引言

為了獲得功能正常的半導(dǎo)體器件，我們?cè)诩{米制造過(guò)程中依賴于嚴(yán)格的尺寸控制。在該初步校準(zhǔn)之后，在相同的處理?xiàng)l件下在真實(shí)晶片上運(yùn)行制造，隨后再次進(jìn)行后處理測(cè)量檢查。這種迭代方法有明顯的缺點(diǎn)，包括重復(fù)運(yùn)行的額外時(shí)間和成本、由于系統(tǒng)漂移引起的變化以及缺乏自適應(yīng)過(guò)程控制。此外，表征測(cè)量通常需要破壞樣品。很明顯，精確的、非破壞性的、實(shí)時(shí)的原位監(jiān)測(cè)是非常理想的，因?yàn)樗軌蚍答伜臀⒄{(diào)加工條件。

光學(xué)表征方法滿足了無(wú)損檢測(cè)的需要。因此，點(diǎn)測(cè)量技術(shù)，如光譜橢偏測(cè)量法、相敏橢偏測(cè)量法、激光反射測(cè)量法、多光束干涉測(cè)量法、發(fā)射光譜測(cè)量法已經(jīng)成功實(shí)施。典型地，結(jié)構(gòu)高度是在單個(gè)感興趣的點(diǎn)或區(qū)域測(cè)量的，并且假設(shè)工藝是均勻的，則推斷出晶片上的信息。這對(duì)于大多數(shù)平面工藝來(lái)說(shuō)是足夠的。定量相位成像的相位圖像提供了關(guān)于被研究樣本的結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)的納米級(jí)信息。特別是，衍射相位顯微術(shù)(DPM)是一種穩(wěn)定的定量相位成像方法，已經(jīng)成功地用于研究細(xì)胞膜的納米級(jí)波動(dòng)。

實(shí)驗(yàn)

我們提出了一種新的光學(xué)方法，利用DPM的概念來(lái)執(zhí)行納米尺度動(dòng)力學(xué)的實(shí)時(shí)定量地形測(cè)量。我們的方法被稱為外延衍射相位顯微術(shù)(epi-DPM)，在反射中操作以適應(yīng)不透明的樣品，并以2.8 nm的空間(即點(diǎn)到點(diǎn))和0.6 nm的時(shí)間(幀到幀)靈敏度呈現(xiàn)形貌信息。納米級(jí)地形圖像是從單個(gè)相機(jī)曝光獲得的，因此獲取速率僅受相機(jī)幀速率的限制。此外，epi-DPM是完全非侵入性的，并且允許連續(xù)的原位監(jiān)測(cè)造過(guò)程通過(guò)工具上的透明窗口實(shí)時(shí)進(jìn)行，而不影響納米級(jí)的地形精度。特別地，我們呈現(xiàn)了被蝕刻的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)成像數(shù)據(jù)；epi-DPM定量地揭示了圖像中每個(gè)點(diǎn)和每個(gè)時(shí)刻的蝕刻速率。我們發(fā)現(xiàn)，該速率隨位置和時(shí)間而顯著變化。

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。激光束被耦合到單模光纖中，然后被準(zhǔn)直，這確保了輸出場(chǎng)的完全空間相干性。這種準(zhǔn)直光然后進(jìn)入倒置顯微鏡的后端口，并通過(guò)聚光透鏡和物鏡投射到樣品平面。因此，樣品被準(zhǔn)直光束照射。從感興趣的樣本反射的光通過(guò)相同的物鏡收集，通過(guò)分束器和管透鏡，并被導(dǎo)向顯微鏡的側(cè)面輸出端口。

圖1 epi-DPM成像系統(tǒng)的設(shè)置

結(jié)果和討論

epi-DPM的優(yōu)勢(shì)在于，它提供了相對(duì)于圖像中其他點(diǎn)的精確地形高度圖，因此可以對(duì)樣本的任何共模運(yùn)動(dòng)不敏感。為了表征我們的epi-DPM方法的空間和時(shí)間路徑長(zhǎng)度噪聲，我們重復(fù)成像一個(gè)普通的、未處理的n1 GaAs晶片。因此，我們?cè)?.93幀s21采集了包含256幀的延時(shí)系列圖像。

光學(xué)元件的缺陷導(dǎo)致照射在樣品上的光的相位在整個(gè)視場(chǎng)中不均勻。由于這種類型的相位誤差是可再現(xiàn)的，即它是儀器的一個(gè)特征，因此可以通過(guò)適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)校準(zhǔn)來(lái)消除。因此，我們?cè)诓煌目臻g位置收集了具有和不具有漫射體的第二時(shí)間推移系列圖像，間隔大約0.5毫米，即幾個(gè)視場(chǎng)之外。第一個(gè)位置的每個(gè)系列在時(shí)間上進(jìn)行平均，并用作校準(zhǔn)圖像。有和沒(méi)有擴(kuò)散器的操作有不同的校準(zhǔn)圖像。從第二位置的每個(gè)圖像中減去相應(yīng)的校準(zhǔn)圖像。產(chǎn)生的空間噪聲在沒(méi)有漫射體的情況下為4.6納米，在有漫射體的情況下為2.8納米。2.8 nm的值代表我們當(dāng)前儀器的空間靈敏度，以及對(duì)視場(chǎng)內(nèi)橫向地形變化的最終靈敏度。值得注意的是，由于采用了公共路徑干涉幾何，epi- DPM的時(shí)間靈敏度明顯優(yōu)于空間靈敏度。圖2a和2b顯示了圖像中每個(gè)點(diǎn)的高度的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)偏差st(x，y)。每個(gè)插圖中顯示了st(x，y)的直方圖。我們確定時(shí)間敏感度為中位數(shù)在沒(méi)有漫射體的情況下為1.1納米，在有漫射體的情況下為0.6納米。

圖2 epi-DPM靈敏度和準(zhǔn)確度的表征

為了表征epi-DPM的準(zhǔn)確性，收集了通過(guò)濕法蝕刻n1 GaAs晶片制造的微柱的圖像。使用補(bǔ)充信息部分中描述的標(biāo)準(zhǔn)SPR 511A光刻膠配方進(jìn)行光刻和顯影。圖2c顯示了帶有漫射體的微柱的epi-DPM圖像。如圖2d所示，通過(guò)將每個(gè)直方圖峰值擬合到單獨(dú)的高斯分布，從epi-DPM圖像的直方圖中提取柱和蝕刻區(qū)域的位置。

結(jié)合epi-DPM，光化學(xué)蝕刻可以提供制造具有精確可控形貌的結(jié)構(gòu)的有效手段。該方法非常適合于制造復(fù)雜的灰度級(jí)結(jié)構(gòu)，使用標(biāo)準(zhǔn)光刻技術(shù)制造這些結(jié)構(gòu)通常非常困難或昂貴。作為一個(gè)例子，我們使用epi-DPM來(lái)成像通過(guò)光化學(xué)蝕刻制造的微透鏡結(jié)構(gòu)。光化學(xué)蝕刻是一種工藝，通過(guò)這種工藝，半導(dǎo)體中的光吸收增加了少數(shù)載流子擴(kuò)散到表面，從而增加半導(dǎo)體在氧化溶液中的溶解和腐蝕速率。蝕刻速率受表面少數(shù)載流子供應(yīng)的限制；因此，照明加速了蝕刻過(guò)程。

穿過(guò)掩模和微透鏡的輪廓如圖4c所顯示，指出光化學(xué)蝕刻過(guò)程是非線性的。然而，epi-DPM可以精確地測(cè)量這種非線性關(guān)系，進(jìn)而為具有規(guī)定輪廓的蝕刻結(jié)構(gòu)提供校準(zhǔn)曲線。此外，利用epi-DPM成像可以通過(guò)控制整個(gè)視場(chǎng)的投影儀光強(qiáng)，提供實(shí)時(shí)微調(diào)蝕刻過(guò)程所需的反饋。我們還制作了232個(gè)微透鏡陣列，如圖4d所示。在這種情況下，光學(xué)掩模包含五個(gè)232陣列的灰度透鏡，其直徑為100毫米，間距為120毫米。面輪廓儀驗(yàn)證了直徑和間距在2毫米以內(nèi)，高度在epi-DPM測(cè)量值的10納米以內(nèi)。可以獲得更好的陣列高度均勻性，通過(guò)實(shí)現(xiàn)投影儀掩模圖案的自適應(yīng)控制。

總結(jié)

我們已經(jīng)展示了如何使用epi-DPM實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地監(jiān)控半導(dǎo)體制造過(guò)程的動(dòng)態(tài)。該方法在8.93幀s21具有每像素0.6納米的優(yōu)異時(shí)間穩(wěn)定性。這使我們能夠精確地確定蝕刻速率的空間和時(shí)間變化，分辨率為0.085牛米s21，時(shí)間間隔為10秒。結(jié)合epi-DPM，我們進(jìn)行了光化學(xué)蝕刻，以精確定義納米尺度的形貌特征，如微透鏡陣列。

我們?cè)O(shè)想，使用epi-DPM通過(guò)半導(dǎo)體制造工具的透明觀察窗成像，能使我們更好地監(jiān)控和控制他們制造的器件的性能。為了在加工過(guò)程中觀察整個(gè)晶片管芯，可以通過(guò)使用更高分辨率的照相機(jī)來(lái)增加視野。此外，較高數(shù)值孔徑103的物鏡目前是可用的(例如，數(shù)值孔徑50.5)。相機(jī)和物鏡的這種組合將實(shí)現(xiàn)1.0毫米30.76毫米的視野，橫向分辨率為500納米。此外，使用更短波長(zhǎng)的光源(例如，深紫外)將顯著降低衍射受限的橫向分辨率，并且能夠?qū)Ξ?dāng)今一些最小的設(shè)備進(jìn)行原位監(jiān)測(cè)。

　　審核編輯：湯梓紅