CN105593973B - 用于确定聚焦的方法及设备 - Google Patents

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CN105593973B CN201480053871.8A CN201480053871A CN105593973B CN 105593973 B CN105593973 B CN 105593973B CN 201480053871 A CN201480053871 A CN 201480053871A CN 105593973 B CN105593973 B CN 105593973B
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Abstract

本发明揭示用于确定光刻系统的最优聚焦的设备及方法。从位于半导体晶片上的多个场中的特定目标获取多个光学信号，且所述场是使用包含不同聚焦值的不同工艺参数来形成。从所述光学信号提取与聚焦的变化相关的特征。将对称曲线拟合到依据聚焦变化的所述光学信号的所述所提取特征。确定所述对称曲线中的极值点且将其报告为用于所述光刻系统中的最优聚焦。

Description

用于确定聚焦的方法及设备
相关申请案的交叉参考
本申请案主张斯提蓝·伊万诺夫·潘德夫(Stilian Ivanov Pandev)于2013年8月10日申请的第61/864,527号美国临时申请案的优先权，所述申请案的全文出于全部目的以引用方式并入本文中。
技术领域
本发明大体上涉及用于确定光刻参数的方法及系统，且更具体地说，本发明涉及使用聚焦曝光矩阵(FEM)晶片来确定聚焦参数。
背景技术
用于集成电路的制造中的光刻或光学平版印刷系统已被提出有一段时间了。此类系统已证明对于在产品中精确制造及形成非常小细节极其有效。在大多数光刻系统中，通过经由光束或辐射束(例如，UV光或紫外光)转印图案而将电路图像写入于衬底上。例如，光刻系统可包含光源或辐射源，其经由主光罩投射电路图像到涂布有对辐照敏感的材料(例如，光阻剂)的硅晶片上。所曝光的光阻剂通常形成图案，所述图案在显影之后于后续处理步骤(例如，沉积及/或蚀刻)期间屏蔽所述晶片的层。
用于控制光刻工艺的两个实例工艺参数是聚焦及曝光(又称为“剂量”)。聚焦一般涉及光刻系统的光学子系统呈现图像的清晰度，且曝光一般涉及用于形成图案的光(或辐射)(例如由光刻系统的光源产生的光)的量或剂量。聚焦及曝光两者均显著地影响电路图案。例如，聚焦及曝光的变化可引起光阻剖面及印刷于光阻剂中的电路的形状的变化。
不同结构类型通常具有用于控制光刻聚焦及曝光设置的不同工艺窗，可在所述工艺窗中形成无缺陷的此类结构。用于不同结构的此类窗的交集可定义为聚焦及曝光设置或窗的最优范围。
目前，通过使用聚焦曝光矩阵(FEM)按聚焦及曝光的多个组合曝光晶片且接着检验所得图案以找到最佳光阻剖面(更接近地匹配所需或最优光阻剖面的光阻剖面)，确定光刻系统的最优聚焦及曝光设置。一般通过测量光阻剖面的各种参数(例如CD)的CD扫描式电子显微镜(CD-SEM)而执行所述检验。在大多数情况中，必须破坏(例如切穿)晶片，以便可测量此类参数。工艺窗一般定义为使最终光阻剖面保持于指定规格内的聚焦及曝光区域(例如，工艺窗通常包含最优聚焦及曝光)。然而，用于确定最优工艺窗的CD-SEM技术通常较耗时、不可靠，且无法测量某一侧壁光阻剖面。
另外，随着IC结构大小不断缩小且工艺窗裕量也缩小，在生产期间维持结构均匀性变得有挑战性。制造中的几个因素(包含与主光罩增强特征卷积的光刻单元曝光序列扰动)促成以非预期且通常不可预测的方式跨曝光场变动的特征响应。
鉴于上述情况，期望用于确定及监测光刻系统的最优聚焦及曝光设置的改进技术。
发明内容
下文呈现本发明的简明概要以提供对本发明的某些实施例的基本理解。发明内容并非为本发明的广泛概述，且其并不识别本发明的重要/关键要素或界定本发明的范围。发明内容的唯一目的是以简化形式呈现本文中所揭示的一些概念作为稍后呈现的更详细描述的序言。
在一项实施例中，揭示一种确定光刻系统的最优聚焦的方法。从位于半导体晶片上的多个场中的特定目标获取多个光学信号，且使用包含不同聚焦值的不同工艺参数来形成所述场。从与聚焦的变化相关的所述光学信号提取特征。将对称曲线拟合到依据聚焦变化的所述光学信号的所述所提取特征。确定所述对称曲线中的极值点且将其报告为用于所述光刻系统中的最优聚焦。
在特定实施方案中，所述所提取特征是所述光学信号中的一或多者的组合，其相较于所述光学信号中的一或多者的其它组合对聚焦的变化最敏感。另一方面，所述所提取特征是所述光学信号的线性组合。在另一实施例中，所述所提取特征是所述光学信号的非线性组合。在又一方面中，所述所提取特征是从所述第一光学信号的变换产生的多个第二光学信号。在进一步方面中，使用主分量分析(PCA)、独立分量分析(ICA)或局部线性嵌入(LLE)算法来完成所述变换。在又一进一步方面中，使用主分量分析(PCA)来完成所述变换且所述所提取特征是相对于由PCA变换产生的第一主分量的第二光学信号。
在其它实施例中，从聚焦曝光矩阵(FEM)晶片获取所述光学信号。另一方面，拟合到所述所提取特征的所述对称曲线是抛物线。在进一步方面中，所述方法包含：对于多个晶片重复获取、提取、拟合及确定及报告的操作以确定多个最优聚焦；及确定所述光刻系统的实际聚焦与最优聚焦之间的关系。
在另一实施例中，使用以下一或多项来获取所述光学信号：光谱椭圆偏光测量、穆勒矩阵光谱椭圆偏光测量、光谱反射测量、光谱散射测量、光束剖面反射测量、光束剖面椭圆偏光测量、单个波长、单个离散波长范围或多个离散波长范围。
在替代实施例中，本发明涉及一种用于检验或测量样品的系统。此系统包括：一照明器，其用于产生照明；及照明光学器件，其用于将所述照明导引朝向位于半导体晶片上的多个场中的特定目标。使用包含不同聚焦值的不同工艺参数来形成所述场。所述系统还包含：集光光学器件，其用于将响应于所述照明来自位于所述多个场中的所述特定目标的多个光学信号导引到检测器系统；及检测器系统，其用于获取响应于所述照明而来自所述多个场中的所述特定目标的所述多个光学信号。所述系统进一步包含经配置以用于执行上述操作中的任一者的处理器及存储器。在特定实施方案中，所述系统呈椭偏仪的形式且包含：偏光状态产生器，其用于在所述照明中产生偏光状态；及偏光状态分析器，其用于分析所述光学信号的偏光状态。在其它实施例中，所述系统呈光谱椭偏仪、穆勒矩阵光谱椭偏仪、光谱反射仪、光谱散射仪、光束剖面反射仪或光束剖面椭偏仪的形式。
下文参考图式而进一步描述本发明的此类及其它方面。
附图说明
图1说明在不同曝光值下依据聚焦变化的CD的实例泊松(Bossung)图。
图2说明在不同CD值下曝光对聚焦的泊松图的第二实例。
图3是说明根据本发明的一项实施例的用于确定最优聚焦的技术的流程图。
图4A是根据本发明的一项实施例的依据三信号组合变化的简化聚焦及剂量数据集的标绘图。
图4B说明根据本发明的特定实施方案的图4A的三维数据集的三个特征向量。
图5A是根据本发明的一项实施例的依据聚焦及不同曝光变化的一组光学信号的第一主分量(PC1)的第一实例泊松图。
图5B包含根据本发明的另一实施例的依据聚焦及不同曝光变化的映射为一组晶片轮廓面积的光学信号的PC1的第二实例。
图5C是一组CD值的第一主分量(PC1)的泊松图，所述CD值是从用于制造图5A及5B的FEM晶片目标的相同FEM主光罩结构模拟得出。
图5D包含变换为其第一主分量PC1且布置为依据聚焦及不同曝光而变化的一组轮廓面积的一组CD值的晶片图。
图6是根据本发明的替代实施例的最优聚焦与经编程聚焦之间的实例关系。
图7说明根据本发明的一项实施例的用于确定最优聚焦的系统。
具体实施方式
在以下描述中，阐述诸多特定细节以提供对本发明的透彻理解。可在无此类特定细节的一些或全部的情况下实践本发明。在其它例项中，未详细描述熟知工艺操作以免不必要地使本发明不清楚。虽然将结合特定实施例来描述本发明，但是应了解，不意欲将本发明限制于所述实施例。
介绍
例如，可使用泊松图来将从(例如)FEM晶片获取的聚焦曝光矩阵直观化以促进光刻工艺窗的确定。所述泊松图一般标绘在不同曝光水平下CD对聚焦位置的关系曲线，例如图1中的实例。如图中所展示，不同曝光水平标绘为轮廓线，其中CD表示Y轴且聚焦位置表示曲线图的X轴。焦深(DOF)值零对应于光阻剂的顶部处的聚焦平面，而负或正DOF值分别导致聚焦平面处在比光阻表面低或高的水平面处。
工艺窗一般定义为使最终光阻剖面保持于预定义规格内的聚焦及曝光区域(例如112)。例如针对DOF值及曝光剂量的特定范围，CD保持于稳定的可接受值范围(或预定义CD限制)内。CD在聚焦范围116a及116b内变化明显(例如对于特定曝光曲线增大或减小)。最优聚焦114可定义为在可容忍的曝光或剂量设置范围内工艺窗112的对称中心(COS)。
替代地，泊松图可标绘在不同CD值下曝光对聚焦的关系曲线，例如，CD值标绘为轮廓线，其中曝光表示Y轴且聚焦位置表示曲线图的X轴，如图2中所展示。重叠的泊松图包含第一泊松图262及第二泊松图264。重叠的泊松图各自包含线间隔光栅的不同恒定线高的三个轮廓265a到265c及不同恒定线宽的三个轮廓263a到263c。每一曲线表示线宽或线高。例如，三个线宽曲线263a到263c分别对应于恒定线宽120nm、123nm及126nm，且三个高度曲线265a到265c分别对应于恒定高度284nm、290nm及296nm。如所展示，线高及线宽的一对特定轮廓只在一个聚焦-曝光组合处相交，演示了聚焦及曝光两者的唯一联立解。如果线宽被确定为123nm(曲线263b)且高度被确定为284nm(曲线265a)，那么最优曝光将近似等于26个单位且最优聚焦将近似等于0.2um。
还可使用泊松图来将其它光阻剖面参数，例如侧壁角直观化。此类标绘图一般较难获得，因为测量此类形状通常较困难。在大多数情况中，必须破坏(例如切穿)晶片，以便可测量此类参数。
已发现，从FEM晶片获得的光学信号还能直观化于泊松图中，且所得曲线可具有类似于对应CD泊松图中的曲线的形状。另外，在用于确定最优光刻设置的技术以及工艺监测及过程控制应用中，所述光学信号可充当CD的代理。在一个实例实施方案中，将一或多个光学信号的组合的COS用于确定最优聚焦。
使用光学信号来确定光刻工艺参数：
图3是说明根据本发明的一项实施例的用于确定最优聚焦的技术300的流程图。首先，在操作302中，可从用不同工艺参数(其包含聚焦)形成的不同场中的特定目标获得多个光学信号。例如，可使用光学度量工具从FEM晶片上的不同聚焦-曝光位置处的特定目标获取不同类型的光学信号(例如多个不同波长、偏光等等)。由于来自不同FEM场的特定目标曝光于不同条件，所以此目标将趋向于在所述不同场的至少一些中具有不同结构。
在更一般实施例中，在半导体晶片(称为实验设计(DOE)晶片)的表面上的DOE图案中组织工艺参数变动。以此方式，光学信号获取部位对应于晶片表面上的具有不同相关联工艺参数值的不同位置。在一个实例中，所述DOE图案是聚焦/曝光矩阵(FEM)图案。通常，展现FEM图案的DOE晶片包含测量部位的栅格图案。在一个栅格方向(例如x方向)中，变动曝光剂量，同时使焦深保持恒定。在正交的栅格方向(例如y方向)中，变动焦深，同时使曝光剂量保持恒定。以此方式，从FEM晶片收集的测量数据包含与聚焦及剂量工艺参数的已知变动相关联的数据。在所说明的实例中，从用聚焦及曝光的已知变动进行了处理的FEM晶片获取光学信号数据。然而，一般而言，可预期与任何组的工艺参数、结构参数或两者的已知变动相关联的光学信号数据。
沃尔特·梅耶尔(Walter Mieher)等人的2008年6月3日颁发的美国专利7,382,447(所述专利的全文以引用方式并入本文中)中进一步描述目标、其制造及其与测量部位及场有关的布置的几个实施例。一般而言，可通过投射光或辐射穿过测试主光罩的图案而在一层光阻剂中完成FEM目标的印刷。可使用工艺参数的不同组合(测试矩阵)来印刷所述目标。
所印刷的目标可印刷于各种不同晶片层中。特定地说，一般使用标准光刻工艺(例如，投射电路图像穿过主光罩且到涂布有光阻剂的硅晶片上)来将所印刷的目标印刷于一层光阻剂中。所述晶片可为具有材料层的测试晶片，所述材料层对应于在测试工艺中的所述步骤中通常存在于产品晶片上的材料。所印刷的目标可印刷于下面的层中的其它目标上方。所述晶片可为具有产生工作装置的潜力的产品晶片。所述晶片可为只用于测试光刻系统的简单测试晶片。可在使用多个测试晶片时使用相同或不同测试主光罩。不同测试主光罩可具有含不同尺寸的图案以便产生较宽范围的测试数据。
用于形成所印刷的目标的工艺参数一般经配置以使目标特性保持于所需规格内。所印刷的目标可作为测试程序的部分而印刷于测试晶片上，或其可在生产期间印刷于生产晶片上。在生产中，所印刷的目标通常印刷于安置于生产晶片上的装置区域(例如定义IC的裸片)之间的划割线(scribe line)中。测量部位可为围绕装置结构安置的专用目标，或其可为装置结构的部分(例如周期性部分)。应了解，使用装置结构的部分可较为困难，但因为其是装置结构的部分，测量趋向于更精确。在另一实施例中，所印刷的目标可印刷在整个测试晶片上。
FEM测量部位一般位于整个聚焦曝光矩阵晶片中。实际上，每个场一般可存在一或多个测量部位。可使用聚焦及曝光的不同组合(或可只为聚集或曝光)来形成每一场。例如，可使用第一组合来产生第一场，且可使用不同于所述第一组合的第二组合来产生第二场。可使用不同聚焦及不同曝光、不同聚焦-恒定曝光、恒定聚焦-不同曝光及类似者来产生多个组合。
测量部位的数目也可不同。生产晶片上的每个场的部位数目一般较小，因为生产晶片上的面积极其宝贵。此外，归因于生产的时间限制，对产品晶片所作的测量少于对聚焦曝光矩阵晶片所作的测量。在一项实施例中，每个场测量单个部位。在另一实施例中，每个场测量多个部位。
在大多数情况中，使用不同处理参数、从相同设计图案形成测量部位目标。然而，应注意，不同聚焦曝光矩阵可具有不同目标。例如，可使用第一光栅类型来执行第一测试矩阵，且可使用不同于所述第一光栅类型的第二光栅类型来执行第二测试矩阵。
目标可广泛变动。目标结构可呈通常具周期性的光栅的形式。所述光栅可沿一个方向(X或Y)具有周期性(例如，线间隔光栅)，或其可沿两个方向(X及Y)具有周期性(例如，作为栅格间隔光栅)。栅格间隔光栅的实例可包含沿Y方向的线的阵列，其中每一线沿X方向分段。另一栅格间隔实例是点结构阵列。即，目标可呈线间隔光栅、栅格间隔光栅、棋盘图案目标等等的形式。目标设计特性可各自包含线宽(特定高度处的宽度)、线间隔宽度、线长度、形状、侧壁角、高度、间距、光栅定向、顶部剖面(顶部圆化或T型顶的程度)、底部剖面(底脚)等等。
当使用多个所印刷的目标时，所印刷的目标可各自具有相同或不同特性。应了解，不同目标特性(例如不同形状及间距)展现对聚焦的不同响应，且因此可有利地测量具有不同特性的不同测量部位。
从目标部位获取的光学信号可包含已发现与目标参数(例如CD、侧壁及高度)以及工艺的变化相关的任何类型的信号。例如，散射测量可含有此信息。实例信号包含(但不限于)任何类型的光谱椭圆偏光测量或反射测量信号，其包含Ψ、Δ、Rs(s偏振的复数反射率)、Rp(p偏振的复数反射率)、Rs(|rs|2)、Rp(|rp|2)、R(未偏光的反射率)、α(光谱“α”信号)、β(光谱“β”信号)及此类参数的函数(例如tan(Ψ)、cos(Δ)、((Rs-Rp)/(Rs+Rp))等等)。替代地或另外，可依据入射角、检测角、偏光、入射方位角、检测方位角、角分布、相位或波长或此类参数中的多于一者的组合而变地测量信号。信号还可为信号的组合的特性表示，例如上述椭圆偏光测量及/或反射测量信号类型中的任何者中的多者的平均值。替代地，信号可呈图像或此类图像的特性(例如强度值或强度值的组合(例如平均值或相加))的形式。其它实施例可使用单色或激光光源，其中可获得单个波长而非多个波长的至少一个信号。
散射测量是产生取决于各种类型的目标参数(例如CD)的光学信号的测量技术。目标通常呈光栅结构的形式，例如周期性光栅结构。在散射测量中，使一或多个光束或辐射束入射于光栅结构上，且测量发源于光栅结构的散射、反射及/或衍射光束。可法向地或依相对于法线的某一角度将入射光导引朝向目标。发源于光栅结构的光通常按各种级(即，相对于入射光的角度)散射、反射及/或衍射。测量依所述各种级散射、反射及/或衍射的光的特性(例如强度、相位、偏光及类似者)，借此形成测量信号或测量光谱。经散射、反射及/或衍射的光的特性一般关于与光栅结构的特性有关的信息。即，经散射、反射及/或衍射的光通常根据结构的形状而改变，且因此，所测量的光谱与光栅结构的剖面以及用于制造此结构的工艺之间存在唯一关系。
度量工具可包括可与本发明的某些实施例一起使用的一或多个硬件配置以(例如)从FEM部位测量各种前述光学信号。此类硬件配置的实例包含(但不限于)以下各项：光谱椭偏仪(SE)、具有多个照明角的SE、测量穆勒矩阵元素的SE(例如使用(几个)旋转补偿器)、单波长椭偏仪、光束剖面椭偏仪(角度解析椭偏仪)、光束剖面反射仪(角度解析反射仪)、宽带反射光谱仪(光谱反射仪)、单波长反射仪、角度解析反射仪、成像系统、散射仪(例如斑点分析器)等等。应了解，光学度量(例如散射测量)是具有在生产运行期间就地控制聚焦及/或曝光的真实潜力的少数几个类型的度量方法中的一者，例如，光学度量适合于裸片间、晶片间、运行间监测(及类似者)。所述硬件配置一般还可分成离散操作系统。另一方面，一或多个硬件配置可组合成单个工具。
返回参考所说明的技术，接着，可在操作304中从光学信号提取与聚焦的变化以及其它工艺参数的变化相关的特征。在一项实施例中，提取对聚焦及剂量变化最敏感的所获取信号中的一或多者的组合。例如，可提取单个信号类型、信号类型的组合(例如一组不同波长范围)以提供与聚焦及剂量变化相关的更多信息。在其它实施例中，可从光学信号提取一或多个信号的线性组合、非线性组合或加权组合作为所述特征。
任何适合的特征提取技术可经实施，以便从光学信号中的一或多者提取具有关于工艺参数(例如聚焦/剂量)的变化的最佳信息的特征。度量工具的操作者可通过用试误法评估不同信号或信号性质组合以确定最佳特征(其提供相对于聚焦的变化轨迹，所述变化轨迹类似于依据聚焦而变化的所制造结构的特性的变化轨迹)来选择待提取的特征。可基于一些准则的优化(例如选择具有最小噪音的形成依据聚焦而变化的一组抛物线形状(针对不同曝光)的信号或信号组合)而执行不同信号或信号组合的自动分析。另外，波长范围的组合可经选择以便取消较低层中的目标对信号造成的任何影响。例如，某些波长可对于聚焦及剂量晶片部位导致圆形轮廓图案，而对下面的结构不敏感的波长导致抛物线形轮廓。被发现对下面的层目标敏感的波长范围可不被选择用作所提取特征。
实例自动特征提取技术包含主分量分析(PCA)、独立分量分析(ICA)、局部线性嵌入(LLE)算法等等。虽然以下实例实施例是依据使用由PCA变换产生的第一主分量来确定最优聚焦而描述的，但是其它实施例可利用其它特征提取结果或技术。例如，可使用经由PCA而确定的第一主分量及第二主分量。可基于应用的特定要求而选择任何数目个主分量。在又一实例中，可使用来自另一特征提取工具(例如ICA或LLE)的输出。另外，可优化及监测除聚焦之外的其它工艺参数。
在PCA实施例中，所提取特征对应于信号数据集到不同坐标系统上的变换及对此新坐标系统的特定维度(或方向或投影方向)(经变换的数据集具有沿所述维度的最大变动，此提供相对于工艺参数变化的最多信息)的选择。换句话来说，数据集可用一或多个光学信号的不同组合产生，其可定义为用于不同聚焦/剂量目标部位或样本(行)的变量(列)。第一主分量对应于被发现具有最大变动的经PCA变换的数据集的经变换方向或维度。第二主分量具有第二最大变动，等等。
图4A是根据本发明的一项实施例的依据三信号组合而变化的简化聚焦及剂量数据集的标绘图。如图中所展示，样本数据集具有对应于信号S1、S2及S3的三个维度。例如，数据集包含对应于两个不同聚焦部位的数据点402a及402b。如图中所展示，信号S1是全部数据点的恒定值。即，数据集存在于垂直于S1维度的平面中。
图4B说明根据本发明的特定实施方案的图4A的三维数据集的三个特征向量。如所展示，数据集具有三个特征向量ev1(410a)、ev2(410b)及ev3(410c)。所述特征向量中的每一者还具有对应于数据集中相对于此特征向量的方差量的特征值。例如，主特征向量ev1(410a)与最大数据集方差相关联。相比而言，特征向量ev2(410b)具有显著较小数据集方差，且特征向量ev3(410c)具有零数据集方差。
返回参考图3，接着，可在操作306中将对称曲线沿聚焦轴拟合到所提取特征。即，可将任何对称类型的曲线拟合到所提取特征数据。在一个特定实例中，将抛物线拟合到所提取特征。接着，可在操作308中确定所述曲线的极值点且将其报告为最优聚焦。例如，拟合对称抛物线的峰值或谷值可定义为最优聚焦。接着，可在操作310中使用所报告的最优聚焦来调整或监测光刻设置。通过特定实例，所确定的最优聚焦可用于调整或修复步进器透镜系统，选择最优步进器操作参数以最小化光学像差的不利影响，或监测步进器透镜系统的稳定性。接着，最优聚焦确定过程300可结束。
经校正的聚焦曝光信息可由操作者手动输入到光刻工具或由系统自动输入到光刻工具。在大多数情况中，可将校正馈送到分析及决定作出何种实际校正的程序或计算机中。例如，可决定不作校正，例如，校正太小。另外，可存在来自可改动总体校正的其它过程的其它信息。
返回到PCA实例，可相对于主分量标绘聚焦/剂量数据集。例如，可标绘每一样本数据点，其中主分量方向定义为y轴且聚焦定义为x轴。不同剂量可表示为不同轮廓线。接着，可将对称抛物线拟合到此标绘数据集。图5A包含根据本发明的一项实施例的在不同曝光下依据聚焦而变化的一组光学信号的第一主分量(PC1)的第一实例泊松图502。光学信号的PC1可经分析以确定曲线拟合，例如具有为2的多项式拟合度的抛物线504。在所说明的实例中，PC1的拟合曲线等于3.231847+2.9355253*聚焦-211.48888*(聚焦-0.04944)2。对于此曲线函数，最小PC1点对应于为0.0425的最优聚焦506。
图5B包含根据本发明的另一实施例的依据聚焦及剂量而变化的映射为一组晶片轮廓面积的光学信号的PC1的第二实例。轮廓面积对应于针对特定组的聚焦值及曝光值根据拟合曲线函数计算的不同PC1值。不同PC1值可被给予不同颜色且映射到对应FEM部位以形成PC1晶片图。此类轮廓还可经分析以确定轮廓曲线的最大点，其也对应于为0.0425的最优聚焦512。
基于关于光学信号的特征提取而确定最优聚焦似乎提供与将特征提取应用于从相同FEM部位获得的CD值一致的结果。图5C是一组CD值的第一主分量(PC1)的泊松图552，所述CD值是从用于制造图5A及5B的FEM晶片目标的相同FEM主光罩结构模拟得出。为比较结果，可经由对FEM晶片目标的实际测量或经由模拟而获得所述CD值。在所说明的实例中，PC1的拟合曲线554等于0.8792593-0.6781819*聚焦-57.945882*(聚焦-0.04944)2。对于此曲线函数，最大PC1点对应于为0.0436的最优聚焦556。同样地，图5D包含变换为其第一主分量PC1且布置为依据聚焦及剂量而变化的一组轮廓面积的一组CD值的晶片图560。因此，CD泊松图产生基本上相同于图5A到B的光学信号的主分量泊松图的最优聚焦0.0436(560)。
本发明的某些技术提供有效率的非破坏性方式来确定最优聚焦。另外，可在无需使用模型的情况下实施用于确定聚焦或其它工艺参数的某些技术。
用于确定最优聚焦的工艺可应用于多个目标类型(例如，用具有不同设计特性，例如间距、CD等等的不同特定目标重复图3的过程300)。使用多个目标类型的联立解一般克服与工艺参数对目标参数的相依性相关联的问题，允许针对给定目标参数值的工艺参数的多个解。例如，在特定线宽的情况下，聚焦曝光相依性在聚焦方面非线性，且允许聚焦的多个解，即使已精确地知晓曝光剂量。联立解还可消除可在使用来自仅一个参数的信息来对聚焦及/或曝光求解时遇到的解之间的退化(不同目标参数可具有对聚焦及曝光的不同相依性)。使用从诸多聚焦曝光矩阵测量结果确定的聚焦解可平均化测量误差、步进误差及类似者。
由于光刻工具的任何特定曝光场中的每一位置还可与略微不同的倾斜位置(及对应聚焦偏移位置)相关联，所以相同目标可形成于FEM晶片上的每一曝光场的多个位置上以确定不同场位置的最优聚焦。接着，可基于从多个场(例如，依不同剂量及不同经编程聚焦而曝光)中的每一场位置获得的光学信号而确定每一场位置的最优聚焦。接着，每一场位置的最优聚焦可用于编程整个曝光场的最优聚焦倾角以实现不同场位置的不同最优聚焦值。
虽然可确定最优或最佳聚焦，但是光刻工具可实际上编程不同聚焦，这可由所述工具在感测晶片表面的精确位置时遇到的困难引起。即，光刻工具可能难以实现相对于实际晶片表面的特定焦深。尤其难以实现相对于相对透明膜(例如布置于具有其它光栅结构的层上方的光阻剂材料)的特定最优焦深。因此，所得经编程聚焦可不等于输入的最佳或最优聚焦。
本发明的某些实施例还可提供监测经编程聚焦的方式。可基于来自具有经编程聚焦偏移的多个FEM晶片的FEM数据集而确定最佳聚焦与经编程聚焦之间的关系(focusbest＝f(Focusprogrammed)。此关系可用作对无模型聚焦测量的校准。即，所述关系可用于调整聚焦。图6是根据本发明的替代实施例的最优聚焦与经编程聚焦之间的实例关系。每一点对应于特定最优或“预测”聚焦(从一组特定FEM信号确定)及经编程“实际”聚焦。
通过确定最佳聚焦与经编程聚焦之间的关系，无需单独模型来从几何参数(或光学信号)导出实际聚焦。由于通过此关系而捕获工艺变动，所以即使下面的结构拓扑归因于工艺变动而改变，仍然可测量实际聚焦。此无法或难以使用既有的基于模型的度量方法来建模。传统上，基于模型的半导体度量包含公式化度量模型，所述度量模型尝试基于测量目标与特定度量系统的相互作用的模型而预测所测量的光学信号。特定目标模型包含：依据所关注的测量目标的物理性质(例如膜厚度、关键尺寸、折射率、光栅间距等等)而将结构参数化。另外，所述模型包含：将测量工具本身参数化(例如波长、入射角、偏光角等等)。
用于确定最优聚焦且监测聚焦的上述技术可应用于任何适合工艺参数。工艺参数一般是指用于控制光刻系统的处理条件的参数。工艺参数一般显著地影响图案。例如，工艺参数可对应于聚焦偏移、曝光剂量、光阻厚度、显影时间及温度、后曝光烘焙时间及温度、及类似者。所确定的工艺设置可用于改进对随后光刻图案化的控制，且用于确定光刻图案的质量是否满足特定要求。工艺参数确定或监测可适合于多种光刻工艺，如(例如)涉及半导体制造、光学装置制造、微机械装置制造、磁性记录数据存储器制造及类似者的光刻工艺。虽然工艺参数确定或监测可用于上述工艺中的任一者中，但是为便于讨论，本文中所描述的本发明的某些实施例针对半导体制造。
虽然已依据几个较佳实施例而描述本发明的某些实施方案，但是存在落于本发明的范围内的变更、排列及等效物。例如，虽然全文使用术语晶片(例如半导体)，但是应注意，当本发明的某些技术用于其它类型的制造时，术语晶片也可应用于工件、衬底、样本及类似者(其与其它类型的制造相关联)。还应注意，存在实施本发明的方法及设备的诸多替代方式。例如，虽然已依据使用常规辐射技术的光刻而描述本发明的某些实施例，但是应注意，也可使用其它光刻技术，例如UV光刻(其使用紫外线)、X射线光刻(其使用X射线)、电子束光刻(其使用电子束)及离子束光刻(其使用离子束)。
硬件及/或软件的任何适合组合可用于实施例上述技术中的任一者。在一般实例中，度量工具可包括：照明系统，其照亮目标；收集系统，其捕获由所述照明系统与目标、装置或特征的相互作用(或无相互作用)提供的相关信息；及处理系统，其使用一或多种算法来分析所收集的信息。度量工具一般可用于测量涉及与各种半导体制程相关联的结构及材料特性(例如，材料组成、结构及膜的尺寸特性(例如结构的膜厚度及/或关键尺寸)、套刻等等)的各种辐射信号。此类测量可用于促进工艺控制及/或提升半导体裸片制造的效率。
度量工具可包括可与本发明的某些实施例一起使用的一或多种硬件配置。此类硬件配置的实例包含(但不限于)以下各项：光谱椭偏仪(SE)、具有多个照明角的SE、测量穆勒矩阵元素的SE(例如，使用(几个)旋转补偿器)、单波长椭偏仪、光束剖面椭偏仪(角度解析椭偏仪)、光束剖面反射仪(角度解析反射仪)、宽带反射光谱仪(光谱反射仪)、单波长反射仪、角度解析反射仪、成像系统及散射仪(例如斑点分析器)。
硬件配置可分离成离散操作系统。另一方面，一或多种硬件配置可组合成单个工具。第7,933,026号美国专利中进一步说明及描述多种硬件配置组合成单个工具的一个实例，所述专利的全文以引用方式并入本文中以用于全部目的。例如，图7展示包括以下各项的示范性度量工具的示意图：a)宽带SE(例如18)；b)SE(例如2)，其具有旋转补偿器(例如98)；c)光束剖面椭偏仪(例如10)；d)光束剖面反射仪(例如12)；e)宽带反射光谱仪(例如14)；及f)深紫外线反射光谱仪(例如16)。另外，此类系统中通常存在众多光学元件(例如92、72、94、70、96、74、76、80、78、98、100、102、104、32/33、42、84、60、62、64、66、30、82、29、28、44、50、52、54、56、46、34、36、38、40及86)，其包含某些透镜、准直器、反射镜、四分之一波板、偏光器、检测器、相机、孔隙及/光源。光学系统的波长可从约120nm变动到3微米。对于非椭偏仪系统，所收集的信号可经偏光解析或未经偏光。图7提供集成于相同工具上的多个度量头的说明。然而，在许多情况中，多个度量工具用于对单个度量目标或多个度量目标的测量。例如，赞古伊(Zangooie)等人的名称为“多种工具及结构分析(Multiple tool andstructure analysis)”的U.S.7,478,019中进一步描述多工具度量的几个实施例，所述专利的全文以引用方式并入本文中以用于全部目的。
某些硬件配置的照明系统可包含一或多个光源。所述一或多个光源可产生具有唯一波长的光(例如单色光)、具有数个离散波长的光(例如多色光)、具有多个波长的光(例如宽带光)及/或连续或在波长之间跳跃地扫过多个波长的光(例如可调谐光源或扫频光源)。适合光源的实例是：白光源；紫外线(UV)激光；弧光灯或无电极灯；激光维持等离子体(LSP)光源，例如购自美国马萨诸塞州沃伯恩(Woburn,Massachusetts)的Energetiq Technology公司的光源；超连续光源(例如宽带激光源)，例如购自美国新泽西州摩根维尔(Morganville,New Jersey)的NKT Photonics公司的光源；或较短波长光源，例如x射线光源、极UV光源或其某一组合。光源还可经配置以提供具有足够亮度(在一些情况中，其可为大于约1W/(nm*cm2*Sr)的亮度)的光。度量系统还可包含用于使光源的功率及波长稳定的对光源的快速反馈。可经由自由空间传播而输送光源的输出，或在一些情况中，可经由任何类型的光纤或光导而输送光源的输出。
接着，一或多个检测器或光谱仪经配置以经由集光光学元件而接收从样品4的表面反射或以其它方式散射的照明。适合传感器包含电荷耦合装置(CCD)、CCD阵列、时延积分(TDI)传感器、TDI传感器阵列、光电倍增管(PMT)及其它传感器。可将所测量的光谱或所检测的信号数据从每一检测器传递到处理器系统48以用于分析。
应认识到，可通过单处理器系统48或替代地多处理器系统48而实施本发明中所描述的各种步骤。此外，图7的系统的不同子系统(例如光谱椭偏仪)可包含适合于实施本文中所描述的步骤的至少部分的计算机系统。因此，以上描述不应被解译为对本发明的限制，而是仅为说明。此外，一或多个处理器系统48可经配置以执行本文中所描述的方法实施例中的任一者的任何其它步骤。
另外，处理器系统48可按所属领域中已知的任何方式通信地耦合到检测器系统。例如，一或多个处理器系统48可耦合到与检测器系统相关联的计算系统。在另一实例中，可由耦合到处理器系统48的单计算机系统直接控制所述检测器系统。
度量系统的处理器系统48可经配置以通过可包含有线及/或无线部分的传输媒体而从系统的子系统接收及/或获取数据或信息。以此方式，所述传输媒体可充当图7的系统的处理器系统48与其它子系统之间的数据链路。
集成度量系统的处理器系统48可经配置以通过可包含有线及/或无线部分的传输媒体而从其它系统接收及/或获取数据或信息(例如，测量结果、所提取特征、经变换的数据集、曲线拟合、所确定的最佳聚焦或其它工艺设置、最佳聚焦与实际聚焦之间的关系、聚焦校正等等)。以此方式，所述传输媒体可充当处理器系统48与其它系统(例如度量系统板上存储器、外部存储器、参考测量源或其它外部系统)之间的数据链路。例如，处理器系统48可经配置以经由数据链路而从存储媒体(例如，内部或外部存储器)接收测量数据。例如，使用检测系统来获得的光谱结果可存储于永久或半永久存储器装置(例如，内部或外部存储器)中。就此而言，光谱结果可从板载存储器或从外部存储器系统导入。此外，处理器系统48可经由传输媒体而将数据发送到其它系统。例如，由处理器系统48确定的最优聚焦或聚焦校正可传送及存储于外部存储器中。就此而言，测量结果可导出到另一系统。
处理器系统48可包含(但不限于)个人计算机系统、主机计算机系统、工作站、图像计算机、并行处理器或所属领域中已知的任何其它装置。一般而言，术语“处理器系统”可经广泛定义以涵盖具有执行来自存储器媒体的指令的一或多个处理器的任何装置。可通过传输媒体(例如导线、电缆或无线传输链路)而传输实施方法(例如本文中所描述的方法)的程序指令。程序指令可存储于计算机可读媒体(例如存储器)中。示范性计算机可读媒体包含只读存储器、随机存取存储器、磁盘或光盘、或磁带。
度量工具可经设计以进行与半导体制造相关的诸多不同类型的测量。用于确定最优聚焦的本发明的某些实施例可利用此类测量。用于确定特定目标特性的额外度量技术也可与上述聚焦确定技术组合。例如，在某些实施例中，工具可测量光谱且确定一或多个目标的特性，例如关键尺寸、套刻、侧壁角、膜厚度、工艺相关参数(例如聚焦及/或剂量)。目标可包含具周期性的所关注的某些区域，例如存储器裸片中的光栅。目标可包含其厚度可由度量工具测量的多个层(或膜)。目标可包含置于半导体晶片上(或已存在于晶片上)以用于(例如)对准及/或套刻配准操作的目标设计。某些目标可位于半导体晶片上的各种位置处。例如，目标可位于划割线(例如裸片之间)内及/或位于裸片本身中。在某些实施例中，通过相同或多个度量工具(同时或在不同时间)测量多个目标，如US7,478,019中所描述。可组合来自此类测量的数据。来自度量工具的数据可用于半导体制造工艺中以(例如)将校正前向馈送、后向馈送及/或侧向馈送到工艺(例如光刻、蚀刻)，且因此可产生完全的工艺控制解决方案。
随着半导体装置图案尺寸不断缩小，通常需要较小度量目标。此外，测量精度及与实际装置特性的匹配增大了对类装置目标以及裸片中及甚至装置上测量的需要。已提出各种度量实施方案来实现所述目的。例如，主要基于反射光学器件的聚焦束椭圆偏光测量是所述度量实施方案中的一者且描述于皮旺卡-科勒(Piwonka-Corle)等人的专利(U.S.5,608,526，“聚焦束椭圆偏光测量方法及系统(Focused beam spectroscopic ellipsometrymethod and system)”)中。变迹器可用于减轻会引起照明光点扩散超过由几何光学器件定义的大小的光学衍射效应。诺顿(Norton)的专利(U.S.5,859,424，“用于减小光学测量及其它应用中的光点大小的变迹滤光器系统(Apodizing filter system useful forreducing spot size in optical measurements and other applications)”)中描述变迹器的使用。使用具有同时多个入射角照明的高数值孔径工具是实现小目标性能的另一方式。例如，奥普萨(Opsal)等人的专利(U.S.6,429,943，“使用同时多入射角测量的关键尺寸分析(Critical dimension analysis with simultaneous multiple angle ofincidence measurements)”)中描述此技术。
其它测量实例可包含：测量半导体堆叠的一或多个层的组成；测量晶片上(或晶片内)的某些缺陷；及测量曝光到晶片的光刻辐射的量。在一些情况中，度量工具及算法可经配置以测量非周期性目标，例如参阅P.江(P.Jiang)等人的“用于使用散射测量的CD度量中的全波电磁模拟的有限元法(The Finite Element Method for Full WaveElectromagnetic Simulations in CD Metrology Using Scatterometry)”(待审U.S.61/830536，K-T disclosure P4063)或A.库兹涅佐夫(A.Kuznetsov)等人的“用于度量及检验的有限结构及有限照明的电磁建模方法(Method of electromagnetic modeling offinite structures and finite illumination for metrology and inspection)”(待审U.S.61/761146或KT disclosure P4082)。
所关注的参数的测量通常涉及诸多算法。例如，入射光束与样本的光学相互作用是使用EM(电磁)解算器来建模，且使用例如RCWA、FEM、矩量法、面积积分法、体积积分法、FDTD及其它的算法。通常使用几何引擎或(在一些情况中)工艺建模引擎或两者的组合来对所关注的目标建模(参数化)。A.库兹涅佐夫(A.Kuznetsov)等人的“基于模型的度量与工艺模型的集成使用方法(Method for integrated use of model-based metrology and aprocess model)”(待审U.S.61/738760，P4025)中描述工艺建模的使用。可在(例如)美国加利福尼亚州米尔皮塔斯(Milpitas,CA)的KLA-Tencor公司的AcuShape软件产品中实施几何引擎。
可通过诸多数据拟合及优化技术及包含以下各项的技术而分析所收集的数据：库；快速降阶模型；回归；机器学习算法，例如神经网络、支持向量机(SVM)；降维算法，例如PCA(主分量分析)、ICA(独立分量分析)、LLE(局部线性嵌入)；稀疏表示法，例如傅立叶或小波变换；卡曼滤波；促进自相同或不同工具类型的匹配的算法；及其它。
还可通过不包含建模、优化及/或拟合的算法(例如临时专利申请案61/745981，所述案以引用方式并入本文中)而分析所收集的数据。
通常使用一或多种方法(例如计算硬件的设计及实施、并行化、计算的分布、负载平衡、多服务支持、动态负载优化等等)将计算算法优化以用于度量应用。可在固件、软件、FPGA、可编程光学组件等等中完成算法的不同实施方案。
数据分析及拟合步骤可用于追求以下目的中的一者：CD、SWA、形状、应力、组成、膜、带隙、电性质、聚焦/剂量、套刻、产生工艺参数(例如光阻状态、分压、温度、聚焦模型)及/或其任何组合的测量；度量系统的建模及/或设计；及度量目标的建模、设计及/或优化。
本文中所呈现的本发明的某些实施例大体上涉及半导体度量及工艺控制的领域，且不限于硬件、算法/软件实施方案及架构，及上文所总结的使用案例。
虽然已为清楚理解的目的而详细描述本发明，但是应明白，可在随附权利要求书的范围内实践某些改变及修改。应注意，存在实施本发明的过程、系统及设备的诸多替代方式。据此，本发明的实施例应被视为具说明性且非限制性，且本发明不限于本文中所给出的细节。

Claims (21)

1.一种确定光刻系统的最优聚焦的方法，所述方法包括：
采用检验或度量工具从位于半导体晶片上的多个场的每一者中的特定目标获取多个光学信号，其中所述场的特定目标是使用包含不同聚焦值的不同工艺参数从相同设计图案来形成，其中所述检验或度量系统包括：
照明器，其用于产生照明；
照明光学器件，其用于将所述照明导引朝向位于所述多个场的每一者中的特定目标；
集光光学器件，其用于将响应于所述照明来自位于所述多个场的每一者中的所述特定目标的多个光学信号导引到检测器系统；及
所述检测器系统，其用于获取响应于所述照明而来自所述多个场的每一者中的所述特定目标的所述多个光学信号；
针对每一个场，将所述光学信号的第一子集组合成组合信号，与所述光学信号的其它子集相比，所述光学信号的第一子集对聚焦的变化最敏感；
将曲线拟合到依据聚焦变化的所述多个场的组合信号；及
确定所述曲线中的极值点且将其报告为用于所述光刻系统中的最优聚焦。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述组合信号是光学信号的所述第一子集的线性组合。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述组合信号是光学信号的所述第一子集的非线性组合。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述组合信号是从光学信号的所述第一子集的变换产生的多个第二光学信号的组合。
5.根据权利要求4所述的方法，其中使用主分量分析PCA、独立分量分析ICA或局部线性嵌入LLE算法来完成所述变换。
6.根据权利要求5所述的方法，其中使用主分量分析PCA来完成所述变换，且所述组合信号是相对于由所述主分量分析PCA变换产生的第一主分量的所述第二光学信号的组合。
7.根据权利要求1所述的方法，其中从聚焦曝光矩阵FEM晶片获取所述光学信号。
8.根据权利要求1所述的方法，其中拟合到所述组合信号的所述曲线是抛物线。
9.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：
对于多个半导体晶片重复所述获取、提取、拟合及确定及报告的操作以确定多个最优聚焦；及
确定所述光刻系统的实际聚焦与最优聚焦之间的关系。
10.根据权利要求1所述的方法，其中使用以下一或多项来获取所述光学信号：光谱椭圆偏光测量、穆勒矩阵光谱椭圆偏光测量、光谱反射测量、光谱散射测量、光束剖面反射测量、光束剖面椭圆偏光测量、单个波长、单个离散波长范围或多个离散波长范围。
11.一种用于检验或测量样品的系统，其包括：
照明器，其用于产生照明；
照明光学器件，其用于将所述照明导引朝向位于半导体晶片上的多个场中的特定目标，其中所述场的特定目标是使用不同工艺参数从相同设计图案来形成；
集光光学器件，其用于将响应于所述照明来自位于所述多个场的每一者中的所述特定目标的多个光学信号导引到检测器系统；
所述检测器系统，其用于获取响应于所述照明而来自所述多个场中的所述特定目标的所述多个光学信号；及
处理器及存储器，其经配置以执行以下操作：
针对每一个场，将所述光学信号的第一子集组合成组合信号，与所述光学信号的其它子集相比，所述光学信号的第一子集对聚焦的变化最敏感；
将曲线拟合到依据聚集变化的所述多个场的组合信号；及
确定所述曲线中的极值点且将其报告为用于光刻系统中的最优聚焦。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述组合信号是光学信号的所述第一子集的线性组合。
13.根据权利要求11所述的系统，其中所述组合信号是光学信号的所述第一子集的非线性组合。
14.根据权利要求11所述的系统，其中所述组合信号是从光学信号的所述第一子集的变换产生的多个第二光学信号的组合。
15.根据权利要求14所述的系统，其中使用主分量分析PCA、独立分量分析ICA或局部线性嵌入LLE算法来完成所述变换。
16.根据权利要求15所述的系统，其中使用主分量分析PCA来完成所述变换，且所述组合信号是相对于由所述主分量分析PCA变换产生的第一主分量的所述第二光学信号的组合。
17.根据权利要求11所述的系统，其中从聚焦曝光矩阵FEM晶片获取所述光学信号。
18.根据权利要求11所述的系统，其中拟合到所述组合信号的所述曲线是抛物线。
19.根据权利要求11所述的系统，其中所述处理器及存储器进一步经配置以：
对于多个半导体晶片重复所述获取、提取、拟合及确定及报告的操作以确定多个最优聚焦；及
确定所述光刻系统的实际聚焦与最优聚焦之间的关系。
20.根据权利要求11所述的系统，其中使用以下一或多项来获取所述光学信号：光谱椭圆偏光测量、穆勒矩阵光谱椭圆偏光测量、光谱反射测量、光谱散射测量、光束剖面反射测量、光束剖面椭圆偏光测量、单个波长、单个离散波长范围或多个离散波长范围。
21.根据权利要求11所述的系统，其呈椭偏仪的形式，所述系统进一步包括：
偏光状态产生器，其用于在所述照明中产生偏光状态；及
偏光状态分析器，其用于分析所述光学信号的偏光状态。
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