CN115667907A

CN115667907A - 使用声学计量表征图案化结构

Info

Publication number: CN115667907A
Application number: CN202180037553.2A
Authority: CN
Inventors: M·梅亨代尔; M·科特兰斯基; P·穆昆德汗; R·梅尔
Original assignee: Antu Innovation Ltd
Current assignee: Antu Innovation Ltd
Priority date: 2020-04-13
Filing date: 2021-03-30
Publication date: 2023-01-31
Also published as: US11988641B2; US20210318270A1; KR20230002696A; WO2021211291A1

Abstract

用于诸如通过表征样本的图案化特征或结构来检测或表征样本的系统和方法。在一个方面，本技术涉及一种用于表征样本的图案化结构的方法。该方法包括将泵浦光束引导到样本的表面上的第一位置以在样本中诱导表面声波，以及将探测光束引导到样本上的第二位置，其中当探测光束从样本的表面反射时，探测光束受到表面声波的影响。该方法还包括检测经反射的探测光束，分析检测到的经反射的探测光束以识别经反射的探测光束中的频率模态，以及基于所识别的频率模态，确定样本中的图案化特征的宽度或间距中的至少一者。

Description

使用声学计量表征图案化结构

本申请于2021年3月30日作为PCT国际申请提交，并且要求提交于2020年4月13日且标题为“使用声学计量表征图案化结构”的美国临时申请63/008,903的优先权的权益，该美国临时申请的全部内容以引用方式并入本文。

引言

现代纳米电子存储器和逻辑设备中广泛存在光学不透明材料诸如金属和非晶碳等。由于它们的生长通常不是选择性的，即，它们生长为均匀覆盖完整晶圆的覆盖层，故光学技术迅速变为看不到任何底层材料。照此，这导致例如对准和覆盖半镶嵌过程流程中或处理磁性随机存取存储器的磁性隧道结(MTJ)之后的挑战。为了减轻这个问题，掩模对准依赖于转移到金属层表面的形貌，从而导致明显的准确性问题，或者需要额外昂贵且耗时的蚀刻步骤。

相对于这些和其他一般考虑，已作出本文所公开的方面。另外，尽管可讨论相对具体的问题，但应当理解，这些示例不应受到解决背景技术中或本公开中的其他地方所识别的具体问题的限制。

发明内容

本公开的各示例描述了用于诸如通过表征样本的图案化特征或结构来检测或表征样本的系统和方法。在一个方面，本技术涉及一种用于表征样本的图案化结构的方法。该方法包括将泵浦光束(pump beam)引导到所述样本的表面上的第一位置以在所述样本中诱导表面声波，以及将探测光束引导到所述样本上的第二位置，其中当所述探测光束从所述样本的所述表面反射时，所述探测光束受到所述表面声波的影响。该方法还包括检测经反射的探测光束；分析检测到的经反射的探测光束以识别所述经反射的探测光束中的频率模态；以及基于所识别的频率模态，确定所述样本中的图案化特征的宽度或间距中的至少一者。

在一个示例中，所述频率模态介于1GHz与50GHz之间。在另一示例中，所述第一位置和所述第二位置是相同的。在又一示例中，所述第一位置与所述第二位置相隔至少10μm。在又一示例中，所述图案化特征是金属线。在另外的示例中，所述图案化特征嵌入在所述样本的所述表面之下。在又一示例中，所述图案化特征的宽度小于200nm。在另一示例中，该方法包括在样本上执行附加制造步骤。

在另一方面，本技术涉及一种用于表征样本的方法。该方法包括将泵浦光束引导到所述样本的表面上的第一位置以在所述样本中诱导第一表面声波；将探测光束引导到所述样本上的第二位置，其中当所述探测光束从所述第二位置反射时，所述探测光束受到所述第一表面声波的影响，其中所述第一位置与所述第二位置相隔第一距离；检测从所述第二位置反射的探测光束；将所述泵浦光束引导到所述样本的所述表面上的第三位置以诱导第二表面声波；将所述探测光束引导到所述样本的所述表面上的第四位置，其中当所述探测光束从所述第四位置反射时，所述探测光束受到所述第二表面声波的影响，其中所述第三位置与所述第四位置相隔第二距离；检测从所述第四位置反射的探测光束；以及基于检测到的从第一位置反射的探测光束和检测到的从第四位置反射的探测光束，确定所述样本的至少一个特性。

在一个示例中，所述至少一个特性是嵌入在所述样本的所述表面下方的图案化特征的特性。在另一示例中，所述至少一个特性是图案化特征的特性。在另外的示例中，该方法还包括确定所述检测到的从第二位置反射的探测光束或所述检测到的从第四位置反射的探测光束中的至少一个探测光束的频率模态。在又一示例中，确定所述至少一个特性还基于所确定的频率模态。在又一示例中，该方法还包括确定直到所述频率模态出现所述频率模态的延迟。在又一示例中，确定所述至少一个特性还基于所确定的延迟。

在另一示例中，所述第一距离小于10μm并且所述第二距离为至少15μm。在另外的示例中，该方法还包括在样本上执行附加制造步骤。

在另一方面，本技术涉及一种用于表征样本中图案化结构的系统。该系统包括用于生成泵浦光束和探测光束的至少一个光源；光学部件，所述光学部件被配置为将所述泵浦光束引导到所述样本上的第一位置并且将所述泵浦光束引导到所述样本上的第二位置；检测器，所述检测器被配置为检测从所述第二位置反射之后的探测光束；处理器；以及存储指令的存储器，所述指令在由所述处理器执行时致使所述处理器执行一组操作。所述一组操作包括识别检测到的探测光束中的频率模态；以及基于所识别的频率模态，确定所述图案化结构的宽度或间距中的至少一者。

在一个示例中，所述图案化结构嵌入在所述样本的所述表面之下。在又一示例中，所述第一位置与所述第二位置相隔至少10μm。

提供本发明内容是为了以简化的形式引入一系列概念，这些概念将在下文的具体实施方式中进一步描述。本发明内容并非旨在确定要求保护的主题的关键特征或基本特征，也并非旨在用于限制要求保护的主题的范围。示例的附加方面、特征和/或优点将部分地在下面的描述中列出，并且部分地将从描述中显而易见，或者可通过实践本公开而获知。

附图说明

参考以下附图描述非限制性和非穷举性示例。

图1A描绘了用于检测样本的示例性计量系统的一部分。

图1B描绘了图1A所描绘的示例性计量系统的示意图。

图1C描绘了用于分析信号的合适的操作环境的示例。

图2A描绘了样本的顶视图。

图2B描绘了样本的横截面侧视图。

图3示出了扣除背景的差分反射率(ΔR)信号，该信号为探测延迟时间在四个不同线阵列上的函数。

图4示出了模拟数据与测量数据的比较。

图5A-5B描绘了图3中呈现的数据的傅里叶变换(FT)。

图6描绘了模态频率对线宽度(80nm至200nm)的敏感性。

图7示出了频谱的比较。

图8A-8D示出了一系列周期图。

图9A-B分别示出了(ΔR)和FT信号。

图10描绘了用于表征样本的示例性方法。

图11描绘了用于表征样本的另一个示例性方法。

具体实施方式

如上所述，光学不透明材料呈现制造中的一系列挑战和问题，包括对准和覆盖挑战。这些问题的一些先前解决方案依赖于转移到金属层表面的形貌，从而导致明显的准确性问题，或者使用额外昂贵且耗时的蚀刻步骤。本技术利用皮秒超声波(PU)测量作为替代方案，因为生成和测量的声波穿过这些光学不透明材料传播。使用PU以在周期性图案化的纳米结构上生成和检测吉赫(GHz)范围内的表面声波(SAW)具有在声学模态的频率与样本的间距之间的强相关性，从而允许确定样本的特征。

PU测量涉及通过聚焦亚皮秒激光脉冲来在样本中诱导声波，以及使用来自相同激光器的另一短脉冲来检测从与另一材料的界面返回的部分反射的声波(其为时间的函数)。本技术利用PU测量技术以表征周期性图案化的纳米结构。例如，基于PU技术对各种几何形状的金属线阵列的敏感性，所生成的声音的频率概貌可以用于确定样本中特征诸如金属线的间距和/或宽度。样本的特征可以暴露或嵌入在样本中。

图1A描绘了用于测量或检测具有第一层131A和第二层131B的样本131的示例性计量系统100的一部分。在系统100中，泵浦脉冲沿着泵浦光束路径104行进并且被引导到测量点132。当泵浦脉冲到达测量点132时，生成在内部行进到样本131的本体中的体声波(BAW)120。另外，还生成跨过样本131的表面行进的表面声波(SAW)160。体声波120行进穿过样本131直到到达第一层131A和第二层131B之间的边界。在该边界处，体声波120的一部分被朝向样本131的表面反射回来，如由经反射的声波120R所描绘的。另外，体声波120的一部分还继续穿过边界进入第二层131B中。当体声波120到达样本131的边缘时，该声波被朝向样本131的表面反射回来。类似地，表面声波160跨过样本131的表面行进并且在样本131的表面附近从特征反射或部分反射。

在泵浦脉冲到达测量点132之后，探测脉冲沿着探测光束路径106行进到测量点132。在一些示例中，泵浦脉冲和探测脉冲可以到达样本131的表面上的不同点，如下文参考图2A进一步讨论的。探测脉冲从测量点132反射并继续沿循探测光束路径106，直到该探测脉冲到达检测器153。如果经反射的声波120R在探测脉冲到达测量点132的大约同时已到达样本131的表面，则该探测脉冲受到经反射的声波120R的影响。当检测到经反射的探测脉冲时，可在由检测器153生成的信号中识别经反射的声波120R对探测脉冲的影响。类似地，如果在测量点132处(或在表面上的引导探测脉冲的位置处)存在表面声波160或经反射的表面声波，则探测脉冲受到表面声波160的影响。

关于示例性计量系统100的附加细节描绘于图1B中，该图描绘了示例性计量系统100的示意图。在具体实施中，系统100可包括比图1B中所描绘的更少数量或更多数量的部件。在系统100中，光源101诸如激光器发射沿循光束路径102的光脉冲。第一分束器103位于光束路径102中。第一分束器103将从光源101发射的光脉冲分离成沿循泵浦光束路径104的泵浦脉冲和沿循探测光束路径106的探测脉冲。如本文所用，分束器为可将入射光束或脉冲分离成两个或更多个光束的光学设备。在一个示例中，这些分束器可为板式分束器或立方体分束器，诸如立方体偏振器。

泵浦脉冲沿循泵浦光束路径104并到达泵浦光束光学调制器105。泵浦光束光学调制器105调制泵浦脉冲。在一些示例中，泵浦光束光学调制器105调制泵浦脉冲。泵浦脉冲被调制的频率可在几兆赫(MHz)的范围内，诸如约5MHz或5.5MHz。也可利用其他频率。然后，所调制的泵浦脉冲继续沿循泵浦光束路径104并且可以到达泵浦光束路径104中位于泵浦光束光学调制器105之后的泵浦分束器107。泵浦分束器107分离所调制的泵浦脉冲。

泵浦脉冲沿着泵浦光束路径104继续进入泵浦光束延迟阶段111中。泵浦光束延迟阶段111延长了泵浦光束路径104的长度并且因此增加了泵浦脉冲到达测量点的时间。然而，在一些示例中，可省略泵浦光束延迟阶段111。泵浦光束延迟阶段111包括第一泵浦光束延迟镜113、第二泵浦光束延迟镜115、泵浦光束延迟回射器117和第三泵浦光束延迟镜119。第一泵浦光束延迟镜113将泵浦脉冲引导到第二泵浦光束延迟镜115。第二泵浦光束延迟镜115将泵浦脉冲引导到泵浦光束延迟回射器117。泵浦光束延迟回射器117将泵浦脉冲引导回第二泵浦光束延迟镜115，该第二泵浦光束延迟镜将泵浦脉冲引导到第三泵浦光束延迟镜119。第三泵浦光束延迟镜119将泵浦脉冲引导到泵浦光束定向镜121。泵浦光束定向镜121将泵浦脉冲引导到定向镜123，该定向镜将泵浦脉冲引导到多个聚焦光学器件125。

泵浦光束延迟阶段111的一些元件也可为可调节的。例如，泵浦光束延迟回射器117的位置可被调节为更靠近或更远离第二泵浦光束延迟镜115。例如，泵浦光束延迟回射器117可位于由电机、伺服和/或压电控制器以及其他可能的控制器控制的平台上。将泵浦光束延迟回射器117移动得更靠近第二泵浦光束延迟镜115缩短了泵浦光束脉冲的总路径长度，并且因此增加了泵浦光束脉冲和探测光束脉冲之间的延迟。相比之下，将泵浦光束延迟回射器117移动得更远离第二泵浦光束延迟镜115延长了泵浦光束脉冲的总路径长度，并且因此缩短了泵浦光束脉冲和探测光束脉冲之间的延迟。

聚焦光学器件125包括聚焦镜127、聚焦透镜129和高度检测系统133。聚焦光学器件125被定位成将探测脉冲引导并聚焦到样本131的测量点132上。在图1B所描绘的示例中，泵浦脉冲从定向镜123沿着泵浦光束路径104继续直到该泵浦脉冲到达聚焦镜127。聚焦镜127将泵浦脉冲引导穿过聚焦透镜129，该聚焦透镜将泵浦脉冲聚焦到测量点132。

泵浦脉冲到达测量点132，该测量点生成穿过样本131的本体行进的体声波120和沿着样本131的表面行进的表面声波160。泵浦脉冲还从测量点132反射并且经反射的泵浦脉冲可由检测器153或光束转储(未示出)捕获。在一些示例中，因为通常不分析经反射的泵浦脉冲，所以经反射的泵浦光束可由检测器153滤出或在到达检测器153之前滤出。

返回到上文中所讨论的第一分束器103，第一分束器103还将来自光源101的光脉冲分离成沿循探测光束路径106的探测脉冲。探测脉冲沿着探测光束路径106行进并且由探测光束定向镜135引导。探测光束定向镜135将探测脉冲引导到延长的探测光束延迟阶段137。

延长的探测光束延迟阶段137被配置为延长探测光束路径106的长度，并且因此产生泵浦脉冲到达测量点132的时间和探测脉冲到达测量点132的时间之间的延迟。延长的探测光束延迟阶段137延长了探测光束路径106。延长的探测光束延迟阶段137包括将探测脉冲引导到第一探测光束延迟回射器141A的第一探测光束延迟镜139。第一探测光束延迟回射器141A将探测脉冲引导到第二探测光束延迟回射器141B，该第二探测光束延迟回射器将探测脉冲引导到第三探测光束延迟回射器141C，该第三探测光束延迟回射器将探测脉冲引导到第四探测光束延迟回射器141D。离开第四探测光束延迟回射器141D，探测脉冲穿过多个探测光束延迟回射器141返回。例如，第四探测光束延迟回射器141D将探测脉冲引导回第三探测光束延迟回射器141C，该第三探测光束延迟回射器将探测脉冲反射到第二探测光束延迟回射器141B，该第二探测光束延迟回射器将探测脉冲反射到第一探测光束延迟回射器141A。然后，第一探测光束延迟回射器141A将探测脉冲反射到第二探测光束延迟镜143。

延长的探测光束延迟阶段137也可为可调节的。例如，第一探测光束延迟回射器141A和第二探测光束延迟回射器141B可位于由电机、伺服和/或压电控制器以及其他可能的控制器控制的平台上。因此，第一探测光束延迟回射器141A和第三探测光束延迟回射器141C可被移动得更靠近第二探测光束延迟回射器141B和第四探测光束延迟回射器141D。将相应的探测光束延迟回射器141移动得更靠近或更远离彼此减少或增加了探测脉冲的总路径长度，这减少或增加了泵浦脉冲和探测脉冲之间的延迟。因此，如果期望特定的延迟时间，则该延迟时间可通过调整探测光束延迟回射器141的相对位置实现。

在所描绘的示例中，延长的探测光束延迟阶段137包括四个探测光束延迟回射器141以产生八通延迟阶段。在其他示例中，延长的探测光束延迟阶段137可包括多于四个探测光束延迟回射器141。例如，延长的探测光束延迟阶段137可包括八个探测光束延迟回射器141以产生十六通延迟阶段。

一旦探测脉冲从延长的探测光束延迟阶段137到达第二探测光束延迟镜143，第二探测光束延迟镜143就沿着探测光束路径106将探测脉冲引导到可选的探测光束光学调制器146。探测光束光学调制器146以与已被调制的泵浦光束光不同的频率调制探测脉冲。例如，探测光束光学调制器146可以与泵浦光束的调制频率不同数量级的频率调制探测脉冲。在一些示例中，可省略探测光束光学调制器146。然后，所调制的探测脉冲到达探测分束器147。探测脉冲沿着探测光束路径106继续并穿过半波片150。半波片150改变初级探测脉冲的偏振，诸如通过将初级探测脉冲的偏振旋转90度。离开半波片150，探测脉冲沿着探测光束路径106继续并到达探测光束定向镜151。在计量系统100的一些示例中，可省略半波片150和探测分束器147。在此类示例中，探测脉冲可直接从延长的探测光束延迟阶段137行进到探测光束定向镜151。

探测光束定向镜151将探测脉冲引导到定向镜123，该定向镜将探测脉冲引导到聚焦光学器件125。聚焦光学器件125将探测脉冲聚焦到样本131的测量点132上。例如，聚焦镜127将探测脉冲引导穿过聚焦透镜129，该聚焦透镜将探测脉冲聚焦到测量点132上。然后，探测脉冲反射出样本131的表面到检测器153。检测器153在探测脉冲已从测量点132反射之后检测该探测脉冲。检测器153可将经反射的探测脉冲转换成电信号，该电信号可为数字格式或模拟格式。检测器153将信号传递到信号处理和分析系统154，在那里分析信号。信号处理和分析系统154能够基于从检测器153接收的电信号确定样本131的厚度。

在一些示例中，附加光学部件，诸如镜、透镜、光纤或其他合适的部件，以使泵浦脉冲到达样本131的表面上的第一位置并使探测脉冲到达样本131的表面上的第二位置。检测器153可以被适当地定位成检测从样本131反射之后的探测脉冲。在其他示例中，可以实施多个检测器153以检测经反射的探测脉冲和经反射的泵浦脉冲两者。关于信号处理和分析系统154的合适的操作环境的附加细节在下文中参考图1C进一步详细讨论。

图1C示出了合适的操作环境170的示例，其中可实施当前信号处理和分析系统的示例中的一者或多者，诸如信号处理和分析系统154。该操作环境可直接结合到本文所公开的系统中，或者可结合到与本文所述的计量系统分离但用于控制本文所述的计量系统的计算机系统中。这仅仅是合适的操作环境的一个示例，并非旨在对使用范围或功能提出任何限制。可适用的其他计算系统、环境和/或配置包括但不限于成像系统、个人计算机、服务器计算机、手持式或膝上型电脑设备、多处理器系统、基于微处理器的系统、可编程消费者电子器件诸如智能电话、网络PC、小型计算机、大型计算机、平板电脑、包括任何上述系统或设备的分布式计算环境等。

在其最基本的配置中，操作环境170通常包括至少一个处理器或处理单元172和存储器174。根据计算设备的确切配置和类型，存储器174(除了其他东西之外，存储用于执行本文所公开的图像采集和处理方法的指令)可为易失性的(诸如RAM)、非易失性的(诸如ROM、闪存存储器等)或两者的某种组合。这种最基本的配置在图1C中由虚线176示出。因此，操作环境170可包括处理器和存储指令的存储器，所述指令在由处理器执行时执行本文所讨论的操作。

另外，环境170还可包括存储设备(可移除的178和/或不可移除的181)，包括但不限于磁盘或光盘或磁带。类似地，环境170也可具有输入设备184诸如触摸屏、键盘、鼠标、笔、语音输入等，和/或输出设备186诸如显示器、扬声器、打印机等。在环境中也可包括一种或多种通信连接182，诸如LAN、WAN、点对点、蓝牙、RF等。

操作环境170通常包括计算机可读介质的至少一些形式。计算机可读介质可为可由处理单元172或包括操作环境的其他设备访问的任何可用介质。例如，操作环境可包括至少一个处理器和操作地连接到该至少一个处理器的存储器。存储器存储指令，这些指令在由该至少一个处理器执行时致使系统执行一组操作，诸如本文所述的操作，包括本文所讨论的方法操作。

以举例而非限制的方式，计算机可读介质可包括计算机存储介质和通信介质。计算机存储介质包括以用于存储信息诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据的任何方法或技术实现的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括RAM、ROM、EEPROM、闪存存储器或其他存储器技术、CD-ROM、数字通用光盘(DVD)或其他光学存储器、磁带盒、磁带、磁盘存储设备或其他磁存储设备、固态存储器或可用于存储期望的信息的任何其他有形介质。通信介质具体体现了计算机可读指令、数据结构、程序模块或在调制的数据信号(诸如载波或其他传输机制)中的其他数据，并且包括任何信息递送介质。术语“调制的数据信号”是指其特性中的一个或多个特性以某种方式被设置或被改变以使得在信号中编码信息的信号。以举例而非限制的方式，通信介质包括有线介质诸如有线网络或直接有线连接，以及无线介质诸如声音、RF、红外和其他无线介质。上述中的任一项的组合也应包括在计算机可读介质的范围内。计算机可读设备是结合了计算机存储介质的硬件设备。

操作环境170可以是使用到一个或多个远程计算机的逻辑连接在联网环境中操作的单个计算机。远程计算机可以是个人计算机、服务器、路由器、网络PC、对等设备或其他公共网络节点，并且通常包括上文所述的许多或全部元件以及未如此提及的其他元件。逻辑连接可包括由可用通信介质支持的任何方法。此类联网环境常见于办公室、企业范围的计算机网络、内联网和互联网中。

在一些实施方案中，本文所述的部件包括可由计算机系统400执行的此类模块或指令，这些模块或指令可存储在计算机存储介质和其他有形介质上并在通信介质中传输。计算机存储介质包括以用于存储信息诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据的任何方法或技术实现的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。上述中的任一项的组合也应包括在可读介质的范围内。在一些实施方案中，计算机系统400是将数据存储在远程存储介质中以供计算机系统400使用的网络的一部分。

图2A描绘了样本231的顶视图。样本231包括多个周期性结构202。图2A所示的样本231可以是较大样本的一部分。周期性结构202跨样本231重复。在测量周期性结构202的特性时，泵浦光束中的泵浦脉冲可以在样本231的第一位置204处到达样本231的表面，并且探测光束中的探测脉冲可以在样本231的第二位置206处到达样本231的表面。第一位置204和第二位置206彼此物理分开。第一位置204与第二位置206之间的距离可以被测量为与周期性结构的长度正交的距离。

图2B描绘了样本231的横截面侧视图。样本包括钨(W)周期性结构202。该周期性结构由硅土或二氧化硅(SiO₂)的带分开。样本可以形成在衬底上。周期性结构202可以通过其宽度、厚度和/或间距来描述。每个周期性结构202的宽度也可称为临界尺寸(CD)。间距等同于每个周期性结构202之间的间隔以及周期性结构202的宽度。

下面的讨论属于展示本技术执行的一组特定实验。虽然这些实验讨论了特定的测量、技术和样本，但是应当理解，本技术可以不同的方式应用并且应用于不同的样本，以最终确定或测量样本中的周期性结构的特性，诸如周期性结构的宽度和/或间距。

以下讨论的测量是在特殊测试载具上执行的，该特殊测试载具由具有不同宽度(约50-100nm)和间距(约100-1000nm)的约100nm深的W线的周期性阵列组成。使用镶嵌过程处理金属线，例如，首先使用浸没式光刻技术在生长在Si衬底上的SiO2层上图案化空沟槽。随后用5nm的物理气相沉积的(PVD)Ti和原子层沉积的(ALD)TiN、5nm的ALD W依次填充沟槽，然后用化学气相沉积的(CVD)W完全填充沟槽。最后，将样本化学机械抛光(CMP)，直到SiO2的顶部没有遗留金属。

激光器在520nm处的脉冲持续时间为约200fs，并且重现率为约63MHz。入射角固定在45度处。对于此特定研究，泵浦为p偏振的并且探测为s偏振的。聚焦光束大小为约7×10μm²。首先利用在空间上重叠然后分开的泵浦光束和探测光束采集测量结果。在图案化结构和掩埋的图案化结构上进行测量。

还使用有限元模型(FEM)来提供详细洞察力和振动模态对线阵列结构的参数的敏感性。利用了COMSOLTMMultiphysics软件(可从COMSOL AB,Stockholm,Sweden获得)。使用在底部具有侧向周期性边界条件和低反射边界条件的单线元件横截面的二维模型来研究泵浦光束和探测光束重叠的实验。参考图2B，已经将薄Ti和TiN层与表示W金属线的矩形区域组合。假设线横截面是矩形的。使用了来自COMSOLTM材料数据库的钨、氧化硅、硅和氮化硅的材料特性。基于过程目标值假设蚀刻阻挡层的厚度为25nm。

在所利用的PU技术中，泵浦脉冲持续时间小于0.4ps，但是测量和模拟的典型时间范围可以在皮秒或纳秒时间标度下慢得多。为了更好地理解此行为，模拟了两个不同的情况。在一个情况下，在时间范围0-4ns中执行时间依赖性模拟，其中泵浦的效果被模拟为来自顶部表面的W线中的热通量的快速(0.2ps)脉冲。另一方面，模拟了模仿W线内的能量吸收概貌的初始温度分布。实验中讨论的所有FEM分析使用在金属线的顶部表面中心处的竖直位移，以与PU测量信号进行比较。

PU信号与探测光束的反射率的变化成比例，该变化由表面之下的应变概貌诱导。时域和频域信号两者与FEM模拟结果的直接定量比较并不简单。该分析包括比较振动模态频率或时域信号中的其他常见特性特征，以帮助更好地表征系统。

在实验的第一部分中，进行了其中泵浦光束和探测光束重叠的测量。例如，将探测光束和泵浦光束引导到样本上的相同测量点。图3示出了扣除背景的差分反射率(ΔR)信号的曲线图300，该信号为探测延迟时间在具有相同间距(500nm)但变化临界尺寸(CD)(0nm、90nm、100nm和200nm)的四个不同线阵列上的函数。曲线图300包括针对临界尺寸为200nm的第一信号302、针对临界尺寸为100nm的第二信号304、针对临界尺寸为90nm的第三信号306和针对临界尺寸为80nm的第四信号308。

针对变化线深度(60nm、80nm和100nm)，执行了线宽度为200nm并且间距为500nm的FEM模拟。图4描绘了示出由信号402、404和406表示的模拟数据信号与由信号408表示的测量数据的比较的曲线图400。总信号概貌由不同的声学模态组成，所述不同的声学模态对应于声音的侧向传播并且还在本体中从表面的顶部传播到金属线的底部。合理的是不同模态将提供对结构的不同尺寸(例如，线的间距、宽度和厚度)敏感的信息。在约24-38ps之间看到的强特征归因于基于W的约50A/ps的声速从W线的底部反射到达表面的声学脉冲。如早先所指出的，由于复杂性，不进行PU信号与FEM模拟竖直位移之间的直接比较。注意，信号408的PU信号标志相对于FEM迹线402、404和406反向。

在测量的信号上，声学特征处于约29ps，并且对应于约75nm的线厚度。基于此，从这里用于与测量的模态频率进行比较的FEM模拟获得的模态频率值假设线厚度为75nm。

图5A-5B描绘了图3中呈现的数据的傅里叶变换(FT)的曲线图500A、500B。更具体地，图5A-5B描绘了具有间距＝500nm和变化线宽度的线阵列的信号的FT。图5A描绘了针对线宽度80nm的测量PU信号502、针对线宽度90nm的测量PU信号504和针对线宽度100nm的测量PU信号506。图5B描绘了竖直位移的对应FEM模拟FT光谱，其中信号508针对线宽度80nm、信号510针对线宽度90nm，并且信号512针对线宽度100nm。信号中的频率对应于激发的各种声学模态。还示出了从模拟获得的频谱以进行比较。实验的焦点在频率处于7GHz与20GHz之间的模态上。在具有单个W线的模型的FEM模拟中未出现约12GHz模态。如下文进一步讨论的，在垂直于线的方向上分开的泵浦和探测的测量结果示出了该频率与沿着垂直于线方向的阵列的顶部表面行进的波相关联。该模态与单个W线FEM模型的左边界和右边界上的周期性边界不相容。通常，模拟与实验吻合良好。值得注意的是，FT信号在恒定间距下显示出对不同线CD的不同敏感性。

图6描绘了模态频率对线宽度(80nm至200nm)的敏感性的曲线图。给定构建的简单2D周期性模型，FEM模型的频率与测量值相当。在图6中，描绘了具有间距500nm和各种线宽度的线阵列的振动模态的频率。圆圈示出了FEM模拟信号中具有相同线宽度和假设线深度75nm的模态的频率。

在实验的第二部分中，泵浦光束和探测光束是在空间上分开的。图2A中描绘了此配置的示例，该图示出了晶圆上的测量位点图案以及线阵列相对于光束间隔的取向。与纵向传播到衬底中的声波相反，该配置对侧向行波敏感。

图7示出了从上面讨论的相同样本获得的频谱的比较的曲线图700，其中泵浦光束和探测光束相隔12.5μm。曲线图700还包括插图以更清楚地看到信号702-706。具体地，图7中的曲线图700示出了具有变化CD的线阵列的信号的FT，其中泵浦光束和探测光束以80nm(信号704)、90nm(信号702)、100nm(信号706)和200nm(信号708)在空间上分开。如所预期的，在泵浦光束和探测光束在空间上分开的情况下，探测对向下行进到衬底中的声波不敏感。主要模态被识别为处于约12GHz，如图7中的图700的插图中所突出显示的。峰对应于在样本表面处或附近侧向传播的声波。显而易见的是，主要模态的频率对应于线阵列的宽度而变化。

图8A-8D示出了一系列周期图800A-800D，其示出了不同频率峰在不同时间的主导性，该主导性为泵浦与探测之间重叠(从强重叠到完全分开)的函数。这些图上的上部面板802A-D分别示出了下部面板804A-D中的时域信号的周期图。通过将滑动窗口应用于信号并执行傅里叶变换来获得周期图。当滤波器窗口居中在给定时间(水平轴线)处时，周期图的颜色表示在给定频率(竖直轴线)处的FT振幅。周期图和信号针对具有线阵列(间距＝500nm，线CD＝90nm)的样本，其中泵浦光束和探测光束在空间上分开不同距离。周期图800A-D示出了具有在10与15GHz之间的频率包络的侧向传播表面模态。在图8A中，泵浦光束和探测光束重叠。在图8B中，泵浦光束和探测光束相隔10μm。在图8C中，泵浦光束和探测光束相隔15μm。在图8D中，泵浦光束和探测光束相隔20μm。

当泵浦光束和探测光束强重叠时(图8A)，主要模态为约7GHz，与图5A一致。当光束越来越分开(10μm向20μm偏移，图8B-8D)时，该约7GHz峰开始变弱，并且约11-13Hz信号开始更可见。在两个光束相隔超过10μm的情况下，该模态最强。随着光束间隔增加，周期图上的强度最大值移动到稍后的时间。这些表示表面波脉冲的传播，其中速度为约5μm/ns并且频率围绕约12-13GHz。这大致对应于波长，但稍微低于500nm的阵列间距。不幸的是，周期图的相对低的分辨率不允许更准确的估计。附加的详细FEM模拟和实验可以提供更高的分辨率和更准确的估计。

在实验的又一个部分中，在测量覆盖膜之下的图案化结构中评估方法和技术的敏感性。样本包括在间距为200nm的所有线阵列(其中宽度从60nm变化到80nm)中。信号902对应于80nm的CD，并且信号904对应于70nm的CD。将宽度为60nm的线阵列嵌入厚度为至少10nm的W覆盖层下方，并且对应信号为信号906。图9A-9B分别示出了(ΔR)和FT信号。从嵌入式阵列(信号906)的曲线图的频率概貌显而易见，在线阵列的顶部上具有金属层的情况下存在较少的峰。

对于当泵浦光束和探测光束重叠时没有底层金属线结构的平坦金属膜的情况，应理解PU信号。预期纵向声音穿过膜深度的往返传播产生的一系列逐渐衰减的回波。在频域中，此多往返进展可以表现为单个模态，其中一些可能的谐波贡献与离散时域回波形状的细节有关。相反，针对掩埋金属线的情况的信号(图9A-9B，信号906)示出了指示金属膜表面下方的周期性线结构的多个不同模态。

传统的光学临界尺寸(OCD)计量系统也可以用于表征亚微米阵列，但在金属填充之前，而不在金属填充之后。然而，本文所讨论的PU技术是在CMP后处理之后以及在此类结构嵌入金属层下方时测量两个线阵列的间距和宽度的可行选项。

实验已展示，表面声学主要模态处或附近的激发频率对暴露的阵列结构的W线的宽度和间距敏感。实验进一步示出了PU对嵌入金属层下方的金属线敏感。随着更多样本可用，掩埋在金属层之下的金属线的CD的敏感性的系统研究将是我们未来工作的主题。时域分析使得可能通过使用回波的到达时间来确定线的厚度，同时模态频率提供对线宽度的敏感性。

除其他益处之外，本技术提供了计量工具的扩展，可作为独立解决方案或与OCD或其他技术混合组合，在线测量掩埋的图案化结构，从而为在线过程监测和控制提供关键的结构信息。

图10描绘了用于使用光声计量分析样本的示例性方法。在操作1002处，将泵浦光束引导到样本的表面上的第一位置。如上所述，泵浦光束在样本中诱导表面声波和体声波。在操作1004处，将探测光束引导到样本上的第二位置。在一些示例中，第一位置和第二位置可以重叠。在其他示例中，第一位置和第二位置可以相隔一定距离。例如，间隔距离可为至少5μm、10μm、15μm、或20μm。当探测光束从样本的表面反射时，探测光束受到从泵浦光束生成的至少表面声波的影响。

在操作1006处，由检测器检测经反射的探测光束。该检测器可将检测到的探测光束转换成可以处理的电信号。在操作1008处，分析检测到的经反射的探测光束以确定或识别经反射的探测光束中的频率模态，该频率模态对应于表面声波的频率模态。识别频率模态可包括信号的傅里叶变换或用于识别信号内的频率模态的其他方法。频率模态可以介于1GHz与50GHz之间。操作1008还可包括确定来自探测光束的其他特征，诸如直到出现频率模态的延迟。基于在操作1008中确定的频率模态和/或延迟，可以在操作1010中确定样本的图案化特征或结构的宽度或间距中的至少一者。例如，图案化特征可以是金属线，诸如上文所讨论的钨线。图案化特征也可以嵌入在样本的表面之下。图案化特征的宽度或临界尺寸可以小于200nm、100nm、50nm或更小。

图11描绘了用于使用光声计量分析样本的另一个示例性方法。在操作1102处，将泵浦光束引导到样本的表面上的第一位置以在样本中诱导第一表面声波或多个表面声波。在操作1104处，将探测光束引导到样本上的第二位置。当探测光束从第二位置反射时，探测光束受到表面声波的影响。第一位置和第二位置可以相隔第一距离，该第一距离可以小于10μm等其他可能距离。在操作1106处，由检测器检测经反射的探测光束，该检测器可将检测到的探测光束转换成用于分析的电信号。

然后改变泵浦光束和探测光束的间隔距离。在操作1108处，将泵浦光束引导到样本的表面上的第三位置。泵浦光束从第三位置诱导第二表面声波或多个表面声波。在操作1110处，将探测光束引导到样本的表面上的第四位置。当探测光束从第四位置反射时，探测光束受到第二表面声波或第二多个表面声波的影响。第三位置和第四位置相隔可以大于或小于第一距离的第二距离，诸如至少15μm。在一些示例中，第一位置可以与第三位置相同，或者第二位置可以与第四位置相同。例如，仅需要改变探测光束或泵浦光束之一的位置即可改变间隔距离。然而，在一些示例中，泵浦光束和探测光束的位置均被改变。在操作1112处，由检测器检测从第四位置反射的探测光束，该检测器可将检测到的探测光束转换成待分析的电信号。

在操作1114处，确定样本的至少一个特性。基于检测到的从第二位置反射的探测光束和检测到的从第四位置反射的探测光束来确定特性。例如，分析可包括确定或识别检测到的探测光束的频率模态，以及基于频率模态来确定特性。分析还可包括确定直到出现频率模态的延迟，并且特性还可基于该延迟。特性可以是图案化结构诸如金属线的间距和/或宽度。图案化结构可以嵌入在样本的表面下方。

在以上讨论的方法中执行的操作之后，可以基于所确定的样本特性(诸如，图案化结构的间距和/或宽度)来做出是否批准样本的决策。例如，样本旨在被制造成具有处于特定公差内的特性。可接受的公差或范围可以是预先确定的。在一些示例中，公差或范围可基于样本的可操作性所需的最小或最大特性。如果所测量或所确定的样本特性落入预期厚度、间距、宽度等以及其相应公差内，则可以批准样本。如果所确定的特性未落入预期公差内，则可以拒绝样本。

如果样本被批准，则执行附加制造步骤。在样本为晶圆的示例中，附加制造步骤包括诸如背磨晶圆的操作。制造步骤还可包括样本的清洁和其他精整操作，包括包装操作。在一些示例中，附加制造步骤可包括附加测试，诸如晶圆上的半导体器件或芯片的电测试。例如，可对晶圆上的每个芯片执行电测试，以确定芯片是否正常或按预期工作。可基于芯片的测试结果将芯片虚拟地分类到虚拟箱中。测试失败的芯片可被标记为不良或故障，并且被置于用于故障芯片的故障虚拟箱中。相反，通过测试的芯片可被标记为良好或合格，并且被置于合格虚拟箱中。在测试之后，可将晶圆减薄，随后切割成单独的芯片。将已被标记为通过测试的芯片封装到诸如存储卡或存储设备以及其他计算机芯片器件或应用中。从测试中批准的芯片的百分比通常可称为成品率。一旦芯片已封装，就可进一步测试芯片以帮助确保已正确地形成从芯片到封装或设备的其余部分的接合并且性能仍在可接受的界限内。然后可将经批准的封装设备进一步结合到计算设备中。例如，在将晶圆的芯片封装到存储设备中的情况下，可将存储设备安装或结合到计算设备诸如膝上型电脑或移动电话中。

如果样本未被批准，则拒绝并丢弃样本。在一些情况下，被拒绝样本可为可挽救的或可回收利用的。通过在执行附加制造步骤诸如背磨和清洁之前测量或检测样本，附加制造步骤仅在可接受的或在公差内的样本上执行。因此，不会浪费资源对不可接受或超出公差的样品进行精整。

可使用软件、硬件或软件和硬件的组合来实现本文所述的实施方案以实施和执行本文所公开的系统和方法。虽然在本公开通篇中将特定设备叙述为执行特定功能，但本领域的技术人员将会理解，提供这些设备是出于进行说明性的目的，并且可在不脱离本公开的范围的情况下采用其他设备来执行本文所公开的功能。此外，上文参考根据本公开的各方面的系统和方法的框图和/或操作图示描述了本公开的一些方面。框中提到的功能、操作和/或动作可不按照任何相应流程图中所示的顺序发生。例如，根据所涉及的功能和具体实施，连续示出的两个框实际上可基本上同时或以相反顺序来实现或执行。

本公开参考附图描述了本技术的一些实施方案，其中示出了可能的实施方案中的仅一些实施方案。然而，其他方面可以多种不同的形式体现，并且不应被理解为限于本文所述的实施方案。相反，提供这些实施方案是为了使本公开透彻完整，并且将可能的实施方案的范围完全传达给本领域的技术人员。此外，如本文和权利要求书中所用，短语“要素A、要素B或要素C中的至少一者”旨在传达以下各项中的任一者：要素A、要素B、要素C、要素A和B、要素A和C、要素B和C以及要素A、B和C。此外，本领域的技术人员将会理解术语诸如“约”或“基本上”按照本文所用的测量技术传达的程度。在本领域的技术人员可能无法明确定义或理解此类术语的情况下，术语“约”应意指加或减百分之十。

尽管本文描述了具体实施方案，但本技术的范围不限于那些具体实施方案。此外，虽然可单独地描述不同的示例和实施方案，但是此类实施方案和示例可在实施本文所述的技术时彼此组合。本领域的技术人员将会认识到在本技术的范围和实质内的其他实施方案或改进。因此，所公开的具体结构、动作或介质仅作为例示性实施方案。本技术的范围由以下权利要求书及其任何等同物限定。

Claims

1.一种用于表征样本的图案化结构的方法，所述方法包括：

将泵浦光束引导到所述样本的表面上的第一位置以在所述样本中诱导表面声波；

将探测光束引导到所述样本上的第二位置，其中当所述探测光束从所述样本的所述表面反射时，所述探测光束受到所述表面声波的影响；

检测经反射的探测光束；

分析所检测到的经反射的探测光束以识别所述经反射的探测光束中的频率模态；以及

基于所识别的频率模态，确定所述样本中的图案化特征的宽度或间距中的至少一者。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述频率模态介于1GHz与50GHz之间。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一位置和所述第二位置是相同的。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一位置与所述第二位置相隔至少10μm。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述图案化特征是金属线。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述图案化特征嵌入在所述样本的所述表面之下。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述图案化特征的宽度小于200nm。

8.根据权利要求1所述的方法，还包括在所述样本上执行附加制造步骤。

9.一种用于表征样本的方法，所述方法包括：

将泵浦光束引导到所述样本的表面上的第一位置以在所述样本中诱导第一表面声波；

将探测光束引导到所述样本上的第二位置，其中当所述探测光束从所述第二位置反射时，所述探测光束受到所述第一表面声波的影响，其中所述第一位置与所述第二位置相隔第一距离；

检测从所述第二位置反射的所述探测光束；

将所述泵浦光束引导到所述样本的所述表面上的第三位置以诱导第二表面声波；

将所述探测光束引导到所述样本的所述表面上的第四位置，其中当所述探测光束从所述第四位置反射时，所述探测光束受到所述第二表面声波的影响，其中所述第三位置与所述第四位置相隔第二距离；

检测从所述第四位置反射的所述探测光束；以及

基于所检测到的从所述第一位置反射的探测光束和所检测到的从所述第四位置反射的探测光束，确定所述样本的至少一个特性。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述至少一个特性是嵌入在所述样本的所述表面下方的图案化特征的特性。

11.根据权利要求9所述的方法，其中所述至少一个特性是图案化特征的特性。

12.根据权利要求9所述的方法，还包括确定所检测到的从所述第二位置反射的探测光束或所检测到的从所述第四位置反射的探测光束中的至少一个探测光束的频率模态。

13.根据权利要求12所述的方法，其中确定所述至少一个特性还基于所确定的频率模态。

14.根据权利要求12所述的方法，还包括确定直到所述频率模态出现的延迟。

15.根据权利要求14所述的方法，其中确定所述至少一个特性还基于所确定的延迟。

16.根据权利要求9所述的方法，其中第一距离小于10μm并且所述第二距离为至少15μm。

17.根据权利要求9所述的方法，还包括在所述样本上执行附加制造步骤。

18.一种用于表征样本中的图案化结构的系统，所述系统包括：

至少一个光源，所述至少一个光源用于生成泵浦光束和探测光束；

光学部件，所述光学部件被配置为将所述泵浦光束引导到所述样本上的第一位置并且将所述泵浦光束引导到所述样本上的第二位置；

检测器，所述检测器被配置为检测从所述第二位置反射之后的所述探测光束；

处理器；和

存储器，所述存储器存储指令，所述指令在由所述处理器执行时致使所述处理器执行包括以下的一组操作：

识别检测到的探测光束中的频率模态；以及

基于所识别的频率模态，确定所述图案化结构的宽度或间距中的至少一者。

19.根据权利要求18所述的系统，其中所述图案化结构嵌入在所述样本的所述表面之下。

20.根据权利要求18所述的系统，其中所述第一位置与所述第二位置相隔至少10μm。