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复合型高深宽比沟槽标准样板

赵琳 张晓东 雷李华 袁群 李锁印 梁法国 吴爱华

赵琳, 张晓东, 雷李华, 袁群, 李锁印, 梁法国, 吴爱华. 复合型高深宽比沟槽标准样板[J]. 红外与激光工程, 2023, 52(4): 20220646. doi: 10.3788/IRLA20220646
引用本文: 赵琳, 张晓东, 雷李华, 袁群, 李锁印, 梁法国, 吴爱华. 复合型高深宽比沟槽标准样板[J]. 红外与激光工程, 2023, 52(4): 20220646. doi: 10.3788/IRLA20220646
Zhao Lin, Zhang Xiaodong, Lei Lihua, Yuan Qun, Li Suoyin, Liang Faguo, Wu Aihua. A hybrid high-aspect-ratio trench standard template[J]. Infrared and Laser Engineering, 2023, 52(4): 20220646. doi: 10.3788/IRLA20220646
Citation: Zhao Lin, Zhang Xiaodong, Lei Lihua, Yuan Qun, Li Suoyin, Liang Faguo, Wu Aihua. A hybrid high-aspect-ratio trench standard template[J]. Infrared and Laser Engineering, 2023, 52(4): 20220646. doi: 10.3788/IRLA20220646

复合型高深宽比沟槽标准样板

doi: 10.3788/IRLA20220646
基金项目: 国家重点研发计划(2019YFB2005503)
详细信息
    作者简介:

    赵琳,女,高级工程师,硕士,主要从事微电子计量方面的研究

    通讯作者: 雷李华,男,高级工程师,博士,主要从事精密几何量计量方面的研究
  • 中图分类号: TB921

A hybrid high-aspect-ratio trench standard template

Funds: National Key Research and Development Program of China (2019YFB2005503)
  • 摘要: 硅基MEMS器件中存在大量高深宽比结构,对这些结构进行线宽和深度的无损检测,是当前的热点问题。为了实现对这些高深宽比结构无损测量系统的准确校准,采用半导体工艺研制了一系列高深宽比沟槽标准样板,宽度范围2~30 μm、深度范围10~300 μm,其深宽比最大达到30∶1。为了满足样板的校准功能,设计了多种特征结构,包括辅助定值结构、测量定位结构和定位角结构等,还设计了样板量值的表征与考核方法。考核量值包括线宽尺寸、沟槽深度尺寸和均匀性。使用扫描电镜对标准样板进行了测试,结果表明该标准样板可以用于校准近红外宽光谱干涉显微测量系统。
  • 图  1  标准样板的图形设计方案

    Figure  1.  Graphic design scheme of standard template

    图  2  高深宽比沟槽标准样板的工艺设计流程图

    Figure  2.  Process design flow chart of high-aspect-ratio trench standard template

    图  3  SOI片的加工工艺流程图

    Figure  3.  Process flow chart of SOI chip processing

    图  4  (a) 制作的标准样板实物图;(b) 划片后的样板图

    Figure  4.  (a) Physical map of the standard template; (b) Scribing map of the standard template

    图  5  高深宽比沟槽标准样板表征位置及均匀性考核示意图

    Figure  5.  Schematic diagram of the characterization position and uniformity assessment of the high-aspect-ratio trench standard template

    图  6  晶圆片样板均匀性考核位置图

    Figure  6.  Location map of wafer sample uniformity assessment

    图  7  沟槽深度测量定义

    Figure  7.  Definition of groove depth measurement

    图  8  标准样板在SEM下的测试结果图

    Figure  8.  Measurement result of the standard template sample under SEM

    图  9  线宽2 μm、沟槽深度10 μm样板的均匀性测量结果

    Figure  9.  Uniformity measurement results of a sample template with a line width of 2 μm and a trench depth of 10 μm

    图  10  线宽2 μm、沟槽深度60 μm样板的均匀性测量结果

    Figure  10.  Uniformity measurement results of a sample template with a line width of 2 μm and a trench depth of 60 μm

    图  11  线宽30 μm、沟槽深度200 μm样板的均匀性测量结果

    Figure  11.  Uniformity measurement results of a sample template with a line width of 30 μm and a trench depth of 200 μm

    图  12  线宽30 μm、沟槽深度300 μm样板的均匀性测量结果

    Figure  12.  Uniformity measurement results of a sample template with a line width of 30 μm and a trench depth of 300 μm

    图  13  30~300 μm标准样板在近红外宽光谱干涉显微测量系统下的测量结果

    Figure  13.  Measurement results of the 30-300 μm standard sample template in the near-infrared broad-spectrum interference microscopy measurement system

    表  1  设计标准样板的标称尺寸及深宽比

    Table  1.   Nominal size and aspect ratio of design standard template

    Nominal width/μmNominal depth/μmAspect ratio
    3030010∶1
    30200Near 7∶1
    26030∶1
    2105∶1
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    表  2  样板定值结果与仪器测量结果对比

    Table  2.   Comparison of sample template setting results and measurement results

    Model standard
    value/μm
    Characterization
    results/μm
    Measurement
    results/μm
    Deviation/μm
    Line width21.831.80.03
    Trench depth109.999.90.09
    Line width22.202.30.10
    Trench depth6059.8060.20.40
    Line width3029.6030.71.10
    Trench depth200200.30200.70.40
    Line width3029.6030.81.20
    Trench depth300299.60300.40.80
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-02-10
  • 修回日期:  2023-03-25
  • 网络出版日期:  2023-04-14
  • 刊出日期:  2023-04-25

复合型高深宽比沟槽标准样板

doi: 10.3788/IRLA20220646
    作者简介:

    赵琳,女,高级工程师,硕士,主要从事微电子计量方面的研究

    通讯作者: 雷李华,男,高级工程师,博士,主要从事精密几何量计量方面的研究
基金项目:  国家重点研发计划(2019YFB2005503)
  • 中图分类号: TB921

摘要: 硅基MEMS器件中存在大量高深宽比结构,对这些结构进行线宽和深度的无损检测,是当前的热点问题。为了实现对这些高深宽比结构无损测量系统的准确校准,采用半导体工艺研制了一系列高深宽比沟槽标准样板,宽度范围2~30 μm、深度范围10~300 μm,其深宽比最大达到30∶1。为了满足样板的校准功能,设计了多种特征结构,包括辅助定值结构、测量定位结构和定位角结构等,还设计了样板量值的表征与考核方法。考核量值包括线宽尺寸、沟槽深度尺寸和均匀性。使用扫描电镜对标准样板进行了测试,结果表明该标准样板可以用于校准近红外宽光谱干涉显微测量系统。

English Abstract

    • 随着微机电系统(MEMS)的发展,硅基MEMS器件由于存在大量的高深宽比结构,呈现出体积小、功耗低、性能好的趋势[1-3]。通常MEMS高深宽比结构的深宽比一般在10∶1~100∶1之间,沟槽宽度为几μm~几十μm。目前硅基MEMS工艺线中,解剖测试是高深宽比结构测试的主要手段,但是存在以下缺陷:需要使用扫描电子显微镜进行辅助测量,效率低,过程繁琐;属于破坏性测量,对MEMS产品产生不可逆的破坏;只能抽检,不能完全反应工艺的特性。

      硅基MEMS高深宽比结构无损测量技术主要包括白光显微干涉法[4-5]、激光共焦显微法[6]、低相干干涉光谱法[7]、反射光谱法[8]等。基于这些原理研制出高深宽比结构无损测量系统,其测量准确性会直接影响被测器件的整体性能,因此对该测量系统进行校准十分必要且迫切。高深比结构的待测信息主要包括线宽和深度,目前国内外很多计量机构和标准样片公司都制作了很多相关尺寸的标准样板,包括台阶高度标准样板和线宽标准样板[9-10],但是这些标准样板都是线宽尺寸和台阶高度尺寸分离,没有集成在一起的深宽比大于等于10∶1的复合型高深宽比沟槽标准样板,且样板的范围不能完全覆盖当前硅基MEMS器件尺寸的要求,无法达到应用的目的。因此,有必要开展高深宽比沟槽标准样板的研制。

      为了解决近红外宽光谱干涉显微测量系统的校准问题,采用半导体工艺研制了宽度2 μm、深度为10 μm,宽度为2 μm、深度为60 μm,宽度为30 μm、深度为200 μm,宽度为30 μm、深度为300 μm的复合型高深宽比沟槽标准样板。这些样板的深宽比大于5∶1,最大达到30∶1。针对当前无法直接定值该类样板的现状,需要设计一种辅助定值结构方便划片后对其截面进行测量。为了方便在近红外低相干干涉显微镜下观察,需要设计定位角结构和测量定位结构,快捷准确地对标准位置进行测量;为了检验样板的一致性,还设计了一致性考核方法,分别对不同样板的测量定位结构也进行划片考核,与辅助定值结构处的量值进行对比验证。

    • 复合型高深宽比沟槽标准样板主要用于校准硅基MEMS高深宽比结构的无损测量系统。为了能够准确校准该系统,标准样板应具备复现高深宽比量值的功能,并且为了提高测量的准确性,同时考虑到无损测量系统中包含显微成像的功能,标准样板还需要具备准确定位测量位置及测量角度和辅助定值溯源样板的功能。为了实现标准样板的应用目的,设计了以下特征结构:具有深度、宽度尺寸的深槽(台阶)结构,复现MEMS工艺中需要测量的各种沟槽结构;沟槽辅助定值结构,通过该结构对样板进行剖开,准确复现其高深宽比量值,完成溯源;测量定位结构,准确定位标准沟槽所测量的位置;定位角结构,准确确定样板的测量方向。

      根据样板的使用要求,设计的样板图如图1所示,其中高深宽比沟槽结构的设计尺寸为:宽度为标准沟槽宽度、加工刻深尺寸为沟槽深度,长度为2 mm,占于中间位置;测量定位结构设计尺寸为:宽度与标准沟槽宽度一致,取上中下3个位置,每两段之间的空隙用来准确定位测量结构位置,其宽度与标准沟槽宽度一致,辅助定值结构用于确定样板划片位置和划片厚度,厚度尺寸设计为0.5 mm,方便在电镜类仪器下测量,定位角结构为4个具有方向性的小三角,分别位于样板的4个角,成对匹配,辅助测量时准确找到标准样板结构。

      表1给出了标准样板的设计尺寸。

      图  1  标准样板的图形设计方案

      Figure 1.  Graphic design scheme of standard template

      表 1  设计标准样板的标称尺寸及深宽比

      Table 1.  Nominal size and aspect ratio of design standard template

      Nominal width/μmNominal depth/μmAspect ratio
      3030010∶1
      30200Near 7∶1
      26030∶1
      2105∶1

      测量中先对辅助定值结构进行切片,获得高深宽比沟槽结构的截面;使用扫描电镜或原子力显微镜等相应仪器对截面尺寸进行测量得到辅助定值结构的宽度和深度尺寸;将其赋值给高深宽比沟槽结构。如此赋值源于当前的计量方法无法直接对高深宽比达到30∶1的标准样板进行直接表征,但是切片后样板的截面结构可通过电镜类仪器进行直接测量。

    • 采用半导体工艺制备标准样板,考虑到标准样板结构与功能的特殊性,常规的工艺制备流程无法完成。为了实现样板设计中的各种结构与特殊功能,需要有针对性的设计工艺流程。图2是针对复合型高深宽比沟槽标准样板进行的工艺设计流程图,包括SOI片的制备、光刻、刻蚀、氧化以及腐蚀等,关键工艺为光刻和刻蚀。

      图  2  高深宽比沟槽标准样板的工艺设计流程图

      Figure 2.  Process design flow chart of high-aspect-ratio trench standard template

      (1) 材料选择与制备:标准样板的选材方面不仅需要考虑加工的工艺特性,更需要考虑样板的加工质量,以实现沟槽宽度和高度分布的高度一致性。研制的硅基标准样板当台阶高度尺寸大于20 μm时加工的质量很差,底面明显不平整,导致测量误差很大[11]。参考文献[12]的设计,提出采用绝缘衬底上的硅片,即Silicon-On-Insulator (SOI),SOI片作为加工基板。采用双面抛光的硅晶圆片作为衬底材料,清洗干净,表面生长一层二氧化硅[13],然后采用键合的方法使其与另一片清洗干净的硅晶圆片结合组装成SOI片,其加工层的硅片厚度依据所用要求进行研磨得到,具体流程图如图3所示。

      图  3  SOI片的加工工艺流程图

      Figure 3.  Process flow chart of SOI chip processing

      (2) 关键工艺:光刻和刻蚀。为了提高样板的质量采用投影光刻和干法刻蚀完成样板的结构加工过程,投影光刻的特点为分辨率高,重复性好,不易损坏掩膜版。投影光刻的最小分辨力为0.15 μm,加工的所有样片的尺寸均可以采用该工艺完成。干法刻蚀其突出优点为可以获得及其精确的特征图形。

      (3) 平整度处理:由于样板的高深宽比参数大于等于10∶1,首次刻蚀后的样板沟槽侧壁会存在很多毛刺,侧壁的粗糙度较大会给测量造成很大误差。采用氧化工艺对其表面生长一层比较薄的二氧化硅,然后再进行二次腐蚀,将二氧化硅层去除,提高了样板沟槽侧壁的平整度[14]

      图4所示为基于以上工艺研制出的复合型高深宽比标准样板。

      图  4  (a) 制作的标准样板实物图;(b) 划片后的样板图

      Figure 4.  (a) Physical map of the standard template; (b) Scribing map of the standard template

    • 因复合型高深宽比沟槽标准样板的结构特性,目前无法使用相关测量仪器对其线宽尺寸和沟槽深度尺寸进行同步直接表征。但是平面尺寸可以直接表征的,因此对标准样板设计了辅助定值结构,通过切片展示出高深宽比沟槽结构的截面,再使用扫描电子显微镜或原子力显微镜等仪器对其测量。

      考虑到样板的侧壁质量会影响到测试的结果,采用激光切割技术对样板进行切片。切片表征区域在标准样板中的相对位置关系如图5所示,3个位置中相邻两处分别相距300 μm。

      图  5  高深宽比沟槽标准样板表征位置及均匀性考核示意图

      Figure 5.  Schematic diagram of the characterization position and uniformity assessment of the high-aspect-ratio trench standard template

      由于样板的沟槽深度和宽度量值是通过测量辅助定值结构的截面间接获得的,而非直接测量得到,因此切片表征区域和正式结构区域量值的差异会对表征结果产生较大的影响,该影响可通过表征样板沟槽结构的均匀性来进行表征。图5所示为单一单元内考核的位置,包括沟槽辅助定值结构和测量定位结构指示的3个位置,考核参数为3个位置的沟槽结构宽度和深度量值。图6所示为加工的整个晶圆片上均匀性的考核位置,采用贝塞尔公式计算标准偏差作为样板的均匀性[15]

      图  6  晶圆片样板均匀性考核位置图

      Figure 6.  Location map of wafer sample uniformity assessment

      参照ISO5436-1:2000中给出的台阶高度定义[16]和线宽国际比对中所用到的线宽定义[17],表征沟槽样板的宽度和深度尺寸。沟槽宽度尺寸选择为线条50%高度位置,即W=WMiddle。沟槽深度尺寸以沟槽ABC这3个区域作为测量计算区域,采取测量沟槽(高度或深度)宽度的3倍进行测量。其中W代表沟槽宽度,分别对ABC这3个有效区域内进行测量得出H1H2H3,最后取三者的平均值作为沟槽深度尺寸,如图7所示。

      图  7  沟槽深度测量定义

      Figure 7.  Definition of groove depth measurement

      采用S-4800型扫描电镜对标准样板的切面进行了测试,结果如图8所示。依据测量定义对所研制的标准样板进行了测试与评价,均匀性是以晶圆片中5个不同样板考核位置的结果进行表征,每个样板需要考核3个位置数据,共计15组数,评价结果如图9~图12所示。由图中测量数据可知,对于线宽2 μm、沟槽深度10 μm的样板其线宽尺寸的平均值为1.83 μm,均匀性为0.005 μm,沟槽深度尺寸的平均值为9.99 μm,均匀性为0.050 μm;对于线宽2 μm、沟槽深度60 μm的样板其线宽尺寸的平均值为2.2 μm,均匀性为0.012 μm,沟槽深度尺寸的平均值为59.8 μm,均匀性为0.006 μm;对于线宽30 μm、沟槽深度200 μm的样板其线宽尺寸的平均值为29.6 μm,均匀性为0.3 μm,沟槽深度尺寸的平均值为200.3 μm,均匀性为0.4 μm;对于线宽30 μm、沟槽深度300 μm的样板其线宽尺寸的平均值为29.6 μm,均匀性为0.3 μm,沟槽深度尺寸的平均值为299.6 μm,均匀性为0.7 μm。

      图  8  标准样板在SEM下的测试结果图

      Figure 8.  Measurement result of the standard template sample under SEM

      图  9  线宽2 μm、沟槽深度10 μm样板的均匀性测量结果

      Figure 9.  Uniformity measurement results of a sample template with a line width of 2 μm and a trench depth of 10 μm

      图  10  线宽2 μm、沟槽深度60 μm样板的均匀性测量结果

      Figure 10.  Uniformity measurement results of a sample template with a line width of 2 μm and a trench depth of 60 μm

      图  11  线宽30 μm、沟槽深度200 μm样板的均匀性测量结果

      Figure 11.  Uniformity measurement results of a sample template with a line width of 30 μm and a trench depth of 200 μm

      图  12  线宽30 μm、沟槽深度300 μm样板的均匀性测量结果

      Figure 12.  Uniformity measurement results of a sample template with a line width of 30 μm and a trench depth of 300 μm

    • 复合型高深宽比沟槽标准样板可以用于校准近红外宽光谱干涉显微测量系统。近红外宽光谱干涉显微技术的基本原理是基于干涉测量法。硅材料在可见光波段不透明,但在近红外波段的透过率较高。采用近红外的宽带光源,穿透硅基MEMS的高深宽比结构,可获取宽带干涉光谱信号,进而提取高深宽比结构的形貌信息。大NA近红外宽光谱干涉显微无损测量系统可基于透射、反射模态实现高深宽比硅基MEMS器件的测量[18-19]

      使用近红外宽光谱干涉显微测量系统对上述表征后的复合型高深宽比沟槽标准样板进行测试。测试过程中首先通过定位角结构找准测试方向,然后再扫描正交扫描标定结构确定测量角度,最后通过测量定位结构选定测量位置,开始测试。测试结果如表2所示。对于线宽2 μm、沟槽深度10 μm的样板其线宽尺寸的平均值为1.8 μm,与定值结果的偏差为0.03 μm,沟槽深度尺寸的平均值为9.9 μm,与定值结果的偏差为0.09 μm;对于线宽2 μm、沟槽深度60 μm的样板其线宽尺寸的平均值为2.3 μm,与定值结果的偏差为0.10 μm,沟槽深度尺寸的平均值为60.2 μm,与定值结果的偏差为0.40 μm;对于线宽30 μm、沟槽深度200 μm的样板其线宽尺寸的平均值为30.7 μm,与定值结果的偏差为1.10 μm,沟槽深度尺寸的平均值为200.7 μm,与定值结果的偏差为0.40 μm。对于线宽30 μm、沟槽深度300 μm的样板其线宽尺寸的平均值为30.8 μm,与定值结果的偏差为1.20 μm,沟槽深度尺寸的平均值为300.4 μm,与定值结果的偏差为0.80 μm。以上数据显示测试结果与样板的SEM表征结果基本一致。图13给出了线宽30 μm、沟槽深度300 μm的样板在近红外宽光谱干涉显微测量系统下的测试结果图。

      表 2  样板定值结果与仪器测量结果对比

      Table 2.  Comparison of sample template setting results and measurement results

      Model standard
      value/μm
      Characterization
      results/μm
      Measurement
      results/μm
      Deviation/μm
      Line width21.831.80.03
      Trench depth109.999.90.09
      Line width22.202.30.10
      Trench depth6059.8060.20.40
      Line width3029.6030.71.10
      Trench depth200200.30200.70.40
      Line width3029.6030.81.20
      Trench depth300299.60300.40.80

      图  13  30~300 μm标准样板在近红外宽光谱干涉显微测量系统下的测量结果

      Figure 13.  Measurement results of the 30-300 μm standard sample template in the near-infrared broad-spectrum interference microscopy measurement system

    • 为了解决近红外宽光谱干涉显微测量系统的校准问题,进行了以下工作:

      (1) 设计了一套宽度范围2~30 μm、深度范围60~300 μm的复合型高深宽比沟槽标准样板,其高深宽比最大达到30∶1;

      (2) 采用半导体工艺制备出标准样板;

      (3) 由于当前没有合适的测量仪器可以直接表征复合型高深宽比沟槽标准样板的量值,对标准样板设计了辅助定值结构,通过切片展示出高深宽比沟槽结构的截面,再使用扫描电子显微镜或原子力显微镜等仪器对其测量,并对样板的均匀性进行了表征以确保样板测量结果的一致性;

      (4) 最后使用近红外宽光谱干涉显微测量系统测量了研制的标准样板,测量结果显示量值与表征结果基本一致。

      接下来,笔者将继续对标准样板进行考核,提高样板的定值准确度。此外,将再研究其他量值的标准样板,如宽度10 μm、深度300 μm的样板等,并应用于校准测试系统上,进一步复现MEMS器件中的结构特性,确保量值准确可靠。

参考文献 (19)

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