CN103307997A - 一种角分辨散射测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种角分辨散射测量装置及其测量方法，该装置包括：照明光学组件、成像光学组件、投影物镜及探测器，其特征在于照明光学组件包括光强优化器件，通过调节所述光强优化器件使所述探测器的探测面上反射光强趋于均匀分布。本发明还提出一种利用角分辨散射测量装置的测量方法，透过本发明可以提高测量标记反射光信号的信噪比，从而提高入射光强反射率的测量精度。

Description

一种角分辨散射测量装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及半导体制造测量领域，且特别涉及一种角分辨散射测量装置及其测量方法。

背景技术

随着半导体关键尺寸的不断减小，对关键尺寸的均匀性(CDU)的要求越来越严格。为了监测光刻工艺条件的变化以及实现更先进的光刻工艺控制，开发一种快速、准确的光刻胶形貌(关键尺寸CD、高度Height、侧壁角度SWA)测量技术显得尤为重要。针对这样的需求，各种微结构形貌测量技术发展起来，例如关键尺寸扫描电子显微镜CD-SEM，原子力显微镜AFM，场发射扫描式电子显微镜FE-SEM以及散射测量技术。

在这些测量技术之中，前述CD-SEM等基于影像的传统光学方法，由于它们采用自上而下的观测方法，因此局限性很大，无法提供边缘及底部的特征数据，从而也不能提供不规则器件的相关数据。虽然特征数据可以藉由SEM横截面获得，但这种方法必须脱机执行，而且费时费力，还可能具有破坏性。

而散射测量技术具有高准确性和非破坏性的特点，而且具有低成本、高产率和鲁棒性的优势。角分辨散射测量仪已经应用于为严格的工艺控制提供所需的在线反馈信息。散射测量技术利用反射对称法或椭圆对称法测量产生的光信号，即测量在透明薄膜上形成的包含对称线/间隔数组的光栅结构。藉由目标器件上光反射、衍射及折射的相互作用可从反射信号中撷取相位及密度信息，这些信息可用于采用严格耦合波分析(RCWA)的计算建模方法重建特征模式的轮廓。

散射测量中用于逆向求解的测量信号是光强反射率，其测量精度由标记反射信号和参考信号的测量精度决定。参考信号可以通过多次测量的方法来提高它的测量精度，而标记反射信号一般只能测量一次，所以标记反射信号的测量精度对测量精度的影响较大。传统方法中入射光强在瞳面是均匀分布的，反射光强在探测器面有一定的分布，光强较小的区域信噪比较低。

发明内容

本发明提出一种角分辨散射测量装置及其测量方法，可以提高标记反射信号的信噪比，从而提高光强反射率的测量精度。

为了达到上述目的，本发明提出一种角分辨散射测量装置，包括：

照明光学组件，用于引导一入射光在投影物镜的瞳面形成所需的照明模式；

投影物镜，用于将入射光聚焦到测量标记上，并收集被测量标记反射的光；

成像光学组件，用于将所述投影物镜瞳面的反射光强分布成像到探测器面上；以及

探测器，用于探测所述反射光信号；

其特征在于，所述照明光学组件还包括一光强优化器件，通过调节所述光强优化器件使所述探测器的探测面上反射光强趋于均匀分布。

进一步的，所述照明光学组件沿所述入射光入射方向依次包括光源、会聚透镜、照明后透镜组、分束镜，所述光强优化器件设置在所述会聚透镜与照明后透镜组之间。

进一步的，如权利要求1所述的角分辨散射测量装置，其特征在于，所述投影物镜的数值孔径NA＞0.9。

进一步的，所述成像光学组件沿所述反射光反射方向依次包括：分束镜和中继透镜。

进一步的，所述光源为单色光源或由分立谱线组成的复合光源。

进一步的，所述光强优化器件包括第一偏振片、空间光调制器和第二偏振片，或所述光强优化器件为数字微镜器件(Digital Micromirror Device，DMD)。

进一步的，所述测量标记为周期性的半导体图形。

进一步的，所述探测器为二维阵列传感器。

进一步的，本发明的角分辨散射测量装置还包括信号处理设备，与所述探测器连接，对所述探测器的探测结果进行处理，通过逆向求解法得到测量标记的形貌参数。

进一步的，所述形貌参数包括周期、高度、侧壁陡度或关键尺寸平均值至少其中之一者。

进一步的，所述逆向求解法为非线性回归法，或者库查询法。

为了达到上述目的，本发明还提出一种角分辨散射测量方法，包括下列步骤：

将测量标记置于测量位置；

调节光强优化器件使探测器的探测面上有效测量区域内标记反射光信号趋于均匀分布；

移开测量标记，将反射镜置于测量位置；

在相同的积分时间内多次测量反射信号，取平均值；

保存结果为机器常数作为参考信号；

将测量标记置于测量位置；

测量标记反射信号，记录积分时间；

读取参考信号和积分时间；

数据处理并计算光强反射率；

将光强反射率通过逆向求解法，计算光栅形貌参数。

本发明提出一种角分辨散射测量装置及其测量方法，角分辨型散射测量仪测量的是瞳面光强信号，该光强信号包含了一定的入射角和方位角范围。根据标记反射信号和图像传感器的响应特征，对来自光源的光进行准直和空间调制。入射光由投影物镜聚焦到硅片的测量标记上，反射后由同一物镜收集。瞳面的反射光经过分束镜，由中继透镜成像于图像传感器上，标记形貌特征，包含线宽、侧壁角和高度由图像传感器上的光强分布决定。本方法通过优化瞳面入射光强分布，提高了对形貌测量的灵敏度，从而提高测量精度。散射测量中用于逆向求解的测量信号是光强反射率，其测量精度由标记反射信号和参考信号的测量精度决定。参考信号可以通过多次测量的方法来提高它的测量精度，而标记反射信号一般只能测量一次，所以标记反射信号的测量精度对测量精度的影响较大。传统方法中入射光强在瞳面是均匀分布的，反射光强在探测器面有一定的分布，光强较小的区域信噪比较低；本方法通过优化瞳面入射光强使得标记反射信号在探测器面均匀分布，可以提高标记反射信号的信噪比，从而提高光强反射率的测量精度。

附图说明

图1所示为现有技术中散射测量原理示意图。

图2所示为本发明较佳实施例的角分辨散射测量装置结构示意图。

图3所示为现有技术和本发明瞳面光强优化对比示意图。

图4所示为本发明较佳实施例的参考信号测量流程图。

图5所示为本发明较佳实施例的角分辨散射测量方法流程图。

图6所示为本发明较佳实施例的测量标记膜系示意图。

图7a～图7f所示为入射光为s偏振，瞳面光强优化前后测量灵敏度对比示意图。

图8a～图8f所示为入射光为p偏振，瞳面光强优化前后测量灵敏度对比示意图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

请参考图1，图1所示为现有技术中散射测量原理示意图。光源11发出探测光，在角分辨型散射仪中，光源一般为单色光源，或由一些分立谱线组成的复合光源。探测光经探测光路12投射到被测样品13上。样品一般为周期性的半导体图形，如硅片上的光刻胶光栅，或刻蚀后的沟槽，孔阵列等。这些图形包括了一定的形貌结构17，可以通过周期(Pitch)、HT(高度)、SWA(侧壁陡度)和Mid-CD(关键尺寸平均值)等表征，散射测量的目的是测定这些参量。探测光经样品反射/散射后，被测量光路14收集，收集到的反射/散射光最终被投射到探测器15测量。在角分辨型散射仪中，探测器一般为二维阵列传感器，如CCD、CMOS等，测得反射光在入射角θ和方位角

上的分布情况16，探测器位于测量光路的瞳面。通过测得的散射光信息，可以通过逆向求解的方法得到被测样品的形貌参数，逆向求解的方法可以是非线性回归法，或者库查询法。

再请参考图2，图2所示为本发明较佳实施例的角分辨散射测量装置结构示意图。本发明提出一种角分辨散射测量装置，包括：

光源21，用于产生入射光会聚透镜22，用于准直入射光；

光强优化器件23a和照明后组透镜26、27，依次设置于所述会聚透镜22后的光路上，透过调节光强优化器件23a可改变入射光在投影物镜29的瞳面(如图2虚线所示)上的光强分布；

分束镜210，设置于所述照明后组透镜26、27后的光路上，用于将入射光反射，并将反射光透射；

投影物镜29，将所述分束镜210反射后的入射光聚焦到测量标记28上，并收集从所述测量标记28反射的反射光，于本发明中该投影物镜优选为高NA投影物镜，例如NA＞0.9的投影物镜；

中继透镜211、212，将所述分束镜210透射的反射光强分布成像到探测器213表面，所述探测器213探测测量光路的成像。

根据本发明较佳实施例，所述光强优化器件包括第一偏振片23、空间光调制器(SLM)24和第二偏振片25，于本发明的其他实施例中，该光强优化器件可为数字微镜器件(DMD)或其他能够实现投影物镜的瞳面光强分布调节使探测面的光强分布趋于均匀化的器件。所述光源21为单色光源或由分立谱线组成的复合光源。所述测量标记28为周期性的半导体图形。所述探测器213为二维阵列传感器，如CCD、CMOS等。所述探测器213根据测得的反射光信号，并将其进行光电转化形成电信号，之后电信号输入一信号处理设备(未图示)进行信号处理，通过逆向求解法得到测量标记的形貌参数。所述形貌参数包括周期、高度、侧壁陡度和关键尺寸平均值。所述逆向求解法为非线性回归法，或者库查询法。

传统角分辨散射测量，入射光强在瞳面是均匀分布的，反射光会有一定的光强分布，由于探测器具有一定的探测范围，当调节积分时间使最大反射光强在其探测范围之内时，反射光强较小的区域信号信噪比较低。新的方法中通过优化入射光在瞳面的光强分布，使探测面上有效测量区域内反射光强趋于均匀，从而提高测量信号的信噪比。

角分辨散射测量方法中，用于逆向求解的测量信号是光强反射率。光强反射率可以通过标记反射信号和参考信号获得，参考信号是将图2中测量标记28换成反射镜测量反射光强得到。参考信号的测量可以同时校准物镜透过率和探测器像素灵敏度。光强反射率的测量精度由标记反射信号测量精度和参考信号测量精度共同决定。一般参考信号测量完成之后保存为机器常数，不需要每次测量，所以在测量参考信号时可以通过多次测量取平均值的方法提高测量精度。由于产率的要求，标记反射信号一般只测量一次。用传统方法对标记反射信号进行测量时，部分测量区域信号较小，信噪比较低，新方法中有效测量区域内信号强度变化不大，所以可通过控制积分时间提高信号的信噪比。

请参考图3，图3所示为现有技术和本发明投影物镜的瞳面光强优化对比示意图。其中标识31为传统测量方法中投影物镜29的瞳面入射光强，为均匀分布；标识32为传统测量方法探测器面光强分布，不同区域反射光强有变化。标识33是采用瞳面光强优化的入射光强分布，标识34是瞳面光强优化后的探测器面光强分布，有效测量区域内光强是趋于均匀分布的。经过优化的瞳面光强分布33可以由传统测量方法中探测器面光强分布32计算得到。

再请参考图4，图4所示为本发明较佳实施例的参考信号测量流程图。其包括下列步骤：

步骤41：将测量标记置于测量位置；

步骤42：调节光强优化装置使探测器面上有效测量区域内标记反射信号趋于均匀分布；

步骤43：移开测量标记，将反射镜置于测量位置；

步骤44：在相同的积分时间内多次测量反射信号，取平均值；

步骤45：保存结果为机器常数作为参考信号；

请参考图5，图5所示为本发明较佳实施例的角分辨散射测量方法流程图。单次散射测量过程包括下列步骤：

步骤51：将测量标记置于测量位置；

步骤52：测量标记反射信号，记录积分时间；

步骤53：读取参考信号和积分时间；

步骤54：数据处理并计算光强反射率；

步骤55：将光强反射率通过逆向求解法，计算光栅形貌参数。

传统方法中，入射光强在瞳面均匀分布，取为1，所以CD测量灵敏度为：

$S_{\mathrm{CD}}(\mathrm{\θ},\mathrm{\φ})=\frac{\left|\mathrm{\ΔR}(\mathrm{\θ},\mathrm{\φ})\right|}{\mathrm{\ΔCD}}---\left(1\right)$

其中R(θ，φ)为光强发射率；新的测量方法中，可通过空间光调制器调节入射光强分布为max(R₀(θ，φ))/R₀(θ，φ)，其中R₀(θ，φ)是名义光强反射率，则CD测量灵敏度为：

$S_{\mathrm{CD}}^{\′}(\mathrm{\θ},\mathrm{\φ})=\frac{\max \left(R_0(\mathrm{\θ},\mathrm{\φ})\right)}{R_0(\mathrm{\θ},\mathrm{\φ})}*\frac{\left|\mathrm{\ΔR}(\mathrm{\θ},\mathrm{\φ})\right|}{\mathrm{\ΔCD}}---\left(2\right)$

所以新的测量方法中测量灵敏度增强。

对32nm工艺节点膜系进行散射测量仿真，膜系结构定义见图6。其中光栅结构61是光刻胶经曝光、显影后形成的，其名义结构参数为：Mid-CD＝32nm，SWA＝85度，高度Height＝72nm；BARC层62厚度为30nm；BARC层62及光栅结构依序形成在硅基底层63表面。

设置入射光偏振模式为s偏振，仿真结果见图7a～图7f，其中图7a、图7b、图7c分别是投影物镜29的瞳面入射光强优化之前线宽(CD)、侧壁角(SWA)和高度(Height)灵敏度；图7d、图7e、图7f分别对应了瞳面入射光强优化之后的灵敏度，可以发现测量灵敏度增大约150％；

当设置入射光偏振模式为p偏振，散射测量过程与上述实施例相同。对图6中膜系结构的仿真结果见图8a～图8f，其中图8a、图8b、图8c分别是瞳面入射光强优化之前线宽(CD)、侧壁角(SWA)和高度(Height)灵敏度；图8d、图8e、图8f分别对应了瞳面入射光强优化之后的灵敏度，可以发现测量灵敏度增大约90％。

通过RCWA方法，我们分析了32nm工艺节点光刻胶图形在不同入射光偏振条件下的一阶测量灵敏度。对采用新方法和传统散射测量方法的测量灵敏度进行了比较。仿真结果表明，p偏振情况测量灵敏度增大了90％，而s偏振情况灵敏度增大超过150％。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (14)

1.一种角分辨散射测量装置，包括：

照明光学组件，用于引导一入射光在投影物镜的瞳面形成所需的照明模式；

投影物镜，用于将入射光聚焦到测量标记上，并收集被测量标记反射的光；

成像光学组件，用于将所述投影物镜瞳面的反射光强分布成像到探测器面上；以及

探测器，用于探测所述反射光信号；

其特征在于，所述照明光学组件还包括一光强优化器件，通过调节所述光强优化器件使所述探测器的探测面上反射光强趋于均匀分布。

2.根据权利要求1所述的角分辨散射测量装置，其特征在于，所述光源为单色光源或由分立谱线组成的复合光源。

3.根据权利要求1所述的角分辨散射测量装置，其特征在于，所述光强优化器件由第一偏振片、空间光调制器和第二偏振片构成。

4.根据权利要求1所述的角分辨散射测量装置，其特征在于，所述光强优化器件为数字微镜器件(Digital Micromirror Device)。

5.根据权利要求1所述的角分辨散射测量装置，其特征在于，所述测量标记为周期性的半导体图形。

6.根据权利要求1所述的角分辨散射测量装置，其特征在于，所述探测器为二维阵列传感器。

7.根据权利要求1所述的角分辨散射测量装置，还包括信号处理设备，与所述探测器连接，对所述探测器探测结果进行处理，通过逆向求解法得到测量标记的形貌参数。

8.根据权利要求7所述的角分辨散射测量装置，其特征在于，所述形貌参数包括所述测量标记的周期、高度、侧壁陡度或关键尺寸平均值至少其中之一者。

9.根据权利要求7所述的角分辨散射测量装置，其特征在于，所述逆向求解法为非线性回归法，或者库查询法。

10.如权利要求1所述的角分辨散射测量装置，其特征在于，所述照明光学组件沿所述入射光入射方向依次包括光源、会聚透镜、照明后透镜组、分束镜，所述光强优化器件设置在所述会聚透镜与照明后透镜组之间。

11.如权利要求1所述的角分辨散射测量装置，其特征在于，所述投影物镜的数值孔径NA＞0.9。

12.如权利要求1所述的角分辨散射测量装置，其特征在于，所述成像光学组件沿所述反射光反射方向依次包括：分束镜和中继透镜。

13.如权利要求1所述的角分辨散射测量装置，其特征在于，调节所述光强优化器件可改变所述入射光在所述投影物镜的瞳面的光强分布。

14.一种利用如权利要求1所述的角分辨散射测量装置的测量方法，其特征在于，包括下列步骤：

将测量标记置于测量位置；

调节光强优化器件使探测器的探测面上有效测量区域内测量标记反射光信号趋于均匀分布；

移开测量标记，将反射镜置于测量位置；

在相同的积分时间内多次测量反射信号，取平均值；

保存结果为机器常数作为参考信号；

将测量标记置于测量位置；

测量标记反射信号，记录积分时间；

读取参考信号和积分时间；

数据处理并计算光强反射率；

将光强反射率通过逆向求解法，计算光栅形貌参数。

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