（机械电子工程专业论文）基于原子力显微镜的半导体刻线边缘粗糙度的研究.pdf

哈尔滨工业大学丁学硕上学位论文 摘要 目前半导体工业发展迅速，集成芯片内的刻线宽度作为其工艺特征尺寸 现已达到9 0 n m 。该特征尺寸也称为临界尺寸，是衡量集成芯片工艺水平的 一个主要指标。随着特征尺寸逐渐减小到1 0 0 n m 以下的量级，线边缘粗糙 度对元件性能的影响越来越大，它的测量与控制已成为当前半导体工业中的 研究热点。原子力显微镜作为新一代的纳米测量仪器，具有对测量环境要求 低，并能够以纳米级分辨率获得物体表面三维图像的特点，近年来在工业领 域得到广泛应用。使用原子力显微镜测量纳米级刻线形貌有力地推动了线边 缘粗糙度测量技术的发展。 本文首先研究了原子力显微镜的工作原理、成像过程、仪器结构和工作 模式。并对探针的膨胀作用、扫描图像的滤波去噪等测量时存在的问题进行 了分析。介绍了采用原子力显微镜测量半导体刻线边缘粗糙度的方法。 由于目前线边缘粗糙度没有统一且明确的定义，通过对国内外半导体刻 线边缘孝h 糙度测量技术的广泛研究，在使用原子力显微镜t o p - d o w n 方式测 量的基础上，提出了线边缘粗糙度的定义方法，并给出了用来表征线边缘粗 糙度的参数。 针对原子力显微镜能对纳米级刻线形貌三维成像的特点，本文提出了一 种基于图像处理确定线边缘的算法，利用m a r l a b 开发了相应软件并计算出 表征线边缘粗糙度的幅值参数。用所提出的算法对测量数据进行了处理，分 析了影响测量结果的各种主要因素。并对使用普通探针、u i t r a s h a r p 探针和 碳纳米管探针对同一样本进行的测量结果进行了分析和比较。 由于线边缘粗糙度不只是简单的几何特征的测量，还包括刻线边缘复杂 的空间信息的描述，因此对根据图像处理得到的线边缘需要用功率谱密度函 数进行频谱分析。本文在分形与尺度概念的基础上提出了对具有白仿射性的 线边缘粗糙度的描述方法，利用高度相关函数确定出包括粗糙度指数口、相 关长度f 和均方根粗糙度盯值的特征参数。用这种方法处理了使用碳纳米管 探针的实验数据并分析了影响因素。结果表明，这种方法可以比较完整的描 述线边缘粗糙度。 关键词原子力显微镜；线边缘粗糙度；纳米测量；图像处理；分形理论 篁尘堡三些尘兰三兰竺：兰堡篁圣 a b s t r a c t t h ei cm a n u f a c t u r i n gh a sb e e nd e v e l o p i n gw i t hh i g hs p e e d ，a n dt h ew i d t h o fc o n d u c t i n gl i n ei ni n t e g r a lc i r c u i t s ( i c ) i sa b o u t9 0 n mp r e s e n t l y t h i sl i n e w i d t hi sc a l l e dc r i t i c a ld i m e n s i o n ( c d ) t o o ，a n di ti sa ni m p o r t a n ti n d e xo fi c t e c h n o l o g y w i t ht h es h r i n k i n go fc d i n t ot h es u b 一1 0 0 n mr e g i o n ，t h ei n f l u e n c e o fl i n e e d g er o u g h n e s s ( l e r ) o n t h ed e v i c e p e r f o r m a n c e i s b e c o m i n g i n c r e a s i n g l yi m p o r t a n t t h e m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lo fl e rh a s r e c e n t l y b e c o m eam a j o rt o p i co fc o n c e r ni nt h es e m i c o n d u c t o ri n d u s t r y i nt h e s ey e a r s ， a t o m i cf o r c em i c r o s c o p y ( a f m ) i su s e dw i d e l yb e c a u s eo fi t sm e r i t ss u c ha s3 - di m a g i n gr e s u l ta n dn a n o s c a l er e s o l u t i o n a f mi st h ek e yf a c t o rf o r t h e d e v e l o p m e n t o fm e a n s u r e m e n t si nn a n o s c a l ep r e s e n t l y f i r s t ，t h ew o r k i n g p r i n c i p l e ，i m a g i n gp r o c e s s ，d e v i c es t r u c t u r ea n dw o r k i n g m o d eo fa f ma r es t u d i e d t h em a i nf a c t o rt h a ta f f e c tm e a s u r e m e n tp r e c i s i o n ， s u c ha se x p a n s i o ne f f e c to fa f m p r o b e ，n o i s ei n d u c e d i ns c a n n i n gc o u r s e ，e t ca r e a n a l y z e di nd e t a i l a n dt h ea f m m e t h o d su s e dt om e a s u r el e ro fs e m i c o n d u c t o r f e a t u r e si si n t r o d u c e d b a s e do nt h ew i d ei n v e s t i g a t i o no fn a n o s c a l em e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yi n c h i n aa n do t h e rc o u n t r i e s ，b e c a u s eo f1 3 0ac l e a rd e f i n i t i o no fe x a c t l yw h a tl i n e e d g er o u g h n e s si s ，ak i n do f d e f i n i t i o no fl e ri sp r o p o s e do nt h eb a s i so fa f m t o p d o w ns c a n n i n g m o d e a n dt h ep a r a m e t e r so fl e ri sg i v e nt o o p a ya t t e n t i o n t ot h e3 - di m a g i n go fa f m ，a ni m a g ea n a l y s i s a l g o r i t h m d e t e c t i n gt h el i n ee d g ei nt h i sa r t i c l ei sp r e s e n t e d as o f t w a r eh a sb e e nd e v e l o p e d u s i n gm a t l a b ，w h i c hi s a b l et oc a l c u l a t et h ea m p l i t u d ep a r a m e t e r so fl e r a b o v ef r o mm e a s u r e dd a t a w eu s e dt h i sm e t h o dt od e a lw i t ht h ee x p e r i m e n td a t a a n da n a l y z e dt h ed e p e n d e n c eo ft h ea m p l i t u d eo fl e r a f t e rt h e n ，as a m es a m p l e i sm e a s u r e db yo r d i n a r yp r o b e ，u l t r a s h a r pp r o b ea n dc a r b o nn a n o t u b ep r o b e a n a l y s i sa n dc o m p a r i s o n o fm e a s u r e m e n tr e s u l tu s i n gb u i l ta l g o r i t h ma x em a d e a st h ec h a r a c t e r i z a t i o no fl e ri sn o to n l yas i m p l eg e o m e t r yf e a t u r e b u t a l s oi saw i d e b a n d i n c l u d i n gt h es p a t i a lc o m p l e x i t yo ft h ee d g e ，t h es p a t i a l f r e q u e n c ya n a l y s i s o ft h ed e t e c t e d e d g e su s i n g t h e p o w e rs p e c t r a ld e n s i t y f u n c t i o ni sn e c e s s a r y f o rt h es e l f - a f f i n i t ye d g er o u g h n e s s ，ac h a r a c t e r i z a t i o no f = = = ：型：量些查茎三耋堡圭兰堡丝塞 l e rb a s e do nt h e f r a c t a l t h e o r y i s b r i e f l y d e c r i b e d t h r o u g h t h e h e i g h t c o ”。l a t i o n f u n c t i o n ，t h em o s t c o m p l e t e s e to f r o u g h n e s sd e s c r i p t o r sa r e d e t e r m i n e d t h e s el e r d e s c r i p t o r sa r et h er o u g h n e s se x p o n e n t ( z ，t h ec o r r e l a t i o n l 。“g t h 掌a n dt h er o o tm e a ns q u a r ev a l u e 盯o ft h e e d g ep o i n t s t h ea n a l y s i so f e x p e r 】m e n td a t au s i n gn a r l o t u b ep r o b ed e m o n s t r a t e dt h i sm e t h o d c a nc o m p l e t e l v c h a r a c t e r i z el e r 。 k e y w o r d s a t o m i cf o r c e m i c r o s c o p y , l i n e e d g er o u g h n e s s ，n a n o s c a l e m e a s u r e m e n t ，i m a g ep r o c e s s i n g ，f r a c t a lt h e o r y 。1 1 1 喻尔滨t 业大学t 学硕+ 学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 近三十年来，半导体技术一直遵循着“摩尔定律”高速发展，即芯片上集 成的晶体管数量每1 5 2 年翻一番，器件特征尺寸每3 年缩小0 7 倍。目前世 界上多数芯片制造商采用0 1 3 微米线宽的工艺，部分已经开始生产o 0 9 微米 的产品【1j 。衡量l c 工艺先进水平的一个主要指标即为半导体基片上的最小线 宽，也称为临界尺寸( c r i t i c a ld i m e n s i o n s ，c d s ) 。在半导体元件临界尺寸达 到纳米数量级的同时，临界尺寸的控制要求达到了亚纳米数量级( 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 的挑战。 半导体制造业的核心技术之一是线宽( l i n e w i d t h ) 或绝缘栅长( i s o l a t e d g a t el e n g t h ) 的测量。随着半导体的刻线宽度下降至l o o n m 以下的量级，对纳 米尺度刻线尺寸的控制要求，已使半导体临界尺寸线边缘粗糙度( l i n ee d g e r o u g h n e s s ，l e r ) 的影响不能再忽略【4 】。主要原因如下： ( 1 ) l e r 是衡量光刻工艺的重要指标之一 2 】。栅长刻线宽度达到纳 米量级后，其控制水平已达到组成抗蚀剂的聚合体分子大小量级，在这个水平 上，抗蚀剂l e r 的控制已成为显著的影响因素。 ( 2 ) l e r 是影响半导体元件电气性能的关键性指标之一。c m o s 电路中 的栅长达到纳米量级后，l e r 是引起短沟道效应的沟道长度变化的重要组成， 进而对极限电压k 护漏电流，。和m o s 晶体管的跨导k 都产生影响。d i a z 等人对此进行了建模分析，预测在i 0 0 n m 以下的临界尺寸为5 0 6 0 n m 的半导 体器件要求3 r i m 或更小的l e r i 。 ( 3 ) 从测量学角度而言，l e r 是影向临界尺寸刻线各种指标测量精度的 重要因素之一。当极限尺寸小于3 0 n m 时，半导体加工工艺中由线边缘粗糙度 引入的线宽误差将占其测量容许误差的5 0 t 4 1 。 所以，刻线临界尺寸不断f 降的趋势，不仅使线宽本身还包括刻线形貌质 量以及线边缘的变化都变得越来越重要。这就提出了将表征刻线边缘形貌的 l e r 作为一种功能性的半导体特征参数进行测量和控制的要求。根据半导体技 术发展战略报告( 2 0 0 3 版) 的预测，目前微处理器( m p u ) 上的绝缘线宽为 哈尔滨工业大学工学硕士学位诒义 9 0 r a n ，单边l e r 为3 n m ，n 2 0 0 5 年年h 2 0 1 0 年线宽分别为8 0 n m ；枉 4 5 n m 时，单边 l e r 分别应达到2 6 n m f 1 1 4 n m 卜j 。 目前还没有一个普遍接受的l e r 定义，也没有明确的测量标准，所以l e r 不能明确给出。当临界尺寸持续下降时，有必要建立精确的l e r 计量模型。因 此，虽然l e r 的具体化和测量是半导体工业中刚刚起步的领域，但却非常重 要，将直接影响下一代半导体技术的发展。 1 2l e r 测量的研究现状 由于在半导体加工、集成电路制造业以及纳米计量领域上与国外的先进技 术之间尚存在较大的差距，我国在纳米尺度半导体线边缘粗糙度测量这一领域 的研究还很少，目前这方面的研究主要集中在国外进行。随着新的纳米计量仪 器和研究方法的不断涌现，在尺度和精度上不断挑战原有的测量极限。目前， 研究相对比较集中的大致有以下几方面内容： 1 2 1 测量仪器与测量方法的研究 随着计量技术的发展，以及i c 芯片集成规模的不断提高，先后有光学显 微镜、扫描电子显微镜、扫描透射显微镜、原子力显微镜等多种仪器应用到纳 米尺度刻线形貌的测量中【5 j 。 集成电路出现以来，微米级刻线结构的测量主要依靠传统光学仪器完成。 j m j e r k e 使用光学显微镜对l 1 0 9 m 的集成电路掩模进行了测量( 6 】。k c r e a t h 利用光学干涉轮廓仪对美国国家标准和技术研究院( n i s t ) 两个原型校准的微 米级样块进行了测量 7 1 。但是由于阿贝极限的作用，光学方法的分辨率只能达 到波长的。半。波长与特征尺寸相近时，将导! 致复杂的散射域，图像结构难以 识别。所以当超大舰模集成电路出现后，线宽缩小到亚微米级，光学方法已不 再适应刻线的测量。文献 8 ，9 】中说明了光学方法测量精度上的缺点对i c 制造 的影响，并讨论了用来代替光学方法的仪器和标准。近年来光学方法已经逐渐 被共焦扫描显微镜、扫描电子显微镜及扫描探针显微镜等具有更高分辨率的仪 器所取代。 其中，扫描电子显微镜( s c a ne l e c t r o n i cm i c r o s c o p y ，s e m ) 是目前在集 成电路制造业中广泛使用的一种测量工具。在这种测量方法中，激发的电子经 过加速，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 窒尘堡三些查兰三兰璧圭兰篁篁兰 行扫描，通过检测其背向散射电子, n - 次发射电子的信号变化获得样本表面信 息。电子束光栅扫过真空中的样品，样品表面的二次电子被激发并由电子探测 器收集。探测器的综合响应与光栅扫描同步显示在c r t 上，形成物体的电视图 像。电子束对边缘变化特别敏感，所以s e m 非常适合二维水平结构的测量。由 于测量速度快，因此在集成电路生产测量中被广泛应用 1 0 - 1 2 。 但s e m 测量也存在许多不足之处：一是测量过程必须在真空中，二是信 号受材料的影响很大，只能检测导体和半导体。另外对边缘几何形状的变化非 常敏感，因此在绝对测量时，其信号的数学模型非常复裂川。随着半导体按比 例缩小技术的持续发展，刻线临界尺寸进入深纳米( 小于5 0 r i m ) 区域，采用 s e m 对芯片内部刻线成像时发现，线边缘的成像具有明亮白峰，这限制了 s e m 对被测样本的边缘成像分辨率。因此，对c d s 5 0 r i m 的刻线，s e m 解释 刻线边缘的图像时遇到了障碍f l 。同时，由于s e m 成像中使用了加速电压， 如果采用高加速电压需要涂敷样本以阻止由于高电压带来的充电，这样得到的 刻线边缘形貌与涂敷材料类型及涂敷厚度均有很大关系【1 4 ：如果采用低加速电 压成像未涂敷的样本，虽然可以得到原始的样本表面细节，但成像对比度较 低，给网像处理软件提取刻线边缘形貌带来困难。另外，采用电子扫描获取样 本形貌的方法，可能会损伤样本表面，而且一般的s e mt o p - d o w n 成像方式不 能同时给出刻线侧墙的表面形貌和刻线顶部形貌，因此s e m 测量都是通过采 用刻线线宽边缘变化的描述来近似逼近侧墙形貌的变化。 1 9 8 2 年i b m 的g r e db i n i g 博士和斯坦福大学的c f q u a t e 等人研制了原子力 显微镜( a t o m i cf o r c em i c r o s c o p y ，a f m ) ，由于它具有受测量环境限制小， 在三维空间上具有纳米级分辨率、测量中对样本没有破坏性以及测量范围较大 的优点 1 5 1 ，使a f m 迅速成为探测微观领域的重要工具。由于s e m 在对c d 样本 测量前，需预先用c d 标准标定仪器的放大倍率，然而这个标准却难以获得。 如果a f m 能够精确测量样本尺寸，并且能够采用这个尺寸标定s e m ，则在使用 s e m 对样本的实际测量中所遇到的问题都可迎刃而解 6 3 6 1 。但a f m 的价格很 高，测量速度比s e m 慢，因此主要用在半导! 体制造业的预研机构，与s e m 搭配 使用作为毫米至纳米尺度的晶片表面及边缘分析仪器。由压电晶体驱动和使用 针尖接触表面的a f m 测量方式，使a f m 具有接近于原子水平的空间分辨率， 因此a f m 也逐渐成为用于量化l e r 的主要测量工具。目前，有很多研究者开始 对使用a f m 测量线边缘粗糙度进行深入的研究，为了能够得到尽可能多的刻线 侧墙表面形貌的信息，除了传统的a f mt o p d o w n 钡, t 量方式，文献f 1 6 + 2 4 仲分别 介绍了其他一些a f m 测量方法。其中值得注意的是一种称为c d a f m 的测量方 哈尔演工业人学工学倾士学位论文 法，要求探针针尖是靴子状的且有较高的外形比。这种方法允许针尖同时感知 针尖下端和针尖侧面的原子力，通过探针针尖在垂直方向上的轻敲模式和水平 方向的震颤来成像刻线截面，而对刻线样本没有破坏的作用【2 “。 除了以上提到的测量仪器和方法，透射电子显微镜、轮廓仪等在实际中也 有应用1 2 3 1 。还有一些研究者提出了其他测量方法，例如：o l d i g e s 2 5 等人、 s u n g k w o n 等j k 2 6 1 采用已知栅长并加入预先计算的半导体尉一特性，然后根 据m o n t ec a r l o 程序产生栅长的高斯分布，计算出半导体栅线的l e r 分布。这种 方法取得的结果与a f m 的测量结果十分一致。a r b r o w n 等人【27 年n d i a z 等人1 3 j 研究了2 0 0 个3 0 r i m 3 0 n m 双栅极m o s f e t 结构样本，认为l e r 是影响双栅极 m o s f e t 结构电气性能的关键因素，并通过建立数学模型的方式间接得到了 l e r 的信息，但这种方法不能给出侧墙真实形貌信息。 1 2 2 数据分析方法的研究 同表面粗糙度的测量相似，线边缘粗糙度不是一个简单的几何特征的测 量，这是因为表面计量是时问序列分析，必然包括大量数据点的统计分析。由 于每一个数据点都是一个有效的独立参数，因此经测量仪器得到的一系列的 个数据点的完整描述就包含了对个参数的具体化。a f ml e r 数据的描述方法 总体可分为两个大类：l e r 幅值测量方法和l e r 频谱测量方法。另外少数研究 者采用分形维数描述线边缘粗糙度。在大多数a f m 分析中，数据已经经过预处 理去除了仪器漂移及样本平台倾斜等因素的影响，l e r 必须采用一定标准确定 刻线每一横截面上边缘点位置。这一点尤其重要。 均方根( r o o tm e a ns q u a r e ，r m s ) 粗糙度参数评价体系是几乎所有研究 者包括n e l s o n 1 4 】，r e y n o l d s 1 9 1 ，k a n t 1 7 j ，s h i n 2 , 1 3 , 2 8 年l l w i n k e l m e i e r1 2 9 1 等人均采用 的l e r 描述参数。t n f a n g 3 0 1 等人同时指出，r m s 仅是一个单一的统计值，并且 “具有极相同的r m s 值的两个图像，可能有不同的表面形貌”。因此，要求有 更多的参数与r m sl e r 值一起完整地对l e r j 以评价。由于l e r 为近几年来新 兴的一个研究方向，评价l e r 缺少相应的明确标准，而且目前对粗糙度的何种 参数更接近于元件电气性能仍不明确，所以对l e r 合理的定义仍是有争议的。 由于线边缘粗糙度不仅仅表示在垂直侧墙方向上的幅值变化，还包括侧墙 轮廓边缘数据复杂的空间信息。研究者们通常采用频谱分析来描述l e r 的空问 信息，常见的频谱分析函数包括功率谱密度函数( p o w e rs p e c t r a l d e n s i t y ， p s d ) 、幅值密度函数、自相关函数和自协方差函数等。y a m a g u c h i 等人【3 l 】分 哈尔滨d j p 大学工学颂士学位论文 别采用傅立叶分析和白相关函数分析对八种抗蚀剂的l e r 的周期性进行了估 计，证明了l e r 的空间频率特征与空间频率的倒数成比例的规律；i s h i d a 等人【3 2 通过采用快速傅立叶变换计算线边缘的空间频率谱，对芳香烃刻线l e r 进行了 研究，发现l e r 与芳香烃单体形成的环形分子数量有很大关系。w i l l i a m 等人【3 4 1 对s e m 测量的9 个不同的抗蚀剂刻线样本的线边缘进行p s d 分析，研究空间频 率限制与l e r 分辨率之间的关系。b u n d a y 等人【3 副和k a n t 等人【1 7 】也通过对线边缘 数据的p s d 进行分析来研究l e r 的空间频率特征。采用p s d 分析，还可以区分 机械噪声和电予噪声这可以排除由成像工具分辨率的限制引起的粗糙度成 分。n e l s o n 等人1 1 4 1 采用不同的仪器获取同一个品片数据的功率谱密度，并获得 其相关信息。e y t a n 等a 口3 j 采用傅立叶分析去验证由他们评估的新仪器产生的 特定的l e r 频率分柿。 采用分形几何研究表面粗糙度，对表面粗糙度进行建模、评定，能提供所 有尺度下的表面形貌特性。基于上述特点，采用分形方法描述表面粗糙度的文 献很多，但在半导体刻线参数的测量方面，分形理论的引入还是一个新的研究 课题。g r p a t s i s 等人【j 刨采用分形的方法描述l e r 。另外，lh t a l e u n i s s e n 等人 p 7 j 采用建立在一级自回归过程上的两个参数模型对l e r 进行描述，提出了一种 能够比较完整捕述l e r 空间特征的方法。 1 2 3 标准样本的研制 a f ml e r 的测量分析中强调了测量步骤和分析方法标准化的必要，这就 迫切需要制造具有光刻工艺能够产生的所有频率和振幅的l e r 特征的标准样 本，这对于校准测量仪器十分有用。e y t a n 等人【3 3 采用电子束制造了具有 1 0 0 r i m 2 0 0 r i m 波长范围的标准抗蚀剂刻线，并用它研究了测量工具的性能。 w i n k e l m e i e r 等人口1 采用聚焦离子束制造了2 0 0 n m 波长的l e r 样本。b u n d a y 等人 ”“采用1 9 3 r i m 光刻技术，设计出在周期性、幅值、基本线宽、辅助特征的大小 等存在不同之处的刻线边缘，并通过改变步进机的焦距、曝光剂量、烘烤时间 和温度以及显影时间等制造出具有不同大小和形状粗糙度的刻线样本。另外， 国际半导体工业协会计划减小频率在5 0 n m 至01 6 0 0 0 n m 范围内的刻线边缘偏差， 并进行l e r 可测量性的研究。随着对l e r 年 i 元件性能问关系了解的增多，相信 对l e r ；| t ) ! i j 量标准样本的研制方面能够取得进展。 哈尔滨t _ 业大学r 学硕【。学位论文 1 2 4 测量误差体系的研究 影响l e r 测量精度的因素很多，比如a f m 的扫描速率、扫描方向、样本 在空气中的暴露时间、空气的湿度等，这些因素对l e r 测量的影响也是l e r 测量的重要研究内容。对各种影响区】素的分布情况进行正确地分析和评估能够 增加测量值的可信性，降低测量值的不确定度。如何消除或减小这些影响因素 并估计其不确定度值需要做大量的研究工作。 f u k u d a 3 9 1 在采用s e m 对抗蚀剂和显影相互作用的图像研究中定义边缘提 取的不确定度为根据阈值定义的刻线底部和顶部投影间的区域，并认为抗蚀剂 的高度和采样长度影响l e r 测量的不确定度。n s u l l i v a n 等人和j a s o na m a y e r l 4 1 1 分别在采用c d s e m 对1 9 3 n m 抗蚀剂成像影响的研究中认为c d s e m 的成像条件是影响l e r 不确定度的关键因素，这一点对于理解a f m 测 量l e r 的分析很有启发作用。w i l l i a m 3 4 1 在光敏抗蚀剂l e r 的空间频谱分析中 提出成像像素是影响l e r 测量不确定度的影响因素。c h a r l o t t e t 4 2 1 在聚合体分子 重量对a f m 和抗蚀剂l e r 影响的研究中提及，a f m 针尖材料和抗蚀剂分子 重量的分布也是影响l e r 测量精确度的因素。由于目前关于l e r 测量的研究 时间很短以及不确定估计问题本身的复杂性，还没有对a f m 测量l e r 的不确 定度的系统阐述。 1 2 5 不同测量仪器问的相互比对概况 在纳米计量中，还没有一种可靠的通用尺度标准。由于受仪器本身和环境 的诸因素影响，用不同仪器检测同一样本，或用同一仪器在不同环境下测量同 一样本，结果可能迥然不同【4 “。在缺少更高精度计量标准的情况下，往往采用 比对的方法使计量结果趋向一致。 由于s e m 在半导体工业的广泛使用，因此一般将a f m 测量的l e r 结果 和s e m 测量的l e r 进行比对。n e l s o n 等人 1 4 】分别采用a f m 和s e m 测量了 抗蚀剂在不同工艺条件下的l e r ，结果显示出这两种测量工具取得的l e r 测 量结果具有十分相似的趋势，同时s e m 测量的结果较小，但频谱分析显示出 s e m 在较低频率处有一个峰值，同时在这篇文章中给出了s e m 具有0 1 m n 的 分辨率，显示出s e m 有可能更能准确描绘刻线的形貌。e y t a n 等人【3 3 i 比较了特 殊制造的已知振幅和已知频谱的样本分别使用s e m 和a f m 的测量结果，并采 用傅立叶分析方法，得出这两种仪器均能检测出样本线边缘粗糙度的主要频率 哈尔滨工业大学工学硕+ 学位论文 成分的结论。研究中a f m 和s e m 中测量l e r 结果的p s d 曲线也说明这两种 仪器具有相似的分辨率。r e y n o l d s 等人【均1 和s h i n 等人吼分别比较了化学放大抗 蚀剂s e mt o p d o w n 方式测量l e r 数据和同一样本的a f m 测量的侧墙粗糙度 数据，发现采用a f m 得到的侧墙粗糙度从刻线项部到底部呈现减小趋势。这 可能有助于s e m 成像分析技术的改进。 1 3 本课题研究的目的、意义和内容 1 3 1 本课题研究的目的 根据目前纳米刻线测量技术的发展和所面临的问题，本课题的研究目的是 基于a f m 测量技术研究建立半导体刻线边缘粗糙度的定义，选取合适的数据 分析方法对其进行有效描述和评价，并给出在此基础上的l e r 特征参数、相 应算法并分析其影响因素。 1 3 2 本课题研究的意义 半导体集成电路等工业领域的迅速发展对l e r 测量技术的提高有着迫切 的需要，由于s e m 的测量精度和可靠性高，测量速度快，在半导体刻线测量 等工业领域中被普遍使用。然而，s e m 的空间分辨率可能不能满足半导体技 术发展战略报告( 2 0 0 3 版) 制定的2 0 0 4 年以后低于2 6 n m 的l e r 测量要 求。s e m 的这些缺点，使得科学研究及工业应用领域都需要找到一定的测量 方法对它进行补充。近年来，由于原子力显微镜良好的三维成像能力、对测量 样本材料的不敏感性以及广泛的环境适应能力，成为纳米计量领域的新兴测量 工具。虽然它的测量速度较s e m 慢，但是在光刻制造中对s e m 的校准仍然具 有重要意义。 使用a f m 测量l e r 的技术挑战主要存在以下几个方面： ( 1 ) 如何能够以足够分辨率有效测量出刻线样本边缘的表面形貌； ( 2 ) 线边缘的提取技术如何确定刻线边缘的位置，能更好的满足制 造工艺和元件电气参数测试的需要； ( 3 ) 线边缘粗糙度怎样定义才能够满足半导体刻线实际描述的需要； ( 4 ) 采用何种粗糙度参数描述能够满足l e r 的使用需要： ( 5 ) a f m 测量对扫描图像影响因素的修j 下和去除，尤其是a f m 探针针 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 尖刑实际测量的影响，这是使用a f m 测量都会遇到的问题。 ( 6 ) 如何确定l e r 测量评价体系。为使测量的l e r 参数具有可重复 性，必须给出l e r 实用的标准测量步骤以及l e r 测量的准确性评价。 因此，根据目前半导体刻线边缘粗糙度测量的研究现状和a f m 的技术特 点，本文对使用a f m 的线边缘粗糙度的测量进行了研究。目前，a f m 测量纳 米级线边缘粗糙度技术处于起步阶段，建立一个合理的线边缘粗糙度定义、解 决探针对扫描图像的测量影响、减d , n 量误差和估算不确定度大小等问题是提 高测量精度的迫切要求。解决a f m 测量刻线形貌的这些难题，不仅有利于推 动集成芯片制造业等领域的发展，掌握芯片制造工艺检测的主动权，而且对于 数据存储和微机电系统等其它一些工业领域的发展也是很必要的。目前，我国 在这一领域进行的研究还很少，本课题的研究将有助于促进我国半导体极限测 量研究的发展，缩小在这一研究领域同国外发达国家之间的差距。 1 3 3 本课题研究的内容 结合本课题的研究目的，本文将主要进行以下几个方面的研究工作： ( 1 ) 在实验数据的基础上，针对使用a f m 测量的特点，提出一个合适的 纳米尺度半导体刻线边缘粗糙度的定义。由于目前在测量l e r 时，没有统一 的定义，无法进行测量结果的比较。所以需要建立一个明确合理的定义，以便 不同测量者从一组相同数据中能得到可以进行比较的测量结果。但这定义的 合理性需要大量、细致的理论分析和实际测量的验证工作。 ( 2 ) l e r 测量的关键是刻线边缘的提取技术，及如何能够完整的描述刻 线的三维形貌。对基于a f m 的线边缘粗糙度的测量方法进行深入研究和分 析，采用数字图像处理的方法进行边缘点的提取，并建立相应算法。利用 m a t l a b 开发相应的软件，根掘算法从a f m 输出数据中得到刻线边缘粗糙度 的量化值，并对影响该算法的因素进行分析。 ( 3 ) 通过对提取出的刻线边缘数据进行空间频谱的分析，在分形与尺度 的概念上提出能够比较完整的描述l e r 的特征参数，并对使用碳纳米管针尖的 测量数据进行分析，验证这种数据分析方法并讨论其影响因素。 哈尔滨工业大学工学硕上学位论文 第2 章原子力显微镜及其在l e r 测量中的应用 2 1 引言 原子力显微镜在发明之初，仅仅是作为纳米研究领域中的成像工具来使 用。从9 0 年代开始作为一种亚微米计最工具广泛应用于半导体加工、薄膜技 术、生物大分子测量等领域，尤其是在半导体工业中对线宽、线高、节距和粗 糙度等特征尺寸的测量【6 j 3 4 ”，受到了很多国家计量院及其他研究人员的高度 重视和积极参与m 1 4 “。 与其它测量工具相比，a f m 在三个坐标轴上都能达到纳米甚至亚纳米的 分辨率，能够测量非导电物体，可以在大气或液体的环境下进行测量，这些良 好的特性使它在一定程度上弥补了扫描电子显微镜的缺点。作为一种新兴的测 量工具，与s e m 一起成为实验室研究和工业应用中测量l e r 的主要工具，许 多研究人员在使用a f m 测量的基础上研究能够提供完整的刻线形貌的测量方 法与配置 1 “”】。然而，a f m 目前还达不到与分辨率相同的测量精度，探针针 尖几何形状的膨胀作用、扫描图像的滤波去噪以及压电晶体驱动误差等众多因 素也制约着a f m 的广泛应用，需要进行深入的探讨。 2 2 原子力显微镜概述 2 2 1 原子力显微镜的产生 1 9 8 2 年，i b m 公司的g b i n n i n g 和h r o h r e r 发明了扫描隧道显微镜 ( s c a n n i n gt u n n e lm i c r o s c o p y ，s t m ) 。如图2 1a ) 所示，s t m 的基本原理是基 于量子隧道效应，即在s t m 的探针和样品表面之间施加一个偏压，当非常尖细 的探针接近样品表面( 通常问距小于l n m ) 时，在针尖和样品表面之间就会产 生克服间隙势垒的隧道电流。根据该电流的大小变化，可以获得样品表面的起 伏状况。这一发明使得人类进入了直接观察原子、操纵原子的新时代，标志着 在原子和分子水平根据人们的意愿测量、加工以及创造新的物质结构与特性成 为可能。两人因此于1 9 8 6 年荣获诺贝尔物理学奖 4 ”。 但是s t m 最大的个缺点是只能直接观察导体或者半导体的表面结构。为 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 此，在1 9 8 6 年，i b m 公司的g b i n i n g 博+ ：和斯坦福大学的c ，f q u a t e 等人在s t m 的基础上研制成功a f m 。a f m 不仅能够测量集成电路导电刻线、陶瓷等固体 表面形貌，也能够用来观察生物大分子、d n a 等。近些年来，由于它受测量环 境限制小，并且在测量中对样本没有破坏性，测量范围较大等优斟”】，迅速成 为探测微观领域的重要工具。 a ) s t mb ) a f m 图2 - 1s t m 和a f m 的原理 f i g 2 1s c h e m m i cm a p o f s t ma n da f m 2 , 2 2 原子力显微镜的成像机理 2 2 2 1 基本原理如图2 1b ) 所示，a f m 通过检测探针针尖与样品表面原子阳j 的相互作用力来确定探针与样品表面距离的变化，从而观察到表面的微观形 貌。在a f m 中，极细的探针安装在对微弱力极敏感的微悬臂上，这种微悬臂 具有很小的弹性模量( 例如0 1 n m ) ，可以由原予力的牵引而产生定的形 变。当探针针尖非常接近样品表面时，在针尖一样品的原子之间会产生微弱的 相互作用力( 吸引或排斥力) ，通过对该力作用下产生的微悬臂的弹性形变进 行检测，得到微悬臂对应于由x 、y 向压电驱动晶体控制的扫描各点的位置变 化，然后将信号放大与转换，即可得到样品表面的形貌图像。 其巾，微悬臂形变的检测方法大致有以下几种【4 6 】： ( 1 ) 隧道电流检测法这种类型的a f m 在微悬臂上方有一个s t m 装置，利 用隧道电流可测得微悬臂在各扫描点位置的变化，从而得到样品表面形貌的信 息。此处的微悬臂又可以看成是s t m 的样品，借助它间接地反映了任意性质材 料真实的表面信息。 ( 2 ) 电容检测法电容法是通过测量微悬臂和某一参考电极之间的电容变 哈尔滨t 业大学t 学硕卜学位论艾 化来检测微弱的原子力。当微悬臂发生形变时，它与参考电极间的空间大小发 生变化，即电容发生变化，通过测量该电容的变化量就可测量微悬臂的位移。 ( 3 ) 光学检测法光学法是利用激光束在微悬臂背面的反射来测量其运动 的。一种常用的方法如图2 2 所示。一束激光经微悬臂背部反射到一个位罱灵 敏探测器( p s p d ) 上。当微悬臂弯曲时激光束在探测器上的位置将发生移 动，p s p d 可测量光点小至l n m 的位移。光学法对微悬臂表面的污染不敏感， 并且对微悬臂施加的力非常小，是目前a f m 使用较多的方法。 2 2 2 2 基本构成a f m 的关键部件是力敏感元件和力敏元件的检测装置，它f 1 和计算机成像系统、压电驱动系统等主要模块构成a f m ，如图2 2 。其中，力 敏感元件由微悬臂及粘附在其上面的探针针尖组成。工作过程中，计算机通过 位置灵敏探测器p s p d 返回的信号，控制z 方向的压电驱动晶体，使得探针针 尖与样品表面的距离不变。另一方面，计算机记录个扫描点的高度后，控制 x 、y 向压电驱动晶体使得探针到达下一个扫描点。计算机存储所有扫描点的 高度，从而得到样品表面的三维形貌。因此，a f m 扫描得到的图像是数字图 像，图像中各点的灰度值表示该测量点的高度。 位置灵敏探 排 斥) 3 恼 地芷型 引力 ，一 距离 矧2 - 2a f m 构造的示意图图2 - 3 针尖和样品表面原子间的范德华力 f i g 2 - 2s t r u c t u r eo f a f mf i g 2 - 3v a n d e r w a a l sf o r c eb e t w e e nt h et i pa n dt h es a m p l e 2 2 2 3 工作模式探针针尖与样品表面原子之间的作用力主要是范德华力。范 德华力的大小与原子间距离成一定函数关系，如图2 3 所示。当探针针尖与样 品表面的原子相距较远时，主要是吸引力起作用，但此时原子问斥力并不是不 存在，只是相对较弱。当间距减小( 小于l n m ) ，两个力达到平衡。若两原子 进一步靠拢，这时排斥力迅速增大，而引力增大较慢，因此合力表现为斥力。 根据这种性质，让针尖与样品处于不同的间距，得到a f m 的三种工作模式， 简述如下 4 6 】： ( 1 ) 非接触模式( n o n c o n t a c tm o d e ) 当a f m 针尖和样品表面原子的间 距处在吸引力区，通常在几百纳米之间时，这种情况探针在压电晶体作用下随 哈尔滨1 。业人学工学硕士学位论文 微悬臂作振幅几纳米、频率儿百k h z 的振荡。针尖与样品表面距离的变化导致 针尖受力变化，从而弓1 起振幅或振动频率的变化。测量这些变化就可知道针尖 和样品表面原子间距离的变化。这种工作模式下，针尖离被测样品距离较大， 对样品表面的影响小，但是较大距离也使得探针对相互作用力的敏感度弱，得 到的图像横向分辨率偏低。 ( 2 ) 接触模式( c o n t a c tm o d e ) 探针离样品的距离小于o 0 3 n m 时，原子 之间的力表现为排斥力。这种模式下探针与样品表面基本上是紧密接触的。较 大的排斥力使得微悬臂发生弯曲，悬臂的弯曲较容易被检测使分辨率极高，因 此接触模式得到的样品表面图像在纵向可以达到原子级分辨率。 ( 3