CN105590338B - 一种扫描电子显微图像的三维重构方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种扫描电子显微图像的三维重构方法，其中，包括步骤：提供微纳结构；获取微纳结构的扫描电子显微图像；根据所述扫描电子显微图像获取三维结构粗略图；根据所述扫描电子显微图像构建反射电子强度数据库；根据所述反射电子强度数据库对所述三维结构粗略图进行修正，获取三维结构修正图；获取所述微纳结构的边界信息并根据该边界信息对所述三维结构修正图进行修正从而得到三维结构精细图。

Description

一种扫描电子显微图像的三维重构方法

技术领域

本发明涉及半导体领域和扫描电子成像领域，特别是微纳器件俯视微观图像的三维重构技术。

背景技术

扫描电子显微成像(Scanning Electronic Microscopy,SEM)技术，对于微纳器件微观成像具有非常重要的作用，是目前集成电路领域使用最广泛的微纳结构观测和量测技术，其具有分辨率高、成像速度快、对器件结构损伤小等优点。SEM对表面形貌的成像，主要基于电子与原子发生非弹性散射所产生的二次电子逸出表面，而后被探测器收集。由于二次电子只能从表层以下10nm范围内逸出，因此SEM可以较好地反映表面形貌特点，是目前量测微纳结构表面形貌的最佳工具。

对微纳结构高度方向的准确量测，目前采用的标准方法是对晶圆进行切片或采用反应离子束切割技术。前者需要将整个晶圆切割处理，其存在操作复杂、时间周期长、价格昂贵等缺点；后者虽然不需要将晶圆切割，但是由于高速离子束轰击晶圆微纳结构过程中，将造成衬底材料的污染等问题，也使得经过该步骤之后的晶圆不能被回收使用。即，目前采用的这几种方案，均是不可逆的物理破坏过程，对晶圆和器件结构均具有破坏性。

另一种精确得到微纳结构三维分布的技术为原子力显微镜(Atomic ForceMicroscope，AFM)成像技术，该技术可以直接获得微纳结构三维形貌，但是其成像范围小，速度慢，并且探头极易损坏，通常很少应用于集成电路制造过程的形貌观测。

基于SEM俯视图实现对微纳结构的三维重构技术，是解决高度方向量 测方法(如切片、AFM等)存在严重不足的有效方案。但是需要指出的是，电子束成像系统与光学系统存在非常明显的差别，这些差别导致了两者基本模型的根本不同。SEM成像过程中，电子束汇聚成纳米尺度的斑点，以快速扫描的方式收集二次电子浓度，实现表面形貌量测，其成像亮度与表面形貌的关系近似写为：E＝E₀/(k+cosθ)，其中θ表示表面法向量与电子束入射方向夹角，E₀表示θ为零时的二次电子出射率，k为常数。采用三维重构技术所用的明暗恢复形状技术(Shape from shading,SFS)及相关算法，可以实现对表面形貌的重构。但是该方法存在诸多缺点，如SFS算法伴随庞大的计算量和计算时间；SFS算法对存在噪声的SEM图像特别敏感；病态方程求解过程中的各种假设与实际之间的偏差；SEM成像亮度与表面形貌关系表达式对于尺寸低至数十纳米的微纳结构存在较大误差等。

基于上面所述问题，急需提供一种更为准确、高效的基于SEM的三维重构方法，能够解决微纳图形结构尺寸降低至几十纳米时的基于SEM的三维重构问题。

发明内容

根据上述问题，急需提供一种更为准确、高效的基于SEM的三维重构方法。本发明实施例提供了一种扫描电子显微图像的三维重构方法，包括步骤：提供微纳结构；获取微纳结构的扫描电子显微图像；根据所述扫描电子显微图像获取三维结构粗略图；根据所述扫描电子显微图像构建反射电子强度数据库；根据所述反射电子强度数据库对所述三维结构粗略图进行修正，获取三维结构修正图；获取所述微纳结构的边界信息并根据该边界信息对所述三维结构修正图进行修正从而得到三维结构精细图。

本发明实施例提供的方法充分考虑微纳结构的图形特点，结合电子束与微纳结构相互作用的机理，创建基于规则的反射电子强度数据库，可较准确反映除探测区域二次电子之外的其他电子影响。其具有成像速度快，三维重构准确率高，能反映不同尺寸和密度微纳结构成像特点。此外，结合边界阈值算法后的三维重构结构能够反映边缘粗糙度信息。本发明只需 在构建基于规则的反射电子强度数据库时对包含微纳结构的芯片进行切片，以矫正深度和侧壁信息，并提高数据库准确性；其极大地缩减了整个流片工艺中频繁切片带来的时间长、费用昂贵等问题，有效避免了在三维形貌成像过程中对晶圆微纳结构的物理损伤，从而有效缩短了制造或研发周期，潜在提高了产品良率。

本发明实施例公开的三维结构重构方法的优势在于可以同时对包含不同尺寸、不同密度的微纳结构的三维成像，包括但不限于集成电路器件、微机电系统等的扫描电子显微图像的三维重构。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所述的一种扫描电子显微图像的三维重构方法流程框架图。

图2为实际扫描电子显微图像及某一横截面的像素灰度值曲线。

图3为高斯去噪之后的扫描电子显微图像，及与图2相同横截面的像素灰度值曲线。

图4为微纳结构尺寸和密度对扫描电子显微图像灰度值的影响示意图。

图5为基于规则的反射电子强度数据库基本构造示意图。

具体实施方式

下面将结合附图详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是 为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。

为了更好的理解本发明的技术方案和技术效果，以下将结合附图对本发明的一个优选实施例进行详细的描述，但该实施例的具体步骤仅仅是优选方式，并不用于限定本发明的保护范围，普通技术人员可以根据他/她的已经掌握的技术知识做合适的变换或者修改。

在本实施例中首先需要获取提供一个微纳结构。该微纳结构可以包括但不限于集成电路微电子器件、光电子器件、微机电系统器件等在制作过程中的某个步骤或工艺下的图像结构，特别指这些器件关键图层关键结构经过光刻或刻蚀后的微纳结构。本实施例所述的微纳结构的最小尺寸为几个纳米，最大尺寸可扩展至数十微米。本发明实施例的优势在于可以同时对包含不同尺寸、不同密度的微纳结构进行三维成像。

具体的，请参考图1，以下将对该实施例进行详细说明。

步骤S01，获取微纳结构的SEM图像，并优选对微纳结构进行俯视成像。为获得更精确的三维重构效果，扫描电子图像的分辨率应小于所观测的微纳结构的最小尺寸。

步骤S02，对扫描电子显微图像进行噪声处理，实现光滑的具有二阶连续的表面。由于实际的SEM图像可能存在非常强的背景噪声，考虑到三维重构算法对噪声十分敏感，因此必须首先去噪及光滑处理。

图2是某实际微纳图形的扫描电子显微图像，曲线对应某横截面像素灰度值。该图反映出所获取的SEM图像存在非常明显的噪声。强噪声的存在，使得三维重构算法对特定位置的一阶或二阶导数值与关键图形的导数值相当，导致三维重构算法不能存在任何导数或数值微分运算。

图3为对该扫描电子显微图像进行高斯去噪后得到的与图2相同横截面的像素灰度值曲线。采用去噪算法之后，图像背景噪声被明显抑制，关键图形对比度增强，甚至图像右边的某圆形缺陷也可以被清晰表现。去噪算法的使用，使得关键图形的像素值呈现准连续性，并最大程度反映出微纳结构的真实结构。

为使SEM图像具有二阶连续性，所采用的图像去噪及光滑处理方法包 括采用一次去噪算法，或采用多次去噪算法。去噪算法的过度使用，虽然极大地降低了图形噪声，但是却也失去了某些关键信息，如陡降边缘的斜率、关键尺寸电子束扫描最大或最小值、边缘粗糙度等。因此，本步骤所述的图像去噪及光滑处理，需要兼顾噪声去除和关键特征保留；特别地，对不同区域可采取不同的去噪算法参数。

步骤S03，根据光滑处理之后的SEM图像，采用二次电子强度模型及三维重构算法，得到三维结构粗略图T01，该图还需进一步优化。

二次电子强度模型为E＝E₀/(k+cosθ)，其中θ表示表面法向量与电子束入射方向夹角，E₀表示θ为零时的二次电子出射率，k为常数。该模型反映了二次电子成像亮度与表面形貌的近似关系。

三维重构算法可以采用目前已经比较成熟的算法，例如非线性方程组的最小化算法、不同路径迭代算法、局域球形近似算法、线性化算法等。为保证三维重构算法解的存在性和唯一性，这些算法均提出了约束条件，例如最小化算法常用的约束条件有：亮度约束、光滑约束、可积性约束、梯度约束、单位法矢约束等。为保证三维重构结果与目标结构之间的误差最小，要求所使用的图像的噪声必须非常低，从而要求必须合理使用步骤S02所述的图像去噪及光滑处理方法。

基于步骤S02和S03重构的三维结构粗略图T01最大程度复现经过光滑处理的三维形貌，以及不同图形的尺寸和密度。但是，该重构三维结构与实际微纳结构存在较大偏差，特别是过于光滑的表面、过于平缓的图形边缘，以及对不同密度图形的重构误差等。因此，需要对该图形做进一步分析和处理，以便得出更准确的三维形貌。

步骤S04：基于三维结构粗略图T01，提取核心图形尺寸和密度。

本步骤所述的核心图形结构包括线条、孔洞、沟槽、交叉、拐角等中的一个或多个。图形尺寸范围包括最多尺寸、最小尺寸和最大尺寸，可以从几纳米延伸至数微米。图形周期包括最小的图形周期、覆盖最多的图形周期和最大的图形周期。图形尺寸和周期共同影响着图形密度。具体地，还可以根据密集分布图形、变周期分布图形、孤立图形等分别进行尺寸和周期的提取。

步骤S05：构建基于规则的反射电子强度数据库。

该步骤的目的是补充步骤S03使用的二次电子强度模型的不足，特别是该二次电子强度模型无法有效重构只有几十纳米的微纳尺寸。

入射电子与表层原子发生非弹性散射产生的二次电子逸出表面之后被探测器收集，由于二次电子主要在表面10nm范围内逸出，因此SEM能够很好地表征图像微观结构。微纳结构尺寸和图形密度对SEM的影响可以参考图4，当电子束聚焦于尺寸较大的图像表面时，形成如图4左侧所示的椭球形状，探测器收集的电子多为逸出表层的二次电子。相对比而言，对于图4右侧的小尺寸微纳结构，当电子束聚焦于该结构表面时，除了表层二次电子①逸出表面被探测器收集之外，还存在一些从侧壁逸出的透射电子②，部分从侧壁逸出的高能电子继续与底层材料作用而产生的散射电子或二次电子③。②和③中的部分或全部电子也被探测器收集，从而使该微纳结构所探测的电子能量增加。不同图形尺寸、周期对电子束的影响不同，特别是特征图形尺寸小于电子束束斑尺寸、或电子束散射椭球大于特征图形尺寸时，有必要对这一影响进行评估和考虑，以使结果更加准确可靠。

本发明所述的基于规则的反射电子强度数据库的基本结构如图5所示，以表格形式记录不同尺寸、不同周期的图形在SEM后的成像图和关键位置像素值。所述的“图形”包括线条、孔洞、沟槽、接触孔、拐角和交叉等图形中的任一个或者任意几个。为保证SEM成像强度的可对比性，需要在一次成像过程中收集关键特征图形的SEM成像图和像素值，其余未量测的图形尺寸和周期的SEM像素值采用插值方式近似、数值拟合等方法获得。更重要的，在一次成像记录时，必须包含尺寸不小于0.5微米的大尺寸图形的扫描电子信号强度，用于基本标定SEM像素参考值。所述标定图形与核心图形形貌相同，尺寸远大于电子束束斑尺寸，且保证电子束在标定图形的非边界区域扫描时所获得的电子束强度基本相同，所选用的标定SEM像素参考值通常选择特征图形的特征平面的恒定像素值。例如，对于线条结构，标定SEM像素参考值选择大尺寸线条的顶面和底面的恒定像素值。

基于该数据库对三维结构粗略图T01进行三维强度修正，得到三维结构修正图T02。该修正结构图解决了微纳结构最小尺寸低至100纳米以下 时电子束成像过程中的透射电子逸出等造成的误差影响。

进一步，步骤S05所述的反射电子强度数据库的修正可基于目标微纳图形，或经过特殊设计的包含该数据库所需的不同尺寸和周期的专用图形。此外，这里需要获取切片图T10，可以通过原始的微纳结构获取。对数据库的修正需要首先形成三维结构修正图T02，并结合切片图T10，对不同尺寸和周期的关键图形高度值评估和校准，即步骤S06所述的对比三维结构修正图与切片图，若存在较大误差，则返回步骤S05修正该数据库；若误差较小，在所允许范围内，则无需再对数据库进行修正，三维结构修正图可直接用于下一步。

步骤S06，对比三维结构修正图T02与切片图T10的差别，修正基于规则的反射电子强度数据库。

该步骤以虚线所示，表示只需在数据库建立之初的反馈修正时使用。当该数据库基本正确时，步骤S06和T10切片操作便不再使用。

基于修正后的数据库补偿的三维结构修正图T02只能反映表面光滑结构的三维形貌特征，并不能如实反映边缘细微特征。此外，切片图虽然能够反映切片位置的边界形貌，但是切片操作本身会给边缘带来损伤或影响，并且切片不能反映所有关键位置的边缘特征。因此，需要在T02三维结构修正图中加入边缘形貌细微特征。

步骤S10，使用边界阈值算法，得到不同相对强度边界信息T11。

该步骤所述的边界阈值算法包括对原始SEM图像的适当去噪、建立边界判据模型等。边界判据模型的作用是提取不同相对信号强度的边界位置，例如可以提取灰度值为最大值、70％、50％、30％等的边界位置信息，这些信息最大程度上保留了边缘形貌特征和粗糙度信息。需要指出的是，边界判据不限于以上所提到的几个参考点，可以根据实际需求计算不同相对灰度值的边界位置。

T11所包含的边界信息为二维信息，其核心信息为不同相对电子束强度下的沿边界线条方向的边界坐标值，边界坐标的微小波动反映了真实边界的粗糙度信息。

步骤S20，基于T11不同相对强度边界信息，对T02三维结构修正图 的边界进行修正，加入真实的边界形貌特征，形成三维结构精细图T03。

注意到基于电子束扫描强度得出的不同相对强度的边界信息T11，其所述的不同相对强度并不一定与真实的高度相对值相同，即电子束强度相对值一般与相对高度值存在差别，因此，该步骤需要首先判断两者的关系。

为保证修正后的边界更接近真实情况，需要采集足够多的边界信息T11，并对未包含的边界进行插值算法，并叠加一定幅值的粗糙度信息。

最终形成的三维结构精细图T03将包含平缓变化的图形形貌和快速变化包含粗糙度信息的侧壁形貌。

本发明书所述的三维重构方法，不仅适用于集成电路制造工艺中的光刻和刻蚀工艺，也适用于微机电系统制造过程中的形貌再现，特别是微纳结构的三维信息非常复杂，最小尺寸已经远小于电子束轨迹椭球所包含的范围的情况。

本说明书所描述的实施例仅仅是示意性的，本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (17)

1.一种扫描电子显微图像的三维重构方法，其中，包括步骤：

提供微纳结构；

获取微纳结构的扫描电子显微图像；

根据所述扫描电子显微图像获取三维结构粗略图；

根据所述扫描电子显微图像构建反射电子强度数据库，所述反射电子强度数据库包括不同尺寸、不同周期的图形在扫描电子显微成像后的成像图和像素值；

根据所述反射电子强度数据库对所述三维结构粗略图进行修正，获取三维结构修正图；

获取所述微纳结构的边界信息并根据该边界信息对所述三维结构修正图进行修正从而得到三维结构精细图。

2.根据权利要求1所述的三维重构方法，其中，根据所述扫描电子显微图像获取三维结构粗略图包括：

对扫描电子显微图像进行图像去噪及光滑处理，以使扫描电子显微图像具有二阶连续性；

根据光滑处理之后的扫描电子显微图像，采用二次电子强度模型及三维重构算法，得到三维结构粗略图，所述二次电子强度模型用于指示二次电子成像亮度与表面形貌的近似关系。

3.根据权利要求2所述的三维重构方法，其中，对扫描电子显微图像进行图像去噪，包括：对背景噪声的估计和去除，采用一次去噪算法，对不同区域采取不同去噪算法参数；或者

对背景噪声的估计和去除，采用多次去噪算法，对不同区域采取不同去噪算法参数。

4.根据权利要求2所述的三维重构方法，其中，所述二次电子强度模型为E＝E₀/(k+cosθ)，其中θ表示表面法向量与电子束入射方向夹角，E₀表示θ为零时的二次电子出射率，k为常数；所述三维重构算法包括非线性方程组的最小化算法、不同路径迭代算法、局域球形近似算法或线性化算法中的任一种。

5.根据权利要求1所述的三维重构方法，其中，构建基于规则的反射电子强度数据库，包括：

找到微纳结构的核心图形；

获取核心图形的尺寸范围和周期；

获取核心图形的俯视扫描电子显微成像图以及从该扫描电子显微成像图中提取出的像素相对值；

基于核心图形的俯视扫描电子显微成像图获取其他尺寸和周期的扫描电子显微成像图的像素相对值。

6.根据权利要求5所述的三维重构方法，其中，

核心图形包括：线条、孔洞、沟槽、接触孔、拐角和交叉中的任一个或任几个的组合；

核心图形的尺寸范围包括：最多尺寸、最小尺寸和最大尺寸；

周期包括：最小的图形周期、覆盖最多的图形周期和最大的图形周期。

7.根据权利要求6所述的三维重构方法，其中，获取其他尺寸和周期的扫描电子显微成像图的像素相对值的方法包括数值拟合或插值方式近似。

8.根据权利要求6所述的三维重构方法，其中，所述反射电子强度数据库以表格形式记录不同尺寸、不同周期的图形在扫描电子成像后的成像图和关键位置像素值，所述关键位置像素值为特征图形的特征平面的恒定像素值。

9.根据权利要求8所述的三维重构方法，其中，在一次成像记录时，必须包含预先设定的尺寸不小于0.5微米图形的扫描电子信号强度，作为基本标定参考值。

10.根据权利要求1所述的三维重构方法，其中，所述方法进一步包括：

获取所述微纳结构的切片图。

11.根据权利要求10所述的三维重构方法，其中，在获取所述修正图后，所述方法进一步包括：

对比三维结构修正图和切片图的差别，修正所述反射电子强度数据库；

根据修正后的反射电子强度数据库，对所述三维结构修正图进行更新。

12.根据权利要求1所述的三维重构方法，其中，获取边界信息的方法包括边界阈值算法，所获取的边界信息包括包含边界粗糙度的真实边界。

13.根据权利要求12所述的三维重构方法，其中，边界阈值算法包括：对三维结构粗略图的图像去噪和/或建立边界判据模型。

14.根据权利要求12所述的三维重构方法，其中，对所述三维结构修正图进行修正从而得到三维结构精细图，包括：

对比不同相对强度边界信息，在三维结构修正图得到的边界基础上叠加所述包含边界粗糙度的真实边界，从而获得三维结构精细图。

15.根据权利要求1至14之一所述的三维重构方法，其中，所述微纳结构为关键尺寸在纳米尺度的精细图形结构。

16.根据权利要求1至14之一所述的三维重构方法，其中，所述微纳结构包括微电子器件、光电子器件、硅基集成电路、硅锗集成电路、三五族集成结构或微机电系统结构。

17.根据权利要求1至14之一所述的三维重构方法，其中，所述扫描电子显微成像是对微纳结构进行俯视成像，成像所用的电子束束斑小于微纳结构的关键尺寸。