CN111948908A - 基材上图案的测量系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基材上图案的测量系统及方法。所述方法可包括：制备具有有机图案的基材，将激发光导向基材上的有机图案，从有机图案发射荧光，探测从有机图案发射的荧光强度，根据探测到的荧光强度，确定基材上有机图案的体积。

Description

基材上图案的测量系统及方法
背景技术
本发明涉及基材上结构或图案的体积和临界尺寸(CD)测量与控制，尤其涉及含半导体晶圆的基材上结构和图案的测量系统及方法。
半导体器件速度提高和通信链路带宽增加，提升了计算能力和信息共享能力。处理器和存储器等半导体器件速度有所提高，需要更为严格的设计规则。相应地，宽度小于1微米以及更小宽度的图案正在形成。同样，光纤链路用发射机(例如分布反馈激光器)需要生成具有亚微米体积和临界尺寸(CD)的周期性结构。
产生亚微米体积和CD的处理方法通常采用光刻工艺。光刻工艺是一种微细加工技术，即利用分辨率非常高的成像系统，在有机光敏材料(通常称为光刻胶)中传输器件的图像，从而形成潜影图案的一种技术。这些潜影图案可以发展成浮雕图案，作为结构或刻蚀掩模，在底层材料中创建结构和图案。后续微细加工工艺利用等离子刻蚀将光刻胶中的浮雕图案转移到永久或临时结构上，形成半导体器件图案或其部分。由此产生的浮雕图案尺寸会直接影响到器件的性能。因此，通过精确控制尺寸即可得到正常运行的半导体器件。尺寸控制不当则会引起器件失效。
传统的尺寸计量方法采用高度放大的电子显微镜图像，如10万-50万倍放大率，并采用扫描电子显微镜测量晶圆上给定的图案宽度。测量用SEM(扫描电子显微术)可用于单个器件的测量，或者可以采用CD(临界尺寸)SEM。实际上，测量目标图案图像可以在局部区域内捕获。信号波形模式通过在测量点之间添加该轮廓尺寸中检测到的左右图案的平均值，纵向创建图像轮廓，然后按距离计算图案大小。扫描电子显微术是一种用于测量器件尺寸和任何种类形状和尺寸的十分有用的技术。
然而，电子显微镜成像过程非常缓慢。另一个挑战则在于SEM成像还需要使用真空法。因此，与光刻工艺的生产速度相比，总体测量速度非常慢。由于存在上述挑战，SEM成像受到所测量器件数量的限制，特别是大批量生产。
采样和测量结果的局限性导致很多问题直到对最终器件进行电气检测为止，依然隐藏而且无法检测。器件尺寸控制失效导致器件性能下降，甚至无法工作。因此，对更多晶圆面积和更多总晶圆的测量需求日益增加。
另一种计量方法是利用光的衍射性质进行计量，称为散射测量。散射测量也可用于测量线宽，但该方法需要用到与入射光束成不同角度布置的几个探测器，以测量不同的衍射级。
例如，Clark等人的第5114233号美国专利介绍了一种用于检验刻蚀工件的方法，其中，一束相干光照射到工件上，测量几个衍射级的散射光强度。然后，计算每次强度测量的空间频率。优选安装在旋转臂上的光电二极管可探测到散射光，旋转臂轴应与工件的目标区域对齐。角度范围约为90度至180度，在此范围内进行数百次强度测量并加以记录。随后，将强度-空间频率的包络线近似为矩阵，并根据该矩阵确定主要分量。对工件的刻蚀特性进行关联，如底切轮廓或锥状轮廓。虽然是无损检测，但由于需要扫描的衍射角范围，很难在真空腔室中实现原位处理。
散射测量是一种很有用的工具，用于测量具有周期性结构的小结构，但是无法测量非周期结构，也很难测量长周期结构。在实际器件制作过程中，需要对器件图案进行监测。然而，有很多器件图案并不具有周期性。此外，底层结构的变化增加了过多的散射测量模型参数，因此只能使用专门设计的目标。
另一种常规的计量技术是椭圆偏振测量术，该方法已应用于各种薄膜的厚度测量(“椭圆偏振测量术和偏振光”，阿查姆(R.M.A.Azzam)和巴夏拉(N.M.Bashara)著，北荷兰，1987年)。如果通过偏振片发送普通白光，则光以线偏振光的形式出现，其中，其电场矢量与偏振片的轴对齐。线偏振光可由分别平行和垂直于入射面的两个矢量定义。如果平行矢量与垂直矢量有相位差，则可得到椭圆偏振光。如果两个矢量同相，则可得到圆偏振光。椭圆偏振测量术基于偏振光束从介质上反射出来时发生的偏振变换。变换由相位变化和振幅变化两个部分组成。与垂直于入射面(s分量)的电振荡矢量相比，对于电矢量在入射面(p分量)内发生振荡的入射辐射，这些变化有所不同。椭圆偏振测量术对这两种变化的结果进行了测量，这两种变化可以方便地以角DELTA(Δ)(即反射光束与入射光束的相位变化)和角PSI(Ψ)表示，后者是指入射光束与反射光束振幅比的反正切。相对于入射光束，反射光束固定在适当的位置，因此，椭圆偏振测量术是一种具有吸引力的室内原位工序控制技术。入射角和反射角相等而符号相反，可以选择入射角和反射角，以便将光束导入腔室。例如，Yu等人的第5131752号美国专利介绍了利用椭圆偏振测量术对工件上沉积的薄膜厚度进行监测的方法。不过，该方法仅限于平面表面。
发明内容
在测量技术和工序控制方面，越来越需要使用周期性图案尺寸的精确测量方法，特别是尺寸在小于1微米到几微米，甚至是更小的纳米级结构图案的范围内。由于图案在腔室中进行刻蚀，因此应采用无损且适合于原位工序控制的方法。此外，原位工序控制还应具有提高良率的优势，有助于在晶圆和大量晶圆中获得一致性，从而提高器件的可靠性。本文介绍了无损原位计量技术，其能够实现快速测量，与大批量生产工艺流程相兼容。
本文中提及的技术包括，根据射向有机材料的固定数量或预先测量数量的激发光(例如U V光束)产生的总荧光量来测定有机图案体积或CD的系统及方法。
当有机材料受到短波长光照射时，有机材料会发射较长波长的光，称为荧光。给定的荧光强度取决于激发光强度、材料组成和有机材料的数量。当材料组成和激发光强度固定时，当有机材料足够透明时，发射的荧光量与有机材料的体积成正比。半导体图案化中使用的大多数有机材料在可见波长下为透明材料。由于材料选用的原因，荧光强度与基材(晶圆)上有机材料的体积成正比。
通过了解器件或特定图案的设计特性，可以计算出某个区域内所需的有机材料体积。此外，还可以测量出已知尺寸材料的荧光强度。具有已知尺寸的校准材料可以是覆盖膜，也可以是具有电子显微术测定尺寸的图案。
通过比较参比强度，并根据有机材料的参比体积(或CD)和有机图案发射出的荧光的测量强度，可以计算出有机图案的图案尺寸(体积和CD)。由于该方法能够测量出有机材料的数量，因此不会受到底层结构的影响。同时，由于只需要进行强度测量，因此测量时间较常规计量方法少的多。此外，本文中提及的计量技术不需要复杂的建模。相应地，本文中的技术提供了测量足够快速、可用于大批量生产并且能够测量整个晶圆表面的系统和方法。
附图说明
图1为根据本发明实施例所述的对测量系统中荧光强度进行测量的方法的示意图。
图2为根据本发明实施例所述的对配置用于测量非有机(例如无机)材料图案的测量系统中荧光强度进行测量的方法的示意图。
图3为根据本发明实施例所述的对系统中荧光强度进行测量的方法的示意图。
图4为根据本发明实施例所述的对高分辨率系统中荧光强度进行测量的方法的示意图。
图5为尺寸计量的测量结果表。
图纸未按比例绘制。
具体实施方式
现在参照图1，根据本发明示例性实施例所述的一种荧光强度测量方法，可包括制备或接收硅基材101。例如，根据本发明示例性实施例所述的一种系统可接收所述硅基材101。基材101上可形成有机图案102。有机图案102可以是线形图案。例如，有机图案102可包括相互平行的多条线。光源113的强度可调UV(紫外)光束103可照射硅基材101和有机图案102。UV光束103的定向可采用预定强度，例如第一调节(激发光)强度。所述用UV光束103照射或照亮基材101和有机图案102可包括进行或执行整片曝光。例如，基材101和有机图案102的整个表面可采用UV光束103进行曝光。在一个实施例中，该方法可包括采用UV光束103，对基材101的工作面(即上表面)进行扫描。在一个实施例中，光源113可包括多个单元光源。所述传感器106可包括多个单元传感器。
由此可产生由基材101反射的紫外光104，以及从有机图案102发射的荧光105。可对传感器106进行定位，以探测和感应有机图案102发射的荧光105。根据荧光105的探测数量或强度，可以计算出体积或临界尺寸(CD)。在一个实施例中，对于基材101上的给定空间位置，可由传感器106对发射荧光105的强度进行测量或探测，同时根据探测到的荧光105的强度，可以测定或计算有机图案102的体积或CD。
在一个实施例中，对于基材101上的多个空间位置，可由传感器106对发射荧光105的强度进行测量或探测，同时根据探测到的荧光105的强度，可以测定或计算有机图案102的体积或CD。可以在系统中的处理器内，进行体积或CD计算。根据发射荧光105的探测光强、有机材料特性和激发光特性，处理器可以计算出有机图案102的体积或CD。
强度可调的紫外光束103可以来自紫外激光器，例如可由高次谐波产生。在很多波长条件下，可发射荧光。例如，波长低于450nm时，需要测量足够的荧光。需要注意的是，较短的波长可以提高荧光产生的效率。激发光103的示例波长可包括193nm、213nm、248nm、266nm或其他波长。荧光105会向各个方向传播。因此，在传感器106中，可以使用大角度传感器，以便更有效地捕获荧光。在本示例实施例中，荧光光束强度表示照射区域内图案的平均尺寸。在一个实施例中，该方法可包括确认有机图案102的设计测量值(目标体积和CD)，比较设计测量值与有机图案102的计算体积或CD，以及修改设计测量值。
在一些实施例中，最好在基材101上测量无机材料图案的体积或CD。测量步骤包括：用有机材料充填无机材料图案之间的空间，测量有机材料的体积或CD，然后计算无机材料图案(体积或CD)。现在参照图2，基材201上可形成有非有机材料结构201A(例如无机材料图案)。非有机材料结构201A可采用线形浮雕图案。例如，非有机材料结构201A的浮雕图案可采用多个相互平行线条的形式。
在非有机材料结构201A之间和/或之上，可以添加或形成耗费有机材料202进行测量。由基材201发射的一定数量荧光105可与由耗费有机材料202填充的图案间距大小成正比。测量结束后，利用溶剂或等离子体灰化，即可轻松去除耗费有机材料202。
图3示出了系统的另一种配置。为了更精确地测量，精确控制入射角和探测(发射)角很有好处。因此，利用分束镜(分束器)308，可以引导紫外光束303近乎垂直地照射基材301的表面。该分束器可分离UV光束303。例如，分束镜308的配置仅供反射UV光束303和发射较长波长的光。因此，只有UV光束303能够由分束镜308反射，并射向耗费有机材料302。
为了准确测量荧光强度，UV光束303的强度应从反射和发射光304中排除。因此，可选的UV滤光片307可以定位在分束镜308与传感器306之间，以滤除来自反射和发射光304的任何剩余紫外光，使荧光305在没有紫外光的情况下到达传感器306。
图4展示了高分辨率测量的另一示例配置下的荧光强度测量方法。作为单点光束403的替代，结构光束403B可以射到基材401上。利用扩散器409和整形透镜410，单点光束403可以成形为结构光束404B，照亮图案402的相对较宽区域，且剂量均匀。非均匀强度可采用已知的器件结构进行校准。然后，可以利用带面积传感器406的照相机镜头411，快速测量荧光405的大量强度。例如，如果给定照明面积为1x1cm，并使用1000x1000像素的摄像头(或CM OS传感器)，则针对单一图像可以测量100万个点，采样分辨率可达10um。利用此设置，可以在相对较短的时间内测量十亿行宽数据。
图1-4所示的系统可放置在半导体制造装置内。例如，图1-4所示的系统可以是其中一台半导体制造装置。图1-4所示的系统可进一步包括一个处理器，该处理器可根据传感器106、206、306和406检测(发射和感应)到的荧光105、205、305和405的强度，计算出图案102、201A、202、302和402的体积或CD。
图5显示了有机图案发射的荧光的强度测量实验结果。x轴为有机图案的变化尺寸，y轴为荧光的测量强度。
可以理解的是，各种配置的光源、导光机构、滤光器、光整形机构和探测器以及阵列可以与本文中的实施例配合使用。根据发现结果，有机材料可以发射与材料尺寸和激发光强度成比例的荧光，各系统和方法可用于测量各种微型或纳米装配式结构的体积和临界尺寸。采用已知体积和类型的有机材料进行系统校准，即可对系统进行配置，以便测量其它晶圆的体积和/或CD。可以对非有机材料进行外包覆处理，如利用旋涂沉积技术，该耗费有机材料的测量体积可用于测定剩余非有机材料所占的空间/体积。可采用标准电子组件(SEM)和本文中提及的系统，对大批量生产中的每个晶圆进行初始校准和测量。本文中提及的系统可以配置用于测量晶圆上的几个点或晶圆上的数百万个点。

Claims (24)

1.一种基材上图案的测量方法，该方法包括：
制备具有有机图案的基材；
将激发光导向基材上的有机图案，从有机图案发射荧光；
探测从有机图案发射的荧光强度；以及
根据探测到的荧光强度，确定基材上有机图案的体积。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述有机图案为亚微米图案。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，将激发光导向有机图案包括：用紫外线(UV光束)照射基材上的有机图案。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，根据基材上的给定空间位置，确定有机图案的体积。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，根据基材上的多个空间位置，确定有机图案的体积。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，激发光导向包括：执行整片曝光。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，激发光导向包括：在基材工作面上进行扫描。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，确定有机图案的体积包括：计算基材上给定空间位置处有机图案的体积。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，确定有机图案的体积包括：计算基材上给定空间位置处有机图案的临界尺寸。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，确定有机图案的体积包括：计算基材上多个空间位置处有机图案的临界尺寸。
11.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：确认有机图案的设计目标体积，并比较设计目标体积与有机图案的计算体积。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，在第一强度下引导激发光。
13.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：测量基材上多个位置处发射荧光的强度。
14.根据权利要求1所述的方法，其中，确定有机图案的体积包括：根据有机图案的体积，计算基材上线条的宽度。
15.根据权利要求1所述的方法，其中，所述有机图案包括线条；
其中，确定有机图案的体积包括：计算基材上各个空间位置处线条的宽度。
16.根据权利要求1所述的方法，其中，确定有机图案的体积包括：根据有机图案的体积，计算无机图案线条的宽度。
17.一种基材上图案的测量方法，该方法包括：
将第一数量的第一波长的激发光引导到具有有机图案的基材上，从有机材料图案发射荧光；
测量从有机图案发射的荧光强度；以及
根据荧光的测量强度，确定基材上有机图案的体积。
18.一种基材上图案的测量系统，所述系统包括：
一个光源，经过配置可用于使激发光导向基材工作面上的有机图案；
一个光探测器，经过配置可用于通过使激发光导向有机图案，探测从有机图案发射出的光强度；以及
一个处理器，经过配置可用于根据发射光的探测强度、有机材料特性和激发光特性，计算有机图案的体积或临界尺寸。
19.根据权利要求18所述的系统，其中，所述光探测器包括多个单元探测器。
20.根据权利要求18所述的系统，还包括一个紫外滤光片，经过定位可用于滤除指向光探测器的光中的激发光。
21.根据权利要求18所述的系统，还包括一个分束器，经过配置可用于在到达有机图案之前使激发光分裂。
22.根据权利要求18所述的系统，其中，所述系统位于半导体制造装置内。
23.根据权利要求18所述的系统，其中，所述系统包括多个单元光源和多个单元传感器。
24.一种基材上图案的测量方法，所述方法包括：
制备具有无机材料浮雕图案的基材；
在浮雕图案所限定的空间内，填充有机材料，以形成有机图案；
将激发光导向基材上的有机图案，从有机图案发射荧光；
探测从有机图案发射的荧光强度；以及
根据探测到的荧光强度，确定基材上无机材料的浮雕图案体积。
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