CN111183509A - 在高反射膜堆叠上的高吸收膜层的光学测量 - Google Patents

在高反射膜堆叠上的高吸收膜层的光学测量 Download PDF

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Abstract

本文描述了用于以改进的测量灵敏度来对高吸收膜(例如，高K介电膜)执行基于光学的膜厚度测量的设备和方法。在高反射膜堆叠的顶部上制造高吸收膜层。高反射膜堆叠包含一组或多组名义上相同的多层不同的光学对比材料。高反射膜堆叠在特定的波长范围内引起光学共振。高吸收膜层和高反射膜堆叠的界面处的高反射率提高了被测光强度和测量灵敏度。选择高反射膜堆叠的不同材料层的厚度和光学色散以在期望的波长范围内引起光学共振。选择期望的波长范围以将被测量的高吸收膜的吸收最小化。

Description

在高反射膜堆叠上的高吸收膜层的光学测量
相关申请的交叉引用
本专利申请根据35U.S.C.§119要求2017年10月11日提交的序列号为62/571,100的美国临时专利申请的优先权，所述临时专利申请的主题通过引用整体并入本文。
技术领域
所描述的实施例涉及计量系统和方法，并且更具体地涉及用于改进半导体结构的测量的方法和系统。
背景技术
诸如逻辑装置和存储器装置之类的半导体装置通常通过应用于样品的一系列处理步骤来制造。通过这些处理步骤形成半导体装置的各种特征和多个结构层级。例如，光刻等等是涉及在半导体晶片上生成图案的一种半导体制造工艺。半导体制造工艺的附加示例包含但不限于化学机械抛光、蚀刻、沉积以及离子植入。可以在单个半导体晶片上制造多个半导体装置，然后将所述多个半导体装置分离成单独的半导体装置。
在半导体制造工艺期间，在多个步骤使用计量工艺来检测晶片上的缺陷以促进更高良率。光学计量技术在没有样本损坏的风险的情况下提供了高产出的潜在性。许多基于光学计量的技术(包含散射测量、反射测量以及椭偏测量实施方式和相关联的分析算法)通常用于表征纳米尺度结构的临界尺寸、膜厚度、组成、叠对层以及其它参数。
在许多半导体制造应用中，相对较厚的高吸收层直接沉积在衬底(例如，硅衬底)上或在衬底上制造的一组生产膜堆叠的顶部上。在一个示例中，将具有一微米厚度或更大厚度的碳层沉积在硅衬底上或沉积在硅衬底上的一组生产膜堆叠上。
由于随着照明光传播穿过层厚度到达层的底部以及随着反射光传播回来穿过层厚度到达层的顶部而发生的一定量的光损失，难以对相对较厚的高吸收层的厚度进行光学测量。结果，许多光学技术的信噪比(SNR)较低，因为只有一小部分照明光能够到达厚的吸收膜的底部并向上反射到检测器。因此，许多可用的高产出计量技术不能可靠地对厚的吸收膜层执行膜厚度测量。
例如，相对较厚的碳层实际上吸收了紫外和可见光谱中的所有测量光。作为响应，已经尝试使用红外(IR)照明提高测量灵敏度来对相对较厚的碳层执行光学厚度测量。因为与UV和可见光谱相比，碳在IR光谱中的吸收较少，所以采用IR照明。不幸的是，在红外光谱中从硅衬底的反射率非常低。这限制了测量灵敏度。尽管典型的产品堆叠在红外光谱中具有较高的反射率，但是产品堆叠使测量变得复杂，并且事实证明难以从源于产品堆叠的信号中提取指示碳层厚度的测量信号。
总之，涉及厚的高吸收膜层的半导体制造应用对光学计量系统提出了困难的要求。光学计量系统必须满足高产出下针对厚的高吸收膜厚度测量的高精度和准确性要求。需要克服这些限制的改进的膜构造以及计量系统和方法。
发明内容
本文描述了用于以改进的测量灵敏度来对高吸收膜(例如，高K介电膜)执行基于光学的膜厚度测量的设备和方法。
在高反射膜堆叠的顶部上制造被测量的高吸收膜层。高反射膜堆叠包含一组或多组名义上相同的多层不同的光学对比材料。高反射膜堆叠在特定的波长范围内引起光学共振。高吸收膜层和高反射膜堆叠的界面处的高反射率提高了透射通过高吸收膜并到达光谱仪的检测器上的光强度。以这种方式，指示高吸收膜的厚度的被测信号的振幅相对于测量本底噪声有所增大。结果，提高了对高吸收膜厚度的测量灵敏度。
在一方面，选择高反射膜堆叠中的不同材料的厚度和光学色散(即，折射率)以在期望的波长范围内引起光学共振。以这种方式，测量灵敏度显著高于与直接在硅衬底或典型的产品堆叠上制造的高吸收膜的测量相关联的测量灵敏度。
在进一步的方面，采用光谱椭偏仪、光谱椭偏仪或两者以对在一个或多个重复组的多层的不同光学对比材料的顶部上制造的高吸收膜执行基于光学的膜厚测量。
在另一进一步的方面，采用IR波长来对高吸收的非晶碳层执行厚度光学测量。
上述内容是综述，并且因此必然含有细节的简化、概括以及省略；所以，所属领域技术人员将明白，综述仅是说明性的并且不以任何方式限制。在本文中描述的非限制性详细描述中，本文描述的装置和/或过程的其它方面、发明特征以及优点将变得显而易见。
附图说明
图1是说明膜堆叠结构160的图式，所述膜堆叠结构包含衬底、设置在衬底上的许多基本相同的重复层组以及设置在重复层组上的高吸收材料层。
图2描绘了在半导体制造工艺的蚀刻步骤中用作硬掩模材料的非晶碳膜的消光系数的曲线图。
图3描绘了由图2的非晶碳膜层透射的光的比例的曲线图，所述光的比例由光谱反射计测量。
图4描绘了用于对厚的高吸收膜的厚度执行宽带红外光谱椭偏测量的示例性计量系统100。
图5描绘了说明由诸如图4中描绘的计量系统100之类的SE计量系统测量的α光谱171的仿真的曲线图170。
图6描绘了说明由诸如图4中描绘的计量系统100之类的SE计量系统测量的β光谱173的仿真的曲线图172。
图7描绘了说明与在许多不同结构上制造的厚的非晶碳层(例如，大约1.8微米厚)的α光谱响应相关联的测量灵敏度的仿真的曲线图175。
图8描绘了说明与在许多不同结构上制造的厚的非晶碳层(例如，大约1.8微米厚)的β光谱响应相关联的测量灵敏度的仿真的曲线图180。
图9描绘了用于对厚的高吸收膜层执行宽带红外光谱反射厚度测量的示例性计量系统200。
图10描绘了用于对厚的高吸收膜层执行宽带红外光谱反射厚度测量的示例性计量系统300。
图11示出了用于对厚的高吸收膜层执行光学膜厚度测量的方法400。
具体实施方式
现在详细参考本发明的背景示例和一些实施例，所述实施例的示例在附图中进行说明。
本文描述了用于以改进的测量灵敏度对高吸收膜(例如，高K介电膜)进行基于光学的膜厚度测量的设备和方法。在高反射膜堆叠的顶部上制造被测量的高吸收膜层。高反射膜堆叠包含一组或多组名义上相同的(即，在制造公差内)多层不同的光学对比材料。高反射膜堆叠在特定的波长范围内引起光学共振。高吸收膜层和高反射膜堆叠的界面处的高反射率提高了透射通过高吸收膜并到达光谱仪的检测器上的光强度。以这种方式，指示高吸收膜的厚度的被测信号的振幅相对于测量本底噪声有所增大。结果，提高了对高吸收膜厚度的测量灵敏度。
在一方面，选择高反射膜堆叠中的不同材料的厚度和光学色散(即，折射率)以在期望的波长范围内引起光学共振。在一些实施例中，高反射膜叠层被优化以在期望的波长范围内展现出接近1.0的反射率。以这种方式，测量灵敏度显著高于与直接在硅衬底或典型的产品堆叠上制造的高吸收膜的测量相关联的测量灵敏度。
图1是描绘衬底161、设置在衬底161上的许多基本相同的重复层组162-165以及设置在重复层组162-165上的高吸收材料层167的图示。基本相同的重复层组中的每个包含各自具有不同折射率的不同材料层。这增加了每个界面处的光学对比度并且放大了光学共振效应。
在图1中描绘的实施例中，衬底161是硅衬底，并且高吸收材料层167是非晶碳层。每个重复层组包含二氧化硅层和非晶硅层。二氧化硅层162A、二氧化硅层163A、二氧化硅层164A、二氧化硅层165A以及二氧化硅层166A基本相同。换句话说，它们的材料组成和厚度在半导体制造工艺的范围内是相同的。类似地，非晶硅层162B、非晶硅层163B、非晶硅层164B以及非晶硅层165B基本相同。换句话说，它们的材料组成和厚度在半导体制造工艺的范围内是相同的。尽管每个重复层组包含两个不同的材料层(例如，二氧化硅和非晶硅)，但是通常，每个重复层组可以包含任何数量的不同材料层。尽管在图1中描绘了四个重复层组，但是通常，也可以采用任何数量的重复层组来展现出光学共振。实际上，由于采用更多的重复层组而导致的改进的测量灵敏度受到不超过大约八个或九个重复层组的限制。通常，使用八个或九个以上的重复层组不会显著提高测量灵敏度。
在一些实施例中，材料层中的一个的厚度不同于每个重复层组的材料层中的另一个的厚度。如图1所描绘的，二氧化硅层162A、二氧化硅层163A、二氧化硅层164A、二氧化硅层165A以及二氧化硅层166A中的每个的厚度是T1，并且非晶硅层162B、非晶硅层163B、非晶硅层164B以及非晶硅层165B中的每个的厚度是T2。在一些其它实施例中，材料层中的一个的厚度与每个重复层组的材料层中的另一个的厚度相同。
尽管在图1中将高吸收层167描绘为非晶碳层，但是通常，在本专利文件的范围内可以预期任何高吸收膜。高吸收材料的特征在于消光系数K和厚度T。通常，吸收随着消光系数、厚度或两者的增大而增加。在一些实施例中，高吸收材料层的特征在于消光系数与厚度的乘积(即，K*T)，所述乘积的值在用于对高吸收材料层执行膜厚度测量的照明波长的范围内大于0.7微米。在一些实施例中，高吸收材料层的特征在于消光系数与厚度的乘积(即，K*T)，所述乘积的值在用于对高吸收材料层执行膜厚度测量的照明波长的范围内大于1.0微米。
在一个示例中，非晶碳层167的厚度是1800纳米。在1800纳米至2,500纳米的范围中的照明波长下，非晶碳的典型消光系数大约是0.6-0.7。因此，消光系数与非晶碳层厚度的乘积远高于0.7微米。在一个示例中，二氧化硅层162A、二氧化硅层163A、二氧化硅层164A、二氧化硅层165A以及二氧化硅层166A中的每个的厚度是2,500纳米，而非晶硅层162B、非晶硅层163B、非晶硅层164B以及非晶硅层165B中的每个的厚度也是2,500纳米。在高吸收非晶碳层下面的这种重复层组是用于用包含波长范围为1,800纳米-2,500纳米的IR照明测量非晶碳层的优选实施例。出于几个原因，二氧化硅和非晶硅层是优选的。这两种材料通常沉积在半导体工业中，并且它们没有污染处理室的潜力。从这个意义上讲，这些材料比许多金属更优选。另外，这两种材料的折射率都提供了良好的对比度。例如，二氧化硅的折射率大约是1.45，并且非晶硅的折射率大约是3.5。另外，二氧化硅和非晶硅两者都不能有效吸收IR波长(例如，在1,000纳米至2,500纳米之间的波长)的光。这促进了重复层组的有效光学共振和高效反射率。
在一些其它实施例中，非晶硅层被氮化物层代替。然而，对于IR波长下的测量，氧化物和氮化物的重复层组并不是优选的。氮化物的折射率大约是2.0，这导致与氧化物层的对比度要远低于非晶硅与氧化物层的对比度。结果，将需要更厚的氮化物层来引起共振。此外，氮化物在IR波长下具有吸收性，因此在IR照明波长下，氧化物和氮化物的重复层组的总反射率远低于氧化物和非晶硅的层组。然而，在UV波长(例如，在250纳米-300纳米之间的范围内的波长)或可见光的波长(例如，400纳米-500纳米)下，可以采用氧化物和氮化物的重复层组。在一个示例中，可以通过重复层组来生成接近500纳米的光学共振，所述重复层组各自具有厚度在450纳米至500纳米之间的氧化物层和氮化物层。
图2描绘了在用于三维NAND结构的制造工艺的蚀刻步骤中用作硬掩模材料的非晶碳膜的消光系数的曲线图。曲线168描绘了作为波长函数的消光系数。膜的消光系数在200纳米至2200纳米的整个波长范围内维持相对较高的值。因此，膜即使在近IR光谱区域中也具有强吸收性。
图3描绘了由具有1250纳米的厚度的非晶碳膜透射的光的比例的曲线图，所述光的比例由反射计测量。从非晶碳膜的表面反射的光在内部反射中占优势，因为被测量的膜透射的光相对较少。因此，难以测量高吸收膜的厚度。
在200纳米至2200纳米的整个波长范围内，由非晶碳膜层透射的光的百分比保持得极低。如图3所示，收集大约0.05％的入射光所需的最小波长是大约2000纳米。在大约1800纳米以下，收集到的信号的量实际上是无法测量的。
图2和3示出了采用短波长红外光(例如，1400纳米至3000纳米)、甚至中波长红外光(例如，3000纳米至5000纳米，以及更高波长)来对半导体制造中采用的重要材料执行基于光谱的测量的重要性。
在进一步的方面，采用光谱椭偏仪以对在一个或多个重复组的多层的不同光学对比材料的顶部上制造的高吸收膜执行基于光学的膜厚测量。在另一进一步的方面，采用IR波长来对高吸收的非晶碳层执行厚度光学测量。
图4描绘了用于对高吸收材料层执行膜厚度测量的示例性计量系统100。在一些示例中，高吸收层是在诸如3-D存储结构之类的高纵横比HAR结构的制造中采用的非晶碳层。如图4所描绘的，计量系统100被配置为宽带光谱椭偏仪。然而，通常，计量系统100可以被配置为光谱反射计、散射仪、椭偏仪或其任何组合。
计量系统100包含照明源110，所述照明源生成入射在晶片120上的照明光束117。在一些实施例中，照明源110是发射紫外、可见以及红外光谱中的照明光的宽带照明源。在一个实施例中，照明源110是激光支持等离子体(LSP)光源(又名激光驱动等离子体源)。LSP光源的泵激光器可以是连续波或脉动的。在150纳米至2000纳米的整个波长范围内，激光驱动等离子体源产生的光子可以比氙灯产生的光子多得多。照明源110可以是单个光源或多个宽带或离散波长光源的组合。由照明源110生成的光包含从紫外到红外(例如，从真空紫外到中红外)的连续光谱或连续光谱的部分。通常，照明源110可以包含超连续激光光源、红外氦氖激光光源、弧光灯或任何其它合适的光源。
在进一步的方面，一定量的照明光是包含跨越至少500纳米的一系列波长的宽带照明光。在一个示例中，宽带照明光包含低于250纳米的波长和高于750纳米的波长。通常，宽带照明光包含在120纳米至3,000纳米之间的波长。在一些实施例中，可以采用包含超过3,000纳米的波长的宽带照明光。在一些示例中，宽带照明光包含高达5,000纳米的波长。
如图1所描绘的，计量系统100包含照明子系统，所述照明子系统被配置为将照明光117引导到在晶片120上形成的一个或多个结构。照明子系统被示为包含光源110、一个或多个光学滤光片111、偏振部件112、视场光阑113、孔径光阑114以及照明光学器件115。一个或多个滤光片111用于控制来自照明子系统的光级、光谱输出或两者。在一些示例中，一个或多个多区滤光片用作光学滤光片111。偏振部件112生成离开照明子系统的期望的偏振状态。在一些实施例中，偏振部件是偏振器、补偿器或两者，并且可以包含任何合适的市售偏振部件。偏振部件可以是固定的，可旋转到不同的固定位置或连续旋转的。尽管在图1中描绘的照明子系统包含一个偏振部件，但是照明子系统可以包含一个以上的偏振部件。视场光阑113控制照明子系统的视场(FOV)，并且可以包含任何合适的市售视场光阑。孔径光阑114控制照明子系统的数值孔径(NA)，并且可以包含任何合适的市售孔径光阑。来自照明源110的光被引导通过照明光学器件115以聚焦在晶片120上的一个或多个结构上，诸如聚焦在图1中描绘的堆叠结构160上。照明子系统可以包含光谱椭偏测量、反射测量以及散射测量领域中已知的任何类型和布置的光学滤光片111、偏振部件112、视场光阑113、孔径光阑114以及照明光学器件115。
如图1所描绘的，当照明光117的光束从照明源110传播到晶片120时，光束穿过光学滤光片111、偏振部件112、视场光阑113、孔径光阑114以及照明光学器件115。光束117照明晶片120在测量点116上的一部分。
计量系统100还包含聚光光学器件子系统，所述聚光光学器件子系统被配置为收集由一个或多个结构与入射照明光束117之间的相互作用而生成的光。聚光光学器件122从测量点116收集收集光127的光束。收集光127穿过聚光光学器件子系统的聚光孔径光阑123、偏振元件124以及视场光阑125。
聚光光学器件122包含任何合适的光学元件以收集来自在晶片120上形成的一个或多个结构的光。聚光孔径光阑123控制聚光光学器件子系统的NA。偏振元件124分析期望的偏振状态。偏振元件124是偏振器或补偿器。偏振元件124可以是固定的，可旋转到不同的固定位置或连续旋转的。尽管在图1中描绘的聚光子系统包含一个偏振元件，但是聚光子系统可以包含一个以上的偏振元件。聚光视场光阑125控制聚光子系统的视场。聚光子系统从晶片120取得光，并将光引导通过聚光光学器件122和偏振元件124，以聚焦在聚光视场光阑125上。在一些实施例中，聚光视场光阑125用作检测子系统的光谱仪的光谱仪狭缝。然而，聚光视场光阑125可以位于检测子系统的光谱仪的光谱仪狭缝处或附近。
聚光子系统可以包含光谱椭偏测量、反射测量以及散射测量领域中已知的任何类型和布置的聚光光学器件122、孔径光阑123、偏振元件124以及视场光阑125。
在图4中描绘的实施例中，聚光光学器件子系统将光引导到光谱仪126。光谱仪126响应于从由照明子系统照明的一个或多个结构收集的光而生成输出。在一个示例中，光谱仪126的检测器是对紫外光和可见光(例如，波长在190纳米至860纳米之间的光)敏感的电荷耦合装置(CCD)。在其它示例中，光谱仪126的检测器中的一个或多个是对红外光(例如，波长在950纳米至2500纳米之间的光)敏感的光检测器阵列(PDA)。然而，通常，可以预期其它检测器技术(例如，位置敏感检测器(PSD)、红外检测器、光伏检测器等)。每个检测器将入射光转换为指示入射光的光谱强度的电信号。通常，光谱仪126生成指示被测量的结构对照明光的光谱响应的输出信号154。
计量系统100还包含计算系统130，所述计算系统被配置为接收指示所关注的结构的被测光谱响应的信号154，并基于被测光谱响应来估计被测结构的高吸收膜层的膜厚度的值。
图5描绘了说明由诸如图4中描绘的计量系统100之类的SE计量系统测量的α光谱171的仿真的曲线图170。图6描绘了说明由诸如图4中描绘的计量系统100之类的SE计量系统测量的β光谱173的仿真的曲线图172。仿真涉及图1中所描绘的结构160的SE测量，其中所有的SiO2材料层和非晶硅层的厚度都是2500纳米，并且非晶碳层的厚度大约是1.8微米。
如图5所描绘的，α光谱171在大约1,100纳米至1,400纳米之间的波长范围内以及在大约2,000纳米至2,500纳米之间的波长范围内展现出平坦度。这些光谱区域指示来自周期性膜堆叠的光学共振(即，组合的相长干涉)。在这些波长区域中，周期性膜叠层展现出类似镜子的行为。结果，在这些区域中测量灵敏度更高。优选地使用包含在大约2,000纳米至2,500纳米之间的范围内的波长的照明来对非晶碳层的厚度执行光谱测量，这是因为测量灵敏度高并且非晶碳层在所述波长范围内对照明光的吸收小于在短波长下对照明光的吸收。
图7描绘了说明与在许多不同结构上制造的厚的非晶碳层(例如，大约1.8微米厚)的α光谱响应相关联的测量灵敏度的仿真的曲线图175。曲线178描绘了与直接在硅衬底上制造的非晶碳层的α光谱响应相关联的测量灵敏度。曲线179描绘了与直接在典型的产品堆叠上制造的非晶碳层的α光谱响应相关联的测量灵敏度，所述产品堆叠继而在硅衬底上制造。产品层的典型厚度大约是200纳米-300纳米。曲线177描绘了与如图1所描绘的那样直接在重复层组上制造的非晶碳层的α光谱响应相关联的测量灵敏度，所述重复层组继而如图1所描绘的那样在硅衬底上制造，其中所有SiO2材料层和非晶硅层的厚度都是2500纳米。曲线176描绘了由SE测量引起的噪声误差。如曲线178所描绘的，对于整个波长范围，与对直接在硅衬底上的非晶碳层进行的SE测量相关联的测量灵敏度在SE测量系统的本底噪声内。如曲线177所描绘的，对于大部分仿真的波长范围，与直接在典型的产品堆叠上制造的非晶碳层的α光谱响应相关联的测量灵敏度在SE测量系统的本底噪声内。如曲线179所描绘的，对于高于大约2,000纳米的波长，与如图1所描绘的那样直接在重复层组上制造的非晶碳层的α光谱响应相关联的测量灵敏度大幅超过SE测量系统的本底噪声。
图8描绘了说明与在许多不同结构上制造的厚的非晶碳层(例如，大约1.8微米厚)的β光谱响应相关联的测量灵敏度的仿真的曲线图180。曲线183描绘了与直接在硅衬底上制造的非晶碳层的β光谱响应相关联的测量灵敏度。曲线184描绘了与直接在典型的产品堆叠上制造的非晶碳层的β光谱响应相关联的测量灵敏度，所述产品堆叠继而在硅衬底上制造。产品层的典型厚度大约是200纳米-300纳米。曲线182描绘了与如图1所描绘的那样直接在重复层组上制造的非晶碳层的β光谱响应相关联的测量灵敏度，所述重复层组继而如图1所描绘的那样在硅衬底上制造，其中所有SiO2材料层和非晶硅层的厚度都是2500纳米。曲线181描绘了由SE测量引起的噪声误差。如曲线183所描绘的，对于整个波长范围，与对直接在硅衬底上的非晶碳层进行的SE测量相关联的测量灵敏度在SE测量系统的本底噪声内。如曲线184所描绘的，对于大部分仿真的波长范围，与直接在典型的产品堆叠上制造的非晶碳层的β光谱响应相关联的测量灵敏度在SE测量系统的本底噪声内。如曲线182所描绘的，对于高于大约2,000纳米的波长，与如图1所描绘的那样直接在重复层组上制造的非晶碳层的β光谱响应相关联的测量灵敏度大幅超过SE测量系统的本底噪声。
如曲线图175和曲线图180所示，对于高反射重复膜堆叠上的厚的高吸收膜，SE测量灵敏度明显更大。与沉积在高反射膜堆叠上的非晶碳层的测量相关联的测量不确定度预计比与沉积在典型的产品堆叠上的非晶碳层的测量相关联的测量不确定度小大约44％。而且，如曲线图175和曲线图180所示，与直接沉积在硅衬底上的非晶碳层的测量相关联的测量灵敏度对于稳定测量而言太低(即，测量灵敏度小于整个光谱上的噪声包络)。
图9描绘了用于对高吸收材料层执行膜厚度测量的示例性计量系统200。如图9所描绘的，计量系统200被配置为宽带光谱反射计。
图9描绘了在一个实施例中的红外光谱反射计，所述红外光谱反射计包含一个或多个测量通道，所述测量通道跨越750纳米至2600纳米之间的波长范围。在一方面，红外光谱反射计200包含施瓦茨尔德型物镜以避免法向入射。图9中所示的相同编号的元件类似于参考图4描述的那些元件。
红外光谱反射计200包含偏振器204、物镜201、分析器210以及光谱仪212。如图9所描绘的，响应于从计算系统130接收的命令信号，照明源202生成光束。来自照明源202的光由任选的光束成形光学器件203调节以生成照明光束220。照明光束220被引导到偏振器204。尽管如所描绘的，被引导到偏振器204的照明光来自照明源202，但是通常，来自系统100的照明源中的任何一个的光可以组合以生成被引导到偏振器204的照明光束。以这种方式，照明光的光谱分量可以被配置为从多个照明源发射的光的组合。
在一些实施例中，偏振器204被配置为选择性地使偏振元件围绕照明光束220的光轴旋转。通常，偏振器204可以包含所属领域中已知的任何偏振元件和用于使偏振元件旋转的系统。例如，偏振器204可以包含机械地联接到旋转致动器的偏振元件。在一个示例中，偏振元件可以为罗雄棱镜。在另一个示例中，偏振元件可以包含光束移位器。偏振器204被配置为在系统200内以旋转活动或旋转非活动状态运行。在一个实例中，偏振器204的旋转致动器可以为不活动的，使得偏振元件围绕照明光220的光轴保持旋转地固定。在另一个实例中，旋转致动器可围绕照明光的光轴以选定的角频率□p旋转偏振元件。
在一些其它实施例中，偏振器204被配置有围绕照明光束220的光轴的固定偏振角。
如图9所描绘的，当旋转致动器使偏振元件以选定的角频率ωp旋转时，照明光束220穿过偏振器204。以这种方式，偏振器204生成指向分束器206的偏振光束221。分束器206将偏振光束221指向物镜201。
在图9中描绘的实施例中，物镜201是仅包含反射光学元件的施瓦茨尔德型物镜。图9中描绘的施瓦茨尔德型物镜包含凹面镜208，所述凹面镜具有与光轴OA对准的开口(例如，孔)以允许光进入和离开物镜201。入射光穿过开口，并从凸面镜207向凹面镜208反射。反射光通过凹面镜208聚焦在晶片212的表面上。偏振光束221通过物镜201在入射角范围内而不是在零入射角(即，法向于晶片212的表面)下聚焦到晶片212的表面上。在一些示例中，偏振光束221在5度至40度之间的入射角范围内聚焦到晶片212的表面上。在一些其它示例中，偏振光束221在5度至25度之间的入射角范围内聚焦到晶片212的表面上。在一些示例中，偏振光束221的一部分以小于20度的入射角聚焦到晶片212的表面上。在一些其它示例中，偏振光束221的一部分以小于15度的入射角聚焦到晶片212的表面上。在一些示例中，偏振光束221以小的入射角聚焦到晶片212的表面上，导致小的照明点。在一些示例中，所得的照明点的直径小于20微米。在一些其它示例中，所得的照明点的尺寸直径小于10微米。
聚焦的偏振照明光束221与晶片212的相互作用通过反射、散射、衍射、透射或其它类型的过程中的任何一个来修改辐射偏振。在与晶片212相互作用之后，经修改的光222被物镜201收集并被引导到分束器206。来自晶片212的光被凹面镜208收集并聚焦到凸面镜207上，在所述凸面镜处，它通过与朝向分束器206的入射光相同的孔离开施瓦茨尔德型物镜。分束器206被配置为将经修改的光束222朝向分析器210透射。在图9中描绘的实施例中，分析器210包含偏振器元件，所述偏振器元件在经修改的光束222穿过分析器210和任选的光束聚焦光学器件211到达光谱仪212时围绕经修改的光束222的光轴保持旋转地固定。在光谱仪212中，具有不同波长的光束分量在不同方向上被折射(例如，在棱镜光谱仪中)或衍射(例如，在光栅光谱仪中)到不同的检测器。检测器可以是光电二极管的线性阵列，其中每一光电二极管测量不同波长范围中的辐射。由光谱仪212接收到的辐射在偏振状态方面进行分析，从而允许由光谱仪对由偏振器212传递的辐射进行光谱分析。被测光谱228被传送到计算系统130。计算系统130被配置为接收指示所关注的结构的被测光谱响应的信号228，并基于被测光谱响应来估计被测结构的高吸收膜层的膜厚度的值。
图10描绘了在另一个实施例中的红外光谱反射计，所述红外光谱反射计包含一个或多个测量通道，所述测量通道跨越750纳米至2600纳米之间的波长范围。在一方面，红外光谱反射计300包含离轴无遮挡物镜301以实现倾斜入射。图10中所示的相同编号的元件类似于参考图4和9描述的那些元件。
红外光谱反射计300类似于参考图9描述的红外光谱反射计200。然而，代替施瓦茨尔德型物镜，采用了离轴无遮挡物镜301。入射光从凸面镜307向凹面镜308反射。反射光通过凹面镜308聚焦在晶片312的表面上。偏振光束221通过物镜301在入射角范围内聚焦到晶片312的表面上。在一些示例中，偏振光束221在5度至40度之间的入射角范围内聚焦到晶片312的表面上。在一些其它示例中，偏振光束221在5度至25度之间的入射角范围内聚焦到晶片212的表面上。在一些示例中，偏振光束221的一部分以小于20度的入射角聚焦到晶片312的表面上。在一些其它示例中，偏振光束221的一部分以小于15度的入射角聚焦到晶片312的表面上。偏振光束221以小的入射角聚焦到晶片312的表面上，导致小的照明点。在一些示例中，所得的照明点的直径小于20微米。在一些其它示例中，所得的照明点的尺寸直径小于10微米。
聚焦的偏振照明光束221与晶片312的相互作用通过反射、散射、衍射、透射或其它类型的过程中的任何一个来修改辐射偏振。在与晶片312相互作用之后，经修改的光222被物镜301收集并被引导到分束器206。来自晶片312的光被凹面镜308收集并聚焦到凸面镜307上，在所述凸面镜处，它被准直并朝向分束器206离开物镜301。在一些其它示例中，具有中央遮挡的聚光掩模(诸如图10中描绘的掩模223)位于聚光瞳孔处或附近。
如图6、9和10所描绘的，所示的测量通道包含在照明侧的偏振器和在聚光侧的分析器。然而，通常可以预期，任何测量通道都可以包含或不包含照明偏振器、聚光分析器、照明补偿器、聚光补偿器的任何组合，以对样本的偏振反射率、样本的非偏振反射率或两者执行测量。
如图9和10所描绘的，所示的光谱反射计被配置为以倾斜角度照明样品。然而，通常可以预期，任何光谱反射计都可以法向入射角照明样品以执行如本文所述的膜厚度测量。
在进一步的方面，结合了如本文所述的红外光谱反射计或椭偏仪的计量系统还可以包含在150纳米至2000纳米之间的波长范围内运行的一个或多个附加测量通道。这些测量通道可以被配置为光谱反射计、椭偏仪、散射仪或其任何组合。
在一些实施例中，计量系统结合一个或多个红外光谱反射计测量通道、一个或多个红外光谱椭偏仪通道或两者，如本文所述，它们在750纳米至2600纳米之间的波长范围内运行。另外，计量系统包含一个或多个附加通道，包含但不限于至少一个UV到近IR光谱仪通道，所述UV到近IR光谱仪通道利用UV到近IR检测器，诸如在190纳米至900纳米的波长范围内测量的CCD传感器；至少一个真空UV光谱仪通道，所述真空UV光谱仪通道利用在150纳米至300纳米的波长范围内测量的真空UV CCD传感器；至少一个中间IR光谱仪通道，所述中间IR光谱仪通道在2500纳米至4500纳米之间的波长范围内测量；或其任何组合。在这些实施例的一些中，各种光谱仪的测量点位于同一位置。在一些其它实施例中，测量点不在同一位置。
在一些实施例中，计量系统的一个或多个测量通道被配置为除了不同的波长范围之外还以不同的方位角、不同的入射角或两者来测量晶片。在一些实施例中，计量系统被配置为同时测量在一个或多个波长范围、一个或多个AOI范围以及一个或多个方位角上的晶片反射率。
在另一进一步的方面，基于被测量的目标的性质，调整投射在晶片平面上的照明视场光阑的尺寸以优化所得的测量准确度和速度。
在另一进一步的方面，调整照明视场光阑的尺寸以实现每种测量应用的期望光谱分辨率。
在一些示例中，例如，如果样本是非常厚的膜或光栅结构，则调整在垂直于入射平面的方向上投射在晶片平面上的照明视场光阑以减小视场尺寸以实现增加的光谱分辨率。在一些示例中，例如，如果样本是薄膜，则调整在垂直于入射平面的方向上投射在晶片平面上的照明视场光阑以增加视场尺寸以在不损失光谱分辨率的情况下实现缩短的测量时间。
在图4中描绘的实施例中，计算系统130被配置为接收指示由检测器子系统检测到的光谱响应的信号154。计算系统130被进一步配置为确定被传送到可编程照明视场光阑113的控制信号119。可编程照明视场光阑113接收控制信号119，并调整照明孔径的尺寸以实现期望的照明视场尺寸。
在一些示例中，如上所述调整照明视场光阑以优化测量准确度和速度。在另一个示例中，调整照明视场光阑以防止由光谱仪狭缝引起的图像削波和测量结果的相应降低。以这种方式，调整照明视场尺寸使得测量目标的图像未填满光谱仪狭缝。在一个示例中，调整照明视场光阑，使得照明光学器件的偏振器狭缝的投射未充满计量系统的光谱仪狭缝。
图11在至少一个新颖方面示出了执行光谱测量的方法400。方法400适合于由诸如分别在本发明的图4、9以及10中所示的计量系统100、计量系统200以及计量系统300之类的计量系统来实施。在一方面，认识到方法400的数据处理块可以经由通过计算系统130或任何其它通用计算系统的一个或多个处理器执行的预编程算法来执行。在本文中认识到，计量系统100、计量系统200以及计量系统300的特定结构方面不表示限制，而应当被解释为仅是说明性的。
在框401中，将一定量的宽带照明光提供给被测量的样品。
在框402中，将一定量的照明光引导到被测量的样品的表面上的测量点。样品包含半导体衬底，所述半导体衬底包括第一材料；一个或多个基本相同的重复层组，设置在衬底上；以及高吸收材料层，设置在一个或多个重复层组上。高吸收材料层的特征在于消光系数K和厚度T，其中乘积K*T大于0.7微米。一个或多个重复层组中的每个包含两层或多层不同的材料。
在框403中，从样品的表面上的测量点收集一定量的收集光。
在框404中，检测一定量的收集光。
在框405中，基于检测到的收集光的量来确定被测量的高吸收材料层的厚度的估计值。
在进一步的实施例中，系统100、系统200以及系统300包含一个或多个计算系统130，所述计算系统用于基于根据本文描述的方法收集的光谱测量数据来对膜结构执行测量。一个或多个计算系统130可以通信地耦合到光谱仪。在一方面，一个或多个计算系统130被配置为接收与被测量的样品的结构的测量相关联的测量数据。
应当认识到，可以通过单个计算机系统130或(另选地)多个计算机系统130来执行整个本公开中描述的一个或多个步骤。此外，系统100的不同子系统可以包含适合于执行本文描述的步骤的至少一部分的计算机系统。因此，前述描述不应被解释为对本发明有限制性，而仅具说明性。
另外，计算机系统130可以所属领域中已知的任何方式通信地耦合到光谱仪。例如，一个或多个计算系统130可以分别耦合到与光谱仪相关联的计算系统。在另一个示例中，光谱仪可以由耦合到计算机系统130的单个计算机系统直接控制。
计量系统100的计算机系统130可以被配置为通过传输介质从系统的子系统(例如，光谱仪等)接收和/或获取数据或信息，所述传输介质可以包含有线部分和/或无线部分。以这种方式，传输介质可以充当计算机系统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可以被配置为通过传输介质从其它系统接收和/或获取数据或信息(例如，测量结果、建模输入、建模结果、参考测量结果等)，所述传输介质可以包含有线部分和/或无线部分。以这种方式，传输介质可以充当计算机系统130与其它系统(例如，存储器板上计量系统100、外部存储器或其它外部系统)之间的数据链路。例如，计算系统130可以被配置为经由数据链路从存储介质(即，存储器132或外部存储器)接收测量数据。例如，使用本文描述的光谱仪获得的光谱结果可以存储在永久或半永久存储器装置(例如，存储器132或外部存储器)中。在这方面，光谱结果可以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可以经由传输介质将数据发送到其它系统。例如，可以传送由计算机系统130确定的测量模型或估计参数值155，并将所述测量模型或估计参数值存储在外部存储器中。在这方面，测量结果可以被导出到另一系统。
计算系统130可以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、并行处理器或所属领域已知的任何其它装置。通常，术语“计算系统”可以广义上定义为涵盖具有一个或多个处理器的任何装置，所述处理器执行来自存储器介质的指令。
实施诸如本文所述的那些方法之类的方法的程序指令134可以通过诸如有线、电缆或无线传输链路之类的传输介质来传输。例如，如图1所示，存储在存储器132中的程序指令134通过总线133被传输到处理器131。程序指令134被存储在计算机可读介质(例如，存储器132)中。示例性计算机可读介质包含只读存储器、随机存取存储器、磁盘或光盘、或磁带。
在一些示例中，将测量模型实施为可向美国加利福尼亚州米尔皮塔斯市的KLA-Tencor公司购买的
Figure BDA0002435201220000141
光学临界尺寸计量系统的元件。以这种方式，在系统收集光谱后，立即创建模型并准备使用。
在一些其它示例中，例如通过实施可向美国加利福尼亚州米尔皮塔斯市的KLA-Tencor公司购买的
Figure BDA0002435201220000142
软件的计算系统离线实施测量模型。可以将所得的经过训练的模型结合为可以由执行测量的计量系统访问的
Figure BDA0002435201220000151
库的元件。
在再一方面，本文描述的测量结果可以用于向处理工具(例如，光刻工具、蚀刻工具、沉积工具等)提供主动反馈。例如，可以将基于本文所述的测量方法确定的被测膜厚参数的值传送到光刻工具，以调整光刻系统以实现期望输出。以类似方式，可以分别基于被测膜厚度对蚀刻工具或沉积工具的有效反馈来校正蚀刻参数(例如，蚀刻时间、扩散率等)或沉积参数(例如，时间、浓度等)。在一些示例中，可以将基于被测膜厚度确定的处理参数的校正传送到光刻工具、蚀刻工具或沉积工具。
如本文所述，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)、任何两个或多个结构之间的临界尺寸(例如，两个结构之间的距离)以及两个或多个结构之间的位移(例如，叠对光栅结构之间的叠对位移等)。结构可以包含三维结构、有图案的结构、叠对结构等。
如本文所述，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。
如本文所述，术语“计量系统”包含至少部分用于在任何方面表征样品的任何系统，包含诸如临界尺寸计量、叠对计量、聚焦/剂量计量以及组成计量之类的测量应用。然而，此类技术术语并不限制如本文所述的术语“计量系统”的范围。另外，本文描述的计量系统可以被配置用于测量有图案的晶片和/或无图案的晶片。计量系统可以被配置为LED检查工具、边缘检查工具、背面检查工具、宏观检查工具或多模式检查工具(同时涉及来自一个或多个平台的数据)，以及可以从基于临界尺寸数据的系统参数校准中受益的任何其它的计量或检查工具。
本文描述了可以用于测量任何半导体处理工具(例如，检查系统或光刻系统)内的样品的半导体测量系统的各种实施例。术语“样品”在本文中用于指代可以通过所属领域中已知的方式处理(例如，印刷或检查缺陷)的晶片、光罩或任何其它样本。
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。示例包含但不限于单晶硅、砷化镓以及磷化铟。此类衬底通常可以在半导体制造设施中被发现和/或处理。在一些情况下，晶片可以仅包含衬底(即，裸晶片)。另选地，晶片可以包含在衬底上形成的一层或多层不同材料。在晶片上形成的一个或多个层可以是“有图案的”或“无图案的”。例如，晶片可以包含多个裸片，所述多个裸片具有可重复的图案特征。
“光罩”可以为在光罩制造工艺的任何阶段的光罩，或者可以被释放或可以不被释放以用于半导体制造设施的完整光罩。光罩或“掩模”通常被定义为基本透明的衬底，所述衬底具有在其上形成并且以图案配置的基本不透明的区域。衬底可以包含例如(例如)诸如非晶SiO2之类的玻璃材料。光罩可以在光刻工艺的曝光步骤期间设置在抗蚀剂覆盖的晶片上方，使得光罩上的图案可以转移到抗蚀剂。
在晶片上形成的一个或多个层可以是有图案的或无图案的。例如，晶片可以包含多个裸片，每个裸片具有可重复的图案特征。此类材料层的形成及处理最终可导致完成的装置。许多不同类型的装置可以在晶片上形成，并且如本文所使用的术语“晶片”旨在涵盖所属技术领域中已知的任何类型的装置都是在其上制造的晶片。
在一个或多个示例性实施例中，所描述的功能可以在硬件、软件、固件或其任何组合中实施。如果以软件实施，则功能可以作为一个或多个指令或代码存储在计算机可读介质上或通过所述计算机可读介质传输。计算机可读介质包含计算机存储介质和通信介质(包含促进将计算机程序从一处转移到另一处的任何介质)两者。存储介质可以为可由通用或专用计算机访问的任何可用介质。例如且无限制，此类计算机可读介质可以包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储器、磁盘存储器或其它磁性存储装置，或可用于携带或存储呈指令或数据结构形式的期望程序代码且可通过通用或专用计算机、或通用或专用处理器访问的任何其它介质。而且，将任何连接适当地称为计算机可读介质。例如，如果使用同轴电缆、光缆、双绞线、数字用户线(DSL)或诸如红外线、无线电以及微波之类的无线技术从网站、服务器或其它远程源传输软件，则在介质的定义中包含同轴电缆、光缆、双绞线、DSL或诸如红外线、无线电以及微波之类的无线技术。如本文中使用的磁盘及光盘包含压缩光盘(CD)、激光光盘、光学光盘、数字多功能光盘(DVD)、软盘以及蓝光光盘，其中磁盘通常磁性地再现数据，而光盘借助于激光光学地再现数据。上述组合也应包含在计算机可读介质的范围内。
尽管上文出于指导目的描述了某些特定实施例，但是本专利文件的教导具有普遍适用性且不限于上述特定实施例。因此，可在不脱离根据权利要求中阐述的本发明的范围的情况下实践所描述的实施例的各种特征的各种修改、改编以及组合。

Claims (20)

1.一种光学计量系统，包括：
一个或多个照明源，被配置为生成一定量的宽带照明光；
照明光学器件子系统，被配置为将来自所述照明源的所述一定量的照明光引导到被测量的样品的表面上的测量点，其中所述样品包括：
半导体衬底，包括第一材料；
一个或多个基本相同的重复层组，设置在所述衬底上，其中所述一个或多个重复层组中的每个包含两层或多层不同的材料；以及
高吸收材料层，设置在所述一个或多个重复层组上，其中所述高吸收材料层的特征在于消光系数K和厚度T，其中乘积K*T大于0.7微米；
聚光光学器件子系统，被配置为从所述样品的所述表面上的所述测量点收集一定量的收集光；
检测器，被配置为检测所述一定量的收集光并生成指示所述检测到的光的输出信号；以及
计算系统，被配置为基于所述检测器的所述输出来生成被测量的所述高吸收材料层的厚度的估计值。
2.根据权利要求1所述的光学计量系统，其中所述计量系统被配置为光谱椭偏仪和光谱反射计中的任何一个。
3.根据权利要求1所述的光学计量系统，其中所述照明包含在1000纳米至2500纳米之间的范围内的波长。
4.根据权利要求1所述的光学计量系统，其中设置在所述衬底上的所述一个或多个基本相同的重复层组包含至少四个基本相同的重复层组。
5.根据权利要求1所述的光学计量系统，其中每个层组的每个第一层和每个层组的每个第二层具有相同的厚度。
6.根据权利要求1所述的光学计量系统，其中每个层组的第一层的厚度大于1,500纳米，并且每个层组的第二层的厚度大于1,500纳米。
7.根据权利要求1所述的光学计量系统，其中所述一个或多个层组中的每个包含第一材料层和第二材料层，其中所述第一材料层是氧化物材料层，并且其中所述第二材料层是氮化物材料层或非晶硅材料层。
8.一种半导体晶片，包括：
半导体衬底，包括第一材料；
一个或多个基本相同的层组，设置在所述衬底上，其中所述一个或多个层组中的每个包含两层或多层不同的材料，并且其中所述两层或多层中的每个具有大于500纳米的厚度；以及
高吸收材料层，设置在所述一个或多个基本相同的层组上，其中所述高吸收材料层的特征在于消光系数K和厚度T，其中乘积K*T大于0.7微米。
9.根据权利要求8所述的半导体晶片，其中设置在所述衬底上的所述一个或多个基本相同的重复层组包含至少四个基本相同的重复层组。
10.根据权利要求8所述的半导体晶片，其中每个层组的每个第一层和每个层组的每个第二层具有相同的厚度。
11.根据权利要求8所述的半导体晶片，其中每个层组的第一层的厚度大于1,500纳米，并且每个层组的第二层的厚度大于1,500纳米。
12.根据权利要求8所述的半导体晶片，其中所述一个或多个层组中的每个包含第一材料层和第二材料层，其中所述第一材料层是氧化物材料层，并且其中所述第二材料层是氮化物材料层或非晶硅材料层。
13.根据权利要求12所述的半导体晶片，其中所述高吸收材料层是非晶碳材料层。
14.一种方法，包括：
提供一定量的宽带照明光；
将所述一定量的照明光引导到被测量的样品的表面上的测量点，其中所述样品包括：
半导体衬底，包括第一材料；
一个或多个基本相同的重复层组，设置在所述衬底上，其中所述一个或多个重复层组中的每个包含两层或多层不同的材料；以及
高吸收材料层，设置在所述一个或多个重复层组上，其中所述高吸收材料层的特征在于消光系数K和厚度T，其中乘积K*T大于0.7微米；
从所述样品的所述表面上的所述测量点收集一定量的收集光；
检测所述一定量的收集光；以及
基于所述检测到的收集光的量来确定被测量的所述高吸收材料层的厚度的估计值。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述宽带照明光包含在1000纳米至2500纳米之间的范围内的波长。
16.根据权利要求14所述的方法，其中设置在所述衬底上的所述一个或多个基本相同的重复层组包含至少四个基本相同的重复层组。
17.根据权利要求14所述的方法，其中每个层组的每个第一层和每个层组的每个第二层具有相同的厚度。
18.根据权利要求14所述的方法，其中每个层组的第一层的厚度大于1,500纳米，并且每个层组的第二层的厚度大于1,500纳米。
19.根据权利要求14所述的方法，其中所述一个或多个层组中的每个包含第一材料层和第二材料层，其中所述第一材料层是氧化物材料层，并且其中所述第二材料层是氮化物材料层或非晶硅材料层。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述高吸收材料层是非晶碳材料层。
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