基于多層膜沉積的循跡式線寬標(biāo)準(zhǔn)樣片

趙 琳，韓志國，張曉東，許曉青，李鎖印，吳愛華

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

1 引 言

在微電子加工行業(yè)中，衡量其工藝先進(jìn)水平的一個(gè)主要指標(biāo)即為芯片上的最小線寬，也稱為關(guān)鍵尺寸。隨著器件特征尺寸進(jìn)入納米量級(jí)，關(guān)鍵尺寸不斷縮小，目前在微電子領(lǐng)域，混合電路工藝制程中，最小線條已經(jīng)達(dá)到100 nm以內(nèi)；而大規(guī)模集成電路的工藝制程中，最小線條尺寸已經(jīng)達(dá)到 50 nm 以內(nèi)[1]。這就使得工藝加工過程中的允許公差相應(yīng)減小，對(duì)線寬測(cè)量范圍和精度要求也不斷提高。關(guān)鍵尺寸測(cè)量?jī)x器，主要用于觀察、分析在微米或納米范圍內(nèi)所發(fā)生的物理、化學(xué)現(xiàn)象和相關(guān)參量的準(zhǔn)確測(cè)量[2]。在微電子行業(yè)中，其最直接的應(yīng)用是解決芯片制造過程中大量線條尺寸的測(cè)量問題，測(cè)量?jī)x器的準(zhǔn)確性直接影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，進(jìn)而影響到芯片性能，因此需要準(zhǔn)確校準(zhǔn)。

通常采用線寬標(biāo)準(zhǔn)樣片對(duì)關(guān)鍵尺寸測(cè)量?jī)x器進(jìn)行校準(zhǔn)[3,4]。近年來，相關(guān)計(jì)量機(jī)構(gòu)都在開展此類標(biāo)準(zhǔn)樣片的研制。國外，美國NIST先后研制的線寬標(biāo)準(zhǔn)樣片分別為：SRM473，SRM2059，其最小分度值為0.1 μm；德國PTB研制的線寬標(biāo)準(zhǔn)樣片為IVPS100-PTB，標(biāo)稱值為50～130 nm[5]。此外，美國VLSI公司研制了標(biāo)稱值為25～110 nm的線寬標(biāo)準(zhǔn)樣片，并進(jìn)行了商業(yè)化推廣[6]。國內(nèi)，全國微束分析標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)和上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院也進(jìn)行了相關(guān)研究，并取得了一定成果[7,8]。

隨著特征尺寸的日益縮減，線寬尺寸已經(jīng)達(dá)到幾十納米。納米尺寸線寬標(biāo)準(zhǔn)樣片是實(shí)現(xiàn)納米尺寸從國家計(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)，而納米線寬標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的研制是納米線寬計(jì)量中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。因此，需要開展納米尺寸線寬標(biāo)準(zhǔn)樣片的研制。

2 樣片加工方法的選擇

依據(jù)當(dāng)前微電子行業(yè)中關(guān)鍵尺寸的測(cè)量需求，線寬樣片的設(shè)計(jì)尺寸為20 nm和50 nm。樣片的加工采用半導(dǎo)體技術(shù)，有2種方法：電子束直寫曝光工藝和多層膜沉積技術(shù)。

電子束直寫曝光工藝可以在晶圓片上直接加工出所需要的線寬結(jié)構(gòu)，滿足在線測(cè)量?jī)x器的校準(zhǔn)需求[9]。但是電子束制備的線條質(zhì)量由于受鄰近效應(yīng)的作用，其線邊緣粗糙度等級(jí)較低，尤其對(duì)線寬尺寸為50 nm及以下的測(cè)量存在很大的影響。而多層膜沉積技術(shù)是使用半導(dǎo)體沉積工藝在硅晶圓片沉積多層膜介質(zhì)材料并將制備的多層膜沉積樣片采用晶圓片鍵合技術(shù)與另一片硅晶圓片鍵合形成一個(gè)整體，通過劃片、研磨、拋光和刻蝕工藝將生長(zhǎng)的膜層結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榫€寬結(jié)構(gòu)，得到納米級(jí)線寬標(biāo)準(zhǔn)樣片。制備流程如圖1所示。

圖1 多層膜線寬制備流程Fig.1 Preparation process of multilayer film line width

采用多層膜沉積技術(shù)制備納米尺寸線寬標(biāo)準(zhǔn)樣片是將沉積膜層的厚度值轉(zhuǎn)化為線寬樣片的名義線寬值[10]。該方法研制的線寬的線邊緣粗糙度可以認(rèn)為是沉積的某一介質(zhì)膜層的表面粗糙度的演變；因此同一線寬具有良好的結(jié)構(gòu)和邊緣一致性，可以有效保證線寬樣片的線邊緣粗糙度，提高了線寬樣片的質(zhì)量。

3 圖形設(shè)計(jì)

線寬標(biāo)準(zhǔn)樣片主要應(yīng)用于校準(zhǔn)關(guān)鍵尺寸測(cè)量?jī)x器的尺寸誤差，其標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)為線寬結(jié)構(gòu)。依據(jù)當(dāng)前微電子行業(yè)中關(guān)鍵尺寸的測(cè)量需求[11]，線寬樣片的設(shè)計(jì)尺寸為20 nm和50 nm。采用多層膜沉積技術(shù)將其加工在同一片上，方便同時(shí)校準(zhǔn)關(guān)鍵尺寸測(cè)量?jī)x器的多種倍率。

采用多層膜沉積技術(shù)研制的樣片由于制備方法的特性決定其整體尺寸很小，一般在厘米量級(jí)。而對(duì)于電子束類關(guān)鍵尺寸測(cè)量?jī)x器，如CD-SEM，當(dāng)其放大倍數(shù)達(dá)到十萬倍量級(jí)時(shí)圖像的整體尺寸為 1.2 μm×0.9 μm左右。該視場(chǎng)的大小僅為線寬標(biāo)準(zhǔn)樣片大小的一億分之一，由于儀器測(cè)量視場(chǎng)的限制，每次測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)線寬位置很容易出現(xiàn)偏離，并且標(biāo)準(zhǔn)線寬本身存在一定的線邊緣粗糙度，基于以上原因?qū)е聹y(cè)量結(jié)果的一致性很差。因此，有必要設(shè)計(jì)快速循跡結(jié)構(gòu)，能夠方便、快捷地尋找到線寬標(biāo)準(zhǔn)樣片上的標(biāo)準(zhǔn)線條，還能準(zhǔn)確定位到標(biāo)準(zhǔn)線條的測(cè)量位置。

圖2 線寬樣片上的定位循跡標(biāo)志設(shè)計(jì)圖Fig.2 The design drawing of the positioning and tracking mark on the line width sample

設(shè)計(jì)了2類圖形：線寬標(biāo)準(zhǔn)圖形和快速循跡標(biāo)志，其中標(biāo)準(zhǔn)線寬的設(shè)計(jì)尺寸分別為：20 nm和 50 nm。由于標(biāo)準(zhǔn)線寬的尺寸非常小，樣片劃片后的整體尺寸只有厘米量級(jí)，為了便于在晶圓片上快速準(zhǔn)確地尋找到測(cè)量位置，設(shè)計(jì)了一種定位循跡標(biāo)志。標(biāo)志的設(shè)計(jì)版圖如圖2所示，共設(shè)計(jì)9組標(biāo)志，每組標(biāo)志9個(gè)標(biāo)記格，每個(gè)標(biāo)記格的寬度尺寸為 0.5 μm，標(biāo)記格的間隔為2.5 μm，每組標(biāo)記格之間的距離為100 μm。每大組標(biāo)志用于幫助快速尋找到線寬的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，然后再通過單組標(biāo)記格確定測(cè)量的準(zhǔn)確位置。圖3給出了標(biāo)準(zhǔn)樣片加工完成后的結(jié)構(gòu)示意圖，包括定位循跡標(biāo)志和寬度分別為 20 nm 和50 nm的標(biāo)準(zhǔn)線寬線條。在對(duì)樣片進(jìn)行測(cè)試時(shí)，可以由標(biāo)準(zhǔn)樣片上的定位循跡標(biāo)志首先快速尋找到標(biāo)準(zhǔn)線條，再確定要測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)線寬位置。

圖3 線寬樣片上的標(biāo)準(zhǔn)線條和定位循跡標(biāo)志示意圖Fig.3 Schematic diagram of standard lines and positioning tracking marks on the line width sample

4 循跡式線寬標(biāo)準(zhǔn)樣片的制備

多層膜沉積技術(shù)是將周期性沉積膜層的厚度值轉(zhuǎn)化為光柵的名義線寬值或節(jié)距值，并運(yùn)用多層膜光柵技術(shù)，制備出不同節(jié)距、線寬、占空比、深寬比、線邊緣粗糙度等關(guān)鍵參數(shù)的一維光柵/線寬結(jié)構(gòu)，納米尺寸線寬標(biāo)準(zhǔn)樣片就是采用多層膜沉積技術(shù)研制[12，13]。研制過程包括：選材、加工、檢測(cè)等。其中材料對(duì)的優(yōu)選需要綜合考慮以下幾個(gè)因素：(1)循跡式線寬標(biāo)準(zhǔn)樣片主要應(yīng)用于SEM、TEM等測(cè)量?jī)x器的校準(zhǔn)工作，因此，線寬樣片要保證不會(huì)對(duì)測(cè)量?jī)x器造成污染；(2)關(guān)鍵尺寸測(cè)量?jī)x器主要應(yīng)用于半導(dǎo)體尤其是超大規(guī)模集成電路線寬的測(cè)量，因此，線寬材料要與半導(dǎo)體工藝兼容且無毒；(3)采用刻蝕的方案獲取納米尺寸線寬結(jié)構(gòu)，因此，對(duì)其中一種薄膜材料進(jìn)行選擇性刻蝕，且線寬結(jié)構(gòu)要有較大深寬比，即2種薄膜的相對(duì)刻蝕速率差別要較大；(4)循跡式線寬標(biāo)準(zhǔn)樣片的制備需要經(jīng)過鍍膜、劃片、拋光與研磨等工序，基底硬度不能太高，要易于劃片及減薄，且薄膜要易于采用磁控濺射等方式鍍制。

通過查閱相關(guān)資料[14]，結(jié)合現(xiàn)有的半導(dǎo)體加工能力，制作標(biāo)準(zhǔn)樣片的材料對(duì)選取為：Si/SiO2。Si作為常用半導(dǎo)體材料和薄膜基底材質(zhì)成為首要選擇，其中，SiO2和Si薄膜沉積具有較小的薄膜應(yīng)力，薄膜界面特性良好，同時(shí)HF刻蝕液和Si/SiO2材料對(duì)有較高的刻蝕選擇比，便于多層膜線寬結(jié)構(gòu)的形成，因此SiO2成為另一種薄膜材料的首要選擇。Si是半導(dǎo)體材料，采用直流磁控濺射技術(shù)，而SiO2是介質(zhì)材料，采用射頻磁控濺射技術(shù)。射頻磁控濺射(RF magnetron sputtering)技術(shù)工藝穩(wěn)定，在較低的沉積速率下可以保證0.1 nm量級(jí)的膜厚控制精度，同時(shí)較高的濺射粒子沉積能量保證了膜層與基板之間的結(jié)合力，防止膜層脫落現(xiàn)象發(fā)生。

線寬標(biāo)準(zhǔn)樣片的加工示意圖如圖4所示。

圖4 線寬樣片的整體加工示意圖Fig.4 Schematic diagram of the overall processing of the line width sample

圖4中帶有定位指示標(biāo)記的線寬標(biāo)準(zhǔn)樣片的制備流程圖如圖5所示。采用以上工藝對(duì)線寬樣片進(jìn)行了研制，圖6是加工的線寬樣片實(shí)物圖，由于其尺寸在厘米量級(jí)，不方便拿取，將其粘附于鋁制圓片上。

使用掃描電鏡對(duì)樣片進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試時(shí)首先通過儀器的坐標(biāo)定位找到夾具上的鋁圓片；再變換倍率尋找循跡標(biāo)志其中的一組，便于尋找標(biāo)準(zhǔn)線寬結(jié)構(gòu)；然后再通過變換倍率進(jìn)一步確定某一組循跡標(biāo)志中的第幾個(gè)標(biāo)記格；最后通過這個(gè)標(biāo)記格確定需要測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)線寬的準(zhǔn)確位置[15，16]。

圖5 多層膜線寬定位指示標(biāo)記制備流程圖Fig.5 Flow chart of preparation of multi-layer film line width positioning indicator mark

圖6 研制的樣片實(shí)物圖Fig.6 The physical map of the developed sample

圖7給出了線寬樣片在掃描電鏡下的測(cè)試圖，包括小倍率下定位循跡標(biāo)志的結(jié)果圖以及選定定位循跡標(biāo)志處的測(cè)量結(jié)果圖。通過這一方法對(duì)該處的標(biāo)準(zhǔn)線寬線條進(jìn)行多次測(cè)試[17，18]，測(cè)量結(jié)果如表1所示。

由表1中數(shù)據(jù)可以看出，對(duì)于標(biāo)稱尺寸20 nm的標(biāo)準(zhǔn)線寬重復(fù)測(cè)量10次后，測(cè)量結(jié)果的最大值與最小值之差為0.6 nm，重復(fù)性為0.2 nm；對(duì)于標(biāo)稱尺寸50 nm的標(biāo)準(zhǔn)線寬重復(fù)測(cè)量10次后，測(cè)量結(jié)果的最大值與最小值之差為0.8 nm，重復(fù)性為0.3 nm。因此可以認(rèn)為對(duì)于同一定位循跡標(biāo)記格處的數(shù)據(jù)多次測(cè)量后，測(cè)量結(jié)果的一致性較好。

圖7 線寬標(biāo)準(zhǔn)樣片在電鏡下定位循跡標(biāo)志的測(cè)試圖Fig.7 Test chart of positioning and tracking marks of line width standard sample under electron microscope

表1 多次測(cè)量同一位置的測(cè)量數(shù)據(jù)Tab.1 Measurement data of multiple measurements at the same location nm

5 結(jié) 論

為了實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵尺寸測(cè)量?jī)x器的校準(zhǔn)問題，本文展開了線寬標(biāo)準(zhǔn)樣片的研究工作。針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣片整體尺寸小、儀器測(cè)量視場(chǎng)太小所引起的校準(zhǔn)時(shí)不便尋找的問題，以及由于樣板線邊緣質(zhì)量問題導(dǎo)致每次測(cè)量不同位置結(jié)果存在較大差異的困擾，設(shè)計(jì)了多組定位循跡標(biāo)志。采用半導(dǎo)體工藝進(jìn)行了加工，最后結(jié)合鍵合工藝與多層膜沉積技術(shù)研制了尺寸為 20 nm 和50 nm的循跡式線寬標(biāo)準(zhǔn)樣片，可以快速準(zhǔn)確地尋找到標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量位置，確保了每次測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性，有效提高了測(cè)量速度和準(zhǔn)確性。

后續(xù)的工作中，筆者還會(huì)進(jìn)一步優(yōu)化樣片的加工工藝，結(jié)合樣片的應(yīng)用目的和結(jié)構(gòu)研制出更多樣性的標(biāo)準(zhǔn)樣片，以應(yīng)用于更多種的測(cè)量?jī)x器中。