CN1773250A - 改善的椭偏测量超薄膜的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种进行超薄膜的椭偏测量的方法，包括导向入射到样品表面上的偏振光束，接收来自所述样品表面的初始反射光束，并一次或多次再次导向所述初始反射光束返回到所述样品表面上，以产生最终的反射光束。通过检偏器在探测器处接收所述最终的反射光束，以确定所述超薄膜的特征。

Description

改善的椭偏测量超薄膜的方法和装置
技术领域
本发明一般涉及半导体器件制造，更具体地说，涉及改善的椭偏测量超薄膜的方法和装置。
背景技术
椭偏测量是利用偏振光探测样品特性的光学技术。椭偏测量的一个最常见的应用是分析薄膜。通过与样品相互作用的光的偏振态的分析，椭偏测量可得到关于该膜特性的特定信息。例如，根据关于样品的已知信息，该技术可探测到包括层厚度、折射率、形态，或者化学组分的特性范围。
一般地，光学椭偏测量可定义为偏振光波状态的测量。当与样品相互作用时，椭偏仪测量光的偏振态的变化。虽然有时也采用透射椭偏仪，但最常用的椭偏仪的配置是反射椭偏仪。如果从样品表面斜入射的已知方位的线性偏振光被反射或透射，则产生的光变成椭圆偏振光。椭圆的形状和方位取决于入射角、入射光的偏振方向、入射光的波长，以及表面的菲涅耳特性。
测量光的偏振，以用于确定样品的特定特征。例如，在一个常规消光椭偏仪中，可用四分之一波片及其后的检偏器测量反射光的偏振。改变四分之一波片和检偏器的方位，直至没有光通过检偏器(即达到消光)。根据这些方位以及入射光的偏振方向，可计算出从表面反射的光的偏振态的说明，从而推导出样品特性。
椭偏测量的两个特征使其在半导体制造领域中的应用尤其具有吸引力。首先，由于椭偏测量是非破坏性的技术，其适于在原处观察样品。其次，该技术极其灵敏，因为在特定情况下，可测量得到小至亚单层原子或分子的膜的细微变化。因此，椭偏测量已广泛用于例如物理、化学、材料科学、生物、冶金工程以及生物医学工程等领域。然而，同时，微电子制造的进展正迅速超过计量学的当前能力。为了使未来时代的微电子能够继续按比例缩小，特定计量学的能力的进展也必须符合例如在亚微米的横向尺寸上测量超薄膜(例如约小于等于20埃的厚度)的特性的能力的要求。
然而，现有的椭偏测量系统在测量和辨别具有变化的光学特性的超薄膜的特定特征(例如折射率、厚度等)方面存在困难。过去，对于例如所采用的介质材料是例如氧化物或氮化物材料的栅介质的薄膜来说，已假定特定的光学特性(例如材料组分)。然而，随着更先进的超薄栅介质的采用，关于介质材料的组分的传统假定在用于椭偏测量时不再可靠。具体地说，这些超薄膜在入射光束上没有产生足够的相移以充分辨别膜厚和膜组分。因此，存在改善常规椭偏测量技术的需要，以能够可靠地得到对先进超薄膜的希望测量。
发明内容
通过一种进行超薄膜的椭偏测量的方法，克服或减轻了现有技术的上述缺点和不足。在一个代表性实施例中，该方法包括导向入射到样品表面上的偏振光束，接收来自所述样品表面的初始反射光束，并一次或多次再次导向所述初始反射光束返回到所述样品表面上，以产生最终的反射光束。通过检偏器在探测器处接收所述最终的反射光束，以确定所述超薄膜的特征。
在另一个实施例中，提供了一种确定在半导体衬底上形成的超薄膜的膜厚和组分的方法，包括导向入射到所述超薄膜表面上的偏振光束，并接收来自所述超薄膜表面的初始反射光束。所述初始反射光束具有相对于所述入射到所述超薄膜表面的光束的相移。多次重复再次导向所述初始反射光束返回到所述样品表面上，其中所述相移随着每次所述重复增大，以产生最终的反射光束。通过检偏器在探测器处接收所述最终的反射光束，以确定所述超薄膜的所述膜厚和组分。
在又一个实施例中，提供了一种确定超薄膜的特征的椭偏测量装置，包括光源和起偏器，配置为导向入射到样品表面上的偏振光束。所述装置还包括接收来自所述样品表面的初始反射光束并且一次或多次再次导向所述初始反射光束返回到所述样品表面上以产生最终的反射光束的部件。检偏器配置为接收通过其的所述最终的反射光束，以及探测器配置为确定所述超薄膜的特征。
附图说明
参考代表性附图，其中在各图中相同部件的标号相同：
图1是现有的反射椭偏仪装置的示意性图示；
图2是根据本发明的实施例具体配置为反复导向初始反射光返回到超薄膜表面上的椭偏仪装置的示意性图示；以及
图3是图2的椭偏仪装置的替换实施例的示意性图示。
具体实施方式
在此公开的是改善的椭偏测量方法和装置，该方法和装置有助于在例如用于先进半导体制造中的超薄膜的测量和表征。简要地说，通过反复导向初始反射光束返回到样品上，以累积地增大由超薄膜产生的相移效应，本发明实施例克服了具有极小的相移信息的缺点。这样，反复反射的光束的累积的相移信息提供了感兴趣的测量参数的精确性和可靠性的提高。应理解，在下文中所述的实施例不仅可应用于半导体制造领域，也可应用于其它测量和分析超薄膜的领域。
首先参考1，示出了用于在样品102上进行椭偏测量的现有反射椭偏仪装置100的示意性图示，其中在衬底106上形成超薄层104。如图所示，装置100包括起偏器部分108和检偏器部分110。起偏器部分108包括光源112，例如激光器(例如632.8nm的氦/氖激光器或者650-680nm的半导体二极管激光器)，以及为入射光束116提供偏振态的起偏器114，该入射光束116相对于样品110的表面成非垂直角度(例如，相对于样品表面平面约20°，或者相对于表面平面的法线约70°)。入射光束116典型地为在平行和垂直于表面平面的方向上具有有限场分量Ep和Es的线偏振(如图1所示)。(然而，在其它系统中，入射光束116也可以是椭圆偏振光或圆偏振光。)
根据菲涅耳公式，由于超薄层104的特性，一旦入射光束116反射离开样品102的超薄层104，反射光束118的初始线偏振就改变为轻微的椭圆偏振。然后用椭偏仪装置100的检偏器部分110检偏反射光束118。具体地说，检偏器部分110包括检偏器120(例如，通常与第一起偏器114交叉的第二起偏器)以及探测器122。
为了测量反射光束的偏振，操作员可改变起偏器114、检偏器120和/或其它附加光学组件的角度，直至探测到最小信号。例如，如果由样品102反射的光118是线偏振，同时设置检偏器120以使仅允许具有与入射偏振垂直的偏振的光通过，则探测到最小信号。因此，如果满足最小条件，检偏器120的角度与反射光118的偏振方向相关。将装置“转”至该消光条件(例如，通常在计算机控制下自动完成)，并且利用起偏器114、检偏器120的位置，以及光116相对于样品表面的平面的入射角度，计算椭偏测量的基本量，即所谓的(Ψ，Δ)对，其由以下表达式给出：
tan Ψ ( e jΔ ) = R p R s
其中Rp和Rs分别是偏振光的横磁波和横电波的复菲涅耳反射系数。因此，由椭偏测量对(Ψ，Δ)，可确定薄膜的厚度和折射率。也应认可，也可能采用各种其它的检偏反射光的方法。例如，一种可能的替换将改变检偏器120的角度，以采集偏振信息。
然而，如上所述，超薄膜相对于入射光束产生非常小的相移。因为测量的膜特征(厚度和光学特性)是基于由超薄膜104产生的相移的程度，由于该极小的相移，图1的椭偏仪装置100不适于超薄膜的可靠表征。因此，根据本发明的实施例，图2示出了椭偏仪装置200，具体配置为利用保持初始反射光的相移的反射部件，反复导向初始反射光返回到超薄膜表面上。以这种方式，多次传送将累积地增大相移，以使其可更有把握地得以测量。此外，可引入提供附加信息的入射角度和方位变化，在典型的椭偏仪或光谱椭偏仪中通常没有该附加信息。
更具体地说，椭偏仪装置200包括多个在检偏器120之前的光路中配置的反射部件202a-202f(例如具有最小的或固定/已知的相移的镜面)。第一镜面202a接收初始反射光束118a，以非相互作用的方式(用虚线表示)相对于膜104在邻近入射光束116的源点的点处将其再次导向至第二镜面202b。然后在与入射光束106近似相同的点204处，第二镜面202b再次导向光返回离开膜104。然后利用其后的镜面对(例如202c/202d、202e/202f)，重复该再次导向的反射过程，直至达到合适的光束相移的重复量。
应理解，图2的示意性图示没有按比例画出，并且镜面202a-202f的间距、布置以及具体数量仅为了图示的目的示出。还应理解，在图2的平面视图中，镜面202a-202f位于膜104的平面之上，并且反射光束大致在反射的点204的位置入射到膜104上。在所示出的实施例中，定向分立镜面，以使再次导向的入射光束在反射的源点204处入射。镜面202a-202f的表面还可以使反射光束再次聚焦至反射的源点204的方式弯曲。
也应理解，除了将分立镜面用于各次反射，如果适当配置镜面的几何结构，也可利用在样品相对侧的单一镜面。(换句话说，在晶片104的一侧，分立镜面202a、202c和202e可在功能上作为第一镜面实现，而在晶片104的相对侧，分立镜面202b、202d和202f可在功能上作为第二镜面实现。)在任何情况下，最终的反射光束118b(在所有的重复之后)被导向用于测量椭偏测量参数的检偏器120和探测器122。另外，配置镜面202a-202f，以使最终的反射光束118b的偏振与反射光束118a的偏振基本相同，仅仅使相移效应累积，以使其容易地得以测量。
可调整(即在需要处自动插入或去除)镜面的具体数量，或者更一般地，反射的次数，以使在测量过程中相移量可控制为最大可靠程度。另外，为了恢复为典型的椭偏仪配置，也可完全去除镜面。图2的实施例的又一个优点归因于以下实际情况：可改变各镜面在反射光返回离开样品时引入的入射角，从而可得到附加的信息(例如作为入射角的函数的椭偏测量参数)。
根据涉及的具体应用、测量和膜组分，可进行适当数量的反射传送。例如，在目前所制造的栅氧化物情况下，总共10次传送(反射)可适于精确的膜厚和组分确定。另一方面，更少数量的反射适于简单的传送/失效测试。
最后，图3示出了椭偏仪装置300的替换实施例，其中，反射光束的路径被可调地再次路由，以使其不沿着与原路径相同的方向。该方法可用于，例如测量例如双折射的材料光学特性。如图3的代表性实施例所示，通过各种镜面202的放置，初始反射光束118a的路径由x方向改变为最终的反射光束118b的y方向(正交)。然而，应理解，对于希望的位置处的多次重复，可实现与样品交叉的其它方向。
虽然参考优选实施例或实施例说明了本发明，本领域的技术人员应理解，只要不脱离本发明的范围，可进行各种修改和对其元素的等同替换。另外，只要不脱离本发明的基本范围，可对本发明的内容进行多种修改，以适应具体场合或材料。因此，本发明旨在不限于所公开的作为实施本发明的预期最佳模式的具体实施例，而旨在包括落入所附权利要求书范围内的所有实施例。

Claims (22)

1.一种进行超薄膜的椭偏测量的方法，包括以下步骤：
导向入射到样品表面上的偏振光束；
接收来自所述样品表面的初始反射光束，并一次或多次再次导向所述初始反射光束返回到所述样品表面上，以产生最终的反射光束；以及
通过检偏器在探测器处接收所述最终的反射光束，以确定所述超薄膜的特征。
2.根据权利要求1的方法，其中通过一个或多个反射表面进行所述再次导向所述初始反射光束返回到所述样品表面上的步骤。
3.根据权利要求2的方法，其中所述一个或多个反射表面包括分立镜面。
4.根据权利要求2的方法，其中所述一个或多个反射表面包括在所述样品表面一侧的第一镜面和在所述样品表面的相对侧的第二镜面。
5.根据权利要求1的方法，还包括沿着基本上不变的方向再次导向所述初始反射光束返回到所述样品上。
6.根据权利要求1的方法，其中以相对于所述初始反射光束的方向的正交方向进行至少一次所述再次导向所述初始反射光束返回到所述样品表面上的步骤，以测量所述超薄膜的双折射。
7.根据权利要求3的方法，其中所述分立镜面相对于其位置可调整。
8.一种确定在半导体衬底上形成的超薄膜的膜厚和组分的方法，包括以下步骤：
导向入射到所述超薄膜表面上的偏振光束；
接收来自所述超薄膜表面的初始反射光束，所述初始反射光束具有相对于所述入射到所述超薄膜表面的光束的相移；
多次重复再次导向所述初始反射光束返回到所述样品表面上，其中所述相移随着每次所述重复增大，以产生最终的反射光束；以及
通过检偏器在探测器处接收所述最终的反射光束，以确定所述超薄膜的所述膜厚和组分。
9.根据权利要求8的方法，其中通过一个或多个反射表面进行所述再次导向所述初始反射光束返回到所述超薄膜表面上的步骤。
10.根据权利要求9的方法，其中所述一个或多个反射表面包括分立镜面。
11.根据权利要求9的方法，其中所述一个或多个反射表面包括在所述样品表面一侧的第一镜面和在所述样品表面的相对侧的第二镜面。
12.根据权利要求10的方法，其中所述镜面包括为所述再次导向所述初始反射光束返回到所述超薄膜表面上的步骤配置的弯曲表面。
13.根据权利要求8的方法，还包括沿着基本上不变的方向再次导向所述初始反射光束返回到所述超薄膜表面上。
14.根据权利要求8的方法，其中以相对于所述初始反射光束的方向的正交方向进行至少一次所述再次导向所述初始反射光束返回到所述样品表面上的步骤，以测量所述超薄膜的双折射。
15.根据权利要求10的方法，其中所述分立镜面相对于其位置可调整。
16.一种确定超薄膜的特征的椭偏测量装置，包括：
光源和起偏器，配置为导向入射到样品表面上的偏振光束；
接收来自所述样品表面的初始反射光束并且一次或多次再次导向所述初始反射光束返回到所述样品表面上以产生最终的反射光束的部件；以及
检偏器，配置为接收通过其的所述最终的反射光束，以及探测器，配置为确定所述超薄膜的特征。
17.根据权利要求16的椭偏测量装置，其中所述接收来自所述样品表面的初始反射光束并且一次或多次再次导向所述初始反射光束返回到所述样品表面上的部件包括一个或多个反射表面。
18.根据权利要求17的椭偏测量装置，其中所述一个或多个反射表面包括分立镜面。
19.根据权利要求17的椭偏测量装置，其中所述一个或多个反射表面包括在所述样品表面一侧的第一镜面和在所述样品表面的相对侧的第二镜面。
20.根据权利要求16的椭偏测量装置，还包括沿着基本上不变的方向再次导向所述初始反射光束返回到所述样品上的部件。
21.根据权利要求16的椭偏测量装置，还包括以相对于所述初始反射光束的方向的正交方向至少一次再次导向所述初始反射光束返回到所述样品表面上以测量所述超薄膜的双折射的部件。
22.根据权利要求18的椭偏测量装置，其中所述分立镜面相对于其位置可调整。
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