半导体芯片电路线宽显微测量精度分析

张学涛

摘要：当今社会，随着集成电路制造业的不断发展，半导体芯片工作速度越来越快、集成度越来越高、电路线宽越来越小，传统的测量技术已很难完成对芯片尺寸的高精度、高效率的测量。基于图像处理的测量技术就是将数字图像处理技术应用到精密测量领域。

关键词：半导体芯片电路线宽；显微测量精度

前言：在半导体元件极限尺寸达到纳米数量级的同时，对极限尺寸的控制要求达到了亚纳米数量级，即原子尺寸量级，这给现代集成电路制造业中正在使用的光刻技术和测量技术带来了极大挑战。即在与实际测量相同的测量条件下测出标准件特征尺寸的像素数。而标准件特征尺寸的实际值为已知。将标准件的像素尺寸与其实际尺寸相比较．即可得出显微测量系统的放大倍数，从而达到了标定的目的。

一、常用的测量仪器及测量方法

随着科学技术的发展以及集成电路规模的不断提高，刻线形貌的观察、测量和评估的手段也在不断进步。集成电路产业刚刚出现时，微米级刻线结构测量主要依靠传统光学仪器完成。但是由于阿贝极限的作用限制了光学显微镜分辨率的进一步提高，当光波波长与特征尺寸相近时将导致复杂的散射域，使图像结构难以识别。所以当超大规模集成电路出现后，线宽缩小到亚微米级，光学方法已不再适用于刻线物理结构尺寸的测量。扫描电子显微镜SEM是目前集成电路制造业中广泛使用的一种测量工具。其测量原理是将激发电子经加速并通过一系列电磁透镜作用聚集成束，聚焦电子束垂直于被测物体进行扫描，通过检测其背向散射电子和二次发射电子的信号变化获得样本表面信息。由于电子束半径比光学成像的孔径更小，因此SEM 成像分辨率比光学成像高，目前较先进SEM 的横向分辨率已达到0.1nm。由于电子束对边缘变化特别敏感，所以SEM 非常适合二维水平结构的测量，而且SEM 测量速度快，因此被广泛应用于IC 制造业中晶片和掩膜图形质量的观察和检测。但SEM 测量也存在不足之处，如测量过程必须在真空中、信号受样本材料的影响大，只能检测导体和半导体等。而且，随着微电子制造按比例缩小技术的持续发展，刻线CD 进入小于100nm 区域，采用SEM 对芯片内刻线成像时，发射出的次级电子使线边缘处具有明亮白峰，限制了SEM 对被测样本边缘的成像分辨率，从而很难满足ITRS 预测的之后小于3nm 的LER 测量要求。如果采用高加速电压提高测量分辨率，就需要涂敷样本以阻止由于高电压带来的充电效应，而刻线形貌的测量图像与涂敷材料类型及涂敷厚度均有很大关系；如果采用低加速电压，虽然可以得到未涂敷的原始样本的表面细节，但成像对比度较低，为使用图像处理技术提取刻线边缘形一般的AFM 作为成像工具，虽然能达到纳米和亚纳米量级的分辨率，但是并不能达到同等级别的测量精度。由于压电陶瓷的非线性和磁滞等非理想化因素的影响，如果把AFM 作为计量工具来使用，应该对压电陶瓷的位移驱动进行校准，并且把测量值溯源到国际单位制米定义上。

2. 半导体芯片电路线宽显微测量精度分析

1.半导体制造工艺与线边缘粗糙度的形成超大规模集成电路制造主要是制造晶体管和晶体管之间的互联系统。为了在单位面积硅片上制作出数百万个晶体管并把它们按照不同功能要求互相连接起来，需要上百道制造工艺，概括起来主要包括四个方面：(1) 薄膜沉积，包括各种氧化膜、多晶硅膜、金属膜等。(2) 制图，在硅基底和沉积的薄膜上形成各种电路图形，包括光刻和刻蚀两大方面。(3) 掺杂，通过掺杂形成晶体管的载流子区（源区和漏区），包括离子注入和热扩散工艺。(4) 热处理，离子注入后通过热处理可以恢复由离子轰击造成的晶格错位，也可以使沉积的金属膜与基底合金化，形成稳固的导电层。其中，最为关键的是平面制图技术，即用于电路图形生成和复制的光刻与刻蚀技术。它利用光致抗蚀剂的光敏性与抗蚀性，配合掩模版对光透射的选择作用，根据掩模图形对表面的特定区域进行加工。由先进的曝光技术定义集成电路的抗蚀剂图形，并通过刻蚀将抗蚀剂图形传递到基底材料（硅或多晶硅）表面上，从而最终形成所设计的电路图形需要注意的是，半导体制造工艺的核心是“平面工艺”，一般只能形成二

维平面结构或准三维结构，而不是真正的三维系统，所形成的三维结构是通过多层二维结构叠加而成的。在对半导体刻线侧墙表面形貌进行测量表征时，要考虑到这一点。

2.测量误差及不确定度的研究测量误差的研究也是一项重要内容。正确地分析和评估各种测量误差因素的分布情况才能得到可信的测量值和不确定度评估。使用测量的影响因素很多，比如探针的卷积效应、扫描图像的噪声、压电晶体的驱动精度、扫描速率和扫描方向、样本在空气中的暴露时间、测量环境的温度及空气湿度等。对各种影响因素的分布情况进行正确地分析能够增加测量值的可信性，降低测量值的不确定度。在研究中认为边缘提取方法对刻线的测量结果产生影响，其误差为根据阈值定义的刻线底部和顶部在测量图像中的投影间区域，并认为抗蚀剂的高度和采样长度也对测量结果产生较大影响。采用对193nm 抗蚀剂成像的影响因素进行研究，结果表明成像条件是影响测量结果的关键因素。在光致抗蚀剂频谱分析中提出扫描图像的像素是影响 测量结果的重要因素。]聚合体分子重量对抗蚀剂 影响的研究中指出，探针针尖材料和抗蚀剂分子重量的分布影响 的测量精度。从系统的工作流程不难看出，芯片尺寸测量系统的精度主要取决于采集的显微图像的质量以及图像测量算法的精度，故如何获取高质量的图像以及用什么样的算法对其进行测量是十分关键的。因此，本系统的软件设计部分除了图像数据的采集显示之外，主要是利用图像处理算法来实现对图像的滤波降噪、二值化、边缘检测等操作，最后对处理后的图像根据要求测量其尺寸数据。通过边缘检测算子确定线边缘范围，选取高度阈值定位待分析的线边缘点。但由于边缘检测算子对测量图像的平滑作用，使得该方法所获得的位于某一高度截面上的边缘点信息受到邻近区域的影响，有一个平均化的效果。同时，该方法存在着边缘检测算子、高度阈值、评定长度等人为选取参数。

3.系统标定及芯片尺寸测量在测量尺寸之前，首先要对系统进行标定。系统标定的精度直接关系到图像测量的精度。图像是由像素点组成的，在固定的放大倍数下，如果能够确定每一像素点所代表的实际尺寸，经过轮廓提取之后的芯片图像中，黑色轮廓为单像素的电路边界，只要测得两边界之间的距离即得到了电路的线宽。拖动鼠标选择要测量的电路部分，首先对这部分芯片电路进行列扫描，即可得到电路上下边界的一组坐标值，之后采用最小二乘法找到上下边界的两条最佳拟合直线方程，再将边界上各列的横坐标代入直线方程，所得纵坐标的差值与标定的乘积即为电路在该列的线宽，将各列电路宽度的平均值作为所求的芯片电路线宽。

结束语：随着对线边缘粗糙度测量精度要求的不断提高，对于测量误差的成因、修正以及不确定度估计等方面都有待于更深入地研究，进而完成测量不确定度的评定。由于目前纳米测量没有可靠的通用标准，且缺少标准样板，需要使用不同测量仪器对同一样本进行测量并对测量结果进行比对，以进一步验证测量结果的有效性和准确性。

参考文献：

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