CN114910007B - 一种用于集成电路制造中的集成式膜厚测量系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于集成电路制造中的集成式膜厚测量系统和方法，包括用于将线偏振光聚焦在晶圆表面的待测点的入射光路和用于获取光谱以计算被测样品表面的椭偏参数的透射光路，还包括在透射光路分支出的两条用于通过折射获取额外光谱以计算被测样品表面的椭偏参数的折射光路。上述技术方案采用非常规光学系统，在线性偏振光经过晶圆反射后，反射光束被后续的准直系统准直，通过分光镜的反射和透射，分别进入不同的验偏器，然后被相应光路的聚焦系统聚焦相应的光谱仪的入射狭缝上，从而同时得到三个光谱，通过适当选择这三个验偏器的角度，可以解出被测样品表面的椭偏参数，降低了空间要求，大大提高计算效率。
Description
技术领域
本发明涉及电子设备制造工序技术领域，尤其涉及一种用于集成电路制造中的集成式膜厚测量系统和方法。
背景技术
光谱椭偏仪是一种用途很广的科学仪器。它通过测量偏振光通过表面和表面的薄膜反射后，偏振态的变化来推算出薄膜的厚度、薄膜的光学折射率以及薄膜的其他性能，灵敏度极高，可以测到1/10原子大小的膜厚的变化。20多年前，光谱椭偏仪被集成电路制造行业采用，开始用来检测薄膜制造工艺中薄膜的厚度和折射率。几乎在同时，它又被用来测量集成电路光刻和刻蚀工艺中的线宽。经过20多年的发展，它已成为集成电路制造工艺中不可缺少的的检测设备。光谱椭偏仪在集成电路工艺发展的道路上也面临许多挑战。
有资料显示，集成电路制造工艺技术按照摩尔定律的速度快速发展，目前集成电路芯片制造工艺的最小线宽已经达到7纳米，已远远小于光谱椭偏仪光源的波长，造成其测量灵敏度下降。为提高光谱椭偏仪的测量灵敏度，行业中的研发人员不断从光源，探测器，入射角，偏振态的被测参数，椭偏仪的结构等方面改进。
中国专利文献CN103134456B公开了一种“膜厚测量方法及膜厚测量装置、半导体集成电路的制造方法”。具有：针对由被上下层叠在绝缘膜(1)上的导电层(2、3)(层叠膜、例如Ni层以及其上的Au层)构成的半导体基板的电极，在利用触针测量高低差的情况、或者使用激光等情况下，利用公知方法测量导电层(2、3)的厚度(电极高度)的步骤；和利用四探针法测量电极的表面电阻的步骤，根据由两个步骤获得到的层叠膜的膜厚(电极高度)和表面电阻值，利用计算式算出由上下层叠的导电层(2、3)构成的电极的上部覆膜、即导电层(3)的膜厚。上述技术方案膜厚测量装置尺寸大，对于空间要求高。
发明内容
本发明主要解决原有的技术方案膜厚测量装置尺寸大，对于空间要求高的技术问题，提供一种用于集成电路制造中的集成式膜厚测量系统和方法，采用非常规光学系统，在线性偏振光经过晶圆反射后，反射光束被后续的准直系统准直，通过分光镜的反射和透射，分别进入不同的验偏器，然后被相应光路的聚焦系统聚焦相应的光谱仪的入射狭缝上，从而同时得到三个光谱，通过适当选择这三个验偏器的角度，可以解出被测样品表面的椭偏参数，降低了空间要求，大大提高计算效率。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
一种用于集成电路制造中的集成式膜厚测量系统，包括：
入射光路，用于将线偏振光聚焦在晶圆表面的待测点；
透射光路，用于获取光谱以计算被测样品表面的椭偏参数；
折射光路，用于通过折射获取额外光谱以计算被测样品表面的椭偏参数。
作为优选，所述的入射光路包括：
光源，用于提供自然光；
光源小孔，用于控制晶圆上测量光斑的形状和尺寸；
准直系统和聚焦系统，用于根据光谱范围的需求选择透射式或反射式；
起偏器，用于从自然光中获得偏振光；
光源、光源小孔、起偏器、准直系统和第一聚焦系统、待测样品沿光路依次设置。
从光源发出的宽光谱光束，经小孔和准直光学系统成一准直的光束，然后经起偏器，成线性偏振光。其偏振方向由起偏器的方位决定。
作为优选，所述的透射光路包括沿光路依次设置的第二聚焦系统、入射角选择孔径、第三验偏器和第三光谱仪。这束线偏振光被聚焦光学系统聚焦在晶圆表面的待测点，经过晶圆反射后，反射光束被后续的准直系统准直。
作为优选，所述的折射光路包括第一折射光路和第二折射光路，所述第一折射光路包括沿光路依次设置的第一分光镜、第一验偏器和第一光谱仪，所述第二折射光路沿光路依次设置的第二分光镜、第二验偏器和第二光谱仪。
这束线偏振光被准直系统准直后，通过第一分光镜和第二分光镜的反射和透射，分别进入第一验偏器，第二验偏器和第三验偏器.然后被相应光路的聚焦系统聚焦相应的第一光谱仪、第二光谱仪和第三光谱仪的入射狭缝上。这样我们就同时得到了三个光谱。这三个光谱的信号和它们前面验偏器的角度有关。
一种用于集成电路制造中的集成式膜厚测量系统的测量方法，包括以下步骤：
S1进行入射光路和透射光路设置；
S2进行折射光路设置；
S3计算待测样品表面的椭偏参数。
作为优选，所述的步骤S1设置入射光路使线偏振光被聚焦光学系统聚焦在晶圆表面的待测点，设置起偏器的角度并且设置入射角选择孔径，设置第三验偏器的角度
作为优选，所述的步骤S2设置第一分光镜和第二分光镜在透射光路中的位置，并设置折射光路中第一验偏器的角度A1＝0，设置第二验偏器的角度
作为优选，所述的步骤S3具体包括：
其中，为第一分光镜透射系数的s分量；/>为第一分光镜反射系数的s分量；/>为第一分光镜表面透射系数的p分量和s分量的相位差；χBS1为第一分光镜p分量的的透射系数和s分量的透射系数的模之比；/>是第二个分光镜透射系数的s分量；ΔBS2为第二分光镜表面反射系数的p分量和s分量的相位差；P为起偏器的角度；
I1(A1＝0)：当第一验偏器A1角度为0度时，第一光谱仪上的光强；
当第二验偏器A2角度为45度时，第二光谱仪上的光强；
当第三验偏器A3角度为90度时，第三光谱仪上的光强。
I1，I2，I3分别是三个光谱仪的相应的读数，其他参数都和系统中的第一分光镜和第二分光镜有关。
本发明的有益效果是：采用非常规光学系统，在线性偏振光经过晶圆反射后，反射光束被后续的准直系统准直，通过分光镜的反射和透射，分别进入不同的验偏器，然后被相应光路的聚焦系统聚焦相应的光谱仪的入射狭缝上，从而同时得到三个光谱，通过适当选择这三个验偏器的角度，可以解出被测样品表面的椭偏参数，降低了空间要求，大大提高计算效率。
附图说明
图1是本发明的一种原理连接结构图。
图2是本发明的一种流程图。
图中1光源，2起偏器，3第一光谱仪，4第二光谱仪，5第三光谱仪，6第一验偏器，7第二验偏器，8第三验偏器，9第一分光镜，10第二分光镜，11待测样品，12光源小孔，13第一准直系统和聚焦系统，14第二准直系统和聚焦系统，15入射角选择孔径。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。实施例：本实施例的一种用于集成电路制造中的集成式膜厚测量系统和方法，如图1所示，包括用于将线偏振光聚焦在晶圆表面的待测点的入射光路和用于获取光谱以计算被测样品表面的椭偏参数的透射光路，还包括在透射光路分支出的两条用于通过折射获取额外光谱以计算被测样品表面的椭偏参数的折射光路。
入射光路包括的光源1、光源小孔12、起偏器2、准直系统和第一聚焦系统13、待测样品11。光源1用于提供自然光，光源小孔12用于控制晶圆上测量光斑的形状和尺寸；准直系统和聚焦系统用于根据光谱范围的需求选择透射式或反射式；起偏器2用于从自然光中获得偏振光。
透射光路包括沿光路依次设置的第二聚焦系统14、入射角选择孔径15、第三验偏器8和第三光谱仪5。折射光路包括第一折射光路和第二折射光路，所述第一折射光路包括沿光路依次设置的第一分光镜9、第一验偏器6和第一光谱仪3，所述第二折射光路沿光路依次设置的第二分光镜10、第二验偏器7和第二光谱仪4，其中第一分光镜9、第二分光镜10设置在射角选择孔径15与第三验偏器8之间。
从光源发出的宽光谱光束，经小孔和准直光学系统成一准直的光束，然后经起偏器，成线性偏振光。其偏振方向由起偏器的方位决定。这束线偏振光被聚焦光学系统聚焦在晶圆表面的待测点。这束线偏振光被准直系统准直后，通过第一分光镜和第二分光镜的反射和透射，分别进入第一验偏器，第二验偏器和第三验偏器.然后被相应光路的聚焦系统聚焦相应的第一光谱仪、第二光谱仪和第三光谱仪的入射狭缝上。这样我们就同时得到了三个光谱。这三个光谱的信号和它们前面验偏器的角度有关。这三个光谱的信号和它们前面验偏器的角度有关。通过适当选择这三个验偏器的角度，我们可以解出被测样品表面的椭偏参数。
一种用于集成电路制造中的集成式膜厚测量系统的测量方法如图2所示，包括以下步骤：
S1进行入射光路和透射光路设置，设置入射光路使线偏振光被聚焦光学系统聚焦在晶圆表面的待测点，设置起偏器2的角度并且设置入射角选择孔径15，设置第三验偏器8的角度/>
S2进行折射光路设置，设置第一分光镜9和第二分光镜10在透射光路中的位置，并设置折射光路中第一验偏器6的角度A1＝0，设置第二验偏器7的角度
S3计算待测样品表面的椭偏参数，具体包括：
其中，为第一分光镜(9)透射系数的s分量；/>为第一分光镜(9)反射系数的s分量；/>为第一分光镜(9)表面透射系数的p分量和s分量的相位差；χBS1为第一分光镜(9)p分量的的透射系数和s分量的透射系数的模之比；/>是第二个分光镜透射系数的s分量；ΔBS2为第二分光镜(10)表面反射系数的p分量和s分量的相位差；P为起偏器(2)的角度；
I1(A1＝0)：当第一验偏器(6)A1角度为0度时，第一光谱仪(3)上的光强；
当第二验偏器(7)A2角度为45度时，第二光谱仪(4)上的光强；
当第三验偏器(8)A3角度为90度时，第三光谱仪(5)上的光强。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管本文较多地使用了入射光路、透射光路、折射光路等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。
Claims (6)
1.一种用于集成电路制造中的集成式膜厚测量系统，其特征在于，包括：
入射光路，用于将线偏振光聚焦在晶圆表面的待测点；
透射光路，用于获取光谱以计算被测样品表面的椭偏参数，所述透射光路包括沿光路依次设置的第二聚焦系统(14)、入射角选择孔径(15)、第三验偏器(8)和第三光谱仪(5)；
折射光路，用于通过折射获取额外光谱以计算被测样品表面的椭偏参数，所述折射光路包括第一折射光路和第二折射光路，所述第一折射光路包括沿光路依次设置的第一分光镜(9)、第一验偏器(6)和第一光谱仪(3)，所述第二折射光路沿光路依次设置的第二分光镜(10)、第二验偏器(7)和第二光谱仪(4)，所述第一分光镜(9)、第二分光镜(10)设置在入射角选择孔径(15)与第三验偏器(8)之间。
2.根据权利要求1所述的一种用于集成电路制造中的集成式膜厚测量系统，其特征在于，所述入射光路包括：
光源(1)，用于提供自然光；
光源小孔(12)，用于控制晶圆上测量光斑的形状和尺寸；
准直系统和聚焦系统，用于根据光谱范围的需求选择透射式或反射式；
起偏器(2)，用于从自然光中获得偏振光；
光源(1)、光源小孔(12)、起偏器(2)、准直系统和第一聚焦系统(13)、待测样品(11)沿光路依次设置。
3.根据权利要求1所述的一种用于集成电路制造中的集成式膜厚测量系统的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1进行入射光路和透射光路设置；
S2进行折射光路设置；
S3计算待测样品表面的椭偏参数。
4.根据权利要求3所述的一种用于集成电路制造中的集成式膜厚测量系统的测量方法，其特征在于，所述步骤S1设置入射光路使线偏振光被聚焦光学系统聚焦在晶圆表面的待测点，设置起偏器(2)的角度并且设置入射角选择孔径(15)，设置第三验偏器(8)的角度/>
5.根据权利要求4所述的一种用于集成电路制造中的集成式膜厚测量系统的测量方法，其特征在于，所述步骤S2设置第一分光镜(9)和第二分光镜(10)在透射光路中的位置，并设置折射光路中第一验偏器(6)的角度A1＝0，设置第二验偏器(7)的角度
6.根据权利要求5所述的一种用于集成电路制造中的集成式膜厚测量系统的测量方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：
其中，为第一分光镜(9)透射系数的s分量；/>为第一分光镜(9)反射系数的s分量；/>为第一分光镜(9)表面透射系数的p分量和s分量的相位差；χBS1为第一分光镜(9)p分量的透射系数和s分量的透射系数的模之比；/>是第二个分光镜透射系数的s分量；ΔBS2为第二分光镜(10)表面反射系数的p分量和s分量的相位差；P为起偏器(2)的角度；
I1(A1＝0)：当第一验偏器(6)A1角度为0度时，第一光谱仪(3)上的光强；
当第二验偏器(7)A2角度为45度时，第二光谱仪(4)上的光强；
当第三验偏器(8)A3角度为90度时，第三光谱仪(5)上的光强。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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