CN107924852A - 用于基于模型的临界尺寸测量的技术及系统 - Google Patents

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Abstract

利用成像系统检验光罩，以获得在所述光罩上的结构的经测量图像，且所述结构具有未知临界尺寸CD。使用模型、使用描述用于在所述光罩上形成所述结构的图案的设计数据库来产生经计算图像。所述模型基于以下项产生所述经计算图像：所述结构的光罩材料的光学性质、所述成像系统的计算模型及可调整CD。通过调整所述可调整CD且迭代地重复产生经计算图像的所述操作而最小化所述经测量图像与所述经计算图像之间的差值的范数，以针对所述结构的所述未知CD获得最终CD。对所述可调整CD及所述成像系统的一或多个不确定参数同时执行最小化所述差值的所述范数。

Description

用于基于模型的临界尺寸测量的技术及系统
相关申请案的交叉参考
本申请案根据35U.S.C.§119主张阿卜杜拉赫曼·赛吉那(Abdurrahman Sezginer)等人在2015年9月4日申请的标题为“基于模型的CD测量(Model-Based CD Measurement)”的第62/214,472号先前美国临时申请案的优先权，所述申请案的全文出于所有目的以引用的方式并入本文中。
技术领域
本发明大体上涉及半导体计量，例如光罩计量。更特定来说，本发明涉及一种用于测量光罩上的特征的尺寸的方法。
背景技术
一般来说，半导体制造业涉及用于使用分层并图案化到例如硅的衬底上的半导体材料来制造集成电路的高度复杂技术。集成电路通常由多个光罩制成。最初，电路设计者将描述特定集成电路(IC)设计的电路图案数据或设计数据库提供到光罩生产系统或光罩曝写机(reticle writer)。电路图案数据通常呈经制造IC装置的物理层的代表性布局的形式。代表性布局包含IC装置(例如，栅极氧化物、多晶硅、金属化物等)的每一物理层的代表性层，其中每一代表性层由定义特定IC装置的层的图案化的多个多边形构成。光罩曝写机使用电路图案数据来曝写(例如，通常，使用电子束曝写机或激光扫描仪来曝光光罩图案)稍后将用以制造特定IC设计的多个光罩。
通常，每一光罩或光掩模是至少含有透明区域及不透明区域且有时含有半透明区域及相移区域(其共同定义例如集成电路的电子装置中的共面特征的图案)的光学元件。光罩用以在光刻期间定义半导体晶片的规定区域以进行蚀刻、离子植入或其它制造工艺。
光罩检验系统可针对可已在光罩的生产期间或在将此类光罩用于光刻中之后发生的缺陷(例如临界尺寸均匀性问题)而检验光罩。归因于电路集成的大规模及半导体装置的大小日益减小，因此经制造装置已变得对缺陷日益敏感。即，导致装置中的故障的缺陷正变得越来越小。因此，持续需要用于监测光罩的特性的经改进检验技术。
发明内容
下文呈现本发明的简化发明内容以便提供对本发明的某些实施例的基本理解。本发明内容并非对本发明的广泛概述，且其并不识别本发明的关键/紧要元素或描绘本发明的范围。其唯一目的是以经简化形式呈现本文中所揭示的某些概念作为稍后呈现的较详细说明的前序。
在一个实施例中，揭示用于测量光罩上的临界尺寸偏差的方法及设备。利用成像系统检验光罩以获得在所述光罩上的结构的经测量图像，且所述结构具有未知临界尺寸(CD)。使用模型、使用描述用于在所述光罩上形成所述结构的图案的设计数据库来产生经计算图像。所述模型基于以下项产生所述经计算图像：所述结构的光罩材料的光学性质、所述成像系统的计算模型及可调整CD。通过调整所述可调整CD且迭代地重复产生经计算图像的所述操作而最小化所述经测量图像与所述经计算图像之间的差值的范数，以针对所述结构的未知CD获得最终CD。对所述可调整CD及所述成像系统的一或多个不确定参数同时执行最小化所述差值的所述范数。
在特定实施方案中，所述经测量图像包括对应于所述经计算图像的多个xy位置的相同多个xy位置处的多个强度值。在另一方面中，所述经测量图像包括针对用于所述检验工具的不同操作参数的多个视图获得的所述结构的多个经测量图像，且所述经计算图像经产生以包括用于所述多个视图的所述结构的多个经计算图像。在另一方面中，所述视图包括反射光及经透射光检测。在另一实施例中，所述视图包括用于以下项中的一或多者的不同设置：焦点偏移、所述照明的光瞳分布、所述照明的偏振状态、聚光光学器件的数值孔径、孔径形状、光瞳滤光器设置或分析仪设置。
在另一实施例中，所述成像系统的所述计算模型包含在所述成像系统中测量的像差特性。在另一方面中，所述经测量图像与所述经计算图像之间的所述差值的所述范数是经测量图像像素值与经计算图像像素值的差值的平方和。在替代实施例中，所述经测量图像与所述经计算图像之间的所述差值的所述范数是经测量图像像素值与经计算图像像素值的差值的绝对值之和。在另一实施例中，所述系统的所述一或多个不确定参数包含以下中的一或多者：焦点及照明强度。在特定实例中，所述经测量图像及所述经计算图像各自包括在多个视图处获取的一组图像，两个视图的区别在于至少一或多个成像参数，所述参数包含反射或透射模式、照明光瞳分布、照明偏振、聚光光瞳数值孔径及形状、焦点设置及光瞳滤光器相位及振幅。
在另一实例中，对于跨光罩的多个结构，针对所述多个结构中的每一者重复检验、产生经计算图像、最小化范数及定义所述未知临界尺寸的所述操作以获得跨所述光罩的所述多个结构的多个最终临界尺寸，借此产生临界尺寸均匀性(CDU)图。分析所述CDU图以确定所述光罩是否具有缺陷且是否被修复或舍弃，或所述光罩是否用于制造半导体晶片。
在替代实施例中，本发明涉及一种用于测量光罩上的临界尺寸偏差的检验系统。所述系统包含照明光学器件，其用于产生入射光束并引导所述入射光束朝向所述光罩；及输出光学器件，其用于响应于所述入射光束而检测来自所述光罩的图像。所述系统进一步包含至少一个存储器及至少一个处理器，其经配置以起始上文描述的操作中的一或多者。在其它实施例中，本发明涉及一种计算机可读媒体，其上存储指令用于执行至少一些上文描述的操作。
下文参考图式来进一步描述本发明的这些及其它方面。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例的临界尺寸(CD)测量过程的流程图。
图2是掩模上的3维图案的物理模型的表示的横截面视图。
图3是根据本发明的一个实施例的由执行经计算光罩图像与经测量光罩图像之间的回归分析产生的结果的图形。
图4是根据本发明的一个实施例的说明CD均匀性(CDU)图分析过程的流程图。
图5是其中可实施本发明的技术的实例检验系统的图解表示。
图6A是根据某些实施例的用于将掩模图案从光掩模转印到晶片上的光刻系统的简化示意表示。
图6B提供根据某些实施例的光掩模检验设备的示意表示。
具体实施方式
在以下说明中，陈述众多具体细节以便提供对本发明的透彻理解。本发明可在不具有这些具体细节中的一些或所有细节的情况下实践。在其它例子中，未详细描述众所周知的过程操作以免不必要地使本发明模糊不清。虽然将结合特定实施例来描述本发明，但是将理解，并不希望将本发明限于这些特定实施例。
本发明的某些实施例提供用于检验光罩以检测光罩特征的缺陷或(更具体来说)特性(例如临界尺寸(CD))变化的技术及系统。虽然相对于光罩描述了以下实例实施例，但是可使用此类技术或系统来监测任何合适类型的样本(例如，晶片)。此外，可将以下实例实施例应用于对除了CD变化以外的其它样本特性的监测，例如高度均匀性、侧壁角度均匀性、表面粗糙度均匀性、薄膜透射性均匀性、石英透射性均匀性等。
术语“光罩”通常包含上面形成有一层不透明材料的透明衬底，例如玻璃、硼硅酸盐玻璃、石英或熔融硅石。所述不透明(或基本上不透明)材料可包含完全地或部分地遮挡光刻光(例如，深UV)的任何合适材料。实例材料包含铬、硅化钼(MoSi)、硅化钽、硅化钨、玻璃上不透明MoSi(OMOG)等。还可在不透明层与透明衬底之间添加多晶硅膜以改进粘合。可在所述不透明材料上方形成例如氧化钼(MoO2)、氧化钨(WO2)、氧化钛(TiO2)或氧化铬(CrO2)的低反射膜。
术语光罩是指不同类型的光罩，包含但不限于明场光罩、暗场光罩、二元光罩、相移掩模(PSM)、交替PSM、衰减型或半色调PSM、三元衰减型PSM及无铬相移光刻CPL光掩模。明场光罩具有透明的场区或背景区，且暗场光罩具有不透明的场区或背景区。二元光罩是具有透明或不透明的经图案化区的光罩。例如，可使用由具有图案的透明熔融硅石坯料制成的光掩模，所述图案由铬金属吸附膜定义。二元光罩不同于相移掩模(PSM)，一种类型的相移掩模可包含仅部分地透射光的膜，且这些光罩可共同称为半色调或嵌入式相移掩模(EPSM)。如果在光罩的交替透明空间上放置相移材料，那么所述光罩称为交替PSM、ALT PSM或列文森(Levenson)PSM。施加到任意布局图案的一种类型的相移材料称为衰减型或半色调PSM，其可通过用部分透射或“半色调”膜替换不透明材料而制造。三元衰减型PSM是还包含完全不透明特征的衰减型PSM。
一般来说，不透明、吸收、部分不透明、相移材料形成到经设计且经形成具有临界尺寸(CD)宽度的图案结构中，这还产生所述结构之间的也具有CD的透明空间。特定CD值通常可对如何在光刻过程中将特定光罩特征转印到晶片产生影响，且此CD经挑选以优化此转印过程。换句话说，如果特定光罩特征的CD值在规定CD范围内，那么此CD值将产生允许所得集成电路如电路设计者所希望那样适当操作的对应晶片特征的制造。特征通常经形成具有还产生运算电路以便节省集成芯片面积的最小尺寸。
新制造的光罩可包含CD(或其它膜或图案特性)缺陷问题。例如，所述光罩可具有缺陷CD区域，例如掩模曝写机扫描带误差(swath-error)。光罩还可随着时间以若干种不同方式被损坏。在第一降级实例中，光刻曝光过程可导致光罩的不透明材料的物理降级。例如，用于光罩上的高功率光束(例如在193nm下的高功率深紫外(UV)光束)可在物理上导致对光罩上的不透明材料的损坏。损坏还可由例如248nm UV光束的其它波长导致。实际上，UV光束可物理上导致光罩上的不透明图案塌陷，从而导致所述特征平坦化。因此，不透明特征与原始CD宽度相比可具有显著较大CD宽度，而此类不透明特征之间的间隔与原始CD宽度相比可具有小得多的CD宽度。其它类型的CD降级可因光罩特征(MoSi)之间的化学反应及曝光光、清洗过程、污染等而导致。这些物理效应还可随着时间负面地影响光罩的临界尺寸(CD)。
由于此降级，因此特征CD值可已显著地改变以至于影响跨光罩的CD均匀性且负面地影响晶片良率。例如，掩模的部分中的掩模特征宽度可显著大于原始线宽度CD。例如，可存在CD非均匀性的径向图案，其中光罩的中心具有不同于光罩的边缘的CD。
某些先前CD测量技术利用受测试物体的数字化图像。将强度阈值施加到图像，且找到强度图像等于阈值的边缘的位置。可接着确定这些边缘之间的距离。在一个实施方案中，阈值被选择为iso焦点阈值使得变化的焦点对测量的扰乱最低。
此尺寸测量技术(对光罩图像执行)对强度尺度中的误差及成像系统中的像差是敏感的。此外，确切iso焦点条件并非总是可实现的。还并未精确地考虑照明与光罩的相互作用。因此，尤其对于任意的2维图案，经测量距离的几何或物理含义是不清楚的，从而导致CD测量精确度的水平不可接受。
在本发明的某些技术中，受测试物体(例如，光罩)经照明且其图像形成在检测器上。接着，可数字化并进一步处理检测器的输出。接着，可通过迭代地将由计算模型计算的图像拟合到由成像系统获取(测量)的图像来测量特征的临界尺寸(CD)。虽然光罩具有至少为检验工具的分辨率界限的图案，但是所述模型可模拟相当于从光罩获得的此类实际图像的图像。
图1是根据本发明的一个实施例的光罩检验过程100的流程图。如所示，光罩图像102可被提供到成像系统104以获得光罩106。光罩基于设计数据库制造。可使用任何工具(例如从加利福尼亚州米尔皮塔斯市的科磊公司(KLA-Tencor Corp.of Milpitas,CA.)购得的Teron 640)获得光罩图像106。光罩图像106通常是在图像或场平面中获得的模糊图像(例如，光罩图案的模糊复制品)。虽然以下描述涉及单个光罩结构及其对应图像及模拟图像，但所述技术可应用于光罩上的多个结构的多个图像。
每一光罩图像(经计算图像及经测量图像)还将包括多个xy坐标处的多个强度值或强度像素的阵列。还可在各种成像条件或“视图”或“v”设置(例如来自光罩的反射及/或透射光的检测、特定波长、焦点偏移、照明的光瞳分布、照明的偏振状态、聚光光学器件的数值孔径、孔径形状、光瞳滤光器设置、分析设置等)下获得一或多个光罩图像。例如，针对照明及/或聚光光瞳中的不同位置可设置不同相位及振幅设置。在另一实例中，可选择不同的S或P偏振。总之，检验工具的照明及/或聚光设置的各种组合可用于获得光罩图像。
因此，每一组光罩图像将对应于多个不同x,y处的多个强度值及一或多个视图设置。当使用多个视图以获得多个光罩图像时，所述组光罩图像可被表示为以不同x,y,v值为索引的强度值集。来自单个视图的光罩图像提供丰富的数据源(即，不同光罩位置处的强度值)，而在不同视图处获得的图像提供更多数据用于如下文进一步描述那样找出CD的处理技术。
光罩上经成像的相同图案/结构的设计数据库108还可被馈送到计算模型110中以产生用于此图案/结构的经计算光罩图像112。设计数据库将通常可用于裸片-数据库缺陷检验，例如是在制造光罩之后即刻执行裸片-数据库缺陷检验。设计数据库108包含光罩102上的图案及结构的描述。在一个实例中，具有灰度值的数据库(DB)图像是从数据库多边形或二维形状光栅化。此数据库通常是由呈OASIS、MEBES或GDSII格式的文件传输。
所述模型可以任何合适方式配置以针对结构/图案及检验工具参数(包含常数及一或多个可调整参数(例如，CD))的给定集合产生不同的经计算图像。可产生每一线结构及其周围相邻者或背景的模型化图像剪辑。一般来说，所述模型模拟将在实际光罩上使用以获得光罩图像的特定成像工具的光学性质。
每一模型化图像剪辑优选地基于特定目标结构及在相距此特定目标的特定范围内的所述目标结构的周围相邻者而产生。所述剪辑的大小取决于目标及远离此目标的距离，在所述距离内，任何相邻结构都可或有可能对所得模型化目标图像产生光学效果。例如，图像剪辑可经调整大小以包含所述特征及任何相邻特征或10倍于成像系统与所述特征相距的点扩散函数的距离内的区域。所述模型将包含将存在于检验工具或模型化的任何成像光学工具中的至少一些光学效果。实例模型包含在科磊公司的光罩检验系统中使用的数据库再现模型等。
例如，光罩上受测试图案的描述被输入到所述模型。一般来说，受测试结构的描述及其周围背景通常从设计数据库获得并被输入到模型。即，受检验的特定结构的位置用于从设计数据库检索对应结构及其周围背景描述。用于受测试图案的其它模型输入参数可包含光罩材料的光学性质。
所述模型可以任何合适方式配置以针对给定组的图案参数(包含常数参数及一或多个可调整参数(包含CD))产生不同的经计算图像。例如，光罩上的图案的描述被输入到模型。图案模型参数可包含图案的轮廓尺寸、光罩材料的光学性质等。在一个实施例中，蚀刻在光罩上的图案的边缘的轮廓被假设为恒定的。在最简单的实施方案中，边缘被假设为垂直的。图2是掩模上的3维图案200的物理模型的表示的横截面视图。掩模图案被蚀刻到沉积在光罩衬底上的层的堆叠中。如所示，图案表示200具有被图案化到光罩的衬底202上的第一层204a及第二层204b。每一层的折射率及厚度的实部及虚部可被输入到计算模型中。实际光罩的未蚀刻膜堆叠的折射率及厚度(例如，t1及t2)可由椭偏计测量。掩模图案将还具有可调整相关联的CD。
检验工具的光学配置还可被模型化。此外，检验工具的像差可经特性化并定期测量且被输入到模型中。例如，干涉技术可用于测量检验工具的像差。
张强(Qiang Zhang)等人在2016年5月10日发布的第9,335,206号美国专利中进一步描述用于使用诊断结构测量像差的另一方法，所述专利出于各种目的以其全文引用方式并入本文中。在一种方法中，诊断测试图案经设计以将EUV光强度衍射以基本上尽可能均匀地填充光瞳。此外，诊断掩模实施例包含测试结构及周围背景材料，其产生介于经成像测试结构与经成像背景之间的高对比度度。
诊断掩模的测试图案的临界横向尺寸可被设计为相当于或低于投影光学器件的分辨率。在一个实施例中，测试图案等于或小于几十纳米(nm)。诊断掩模还可经设计以按照此精细分辨率水平支持光刻图案化，同时在测试结构在EUV光下成像时提供高光学分辨率及对比度。
在一个实施例中，诊断掩模是基于薄的EUV多层(ML)反射体设计，其包括具有高折射率对比度的两种交替低吸收材料。与制造光罩上所见的反射体(其通常包含40到60对Mo/Si双层)相比，诊断掩模包含不超过约15或不超过约10(例如5)对Mo/Si双层的ML柱或气孔。使用少于10个双层或10对ML部分的结果是显著地提高多层反射体的带宽。此外，双层(例如，Mo/Si)的厚度或周期可在约7.0nm到7.5nm之间的范围内微调，以进一步使关注的角度范围中的反射率变平。
一般来说，可通过相位检索方法、基于在诊断测试结构上捕获的图像、使用检验成像系统(其波前有待测量)来测量波前像差。诊断结构的理想化、无像差图像可经计算并与对应的经测量图像相比较，以获得检验系统的像差的特性化。可使用相位检索技术，例如P.德克森(P.Dirksen)等人在发表于《国际光学工程学会会刊》，卷4691(Proceedings ofSPIE v4691)，1392(2002年)的“使用扩展奈波尔-泽尼克(Nijboer-Zernike)方法的投影透镜的特性化(Characterization of a projection lens using the extended Nijboer-Zernike approach)”中描述的技术，所述论文以引用方式并入本文中。
返回参考用于形成经计算光罩图像的模型，其它模型参数将通常包含检验工具的描述以及此工具的视图设置，所述视图设置可包含来自光罩的反射及/或透射光的检测、特定波长、焦点偏移、照明的光瞳分布、照明的偏振状态、聚光光学器件的数值孔径、孔径形状、光瞳滤光器设置、分析仪设置等。可针对用于获得实际经测量光罩图像的视图产生模型光罩图像。
一般来说，计算模型计算照明如何与光罩上蚀刻的特定图案或结构相互作用。出于此目的，可使用严格耦合波分析(RCWA)方法。例如有限差分时域法(FDTD)、边界积分方程式、体积积分方程式、有限元法(FEM)、光谱元素法、基尔霍夫近似的其它方法是可能的。
计算模型具有并非精确已知的可调整参数。最重要的可调整参数是待确定/测量的量：临界尺寸(CD)。设计数据库包含具有期望尺寸的图案化结构，且实际光罩具有可偏离此类期望尺寸(例如，偏离CD偏差)的对应图案化结构。设计数据图案结构的尺寸可经调整且接着用于计算此经调整图案的所得图像。
除CD之外，模型还可具有其它可调整参数。例如，成像系统的一些参数(例如焦点及光强度)可波动，且因此可为不确定的。其它模型参数可被视为“足够好”或具有某种高不确定度。当大部分参数被调整时，结果变为更不可重复且更不精确。因此，被选择用于模型的可调整参数的数目与实现精确CD结果的目标保持平衡。因此，模型参数经测量并被视为尽可能多的。在一个实施例中，仅调整模型中的CD及焦点以产生模型图像。
当不确定参数对图像的影响明显不同于CD的影响时，同时调整不确定成像参数及CD以拟合经计算图像及经测量图像。在一个实施例中，可调整参数是均匀偏差ΔCD使得光罩数据库图案中的全部形状的全部边缘偏差ΔCD。
返回参考图1的过程，在操作114中，得出由模型产生的经测量图像106及经计算图像112差值且计算所述差值的范数。例如，图像差值的范数是逐个像素图像的平方和。图像差值的其它范数包含加权平方和、绝对值之和或逐个像素图像差值的绝对值的最大值。
接着，可执行迭代过程以最小化一或多个不同量。如所示，可在操作116中确定差值的范数是否足够小。如果所述量并非适当地为小，那么可在操作118中以降低差值的此范数的方式改变CD及其它一或多个未知参数的估计。当差值的范数足够小时，可接着在操作120中输出根据图像比较产生差值的最小化范数的模型CD。接着，可将此模型CD(例如，如图2中所示)定义为对应图案的实际或经测量CD。
一般来说，经计算图像及经测量图像经拟合以获得差值的范数。此拟合过程可通过最小化经计算图像及经测量图像的差值的范数来执行。充分作用的合适范数的实例包含如以下项中的加权l1及l2范数：
l2范数(平方误差之和)的使用允许最小化l2范数的算法更快地运行。可在多个图像像素x,y及以v为索引的视图内对每一图案结构进行相加。
如果模型具有精确匹配经测量图像的实际参数(例如CD)的输入，那么等式1及2的以上量将为零。如果被选择作为模型的输入的CD不同于经成像结构的实际CD，那么所述量对于等式1及2来说将为正数。
量w(x,y,v)是对不同组像素及视图施加相对值的正加权。可基于图像的精度针对某些位置及视图确定特定加权。图像的更多噪声视图或部分接收较小加权。
经计算图像可如等式1及2中说明那样拟合为单个视图或多个视图的经测量图像。视图是指特定成像条件，例如由反射光或透射光形成的图像。视图可在以下一或多个方面有所不同：来自光罩的反射光及/或透射光的检测、特定波长、焦点偏移、照明的光瞳分布、照明的偏振状态、聚光光学器件的数值孔径、孔径形状、光瞳滤光器设置、分析仪设置等。
当使用一个以上视图时，可同时拟合多个视图的经测量图像及具有单个可调整CD参数的一个物理模型。多个视图更好地约束可调整CD并降低CD测量不确定性。
在一种方法中，同时拟合反射及透射图像。在一个实例中，仅仅存在反射及透射图像所共用的一个可调整CD参数及一个焦点参数。在另一方法中，同时拟合具有已知焦点偏差的两个透射图像。在此实例中，仅需要调整可调整一个CD参数及一个焦点参数。
为确定CD，可以任何合适方式针对特定CD来最小化模型与经测量图像之间的差值的范数表达式。最小化例如图2的表达式的方法是众所周知的。在特定实施方案中，可由以下项达成最小化：
等式3的最小化涉及CD及p。后一个量p是成像系统的不确定参数的阵列。不确定参数可包含(例如)焦点及照明强度。
在替代实施例中，可使用最大后验概率(MAP)估计。MAP对经计算光罩图像及经测量光罩图像的应用可如等式4表达：
σ(x,y,v)是视图v中的像素(x,y)处的强度测量中的不确定性，且pi是成像系统的第i个不确定参数。例如，p1是焦点及p2是光强度。E(pi)是pi的期望值；σ(pi)是pi中的不确定性。每一量可由其不确定性反向加权。每一不确定参数的不确定性可根据成像仪器的设计公差或通过测量不确定参数的样本及计算样本的方差来确定。此加权技术可正确地设置以上表达式等式4中的项的相对重要性。
MAP的最一般公式包含在给定观察或pdf(未知参数|观察)(pdf(unknownparameters|observations))时最小化未知参数的概率分布函数。此公式在全部测量误差及未知参数是高斯分布且每个量在统计上独立时简化为以上等式4。
本发明的某些实施例允许使用整个图像来根据最大似然率估计方法来确定CD。旧有方法仅关于阈值使用图像的部分。上述技术不一定使用阈值。图3是根据本发明的一个实施例的由执行在经计算光罩图像与经测量光罩图像之间的回归分析产生的结果的图形。图3对应于实际数据且表明模型输出严格匹配实际图像。即，针对线结构测量的反射强度数据(302a)精确匹配此线结构的经计算(或再现)反射强度数据(302b)。同样地，经透射测量强度数据(304a)严格匹配经透射再现强度数据(304b)。因此，对于反射视图及透射视图两者，一个共同CD导致匹配模型及实际强度数据。因此，因为对于相同光罩结构的不同视图参数获得相同CD结果，所以所述技术表现为提供精确机制来找出CD偏差。
CD偏差结果可经组合以形成用于整个光罩的CD均匀性(CDU)图。接着，可分析CDU图以确定光罩是否在如本文中进一步描述的规范内。CDU图的实施例可采取任何合适形式。例如，CDU图可文字地表示为光罩的每一区域的平均CD变化值的列表。每一平均CD变化值可列在对应光罩区域坐标旁边。CDU图还可由例如格点差值的标准偏差或方差的度量表示。替代地或此外，CDU图可以视觉方式表示使得不同CD变化值或范围被示为不同视觉方式，例如不同色彩的光罩区域、不同的条形图高度、不同图形值或3维表示等。CDU图可以不同格点取样大小或通过到不同函数形式的拟合(例如多项式拟合或傅立叶变换)来表示。
这些CDU图对于半导体芯片制造商理解将由光罩的使用产生的工艺窗来说可能是重要的。CDU图可允许芯片制造商确定是否使用光罩、应用补偿光刻过程中的误差或改进光罩的制造，以形成改进的下一个光罩。可对新制造光罩产生并分析CDU图，以检测制造缺陷区域或对已经在光刻过程中使用一或多次的光罩执行CDU图，以监测特征变化及/或检测降级。
图4是根据本发明的一个实施例的说明CDU图分析过程400的流程图。首先，可在操作402中获得CDU图。例如，通过对跨光罩的多个图案/结构执行图1的CD偏差确定过程而获得CDU图。
接着，可在操作404中确定CDU图是否不合规范。例如，可确定特定光罩区域的CDU变化是否高于预定义阈值。如果CDU变化不高于预定义阈值，那么接着可在操作405中使用光罩来制造晶片。
如果CDU变化高于预定义阈值，那么可在操作408中获得对应于作为根本原因的相关过程或图案的不合规范CDU图的常见图征。CDU图可用于跟踪光罩上的问题区域，例如所述问题区域是由光罩制造/工艺问题或光罩随时间降级(例如铬、MoSi、护膜、清洁类型的降级)所致。换句话说，特定不合规范CDU图可具有先前与特定根本原因相关联的某一图征。例如，光罩的先前检验及分析或光罩工艺可具有未涉及的根本原因及相关联的CDU图征。
返回参考所说明的实例，接着可在操作410中确定光罩图案或工艺是否为根本原因。例如，可确定CDU图是否具有已经与特定根本原因(例如脏的护膜)相关联的图征。如果光罩图案是根本原因，那么接着可在操作414中确定所述光罩是否可修复。如果光罩不可修复，可在操作418中将所述光罩舍弃(且制造新光罩)。否则在操作416中修复光罩。例如，可从光罩中清除某些缺陷。例如，护膜可被清除或更换，或可蚀刻或去除额外光罩部分。在修复之后，可对经修复光罩执行新检验且可重复用于产生并分析CDU图的过程。如果经修复光罩符合规范，那么接着可在操作405中使用经修复光罩来制造晶片。在替代性实例中，光刻过程可经调整以(例如)通过在操作417中修改剂量或焦点来补偿不合规范的光罩，且结合操作405中的光罩使用新的经处理。如果另一方面，用于制造光罩的工艺是根本原因，那么可在操作412中调整光罩制造工艺(且舍弃光罩并制造新光罩)。
在检验期间，可使用光学检验工具获得光罩的多个图像。在图像获取期间，对光罩上的多个目标结构获得多个图像。可从光罩的一组裸片中的每一裸片的个别区域获得图像。例如，当入射光学光束扫描横跨(或移动到)光罩(的每一裸片)时，检验工具可操作以检测并收集反射光或透射光或反射光及透射光两者。入射光学光束可扫描横跨各自包括多个图像的光罩扫描带。响应于此入射光束而从每一图像的多个点或子区收集光。
所述检验工具通常可操作以将此经检测光转换成对应于强度值的经检测信号。经检测信号可采取具有对应于光罩的不同位置处的不同强度值的振幅值的电磁波形的形式。经检测信号还可采取强度值及相关联光罩点坐标的简单列表的形式。经检测信号还可采取具有对应于光罩上的不同位置或扫描点的不同强度值的图像的形式。在扫描光罩的所有位置或检测光之后可产生光罩图像，或在扫描每一光罩部分时可产生光罩图像的部分。
可通过以蛇形或光栅图案从光罩依序扫描图像来获得每一强度数据集。例如，由光学检验系统的光学光束沿正x方向从左到右扫描光罩部分的第一扫描带(例如)以获得第一强度数据集。接着沿y方向相对于光束移动光罩。接着沿负x方向从右到左扫描第二扫描带以获得第二强度数据集。从裸片的底行到裸片的顶行依序扫描扫描带或反之亦然。替代地，光罩的图像可通过移动到光罩的每一个别目标区域而获得。
在一个实施例中，可基于如在光罩检验期间检测到的反射光、透射光或两者而产生每一图像的积分强度值。在一个实例实施方案中，可通过(T-R)/2来组合反射(R)及透射(T)值。反射信号与透射信号的正负号通常相反。因此，减去T及R信号将所述信号相加在一起。因为噪声源对于T及R不同，所以噪声可趋向于从所述经组合信号中平均掉。可使用对R及/或T值的其它加权来产生图像的具有相关联益处的积分强度值。在某些情形中，特定区域的R及T信号可具有相同正负号而非相反正负号，这可指示结果在相关联区域中不一致且可能并不可信。因此，R与T的组合可能在此类区域中下加权或在不充分可信的情况下从计算去除。
可以硬件及/或软件的任何合适组合实施本发明的技术。图5是其中可实施本发明的技术的实例检验系统500的图解表示。检验系统500可从检验工具或扫描仪(未展示)接收输入502。检验系统500还可从基于设计数据库将光罩的图像模型化的模型接收输入502(或系统500可接收设计数据库且接着产生此类模型化图像)。所述检验系统还可包含用于分配所接收输入502的数据分配系统(例如，504a及504b)、用于处理所接收输入502的具体图像/图像部分的强度信号(或图像)处理系统(例如，图像处理器及存储器506a及506b)、用于产生ΔCD图的图产生器系统(例如，图产生器处理器及存储器512)、用于允许检验系统组件之间的通信的网络(例如，交换式网络508)、任选大容量存储装置516及用于复检所述图的一或多个检验控制及/或复检站(例如，510)。检验系统500的每一处理器通常可包含一或多个微处理器集成电路且还可含有接口及/或存储器集成电路且另外可耦合到一或多个共享及/或全局存储器装置。
用于产生输入数据502的扫描仪或数据采集系统(未展示)可采取用于获得光罩的强度信号或图像的任何合适仪器的形式(例如，如本文中进一步描述)。例如，所述扫描仪可基于被反射、透射或以其它方式引导到一或多个光传感器的经检测光的部分来构造光学图像或产生所述光罩的部分的强度值。所述扫描仪接着可输出所述强度值或者可从所述扫描仪输出图像。
通常将光罩划分成从其获得来自多个点的多个强度值的多个图像部分。可扫描光罩的图像部分以获得此强度数据。图像部分可取决于特定系统及应用要求而呈任何大小及形状。一般来说，可通过以任何合适方式扫描光罩来获得每一图像部分的多个强度值。例如，可通过对光罩进行光栅扫描而获得每一图像部分的多个强度值。替代地，可通过以例如圆形或螺旋形图案的任何合适图案来扫描光罩而获得图像。当然，传感器可必须以不同方式(例如，以饼图案)布置及/或光罩可在扫描期间以不同方式移动(例如，旋转)以便从光罩扫描圆形或螺旋形形状。
在下文所说明的实例中，当光罩移动经过传感器时，检测来自光罩的矩形区域(本文中称为“扫描带”)的光且将此经检测光转换成每一图像中的多个点处的多个强度值。在此实施例中，扫描仪的传感器以矩形图案布置以接收从光罩反射及/或透射的光并从所述光产生对应于所述光罩的图像的扫描带的强度数据集。
可使用以任何合适方式设置的光学检验工具来获得每一图像的强度值。所述光学工具通常以操作参数集或“配方”设置，所述“配方”对用于获得强度值的不同检验运行来说基本上相同。配方设置可包含以下设置中的一或多者：用于以特定图案、像素大小来扫描光罩的设置、用于将来自单个信号的相邻信号分组的设置、焦点设置、照明或检测孔径设置、入射光束角度与波长设置、检测器设置、用于反射光或透射光的量的设置、空中模型化参数等。
可由数据分配系统经由网络508接收强度或图像数据502。所述数据分配系统可与用于保存所接收数据502的至少一部分的一或多个存储器装置(例如，RAM缓冲器)相关联。优选地，总存储器足够大以保存整个数据样片(swatch)。例如，1G的存储器极适用于是1百万乘1000个像素或点的样片。
数据分配系统(例如，504a及504b)还可控制所接收输入数据502的部分到处理器(例如，506a及506b)的分配。例如，数据分配系统可将第一图像的数据路由到第一图像处理器506a，且可将第二图像的数据路由到图像处理器506b。还可将多个图像的多个数据集路由到每一图像处理器。
图像处理器可接收对应于光罩的至少一部分或图像的强度值或图像。所述图像处理器还可相应耦合到提供区域存储器功能(例如保存所接收数据部分)的一或多个存储器装置(例如DRAM装置)(未展示)或与所述一或多个存储器装置集成。优选地，所述存储器足够大以保存对应于光罩的图像的数据。例如，8兆字节的存储器极适用于对应于512乘1024像素的图像的强度值或图像。所述图像处理器还可共享存储器。
每一输入数据集502可对应于光罩的扫描带。一或多个数据集可存储于数据分配系统的存储器中。此存储器可受控于数据分配系统内的一或多个处理器，且所述存储器可划分成多个分区。例如，所述数据分配系统可将对应于扫描带的部分的数据接收到第一存储器分区(未展示)中，且所述数据分配系统可将对应于另一扫描带的另一数据接收到第二存储器分区(未展示)中。优选地，所述数据分配系统的存储器分区中的每一者仅保存将路由到与此存储器分区相关联的处理器的数据的部分。例如，所述数据分配系统的第一存储器分区可保存第一数据并将所述第一数据路由到图像处理器506a，且第二存储器分区可保存第二数据并将所述第二数据路由到图像处理器506b。
经检测信号还可采取空中图像的形式。即，可使用空中成像技术来模拟光刻系统的光学效应以便产生在晶片上曝光的光致抗蚀剂图案的空中图像。一般来说，模拟光刻工具的光学器件以便基于来自光罩的经检测信号而产生空中图像。所述空中图像对应于从通过光刻光学器件及光罩到达晶片的光致抗蚀剂层上的光产生的图案。另外，还可模拟特定类型的光致抗蚀剂材料的光致抗蚀剂曝光过程。
可使入射光或经检测光通过任何合适空间孔径以按任何合适入射角产生任何入射或经检测光轮廓。例如，可利用可编程照明或检测孔径来产生特定光束轮廓，例如偶极子、四极子、类星体、环形物等。在特定实例中，可实施源掩模优化(SMO)或任何像素化照明技术。
数据分配系统可基于任何合适数据参数而定义及分配数据的每一数据集。例如，可基于光罩上的图像的对应位置而定义并分配数据。在一个实施例中，每一扫描带与对应于所述扫描带内的像素的水平位置的列位置范围相关联。例如，所述扫描带的列0到256可对应于第一图像，且这些列内的像素将包括路由到一或多个图像处理器的第一图像或第一强度值集。同样地，所述扫描带的列257到列512可对应于第二图像，且这些列中的像素将包括路由到不同图像处理器的第二图像或第二强度值集。
图6A是根据某些实施例的可用以将掩模图案从光掩模M转印到晶片W上的典型光刻系统600的简化示意表示。此类系统的实例包含扫描仪及步进机，更具体来说，可从荷兰费尔德霍芬市的ASML(ASML in Veldhoven,Netherlands)购得的TWINSCAN系统。一般来说，照明源603将光束引导穿过照明光学器件607(例如，透镜605)到达位于掩模平面602中的光掩模M上。照明透镜605具有在所述平面602处的数值孔径601。数值孔径601的值影响光掩模上的哪些缺陷属于光刻显著缺陷且哪些缺陷不属于光刻显著缺陷。通过光掩模M的光束的部分形成经图案化光学信号，所述经图案化光学信号经引导穿过成像光学器件613且到达晶片W上以起始图案转印。
图6B提供根据某些实施例的具有照明光学器件651a的实例检验系统650的示意表示，照明光学器件651a包含在光罩平面652处具有相对大的数值孔径651b的成像透镜。所描绘检验系统650包含具有经设计以提供(例如)60到300X放大率或更大放大率以增强检验的显微放大光学器件的检测光学器件653a及653b。例如，在所述检验系统的光罩平面652处的数值孔径651b可视为大于在光刻系统600的光罩平面602处的数值孔径601，这将导致测试检验图像与实际印刷图像之间的差异。
可在各种经特别配置的检验系统(例如图6B中示意地说明的检验系统)上实施本文中描述的检验技术。所说明系统650包含产生被引导穿过照明光学器件651a到达光罩平面652中的光掩模M上的光束的照明源660。光源的实例包含激光或滤光式灯。在一个实例中，所述源为193nm激光。如上文解释，检验系统650可具有光罩平面652处的可大于对应光刻系统的光罩平面数值孔径(例如，图6A中的元件601)的数值孔径651b。将待检验的光掩模M放置于光罩平面652处的掩模载台上且曝光于所述源。
来自掩模M的经图案化图像被引导穿过将经图案化图像投影到传感器654a上的许多光学元件653a。在反射系统中，光学元件(例如，光束分离器676及检测透镜678)将反射光引导并捕获到传感器654b上。合适传感器包含电荷耦合装置(CCD)、CCD阵列、时间延迟积分(TDI)传感器、TDI传感器阵列、光电倍增管(PMT)及其它传感器。
可相对于掩模载台移动照明光学器件柱及/或通过任何合适机构相对于检测器或相机移动所述载台以便扫描光罩的图像。例如，可利用电动机机构来移动所述载台。例如，所述电动机机构可由螺杆驱动器与步进机电动机、具有反馈位置的线性驱动器或带式致动器与步进机电动机形成。
可由计算机系统673或更一般来说由一或多个信号处理装置(其各自可包含经配置以将来自每一传感器的模拟信号转换成数字信号以供处理的模拟转数字转换器)处理由每一传感器(例如，654a及/或654b)捕获的信号。计算机系统673通常具有经由适当总线或其它通信机构耦合到输入/输出端口及一或多个存储器的一或多个处理器。
计算机系统673还可包含用于提供用户输入(例如改变焦点及其它检验配方参数)的一或多个输入设备(例如，键盘、鼠标、操纵杆)。计算机系统673还可连接到所述载台以控制(例如)样本位置(例如，聚焦及扫描)且连接到其它检验系统组件以控制此类检验系统组件的其它检验参数及配置。
计算机系统673可经配置(例如，借助编程指令)以提供用于显示所得强度值、图像及其它检验结果(例如CD偏差值及图)的用户接口(例如，计算机屏幕)。计算机系统673可经配置以分析反射及/或透射所感测光束的强度改变、相位、CDU图及/或其它特性。计算机系统673可经配置(例如，借助编程指令)以提供用于显示所得强度值、图像及其它检验特性的用户接口(例如，在计算机屏幕上)。在某些实施例中，计算机系统673经配置以实施上文所详述的检验技术。
因为可在经特别配置的计算机系统上实施此类信息及程序指令，所以此系统包含可存储于计算机可读媒体上的用于执行本文中所描述的各种操作的程序指令/计算机过程码。机器可读媒体的实例包含但不限于：磁性媒体，例如硬盘机、软磁盘及磁带；光学媒体，例如CD-ROM磁盘；磁光媒体，例如光盘；及经特别配置以存储并执行程序指令的硬件装置，例如只读存储器装置(ROM)及随机存取存储器(RAM)。程序指令的实例包含机器代码(例如由编译器产生)及含有可由计算机使用解释器来执行的较高阶代码的文件两者。
在某些实施例中，一种用于检验光掩模的系统包含经配置以执行本文中所描述的技术的至少一个存储器及至少一个处理器。检验系统的实例包含可从加利福尼亚州米尔皮塔斯市的科磊公司购得的经特别配置的TeraScanTMDUV检验系统。
虽然已出于理解清楚的目的而以一些细节描述了前述发明，但是将明白，可在所附权利要求书的范围内实践特定改变及修改。应注意，存在实施本发明的过程、系统及设备的许多替代方式。因此，本发明实施例应视为说明性而非限制性，且本发明不应限于本文中所给出的细节。

Claims (23)

1.一种测量光罩上的临界尺寸偏差的方法，所述方法包括：
利用成像系统检验所述光罩以获得在所述光罩上的结构的经测量图像，其中所述结构具有未知临界尺寸值；
使用模型、使用描述用于在获得所述经测量图像的所述光罩上形成所述结构的图案的设计数据库来产生经计算图像，其中所述模型基于以下项产生所述经计算图像：对应于所述结构的光罩材料的光学性质、所述成像系统的计算模型及可调整临界尺寸；
通过调整所述可调整临界尺寸且迭代地重复产生经计算图像的所述操作而最小化所述经测量图像与所述经计算图像之间的差值的范数以导致最终模型临界尺寸，其中对所述可调整临界尺寸及所述成像系统的一或多个不确定参数同时执行最小化所述差值的所述范数；及
将所述未知临界尺寸值定义为导致所述差值的所述范数的最小化的所述最终临界尺寸。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述经测量图像包括多个xy位置的对应于所述经计算图像的相同多个xy位置处的多个强度值。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述经测量图像包括针对用于所述检验工具的不同操作参数的多个视图获得的所述结构的多个经测量图像，且所述经计算图像经产生以包括用于所述多个视图的所述结构的多个经计算图像。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述视图包括反射光及透射光检测。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述视图包括用于以下项中的一或多者的不同设置：焦点偏移、所述照明的光瞳分布、所述照明的偏振状态、聚光光学器件的数值孔径、孔径形状、光瞳滤光器设置或分析仪设置。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述成像系统的所述计算模型包含在所述成像系统中测量的像差特性。
7.根据权利要求1的方法，其中经最小化的所述差值的所述范数是：
其中：
Icalc(x,y,v,CD,p)是依据x,y位置、视图v、临界尺寸CD及一或多个未知成像系统参数p而变化的所述经计算图像的多个强度值；
Imeas(x,y,v)是依据x,y位置及视图v而变化的所述经测量图像的多个强度值；及w(x,y,v)是依据x,y位置及视图v而变化的多个权重。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述经测量图像与所述经计算图像之间的所述差值的所述范数是经测量图像像素值与经计算图像像素值的差值的平方和。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述经测量图像与所述经计算图像之间的所述差值的所述范数是经测量图像像素值与经计算图像像素值的差值的绝对值之和。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述系统的所述一或多个不确定参数包含以下中的一或多者：焦点及照明强度。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述经测量图像及所述经计算图像各自包括在多个视图处获取的一组图像，两个视图的区别在于至少一个或多个成像参数，所述参数包含反射或透射模式、照明光瞳分布、照明偏振、聚光光瞳数值孔径及形状、焦点设置及光瞳滤光器相位及振幅。
12.根据权利要求1所述的方法，其中经最小化的所述差值的所述范数是：
其中：
Icalc(x,y,v,CD,p)是依据x,y位置、视图v、临界尺寸CD及一或多个未知成像系统参数p而变化的所述经计算图像的多个强度值；
Imeas(x,y,v)是依据x,y位置及视图v而变化的所述经测量图像的多个强度值；
σ(x,y,v)是视图v中的像素(x,y)处的所述强度测量中的不确定性；
pi是所述成像参数的第i个不确定参数；
E(pi)是pi的期望值；及
σ(pi)是pi中的所述不确定性。
13.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：
对于跨所述光罩的多个结构，重复检验、产生经计算图像、最小化范数及定义所述多个结构中的每一者的所述未知临界尺寸的所述操作以获得跨所述光罩的所述多个结构的多个最终临界尺寸，借此产生临界尺寸均匀性CDU图；及
分析所述CDU图以确定所述光罩是否具有缺陷且是否被修复或舍弃，或所述光罩是否用于制造半导体晶片。
14.一种用于测量光罩上的临界尺寸偏差的检验系统，所述系统包括：
照明光学器件，其用于产生入射光束并引导所述入射光束朝向所述光罩；
输出光学器件，其用于响应于所述入射光束而检测来自所述光罩的图像；及
至少一个存储器及至少一个处理器，其经配置以起始以下操作：
利用所述检验系统检验所述光罩以获得在所述光罩上的结构的经测量图像，其中所述结构具有未知临界尺寸值；
使用模型、使用描述用于在获得所述经测量图像的所述光罩上形成所述结构的图案的设计数据库来产生经计算图像，其中所述模型基于以下项产生所述经计算图像：对应于所述结构的光罩材料的光学性质、所述成像系统的计算模型及可调整临界尺寸；
通过调整所述可调整临界尺寸且迭代地重复产生经计算图像的所述操作而最小化所述经测量图像与所述经计算图像之间的差值的范数以导致最终模型临界尺寸，其中对所述可调整临界尺寸及所述成像系统的一或多个不确定参数同时执行最小化所述差值的所述范数；及
将所述未知临界尺寸值定义为导致所述差值的所述范数的最小化的所述最终临界尺寸。
15.根据权利要求14所述的系统，其中所述经测量图像包括多个xy位置的对应于所述经计算图像的相同多个xy位置处的多个强度值。
16.根据权利要求15所述的系统，其中所述经测量图像包括针对用于所述检验工具的不同操作参数的多个视图获得的所述结构的多个经测量图像，且所述经计算图像经产生以包括用于所述多个视图的所述结构的多个经计算图像。
17.根据权利要求16所述的系统，其中所述视图包括以下项中的两者或两者以上：反射光及透射光检测、用于以下项中的一或多者的不同设置：焦点偏移、所述照明的光瞳分布、所述照明的偏振状态、聚光光学器件的数值孔径、孔径形状、光瞳滤光器设置或分析仪设置。
18.根据权利要求14所述的系统，其中所述成像系统的所述计算模型包含在所述成像系统上测量的像差特性。
19.根据权利要求14所述的系统，其中所述经测量图像与所述经计算图像之间的所述差值的所述范数是经测量图像像素值与经计算图像像素值的差值的平方和。
20.根据权利要求14所述的系统，其中所述系统的所述一或多个不确定参数包含以下中的一或多者：焦点及照明强度。
21.根据权利要求14所述的系统，其中所述经测量图像及所述经计算图像各自包括在多个视图处获取的一组图像，两个视图的区别在于至少一个或多个成像参数，所述参数包含反射或透射模式、照明光瞳分布、照明偏振、聚光光瞳数值孔径及形状、焦点设置及光瞳滤光器相位及振幅。
22.根据权利要求14所述的系统，其进一步包括：
对于跨所述光罩的多个结构，重复检验、产生经计算图像、最小化范数及定义所述多个结构中的每一者的所述未知临界尺寸的所述操作以获得跨所述光罩的所述多个结构的多个最终临界尺寸，借此产生临界尺寸均匀性CDU图；及
分析所述CDU图以确定所述光罩是否具有缺陷且是否被修复或舍弃，或所述光罩是否用于制造半导体晶片。
23.一种计算机可读媒体，其上储存指令用于执行以下操作：
利用成像系统检验光罩以获得在所述光罩上的结构的经测量图像，其中所述结构具有未知临界尺寸值；
使用模型、使用描述用于在获得所述经测量图像的所述光罩上形成所述结构的图案的设计数据库来产生经计算图像，其中所述模型基于以下项产生所述经计算图像：对应于所述结构的光罩材料的光学性质、所述成像系统的计算模型及可调整临界尺寸；
通过调整所述可调整临界尺寸且迭代地重复产生经计算图像的所述操作而最小化所述经测量图像与所述经计算图像之间的差值的范数以导致最终模型临界尺寸，其中对所述可调整临界尺寸及所述成像系统的一或多个不确定参数同时执行最小化所述差值的所述范数；及
将所述未知临界尺寸值定义为导致所述差值的所述范数的最小化的所述最终临界尺寸。
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