CN107533020B - 计算上高效的基于x射线的叠盖测量系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明呈现用于基于x射线衍射测量数据而执行装置结构的叠盖误差及边缘放置误差的方法及系统。基于在多个不同入射角及方位角下测量的每一x射线衍射级内的强度变化而估计计量目标的不同层之间的叠盖误差。所述对叠盖的估计涉及使共同级的强度调制参数化，使得低频率形状调制由一组基函数描述，且高频率叠盖调制由包含指示叠盖的参数的仿射‑三角函数描述。除叠盖之外，还基于测量模型与所述所测量衍射级的所述强度的拟合分析而估计所述计量目标的形状参数。在一些实例中，同时执行所述对叠盖的估计及所述对一或多个形状参数值的估计。

Description

计算上高效的基于X射线的叠盖测量系统与方法

相关申请案交叉参考

本专利申请案依据35U.S.C.§119主张于2015年4月28日提出申请的标题为“用于使用X射线计量技术来测量半导体装置叠盖的无模型方法及设备(Model-Free Method andApparatus for Measuring Semiconductor Device Overlay Using X-ray MetrologyTechniques)”的第62/154,108号美国临时专利申请案的优先权，所述申请案的标的物以其全文引用的方式并入本文中。

技术领域

所描述实施例涉及计量系统及方法，且更明确地说涉及用于经改进测量准确度的方法及系统。

背景技术

通常通过适用于样品的一系列处理步骤来制作例如逻辑及存储器装置的半导体装置。通过这些处理步骤形成半导体装置的各种特征及多个结构层级。举例来说，除其它之外，光刻也是涉及在半导体晶片上产生图案的一种半导体制作工艺。半导体制作工艺的额外实例包含但不限于化学机械抛光、蚀刻、沉积及离子植入。可在单一半导体晶片上制作多个半导体装置，且接着将所述多个半导体装置分离成个别半导体装置。

在半导体制造工艺期间的各个步骤处使用计量过程来检测晶片上的缺陷以促成较高合格率。通常使用若干种基于计量的技术(包含散射测量及反射测量实施方案)及相关联分析算法来表征临界尺寸、膜厚度、组合物及纳米级结构的其它参数。

在低于20纳米的半导体装置制作节点处制作的大部分高级逻辑及存储器装置是使用多种图案化工艺而构造。示范性多种图案化工艺包含自对准双重图案化(SADP)、自对准三重图案化(SATP)及自对准四重图案化(SAQP)技术。

在一个实例中，SAQP鳍形成工艺实现为利用常规单图案光刻可获得的间距的四分之一的目标间距。在一个实例中，产生鳍结构需要至少十四个步骤。这些步骤包含必须精确地控制以实现具有所要间距及轮廓的鳍结构的光刻、蚀刻及剥离步骤。通过SAQP鳍形成工艺而实现的最终间距值及鳍轮廓(例如，CD、SWA)受来自先前步骤的结构参数值(例如，抗蚀剂轮廓参数、间隔件膜厚度及其它参数)影响。

当前，对叠盖的测量主要基于光学成像或非成像衍射(散射测量)使用光学方法来执行。然而，这些方法尚未可靠地克服与许多高级目标(例如，复杂3D结构、小于10nm的结构、采用不透明材料的结构)的测量及测量应用(例如，线边缘粗糙度及线宽度粗糙度测量)相关联的基本挑战。

随着装置(例如，逻辑及存储器装置)朝较小纳米级尺寸进展，表征变得更困难。并入有复杂三维几何结构及具有迥异物理性质的材料的装置加剧表征困难度。举例来说，现代存储器结构通常是使光辐射难以穿透到底部层的高纵横比三维结构。利用红外光到可见光的光学计量工具可穿透半透明材料的许多层，但提供良好穿透深度的较长波长不提供对小异常现象的充足敏感度。另外，表征复杂结构(例如，FinFET)所需的越来越多数目的参数导致越来越多的参数相关。因此，通常无法可靠地将表征目标的参数与可用测量值解耦。对于一些结构参数，例如边缘放置误差(EPE)，当前不存在高吞吐量(例如，光学)测量解决方案。

在另一实例中，在现代半导体结构中越来越多地采用不透明高k材料。光辐射通常无法穿透由这些材料构造的层。因此，利用薄膜散射测量工具(例如椭圆偏光计或反射计)进行的测量变得越来越具挑战性。

在一些实例中，还采用光学叠盖计量，但光学叠盖测量需要专门计量目标来表征通过多种图案化技术制作的结构。在现有方法中，通常基于对通过光刻工具而形成于晶片上的各个位置处的专门目标结构的测量而估计叠盖误差。目标结构可采用许多形式，例如盒中盒结构。以此形式，一盒形成于晶片的一个层上且第二较小盒形成于另一层上。通过比较两个盒的中心之间的对准而测量局部化叠盖误差。在晶片上的其中可获得目标结构的位置处进行此类测量。

不利地，这些专门目标结构通常不符合用以产生电子装置的特定半导体制造工艺的设计规则。此导致对与根据适用设计规则制造的实际装置结构相关联的叠盖误差的估计错误。

在一个实例中，基于图像的光学叠盖计量严格受限于在光学波长下的成像分辨率。因此，仅可测量具有比设计规则大得多的特征的目标。基于图像的光学叠盖计量通常需要用光学显微镜来分辨图案，所述光学显微镜需要具有远超过设计规则临界尺寸的临界尺寸的粗线。

在另一实例中，基于0级衍射的基于散射测量的光学叠盖计量对小叠盖误差具有极低敏感性，这是因为敏感性随周期性目标的间距而降低。此迫使间距趋向于比装置的设计规则大得多的尺寸。此外，在其中测量叠盖的各层中的任一者中存在任何不对称的情况下，此测量方法的准确性会显著降级。另外，此方法在单个测量中无法区分正叠盖误差与负叠盖误差。

在另一实例中，基于高于零的衍射级的基于散射测量的光学叠盖计量还需要相对大间距目标来在非零传播衍射级处产生充分信号。在一些实例中，可使用介于500nm到800nm的范围内的间距值。同时，逻辑或存储器应用的实际装置间距(设计规则尺寸)可是小得多的，例如，在100nm到400nm的范围内，或甚至低于100nm。另外，在其中测量叠盖的各层中的任一者中存在任何不对称的情况下，此方法的准确性会显著降级。

原子力显微镜(AFM)及扫描隧道显微镜(STM)能够实现原子分辨率，但其仅可探测样品的表面。另外，AFM及STM显微镜需要长扫描时间。

扫描电子显微镜(SEM)实现中等分辨率水平，但无法在不破坏样本的情况下穿透结构到充足深度。因此，不能良好地表征高纵横比孔。另外，样品的所需充电对成像性能具有不利影响。

透射电子显微镜(TEM)实现高分辨率水平且能够探测任意深度，但TEM需要对样品进行毁灭性剖切。

在另一实例中，x射线叠盖测量方法是基于识别固定(法向)入射下的衍射级(“波瓣”)之间的经衍射x射线能量重新分布。此方法描述于叶契姆(Yokhim)等人的且受让于约旦谷应用辐射公司(Jordan Valley Applied Radiation,Ltd.)的第7,481,579号美国专利中。此数量对叠盖具有相对低敏感性且与CD几何参数强相关，这是因为此数量不考虑每一衍射级内的强度分布。因此，需要外部计量系统或计算上昂贵的模拟来校准CD的效应。这些方法中的任一者在准确性及精确度方面受限，此归因于CD参数(例如，不对称)与叠盖之间的高相关性。

在另一实例中，x射线叠盖测量方法是基于在晶片围绕位于晶片表面的平面中的轴线旋转时对经测量强度信号的调制。进一步细节描述于维德曼(Veldman)等人的第2015/0117610 A1号美国专利公开案中，所述美国专利公开案的内容以全文引用的方式并入本文中。在此实例中，所测量周期性投影到法向于晶片表面的维度中，而不投影到平行于晶片表面且垂直于周期性维度的方向中。

概括地说，针对逻辑装置及高级DRAM以及垂直或平面NAND装置的在低于20纳米的装置制作节点处的半导体装置合格率是许多参数的复杂函数，所述参数包含膜厚度、经图案化线的轮廓参数、叠盖误差及边缘放置误差(EPE)。对于这些参数，EPE具有最苛刻的过程窗且需要对CD及叠盖进行计量及控制。当前，不存在对EPE测量及许多装置上叠盖测量应用的高吞吐量光学计量解决方案。另外，充分计量的缺乏使得定义用以改进装置合格率的控制方案具有挑战性。

由于越来越小的分辨率需要、多参数相关性、越来越复杂的几何结构及不透明材料的越来越多的使用，因此未来计量应用对计量提出挑战。因此，需要用于经改进叠盖及形状测量的方法及系统。

发明内容

呈现用于基于x射线衍射测量数据而执行结构及材料的叠盖及边缘放置误差的方法及系统。在一个方面中，计量目标的x射线衍射测量在若干不同入射角及方位角(如参考固定到计量目标的坐标系所测量)下执行。计量目标的不同半导体层之间的叠盖误差是基于在多个不同入射角及多个不同方位角下测量的每一x射线衍射级内的强度变化而估计。

当在多个不同入射角及多个不同方位角下做出测量时，计量目标的不同层中的两个或多于两个结构的垂直堆叠以强烈且独特的方式影响x射线所衍射信号。因此，基于所述所测量强度而估计叠盖值及形状参数值。

在另一方面中，所述对叠盖的估计涉及使共同级的强度调制参数化，使得低频率形状调制由一组基函数或基函数的比率描述，且高频率叠盖调制由包含指示所述叠盖的参数的仿射-三角函数描述。通过将所测量强度信号拟合到现象学简单函数，可以计算上高效的方式估计与多个层相关联的叠盖偏移。因此，所述测量以相对低的计算成本执行且不具有外部参考计量，因而克服了对基于SEM、光学计量或其它建议x射线计量技术的当前方法的限制。

在另一方面中，设计一组入射角及方位角以增强叠盖调制的空间频率，使得对叠盖的敏感性得以增加且叠盖与形状参数之间的相关性得以最小化。

在另一方面中，提供一种叠盖目标，所述叠盖目标基于在若干不同入射角及方位角下执行的对计量目标的x射线衍射测量而在两个不同方向上展现对叠盖的敏感性。在一些实施例中，所述叠盖计量目标包含在一个方向(例如，x方向)上及在正交方向(例如，y方向)上具有一组相等光栅数目的2D周期性结构的任何两个层。在一些其它实施例中，所述叠盖计量目标包含三个或多于三个层。所述第一层包含1D周期性结构。

在另一方面中，所述叠盖计量目标经特别优化以增加来自组成层中的每一者的叠盖信号的独立性且使叠盖测量的精确度及准确性最大化。

在一些实施例中，多层叠盖计量目标经设计使得每一两层组合之间的间隔参数集合不同且所有层组合之间的最小间隔距离在符合对计量目标的总体高度的约束的情况下被最大化。

在一些实施例中，多层叠盖计量目标经设计在不同层处具有不同间距，使得由一个层引起的衍射级以相长方式干涉另一层的不同衍射级。

在一些实施例中，多层叠盖计量目标经设计在不同层处具有不同间距定向，使得由一个层引起的衍射级以相长方式干涉另一层的不同衍射级。

在又一方面中，基于对衍射级的所检测强度与测量模型的拟合分析而估计包括计量目标的结构中的任一者的形状参数的值。在一些实例中，同时执行对叠盖的估计及对一或多个形状参数值的估计。

前述内容是概括内容且因此必然含有细节的简化、概述及省略；因此，所属领域的技术人员将了解，概括内容仅为说明性的且不以任何方式为限制性的。在本文中所陈述的非限制性实施方式中，本文中所描述的装置及/或过程的其它方面、发明性特征及优点将变得显而易见。

附图说明

图1是图解说明在微电子芯片的静态随机存取存储器(SRAM)区域10中所制作的线结构11的硬掩模图案的图式。

图2是图解说明安置在图1中所描绘的线结构的图案的顶部上的底部抗反射涂层(BARC)层12及抗蚀剂层13的图式。

图3是图解说明用于根据本文中所呈现的示范性方法而测量样品的特性的x射线计量工具100的实施例的图式。

图4是图解说明用于根据本文中所呈现的示范性方法而测量样品的特性的x射线计量工具200的另一实施例的图式。

图5是图解说明用于根据本文中所呈现的示范性方法而以掠入射模式测量样品的特性的x射线计量工具300的又一实施例的图式。

图6是图解说明含纳于与样品101分离的真空环境162中的计量系统100、200及300的x射线检测器116的图式。

图7是图解说明包含用x射线辐射束以入射角及方位角照射的计量目标120的晶片101的图式。

图8描绘包含不同层中的两个周期性线阵列151及152的分层计量目标150。

图9描绘指示针对图8中所图解说明的计量目标的入射角范围对-2及+2衍射级的简化强度模型及对应所测量值的拟合的模拟的曲线图170。

图10描绘装置结构400的俯视图，所述装置结构包含作用场401-404、门405-408及接点409-421。

图11是图解说明经配置以基于如本文中所描述的强度测量数据的调制而估计叠盖的模型构建与分析引擎180的图式。

图12是图解说明基于如本文中所描述的强度测量数据的调制而估计叠盖的示范性方法的流程图400。

具体实施方式

现在将详细参考背景技术实例及本发明的一些实施例，本发明的实例图解说明于附图中。

图1描绘在微电子芯片的静态随机存取存储器(SRAM)区域10中所制作的线结构11的硬掩模图案。通过组合多种图案化技术与切割掩模而形成作用区的复杂布局。切割掩模选择性地移除用于使衬底图案为作用区的硬掩模层的部分。图2描绘安置在图1中所描绘的线结构的图案的顶部上的底部抗反射涂层(BARC)层12及抗蚀剂层13。抗蚀剂层用于选择性地移除在抗蚀剂层13的开口14下方的硬掩模图案的部分。如图1中所描绘，线结构11的硬掩模图案被BARC层12掩埋，即使在抗蚀剂层13的开口14内也是如此。

为提供切割掩模工艺的充分合格率，需要对形状参数(例如，CD、HT、SWA)、膜厚度及叠盖进行可靠测量。对叠盖的计算表明叠盖是来自四重图案化工艺的先前步骤的许多结构参数的函数。切口的边缘与邻近线结构之间的间隙的分布及因此工艺的合格率取决于所有工艺参数的复杂相互作用。

在另一实例中，边缘放置距离(EPD)及相关联边缘放置误差(EPE)是在做出装置电接点之后进行监视及控制的重要参数。所要EPD与实际EPD之间的差异称为EPE。EPD及EPE是叠盖及CD误差两者的函数。

呈现用于基于x射线衍射测量数据而执行结构及材料的叠盖及边缘放置误差的方法及系统。在一些实施例中，同时执行对设计规则目标的叠盖及形状参数(例如，CD)测量。本文中所呈现的方法及系统可应用于位于功能裸片内或位于功能裸片外的二维及三维设计规则计量目标。本文中所描述的测量方法及系统适用于2x、1x及0x技术节点及以后的技术节点。除提供叠盖计量能力之外，本文中所描述的方法及系统通过使所测量结构的几何参数解除强相关而增强形状参数测量的精确度及准确性。

高亮度x射线辐射的使用使得高通量x射线辐射能够穿透到目标的不透明区域中。在一些实例中，以掠入射或透射入射配置采用小角度x射线散射测量(SAXS)测量。SAXS测量涉及用X射线束照射样本及检测相对于样本的多个入射角度、多个波长或两者的所得衍射级的强度。使用SAXS的可测量几何参数的实例包含孔大小、孔密度、线边缘粗糙度、线宽度粗糙度、侧壁角度、轮廓、临界尺寸、叠盖、边缘放置误差及间距。可测量材料参数的实例包含电子密度、元素识别及组合物。在一些实例中，SAXS使得能够测量小于10nm的特征以及其中需要几何参数及材料参数的测量的高级半导体结构(例如自旋转移扭矩MRAM)。

图3图解说明用于根据本文中所呈现的示范性方法而测量样品的特性的计量工具100的实施例。如图3中所展示，系统100可用于在安置于样品定位系统140上的样品101的检查区域102内执行透射SAXS测量。在一些实施例中，检查区域102具有五十微米或小于五十微米的光点大小。

在所描绘实施例中，计量工具100包含经配置以产生适合于SAXS测量的x射线辐射的x射线照射源110。在一些实施例中，x射线照射系统110经配置以产生介于0.01纳米与1纳米之间的波长。x射线照射源110产生入射于样品101的检查区域102上的x射线束117。

一般来说，可涵盖能够以足以实现高吞吐量直列式计量的通量水平产生高亮度x射线的任何适合高亮度x射线照射源以供应用于SAXS测量的x射线照射。在一些实施例中，x射线源包含使得x射线源能够供给处于不同可选择波长的x射线辐射的可调谐单色仪。

在一些实施例中，采用发射具有大于15keV的光子能量的辐射的一或多个x射线源。通过非限制性实例的方式，可采用粒子加速器源、液态阳极源、旋转阳极源、微焦源、微焦旋转阳极源及逆康普顿(Compton)源中的任一者作为x射线源110。在一个实例中，可涵盖可从加利福尼亚州(美国)帕洛阿尔托市的麟鑫技术公司(Lyncean Technologies,Inc.)购得的逆康普顿源。逆康普顿源具有能够在光子能量范围内产生x射线借此使得x射线源能够供给处于不同可选择波长的x射线辐射的额外优点。

示范性x射线源包含经配置以轰击固态或液态目标以刺激x射线辐射的电子束源。图4描绘用于根据本文中所呈现的示范性方法而测量样品的特性的计量工具200。计量工具100与200的相同编号的元件是类似的。然而，在图4中所描绘的实施例中，x射线照射源110是以液态金属为基础的x射线照射系统。液态金属喷流119从液态金属容器111产生且在液态金属收集器112中收集。液态金属循环系统(未展示)使由收集器112收集的液态金属返回到液态金属容器111。液态金属喷流119包含一或多个元素。通过非限制性实例的方式，液态金属喷流119包含铝、镓、铟、锡、铊及铋中的任一种。以此方式，液态金属喷流119产生与其组成元素对应的x射线。在一个实施例中，液态金属喷流包含镓与铟的合金。在一些实施例中，x射线照射系统110经配置以产生介于0.01纳米与1纳米之间的波长。电子束源113(例如，电子枪)产生由电子光学器件114引导到液态金属喷流119的电子流118。适合电子光学器件114包含用于聚焦电子束且将所述电子束引导于液态金属喷流处的电磁铁、永久磁铁或电磁铁与永久磁铁的组合。液态金属喷流119与电子流118的并存产生入射于样品101的检查区域102上的x射线束117。

在一个实施例中，入射x射线束117处于24.2keV的铟kα线。使用用于透射SAXS测量的多层x射线光学器件将所述x射线束缩小准直为小于一毫弧度发散度。

2011年4月19日颁予科磊公司(KLA-Tencor Corp.)的第7,929,667号美国专利中描述了用于产生高亮度液态金属x射线照射的方法及系统，所述美国专利的全文以引用方式并入本文中。

如图3中所描绘，x射线光学器件115将入射x射线束117塑形并引导到样品101。在一些实例中，x射线光学器件115包含用以将入射于样品101上的x射线束单色化的x射线单色仪。在一个实例中，采用晶体单色仪(例如洛克斯利-坦纳-鲍文(Loxley-Tanner-Bowen)单色仪)来将x射线辐射束单色化。在一些实例中，x射线光学器件115使用多层x射线光学器件将x射线束117准直或聚焦到样品101的检查区域102上为小于1毫弧度发散度。在一些实施例中，x射线光学器件115包含一或多个x射线准直镜、x射线孔口、x射线束光阑、折射性x射线光学器件、衍射性光学器件(例如波带片)、镜面x射线光学器件(例如掠入射椭球面镜)、多毛细管光学器件(例如空心毛细管x射线波导)、多层光学器件或系统或者其任一组合。

x射线检测器116根据SAXS测量模态收集从样品101散射的x射线辐射125且产生指示对入射x射线辐射敏感的样品101的性质的输出信号126。在一些实施例中，x射线检测器116收集经散射x射线125，而样品定位系统140将样品101定位且定向以产生角分辨经散射x射线。在一些实施例中，x射线检测器116能够分辨一或多个x射线光子能量且针对每一x射线能量组分产生指示样品的性质的信号。在一些实施例中，x射线检测器116包含以下各项中的任一者：CCD阵列、微通道板、光电二极管阵列、微带正比计数器、以气体填充的正比计数器、闪烁体或荧光材料。在一些实施例中，x射线检测器116包含检测所检测光子的位置及数目的单个光子计数检测器。

在一些实施例中，将x射线检测器116维持于与样品101相同的大气环境(例如，气体净化环境)中。然而，在一些实施例中，样品101与x射线检测器116之间的距离是冗长的(例如，大于一米)。在这些实施例中，环境干扰(例如，空气乱流)给所检测信号造成噪声。因此，在一些实施例中，将x射线检测器中的一或多者维持于通过真空窗与样品(例如，样品101)分离的局部化真空环境中。

图6是图解说明一个实施例中的含有x射线检测器116的真空室160的图式。在优选实施例中，真空室160包含样品101与x射线检测器116之间的路径的实质部分。真空室160的开口由真空窗161覆盖。真空窗161可由对x射线辐射基本上透明的任何适合材料(例如，铍)构造。经散射x射线辐射125通过真空窗161、进入真空室160且入射于x射线检测器116上。在真空室160内维持适合真空环境162以使对经散射x射线辐射125的干扰最小化。

图5图解说明用于根据本文中所描述的方法而执行半导体计量测量的x射线计量系统300。如图5中所图解说明，x射线计量系统300包含参考图3及4所描述的类似、相同编号的元件。然而，x射线计量系统300以掠入射模式操作。更明确地说，x射线计量系统300是配置为掠入射小角度x射线散射(GISAXS)测量系统。典型入射角及收集角为从样品的表面测量的约1度或从法向于样品的表面的轴线测量的约89度。x射线计量系统300经配置使得从样品散射的x射线在样本搬运机(未展示)定位样品时由检测器收集。另外，可检测在相互作用期间产生的任何其它粒子(例如光电子、通过荧光产生的x射线或离子)。经配置以执行GISAXS测量的计量系统需要高亮度x射线源来在以小角度照射的相对大样本区域内维持充足亮度。出于此原因，参考图4所描述的液态金属喷流x射线源110特别好地适用于GISAXS测量。

通过非限制性实例的方式，分别在图3及4中图解说明的x射线计量系统100及200配置为透射小角度x射线散射计(TSAXS)，且在图5中图解说明的x射线计量系统300配置为掠入射小角度x射线散射计(GISAXS)。然而，一般来说，经配置以执行如本文中所描述的基于衍射的叠盖测量及形状参数测量的x射线计量系统可采用以下计量技术中的任何一或多者：透射小角度x射线散射(TSAXS)、掠入射小角度x射线散射(GISAXS)、广角x射线散射(WAXS)、x射线衍射(XRD)、掠入射x射线衍射(GIXRD)及高分辨率x射线衍射(HRXRD)。

计量工具100还包含计算系统130，所述计算系统用于获取由SAXS检测器116产生的信号126且至少部分地基于所获取信号而确定样品的性质。如图3中所图解说明，计算系统130通信地耦合到SAXS检测器116。

在另一实施例中，计算系统130经配置以采用实时临界尺寸标注(RTCD)实时地存取模型参数，或计算系统130可存取预计算模型的库以确定与样品101相关联的至少一个样品参数值的值。一般来说，可使用某一形式的CD引擎来估计样品的经指派CD参数与和所测量样品相关联的CD参数之间的差。2010年11月2日颁予颁予科磊公司的第7,826,071号美国专利中描述了用于计算样品参数值的示范性方法及系统，所述美国专利的全文以其全文引用的方式并入本文中。第2013/0304424号美国专利公开案及第2015/0110249号美国专利公开案中提供了关于半导体结构的基于x射线的测量的额外细节，所述美国专利公开案以其全文引用的方式并入本文中。

在另一方面中，计量工具100包含经配置以实施如本文中所描述的射束控制功能性的计算系统(例如，计算系统130)。在图3中所描绘的实施例中，计算系统130配置为可操作以控制入射SAXS照射束117的照射性质(例如强度、发散度、光点大小、偏光、光谱及定位)中的任一者的射束控制器。

如图3中所图解说明，计算系统130通信地耦合到SAXS检测器116。计算系统130经配置以从SAXS检测器116接收测量数据126。在一个实例中，测量数据126包含对样品的所测量SAXS响应(即，衍射级的强度)的指示。基于检测器116的表面上的所测量SAXS响应的分布，由计算系统130确定SAXS照射束117在样品101上的入射位置及区域。在一个实例中，由计算系统130应用图案辨识技术来基于测量数据126确定SAXS照射束117在样品101上的入射位置及区域。在一些实例中，计算系统130将命令信号137传递到照射光学器件115以选择所要照射波长且将SAXS照射束117重新引导并重新塑形，使得入射SAXS照射束117到达所要位置且相对于样品101成角度定向。在一些其它实例中，计算系统130将命令信号传递到晶片定位系统140以将样品101定位并定向，使得入射SAXS照射束117到达所要位置且相对于样品101成角度定向。在一些其它实例中，计算系统130将命令信号137传递到x射线源110以选择所要照射波长且将SAXS照射束117重新引导并重新塑形，使得入射SAXS照射束117到达所要位置且相对于样品101成角度定向。

在一个方面中，在若干不同入射角及方位角下执行计量目标的x射线衍射测量。图7描绘包含计量目标120的晶片101。x射线照射源用x射线辐射束117以入射角AOI及方位角Az照射计量目标120。入射x射线辐射束的入射角及方位角是相对于固定到样品101的坐标系{^BX,^BY,^BZ}而定义。如图7中所描绘，计量目标120包含沿^BY方向延伸且沿^BX方向为周期性的光栅结构。入射角定义为入射束相对于^BZ轴线投影到^BX-^BZ平面上的角度。在这个意义上，入射角的改变可视为晶片101围绕在具有晶片101的平面内的^BY轴线的旋转。类似地，方位角定义为入射束相对于^BX轴线投影到^BX-^BY平面上的角度。在这个意义上，方位角的改变可视为晶片101围绕法向于晶片101的^BZ轴线的旋转。

如图3中所图解说明，计量工具100包含样品定位系统140，所述样品定位系统经配置以相对于SAXS散射计在大的平面外角度定向范围内将样品101对准及将样品101定向。换句话说，样品定位系统140经配置以使样品101围绕在平面内对准到样品101的表面及法向于样品101的表面的一或多个旋转轴线在大角度范围内旋转。在一些实施例中，样品定位系统140经配置以使样品101围绕在平面内对准到样品101的表面及法向于样品101的表面的一或多个旋转轴线在至少90°的范围内旋转。以此方式，样品101的角分辨测量由计量系统100在样品101的表面上的任何数目个位置内收集。在一个实例中，计算系统130将指示样品101的所要位置的命令信号传递到样品定位系统140的运动控制器145。作为响应，运动控制器145产生去往样品定位系统140的各种致动器的命令信号以实现样品101的所要定位。

通过非限制性实例的方式，如图3中所图解说明，样品定位系统140包含用以将样品101牢固地附接到样品定位系统140的边缘夹持卡盘141。旋转致动器142经配置以使边缘夹持卡盘141及所附接样品101相对于外围框架143旋转。在所描绘实施例中，旋转致动器142经配置以使样品101围绕图3中所图解说明的坐标系统146的x轴旋转。如图3中所描绘，样品101围绕z轴的旋转是围绕样品101的法向表面的旋转。围绕x轴及y轴(未展示)的旋转是样品101的使样品的表面相对于计量系统100的计量元件有效地倾斜的平面外旋转。尽管未图解说明，但第二旋转致动器经配置以使样品101围绕y轴旋转。线性致动器144经配置以使外围框架143在x方向上平移。另一线性致动器(未展示)经配置以使外围框架143在y方向上平移。以此方式，样品101的表面上的每一位置均可用于在围绕固定到样品101的坐标系{^BX,^BY,^BZ}的轴线的旋转范围内做出的测量。

一般来说，样品定位系统140可包含用以实现所要线性及角度定位性能的机械元件的任何适合组合，包含(但不限于)测角仪载台、六脚载台、有角度载台及线性载台。

在图3-5中所描绘的实施例中，图解说明单个入射x射线辐射束。单个束相对于晶片的定向通过单个入射角及方位角而定义。对于采用单个照射束的实施例，依序执行与多个不同入射角及方位角相关联的x射线衍射测量。然而，一般来说，可同时执行与多个不同入射角及方位角相关联的x射线衍射测量。在一些实施例中，可采用一或多个x射线源及一或多组x射线光学器件，使得从多个方向(在入射角及方位角方面为离散的或连续的)同时照射计量目标。

如前文中所描述，在若干不同入射角及方位角下执行计量目标的x射线衍射测量。在另一方面中，基于在多个不同入射角及多个不同方位角下测量的每一x射线衍射级内的强度变化而估计计量目标的不同半导体层之间的叠盖误差。

当在多个不同入射角及多个不同方位角下做出测量时，计量目标的不同层中的两个或多于两个结构的垂直堆叠以强烈且独特的方式影响x射线所衍射信号。因此，可基于所测量强度而估计叠盖值及形状参数值。

在另一方面中，对叠盖的估计涉及使共同级的强度调制参数化，使得低频率形状调制由一组基函数或基函数的比率描述，且高频率叠盖调制由包含指示叠盖的参数的仿射-三角函数描述。

在一个实例中，从对正则叠盖温度的分析导出参数化。图8描绘包含各自具有周期性P的两个周期性线阵列151及152的分层计量目标150。线阵列垂直间隔达距离S，且线阵列偏移达叠盖距离D。线阵列中的每一者的高度及宽度分别由参数H及W给出。

另外，顶部线的电子密度由参数δ0给出，且底部线由δ1给出。计量目标150由具有波长λ的x射线辐射束进行照射。入射x射线辐射束以入射角θ及方位角

照在计量目标上，其中当光射线的投影垂直于光栅的周期性时，

对于此光栅，将波长数定义为k₀＝2π/λ，且将1D周期性方向上的光栅数定义为k_x＝2π/P，其中m是级数。从法向于晶片的轴线测量入射角。

对衍射强度的分析提供如方程式(1)中所图解说明的每一级的强度的近似表示。

方程式(1)图解说明：对级强度的调制不仅通过改变入射角θ做出，而且还通过改变方位角

做出。换种方式说，可预期通过改变入射角而将衍射级从与^BX对准的光栅周期性维度的投射调制成与^BZ对准的方向。另外，可预期通过改变方位角而调制来自与^BX对准的光栅周期性维度到与^BY对准的方向上的投影的衍射级。另外，入射角及方位角的改变可经协调以突出叠盖信号。举例来说，改变方位角可按比例因子

减慢归因于入射角的改变的形状及叠盖调制。最后，方程式(1)还图解说明归因于形状参数W及H的级强度的调制通常相对于由方程式(1)的末项描述的叠盖调制具有低空间频率。

由于归因于形状的相对低空间频率调制，因此可通过低阶多项式(例如，线性或二次函数)对此调制进行建模。接着，归因于间隔距离S及叠盖D的调制可由方程式(1)中所图解说明的余弦项表示。因此，每一级的强度的简化模型分别采用加法或乘法形式，如由方程式(2a)及(2b)所图解说明。

在不具有形状的明确知识的情况下，由方程式(2a)的第一项及方程式(2b)的第一因子定义的形状函数将形状调制建模为由参数aj加权的基函数θj的线性组合。如方程式(2a)及(2b)中所图解说明，采用单项式基来描述形状改变。然而，一般来说，可采用任何多项式、有理数或任何类型的基组。

参数b定义调制深度。参数D及S定义叠盖。通过改变入射角、方位角或两者，针对任一级的所得数据可使用任何适合曲线拟合例程与参数a_j、b、D及S拟合。叠盖由针对参数D的拟合给出。

前文中所描述的叠盖测量的简化模型图解说明用以基于入射角及方位角的改变对衍射级的强度变化进行建模的现象学方法。一般来说，模型可是基于其它波形及非多项式基函数。

通过将所测量强度信号拟合到现象学简单函数，可以计算上高效的方式估计与多个层相关联的叠盖偏移。因此，所述测量以相对低的计算成本执行且不具有外部参考计量，因而克服了对基于SEM、光学计量或其它建议x射线计量技术的当前方法的限制。

图9描绘指示对图8中所描绘的计量目标150的拟合结果的模拟的曲线图170。曲线171描绘针对一入射角范围对-2衍射级的归一化强度的模拟。曲线172描绘针对相同入射角范围对+2衍射级的归一化强度的模拟。曲线173描绘通过参考方程式(2)所描述的类型模型做出的对所模拟衍射强度的拟合的结果。如图9中所图解说明，参考方程式(2)所描述的简化模型提供对所模拟强度值的接近拟合。

如由方程式(2)所图解说明，叠盖调制是衍射级的偶函数。因此，来自正级及负级两者的数据可被平均化或共同地进行拟合。另外，多个级可共同地进行拟合。在一些实例中，针对每一不同衍射级可采用角度空间的不同范围。

在图1中所描绘的实施例中，计算系统130配置为模型构建与分析引擎180且可操作以实施如本文中所描述的模型构建与分析功能性。

图11是图解说明经配置以基于如本文中所描述的强度测量数据的调制而估计叠盖的模型构建与分析引擎180的图式。如图11中所描绘，模型构建与分析引擎180包含产生叠盖测量的简化模型122(例如参考方程式(2a)或(2b)所描述的模型)的叠盖模型构建模块181。模型122基于入射角及方位角的改变而俘获各种衍射级的强度变化。

拟合分析模块183接收指示衍射级的所测量强度的测量信号126且基于所测量数据而估计所测量叠盖计量目标的叠盖。在一些实例中，拟合分析是涉及使衍射级的所测量强度与所计算强度之间的差最小化的迭代优化。

在迭代优化收敛之后，将所测量叠盖计量目标185的所估计叠盖值存储在存储器190中。

在另一方面中，设计一组入射角及方位角以增强叠盖调制的空间频率，使得对叠盖的敏感性得以增加且叠盖与形状参数之间的相关性得以最小化。在一些实例中，以有限数目个入射角及方位角收集及分析强度信号。

在一些实施例中，采用x射线衍射测量的物理模型的递归优化来得出实现对叠盖的最大敏感性且使叠盖与形状参数之间的相关性最小化的一组入射角及方位角。

在又一方面中，提供一种叠盖目标，所述叠盖目标基于在若干不同入射角及方位角下执行的对计量目标的x射线衍射测量而在两个不同方向上展现对叠盖的敏感性。对于简单正交2D周期性结构，方程式(2)可扩展为包含两个独立调制因子，如方程式(3)中所图解说明。

在一些实施例中，所述叠盖计量目标包含在一个方向(例如，x方向)上及在正交方向(例如，y方向)上具有一组相等光栅数目的2D周期性结构的任何两个层。

在一些其它实施例中，叠盖计量目标包含三个层。第一层包含1D周期性结构。第二层包含相对于位于第一层中的1D周期性结构以一角度定向(例如，正交)的另一1D周期性结构。第三层包含2D周期性结构(例如，柱阵列)。2D光栅的周期性具有与位于其下的1D周期性结构一致的波向量。以此方式，单独地估计与两个不同方向(例如，x及y方向)相关联的叠盖。举例来说，在一个方向上，分析在第一层与第三层之间具有共同光栅数的若干级，犹如所述级利用单个调制因子进行调制一般。对于另一方向，分析在第二层与第三层之间具有共同光栅数的若干级，犹如所述级利用另一调制因子进行调制一般。在另一实例中，在两个调制因子均包含参数S时，可共同地估计叠盖。在另一实例中，当第一层及第二层中采用交叉光栅时，可通过入射角的单个改变而估计两个叠盖值，条件是方位角既不为0°也不为90°。

在一些其它实施例中，叠盖计量目标包含四个层，所述四个层包含两组1D周期性光栅，从所述两组1D周期性光栅测量两个方向上的叠盖。

一般来说，不存在对层数及叠盖参数的理论限制，所述层数及叠盖参数可基于在多个不同入射角及方位角下执行的x射线衍射测量而估计。方程式(2)及(3)中所图解说明的干涉调制指示，当任何两个层之间的间隔参数S具有独特性时，随AOI、Az或两者而变的强度信号将是独立的且叠盖参数是可测量的。因此，将多层叠盖计量目标设计为使得每一两层组合之间的一组间隔参数均不同是合意的。然而，实际上，随着层数增加，一次采用两个层的层组合数也增加。因此，设计在两层组合中的每一者之间具有唯一一组或接近唯一一组间隔距离的计量目标是具挑战性的。

在一些实施例中，所述叠盖计量目标经特别优化以增加来自组成层中的每一者的叠盖信号的独立性且使叠盖测量的精确度及准确性最大化。

在一些实施例中，多层叠盖计量目标经设计使得每一两层组合之间的间隔参数集合不同且所有层组合之间的最小间隔距离在符合对计量目标的总体高度的约束的情况下被最大化。

在一些实施例中，多层叠盖计量目标经设计在不同层处具有不同间距，使得由一个层引起的衍射级以相长方式干涉另一层的不同衍射级。在一个实施例中，位于第一层中的周期性光栅结构具有等于2A的间距，其中A为任意正数值常数。位于不同层中的另一周期性结构具有等于3A的间距。在此实例中，第一层的第二衍射级以相长方式干涉第二层的第三衍射级。因此，在这些级对处所检测的强度测量受两个层之间的叠盖支配。相反地，在不经受叠盖的相长干涉的不同级数对处所检测的强度测量受形状参数支配。因此，在一些实施例中，计量叠盖目标经设计具有特定光栅结构以增加在特定光栅级对处对叠盖的敏感性且还提供对于估计形状参数值有用的强度数据。

类似地，多层叠盖计量目标经设计在不同层处具有不同间距定向，使得由一个层引起的衍射级以相长方式干涉另一层的不同衍射级。一般来说，具有不同周期性(例如，不同光栅间距)、不同间距定向或其任何组合的一组层产生各自与不同层相关联的一组散射向量。叠盖计量目标经设计使得散射向量的预定子组得以对准。以此方式，对与散射向量的预定子组对应的各层当中的叠盖的敏感性得以增强。

一般来说，叠盖计量目标可包含1D周期性结构(即，在一个方向上具有周期性且在其它方向上保持不变)、2D周期性结构(即，在两个方向上为周期性的)或其任何组合。对于2D周期性目标，两个周期性方向可或可不彼此垂直。此外，组成结构中的每一者的间距可相同或不同。

通过基于与每一衍射级相关联的所测量强度的变化而估计叠盖，包括叠盖计量目标的叠盖结构当中不需要任何特定周期性或对称性。因此，叠盖结构中的一些或全部叠盖结构可并非周期性的。举例来说，叠盖计量目标可在一个方向上为1D周期性的且在另一方向上为多变的而非周期性的。在另一实例中，叠盖结构中的一些或全部叠盖结构可为不对称的。

在又一方面中，基于对衍射级的所检测强度与测量模型的拟合分析而估计包括计量目标的结构中的任一者的形状参数的值。在一些实例中，同时执行对叠盖的估计及对一或多个形状参数值的估计。

在一些实例中，测量模型是通过叠盖计量目标做出的几何结构及x射线辐射的散射的基于物理的模型。在此方法中，参数模型经产生以描述包括包含所关注的参数的计量目标的结构及材料。通过找到所模拟数据与实验数据的最佳拟合而估计这些参数的值。

裴克曼(Bakeman)等人的第2014/0019097号美国专利公开案中所描述的模型构建与分析引擎可用于创建样本的并入有几何及材料性质的模型，所述美国专利公开案以其全文引用的方式并入本文中。所述模型可用于产生光学及x射线模拟。在一些实例中，光学模拟是基于严格耦合波分析(RCWA)，其中对麦克斯韦(Maxwell)方程式进行求解以计算例如不同偏光的反射性、椭偏参数、相变等光学信号。x射线散射模拟可是基于方程式(4)中所图解说明的x射线形状因子

其中F是形状因子，q是散射向量，且ρ(r)是样本的电子密度。接着，通过方程式(5)给出x射线散射强度

如R.L.琼斯(R.L.Jones)等人在“利用CD-SAXS在密集高纵横比图案中进行的横截面及临界尺寸计量(Cross Section and Critical Dimension Metrology in Dense HighAspect Ratio Patterns with CD-SAXS)”(AIP会议录(AIP Conference Proceedings)，卷788，403-406页(2005))中所描述，所述文献以其全文引用的方式并入本文中。在一些其它实例中，采用扭曲波玻恩近似。

在一些其它实例中，测量模型是输入-输出测量模型，例如经网络模型、支持向量机模型、主成分分析(PCA)模型等。施彻格诺夫(Shchegrov)等人的第2016/0003609号美国专利公开案中描述了关于输入-输出测量模型的额外细节，所述美国专利公开案以其全文引用的方式并入本文中。

在一个实例中，各层之间的边缘放置误差是基于如本文中所描述的叠盖测量及对形状参数的测量而估计，所述对形状参数的测量是基于在多个不同入射角及多个不同方位角下测量的每一x射线衍射级内的强度而测量。边缘放置误差(EPE)组合叠盖及形状参数(例如，CD)误差。在一个实例中，EPE是CD值(例如，图8中所描绘的宽度W)与叠盖值(例如，图8中所描绘的叠盖D)之间的差异。因此，对EPE的测量通过采用本文中所描述的计算上高效的叠盖测量及使用相同强度测量数据来估计CD参数值而得以简化。

图10描绘装置结构400的俯视图，所述装置结构包含作用场401-404、门405-408及接点409-421。图10图解说明门407与接点418之间的边缘放置距离EPD₁。图10还图解说明门408与接点418之间的边缘放置距离EPD₂及门406与接点414之间的边缘放置距离EPD₃。所述边缘放置距离必须小心控制以确保高装置合格率。如果与这些边缘放置距离中的任一者相关联的边缘放置误差太大，那么装置将故障。如图10中所图解说明，叠盖误差及CD误差两者促成了EPE。举例来说，如果和接点相关联的各层与和门相关联的各层不对准，那么产生EPE。类似地，如果与接点结构相关联的CD偏离了标称尺寸，那么产生EPE。举例来说，接点413及416太大。结果是每一接点与对应门结构之间发生重叠且装置故障。

施彻格诺夫等人的第2016/0003609号美国专利公开案中描述了关于EPE测量的额外细节，所述美国专利公开案以其全文引用的方式并入本文中。

一般来说，本文中所描述的方法可应用于许多不同基于x射线衍射的技术，例如透射小角度x射线散射(TSAXS)、掠入射小角度x射线散射(GISAXS)、广角x射线散射(WAXS)、x射线衍射(XRD)、掠入射x射线衍射(GIXRD)及高分辨率x射线衍射(HRXRD)。在这些系统中，落在检测器上的所有衍射级被立即收集。

对于掠入射SAXS实施方案，掠入射角经调整以实现由不同层处的光栅衍射的x射线场的干涉条纹且优化穿透深度。穿透深度可受限于低于临界角的掠入射角的总内反射。

在又一方面中，本文中所描述的系统中的任一者可采用邦斯-哈特相机(Bonse-Hart camera)来选择特定光子能量(Q)范围。在一些实施例中，邦斯-哈特相机包含样本与检测器之间的分析仪晶体。分析仪晶体具有满足布拉格(Bragg)条件的特定角度受光角。通过调整晶体角度而选择角度受光角。在一个实例中，选择用以测量较高级衍射峰值的Q范围，举例来说，其中强度调制处于比较低级峰值高的角频率。此可使得能够利用少量样本角度进行叠盖测量。在另一实例中，选择用以测量低级衍射峰值的Q范围，其中所述级的总体强度较高，以减少测量时间。

一般来说，邦斯-哈特相机可包含在可选择能量范围内限制所散射辐射的透射的任何适合可选择分析仪元件。在一个实例中，可选择分析仪元件是在特定受光角下满足布拉格条件的重复多层膜。

在一些实施例中，控制样品101相对于入射x射线辐射束的位置及定向的样品定位系统与控制分析仪晶体的角度的载台系统协同操作，使得分析仪晶体及样本串接对准。

在又一方面中，叠盖计量目标是包含装置设计规则下的间距及CD的设计规则目标。在一些实施例中，代替位于切割道区域中的专门叠盖目标，叠盖计量目标位于裸片中。本文中所描述的方法及系统允许以设计规则间距进行测量。此比现有方法更如实地反映了真实装置叠盖。

应认识到，本发明通篇所描述的各种步骤可由单个计算机系统130或(另一选择为)多计算机系统130执行。此外，系统100的不同子系统(例如样品定位系统140)可包含适合于执行本文中所描述的步骤的至少一部分的计算机系统。因此，上述说明不应解释为对本发明的限制而仅是图解。此外，一或多个计算系统130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一(任何)其它步骤。

另外，计算机系统130可以此项技术中已知的任何方式通信地耦合到SAXS检测器116及SAXS照射光学器件115。举例来说，一或多个计算系统130可耦合到分别与SAXS检测器116及SAXS照射光学器件115相关联的计算系统。在另一实例中，SAXS检测器116及SAXS照射光学器件115中的任一者可由耦合到计算机系统130的单个计算机系统直接控制。

计算机系统130可经配置以通过可包含有线及/或无线部分的发射媒体从所述系统的子系统(例如，SAXS检测器116及SAXS照射光学器件115及类似物)接收及/或获取数据或信息。以此方式，发射媒体可用作计算机系统130与系统100的其它子系统之间的数据链路。

计量系统100的计算机系统130可经配置以通过可包含有线及/或无线部分的发射媒体从其它系统接收及/或获取数据或信息(例如，测量结果、建模输入、建模结果等)。以此方式，发射媒体可用作计算机系统130与其它系统(例如，存储器板上计量系统100、外部存储器或外部系统)之间的数据链路。举例来说，计算系统130可经配置以经由数据链路从存储媒体(即，存储器132或190)接收测量数据(例如，信号126)。例如，使用SAXS检测器116中的任一者的光谱仪所获得的光谱结果可存储于永久或半永久存储器装置(例如，存储器132或190)中。就此来说，测量结果可从板上存储器或从外部存储器系统导入。此外，计算机系统130可经由发射媒体将数据发送到其它系统。例如，由计算机系统130确定的叠盖值185可存储于永久或半永久存储器装置(例如，存储器190)中。就此来说，测量结果可传出到另一系统。

计算系统130可包含(但不限于)个人计算机系统、大型计算机系统、工作站、图像计算机、并行处理器或此项技术中已知的任何其它装置。一般来说，术语“计算系统”可广义定义为囊括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。。

实施例如本文中所描述的那些方法的方法的程序指令134可经由发射媒体(例如导线、电缆或无线发射链路)发射。举例来说，如图3中所图解说明，存储于存储器132中的程序指令经由总线133发射到处理器131。程序指令134存储于计算机可读媒体(例如，存储器132)中。示范性计算机可读取媒体包含只读存储器、随机存取存储器、磁盘或光盘，或磁带。

在一些实施例中，将如本文中所描述的散射测量分析实施为制作工艺工具的一部分。制作工艺工具的实例包含(但不限于)光刻曝光工具、膜沉积工具、植入工具及蚀刻工具。以此方式，使用SAXS分析的结果来控制制作工艺。在一个实例中，将从一或多个目标收集的SAXS测量数据发送到制作工艺工具。如本文中所描述分析所述SAXS测量数据且使用结果来调整制作工艺工具的操作。

可使用如本文中所描述的散射测量来确定各种半导体结构的特性。示范性结构包含(但不限于)FinFET、低维度结构(例如纳米线或石墨烯)、小于10nm的结构、光刻结构、衬底导通孔(TSV)、存储器结构(例如DRAM、DRAM 4F2、FLASH、MRAM)及高纵横比存储器结构。示范性结构特性包含(但不限于)几何参数(例如线边缘粗糙度、线宽度粗糙度、孔大小、孔密度、侧壁角度、轮廓、临界尺寸、节距)及材料参数(例如电子密度、组合物、颗粒结构、形态、应力、应变及元素识别)。

图12图解说明适于通过本发明的计量系统100的实施的方法400。在一个方面中，认识到，方法400的数据处理框可经由由计算系统130的一或多个处理器执行的预编程算法执行。虽然在计量系统100、200及300的上下文中呈现以下说明，但在本文中认识到，计量系统100、200及300的特定结构方面不表示限制且应仅解释为说明性的。

在框401中，用x射线辐射束以多个不同入射角且以多个不同方位角照射安置在平面衬底上的测量目标。测量目标包含：第一结构，其安置于在平面衬底上方的第一高度处制作的第一层中；及第二结构，其安置于在平面衬底上方的第二高度处制作的第二层中。

在框402中，检测多个强度。所检测强度中的每一者与响应于入射x射线辐射束而从测量目标散射的一定量的辐射的一或多个衍射级相关联，且所检测强度中的每一者与不同入射角及方位角相关联。

在框403中，基于在多个不同入射角及多个不同方位角下一或多个x射线衍射级中的每一者内的多个强度的调制而估计第一结构与第二结构之间的叠盖值。

如本文中所描述，术语“临界尺寸”包含：结构的任何临界尺寸(例如，底部临界尺寸、中间临界尺寸、顶部临界尺寸、侧壁角度、光栅高度等)；任何两个或多于两个结构之间的临界尺寸(例如，两个结构之间的距离)；及两个或多于两个结构之间的位移(例如，叠盖光栅结构之间的叠盖位移等)。结构可包含三维结构、经图案化结构、叠盖结构等。

如本文中所描述，术语“临界尺寸应用”或“临界尺寸测量应用”包含任何临界尺寸测量。

如本文中所描述，术语“计量系统”包含在任一方面(包含临界尺寸应用及叠盖计量应用)中经采用至少部分地表征样品的任何系统。然而，此项技术的此类术语并不限制如本文中所描述的术语“计量系统”的范围。另外，本文中所描述的计量系统可经配置以用于测量经图案化晶片及/或未图案化晶片。计量系统可经配置为LED检查工具、边缘检查工具、背侧检查工具、宏观检查工具或多模式检查工具(涉及同时来自一或多个平台的数据)，以及受益于被测量的成像或结构的任何其它计量或检查工具。

本文中描述可用于处理样品的半导体处理系统(例如，计量系统或光刻系统)的各种实施例。术语“样品”在本文中用于指晶片、光罩或可通过此项技术中已知的手段处理(例如，印刷或检查缺陷)的任何其它样本。

如本文中所使用，术语“晶片”通常是指由半导体或非半导体材料形成的衬底。实例包含但不限于单晶硅、砷化镓及磷化铟。通常可在半导体制作设施中找到及/处理此类衬底。在一些情形中，晶片可仅包含衬底(即，裸晶片)。或者，晶片可包含形成于衬底上的一或多个不同材料层。形成于晶片上的一或多个层可为“经图案化”或“未图案化”的。举例来说，晶片可包含具有可重复图案特征的多个裸片。

一“光罩”可为在光罩制作工艺的任何阶段处的光罩或者可或可不释放以供在半导体制作设施中使用的完成光罩。光罩或“掩模”通常定义为具有在其上形成且配置成图案的基本上不透明区的基本上透明衬底。衬底可包含(举例来说)例如非晶SiO₂的玻璃材料。光罩可在光刻过程的曝光步骤期间安置在抗蚀剂覆盖的晶片上面，使得可将所述光罩上的图案转印到所述抗蚀剂。

形成于晶片上的一或多个层可为经图案化或未图案化的。举例来说，晶片可包含各自具有可重复图案特征的多个裸片。此类材料层的形成及处理可最终产生完成装置。可在晶片上形成许多不同类型的装置，且如本文中所使用的术语“晶片”打算涵盖其上制作有所属领域中已知的任何类型的装置的晶片。

在一或多个示范性实施例中，所描述的功能可以硬件、软件、固件或其任何组合实施。如果以软件实施，那么所述功能可作为一或多个指令或代码存储于计算机可读媒体上或者经由计算机可读媒体发射。计算机可读媒体包含计算机存储媒体及通信媒体两者，包含促进将计算机程序从一个地方传送到另一地方的任何媒体。存储媒体可是可由通用或专用计算机存取的任何可用媒体。通过实例而非限制方式，此类计算机可读媒体可包括：RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储装置、磁盘存储装置或其它磁性存储装置，或者可用于以指令或数据结构的形式载运或存储所要程序码构件且可由通用或专用计算机或者通用或专用处理器存取的任何其它媒体。并且，可将任何连接恰当地称为计算机可读媒体。举例来说，如果使用同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字订户线(DSL)或无线技术(例如红外线、无线电及微波)从网站、服务器或其它远程源发射软件，那么所述同轴电缆、光纤电缆、双绞线、DSL或无线技术(例如红外线、无线电及微波)均包含在媒体的定义内。如本文中所使用，磁盘及光盘包含压缩光盘(CD)、激光光盘、XRF光盘、数字多功能光盘(DVD)、软磁盘及蓝光光盘，其中磁盘通常以磁性方式复制数据而光盘运用激光以光学方式复制数据。上文的组合还应包含于计算机可读取媒体的范围内。

尽管在上文中出于指导性目的而描述了一些特定实施例，但本专利文档的教示内容具有一般适用性且不限于上文所描述的特定实施例。因此，可在不背离如申请专利范围中所陈述的本发明的范围的情况下实践对所描述的实施例的各种特征的各种修改、改动及组合。

Claims (24)

1.一种计量系统，其包括：

x射线照射源，其经配置以用x射线辐射束以多个不同入射角且以多个不同方位角照射安置在平面衬底上的测量目标，其中所述测量目标包含：第一结构，其安置于在所述平面衬底上方的第一高度处制作的第一层中；及第二结构，其安置于在所述平面衬底上方的第二高度处制作的第二层中；

x射线检测器，其经配置以检测多个强度信号，所述多个强度信号各自与响应于所述入射x射线辐射束而从所述测量目标散射的一定量的辐射的一或多个衍射级相关联且各自与不同入射角及方位角相关联；及

计算系统，其经配置以

基于在所述多个不同入射角及所述多个不同方位角下所述一或多个x射线衍射级中的每一x射线衍射级内的所述多个强度信号的调制而估计所述第一结构与所述第二结构之间的叠盖值。

2.根据权利要求1所述的计量系统，其中对所述叠盖值的所述估计涉及使共同级的强度信号调制参数化，使得低频率形状调制由一组基函数描述，且高频率叠盖调制由包含指示所述叠盖的参数的仿射-三角函数描述。

3.根据权利要求2所述的计量系统，其中对所述叠盖值的所述估计涉及将所述强度信号调制的所述参数化与所检测的多个强度信号拟合。

4.根据权利要求1所述的计量系统，其中所述计算系统进一步经配置以：

基于对所述衍射级的所检测的多个强度信号与测量模型的拟合分析而估计所述第一结构及所述第二结构中的任一个的形状参数的值。

5.根据权利要求4所述的计量系统，其中所述测量模型是基于物理的测量模型及信号响应计量模型中的任一模型。

6.根据权利要求1所述的计量系统，其中所述第一结构在平行于所述平面衬底的平面表面的至少一个方向上具空间周期性。

7.根据权利要求1所述的计量系统，其中所述x射线照射源用所述x射线辐射束以所述多个不同入射角及所述多个不同方位角同时照射所述测量目标。

8.根据权利要求1所述的计量系统，其中所述x射线照射源及所述x射线检测器布置为以下各项中的任一项的元件：透射小角度x射线散射TSAXS系统、掠入射小角度x射线散射GISAXS系统、广角x射线散射WAXS系统、x射线衍射XRD系统、掠入射x射线衍射GIXRD系统、高分辨率x射线衍射HRXRD系统。

9.根据权利要求8所述的计量系统，其进一步包括：

可选择分析仪元件，其安置在从所述测量目标散射的所述辐射的在所述检测器前面的路径中，其中所述可选择分析仪元件经配置以在可选择能量范围内限制所散射的辐射的透射。

10.根据权利要求1所述的计量系统，其中所述测量目标是设计规则目标。

11.根据权利要求1所述的计量系统，其中所述测量目标安置在裸片中。

12.根据权利要求4所述的计量系统，其中同时执行对所述叠盖值的所述估计及对所述形状参数的所述值的所述估计。

13.根据权利要求1所述的计量系统，其中所述第一结构及所述第二结构中的任一个是不对称的。

14.根据权利要求1所述的计量系统，其中所述第一结构及所述第二结构中的任一个是非周期性的。

15.根据权利要求1所述的计量系统，其中所述计算系统进一步经配置以：

确定所述多个不同入射角及所述多个不同方位角，使得所述叠盖与形状参数的相关性得以最小化。

16.一种叠盖计量目标，其包括：

第一结构，其安置于在平面衬底的表面上方的第一高度处制作的第一层中；及

第二结构，其安置于在所述平面衬底的所述表面上方的第二高度处制作的第二层中，使得所述第二结构在平行于所述平面衬底的所述表面的第一方向上与所述第一结构偏移达第一叠盖参数值，其中所述第一结构、所述第二结构或两个是不对称的，且其中所述叠盖计量目标使来自多个不同入射角及多个不同方位角的入射x射线辐射衍射，使得与多个衍射级中的每一x射线衍射级相关联的所测量强度信号被调制。

17.根据权利要求16所述的叠盖计量目标，其进一步包括：

第三结构，其安置于在所述平面衬底的所述表面上方的第三高度处制作的第三层中，使得所述第三结构在平行于所述平面衬底的所述表面的所述第一方向上与所述第一结构及所述第二结构分别偏移达第二叠盖参数值及第三叠盖参数值，其中所述第一高度与所述第二高度之间的第一间隔距离、所述第一高度与所述第三高度之间的第二间隔距离及所述第二高度与所述第三高度之间的第三间隔距离各自为不同独立距离。

18.根据权利要求16所述的叠盖计量目标，其中所述第一结构为周期性的、具有第一周期性，且其中所述第二结构为周期性的、具有第二周期性，其中所述第一周期性及所述第二周期性经选择使得与所述第一结构相关联的第一衍射级数以相长方式与所述第二结构相关联的第二衍射级数干涉。

19.根据权利要求18所述的叠盖计量目标，其中所述第一结构的所述周期性的维度与所述第二结构的所述周期性对准。

20.一种计量方法，其包括：

用x射线辐射束以多个不同入射角且以多个不同方位角照射安置在平面衬底上的测量目标，其中所述测量目标包含：第一结构，其安置于在所述平面衬底上方的第一高度处制作的第一层中；及第二结构，其安置于在所述平面衬底上方的第二高度处制作的第二层中；

检测多个强度信号，所述多个强度信号各自与响应于所述入射x射线辐射束而从所述测量目标散射的一定量的辐射的一或多个衍射级相关联且各自与不同入射角及方位角相关联；及

基于在所述多个不同入射角及所述多个不同方位角下所述一或多个x射线衍射级中的每一x射线衍射级内的所述多个强度信号的调制而估计所述第一结构与所述第二结构之间的叠盖值。

21.根据权利要求20所述的方法，其中对所述叠盖值的所述估计涉及使共同级的强度信号调制参数化，使得低频率形状调制由一组基函数描述，且高频率叠盖调制由包含指示所述叠盖的参数的仿射-三角函数描述。

22.根据权利要求21所述的方法，其中对所述叠盖值的所述估计涉及将所述强度信号调制的所述参数化与所检测的多个强度信号拟合。

23.根据权利要求20所述的方法，其进一步包括：

基于对所述衍射级的所检测的多个强度信号与测量模型的拟合分析而估计所述第一结构及所述第二结构中的任一个的形状参数的值。

24.根据权利要求23所述的方法，其进一步包括：

基于所述叠盖值及所述形状参数值而估计与所述第一结构及所述第二结构相关联的边缘放置误差的值。

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