CN113366300A - 用于高深宽比结构的测量的中红外光谱法 - Google Patents

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Abstract

本文提出用于以中红外波长执行半导体结构的高吞吐量光谱测量的方法及系统。傅里叶变换红外(FTIR)光谱仪包含一或多个跨越2.5微米与12微米之间的波长范围的测量通道。所述FTIR光谱仪以多个不同的入射角、方位角、不同的波长范围、不同的偏振状态或其任何组合测量目标。在一些实施例中，照明光由激光维持等离子体(LSP)光源提供以实现高亮度及小照明点大小。在一些实施例中，从与晶片的表面法向的方向离轴执行FTIR测量。在一些实施例中，斯特林冷却器从FTIR光谱仪的检测器中提取热量。另一方面，由一或多个光谱仪测量通道执行的测量与由中红外FTIR光谱仪通道执行的测量相结合以表征高深宽比结构。

Description

用于高深宽比结构的测量的中红外光谱法
相关申请案的交叉引用
本申请案根据35 U.S.C.§119规定要求2019年1月28日申请的第62/797,668号美国临时专利申请案的优先权，所述申请案的标的物以引用的方式并入本文中。
技术领域
所描述的实施例涉及计量系统及方法，且更特定来说，涉及用于经改进半导体结构测量的方法及系统。
背景技术
半导体装置(例如逻辑及存储器装置)通常是通过应用到样品的一系列处理步骤来制造的。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次。例如，光刻等是一种涉及在半导体晶片上生成图案的半导体制造工艺。半导体制造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。可在单个半导体晶片上制造多个半导体装置且接着将其分离成个别半导体装置。
在半导体制造过程期间，使用计量过程来检测晶片上的缺陷以提高成品率。光学计量技术提供高吞吐量的潜力，而无样本破坏的风险。若干基于光学计量的技术，包含散射法及反射法的实施方案以及相关联的分析算法，通常用于表征纳米结构的临界尺寸、膜厚度、组合物、覆盖层及其它参数。
快闪存储器架构正从二维浮栅架构过渡到全三维几何结构。在一些实例中，膜堆叠及蚀刻结构非常深(例如，深度可达6微米)。这种高深宽比结构对膜及CD测量带来挑战。测量界定这些结构的孔及沟槽形状的关键尺寸的能力对于实现期望的性能水平及装置成品率至关重要。
许多光学技术都遭受低信噪比(SNR)的影响，因为只有一小部分照明光能够到达高深宽比特征的底部，并向上反射到检测器。因此，许多可用的高吞吐量计量技术无法可靠地执行高深宽比结构的CD及膜测量。临界尺寸法、小角X射线散射法(CD-SAXS)、法向入射反射法及散射法等是用于高深宽比结构的测量方法，但仍在不断发展中。
横截面扫描电子显微镜(SEM)是一种低吞吐量、破坏性的技术，其不适合于线内计量。原子力显微镜(AFM)限制其测量高深宽比结构的能力，且具有相对较低的吞吐量。CD-SAXS还没有被证实能够实现半导体工业所需的高吞吐量能力。基于模型的红外反射法(MBIR)已被用于高深宽比DRAM结构的计量，但所述技术缺乏由较短波长提供的分辨率，且测量点大小针对半导体计量来说过大。在Gostein等人的“固态技术(Solid StateTechnology)”2006年3月1日的第49卷第3期“用基于模型的IR测量深沟槽结构(Measuringdeep-trench structures with model-based IR)”中提供MBIR的额外描述，其全部内容以引用的方式并入本文中。
光学CD计量目前缺乏在相对较小的点(例如小于50微米，或更优选地，小于30微米)中以高吞吐量测量微米级深度及横向尺寸结构的详细轮廓的能力。第8,860,937号美国专利，其全部阐述内容以引用的方式并入本文，描述适合于高深宽比结构的特性的红外光谱椭偏技术。然而，所描述的技术存在跨越紫外线及红外波长的测量的长测量时间、波长稳定性限制以及在操作期间有限的红外波长范围的问题。
总的来说，特征大小的不断减小及结构特征深度的不断增加对光学计量系统提出了难以应对的要求。光学计量系统必须满足高精度及准确度的要求，以满足日益复杂的目标以高吞吐量保持成本效益。在此上下文中，宽带照明及数据收集的速度以及红外波长的范围已成为适合于高深宽比结构的光学计量系统设计中的关键性能限制问题。因此，期望改进计量系统及方法来克服这些限制。
发明内容
本文提出用于以中红外波长执行半导体结构的高吞吐量光谱测量的方法及系统。本文所描述的用于半导体装置的光谱计量的方法及系统应用到高深宽比(HAR)结构、大横向尺寸结构或两者的测量。所描述的实施例实现用于半导体装置的光学临界尺寸(CD)、膜及组合物计量。
在一方面，一种半导体计量系统包含适合于高深宽比半导体结构的高吞吐量测量的傅里叶变换红外(FTIR)光谱仪。在一些实施例中，FTIR光谱仪包含一或多个跨越2微米与20微米之间的波长范围的测量通道。所述一或多个FTIR测量通道可并行操作(即，所述样本在整个所述波长范围内的同时测量)或依序操作(即，所述样本在整个所述波长范围内的循序测量)。
在进一步方面中，FTIR光谱仪以多个不同的入射角、方位角、不同波长范围、不同偏振状态或其任何组合测量目标。
在进一步方面中，FTIR计量系统包含激光维持等离子体(LSP)照明源，以实现高亮度及小照明点大小。
在另一进一步方面中，从与晶片的表面法向的方向离轴执行FTIR光谱测量，以减少背侧反射对测量结果的影响。
在另一进一步方面中，FTIR计量系统包含衍射偏振器及分析器，以测量作为偏振状态函数的目标响应。
在另一进一步方面中，FTIR光谱仪包含斯特林(Stirling)冷却传感器，以减轻对外部液氮供应及处置装备的需求。
在另一进一步方面中，由一或多个光谱仪测量通道执行的测量与由中红外FTIR光谱仪通道执行的测量相结合，以表征高深宽比结构。在一些实施例中，所测量光谱包含真空紫外、紫外、可见光、近红外及中红外波长。在这些实施例中的一些中，通过多个光谱仪测量通道以具有相同对准条件的高吞吐量同时执行半导体结构的测量。以这种方式，机器误差(例如波长误差)在所有所测量波长上被均匀地校正。这些特征，单独地或组合地，实现具有高吞吐量、精度及准确度的高深宽比结构(例如，具有一微米或更高深度的结构)的高吞吐量测量。在其它实施例中，中红外FTIR光谱仪及一或多个额外测量通道依序测量目标。一般来说，与一或多个额外测量子系统组合操作的中红外FTIR光谱仪可以多个不同入射角、方位角、不同波长范围、不同偏振状态或其任何组合测量目标。
前述内容是一个概述且因此必然含有对细节的简化、概括及省略；因此，所属领域技术人员将理解，所述概述仅是说明性的且不以任何方式限制。本文所描述的装置及/或过程的其它方面、发明特征及优点将在本文所阐述的非限制性详细描述中变得显而易见。
附图说明
图1描绘在半导体制造工艺的蚀刻步骤中用作硬掩模材料的两个非晶碳膜的消光系数的曲线图。
图2描绘从图1中所说明的两个非晶碳膜反射的光的百分比的曲线图。
图3描绘说明预测各种测量场景中预期的3-sigma测量精度的模拟结果的图表185。
图4描绘在由椭偏计及反射计的测量下安置在硅衬底187的顶部的非晶碳层186。
图5描绘作为入射角的函数的s偏振照明光相对于p偏振照明光的反射率。
图6描绘用于在反射模式中执行半导体结构的宽带、中红外傅里叶变换红外(FTIR)光谱测量的示范性计量系统100。
图7描绘用于在发射模式中执行半导体结构的宽带、中红外傅里叶变换红外(FTIR)光谱测量的示范性计量系统250。
图8描绘用于执行半导体结构的组合宽带、中红外FTIR光谱测量、光谱椭偏测量及光谱反射测量的示范性计量系统100。
图9描绘以接近法向入射但明确地避免法向入射入射到安置在衬底上的膜层上的照明。
图10描绘以法向入射入射到安置在衬底上的膜层上的照明。
图11描绘包含施瓦兹希尔德(Schwartzchild)物镜以避免法向入射的红外光谱反射计。
图12描绘包含离轴、无遮蔽的物镜以实现斜入射的红外光谱反射计。
图13描绘遭受低光穿透到被测量的结构中的示范性高深宽比NAND结构400。
图14说明执行如本文所描述的一或多个结构的中红外FTIR光谱测量的方法500。
具体实施方式
现将详细参考本发明的背景实例及一些实施例，在附图中说明其实例。
本文提出用于以中红外波长执行半导体结构的高吞吐量光谱测量的方法及系统。在一方面，半导体计量系统包含适合于高深宽比半导体结构的高吞吐量测量的傅里叶变换红外(FTIR)光谱仪。在一些实施例中，运用包含一或多个跨越2微米与20微米之间的波长范围的测量通道的FTIR光谱仪以执行半导体结构的测量。所述一或多个FTIR测量通道可并行操作(即，样本在整个所述波长范围内的同时测量)或依序操作(即，样本在整个所述波长范围内的循序测量)。
在进一步方面中，所述FTIR光谱测量从与晶片的表面法向的方向离轴执行，以减少背侧反射对测量结果的影响。在另一进一步方面中，FTIR计量系统包含激光维持等离子体(LSP)照明源，以实现高亮度及小照明点大小。在另一进一步方面中，FTIR计量系统包含衍射偏振器及分析器，以测量作为偏振状态函数的目标响应。在另一进一步方面中，FTIR光谱仪包含斯特林(Stirling)冷却传感器，以减轻对外部液氮供应及处置装备的需求。在另一进一步方面中，由一或多个光谱仪测量通道执行的测量与由中红外FTIR光谱仪通道执行的测量相结合，以表征高深宽比结构。在一些实施例中，所测量光谱包含紫外、可见光、近红外及中红外波长。在这些实施例中的一些中，通过多个光谱仪测量通道以具有相同对准条件的高吞吐量同时执行半导体结构的测量。以这种方式，机器误差(例如波长误差)在所有所测量波长上被均匀地校正。这些特征，单独地或组合地，实现具有高吞吐量、精度及准确度的高深宽比结构(例如，具有一微米或更高深度的结构)的高吞吐量测量。
通过使用跨越宽范围的照明波长(例如，190纳米到20微米)的单个计量系统的多个光谱仪测量通道测量高深宽比结构，可实现复杂三维结构的精确表征。一般来说，相对较长的波长深入地穿透到结构中，并在测量具有相对较大间距的结构时提供对高衍射级的抑制。相对较短的波长提供有关相对较短波长(即顶层)以及相对较小的CD及粗糙度特征的结构的精确尺寸信息。在一些实例中，由于较长波长对粗糙度的较低敏感性，较长波长实现具有相对粗糙表面或界面的目标的尺寸特性的测量。
在一些实施例中，本文描述的用于半导体装置的光谱计量的方法及系统应用到高深宽比(HAR)、大横向尺寸结构或两者的测量。这些实施例实现用于具有HAR结构的半导体装置(例如，NAND、VNAND、TCAT、DRAM等)，且更一般来说，用于遭受低光穿透到被测量结构中的复杂装置的光学临界尺寸(CD)、膜及组合物计量。HAR结构通常包含硬掩模层以有助于HAR的蚀刻过程。如本文所描述的，“HAR结构”指其特征在于深宽比超过2:1或10:1且可为高达100:1或更高的任何结构。
更明确来说，包含基于中红外FTIR光谱的测量通道的半导体计量系统实现当前未被充分测量的几种半导体结构的高吞吐量表征。测量包含：1)三维半导体封装的临界尺寸的测量；2)使用FTIR的外延膜层的测量；3)在DRAM制造中，特定来说在存储节点中运用的高深宽比结构的测量；4)厚的不透明层(例如非晶碳膜)的测量，及5)在三维NAND制造中的通道孔、钨槽及其它关键的计量挑战的测量。
另外，包含基于中红外FTIR光谱的测量通道及在较短波长范围内操作的至少一个光谱反射计通道的半导体计量系统实现当前未被充分测量的几种新兴半导体结构的高吞吐量表征。这些测量包含1)硅通孔的临界尺寸及形状的测量；2)DRAM电容器结构的临界尺寸及形状的测量；3)硅/碳化硅外延及组合物的测量；4)运用于三维NAND硬掩模层(例如，非晶碳层)的膜的测量；及5)三维NAND钨槽及通道孔轮廓的测量。
图1描绘在用于三维NAND结构的制造工艺的蚀刻步骤中用作硬掩模材料的两个非晶碳膜的消光系数的曲线图。绘图线181描绘作为非晶碳膜A的波长的函数的消光系数，且绘图线182描绘作为非晶碳膜B的波长的函数的消光系数。膜A的消光系数在从200纳米到2200纳米的整个波长范围内保持相对较高的值。因此，膜A即使在近IR光谱区也有很强的吸收。
图2描绘从膜A反射的光的百分比的绘图线184及从膜B反射的光的百分比的绘图线183，如由反射计测量的，其具有12,500埃的厚度。在从200纳米到2200纳米的整个波长范围内，从膜A反射的光的百分比保持极低。如图2中所说明的，收集约0.05％的入射光所需的最小波长约为2000纳米。在大约1800纳米以下，所收集的信号的量几乎是无法测量的。
图1及2说明运用短红外光(例如1400纳米到3000纳米)及中红外光(例如3000纳米到20微米)以对半导体制造中运用的重要材料执行光谱测量的重要性。
另外，反射计及椭偏计配置在测量高消光比材料时证实不同的有效性。图3描绘说明预测各种测量场景中预期的3-sigma测量精度的模拟结果的图表185。在光谱反射计配置及光谱椭偏计配置下，模拟两种不同厚度(15,000埃及20,000埃)的非晶碳层的膜厚测量。此外，还考虑两种不同的照明波长范围。在一个场景中，SE及SR的测量是用从950纳米到2200纳米的照明波长来模拟的。在另一场景中，SE及SR的测量是用从950纳米到2500纳米的照明波长来模拟的。如图3所示，与SE测量相比，SR配置实现显著更高的测量精度。另外，在光照波长的扩展范围内执行的测量也能获得更高的测量精度。
由于反射计在或接近法向入射时操作，因此在对厚结构或深结构执行测量时，它比椭偏计具有“路径长度”优势。图4描绘安置在硅衬底187的顶部的非晶碳层186。在椭偏计配置中，照明光188以相对大的角度(例如，大于40度的入射角)入射到膜186。光在空气膜界面处折射，并以明显大于零的折射角通过膜186传播。类似地，从膜186的底表面反射的光以折射角通过膜186传播，在空气膜界面处折射，并传播到SE系统的检测器。相反，在反射计配置中，照明光190以相对小的角度(例如，针对法向入射反射计的情况为零角度)入射到膜186。在法向入射处，光通过膜186传播并从膜186的底表面反射回来。反射光191传播到SR检测器。如图4中所描绘的，SE配置中的照明光及通过膜186的反射光的光学路径长度比SR配置中的长。膜186中的额外光学路径长度导致测量信号的额外吸收及损失。因此，针对厚的、高吸收材料(例如非晶碳层)的测量而言，相对小角度SR配置优选于相对大角度SE配置。
图5描绘作为入射角的函数的s偏振照明光相对于p偏振照明光的反射率。绘图线192描绘s偏振光的反射率，且绘图线193描绘p偏振光的反射率。如图5中所说明，所选择的偏振影响测量敏感性。此外，如图5中所说明，p偏振光的反射率在SE测量中运用的典型角度范围内显著下降(例如，AOI大于40度)。这种下降在布鲁斯特(Brewster)角附近尤为明显。如图5中所说明，为了避免p偏振光的反射率的显著下降，小角度反射计配置(例如，AOI小于40度)为优选的。
图6描绘用于执行半导体结构(例如，膜厚度、临界尺寸、覆盖层等)的宽带中红外FTIR测量的示范性计量系统100。在一些实例中，一或多个结构包含至少一个高深宽比(HAR)结构或至少一个大横向尺寸结构。如图6中所描绘的，计量系统100经配置为近法向入射或近法向入射宽带FTIR光谱仪。然而，一般来说，计量系统100还可包含例如光谱反射计、光谱椭偏计、散射计或其任何组合的额外测量通道。
计量系统100包含生成入射到晶片115上的照明光束109的照明源101。在进一步方面中，一定量的照明光是宽带照明光，其包含跨越至少9微米的波长范围。在一个实例中，宽带照明光包含低于2.5微米的波长及高于12微米的波长。在一些实例中，宽带照明光包含跨越至少400纳米到12,000纳米范围的波长。在一些实例中，宽带照明光包含跨越至少150纳米到20,000纳米范围的波长。在一些实施例中，可运用包含超过12,000纳米波长的宽带照明光。在一些实例中，宽带照明光包含高达20,000纳米的波长。
在一些实施例中，照明源101是在紫外、可见光、近红外及中红外光谱中发射照明光的宽带激光维持等离子体(LSP)光源(又称激光驱动等离子体源)。LSP光源101的泵浦激光器102可为连续波或脉冲。在图6所描绘的实施例中，运用单个LSP泵浦激光源102。然而，一般来说，LSP光源101可运用一个以上的LSP泵浦激光源来激发不同波长范围上的光子，从而增强部分等离子体光谱或整个等离子体光谱的亮度及功率。在从120纳米到20,000纳米的整个波长范围内，LSP光源可产生比弧光灯更大的辐射。如图6中所描绘，从计算系统130传送控制信号138以控制LSP泵浦激光源102。作为响应，LSP泵浦激光源102调整其光学输出，且继而根据命令信号138调整LSP光源101的输出。
如图6中所描绘，LSP泵浦激光源102生成通过聚焦光学器件104聚焦到焦点107的泵浦光103。聚焦的泵浦光维持等离子体腔室105所含有的等离子体106。等离子体106生成从真空紫外到中红外波长范围内的宽带光谱光。等离子体腔室105包含出口端口108，照明光109通过所述出口端口。在一些实施例中，等离子体腔室105由氟化钙或氟化镁构成，以发射由等离子体106生成的大于2.5微米的波长。在一些其它实施例中，等离子体腔室105包含一或多个出口端口(例如，出口端口108)。在一些实施例中，出口端口108由金刚石构成，以发射跨越从2微米到20微米的波长范围的光。在一些其它实施例中，出口端口108由硅、锗、硒化锌或硫化锌构成以在中红外区域中发射。在一些其它实施例中，出口端口108由熔融石英构成，以发射跨越从185纳米到2.5微米的波长范围的光。在一些其它实施例中，出口端口108由氟化钙构造，以发射跨越从120纳米到5微米的波长范围的光。在一些其它实施例中，等离子体腔室105包含至少一个发射深紫外线到近红外的出口端口及至少一个发射中红外的出口端口。在一些实施例中，LSP泵浦激光源102是连续波激光器。在一些其它实施例中，LSP泵浦激光源102是脉冲激光器。
一般来说，照明源101是单个光源或多个宽带或离散波长光源的组合。由照明源101生成的光包含从紫外到中红外(例如，真空紫外到中红外)的连续光谱或连续光谱的部分。一般来说，照明光源101可包含LSP光源、超连续谱激光源、红外超连续谱源、一组量子级联激光器、红外氦氖激光源、弧光灯(例如，氙弧光灯)、氘灯、热光源(例如，碳硅棒光源)、量子级联激光源，任何其它合适的光源，或其任何组合。
如图6中所描绘的，准直光学器件121准直来自等离子体106的光109并将经准直光引导到FTIR干涉仪120(例如，迈克尔森(Michaelson)干涉仪)。在一些其它实施例中，聚焦光学器件(未展示)收集来自等离子体106的光并将所收集的光聚焦到照明源场阻挡器(未展示)。照明源场阻挡器界定稳定的光源大小及位置。通过照明源场阻挡器的光由准直光学器件121准直并被引导到FTIR干涉仪120。
FTIR干涉仪120包含将照明光细分为两个不同光学路径的分束元件。在一些实施例中，第一光学路径具有固定的光学路径长度，而第二光学路径包含改变第二光学路径的光学路径长度的可移动光学元件。这两条光学路径被重新组合。由此产生的波干涉图(即干涉图)取决于可移动光学元件的任何特定位置处的光学路径长度差(即，光学路径差)。因此，取决于可移动光学元件的位置，一些源波长被严重(或完全)衰减，且其它源波长被发射而没有衰减。以这种方式，可移动光学元件的位置界定FTIR干涉仪在任何给定时刻的输出光谱。随着可移动光学元件位置的改变，FTIR干涉仪的输出光谱也随之改变，且在改变的照明波长组合上执行测量。
如图6中所描绘，从计算系统130传送控制信号139以控制FTIR干涉仪120。作为响应，FTIR干涉仪120控制一或多个可移动光学元件的位置，其继而根据命令信号139调整FTIR干涉仪120的光谱输出。
如图6中所描绘的，衍射偏振器122收集由FTIR干涉仪120发射的照明光并发射具有特定偏振状态的光。在一些实施例中，衍射偏振器122是线栅偏振器。在一些实施例中，偏振器122是作为时间的函数发射不同偏振的动态偏振器(例如，旋转偏振器)。在这些实施例中，随时间以不同的偏振状态执行测量。尽管图6中所描绘的实施例包含衍射偏振器122，但一般来说，FTIR测量可使用或不使用在照明光束路径中的偏振器122及集光光束路径中的对应分析器126的情况下执行。
如图6中所描绘的，任选照明光学器件123调节来自偏振器122的光。在实例中，任选照明光学器件123增大或减小光束大小。在另一实例中，任选照明光学器件123改变光束准直的状态。在另一实例中，任选照明器光学器件123包含阻挡来自偏振器122的高阶衍射光的第二照明场阻挡器(未展示)。
光束采样器124对离开照明场阻挡器的光的一部分进行采样，并将光引导到反射物镜125。在优选实施例中，光束采样器124是半镜(例如，经定位以对照明光109的50％的光束覆盖区进行采样的镜)。在所述优选实施例中，光束采样器124是完全反射的。这使得能够使用高效反射中红外光(即，具有一直到20微米的波长的光)的材料(例如金、银等)。然而，一般来说，分束器124可为任何合适的光束采样光学元件。如图6中所描绘的，光束采样器124反射照明光109的部分109A，并将照明光109A引导向物镜125。照明光109的剩余部分109B传播到检测器141。检测器141生成指示照明光109B的条件(例如，强度、位置、强度分布等)的输出信号156，并通过代理，指示朝向所测量样本的照明光109A的条件。以这种方式，计算系统130生成控制信号(例如，控制信号138)以控制照明源101、干涉仪120、偏振器122及照明光学器件123中的任一者以将照明光109A的条件改变到期望的规范。
反射物镜125将照明光109A聚焦在晶片115上的照明点117上。反射物镜125还响应于入射照明光109A收集从晶片115反射的光129，并将所收集的光129引导到分析器126。所收集的光129通过光束采样器124、分析器126及集光光学器件127。作为实例，在光束采样器124是半镜的情况下，收集光129在空间上从光束采样器124分离，而收集光129不被光束采样器124衰减。在一些实施例中，集光光学器件127将所收集的光129聚焦到检测器128的有源感测表面上。在一些其它实施例中，集光光学器件127将所收集的光129聚焦在集光场阻挡器(未展示)处。额外光学元件(未展示)从集光场阻挡器收集光，并将光引导到检测器128的有源感测表面上。
在一些实施例中，检测器128对包含2到12微米范围内的任何波长的中红外光敏感。在一些实施例中，检测器128对包含2到20微米范围内的任何波长的中红外光敏感。在一些实施例中，检测器128包括HgCdTe传感器。在一些实施例中，检测器128的光敏传感器被冷却到液氮的温度。另外，在一些实施例中，检测器128包含斯特林冷却器，其经运用以将热量从有源感测元件中转移出去。
检测器128生成指示晶片115上所测量结构对照明光109的光学响应的检测信号135。检测器128将检测信号135传送到计算系统130。检测信号135随着晶片115对由FTIR干涉仪120生成的已知光谱的响应而变化。计算系统130基于由FTIR干涉仪120生成的已知光谱，使用傅里叶变换来处理检测信号135。以这种方式，计算系统130确定所测量目标在每一波长处的反射率(即，所测量目标的光谱响应)。继而，计算系统130基于所测量光谱响应确定与所测量目标相关联的所关注参数155的值。
图6描绘在反射模式下操作的基于中红外FTIR的计量系统的实施例(即，照明光被提供到晶片上，与从晶片收集的光同一侧)。在其它实施例中，基于中红外FTIR的计量系统经配置以在发射模式下操作(即，照明光被提供到晶片上，与从晶片收集的光相对侧)。
图7描绘在发射模式下操作的基于中红外FTIR的计量系统的实施例250。相似编号的元件与参考图6描述的那些元件类似。如图7中所描绘的，运用光束采样器124以将照明光109引导到反射物镜125A。在一些实施例中，光束采样器124是全孔径镜。反射物镜125A将照明光109聚焦在晶片115上的照明点117上，如参考图6中描绘的反射物镜125所描述的。
如图7所描绘的，反射物镜125B响应于入射照明光109收集通过晶片115发射的光129，并将所收集的光129引导到分析器126。所收集的光129通过分析器126及集光光学器件127。在一些实施例中，集光光学器件127将所收集的光129聚焦到检测器128的有源感测表面上。在一些其它实施例中，集光光学器件127将所收集的光129聚焦在集光场阻挡器(未展示)处。额外光学元件(未展示)从集光场阻挡器收集光，并将光引导到检测器128的有源感测表面上。
在进一步方面中，合并本文所描述的中红外FTIR光谱仪的计量系统还包含在中红外以下(例如，小于2微米)或中红外内(例如，2与20微米之间)的一或多个不同波长范围操作的一或多个额外测量通道。在一些实施例中，中红外FTIR光谱仪及一或多个额外测量通道同时测量目标。在其它实施例中，中红外FTIR光谱仪及一或多个额外测量通道依序测量目标。一般来说，与一或多个额外测量子系统组合操作的中红外FTIR光谱仪可以多个不同的入射角、方位角、不同波长范围、不同偏振状态或其任何组合测量目标。
在一些实施例中，中红外FTIR光谱仪与硬X射线计量子系统、软X射线计量子系统、光谱椭偏计、光谱反射计、高光谱成像子系统、散射计子系统或其任何组合组合操作。
在一些实施例中，中红外FTIR光谱仪与在从190纳米到2500纳米的波长范围内操作的宽带光谱仪通道组合操作。在一些实施例中，中红外FTIR光谱仪与在从190纳米到2500纳米波长范围内操作的宽带光谱仪通道及在从120纳米到190纳米波长范围内操作的另一光谱仪通道组合操作。
图8描绘包含如参考图6所描述的中红外FTIR光谱仪、光谱反射计(SR)测量通道及光谱椭偏计(SE)测量通道的计量系统100。相似编号的元件与参考图6描述的那些元件类似。在图8所描绘的实施例中，FTIR、SR及SE光谱仪的测量点共置。在一些其它实施例中，测量点不共置。
如图8中所描绘的，LSP照明源101包含额外出口端口110及112。出口端口110发射光到SR测量通道，且出口端口112发射光到SE测量通道。出口端口110及112可由在中红外范围以下(例如，低于2.5纳米)发射光的材料构成。在一些实施例中，出口端口110及112由熔融石英、氟化钙、氟化镁等构成。在图8所描绘的实施例中，出口端口112由真空紫外光发射材料构成。在一些实施例中，出口端口112发射范围从190纳米到2,500纳米的照明波长。在另一实例中，出口端口112发射范围从120纳米到2,500纳米的照明波长的全部或部分。另外，出口端口110发射范围从120纳米到2,500纳米的照明波长的全部或部分。在图8所描绘的实施例中，LSP照明源101生成具有从真空紫外光到中红外光(即，120纳米到20微米)的波长范围、高亮度且小光源点大小的照明光。
如图8中所描绘的，光学元件161收集通过出口端口110发射的SR照明光111，并将SR照明光111引导向任选镜162，所述任选镜将SR照明光111引导向偏振组件163。在一些其它实施例中，聚焦光学器件(未展示)收集通过出口端口110发射的SR照明光111，并将所收集的光聚焦到照明源场阻挡器(未展示)。照明源场阻挡器界定稳定的光源大小及位置。通过照明源场阻挡器的光经引导到偏振组件163。在一些实施例中，偏振组件是偏振器、补偿器或两者，且可包含任何合适的市售偏振组件。偏振组件可经固定或旋转到不同的固定位置。尽管图8中描绘的SR照明子系统包含一个偏振组件，但SR照明子系统可包含一个以上的偏振组件。如图8中所描绘的，任选照明光学器件164收集来自偏振组件163的光，并调节被引导到光束采样器165的SR照明光111。在一个实例中，任选照明光学器件164改变照明光111的光束大小或光束发散。在另一实例中，任选照明光学器件164将SR照明光111聚焦到照明场阻挡器(未展示)。光束采样器165对离开照明场阻挡器的光的一部分进行采样，并将光引导到反射物镜125。在一些实施例中，光束采样器125是二向色滤光片。在一些其它实施例中，光束采样器125是内翻镜。反射物镜125将照明光111聚焦在晶片115上的照明点117上。反射物镜125还收集响应于入射照明光111从晶片115反射的SR所收集的光118，并将所收集的光118引导到分析器167。所收集的光118通过分束器165并从光束采样器166朝向分析器167及集光光学器件168反射。在实例中，光束采样器166是二向色滤光片。在一些其它实施例中，光束采样器166是内翻镜。在一些其它实施例中，光束采样器165及166向内翻转以对SR照明光111及SR收集光118进行采样，并从SR照明光111及SR收集光118向外翻转以进行FTIR测量。在一些实施例中，集光光学器件168将所收集的光118聚焦到检测器169的有源感测表面上。在一些其它实施例中，集光光学器件168将所收集的光118聚焦在收集场阻挡器(未展示)处。额外光学元件(未展示)从收集场阻挡器收集光并将光引导到检测器169的有源感测表面上。
在一些实施例中，检测器169对包含在120纳米到2.5微米范围内的任何波长的真空紫外、深紫外、紫外、可见光及近红外光敏感。在一些实施例中，检测器169是对紫外及可见光(例如，具有在190纳米与860纳米之间的波长的光)敏感的电荷耦合装置(CCD)。然而，一般来说，可考虑其它二维检测器技术(例如，位置敏感检测器(PSD)、光电检测器等)。检测器169将入射光转换为指示入射光的光谱强度的电信号。
如图8中所描绘的，检测器169生成指示晶片115上的所测量结构对照明光111的光学响应的检测信号136。检测器169将检测信号136传送到计算系统130。
如图8中所描绘的，SE照明光113经由出口端口112从等离子体腔室105提取。任选的SE源光学器件140调节照明光113并将其重新引导向SE照明光学器件入口端口142。SE照明光113穿过任选的光学滤光片143、偏振组件144、场阻挡器145、孔径阻挡器146及照明光学器件147。一或多个光学滤光片143控制来自照明子系统的光电平、光谱输出或两者。在一些实例中，一或多个多区滤光片被运用为光学滤光片143。偏振组件144生成离开照明子系统的期望偏振状态。在一些实施例中，偏振组件是偏振器、补偿器或两者，且可包含任何合适的市售偏振组件。偏振组件可经固定或旋转到不同的固定位置。尽管图8中描绘的照明子系统包含一个偏振组件，但照明子系统可包含一个以上的偏振组件。场阻挡器145控制照明子系统的视野(FOV)，且可包含任何合适的市售场阻挡器。孔径阻挡器146控制照明子系统的数字孔径(NA)，且可包含任何合适的市售孔径阻挡器。来自LSP照明源101的光经引导通过照明光学器件147以倾斜角度α聚焦在晶片115上的一或多个结构上。照明子系统可包含光谱椭偏计领域已知的光学滤光片143、偏振组件144、场阻挡器145、孔径阻挡器146及照明光学器件147的任何类型及布置。
如所描绘的，在图8中，当光束从照明源101传播到晶片115时，照明光113的光束通过滤光片143、偏振组件144、场阻挡器145、孔径阻挡器146及照明光学器件147。光束113照明测量点117上晶片115的一部分。
在一些实例中，投影到晶片115表面上的一定量的照明光113的光束大小小于在样品表面上测量的测量目标的大小。王(Wang)等人在第2013/0114085号美国专利申请公开案中详细描述示范性波束成形技术，其全部内容以引用的方式并入本文中。在一方面，LSP照明源的使用实现在计量系统100的所有测量通道上的非常小的照明点大小。在一些实施例中，LSP照明源生成具有约为100微米的大小的等离子体。这种小的大小的照明源继而以大约10倍的放大率投影到晶片上。因此，原则上，在一些实施例中，实现约10微米的照明点大小。这可通过使照明光穿过照明孔径而进一步减少大小。例如，可使用照明孔径将100微米的光源大小减少到50微米，继而，以大约10倍的放大率投影到晶片上。因此，原则上，在一些实施例中，实现约5微米的照明点大小。在一些实施例中，光束变迹光学器件用于减少晶片处的照明点大小。然而，通过使用照明孔径带来的衰减是以损失光子为代价的。在一些实施例中，照明光从LSP光源投影到具有50微米或更小的照明点大小的晶片上，而没有显著的光束变迹(例如，由于变迹而小于10％的光子损失)。在一些实施例中，照明光从LSP光源投影到具有25微米或更小的照明点大小的晶片上，而没有显著的光束变迹(例如，由于变迹而小于10％的光子损失)。如本文所描述的，点大小由沿照明点的范围的最长方向的距离界定。例如，圆形照明点的大小由圆的直径界定。在另一实例中，椭圆照明点的大小由沿主轴穿过椭圆的距离界定。
相反，热照明源(例如碳硅棒光源)的最小点大小约为2,000微米，继而，以约10倍的放大率投影到晶片上。因此，原则上，由碳硅棒光源实现约200微米的照明点大小。点大小的进一步减少可通过照明孔径的使用来实现，但要实现与LSP光源相当的点大小需要严重的光子损失。为此，优选运用LSP光源用于基于FTIR光谱的半导体计量。
计量系统100还包含集光光学子系统，其经配置以收集由一或多个结构与入射照明光束113之间的相互作用生成的光。通过集光光学器件148从测量点117收集所收集的光114的光束。所收集的光114通过集光光学子系统的集光孔径阻挡器149、偏振元件150及场阻挡器151。
集光光学器件148包含任何合适的光学元件以从晶片115上形成的一或多个结构收集光。集光孔径阻挡器149控制集光光学子系统的NA。偏振元件150分析期望的偏振状态。偏振元件150是分析器或补偿器。偏振元件150可经固定或可旋转到不同的固定位置。尽管图8中描绘的集光子系统包含一个偏振元件，但集光子系统可包含一个以上的偏振元件。集光场阻挡器151控制集光子系统的FOV。集光子系统从晶片115获取光并引导光通过集光光学元件148及偏振元件150以聚焦在集光场阻挡器151上。在一些实施例中，集光场阻挡器151用作检测子系统的光谱仪的光谱仪狭缝。然而，集光场阻挡器151可位于检测子系统的光谱仪的光谱仪狭缝152处或其附近。
集光子系统可包含光谱椭偏测量技术中已知的集光光学器件148、孔径阻挡器149、偏振元件150及场阻挡器151的任何类型及布置。
在图8所描绘的实施例中，集光光学子系统将光引导到检测子系统的光谱仪。检测子系统生成响应于从照明子系统照明的一或多个结构收集的光的输出。在图8所描绘的实施例中，所收集的光114通过光谱仪狭缝152并入射到衍射元件153上。衍射元件153经配置以在检测器154的感光表面处空间分离入射光的波长。在一个实例中，检测器154是对真空紫外及紫外(例如，具有在120纳米与400纳米之间的波长的光)敏感的电荷耦合装置(CCD)。在另一实例中，检测器154是对深紫外到近红外(例如，具有在190纳米与950纳米之间的波长的光)敏感的电荷耦合装置(CCD)。在另一实例中，检测器154是近红外传感器(例如，对具有在850纳米与2500纳米之间的波长的光敏感)。
计量系统100还包含计算系统130，其经配置以接收检测信号135、136及137，包含晶片115对VUV、DUV、可见光、近红外及中红外照明的光谱响应。此外，计算系统130基于检测信号135、136及137确定所测量结构的所关注参数的值的估计值155。通过同时收集测量信号135、136及137，减少了测量时间，且以相同的对准条件测量了所有光谱。这允许更容易地校正波长误差，因为可对所有光谱数据集应用共同校正。
在另一方面中，本文所描述的中红外FTIR光谱仪运用离轴照明、集光或两者来拒绝由来自底层衬底的底部的反射生成的测量信号
图9描绘入射到安置在衬底187上的膜层186上的照明188。如图9中所描绘的，照明布置在接近法向入射的位置，但明确地避免法向入射(AOI＝零度)。入射光的一部分从膜186的表面反射，另一部分191从膜186与衬底187之间的界面反射。这些反射是期望的，且必须被收集以基于反射计技术估计膜186的厚度。然而，另外，入射光188的一部分189穿透衬底187。光188的一部分190从衬底的底部(例如，晶片的背侧)反射，通过衬底187及膜186传播。光190是不期望的且污染了膜186的测量。如图9中所描绘的，集光孔径192被成功地运用以阻挡从衬底187的后表面反射的不期望光190。这是可能的，因为照明的非零入射角在从膜186的顶部及底部表面反射的光与从衬底187的底部反射的光190之间创建空间分离。
相反，图10描绘入射到安置在衬底187上的膜层186上的照明194。如图10中所描绘的，照明以法向入射布置。入射光的一部分从膜186的表面反射，另一部分从膜186与衬底187之间的界面反射。另外，入射光194的一部分195穿透衬底187。光195的一部分196从衬底的底部(例如，晶片的背侧)反射，通过衬底187及膜186传播。光196是不期望的且污染了膜186的测量。如图10中所描绘的，由于照明的零入射角不会在从膜186的顶部及底部表面反射的光与从衬底187的底部反射的光187之间生成空间分离，所以集光孔径193不能阻挡从衬底187的后表面反射的不期望光196。
因此，在一些实施例中，优选在非零入射角下执行如本文所描述的中红外FTIR测量及光谱反射计测量。以这种方式，可有效地阻挡背侧反射生成的光的测量。在一些实施例中，如参考图9所描述的并在图11的实施例中所说明的，运用倾斜照明来减少对背面反射的测量敏感性。在一些其它实施例中，运用法向照明，但在集光孔径阻挡器或其共轭物处或其附近的集光路径中运用遮蔽掩模223以阻挡数值孔径上的中心光线，使得不允许背侧反射进入测量光学器件，如图12的实施例中所说明。这种方法实现法向照明入射，但遭受可能的缺点，例如瞳孔中心遮蔽、光损失及算法复杂性。在一些其它实施例中，遮蔽223位于照明路径中。
图11描绘在另一实施例中的包含一或多个跨越750纳米与2600纳米之间的波长范围的测量通道的红外光谱反射计。在一方面，红外光谱反射计200包含施瓦兹希尔德物镜以避免法向入射。本文所描述的施瓦兹希尔德物镜可经运用为如参考图6及8所描述的FTIR测量通道中的物镜。如图11中所描绘的，红外光谱反射计200包含偏振器204、物镜201、分析器210及光谱仪212。如图11中所描绘的，照明源202响应于从计算系统130所接收的命令信号而生成光束。来自照明源202的光由任选的光束形成光学器件203调节以生成照明光束220。照明光束220经引导到偏振器204。尽管，如所描绘的，经引导到偏振器204的照明光来自照明源202，但一般来说，来自系统100的照明源中的任一者的光可经组合以生成经引导到偏振器204的照明光束。以这种方式，照明光的光谱组件可经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经配置以围绕照明光束220的光轴选择性地旋转偏振元件。一般来说，偏振器204可包含任何偏振元件及系统以旋转所属领域中已知的偏振元件。例如，偏振器204可包含机械地耦合到旋转致动器的偏振元件。在一个实例中，偏振元件可为洛匈(Rochon)棱镜。在另一实例中，偏振元件可包含光束置换器。偏振器204经配置以在系统200内以旋转作用或旋转非作用状态操作。在一个例项中，偏振器204的旋转致动器可为非作用的，使得偏振元件保持围绕照明光220的光轴旋转固定。在另一例项中，旋转致动器可以所选择的角频率ωp围绕照明光的光轴旋转偏振元件。
在一些其它实施例中，偏振器204经配置以具有围绕照明光束220的光轴的固定偏振角。
如图11中所描绘的，照明光束220通过偏振器204，而旋转致动器以所选择的角频率ωp旋转偏振器元件。以这种方式，偏振器204生成被引导向光束采样器206的偏振光光束221。光束采样器206将偏振光光束221的部分221B引导向物镜201。偏振光束221的剩余部分221B被引导向光束收集器(未展示)或检测器(未展示)，以向计算系统130提供关于如参考图6所描述的光束条件的反馈。
在图11所描绘的实施例中，物镜201是仅包含反射光学元件的Schwartzschild类型物镜。图11中所描绘的Schwartzschild物镜包含凹面镜208，其具有与光轴OA对准的开口(例如，孔)，以允许光进出物镜201。传入光通过开口，并从凸面镜207向凹面镜208反射。所反射的光通过凹面镜208聚焦在晶片212的表面上。偏振光光束221在物镜201的入射角范围内聚焦到晶片212的表面上，而不以零入射角(即，与晶片212的表面法向)聚焦。在一些实例中，偏振光光束221在5度与40度之间的入射角范围内聚焦到晶片212的表面上。在一些其它实例中，偏振光光束221在5度与25度之间的入射角范围内聚焦到晶片212的表面上。在一些实例中，偏振光光束221的一部分以小于20度的入射角聚焦在晶片212的表面上。在一些其它实例中，偏振光光束221的一部分以小于15度的入射角聚焦在晶片212的表面上。在一些实例中，偏振光光束221以小的入射角聚焦在晶片212的表面上，从而产生小的照明点。在一些实例中，所产生的照明点的直径小于20微米。在一些其它实例中，所产生的照明点的直径小于10微米。
聚焦偏振光光束221与晶片212的相互作用通过反射、散射、衍射、发射或其它类型的过程中的任一者来修改辐射的偏振。在与晶片212相互作用之后，经修改的光222被物镜201收集并引导到光束采样器206。来自晶片212的光被凹面镜208收集并聚焦到凸面镜207上，在所述凸面镜上它通过与朝向光束采样器206的传入光相同的孔离开Schwartzschild物镜。光束采样器206经配置以向分析器210发射经修改的光222。在图11所描绘的实施例中，分析器210包含偏振器元件，所述偏振器元件保持围绕经修改光束222的光轴旋转固定，同时经修改光束222通过分析器210及任选的光束聚焦光学器件211到达光谱仪212。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。检测器可为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内的辐射。关于偏振状态分析由光谱仪212接收的辐射，允许由光谱仪对通过偏振器212的辐射进行光谱分析。这些光谱228被传递到计算系统130以分析晶片212的结构特性。
图12描绘在另一实施例中包含一或多个跨越750纳米与2600纳米之间的波长范围的测量通道的红外光谱反射计。在一方面，红外光谱反射计300包括离轴无遮蔽物镜301以实现斜入射。本文所描述的离轴无遮蔽物镜可经运用为如参考图6及8所描述的FTIR测量通道中的物镜。
如图12中所描绘的，红外光谱反射计300与参考图11所描述的红外光谱反射计200类似。然而，运用离轴无遮蔽物镜301，而不是施瓦兹希尔德物镜。传入光从凸面镜307朝向凹面镜308反射。所反射的光通过凹面镜308聚焦在晶片312的表面上。偏振光光束221在物镜301的入射角范围内聚焦在晶片312的表面上。在一些实例中，偏振光光束221在5度与40度之间的入射角范围内聚焦在晶片312的表面上。在一些其它实例中，偏振光光束221在5度与25度之间的入射角范围内聚焦在晶片312的表面上。在一些实例中，偏振光光束221的一部分以小于20度的入射角聚焦在晶片312的表面上。在一些其它实例中，偏振光光束221的一部分以小于15度的入射角聚焦在晶片312的表面上。偏振光光束221以小的入射角聚焦在晶片312的表面上，从而产生小的照明点。在一些实例中，所产生的照明点的直径小于20微米。在一些其它实例中，所产生的照明点的直径小于10微米。在一些实例中，具有中心遮蔽的照明掩模(例如图12中描绘的掩模223)位于照明瞳孔处或其附近。
聚焦偏振光光束221与晶片312的相互作用通过反射、散射、衍射、发射或其它类型的过程中的任一者来修改辐射的偏振。在与晶片312相互作用之后，经修改的光222被物镜301收集并引导到光束采样器206。来自晶片312的光被凹面镜308收集并聚焦到凸面镜307上，在所述凸面镜上它被准直并朝向光束采样器206离开物镜301。在一些其它实例中，具有中心遮蔽的集光掩模(例如图12中描绘的掩模223)位于集光瞳孔处或其附近。
兰博迪(Rampoldi)等人在第2016/0139032号美国专利申请公开案中详细描述了离轴无遮蔽物镜的示范性实施方案，其全部内容以引用的方式并入本文中。
一般来说，参考图11及12描述的反射物镜是对中红外FTIR测量、SR测量或两者实施离轴照明、集光或两者时图6及8中描绘的反射物镜125的示范性实施例。
如图6、8、11及12中所描绘的，所说明的测量通道包含照明侧上的偏振器及收集侧上的分析器。然而，一般来说，经考虑，任何测量通道可包含或不包含照明偏振器、集光分析器、照明补偿器、集光补偿器，以任何组合来执行样本的偏振反射率、样本的非偏振反射率或两者的测量。
在一些实施例中，本文所描述的计量系统的一或多个测量通道经配置以除了在不同波长范围及入射角之外，还以不同的方位角测量晶片。在一些实施例中，包含如本文所描述的中红外FTIR光谱仪的计量系统经配置以在相对于计量目标的0度及90度的方位角处对晶片执行测量。在一些实施例中，计量系统经配置以同时测量一或多个波长范围、一或多个AOI范围及一或多个方位角上的晶片反射率。
在另一进一步方面中，基于所测量目标的性质，调整投影在晶片平面上的照明场阻挡器的尺寸以优化所产生的测量精度及速度。
在另一进一步方面中，调整照明场阻挡器的尺寸以实现用于每一测量应用的期望光谱分辨率。
在一些实例中，例如，如果样本是非常厚的膜或光栅结构，那么调整在与入射平面垂直的方向上投影在晶片平面上的照明场阻挡器，以减少场大小从而实现提高的光谱分辨率。在一些实例中，例如，如果样本是薄的膜，那么调整在与入射平面垂直的方向上投影在晶片平面上的照明场阻挡器，以增加场大小从而实现缩短的测量时间而不损失光谱分辨率。
在一些实施例中，计算系统130经配置以接收指示所测量结构的光谱响应的信号(例如，信号135、136、137或其任何组合)。计算系统130经进一步配置以确定传送到可编程照明场阻挡器(例如，照明场阻挡器145)的控制信号。可编程照明场阻挡器接收控制信号并调整照明孔径的大小以实现所期望的照明场大小。
在一些实例中，如上文所描述的，调整照明场阻挡器以优化测量精度及速度。在另一实例中，调整照明场阻挡器以防止光谱仪狭缝的图像剪切及测量结果的对应退化。以这种方式，调整照明场大小，使得测量目标的图像未充满光谱仪狭缝。在一个实例中，调整照明场阻挡器，使得照明光学器件的偏振狭缝的投影未充满计量系统的光谱仪狭缝。
如图6中所描绘的，具有多个端口的单个LSP源提供用于SE、SR及FTIR测量的照明光。在另一实施例中，运用单独的照明源以提供照明光到SE、SR及FTIR测量通道。
如图6中所描绘的，SE、SR及FTIR测量通道在晶片处具有共置的焦点。在一些其它实施例中，SE、SR及FTIR测量通道不在晶片处共置。
图14说明在至少一个新颖方面中执行光谱测量的方法500。方法500适合于通过例如分别在本发明的图6、9及10中说明的计量系统100、200及300的计量系统实施。在一方面，应认识到方法500的数据处理框可经由计算系统130或任何其它通用计算系统的一或多个处理器所执行的预编程算法来执行。本文应认识到，计量系统100、200及300的特定结构方面不代表限制，且应仅解释为说明性的。
在框501中，生成包含跨越从2.5微米到12微米范围的波长的第一量的宽带照明光。
在框502中，从第一量的宽带照明光生成具有时变光谱的一定量的FTIR照明光。
在框503中，以一或多个入射角、一或多个方位角或其组合将所述一定量的FTIR照明光引导到被测量样品的表面上的FTIR测量点。样品的表面上的FTIR测量点的大小小于50微米
在框504中，响应于所述一定量的FTIR照明光从样品的表面上的FTIR测量点收集一定量的FTIR收集光。
在框505中，检测所述一定量的FTIR收集光并生成指示所检测的FTIR收集光的FTIR输出信号。
在框506中，基于FTIR输出信号及所述一定量的FTIR照明光的时变光谱确定被测量样品的第一所关注参数的估计值。
在另一实施例中，系统100、200及300包含一或多个计算系统130，其经运用以基于根据本文所描述的方法收集的光谱测量数据执行实际装置结构的测量。一或多个计算系统130可通信地耦合到光谱仪。在一方面，一或多个计算系统130经配置以接收与被测量样品的结构的测量相关联的测量数据。
应认识到，贯穿本公开描述的一或多个步骤可由单个计算机系统130或替代地由多个计算机系统130执行。此外，系统100的不同子系统可包含适合于执行本文所描述的步骤的至少一部分的计算机系统。因此，以上提及的描述不应被解释为对本发明的限制，而仅仅是说明。
另外，计算机系统130可以本领域已知的任何方式通信地耦合到光谱仪。例如，一或多个计算系统130可耦合到与光谱仪相关联的计算系统。在另一实例中，光谱仪可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可经配置以通过可包含有线及/或无线部分的传输媒体从系统的子系统(例如，光谱仪等)接收及/或获取数据或信息。以这种方式，传输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/或无线部分的传输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、参考测量结果等)。以这种方式，传输媒体可用作计算机系统130与其它系统(例如，存储器板载计量系统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可经配置以经由数据链路从存储媒体(即存储器132或外部存储器)接收测量数据。例如，使用本文所描述的光谱仪获得的光谱结果可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。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，计算机系统130可经由传输媒体向其它系统发送数据。例如，由计算机系统130确定的测量模型或所估计参数值171可被传送并存储在外部存储器中。就此而言，测量结果可导出到另一系统。
计算系统130可包含但不限于个人计算机系统、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已知的任何其它装置。一般来说，术语“计算系统”可被广泛地界定为包含具有一或多个处理器的任何装置，其执行来自存储器媒体的指令。
实施例如本文所描述的那些方法的程序指令134可通过例如导线、缆线或无线传输链路的传输媒体来传输。例如，如图1中所说明的，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存储在计算机可读媒体(例如，存储器132)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。
在一些实例中，测量模型经实施为可从美国加利福尼亚州米尔皮塔斯市KLA-Tencor公司获得的
Figure BDA0003176816260000201
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以供使用。
在一些其它实例中，例如，测量模型通过实施可从美国加利福尼亚州米尔皮塔斯市KLA-Tencor公司获得的
Figure BDA0003176816260000202
软件的计算系统离线实施。所产生的、经训练的模型可经合并为可由执行测量的计量系统接入的
Figure BDA0003176816260000203
库的元件。
在另一方面中，本文所描述的用于半导体装置的光谱计量的方法及系统经应用到高深宽比(HAR)结构、大横向尺寸结构或两者的测量。所描述的实施例实现用于半导体装置的光学临界尺寸(CD)、膜及组合物计量，所述半导体装置包含三维NAND结构，例如竖直NAND(V-NAND)结构、动态随机存取存储器结构(DRAM)等，由各种半导体制造商制造，例如三星公司(韩国)、SK Hynix公司(韩国)、东芝公司(日本)、及美光(Micron)科技公司(美国)等。这些复杂的装置遭受低光穿透到被测量的结构中。图13描绘示范性的高深宽比NAND结构400，其遭受低光穿透到被测量的结构中。具有宽带能力及宽范围AOI、方位角或两者的光谱椭偏计，其具有如本文所描述的同时光谱带检测，适合于测量这些高深宽比结构。HAR结构通常包含硬掩模层以有助于HAR的蚀刻过程。如本文所描述的，术语“HAR结构”指其特征在于深宽比超过2:1或10:1且可为高达100:1或更高的任何结构。
在又一方面中，本文所描述的测量结果可用于向过程工具(例如，光刻工具、蚀刻工具、沉积工具等)提供主动反馈。例如，基于本文所描述的测量方法确定的所测量参数的值可传送到光刻工具以调整光刻系统从而实现期望的输出。以类似的方式，可将蚀刻参数(例如，蚀刻时间、扩散率等)或沉积参数(例如，时间、浓度等)包含在测量模型中以分别向蚀刻工具或沉积工具提供主动反馈。在一些实例中，对基于所测量装置参数值及经训练的测量模型确定的过程参数的校正可传送到光刻工具、蚀刻工具或沉积工具。
如本文所描述的，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、格栅高度等)、任何两个或更多个结构之间的临界尺寸(例如两个结构之间的距离)，及两个或更多个结构之间的位移(例如，覆盖光栅结构之间的覆盖位移等)。结构可包含三维结构、图案结构、覆盖结构等。
如本文所描述的，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。
如本文所描述的，术语“计量系统”包含至少部分经运用以在任何方面表征样品的任何系统，包含测量应用，例如临界尺寸计量、覆盖计量、焦点/剂量计量及组合物计量。然而，此类技术术语并不限制本文所描述的术语“计量系统”的范围。另外，计量系统100可经配置以用于图案化的晶片及/或非图案化的晶片的测量。计量系统可经配置为LED检验工具、边缘检验工具、背侧检验工具、宏观检验工具或多模式检验工具(同时涉及来自一或多个平台的数据)，及从基于临界尺寸数据的系统参数校准中获益的任何其它计量或检验工具。
本文描述可用于测量任何半导体处理工具(例如，检验系统或光刻系统)内的样品的半导体测量系统的各种实施例。在本文中使用的术语“样品”指可通过所属领域已知的方式处理(例如，印刷或检验缺陷)的晶片、主光罩或任何其它样本。
如本文所使用的，术语“晶片”通常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。此类衬底通常可在半导体制造设施中发现及/或处理。在一些情况下，晶片可仅包含衬底(即，裸晶片)。替代地，晶片可包含在衬底上形成的一或多层不同材料。在晶片上形成的一或多层可为“图案化”或“非图案化”的。例如，晶片可包含具有可重复的图案特征的多个裸片。
“主光罩”可为处于主光罩制造过程的任何阶段的主光罩，或者可为可能会或可能不会释放以用于半导体制造设施的完成的主光罩。主光罩或“掩模”通常被界定为基本上透明的衬底，其上形成基本上不透明的区域并以图案配置。例如，衬底可包含玻璃材料，例如非晶形SiO2。在光刻工艺的曝光步骤期间，可将主光罩安置在抗蚀剂覆盖的晶片上方，使得主光罩上的图案可转移到抗蚀剂上。
在晶片上形成的一或多层可进行图案化或非图案化。例如，晶片可包含多个裸片，每一者具有可重复的图案特征。此类材料层的形成及处理可最终产生完成的装置。可在晶片上形成许多不同类型的装置，且如本文所使用的，术语晶片旨在包含在其上制造所属领域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，所描述的功能可在硬件、软件、固件或其任何组合中实施。如果在软件中实施，那么这些功能可作为一或多个指令或代码存储在计算机可读媒体上或通过计算机可读媒体传输。计算机可读媒体包含计算机存储媒体及通信媒体两者，包含有助于将计算机程序从一个地方传输到另一地方的任何媒体。存储媒体可为可由通用或专用计算机存取的任何可用媒体。以实例的方式而非限制，此类计算机可读媒体可包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储、磁盘存储或其它磁性存储装置，或可用于携带或存储呈计算机可执行指令或数据结构的形式的所需程序代码构件并可由通用或专用处理器存取的任何其它媒体。此外，任何连接都恰当地称为计算机可读媒体。例如，如果使用同轴缆线、光纤缆线、双绞线、数字用户线(DSL)或无线技术(例如红外、无线电及微波)从网站、服务器或其它远程源传输软件，那么同轴缆线、光纤缆线、双绞线、DSL或无线技术(例如红外、无线电及微波)都包含在媒体的定义中。本文所使用的磁盘及光盘包含光盘(CD)、激光光盘、光学光盘、数字多功能光盘(DVD)、软盘及蓝光光盘，磁盘通常以磁性方式再现数据，而光盘用激光以光学方式再现数据。上述的组合也应包含在计算机可读媒体的范围内。
尽管以上某些特定实施例是为了教学目的而描述的，但是本专利文件的教示具有一般适用性，且不限于以上描述的特定实施例。因此，可在不脱离如权利要求书中陈述的本发明的范围的情况下实践所描述实施例的各种修改、调适及各种特征的组合。

Claims (37)

1.一种计量系统，其包括：
中红外傅里叶变换红外(FTIR)光谱仪，其包含：
至少一个照明源，其生成包含跨越从2.5微米到12微米范围的波长的第一量的宽带照明光；
干涉仪，其接收所述第一量的宽带照明光并生成具有时变光谱的一定量的FTIR照明光；
FTIR照明光学子系统，其以一或多个入射角、一或多个方位角或其组合将来自所述干涉仪的所述一定量的FTIR照明光引导到被测量样品的表面上的FTIR测量点，其中所述样品的所述表面上的所述FTIR测量点的大小小于50微米；
FTIR集光光学子系统，其响应于所述一定量的FTIR照明光从所述样品的所述表面上的所述FTIR测量点收集一定量的FTIR收集光；
至少一个FTIR检测器，其具有对入射光敏感的表面，所述至少一个FTIR检测器检测所述一定量的FTIR收集光并生成指示所检测的FTIR收集光的FTIR输出信号；及
计算系统，其经配置以基于所述FTIR输出信号及所述一定量的FTIR照明光的所述时变光谱生成所述被测量样品的第一所关注参数的估计值。
2.根据权利要求1所述的计量系统，所述至少一个照明源生成跨越从2微米到20微米波长范围的照明光。
3.根据权利要求1所述的计量系统，其中所述中红外FTIR光谱仪包含所述至少一个照明源与所述被测量样品之间的光学路径中的偏振元件、所述被测量样品与所述FTIR检测器之间的光学路径中的偏振元件或两者。
4.根据权利要求1所述的计量系统，其中所述至少一个照明源包含生成所述第一量的宽带照明光的激光维持等离子体(LSP)光源。
5.根据权利要求1所述的计量系统，其中所述至少一个照明源包含生成所述第一量的宽带照明光的红外超连续光谱激光源。
6.根据权利要求1所述的计量系统，其中所述至少一个照明源包含生成所述第一量的宽带照明光的一组量子级联激光源。
7.根据权利要求1所述的计量系统，其中所述至少一个照明源包含生成所述第一量的宽带照明光的热照明源或碳硅棒照明源。
8.根据权利要求1所述的计量系统，所述中红外FTIR光谱仪包含反射物镜，所述反射物镜将所述一定量的FTIR照明光聚焦到所述FTIR测量点上，并收集来自所述FTIR测量点的所述一定量的FTIR收集光，其中所述一定量的FTIR照明光覆盖所述反射物镜的瞳孔的第一部分，且所述一定量的FTIR收集光覆盖所述反射物镜的所述瞳孔的在空间上与所述第一部分分离的第二部分。
9.根据权利要求1所述的计量系统，其中所述一或多个入射角不包含法向入射角。
10.根据权利要求1所述的计量系统，其中所述一或多个入射角在从5度到40度的入射角范围内。
11.根据权利要求1所述的计量系统，其中所述至少一个FTIR检测器由斯特林冷却器冷却。
12.根据权利要求1所述的计量系统，其进一步包括：
第二计量子系统，其包含：
照明光学子系统，其以一或多个入射角、一或多个方位角或其组合将一定量的照明光从所述至少一个照明源引导到所述被测量样品的所述表面上的测量点；
集光光学子系统，其响应于所述一定量的照明光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；
至少一个检测器，其具有对入射光敏感的表面，所述至少一个检测器检测所述一定量的收集光并生成指示所检测的收集光的输出信号，其中所述计算系统经进一步配置以基于所述输出信号生成所述被测量样品的第二所关注参数的估计值。
13.根据权利要求12所述的计量系统，其中所述第一与第二所关注参数是相同的所关注参数。
14.根据权利要求12所述的计量系统，其中所述一定量的照明光包含与所述一定量的FTIR照明光不同的波长。
15.根据权利要求12所述的计量系统，其中所述FTIR测量点与所述测量点共置。
16.根据权利要求12所述的计量系统，其中所述一定量的收集光的所述检测与所述一定量的FTIR收集光的所述检测同时发生。
17.根据权利要求12所述的计量系统，其中所述中红外FTIR光谱仪的光学路径及所述第二计量子系统的光学路径包含反射物镜。
18.根据权利要求12所述的计量系统，其中所述第二计量子系统是光谱椭偏计、光谱反射计、散射计、基于X射线的计量子系统或基于高光谱成像的计量系统中的任一者。
19.一种方法，其包括：
生成包含跨越从2.5微米到12微米范围的波长的第一量的宽带照明光；
从所述第一量的宽带照明光生成具有时变光谱的一定量的FTIR照明光；
以一或多个入射角、一或多个方位角或其组合将所述一定量的FTIR照明光引导到被测量样品的表面上的FTIR测量点，其中所述样品的所述表面上的所述FTIR测量点的大小小于50微米；
响应于所述一定量的FTIR照明光从所述样品的所述表面上的所述FTIR测量点收集一定量的FTIR收集光；
检测所述一定量的FTIR收集光并生成指示所检测的FTIR收集光的FTIR输出信号；及
基于所述FTIR输出信号及所述一定量的FTIR照明光的所述时变光谱确定所述被测量样品的第一所关注参数的估计值。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述至少一个照明源包含生成所述第一量的宽带照明光的激光维持等离子体(LSP)光源。
21.根据权利要求19所述的方法，其中所述一或多个入射角不包含法向入射角。
22.根据权利要求19所述的方法，其进一步包括：
偏振所述一定量的FTIR照明光、所述一定量的FTIR收集光或两者。
23.根据权利要求19所述的方法，其中所述被测量样品包含三维NAND结构或动态随机存取存储器结构。
24.根据权利要求19所述的方法，其进一步包括：
以一或多个入射角、一或多个方位角或其组合将一定量的照明光从所述至少一个照明源引导到所述被测量样品的所述表面上的测量点；
响应于所述一定量的照明光从所述被测量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并生成指示所检测的收集光的输出信号；及
基于所述输出信号确定所述被测量样品的第二所关注参数的估计值。
25.根据权利要求24所述的方法，其中所述第一与第二所关注参数是相同的所关注参数。
26.根据权利要求24所述的方法，其中所述一定量的照明光包含与所述一定量的FTIR照明光不同的波长。
27.根据权利要求24所述的方法，其中所述FTIR测量点与所述测量点共置。
28.根据权利要求24所述的方法，其中所述一定量的收集光的所述检测与所述一定量的FTIR收集光的所述检测同时发生。
29.一种计量系统，其包括：
中红外傅里叶变换红外FTIR光谱仪，其包含：
一或多个照明源，其包含生成包含跨越从2.5微米到12微米范围的波长的第一量的宽带照明光的激光维持等离子体(LSP)光源；
干涉仪，其接收所述第一量的宽带照明光并生成具有时变光谱的一定量的FTIR照明光；
FTIR照明光学子系统，其以一或多个入射角、一或多个方位角或其组合将来自所述干涉仪的所述一定量的FTIR照明光引导到被测量样品的表面上的FTIR测量点，其中所述样品的所述表面上的所述FTIR测量点的大小小于50微米；
FTIR集光光学子系统，其响应于所述一定量的FTIR照明光从所述样品的所述表面上的所述FTIR测量点收集一定量的FTIR收集光；
至少一个FTIR检测器，其具有对入射光敏感的表面，所述至少一个FTIR检测器检测所述一定量的FTIR收集光并生成指示所检测的FTIR收集光的FTIR输出信号；及
计算系统，其经配置以基于所述FTIR输出信号及所述一定量的FTIR照明光的所述时变光谱生成所述被测量样品的第一所关注参数的估计值。
30.根据权利要求29所述的计量系统，其中所述一或多个入射角不包含法向入射角。
31.根据权利要求29所述的计量系统，其中所述中红外FTIR光谱仪的测量通道包含所述中红外FTIR光谱仪的照明路径、收集路径或两者中的偏振元件。
32.根据权利要求29所述的计量系统，其进一步包括：
第二计量子系统，其包含：
照明光学子系统，其以一或多个入射角、一或多个方位角或其组合将一定量的照明光从所述一或多个照明源引导到所述被测量样品的所述表面上的测量点；
集光光学子系统，其响应于所述一定量的照明光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；
至少一个检测器，其具有对入射光敏感的表面，所述至少一个检测器检测所述一定量的收集光并生成指示所检测的收集光的输出信号，其中所述计算系统经进一步配置以基于所述输出信号生成所述被测量样品的第二所关注参数的估计值。
33.根据权利要求32所述的计量系统，其中所述一定量的照明光由所述LSP光源生成。
34.根据权利要求32所述的计量系统，其中所述第一与第二所关注参数是相同的所关注参数。
35.根据权利要求32所述的计量系统，其中所述一定量的照明光包含与所述一定量的FTIR照明光不同的波长。
36.根据权利要求32所述的计量系统，其中所述FTIR测量点与所述测量点共置。
37.根据权利要求32所述的计量系统，其中所述一定量的收集光的所述检测与所述一定量的FTIR收集光的所述检测同时发生。
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