解析半導(dǎo)體蝕刻過程中的光學(xué)監(jiān)測

引言

為了獲得功能正常的半導(dǎo)體器件，我們在納米制造過程中依賴于嚴格的尺寸控制。在該初步校準之后，在相同的處理條件下在真實晶片上運行制造，隨后再次進行后處理測量檢查。這種迭代方法有明顯的缺點，包括重復(fù)運行的額外時間和成本、由于系統(tǒng)漂移引起的變化以及缺乏自適應(yīng)過程控制。此外，表征測量通常需要破壞樣品。很明顯，精確的、非破壞性的、實時的原位監(jiān)測是非常理想的，因為它能夠反饋和微調(diào)加工條件。

光學(xué)表征方法滿足了無損檢測的需要。因此，點測量技術(shù)，如光譜橢偏測量法、相敏橢偏測量法、激光反射測量法、多光束干涉測量法、發(fā)射光譜測量法已經(jīng)成功實施。典型地，結(jié)構(gòu)高度是在單個感興趣的點或區(qū)域測量的，并且假設(shè)工藝是均勻的，則推斷出晶片上的信息。這對于大多數(shù)平面工藝來說是足夠的。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)和動力學(xué)的納米級信息。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)成功地用于研究細胞膜的納米級波動。

實驗

我們提出了一種新的光學(xué)方法，利用DPM的概念來執(zhí)行納米尺度動力學(xué)的實時定量地形測量。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(即點到點)和0.6 nm的時間(幀到幀)靈敏度呈現(xiàn)形貌信息。納米級地形圖像是從單個相機曝光獲得的，因此獲取速率僅受相機幀速率的限制。此外，epi-DPM是完全非侵入性的，并且允許連續(xù)的原位監(jiān)測造過程通過工具上的透明窗口實時進行，而不影響納米級的地形精度。特別地，我們呈現(xiàn)了被蝕刻的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的動態(tài)成像數(shù)據(jù)；epi-DPM定量地揭示了圖像中每個點和每個時刻的蝕刻速率。我們發(fā)現(xiàn)，該速率隨位置和時間而顯著變化。

實驗裝置如圖1所示。激光束被耦合到單模光纖中，然后被準直，這確保了輸出場的完全空間相干性。這種準直光然后進入倒置顯微鏡的后端口，并通過聚光透鏡和物鏡投射到樣品平面。因此，樣品被準直光束照射。從感興趣的樣本反射的光通過相同的物鏡收集，通過分束器和管透鏡，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)勢在于，它提供了相對于圖像中其他點的精確地形高度圖，因此可以對樣本的任何共模運動不敏感。為了表征我們的epi-DPM方法的空間和時間路徑長度噪聲，我們重復(fù)成像一個普通的、未處理的n1 GaAs晶片。因此，我們在8.93幀s21采集了包含256幀的延時系列圖像。

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視場中不均勻。由于這種類型的相位誤差是可再現(xiàn)的，即它是儀器的一個特征，因此可以通過適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)校準來消除。因此，我們在不同的空間位置收集了具有和不具有漫射體的第二時間推移系列圖像，間隔大約0.5毫米，即幾個視場之外。第一個位置的每個系列在時間上進行平均，并用作校準圖像。有和沒有擴散器的操作有不同的校準圖像。從第二位置的每個圖像中減去相應(yīng)的校準圖像。產(chǎn)生的空間噪聲在沒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，以及對視場內(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顯示了圖像中每個點的高度的時間標準偏差st(x，y)。每個插圖中顯示了st(x，y)的直方圖。我們確定時間敏感度為中位數(shù)在沒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靈敏度和準確度的表征

為了表征epi-DPM的準確性，收集了通過濕法蝕刻n1 GaAs晶片制造的微柱的圖像。使用補充信息部分中描述的標準SPR 511A光刻膠配方進行光刻和顯影。圖2c顯示了帶有漫射體的微柱的epi-DPM圖像。如圖2d所示，通過將每個直方圖峰值擬合到單獨的高斯分布，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)雜的灰度級結(jié)構(gòu)，使用標準光刻技術(shù)制造這些結(jié)構(gòu)通常非常困難或昂貴。作為一個例子，我們使用epi-DPM來成像通過光化學(xué)蝕刻制造的微透鏡結(jié)構(gòu)。光化學(xué)蝕刻是一種工藝，通過這種工藝，半導(dǎo)體中的光吸收增加了少數(shù)載流子擴散到表面，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，照明加速了蝕刻過程。

穿過掩模和微透鏡的輪廓如圖4c所顯示，指出光化學(xué)蝕刻過程是非線性的。然而，epi-DPM可以精確地測量這種非線性關(guān)系，進而為具有規(guī)定輪廓的蝕刻結(jié)構(gòu)提供校準曲線。此外，利用epi-DPM成像可以通過控制整個視場的投影儀光強，提供實時微調(diào)蝕刻過程所需的反饋。我們還制作了232個微透鏡陣列，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。面輪廓儀驗證了直徑和間距在2毫米以內(nèi)，高度在epi-DPM測量值的10納米以內(nèi)?？梢垣@得更好的陣列高度均勻性，通過實現(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實時準確地監(jiān)控半導(dǎo)體制造過程的動態(tài)。該方法在8.93幀s21具有每像素0.6納米的優(yōu)異時間穩(wěn)定性。這使我們能夠精確地確定蝕刻速率的空間和時間變化，分辨率為0.085牛米s21，時間間隔為10秒。結(jié)合epi-DPM，我們進行了光化學(xué)蝕刻，以精確定義納米尺度的形貌特征，如微透鏡陣列。

我們設(shè)想，使用epi-DPM通過半導(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。為了在加工過程中觀察整個晶片管芯，可以通過使用更高分辨率的照相機來增加視野。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)。相機和物鏡的這種組合將實現(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)備進行原位監(jiān)測。

　　審核編輯：湯梓紅