近日，韩国三星电子有限公司机电一体化研究设备研发团队的Myungjun Lee教授团队，在国际顶尖学术期刊《Light: Science & Applications》上发表题为“Microsphere-assisted, nanospot, non-destructive metrology for semiconductor device”的高水平论文。
来自韩国三星电子有限公司的Soonyang Kwon博士为本文的第一作者，Myungjun Lee教授为本文的通讯作者。Myungjun Lee教授团队设计了一种基于微球辅助的超分辨率光谱测量系统，其光斑直径可以减小至约210nm，在高信噪比的同时实现极小点光谱计量。该研究目前已得到了三星电子有限公司机电研究所的支持和资助。
三维半导体器件的快速精确成像对于半导体晶圆制造过程中的检测具有重要意义。一般来说，成像技术可以分为两类，即二维检测和三维检测。扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)是可以检测结构缺陷并测量高分辨率二维图像中精细图案临界尺寸(CD)的技术。在三维成像中，光谱反射计(SR)和光谱椭偏仪(SE)等光谱分析技术具有测量速度快、成本低、样品损伤小等优点，被广泛用于检测三维结构缺陷以及测量半导体器件中的各种临界尺寸。此外，研究者们还通过扩展穆勒矩阵和干涉分析，并利用包括红外(IR)、极紫外(EUV)和X射线等更宽的波长范围的方式，进一步提高基于光谱学的三维检测方法的测量灵敏度和精度。在已有的检测方法中，在半导体制造过程的早期阶段识别结构缺陷对于优化晶圆厂工艺控制并降低运营成本至关重要。
尽管高分辨率二维成像的检测在制造过程中非常重要，但SEM和TEM的视野(FOV)限制了检测速度和吞吐量，吞吐量是指半导体制造过程中设备的生产率，通常定义为每小时加工的晶圆数量。与光谱测量系统相比，这些技术需要更长的时间来测量、检查晶片的整个区域，因此产生的吞吐量更低。此外，三维设备中垂直尺寸的测量会破坏样品的制备过程，从而损坏昂贵的晶圆。与SEM和TEM技术不同，光谱检测技术是一种非破坏性的检测方法，可以在不损坏晶片的情况下，基于现场测量提供三维结构信息。然而，这种技术的照明光斑的大小必须小于目标设备的大小，其中典型光斑直径在30到50μm之间变化，具体取决于测量的光谱范围。最近，在动态随机存取存储器(DRAM)和静态随机存取存储器(SRAM)设备的单元块中，从边缘和角落区域测量临界尺寸的更小的纳米点已经较为成熟。然而，由于相对较大的照明光斑，使用传统的SE和SR系统很难在x和y方向上测量尺寸为20–40μm的存储单元中的小角区域。此外，减小测量面积会使光学系统变得非常复杂。
各种突破光学分辨率极限的成像方法已经被深入研究，如荧光显微镜、随机光学重建显微镜(STORM)、受激发射损耗显微镜(STED)等。尽管它们广泛用于生物医学应用，但由于荧光材料、破坏性检测方法和透射显微镜的限制，它们不适用于半导体设备。
近年来，新兴的微球辅助纳米镜已经被证明可以用来观察超过瑞利极限的纳米结构，微球半径一般为1–50µm，通常由透明和介电材料制成。光子纳米射流效应等理论模型描述了微球如何在高分辨率的前提下放大物体并克服光学限制，光子纳米射流是在微球远侧产生的电磁束，它能够将倏逝波转换为传播波，这是关于微球超分辨率的主要理论之一。尽管超分辨率的确切机理尚不清楚，但微球辅助超分辨率技术可以实际应用于各种光学测量系统，如干涉测量和共焦显微镜。
为了克服传统光学成像技术在半导体领域在光斑大小上的限制，Myungjun Lee教授团队提出了一种基于超分辨率成像和光谱反射计方法相结合的微球辅助光谱反射计(MASR)系统。MASR系统不仅超过了正常白光条件下的光学分辨率极限，还实现了光斑直径为210nm的纳米点光谱测量，同时保持了较高的信噪比(SNR)，MASR系统的光谱强度比传统的100X光谱反射计方法高六倍，从而提高了信噪比。
除了MASR系统之外，研究人员还提出了虚拟成像场的几何模型，以定量地定义微球在物镜和待成像样品之间的最佳位置。基于微球的超分辨率图像的图像对比度和放大率随微球到物镜或样品间的距离而变化。由于过去的研究主要集中在对光子纳米射流效应引起的超分辨机制的理解上，而缺乏定量分析。换句话说，就是关于微球位置与放大图像的相应图像质量(包括图像对比度和放大率)之间关系的研究数据不足。Myungjun Lee教授团队针对这一问题在本文中进行了深入研究，引入了一种新的几何关系，该系统可以计算虚拟图像平面的放大率和焦距，提供物镜、微球和样品之间的最佳距离，最终获得最佳的成像质量。因此，在保持半导体器件的非接触测量条件的情况下，可以在期望的超分辨率放大率和视野下获得最佳图像质量。此外，研究人员还通过各种样本的模拟和实验，充分验证了MASR系统的性能。
总的来说，在本研究中，通过获得半导体器件的光谱和超分辨率图像，可以解决先进半导体系统中当前的计量和检测挑战。该研究首次证明了超分辨率和光谱反射测量技术在半导体器件测量中的结合，可用于监测极小区域的细胞内结构变化。该技术在解决当前先进逻辑和存储设备中监测细胞内CD变化的计量挑战方面具有巨大潜力。
图1 (a) 基于传统显微镜配置的MASR系统示意图。使用白光发光二极管(LED)作为光源。光依次照亮物镜、微球和样品。来自样品的反射光在图像传感器和光栅之间分离，以捕获图像和分析光谱数据。(b) 将微球置于物镜下的成像光学。(c) 移液管上的微球由微操作器控制。(d) 连接到移液管的微球的放大图像。
图2 虚像的形成以及光子纳米射流与投影虚像面的关系。(a) 用时域有限差分法(FDTD)模拟光子纳米射流效应(红色箭头所示)。(b) 结合射线光学和FDTD模拟的结果。(c) 微球、样品和虚拟图像之间的几何关系。
图3 半径为5、10、15和20µm的微球轴向位置的模拟结果。(a) SLG(n=1.52和λ=524nm)和(b) PS(n=1.60和λ=524 nm)。n表示特定波长λ的折射率。
图4 MASR系统测量的实验结果。(a) 通过MASR系统获得的SiO2的结果，均方根误差(RMSE)=0.0015(参考：494.4nm)。(b) RMSE=0.0022(参考：392.1nm)的MASR系统获得的SiO2的结果(参考：392.1nm)。
图5 MASR系统获得的极小光斑的光谱测量。0.5μm线宽和1μm间距光栅图案以及反射率测量区域，用于(a) 100X图像中的光谱椭偏仪，其长轴上有一个25μm的光斑，用于三个不同位置，以及(b) 由微球和相关位置获得的约530X超分辨率图像。(c) 在(a)中位置的椭偏仪的光谱反射率。(d) 在(b)中位置的MASR系统的光谱反射率。
文章信息：
https://doi.org/10.1038/s41377-022-00720-z
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