CN105513985B - 光学量测方法 - Google Patents

Abstract

一种光学量测方法，包括：获得待测光学散射光谱；获得与待测光学散射光谱匹配的多个标准光学散射光谱；提供对空白晶圆进行光斑照射所得到的空白光学散射光谱，将每个标准光学散射光谱与空白光学散射光谱进行叠加，对应每个标准光学散射光谱得到多个叠加光学散射光谱；将待测光学散射光谱与所有的叠加光学散射光谱进行第二次匹配，获得多个第二匹配度；若所有第二匹配度均小于所有第一匹配度，输出匹配度最高的标准光学散射光谱对应的标准结构参数；若至少一第二匹配度大于第一匹配度，返回使用光斑照射光学检测结构的步骤。第二次匹配可用于检验第一次匹配结构的准确性，以确保最终的光学量测结果的准确性。这显著提升了光学量测结果的准确性。

Description

光学量测方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种光学量测方法。

背景技术

在现有的半导体技术领域，光学量测技术可用于监测和检测半导体制造工艺过程中半导体器件结构的结构参数，如特征尺寸。具体地，在半导体制造过程中，在基底上形成半导体器件结构的同时，还在切割区形成与该半导体器件结构对应的光学检测结构。参照图1，光学检测结构1包括沿一直线方向A排列的若干重复单元。光学检测检测结构1与相应的半导体器件结构为使用相同材料，在同一步骤中形成，且具有相同的结构参数，因此光学检测结构的结构参数可用于表征对应的半导体器件结构，通过量测光学检测结构的结构参数，就可获得相应的半导体器件结构的结构参数。

具体地，现有的光学量测方法包括：

首先，使用图1所示光斑2照射光学检测结构1，光线在光学检测结构1中发生散射，光学探测器接收入射光和散射光并进行分析和调制，获得待测光学散射光谱；

接着，将获得的待测光学散射光谱与数据库中的标准光学散射光谱进行一一匹配，若得到匹配的标准散射光谱，则将该标准散射光谱所对应的标准半导体器件结构的结构参数，作为待测光学检测结构的结构参数，并进一步作为对应的半导体器件结构的结构参数，以用于评价该半导体器件结构的质量；若无法得到匹配的标准散射光谱，则认为所形成的半导体器件结构的结构参数不符合预期定义，该半导体器件结构不合格而无法出厂。

但是，在现有的光学量测技术中，参照图2，照射光斑2'常会出现偏倚出光学检测结构1'的区域，而照射到基底上的空白区域。该空白区域所反射的光线成为噪音而造成待测光学散射光谱具有不可靠性，根据该待测光学散射光谱所得到的量测结构是不准确的，也就是所得到的半导体器件结构的结构参数是不准确的。

针对上述问题，现有技术提出一种解决方法：增大光学检测结构所在切割区的尺寸，但是切割区的尺寸有限，成为该方案的一大障碍。另外，还提出另一种解决方法：减小光斑的尺寸以降低光斑偏出光学检测结构的几率，降低信噪比，但这需要对相应的设备进行改造，增加成本。

发明内容

本发明解决的问题是，现有的光学量测方法所得到的量测结果不准确。

为解决上述问题，本发明提供一种光学量测方法，该光学量测方法包括：

提供基底，在所述基底上形成有光学检测结构；

使用光斑照射所述光学检测结构，获得待测光学散射光谱；

将所述待测光学散射光谱与若干标准光学散射光谱进行第一次匹配，获得与所述待测光学散射光谱匹配的多个标准光学散射光谱，得到多个第一匹配度，所述匹配度是指相比较的两光学散射光谱的误差；

提供对空白晶圆进行光斑照射所得到的空白光学散射光谱，将第一次匹配获得的每个标准光学散射光谱与空白光学散射光谱按照a％：b％的比例进行叠加，a％+b％＝100％，，改变所述a、b的值，重复所述叠加步骤，对应每个标准光学散射光谱得到多个叠加光学散射光谱；

将所述待测光学散射光谱与所有的叠加光学散射光谱进行第二次匹配，获得多个第二匹配度；

若所有第二匹配度均小于所有第一匹配度，将所述第一次匹配获得的多个标准光学散射光谱中，与待测光学散射光谱匹配度最高的标准光学散射光谱所对应的标准结构参数输出；

若所述至少一第二匹配度大于第一匹配度，返回所述使用光斑照射光学检测结构的步骤。

可选地，在所述第一次匹配后，若所述待测光学散射光谱与所有标准光学散射光谱均不匹配，判定对应所述光学检测结构的半导体器件结构不合格。

可选地，获得与所述待测光学散射光谱匹配的多个标准光学散射光谱的方法包括：

在所述第一次匹配后，得到与所述待测光学散射光谱匹配度最高的标准光学散射光谱；

获得所述匹配度最高的标准光学散射光谱所对应的第一结构参数；

在所述光学检测结构所对应的结构参数的预设范围内，确定包括所述第一结构参数的多个标准结构参数；

获得所述多个标准结构参数所对应的多个标准光学散射光谱。

可选地，在所述第二次匹配时，还进行统计学分析：

假定出现所述第二匹配度大于第一匹配度的事件的概率为预设概率值；

若所述第二次匹配后，出现所述第二匹配度大于第一匹配度的事件，且该事件的概率大于等于所述预设概率值，返回所述使用光斑照射光学检测结构的步骤。

可选地，所述预设概率值范围为0.01～0.05。

可选地，所述第一次匹配获得的标准光学散射光谱的数量为10～1000。

可选地，所述第一次匹配获得的标准光学散射光谱的数量为10～100。

可选地，所述b％小于等于10％。

可选地，所述光学检测结构包括沿一直线方向排列的若干重复单元。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

本技术方案在第一次匹配后，选定了多个匹配的标准光学散射光谱，该多个匹配的光学散射光谱与待测光学散射光谱的误差在允许范围内。接着，将该多个匹配的标准光学散射光谱与空白光学散射光谱按照一定比例进行叠加，以得到多个叠加光学散射光谱。之后，将待测光学散射光谱与多个叠加光学散射光谱进行第二次匹配，若所有第二匹配度均小于第一匹配度，则认为：使用光斑照射光学检测结构时，光斑并未偏移出光学检测结构，待测光学检测光谱真实反映了半导体器件结构的结构参数，将第一次匹配获得的多个标准光学散射光谱中，与待测光学散射光谱匹配度最高的标准光学散射光谱所对应的结构参数输出，输出的结构参数即为对应的半导体器件结构的结构参数。如果至少一第二匹配度大于第一匹配度，则认为：使用光斑照射光学检测结构时，光斑偏移出光学检测结构，需返回使用光斑照射光学检测结构的步骤并重新按照本方案步骤重新来过，直至所有第二匹配度小于第一匹配度。本方案中，第二次匹配可用于检验第一次匹配结构的准确性，以确保最终的光学量测结果的准确性。这显著提升了光学量测结果的准确性，并进一步提升最终量测得到的半导体器件结构的结构参数的精确度，以保证对半导体器件结构的质量作出精确判断。而且，第二次匹配过程的叠加光学散射光谱数量远小于第一次匹配过程中标准光学散射光谱的数量，第二次匹配过程所花费时间不长，且在短时间内处理即可完成。

附图说明

图1是现有技术的光学量测方法中未出现光斑偏移的示意图；

图2是现有技术的光学量测方法中出现光斑偏移的示意图；

图3是本发明具体实施例的光学量测方法的流程图；

图4是本发明具体实施例的光学量测方法中，光斑照射光学检测结构的示意图；

图5是本发明具体实施例的光学量测方法中，待测光学散射光谱和标准光学散射光谱的匹配示意图；

图6是本发明具体实施例的光学量测方法中，光斑照射空白晶圆所得到的空白光学散射光谱。

具体实施方式

对现有技术存在的问题进行分析发现，当光斑小部分偏移出光学检测结构时，虽然光斑偏移出光学检测结构的面积较小，通常还是可以在数据库中找到相匹配的标准光学散射光谱。但是，光斑偏移出光学检测结构的部分成为待测光学散射光谱的噪声，该待测光学散射光谱并不能真实反映光学检测结构的结构参数，造成对应得到的半导体器件结构的结构参数不准确。

对此，本发明提出一种新的光学量测方法，使用本方案的光学量测方法，可对第一次匹配的结果进行检测，以确保最终得到的结构参数值是准确的。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

参照图3、图4，提供基底10，在基底10上形成有半导体器件结构(图中未示出)和光学检测结构11。半导体器件结构和光学检测结构11相互隔开，光学检测结构11位于切割区，仅作为半导体制造工艺中对半导体器件结构的量测之用，不属于功能性器件，且在最终芯片切割过程中，沿切割线被切除。

在半导体制造工艺中，半导体器件结构和光学检测结构11是同步形成的。例如在MOS晶体管过程中，在有源区形成栅极的同时，会在切割区形成对应该栅极的光学检测单元。也就是，该光学检测单元和栅极同步沉积、光刻和刻蚀，该光学检测单元和栅极的结构参数，如栅长、栅宽、栅高、或倒角均相同，且使用相同的材料。这样，栅极与对应的光学检测结构在形成过程中的工艺参数、受环境和设备等的影响均保持一致，栅极的结构参数可用对应的光学检测单元的结构参数来表征，即认为：通过量测光学检测单元的结构参数，就可得到对应的栅极的结构参数，以用来判断栅极的结构参数是否符合预期设置。在半导体制造工艺过程中，通过光学检测结构来监测和测试对应的半导体器件结构的结构参数。

参照图4，该光学检测结构11一直线方向B包括若干重复单元，形成类似矩阵结构。当半导体器件结构在垂直于基底10上表面方向上为单层结构时，该光学检测结构11在垂直于基底10上表面方向上亦为单层结构；当半导体器件结构在垂直于基底10上表面方向上为多层结构，相应的，该光学检测结构11在垂直于基底10上表面方向上也为多层结构。

参照图3～图5，使用光斑12照射光学检测结构11，获得待测光学散射光谱13，该待测光学散射光谱13被置于λ-Rp坐标系中，其中，λ为散射光波长，Rp为散射光光强。

在本实施例中，参照图4，光斑12的形状为椭圆形，但不限于此，光斑12的形状还可为圆形。光斑12为白光，在照射到光学检测结构11时会发生光散射。沿直线方向B，不同波长λ的光线穿过各个单元时的光强衰减程度不同，使用探测器收集散射光信号，并经处理分析后绘制得到波长λ与光强Rp的待测光学散射光谱13。这样，光学检测结构11的结构参数被反映到待测光学散射光谱13上。

接着，参照图5，将待测光学散射光谱13与数据库中的若干标准光学散射光谱14进行第一次匹配，获得与待测光学散射光谱13匹配的多个标准光学散射光谱14，得到与该多个标准光学散射光谱14对应的第一匹配度，匹配度是指相比较的两光学散射光谱的误差值。在图5中并未示出全部匹配的多个标准光学散射光谱14，而是仅示出了一条标准光学散射光谱14，仅为阐述本案技术方案之用。

需要说明的是，在第一次匹配后，如果在数据库中无法找到与待测光学散射光谱13匹配的标准光学散射光谱，则认为对应该光学检测结构的半导体器件结构的结构参数不符合预期定义，不满足出厂要求而被淘汰掉。

所述数据库是根据半导体器件结构的预设结构参数而绘制的标准光学散射光谱的集合，也就是一条标准光学散射光谱对应一组预设结构参数，该标准光学散射光谱不存在光斑偏移的问题，完全且精确对应半导体器件结构。以MOS晶体管的栅极为例，栅长的预设范围为c～d，栅宽的预设范围为e～f，栅高为g～h，栅长预设范围内的每个值可与栅宽预设范围内的每个值和栅高预设范围内的每个值绘制一条标准光学散射光谱，对应栅长预设范围内的多个值，可与栅宽预设范围内的多个值和栅高预设范围内的多个值可绘制若干标准光学散射光谱。

将待测光学散射光谱13与数据库中的标准光学散射光谱14进行一一比对即可。待测光学散射光谱13与标准光学散射光谱14匹配是指，在同一λ-Rp坐标系中，待测光学散射光谱13与标准光学散射光谱14的误差处于可接受范围内，两者基本重合。正如前文所述，半导体制造工艺允许半导体器件结构的结构参数在一定范围内波动，对应某一结构参数的多个取值绘制有多个标准光学散射光谱14，因此经第一次匹配后，在误差允许范围内，待测光学散射光谱13可与多个标准光学散射光谱14匹配。

在本实施例中，选择与待测光学散射光谱13匹配的多个标准光学散射光谱14的方法是：首先，经第一次匹配确定与待测光学散射光谱13匹配度最高的一个标准光学散射光谱14，也就是与待测光学散射光谱13的误差最小；接着，在数据库中确定匹配度最高的标准光学散射光谱14所对应的第一结构参数，根据所涉第一结构参数的类型的数量，如栅极的结构参数包括栅长、栅宽和栅高三种类型，在上述匹配度最高的第一结构参数基础上，对每种类型的参数选定一个合理范围，并从数据库中选取每一种类型参数均在所选合理范围内的多个标准光学散射光谱14。例如，对MOS晶体管的栅极，与待测光学散射光谱13匹配度最高的标准光学散射光谱14所对应的栅长为10(该数字仅为示例，并不代表栅长的真实数值)，其所选合理范围为10、10±1、10±2、10±3，对栅宽和栅高以此类推。其中对每一种类型参数所选合理范围应确保，最终选定的标准光学散射光谱14的数量为10～1000个，在本实施例中为10～100个。如果第一次匹配后选定的标准光学散射光谱14的数量太少，则本案的光学量测结果不准确；如果第一次匹配后选定的标准光学散射光谱14的数量太多，则本案的光学量测过程花费时间太长，

结合参照图6，提供对空白晶圆进行光斑照射所得到的空白光学散射光谱15。将第一次匹配获得的每个标准光学散射光谱14与空白光学散射光谱15按照(a％：b％)的比例进行叠加，其中a％+b％＝100％且a、b均不等于0和100，对应每个标准光学散射光谱14得到多个叠加光学散射光谱(图中未示出)。在本实施例中，b％的范围可适当限定为大于0且小于等于10％，相应地，a％的范围为大于等于90％且小于100％。现有技术存在的问题是，光斑小部分偏移出光学检测结构的情形会造成光学量测结果不准确，其中小部分是指不超过光斑面积的10％。对于超过光斑面积10％的光斑部分偏移出光学检测结构的机率极低而可被忽略，即使出现该情形，在第一次匹配后也不可能找到相应的标准光学散射光谱。因此，在光谱叠加过程中，b％的范围不超过10％。另外，考虑到第一次匹配后选定的标准光学散射光谱14的数量已经很多，因此b％的数值应在不超过b％的范围内作合理选择，使得叠加光学散射光谱数量不宜过多，以节省第二次匹配的时间和整个光学量测的时间。

之后，将待测光学散射光谱13与所有的叠加光学散射光谱进行第二次匹配，对应得到多个第二匹配度。在第二次匹配后，若所有第二匹配度小于第一匹配度，则认为：使用光斑照射光学检测结构时，光斑并未偏移出光学检测结构，待测光学检测光谱13真实反映了半导体器件结构的结构参数。接着，将第一次匹配获得的多个标准光学散射光谱14中，与待测光学散射光谱13匹配度最高的标准光学散射光谱14所对应的标准结构参数输出，输出的结构参数即为对应的半导体器件结构的结构参数。

若至少一第二匹配度大于第一匹配度，则认为：使用光斑照射光学检测结构时，光斑偏移出光学检测结构，需返回使用光斑照射光学检测结构的步骤并重新按照图3所示步骤重新来过。

使用本实施例的光学量测方法，在光斑照射光学检测结构时，会存在以下情形：

光斑未偏移出光学检测结构，只要该光学检测结构所对应的结构参数在预设值范围内，在第一次匹配过程是基本可以在数据库中找到匹配度较高的标准光学散射光谱。此时，如果在匹配的光学散射光谱中引入空白晶圆的散射光谱后与待测光学散射光谱进行比较，两者肯定存在较大误差。

光斑偏移出光学检测结构，此时如果光斑大部分偏移出光学检测结构，第一次匹配后不可能找到相匹配的标准散射光谱，因此得出产品不合格的结论，后续也无需进行第二次匹配过程；此时如果光斑小部分偏移出光学检测结构，则待测光学散射光谱是光学检测结构被光斑照射到的一部分的散射光谱、和空白晶圆的散射光谱的叠加，而由于偏移出光学检测结构的光斑部分的面积较小，空白晶圆的散射光谱对空白晶圆的散射光谱而言不属于较大噪声，因此在第一次匹配后，还是能够得到匹配度较高的标准光学散射光谱，但该标准光学散射光谱不能最真实反映光学检测结构的结构参数。此时，由于噪声的存在，待测光学散射光谱和标准光学散射光谱的可比性较低。因此，发明人想到，如果能够在标准光学散射光谱中引入空白晶圆的散射光谱噪声，则待测光学散射光谱和叠加光学散射光谱之间会具有更高的可比性和更小的误差。考虑到标准光学散射光谱数据库特别庞大，不可能在每个标准光学散射光谱中引入上述噪声，因此本实施例在第一次匹配后，选定了与待测光学散射光谱基本匹配的多个标准光学散射光谱，并在其中引入空白晶圆的散射光谱。这是因为偏移出光学检测结构的光斑部分的面积较小，具有噪声的待测光学散射光谱和不具有噪声的待测光学散射光谱的误差较小，因此认为：在第一次匹配过程，根据具有噪声的待测光学散射光谱得到的匹配度最高的标准光学散射光谱和与它邻近的多个标准光学散射光谱中，包括了最能真实反映光学检测结构的结构参数的标准光学散射光谱，如果在该标准光学散射光谱中引入噪声后与待测光学散射光谱进行比较，两者的误差会更小，也能准确判定光斑偏移出光学检测结构的结论。

因此，与现有技术相比，本实施例技术方案在第一次匹配的基础上增加了第二次匹配的步骤，第二次匹配可用于检验第一次匹配结果的准确性，以确保最终的光学量测结果的准确性。这显著提升了光学量测结果的准确性，并进一步提升最终量测得到的半导体器件结构的结构参数的精确度，以保证对半导体器件结构的质量作出精确判断。而且，第二次匹配过程的叠加光学散射光谱远小于第一次匹配过程中标准光学散射光谱的数量，第二次匹配过程所花费时间不长。

另外，若第二次匹配后，出现第二匹配度大于第一匹配度的事件，可将第二次匹配的所有结果进行统计学分析，具体为假设检验。假设检验是指：假设在使用光斑照射光学检测结构时，光斑并未偏移出光学检测结构的范围，则第一次匹配的结果是精确的，并判定第二次匹配后出现待测光学散射光谱13与叠加光学散射光谱匹配的概率很低，该小概率事件是基本不可能发生的。定义第二次匹配后出现待测光学散射光谱13与叠加光学散射光谱匹配的预设概率值，该预设概率值的范围为0.01～0.05，例如可选择0.05、0.03或0.01，预设概率值越小，统计结果越精确。如果第二次匹配的结果显示发生了这种小概率事件，也就是，出现第二匹配度大于第一匹配度的事件的概率大于等于预设概率值，就可认为假设完全错误，真实事件为：光斑偏移出光学检测结构的范围。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (9)

1.一种光学量测方法，其特征在于，包括：

提供基底，在所述基底上形成有光学检测结构；

使用光斑照射所述光学检测结构，获得待测光学散射光谱；

将所述待测光学散射光谱与若干标准光学散射光谱进行第一次匹配，获得与所述待测光学散射光谱匹配的多个标准光学散射光谱，得到多个第一匹配度，所述匹配度是指相比较的两光学散射光谱的误差；

提供对空白晶圆进行光斑照射所得到的空白光学散射光谱，将第一次匹配获得的每个标准光学散射光谱与空白光学散射光谱按照a％：b％的比例进行叠加，a％+b％＝100％且a、b均不等于0和100，改变所述a、b的值，重复所述叠加步骤，对应每个标准光学散射光谱得到多个叠加光学散射光谱；

将所述待测光学散射光谱与所有的叠加光学散射光谱进行第二次匹配，获得多个第二匹配度；

若所有第二匹配度均小于所有第一匹配度，将所述第一次匹配获得的多个标准光学散射光谱中，与待测光学散射光谱匹配度最高的标准光学散射光谱所对应的标准结构参数输出；

若所述至少一第二匹配度大于第一匹配度，返回所述使用光斑照射光学检测结构的步骤。

2.如权利要求1所述的光学量测方法，其特征在于，在所述第一次匹配后，若所述待测光学散射光谱与所有标准光学散射光谱均不匹配，判定对应所述光学检测结构的半导体器件结构不合格。

3.如权利要求1所述的光学量测方法，其特征在于，获得与所述待测光学散射光谱匹配的多个标准光学散射光谱的方法包括：

在所述第一次匹配后，得到与所述待测光学散射光谱匹配度最高的标准光学散射光谱；

获得所述匹配度最高的标准光学散射光谱所对应的第一结构参数；

在所述光学检测结构所对应的结构参数的预设范围内，确定包括所述第一结构参数的多个标准结构参数；

获得所述多个标准结构参数所对应的多个标准光学散射光谱。

4.如权利要求1所述的光学量测方法，其特征在于，在所述第二次匹配时，还进行统计学分析：

假定出现所述第二匹配度大于第一匹配度的事件的概率为预设概率值；

若所述第二次匹配后，出现所述第二匹配度大于第一匹配度的事件，且该事件的概率大于等于所述预设概率值，返回所述使用光斑照射光学检测结构的步骤。

5.如权利要求4所述的光学量测方法，其特征在于，所述预设概率值范围为0.01～0.05。

6.如权利要求1所述的光学量测方法，其特征在于，所述第一次匹配获得的标准光学散射光谱的数量为10～1000。

7.如权利要求6所述的光学量测方法，其特征在于，所述第一次匹配获得的标准光学散射光谱的数量为10～100。

8.如权利要求1所述的光学量测方法，其特征在于，所述b％小于等于10％。

9.如权利要求1所述的光学量测方法，其特征在于，所述光学检测结构包括沿一直线方向排列的若干重复单元。