TW201531697A - 材料層或結構的尺寸計算方法 - Google Patents

材料層或結構的尺寸計算方法 Download PDF

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Abstract

將材料層或結構的電子、離子、或是光學...等影像,萃取出其材料層或結構之間的邊界線,再將邊界線修飾成連續的線型以後,將連續的邊界線映射至Excel試算表中,經由試算表的巨集指令,可以計算得到各材料層的厚度等資料。本技藝以FinFET元件與LED元件作為範例,舉例說明之。其他的儀器如FIB,AFM,SEM,或是XRD等儀器所攝製的影像,也可以依據本技藝方式計算得到各材料層或結構的資訊。

Description

材料層或結構的尺寸計算方法
本技藝係一種有關於材料層或結構的尺寸計算方法,本技藝以鰭狀場效電晶體(Fin Field Effect Transistor;FinFET)以及發光二極體(Light Emitted Diode;LED)...等的元件材料層的厚度、寬度等尺寸之計算,作為範例說明。本技藝將穿透式電子顯微鏡(Transmission Electron Microscopy;TEM)、聚焦離子束顯微鏡(Focus Ion Beam;FIB)、原子力顯微鏡(Atomic Force Microscopy;AFM)、SEM(Scanning Electron Microsope)、或是X-光繞射結晶分析儀(X-Ray Diffraction;XRD)等儀器對半導體元件攝製的照片影像,萃取其邊界線,修飾該邊界線使成連續線型,然後轉換至Excel試算表,自動計算得到厚度、寬度、平均值、標準偏差(standard deviation)、均方根(Root Mean Square;RMS)、鰭角(Fin Angle)、曲線弧長(radius of a curvature)...等資訊。
在各種材料製程中,測量其中的材料層次或結構的尺寸的執行速度的快慢與量產息息相關。儀器設備商必需確保他們的儀器測量精密度的誤差符合所需,以使得被量測的產品可以符合國際標準化組織(International Standardization Organization;ISO)以及品質系統(Quality System;QS)的品質認證的許可誤差之內。隨著科技的進步,當材料層次或結構的尺寸愈來愈小,許可誤差也愈來愈小的時候,材料層次或結構尺寸的量測工作的速度與準確性,就顯得愈來愈重要了。特別是當這個量測的尺寸是在奈米等級(nanoscale)的時候,測試結果的精確性、準確性、快速性、以及有效性,就變得非常重要了。現在業界係採用人工或是半人工半自動來處理資料的搜集、分析、解釋、與表示,由於人工對於影像判斷的誤差,這會導致誤差攀升。量測的準確度,不僅僅在於量測工具的使用,同時也與資料的分析與解釋息息相關。例如:經由XRD,SEM,AFM,FIB,TEM這些儀器攝取的影像,其尺寸在於奈米等級,習知的量測方式,是靠人力以視覺觀察的方式加以測量,其過程花費許多時間,同時,導致許多不準確度以及不確定性包 含於其中。這種人工視覺的量測方式,其誤差與遠遠超過了產品的許可誤差,因此其量測所得到的結果,實質上是沒有意義的。一個全自動的計算方法,減少量測誤差,而提供精確、準確、快速、以及有效的量測資訊,是此一行業亟待開發的工具。
圖1顯示先前技藝
圖1顯示傳統的測量方法,例如半導體元件材料層厚度的量測,包含下述步驟:(1)影像提供(2)尺寸測量-視覺觀察、人工測量;(3)尺寸計算-人工計算;以及(4)資料輸出-人工計算輸出。其中的資料處理,主要是靠人工處理,其誤差對於奈米(nm)元件的量測而言非常大,使得量測結果,對於材料層次或結構而言,沒有實質的意義。
本技藝將材料層或結構的電子影像,萃取出其材料層或結構之間的邊界線,再將邊界線修飾成為連續線型以後,將連續的邊界線型映射至Excel試算表中,經由試算表的巨集指令,計算得到各材料層或結構的厚度、寬度...等資料。本技藝以半導體材料的FinFET元件與光電材料的LED元件的TEM電子影像作為範例,舉例說明之。其他的儀器如FIB,AFM,SEM或是XRD等儀器所攝製的影像,也可以依據本技藝方式計算得到各材料層或結構的資訊。
(TEM)‧‧‧穿透式電子顯微鏡
(FIB)‧‧‧聚焦離子束顯微鏡
(AFM)‧‧‧原子力顯微鏡
(SEM)‧‧‧掃描式電子顯微鏡
(XRD)‧‧‧X-光繞射結晶分析儀
圖1顯示先前技藝
圖2顯示本技藝的尺寸計算方法
圖3~8顯示本技藝的第一實施例
圖9~15顯示本技藝的第二實施例
本技藝揭露一個對於材料層或結構的自動化的計算方法,例如:半導體材 料的FinFET元件或是光電材料的LED元件的各個材料層厚度、寬度...等的計算。首先,取得TEM,FIB,AFM,SEM或是XRD等儀器對於材料層或結構攝取的影像,然後將材料層邊界線萃取出來,然後,修補斷續的邊界線使成連續的邊界線,將連續邊界線映射到Excel試算表的檔案中,利用Excel的巨集指令所撰寫的程式,自動算出所需要的材料層或結構資料,這些資料包含下述但不限於下述資料:厚度、厚度平均值、寬度、寬度平均值、標準偏差(standard deviation)、均方根(Root-Mean-Square;RMS)、鰭角(Fin angle)、以及曲線弧長(radius of a curvature)...等資訊,然後,經由列印輸出或是顯示於顯示幕上。
圖2顯示本技藝的尺寸計算方法
圖2顯示本技藝的尺寸計算方法,包含下述步驟:
(1)提供影像,該影像係由TEM,FIB,AFM,或是XRD儀器所攝製的;
(2)邊界線偵測以及雜訊移除,採用邊界線偵測過濾軟體(edge detection filter)例如高斯模糊以及肯尼運算法(Gaussian Blur and Canny Algorithm)或是類似工具,用以偵測並萃取影像中不同材料層或結構之間的邊界線。然後進行雜訊消除,用以除去不要的點狀或是斑點狀雜訊。由於樣品處理、攝像品質、以及偵測軟體程式的特性...等的關係,初步所萃取出來的邊界線,通常為不連續的線型;
(3)邊界線修飾,採用多項式插入法(Polynomial Interpolation)用以修飾非連續的弧形線,使成為連續的線型。另採用線性插入法(Linear Interpolation)用以修飾非連續的直線(或是近似直線)使成為連續的線型。
(4)邊界線映射到Excel試算表;將邊界線映射到Excel試算表中,自動計算指定區域的長度、寬度...等資訊;
(5)資料輸出;將資訊列印輸出或是顯示於顯示幕中,輸出的資訊包含下述但不限於下述資訊:(a)指定位置的材料層或結構的厚度或是寬度;(b)材料層或結構的厚度或是寬度平均值;(c)厚度或是寬度的標準偏差(standard deviation);(d)厚度或是寬度的均方根(Root-Mean-Square;RMS);(e)鰭角(Fin Angle);或是(f)曲線的弧長(radius of a curvature)。
圖3~8顯示本技藝的第一實施例
圖3顯示經由穿透式電子顯微鏡(TEM)對半導體材料的FinFET的材料層及結構所攝製的電子影像示意圖。圖中顯示一個半導體材料的FinFET的剖面圖示,FinFET具有一個鰭狀的矽(Si)材料層位於元件中心;二氧化矽(SiO2)材料層披覆在鰭狀的矽(Si)材料層上方;氧化鉿(HfOx)材料層披覆在二氧化矽(SiO2)材料層上方。鋁化鈦/氮化鈦(Ti-Al/TiN)材料層披覆在氧化鉿(HfOx)材料層上方。鎢(W)材料層披覆在鋁化鈦/氮化鈦(Ti-Al/TiN)材料層上方。圖3顯示總共有四條邊界線E1,E2,E3,E4分別存在於不同材料層的相鄰處,邊界線E1是介於Si與SiO2之間,邊界線E2是介於HfOx以及SiOx之間,邊界線E3是介於TiAl/TiN與HfOx之間;以及邊界線E4是介於W與Ti-Al/TiN之間。
圖4顯示經由圖3影像所萃取出來的邊界線
由於軟體程式的固有特性、元件樣品的製備品質、以及電子影像的品質等因素的影響,初步萃取出來的邊界線通常是非連續的,如圖4所示。接著,一個邊界線修飾軟體程式被執行了,以將非連續的(non-continuous)邊界線,修飾成為連續的(continuous)邊界線。例如:多項式插入法(Polynomial Interpolation)可以被採用,以修飾非連續的曲線線型;另外,線性插入法(Linear Interpolation)可以被採用,以修飾非連續的直線或是近似直線的線型。
圖5顯示一個修飾過後的連續的邊界線,其係對於圖4的非連續邊界線加以修飾的
在這裡,多項式插入法(Polynomial Interpolation)被採用了,用以修飾圖4的非連續的曲線線型。圖5顯示一個修飾過後的邊界線,E1,E2,E3,E4呈現出一個連續的曲線線型。
圖6顯示連續的邊界線映射到Excel試算表中,並舉例說明厚度的量測
使用者所想要得到材料層或結構的物理參數資訊,可以經由Excel的巨集指令所撰寫的程式計算得到。
參考圖6,三個材料層的厚度被舉例說明了其計算方式,其係任意選擇一條垂直線Xn,然後計算各材料層在這條線的位置的厚度資訊。圖中顯示:邊界線E3-E4之間的距離是3.03nm,代表Ti-Al/TiN材料層在這個位置的厚度;邊界線E2-E3之間 的距離是1.56nm,代表HfOx材料層在這個位置的厚度;邊界線E1-E2之間的距離是0.53nm,代表SiO2材料層在這個位置的厚度。
圖7顯示將連續的邊界線映射到Excel試算表中,且舉例說明寬度的量測
參考圖7,先任意指定一條水平線Yn,三個材料層的寬度或是厚度被舉例說明。邊界線E1-E2之間的距離是1.31nm,其代表SiO2材料層在該處的寬度或是厚度;邊界線E2-E3之間的距離是1.01nm,其代表HfOx材料層在該處的寬度或是厚度;邊界線E3-E4之間的距離是2.36nm,其代表Ti-Al/TiN材料層在該處的寬度或是厚度。
圖8顯示連續的邊界線映射到Excel試算表中,以及鰭角(Fin angle)與鰭的曲線弧長(fin radius of curvature)的計算方法被舉例說明
在圖中選擇一條中央垂直線Xn,然後在邊界線E1的曲線上任意選擇的P點作切線L,切線L與中央垂直線Xn的夾角θ定義為鰭角,圖示中的鰭角θ是30.15度。圖中,在邊界線E1的右邊,選擇圓弧區,可以量測其弧長(radius of curvature)為6.78nm為鰭的曲線弧長(fin radius of curvature)。
圖9~15顯示本技藝的第二實施例
上述對於半導體材料的FinFET材料層的尺寸計算方法,也可以應用於光電材料的LED元件的磊晶(Epitaxial)材料層的厚度量測。本技藝可以準確量測LED的超晶格井(Super Lattice Wells;SLWs)、超晶格障礙層(Super Lattice Barriers;SLBs)、多重量子井(Multiple Quantum Wells;MQWs)、以及多重量子障礙層(Multiple Quantum Barriers;MQBs)的厚度...等資訊。
圖9顯示一個光電材料的LED元件截面圖
圖9顯示一個光電材料的LED元件截面圖,其包含有許多材料層,中間有一塊密集的多層材料區,如圖9虛線方塊處所示。虛線方塊處係超晶格與多重量子井的結構,請參考圖10為虛線方塊處的放大圖。
圖10顯示顯示超晶格與多重量子井結構的電子影像.
圖10顯示光電材料的LED元件的超晶格與量子井結構的TEM電子影 像;圖10的上方是超晶格材料層、下方是多重量子井材料層。超晶格材料層是由「超晶格井」與「超晶格障礙層」交互堆疊構成的;多重量子井材料層是由「量子井」與「量子障礙層」交互堆疊構成的。無論超晶格材料層或是多重量子井材料層,其中每一材料層的厚度,均在nm的層次。
圖11顯示本技藝從圖10的電子影像中,對多重量子井材料層所萃取出來的邊界線,圖11僅以多重量子井材料層所萃取出來的邊界線,作為範例說明。
由於軟體程式的特性、元件樣品的製備品質、以及電子影像的品質...等的影響,所萃取出來的邊界線,通常是非連續的線型。然後,經由邊界線修飾軟體將該些非連續的線型修飾成為連續的線型。例如:採用多項式插入法(Polynomial Interpolation)用以修飾非連續的弧形線,使成為連續的線型;而採用線性插入法(Linear Interpolation)用以修飾非連續的直線(或是近似直線)使成為連續的線型。
圖12顯示對於圖11的非連續的邊界線加以修飾過後的連續的邊界線
線性插入法(Linear Interpolation)被使用於此,將圖11非連續的邊界線修飾成為圖12的連續的邊界線。圖12顯示其中的每一條邊界線都被修飾成為連續的邊界線。
圖13顯示連續的邊界線映射到Excel試算表中以及厚度的量測被舉例說明
將連續的邊界線映射到Excel試算表中,然後,使用者所想要得到材料層或結構的物理參數資訊,可以經由Excel的巨集指令所撰寫的程式計算得到。例如:在圖中先任意選取一條垂直線Xm,在這條線上的位置,三個量子井的厚度T1,T3,T5可以被測試出來;以及三個量子障礙層的厚度T2,T4,T6可以被測試出來。同樣地,量子井或是量子障礙層在其他位置的厚度,也可以被量測出來。依據這些測得的資料,可以進行統計分析,所以平均值、標準偏差值、均方根...等資料,都可以被計算輸出。
圖14顯示超晶格與量子井的典型的物理參數
圖14顯示超晶格與量子井的四個材料層的厚度分布,X軸顯示材料的層數,Y軸顯示寬度(nm)。圖示由上到下,分別為:叉叉代表多重量子障礙層(MQBs),厚度分布於10~11nm; 實心矩形代表超晶格障礙層(SL Barriers),厚度分布於5.5~6.5nm;實心三角形代表多重量子井(MQWs),厚度分布於2.5~3.5nm;以及實心鑽石代表超晶格井(SL Wells),厚度分布於2~3nm。
圖15顯示多重量子井(MQWs)以及多重量子障礙層(MQBs)的統計資料
圖15顯示多重量子障礙層(MQBs)在第一欄;多重量子井(MQWs)在第二欄;平均值在第三欄;分布範圍在第四欄;均方根(RMS)在第五欄;以及標準偏差(standard deviation)在第六欄。
前述描述揭示了本技藝之較佳實施例以及設計圖式,惟,較佳實施例以及設計圖式僅是舉例說明,並非用於限制本技藝之權利範圍於此,凡是以均等之技藝手段實施本技藝者、或是以下述之「申請專利範圍」所涵蓋之權利範圍而實施者,均不脫離本技藝之精神而為申請人之權利範圍。
(TEM)‧‧‧穿透式電子顯微鏡
(FIB)‧‧‧聚焦離子束顯微鏡
(AFM)‧‧‧原子力顯微鏡
(SEM)‧‧‧掃描式電子顯微鏡
(XRD)‧‧‧X-光繞射結晶分析儀

Claims (9)

  1. 一種材料層或結構的尺寸計算方法,包含:(a)提供影像;(b)邊界線偵測;(c)雜訊移除;(d)邊界線修飾;(e)邊界線映射到Excel試算表;以及(f)資料輸出。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之一種材料層或結構的尺寸計算方法,其中所述之影像係由下述儀器族群中的一種所攝製的:穿透式電子顯微鏡(Transmission Electron Microscopy;TEM)、聚焦離子束顯微鏡(Focus Ion Beam;FIB)、原子力顯微鏡(Atomic Force Microscopy;AFM)、以及X-光繞射結晶分析儀(X-Ray Diffraction;XRD)。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之一種材料層或結構的尺寸計算方法,其中所述之邊界線偵測係由邊界線偵測過濾軟體(edge detection filter)所執行。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之一種材料層或結構的尺寸計算方法,其中所述之邊界線偵測過濾軟體係指高斯模糊以及肯尼運算法(Gaussian Blur and Canny Algorithm)。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之一種材料層或結構的尺寸計算方法,其中所述之邊界線修飾係由下述軟體族群中的一種所執行者:多項式插入法(Polynomial Interpolation)、以及線性插入法(Linear Interpolation)。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之一種材料層或結構的尺寸計算方法,其中所述之資料輸出係指輸出下述族群中的一種或是多種:厚度、寬度、平均值、標準偏差(standard deviation)、均方根(RMS)、鰭角(Fin angle)、以及曲線弧長(radius of a curvature)。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之一種材料層或結構的尺寸計算方法,其中所述之半導體 元件係指鰭狀場效電晶體(Fin Field Effect Transistor;FinFET)。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之一種材料層或結構的尺寸計算方法,其中所述之半導體元件係指發光二極體(LED),且所述之影像係發光二極體元件的超晶格(SL)影像。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之一種材料層或結構的尺寸計算方法,其中所述之半導體元件係指發光二極體(LED),且所述之影像係發光二極體元件的多重量子井(MQW)影像。
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