CN1837745B

CN1837745B - 用于减少非随机噪声效应的测量系统和方法

Info

Publication number: CN1837745B
Application number: CN2005100034865A
Authority: CN
Inventors: B·森德; A·丹; O·梅纳德瓦; S·莱汀斯基; R·达瑞
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 2004-10-04
Filing date: 2005-10-08
Publication date: 2010-05-26
Anticipated expiration: 2025-10-08
Also published as: CN1837745A

Abstract

本发明揭示了用于减少非随机噪声效应的测量系统和方法，包括，一种系统包括适用于存储至少一个中间图像的存储单元，和处理器，其被连接至该存储单元且适用于(i)确定在中间图像内的感兴趣区域之间和在至少一个参考图像内的相应感兴趣区域之间的空间关系，及(ii)产生图像以响应空间关系和多个中间图像的内容。该中间图像可包含多个中间图像部分和多个感兴趣的区域。

Description

用于减少非随机噪声效应的测量系统和方法

相关申请

本申请是2004年10月4日提出的美国临时申请第60/615,906号的非临时申请，并且要求非临时申请的优先权，在此其作为参考被结合。

发明领域

本发明涉及测量系统及用于改善测量系统的精确度的方法。

背景技术

集成电路是非常复杂的包含多层的设备。各个层可包含导电材料和绝缘材料，同时其他层可包含半导体材料。这些各种材料以图案的形式被布置，通常依据集成电路所期望的功能。该图案还反应了集成电路的制造过程。

集成电路通过复杂的多级制造处理被制造。在这个多级处理中，电阻材料(i)被沉积在基底层上、(ii)通过光刻处理被显露、以及(iii)被显现以产生限定后面被蚀刻的某些区域的图案。

开发用于的检查装配阶段、连续制造阶段之间的集成电路、与制造处理相结合的各种测量、检查和故障分析技术(还称为“在线”检测技术)，或不结合(还称为“离线”检测技术)。各种光学以及带电粒子束检测工具和检查工具在本领域是已知的，譬如Santa Clara，California的Applied Materials有限公司(加利福尼亚的圣克拉拉的应用材料有限公司)的VeraSEW^TM、Compluss^TM及SEMVision^TM。

制造故障可影响集成电路的电性能。这些故障中的某些源于对所要求的图案尺寸的不想要的偏差。“临界尺寸”通常是被组成图案的线的宽度、两个被组成图案的线之间的距离、触点等的宽度。

测量目的之一是确定被检查的结构部件是否包含来自于这些临界尺寸的偏差。这种检查通常通过带电粒子束成像来实施，该成像提供测量所述偏差所要求的高分辨率。

测量系统是高度复杂的。它们包括多个机械部件及本技术的检测器。该系统的各种机械部分，包括但不限制泵、台等引入噪声。噪声还在测量处理的光照和检测阶段被引入，例如由于测量系统中波动的电磁场。这些噪声可降低测量系统的分辨率。

通过求和多个中间图像，基本上降低了随机噪声的影响。通过使用带电粒子束扫描区域及检测从该区域散射的电子来产生各个中间图像。求和操作平均出噪声。

譬如但不限于重复噪声的非随机噪声影响最后的图像。这些噪声引起中间图像相对于彼此间偏移。

当中间图像被求和时，这种偏移可使最后的图像变形，这是由于属于该区域不同位置的不同的中间图像的象素被求和以提供最后的图像。

提高分辨率的技术的重要性随亚微米集成电路结构尺寸的持续缩小而增长。

有对提供用于减少噪声影响的有效方法及系统的逐渐增长的需要。

发明内容

一种方法，其包括：确定在至少一个中间图像内的感兴趣区域之间和在至少一个参考图像内的相应感兴趣区域之间的空间关系；其中中间图像包括多个中间图像部分，并且其中多个中间图像部分包括多个感兴趣区域；和产生图像，以响应空间关系和响应多个中间图像的内容。

有利地，产生包括执行分支图像对准，以响应空间关系。

依据本发明的一个实施例，该方法还包括产生参考图像。有利地，参考图像的产生包括扫描参考区域。有利地，参考图像的产生反映至少一个中间图像的内容。

有利地，该方法还包括确定至少一个噪声特征。

有利地，该方法还包括限定感兴趣的区域，这个阶段可包括搜寻包括边沿信息的区域。

有利地，该产生图像的阶段包括增加大致上表示某一区域的相同位置的象素。

一种系统，其包括适用于存储至少一个中间图像的存储单元；和连接至该存储单元且适于确定在至少一个中间图像内的感兴趣区域之间和在至少一个参考图像内的相应感兴趣区域之间的空间关系的处理器；其中中间图像包括多个中间图像部分，并且其中多个中间图像部分包括多个感兴趣区域；以及产生图像以响应空间关系和响应多个中间图像的内容。

有利地，该处理器适于执行下列中的至少一个：(i)实施分支图像对准以响应空间关系；(ii)产生参考图像；(iii)产生参考图像，以响应参考区域的信息表述；(iv)产生参考图像，以响应至少一个中间图像的内容；(v)确定至少一个噪声特征；(vi)限定感兴趣区域；(vii)搜寻包含边沿信息的区域；(viii)增加大致上表述某一区域的相同位置的象素。

有利地，该系统还包括至少一个检测器，用于检测从该区域散射出的带电粒子束。

附图说明

为了理解本发明和明白它如何被实际实施，仅仅通过非限制性例子结合附图，优选实施例现将被说明，其中：

图1是依据本发明实施例的临界尺寸的扫描电子显微镜的示意图；

图2示出依据本发明实施例的参考图像；

图3示出依据本发明实施例的另一参考图像；

图4示出依据本发明实施例的水平衍生图像；

图5示出依据本发明实施例的垂直衍生图像360；

图6示出依据本发明实施例的用于产生图像的方法；

图7示出依据本发明实施例的用于产生图像的方法；

图8示出示例性噪声谱。

具体实施方式

典型的CD-SEM包括用于产生电子束的电子枪、偏转和倾斜单元还有聚焦透镜，该聚焦透镜可在某种倾斜情形下用于实现带有电子束的样本扫描，同时减低各种象差和失调。电子譬如因样本和电子束的相互作用而被忽略的二次电子被吸引至检测器，该检测器提供由处理单元处理的检测信号。检测信号可被用于确定样本的各种特征，还有形成被检查样本的图像。

本发明可在部件数量和所述部件布置上互相不同的各种构造的CD-SEM上被实施。例如偏转单元的数量以及各个单元的具体结构可能改变。CD-SEM可包括透镜内(in-lens)以及透镜外的检测器或两者的组合。

譬如CD-SEM 100的测量系统如图1所示。该CD-SEM 100包括(i)扫描仪，譬如扫描偏转单元102，用来使用带电粒子束扫描包括多结构部件的区域；(ii)至少一个检测器，譬如透镜内检测器16，其被固定以接收来自该区域和带电粒子束之间相互作用的带电粒子且提供多个检测信号；来自于对区域反复扫描的检测信号可形成中间图像；(iii)存储单元，譬如存储单元9，适用于存储至少一个中间图像；以及(iv)处理器，譬如处理器8，被连接至存储单元，适用于(a)确定在至少一个中间图像范围内感兴趣的区域之间和在至少一个参考图像范围内的对应感兴趣的区域之间的空间关系；尽管中间图像包括多个中间图像部分，尽管多个中间图像部分包含多个感兴趣的区域；以及(b)响应于空间关系和响应于多个中间图像的内容而产生图像。

假如CD-SEM 100包含多个检测器，那么它可以使用通过处理来自一个处理器的中间图像获得的再成像重合结果，来实施来自其它检测器的图像的再重合。

依据本发明的实施例，只有一个检测器的中间图像被处理以估计感兴趣的区域之间的空间关系，并且该结果被用于产生这个检测器以及其他检测器的图像。

依据本发明的另一个实施例，多个检测器的中间图像被处理，并且与不同检测器相关的感兴趣的区域间的空间关系被处理，以获得一个或多个检测器的重合曲线。

CD-SEM 100还包含：(a)发射电子束101的电子枪103，该电子枪103由极104引出，(b)将电子束聚焦在被检查物体105的表面105a的物镜112，(c)偏转单元108-111，和(d)台面(stage)101，该台面用于引导在物体105和物镜112之间的相对机械运动。

使用扫描偏转单元102，扫描在样本上方的射束。使用偏转单元108至111可分别获得孔106与射束的对准或理想的光轴。作为偏转单元线圈，可使用带电盘式的静电模块或线圈和静电偏转器的组合。

透镜内检测器16能够检测到具有相当低能量(3至50eV)的从物体105以各种角度逸出的二次电子。使用连接至光电倍增管等的闪烁体形式的检测器，可实施来自样本的散射的或二次微粒的测量。由于测量信号的方法一般不影响发明思想，因此这不能理解为对该发明的限制。应明白的是CD-SEM可包含另外的或可替换的至少一个透镜外检测器。

检测信号由处理器8来处理，该处理器8还可适于控制CD-SEM 100的部件并且调整其操作。有利地，处理器102具有图像处理能力且能够以各种方式处理检测信号。典型的处理方案包含产生表现检测信号的振幅对扫描方向的波形。该波形被进一步处理以产生图像、确定至少一个边沿的位置和被检查结构部件的其它横截面特征。

系统的不同部分被连接至由多种控制单元控制的相应的电源单元(譬如高压电源单元21)，为了简化说明书，其大多数在图中被省略。控制单元可决定供给某一部件的电流以及电压。

CD-SEM 100包含双偏转系统，该偏转系统包含偏转单元110和111。因此，在第一偏转单元110中引入的射束倾斜可被校正用于第二偏转单元111中。由于这个双偏转系统，电子束可在一个方向上被偏移，而不相对于光轴引入电子束的射束倾斜。

图2示出依据本发明的实施例的参考图像200。参考图像200具有矩形形状。它被分为多个条201-209，每个大约10个像素高。多个感兴趣的区域211-216被限定在图像中。感兴趣的区域被限定，譬如包含测量模块譬如接触点的边沿信息。其余边沿信息可被忽略。

注意到，数条可包含空间连续线或空间非连续线。该条通常包含以连续方式扫描的线。例如，以隔行扫描方式，其中第一扫描部分包括第一、(q+1)^th、(2q+1)^th、…(nq+1)^th线，以及随后扫描部分包括第二、(q+2)^th、(2q+2)^th、…(nq+2)^th线等，第一条包含第一至第q^th线，第二条包含第二至第2k^th线，依次类推。

有利地，每个感兴趣区域包含边沿信息。边沿信息可使用各种先有技术方案被检测，譬如在图像的一级、二级和/或三级导数之后追踪。该导数可以是x轴导数、y轴导数、二元导数，但这不是必须的。

有利地，通过寻找包含最大数量的边沿信息的分支区域来选择感兴趣的区域，边沿信息在阈值和类似值之上。边沿信息的有效值可以用多种方式计算，譬如相邻象素间的灰度电平差异、互不相同的象素数量等。

依据本发明的各种实施例，图3示出另一参考图像300，图4示出水平导数图像330，以及图5示出垂直导数图像360。

参考图像300包括垂直线302的图像和附加结构304的图像。垂直线图像302及附加特征的图像304包括实质上的边沿信息。多个感兴趣的区域310被限定，譬如以包含边沿信息。感兴趣区域的位置可通过定位边沿信息来确定。这可通过产生水平和/或垂直导数的图像来实施。

应注意到，本发明可被用于具有各种形状以及图像部分的条带不同的图像。另外注意到，每个条带的象素数量与十不同。

有利地，条带的大小、尤其宽度反应各种参数包含噪声频率、射束扫描速率和Nyquist(尼奎斯特)定律。假如噪声的特征频率实质上低于SEM图像线扫描的频率，则本发明是非常有效的。

假定在T1扫描线，在图像内的线数是Ni，在条带内的线数是Ns，以及噪声的特征频率(例如包含实质上的噪声能量的最高频率)是Fn，则：2*Fn≤1/(T1*Ns)，那么，1/(2*Fn*T1)≥Ns。

本发明使用CD-SEM以75Hz的频率扫描包括480行的图像，噪声的特征频率是930Hz，本发明使用十行的条带。

依据本发明的各种实施例，某些区域的某些中间图像的象素被与参考图像的参考象素相比较。参考图像可以是实质上相同区域的在先的中间图像、该相同区域的一个或多个在先的中间图像的组合、参考区域的中间图像、参考区域的一个或多个中间图像的组合、参考区域的最终图像、该区域的合成图像、参考区域的合成图像或这些图像任意的一个或多个的组合。

依据本发明的一个实施例，参考图像可使用获得多个中间图像的条件不同的成像/扫描条件获得。为了提供更高质量的参考图像，可使用更高的电流更低的扫描速率等。

参考区域通常包含目标(也指测量模型)，譬如可见指示设备、线等。目标通常被选择以响应测量处理期间所测量的特征。例如，假如线的宽度被测量，那么目标通常理想的等于被测量的线。假如例如通路(via)被测量，则目标应当为通路。

有利地，目标图像(参考图像)包含实质上的边沿信息。该边沿信息被方便地定位在参考图像的多个条带内。

有利地，在每个条带和对应参考条带之间相对运动被计算，并且被用于实现基于条纹(还被称为分支图像)的重合(registration)。

有利地，本发明还包括实施噪声谱分析。在唯一时间周期中，各个条带被扫描。相对运动可以被认为是沿时间轴的采样。通过实施时间到频率的变换(譬如但不限于傅立叶变换)，这些时间采样可提供噪声谱。例如，假定在时间T0处，第一中间图像的第一条带的扫描结束。在时间T0+Ns*T1处，第一中间图像的第二条带的扫描结束。一般地，第j中间图像的第k条带的扫描结束在时间T0+(Ns*k+Ni*j)*T1处。通过应用离散傅立叶变换，这些采样可被变换至频率域。

在当前获得的中间图像的条带和参考图像的相应条带之间的相对运动可被设置为向量形式，该向量经过时间到频率域的变换。

依据本发明的一个实施例，在属于一个或多个中间图像和参考图像的条带之间的相对水平运动被计算，并且被变换以提供x轴噪声谱。

依据本发明的一个实施例，在属于一个或多个中间图像和参考图像的条带之间的相对水平运动被计算，并且被变换以提供y轴噪声谱。

依据本发明的另一实施例，在属于一个或多个中间图像和参考图像的条带之间的相对水平运动被计算，并且被变换以提供二元噪声谱。

有利地，通过应用分支构架重合，沿中间图像(构架)求和的象素将相应于被扫描区域(样本)的相同点。

图6示出依据本发明实施例的用于产生图像的方法400。

方法400由产生或接收参考图像的阶段410开始。依据本发明的一个实施例，参考图像可在测量处理开始之前被获得。参考图像可根据集成电路或集成电路层之一的电子描述被合成。

通过扫描包含参考目标的参考区域，实施分支构架重合且提供参考图像，可以产生参考图像。

阶段410后跟着在获得某一区域的多个中间图像的阶段420。该区域包括在测量过程中被测量的特征。这个特征可以是例如结构的宽度、长度或直径、两个结构之间的距离及类似量。中间图像的数据描述(譬如象素值)可被存贮用于该方法的后续阶段。

阶段420后跟着在至少一个中间图像内感兴趣的区域之间和在至少一个参考图像内感兴趣的相应区域之间确定空间关系的阶段430。

有利地，中间图像包含多个中间图像部分，而多个中间图像部分包含多个感兴趣的区域。

有利地，相邻中间图像之间的相对运动被相对地限制。通过比较相应感兴趣区域内的边沿信息的位置可计算该运动。这个搜寻被限制在相对小的区域(每个方向上大约2个象素的运动，但这不是必须的)。该搜寻可包括在一个中间图像内感兴趣的区域和在参考图像内相应感兴趣的区域之间执行校正操作。

包括基于NGC的滤波器的多种滤波器可在该搜寻期间被应用。

依据本发明的一个实施例，该搜寻包括对条带和相应参考条带的再采样、用于边沿信息的搜寻，以及一旦发现它，通过使用初始图像或具有再采样因子的再采样图像来执行更精确的空间关系的确定。

例如，参考图像可包括100×100象素，同时中间图像可包括480×480。通过执行2倍因子的再采样(在每个维度)，50×50的参考图像可与240×240的中间图像相比较。这可减少该搜寻的复杂度。

依据本发明的一个实施例，在启动用于中间图像和参考图像之间的空间关系的搜寻之前，中间图像可被平滑。

一旦相对运动被限定，则该方法可产生重合(registration)曲线，包括使用重合偏移阵列、块置信度阵列的平滑重合曲线，所期望噪声频率等。该置信度可有助于忽略使用低置信度获得的数据。该置信度可从被包含在条带内的边沿信息的数量等中推导出。

譬如应用Kalman滤波器的追踪技术还可被用于限定重合曲线。

重合曲线可被用于偏移中间图像的各个线或线组。因此，尽管各个条带的相对运动被计算，但这些运动可被处理以产生重合曲线，该重合曲线将依据该曲线在各个条带内偏移各个线，换言之，属于相同条带的线可以彼此不同的方式被偏移。

通过对受重合曲线影响的图像部分的象素求和，来产生最终的图像。

阶段430后跟着产生图像的阶段440，以响应空间关系和响应多个中间图像的内容。

有利地，阶段440包括执行分支图像重合，以响应空间关系。

在分支图像重合之后，通过增加对应于该区域的大致相同位置的象素(属于不同的中间图像)，可以产生该图像。

依据被检测的空间关系，阶段440可包括偏移(或缠绕)条带。该缠绕可引起重叠及间隙。间隙内的象素值可通过插入计算。在重叠部分的间隙通常是多个偏移条带的象素和。

依据本发明的各种实施例，，多个空间关系被提供给滤波算法，以确定用于形成各个中间图像的条带的重合曲线。

阶段440之后优选跟着确定至少一个噪声特性的阶段450。

阶段440之后也可跟着处理图像的阶段460，以确定至少一个临界尺寸。

有利地，参考图像是一个测量模型。测量模型包括目标图像以及不重要的附加信息。这种测量模型在图2中示出。

测量模型240被成像，以估计被放置在模型图像中心的接触点的各种参数。应注意到，通过使用譬如标准化灰度等级校正(NGC)技术的多种算法，可以产生参考图像。这种算法对噪声数据相当稳定，且可为单一的扫描构架提供连续的分支成像重合。

图7示出依据本发明的一个实施例用于产生图像的方法800。

方法800产生参考图像的方式不同于方法400。在该方法中，通过处理包含测量特征的区域的中间图像产生。因此，取代使用另一参考区域的参考图像，在中间图像的采集期间，参考图像被构造。应注意到，参考图像的产生可在所有中间图像被采集后被实现。

因此第一个或更多中间图像形成参考图像。其它中间图像与参考图像相比较，以获得相邻中间图像之间的相对运动。

方法800由获得某一区域的至少一个中间图像的阶段420启动。

阶段420之后跟着从至少一个中间图像中产生参考图像的阶段425。阶段425之后可跟着获得辅助中间图像的阶段428。有利地，阶段428可包括更新参考图像。

阶段428之后跟着确定在至少一个中间图像内的感兴趣区域之间和在至少一个参考图像内的相应感兴趣区域之间的空间关系的阶段430。

阶段430之后跟着产生图像的阶段440，以响应空间关系和响应多个中间图像的内容。

有利地，阶段440包括执行分支图像重合，以响应空间关系。

阶段440之后优选跟着确定至少一个噪声特征的阶段450。图8示出使用本发明测量的示例性噪声谱。

阶段440之后还可跟着处理图像的阶段460，以确定至少一个临界尺寸。

依据本发明的一个实施例，各个中间图像作为下一个所希望中间图像的参考图像。

依据本发明的另一实施例，通过应用方法800的各个阶段可获得参考图像，而在阶段440期间产生的图像是参考图像。在参考图像被采集之后，该区域或其他区域的图像可使用方法800或400被采集(同时利用参考图像)。

使用常规工具、测量和部件可实施本发明。因此，这种工具、部件和测量的细节在这里不再详细阐述。在前面的说明书中，大量具体细节被阐述，譬如CD-SEM的结构、图像和条带的形状等，以提供本发明完整的理解。然而，应当认识到本发明能够被实施，而不采取前述的具体细节。

仅仅本发明的示例性实施例并且只有其通用的少数例子被显示和说明在本说明书中。可以理解的是，在如这里表述的本发明原理的范围内，本发明能够使用多种其它组合和状况，并且能够改变或变换。

Claims

1.一种在图像中降低噪声的方法，包括：

获取多个中间图像；

确定在所述中间图像的至少一个内定义的感兴趣区域和至少一个参考图像内的相应感兴趣区域之间的空间关系，其中上述的空间关系是通过将(i)在所述中间图像的至少一个内定义的感兴趣区域的边沿信息与(ii)至少一个参考图像内的相应感兴趣区域的边沿信息相关而确定，其中每一个中间图像由多个中间图像部分组成，每一个中间图像部分包括感兴趣区域，且该感兴趣区域根据该感兴趣区域包括的数个边沿信息而被选择；以及

响应于空间关系和响应于该多个中间图像的内容，将来自数个中间图像部分的相应的图像部分的相应位置的像素相加以产生图像，其中所述图像部分根据从空间关系得出的重合曲线而在数个中间图像部分之间对准。

2.依据权利要求1的方法，还包括在确定所述空间关系之前产生所述至少一个参考图像。

3.依据权利要求2的方法，其中产生至少一个参考图像包括扫描参考区域。

4.依据权利要求2的方法，其中产生至少一个参考图像反映所述中间图像的至少一个的内容。

5.依据权利要求1的方法，还包括至少一个噪声特征的确定。

6.一种在图像中降低噪声的系统，包括：

存储单元，用于存储多个中间图像；以及

处理器，连接至该存储单元，用于获取该多个中间图像，确定在所述中间图像的至少一个内定义的感兴趣区域和至少一个参考图像内的相应感兴趣区域之间的空间关系，其中上述的空间关系是通过将(i)在所述中间图像的至少一个内定义的感兴趣区域的边沿信息与(ii)至少一个参考图像内的相应感兴趣区域的边沿信息相关而确定，其中每一个中间图像由多个中间图像部分组成，每一个中间图像部分包括感兴趣区域，且该感兴趣区域根据该感兴趣区域包括的数个边沿信息而被选择；以及响应于空间关系和响应于该多个中间图像的内容，将来自数个中间图像部分的相应的图像部分的相应位置的像素相加以产生图像，其中所述图像部分根据从空间关系得出的重合曲线而在数个中间图像部分之间对准。

7.依据权利要求6的系统，其中处理器进一步用于在确定所述空间关系之前产生所述至少一个参考图像。

8.依据权利要求7的系统，其中处理器进一步用于产生至少一个参考图像，以响应参考区域的信息表述。

9.依据权利要求7的系统，其中处理器进一步用于产生至少一个参考图像，以响应所述中间图像的至少一个的内容。

10.依据权利要求6的系统，其中处理器进一步用于确定至少一个噪声特征。

11.依据权利要求8的系统，还包括至少一个检测器，用于检测从参考区域散射出的带电粒子束。