相近标称尺寸样片均匀性分别为2.6nm和11.2nm。

3.4 线距样片的稳定性

对研制的样片稳定性进行考核，每个月测量一次样片的重复性，共监测12个月，1μm和10μm两个样片测量结果分别如图7和图8所示。

由图7、图8可得，标称线距尺寸1μm和10μm的线距标准样片稳定性测量结果分别为2.7nm、1.6nm。通过实验数据可以看出样片的性能在12个月内没有显著变化，线距样片的线距尺寸值稳定。

图7 1μm线距样片稳定性测量结果Fig.7 Measured results of the pitch 1μm stability

图8 10μm线距样片稳定性测量结果Fig.8 Measured results of the pitch 10μm stability

4 结束语

本文设计制作了用于微纳米线宽尺寸测量类仪器校准的微米级线距标准样片。介绍了样片图形结构及样片的制作过程，分析了作为标准物质的基本要求，使用CD-SEM对样片的直线度、均匀性、稳定性进行了考核，并使用相同仪器、相同方法对美国VLSI公司的相同标称尺寸的线距样片的直线度和均匀性进行测量。实验结果表明，本文制备的样片线距尺寸与设计值基本一致，直线度、均匀性与美国VLSI公司的样片测量结果一致，稳定性较好。