JP2014529198A - 高スループット薄膜特性決定及び欠陥検出 - Google Patents

Abstract

スペクトル応答データに基づいて、基板上に成膜したｈｉｇｈ−ｋ誘電体膜のバンド構造特性を決定する方法及びシステムを提示する。高スループット分光器は、製造工程の初期に半導体ウエハを迅速に測定するために利用される。光分散メトリックは、スペクトル・データに基づき決定される。バンド・ギャップ、バンド・エッジ及び欠陥等のバンド構造特性は、光分散メトリック値に基づき決定される。いくつかの実施形態では、バンド構造特性は、分散メトリック値の曲線の当てはめ及び補間によって決定される。いくつかの他の実施形態では、バンド構造特性は、選択した分散モデルの回帰によって決定される。いくつかの例では、ｈｉｇｈ−ｋ誘電体膜のバンド広がりを示すバンド構造特性も決定される。完成ウエハの電気的性能は、製造工程の初期に特定したバンド構造特性に基づき推定される。

Description

関連出願の相互参照
本特許出願は、「Ｂａｎｄ Ｇａｐ ａｎｄ Ｄｅｆｅｃｔ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｎｄ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｆｏｒ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ」という名称の、２０１２年５月８日出願の米国仮特許出願第６１／６４４，１３７号、及び「Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｎｓｔａｎｔ ａｎｄ Ｅｎｅｒｇｙ Ｂａｎｄ Ｇａｐ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌ ｉｎ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ」という名称の、２０１１年９月２７日出願の米国仮特許出願第６１／５３９，７４８号による米国特許法第１１９条に基づく優先権を主張する。上述の米国仮特許出願のそれぞれの主題は、参照により本明細書に組み込まれる。

記載する実施形態は、ウエハ検査用システムに関し、より詳細には半導体製造で使用する薄膜の特性決定及び欠陥検出に関する。

論理デバイス及びメモリ・デバイス等の半導体デバイスは、典型的には、基板又はウエハに施される一連の加工ステップによって作製される。半導体デバイスの様々な特徴及び多数の構造レベルは、こうした加工ステップによって形成される。例えば、とりわけ、リソグラフィは、半導体ウエハ上にパターンを生成することを伴う１つの半導体作製工程である。半導体作製工程の更なる例には、限定はしないが、化学的機械的研磨、エッチング、成膜及びイオン注入を含む。多数の半導体デバイスを単一の半導体ウエハ上に作製し、次に個別の半導体デバイスに分離することができる。

検査工程は、ウエハ上の欠陥を検出してより高い歩留りを促進するために、半導体製造工程中の様々なステップで使用される。デザイン・ルール及びプロセス・ウィンドウにより大きさが縮小され続けているので、検査システムは、ウエハ表面上のより広い範囲の物理的欠陥を捕える一方で、高スループットを維持することが要求される。

半導体デバイスは、その速さだけではなく、エネルギー効率に基づいた価値が益々高まっている。例えば、エネルギー効率の良い消費者製品は、固定のバッテリー電力供給で、より低い温度でより長時間動作するのでより価値がある。別の例では、エネルギー効率の良いデータ・サーバは、運転費用を低減するために需要がある。その結果、半導体デバイスのエネルギー消費を低減することに強い関心がある。

絶縁体層を通る漏れ電流は、６５ｎｍ以下のテクノロジ・ノードで製造した半導体デバイスの主要なエネルギー損失機構である。それに応じて、電子機器の設計者及び製造業者は、従来の材料（例えば二酸化ケイ素）よりも誘電率が高く、減衰係数が低い新たな材料（例えばハフニウム・シリケート（ＨｆＳｉＯ４）、窒化ハフニウム・シリケート（ＨｆＳｉＯＮ）、二酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、ジルコニウム・シリケート（ＺｒＳｉＯ４）等）を採択している。こうした「ｈｉｇｈ−ｋ」材料は、漏れ電流を低減し、大きさのより小さいトランジスタを製造可能にする。

新たな誘電体材料の採択と共に、製造工程の初期にｈｉｇｈ−ｋ材料の誘電特性及びバンド構造を特性決定する測定ツールへの必要性が生じている。より具体的には、高スループット監視ツールが、ウエハ製造中のｈｉｇｈ−ｋ材料の成膜を監視、制御して、完成ウエハの高い歩留りを保証するために必要とされる。成膜問題の早期の検出は、ｈｉｇｈ−ｋ材料の成膜が長時間で費用のかかる製造工程の初期の工程ステップであるため、重要である。いくつかの例では、ｈｉｇｈ−ｋ材料は、完成までに１か月かかる製造工程の初めにウエハ上に成膜される。

ｈｉｇｈ−ｋ誘電体層の材料組成の測定値は、工程監視の指標として使用されている。ＳｉＨｆＯＮ等のｈｉｇｈ−ｋ材料に関して、窒素及びハフニウムの異なる割合、異なる成膜温度及び成膜サイクル時間、異なる中間層等が、異なる分散値及び異なるエネルギー・バンド構造を生成することがわかった。このことは、製造工程の最後でチップの性能に影響を与える。いくつかの例では、Ｘ線分光器がｈｉｇｈ−ｋ誘電体層の材料組成を正確に測定するのに用いられている。しかし、Ｘ線分光法は、高い費用及び低いスループットを免れず、そのため、高スループット生産監視ツールとして使用するには望ましくない。いくつかの他の例では、ｈｉｇｈ−ｋ誘電体層の分散特性（例えば屈折率ｎ及び減衰係数ｋ）が、経験的モデルに基づいて材料組成を算出するのに使用されている。このアプローチは、Ｘ線分光技法と比較して、費用がより低く、スループットがより高いという利点を有する。
１つのそのような例は、ＫＬＡ−Ｔｅｎｃｏｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社に譲渡された米国特許出願第１３／５２４，０５３号に提示されている。

ｈｉｇｈ−ｋ材料層の材料組成は、成膜工程パラメータの強力な指標であるが、漏れ電流等、最終ラインの電気的特性とは直接的に相関するものではない。例えば、ＳｉＨｆＯＮの場合、成膜率及び温度のずれは、異なる構造欠陥又は異なるバンド構造を伴う膜を生成する場合がある一方で、材料組成は依然として変化がない。得られた構造欠陥又はバンド構造は、材料組成は変化していないという事実にもかかわらず、不利に漏れ電流を増大させる恐れがある。同様に、異なる材料組成を生成する工程により、構造欠陥の低減及びより好都合なバンド構造をもたらすこともある。この場合、材料組成に基づく監視により、材料組成に基づいて不具合が発見された場合、実際は材料構造及び特性が漏れ電流の減少をもたらしているときに偽陰性結果となることがある。

米国特許出願公開第２０１０／００６８８３４号

したがって、得られる完成ウエハが申し分のない電気的特性を有するかどうかを特定するために、製造工程の初期でｈｉｇｈ−ｋ誘電体層を特性決定する高スループットの方法及び／又はシステムを開発することが有利であると思われる。

スペクトル応答データに基づいて、基板上に成膜したｈｉｇｈ−ｋ誘電体膜のバンド構造特性を決定する方法及びシステムを提示する。完成ウエハの電気的性能は、製造工程の初期に特定したバンド構造特性に基づき推定される。

偏光解析器又は反射率計等の高スループット分光器は、製造工程初期の半導体ウエハを迅速に測定する。更に、こうした光学ツールは、５エレクトロン・ボルト未満のスペクトル・エネルギー値でｈｉｇｈ−ｋ誘電体膜の有用な特性決定データを収集することができる。これにより、このスペクトル・エネルギー範囲でのみ視認できる欠陥を特定可能にする。

光分散メトリックは、スペクトル・データに基づき決定される。いくつかの例では、スペクトル応答データは、解析分散モデル（例えばローレンツ・モデル）から膜厚及び分散メトリック（例えばｎ及びｋ）を決定するように処理される。いくつかの他の例では、スペクトル応答データは、分散メトリックが数値的に算出される場合には経験的分散モデルから膜厚及び分散メトリック（例えばｎ及びｋ）を決定するように処理される。多くの他の分散メトリックを企図することができる。例えば、複素誘電率の実数成分（ε_１）及び虚数成分（ε_２）のいずれか、表皮深さ、吸光係数、減衰定数又は他のものをスペクトル・データに基づき決定することができる。

バンド・ギャップ、バンド・エッジ及び欠陥等のバンド構造特性は、光分散メトリック値に基づき決定される。いくつかの例では、バンド構造特性は、選択した分散モデルの回帰によって決定される。いくつかの他の例では、ｈｉｇｈ−ｋ誘電体層の補間バンド・ギャップは、収束スペクトル範囲にわたる光分散メトリックの曲線の当てはめ及び補間によって決定される。いくつかの例では、ｈｉｇｈ−ｋ誘電体層のバンド・エッジは、光分散メトリックが閾値を超えたときに決定される。いくつかの例では、ｈｉｇｈ−ｋ誘電体層に関連するバンド広がりは、バンド・エッジと補間バンド・ギャップとの間の差に基づき決定される。

いくつかの他の例では、欠陥は、光分散メトリック値に基づき決定する。例えば、欠陥は、光分散メトリックが閾値を超えたときに特定することができる。別の例では、欠陥は、分散メトリックの半値全幅（ＦＷＨＭ）値が閾値を超えたときに特定することができる。別の例では、分散メトリック値の軌跡下面積が欠陥を特定するのに使用することができる。

別の態様では、本明細書で提示する方法及びシステムは、同じスペクトル・データ・セットを特徴とする多層に適用することができる。

上記は概要であり、したがって必然的に詳細の簡略化、一般化及び省略を含む。それゆえ、この概要は例示にすぎず、決して限定するものではないことを当業者は了解するであろう。本明細書に記載のデバイス及び／又は方法の他の態様、発明的特徴及び利点は、本明細書に示す非限定的詳細な説明で明らかになるであろう。

薄膜特性決定機能を含むウエハ検査システム１００を示す簡略図である。 本明細書に記載の方法及びシステムによって特性決定することができる、薄膜層１１４Ａ及び１１４Ｂを付着させた半導体基板１１２を示す簡略図である。 薄膜材料層に関連する光分散曲線、及び曲線から導出したバンド構造特性の図である。 薄膜材料層に関連する光分散曲線、及び曲線から導出したバンド構造特性の図である。 薄膜材料層に関連する光分散曲線、及び曲線から特定したバンド構造欠陥を示す図表である。 スペクトル応答データからバンド構造特性を決定する方法２００を示す流れ図１９０である。 未完成半導体ウエハの異なる場所における膜厚及び２つのバンド構造特性（欠陥ピーク値及び欠陥幅）の値を含む表である。 推定した電流密度及び完成ウエハの測定した電流密度を比較する図である。

次に、本発明の背景例及びいくつかの実施形態を詳細に参照し、それらの例を添付の図面に示す。

図１は、本発明の一実施形態に従った半導体ウエハの薄膜のバンド構造特性を測定するシステム１００を示す。図１に示すように、システム１００は、平行移動ステージ１１０上に配置した半導体ウエハ１１２の１つ又は複数の膜１１４に対して分光偏光解析法を実施するために使用することができる。この態様では、システム１００は、照明器１０２及び分光器１０４を備える分光偏光解析器を含むことができる。システム１００の照明器１０２は、選択した波長範囲（例えば１５０〜８５０ｎｍ）の照明を発生させ、それを半導体ウエハ１１２の表面上に配置した薄膜（例えばＨｆＳｉＯＮ薄膜）に向けるように構成する。次に、分光器１０４は、半導体ウエハ１１２の表面から反射した照明を受け取るように構成する。照明器１０２から出現した光は、偏光照明ビーム１０６を生成するために偏光子１０７を使用して偏光されることに更に留意されたい。ウエハ１１２上に配置した薄膜１１４によって反射された光線は、分析器１０９を通って分光器１０４に進む。この点について、分光器１０４によって受け取られた、集光ビーム１０８中の光線は、照明ビーム１０６の入射光線と比較され、これにより薄膜１１４のスペクトル分析を可能にする。

更なる実施形態では、システム１００は、１つ又は複数のコンピューティング・システム１１６を含むことができる。１つ又は複数のコンピューティング・システム１１６は、分光器１０４に通信可能に結合することができる。一態様では、１つ又は複数のコンピューティング・システム１１６は、分光器１０４により１つ又は複数のウエハに対して実施した１セットのスペクトル測定値を受け取るように構成することができる。１つ又は複数のサンプリング工程の結果を分光器から受け取ると、１つ又は複数のコンピューティング・システム１１６は、次に光分散メトリックを算出することができる。この点について、コンピューティング・システム１１６は、分光器１０４から取得したスペクトルに対して、選択スペクトル範囲（例えば１５０〜８５０ｎｍ）にわたる薄膜の複素屈折率の実数成分（ｎ）及び虚数成分（ｋ）を抽出することができる。更に、コンピューティング・システム１１６は、選択した分散モデルに適用した回帰過程（例えば通常の最小２乗回帰）を利用して、ｎ曲線及びｋ曲線を抽出することができる。好ましい実施形態では、選択した分散モデルは、２つのＴａｕｃ Ｌｏｒｅｎｔｚ成分を有する合計モデル（合計−ＴＬモデル）を含むことができる。更なる実施形態では、選択した分散モデルは、調和振動子モデルを含むことができる。

更なる実施形態では、コンピューティング・システム１１６は、光分散メトリックに基づき膜１１４の電気的性能を示すバンド構造特性を決定することができる。例えば、コンピューティング・システム１１６は、選択スペクトル範囲にわたる光分散メトリックの値を表す光分散曲線内の傾向（例えば図３Ａ〜図３Ｂ及び図４）を自動的に特定するように構成することができる。例えば、コンピューティング・システム１１６は、光分散曲線で観測可能なエネルギー・バンド欠陥を特定することができる。別の例では、コンピューティング・システム１１６は、光分散曲線で観測可能な材料バンド・ギャップを特定することができる。いくつかの例では、コンピューティング・システム１１６は、ユーザ入力を用いて光分散曲線内の傾向を特定するように構成することができる。例えば、光分散曲線は、液晶ディスプレイ等のディスプレイ（図示せず）上でユーザに提示することができる。次に、ユーザは、ユーザ・インターフェース・デバイス（例えば、マウス、キーボード、トラックパッド、トラックボール、タッチ・スクリーン等）を使用してコンピューティング・システム１１６に情報を入力することで光分散曲線の傾向を特定することができる。この点について、ユーザは、解析に関連する光分散曲線の部分を選択又は「タグ付け」することができ、これを用いて、コンピューティング・システムは、次に更なる又は精密な解析を実施することができる。図３Ａ〜図３Ｂ及び図４に示す光分散曲線の解析に関連する細部は、本明細書で更に詳細に説明することを出願人は記す。

図２に示すように、いくつかの実施形態では、中間層１１４Ｂは、ｈｉｇｈ−ｋ材料と半導体基板との間の接着を促進するように半導体基板１１２（例えばシリコン）とｈｉｇｈ−ｋ絶縁層１１４Ａとの間に位置する。典型的には、中間層１１４Ｂは、非常に薄い（例えば１０オングストローム）。いくつかの例では、ｈｉｇｈ−ｋ絶縁層１１４Ａ及び中間層１１４Ｂは、本明細書に記載の方法及びシステムを用いる解析の目的で１つの層として一緒にモデル化する。この例では、１つ又は複数のコンピューティング・システム１１６は、集合膜層１１４に関連する光分散メトリックに基づいて、中間層１１４Ｂ及びｈｉｇｈ−ｋ絶縁層１１４Ａの両方を含めた膜層１１４の電気的性能を示すバンド構造特性を決定することができる。しかし、いくつかの他の例では、各層は個別にモデル化してもよい。この例では、１つ又は複数のコンピューティング・システム１１６は、各物理的に異なる層のそれぞれに関連する光分散メトリックに基づいて、ｈｉｇｈ−ｋ絶縁層１１４Ａの電気的性能を示すバンド構造特性、及び中間層１１４Ｂ膜層の電気的性能を示すバンド構造特性を決定することができる。

本開示全体を通して記載した様々なステップは、単一のコンピュータ・システム１１６、又は或いは多数のコンピュータ・システム１１６によって実行できることを認識されたい。更に、分光偏光解析器１０１等、システム１００の異なるサブシステムは、上記のステップの少なくとも一部分を実行するのに適切なコンピュータ・システムを含むことができる。したがって、上記の説明は、本発明に対する限定として解釈すべきではなく、単なる例示として解釈すべきである。更に、１つ又は複数のコンピューティング・システム１１６は、本明細書に記載の方法実施形態のいずれかのあらゆる他のステップ（複数可）を実施するように構成することができる。

別の実施形態では、コンピュータ・システム１１６は、当技術分野で公知のあらゆる様式で、分光器１０４又は偏光解析器１０１の照明器サブシステム１０２に通信可能に結合させることができる。例えば、１つ又は複数のコンピューティング・システム１１６は、偏光解析器１０１の分光器１０４のコンピューティング・システム、及び照明器サブシステム１０２のコンピューティング・システムに結合させることができる。別の例では、分光器１０４及び照明器１０２は、単一のコンピュータ・システムによって制御することができる。このようにして、システム１００のコンピュータ・システム１１６は、単一の偏光解析器コンピュータ・システムに結合させることができる。

システム１００のコンピュータ・システム１１６は、有線及び／又はワイヤレス部分を含むことができる伝送媒体によって、システムのサブシステム（例えば分光器１０４、照明器１０２等）からのデータ又は情報を受け取る及び／又は取得するように構成することができる。このようにして、伝送媒体は、コンピュータ・システム１１６とシステム１００の他のサブシステムとの間のデータ・リンクとして働くことができる。更に、コンピューティング・システム１１６は、記憶媒体（即ちメモリ）を介してスペクトル結果を受け取るように構成することができる。例えば、偏光解析器の分光器を使用して入手したスペクトル結果は、永久的又は半永久的メモリ・デバイスに記憶させることができる。この点について、スペクトル結果は、外部システムから取り込むことができる。

更に、コンピュータ・システム１１６は、伝送媒体を介して外部システムにデータを送信することができる。更に、システム１００のコンピュータ・システム１１６は、有線及び／又はワイヤレス部分を含むことができる伝送媒体によって、他のシステムからのデータ又は情報（例えば検査システムからの検査結果又は計測システムからの計測結果）を受け取る及び／又は取得するように構成することができる。このようにして、伝送媒体は、コンピュータ・システム１１６とシステム１００の他のサブシステムとの間のデータ・リンクとして働くことができる。更に、コンピュータ・システム１１６は、伝送媒体を介して外部システムにデータを送信することができる。

コンピューティング・システム１１６は、限定はしないが、パーソナル・コンピュータ・システム、メインフレーム・コンピュータ・システム、ワークステーション、イメージ・コンピュータ、並列プロセッサ又は当技術分野で公知のあらゆる他のデバイスを含むことができる。一般に、用語「コンピューティング・システム」とは、記憶媒体からの命令を実行する１つ又は複数のプロセッサを有するあらゆるデバイスを包含するように広範に定義することができる。

本明細書に記載の方法等の方法を実装するプログラム命令１２０は、キャリア媒体１１８上で伝送するか、又はキャリア媒体１１８に記憶することができる。キャリア媒体は、ワイヤ、ケーブル又はワイヤレス伝送リンク等の伝送媒体とすることができる。キャリア媒体は、読取り専用メモリ、ランダム・アクセス・メモリ、磁気ディスク又は光ディスク又は磁気テープ等のコンピュータ可読媒体を含むこともできる。

図１に示すシステム１００の実施形態は、本明細書に記載のように更に構成することができる。更に、システム１００は、本明細書に記載の方法実施形態（複数可）のいずれかのあらゆる他のステップ（複数可）を実施するように構成することができる。

バンド構造特性（例えば、バンド・ギャップ、バンド・エッジ、エネルギー・バンド欠陥、界面欠陥、バンド広がり等）は、完成ウエハのｈｉｇｈ−ｋ材料層を通る意図しない漏れ電流の主要な一因である。したがって、未完成ウエハの材料層のバンド構造特性は、完成ウエハの電気的性能の適切な指標である。一態様では、バンド構造特性は、光学ベースの高スループット薄膜測定ツールから入手したデータより導出される。得られたバンド構造特性は、製造工程の早期の時点で完成ウエハの電気的性能を予測するのに使用される。

図５は、本発明のシステム１００によって実装するのに適切なプロセス・フロー２００を示す。一態様では、プロセス・フロー２００のデータ処理ステップは、コンピューティング・システム１１６の１つ又は複数のプロセッサによって実行される、事前にプログラムしたアルゴリズムを介して行うことができることを認識されたい。以下の説明は、システム１００の文脈で提示されるが、システム１００の特定の構造態様は、限定を表すものではなく、例示のみとして解釈すべきであることを本明細書では認識されたい。

ステップ２０１では、広範なスペクトル範囲にわたる未完成多層半導体ウエハのスペクトル応答が、ｈｉｇｈ−ｋ薄膜をウエハ上に成膜した後に受け取られる。例えば、スペクトルは、偏光解析器１０１から受け取ることができる。別の例では、スペクトルは、反射率計（図示せず）から受け取ることができる。スペクトル・データは、分光偏光解析器１０１を利用してウエハ１１２上に成膜した薄膜１１４のそれぞれから取得することができる。例えば、偏光解析器１０１は、本明細書の上記で説明したように照明器１０２及び分光器１０４を含むことができる。分光器１０４は、ウエハの薄膜のスペクトル測定値に関連する結果を解析するために１つ又は複数のコンピューティング・システム１１６に伝送することができる。別の例では、多数の薄膜１１４のスペクトルを事前に入手したスペクトル・データを取り込むことによって取得することができる。この点について、スペクトルの取得、及び続くスペクトル・データの解析は、同時又は空間的に近接して実施する必要はない。例えば、スペクトル・データは、後で解析するためにメモリに記憶することができる。別の例では、スペクトル結果を入手し、遠隔地に位置する解析コンピューティング・システムに伝送することができる。

ステップ２０２では、半導体ウエハの層に関連する光分散メトリックは、未完成多層ウエハのスペクトル応答に基づき決定される。多くの有用な光分散メトリックを企図することができる。例えば、複素屈折率の実数成分（ｎ）及び虚数成分（ｋ）のいずれかをスペクトル・データに基づき決定することができる。別の例では、複素誘電率の実数成分（ε_１）及び虚数成分（ε_２）をスペクトル・データに基づき決定することができる。他の例では、ε_２の平方根、吸光係数α＝４πｋ／λ、導電率（σ）、表皮深さ（δ）及び減衰定数（σ／２）×ｓｑｒｔ（μ／ε）のいずれかをスペクトル・データに基づき決定することができる。他の例では、上述の光分散メトリックのあらゆる組合せをスペクトル・データに基づき決定することができる。上述の光分散メトリックは、非限定例として提供される。他の光分散メトリック、又はメトリックの組合せを企図することができる。

いくつかの例では、スペクトル応答データは、解析分散モデル（例えばローレンツ・モデル）から膜厚及び分散メトリック（例えばｎ及びｋ）を決定するように処理される。いくつかの他の例では、スペクトル応答データは、分散メトリックが数値的に算出される場合は経験的分散モデルから膜厚及び分散メトリック（例えばｎ及びｋ）を決定するように処理される。

一例では、ＫＬＡ−Ｔｅｎｃｏｒ社（カリフォルニア州、Ｍｉｌｐｉｔａｓ）から入手可能なオフライン・スペクトル分析（ＯＬＳＡ、Ｏｆｆ−Ｌｉｎｅ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ）ソフトウェアを使用して、ｋ、ε_２、σ及び他のユーザ定義メトリックのいずれかを材料の分散特性の正確な知識を持たずに数値的に算出する。好ましい例では、ε_２は、ＳｉＯ_ｘＨｆＯ_２ＳｉＮ_５材料の薄膜層１１４Ａを含むウエハ１１２から偏光解析器によって入手したスペクトル・データに基づいて、ＯＬＳＡを用いて算出する。ε_２の値１２０の軌跡は、測定スペクトル範囲にわたる分散メトリックε_２の例示である。図３Ｂは、対数形式で図表化した値１２０の同じ軌跡を示す。

いくつかの例では、光分散メトリックは、選択した分散モデルに適用した回帰過程を用いて、取得したスペクトルの選択スペクトル範囲にわたる複素屈折率の実数成分（ｎ）及び虚数成分（ｋ）を抽出して生成することができる。この点について、回帰方法は、選択した分散モデルを使用して測定スペクトル・データに適用することができる。一実施形態では、２つのＴａｕｃ−Ｌｏｒｅｎｔｚ成分を有する合計モデルを用いて、ウエハの薄膜のそれぞれに関するｎ分散曲線及びｋ分散曲線を生成することができる。別の実施形態では、単一成分のＴａｕｃ−Ｌｏｒｅｎｔｚを用いて、ウエハの薄膜のそれぞれに関するｎ分散曲線及びｋ分散曲線を生成することができる。別の実施形態では、Ｃｏｄｙ−Ｌｏｒｅｎｔｚモデルを用いて、ウエハの薄膜のそれぞれに関するｎ分散曲線及びｋ分散曲線を生成することができる。更に別の実施形態では、調和振動子モデルを用いて、ウエハの薄膜のそれぞれに関するｎ分散曲線及びｋ分散曲線を生成することができる。

ステップ２０３では、層の電気的性能を示すバンド構造特性は、元のスペクトル範囲のサブセットにわたる光分散メトリックに少なくとも部分的に基づいて決定する。典型的には、バンド構造特性の特定にはスペクトル範囲を限定することが好ましい。というのは、分散モデル結果は、一般的により小さなスペクトル範囲に対してより正確であるためである。したがって、より詳細な解析を集中すべき領域（例えば材料のバンド・ギャップ付近）を特定するには、最初に広範な範囲にわたるスペクトル・データから分散メトリック値を特定することが有利であり得る。この知識に基づいて、分散モデルは、スペクトル・データのより小さな範囲に基づき再算出することができる。対象となるエネルギー領域に基づいて、バンド構造特性が決定される。

いくつかの例では、バンド構造特性は、特定の膜層に適用した分散モデルから直接的に決定される。例えば、解析モデル、経験的モデル、又は解析モデル及び経験的モデルの両方の組合せは、パラメータとしてバンド構造特性（例えばバンド・ギャップ）を有する分散モデルを含む。このようにして、バンド構造特性は、分散モデルの回帰により直接的に決定される（即ちモデル解決策自体がバンド構造特性を決定する）。

いくつかの例では、バンド構造特性は、あるスペクトル範囲にわたる光分散メトリックの値（例えばｋ、ε２、又はｈｉｇｈ−ｋ材料によって電磁エネルギーの吸光又は減衰を説明する他のパラメータ）の解析により決定される。

一例では、バンド構造特性は、光分散メトリックから決定したバンド・エッジ値である。図３Ｂに示すように、バンド・エッジ値は、ε_２が閾値１２３を超えたときに定義する。図示の例では、測定した膜のバンド・エッジ値は５エレクトロン・ボルトである。

別の例では、バンド構造特性は、光分散メトリックの曲線の当てはめ及び補間によって決定した補間バンド・ギャップ値である。例えば、図３Ａに示すように、補間バンド・ギャップは、ε_２の曲線の当てはめ及び補間に基づき決定する。一般に、ｈｉｇｈ−ｋ材料層界面の非晶質構造、及び位置合わせ不良のエネルギー・バンドが、より低いエネルギー・レベルでの吸光エッジの広がりの一因となる。曲線の当てはめ方法は、補間バンド・ギャップを決定するのに使用され、この補間バンド・ギャップは、バンド・ギャップの決定の際に広がり効果の影響を著しく低減する。例えば、図３Ａに示すように、線１２１は、５エレクトロン・ボルトから５．５エレクトロン・ボルトの間のε_２値への線形の当てはめを表す。線１２２は、６．２エレクトロン・ボルトから６．７エレクトロン・ボルトの間のε_２値への線形の当てはめを表す。それらの約６エレクトロン・ボルトでの交点が補間バンド・ギャップ値である。図示するように、線１２１及び１２２は、異なるスペクトル領域にわたるε_２値への線形の当てはめであるが、他の当てはめ方法を用いることができる。例えば、測定した膜層のバンド・ギャップの推定値を入手するために、高次多項式関数、指数関数又は他の数学関数を使用して、異なるスペクトル領域にわたる光分散値を当てはめることができる。

図３Ａ〜図３Ｂに示すように、広がり効果を割り引いた補間バンド・ギャップ、及び広がり効果を含むバンド・エッジ値は、異なる値である。補間バンド・ギャップとバンド・エッジとの間の差を、測定した膜に存在する広がり効果の大きさを示すバンド構造特性として使用することができる。このようにして、工程の改良は、広がり効果に対する影響、及び広がり効果のないバンド・ギャップに基づいて個別に判定することができる。

別の例では、バンド構造特性は、光分散メトリックの解析によって特定した欠陥である。

図４は、ＫＬＡ−Ｔｅｎｃｏｒ社（カリフォルニア州、Ｍｉｌｐｉｔａｓ）から入手可能なオフライン・スペクトル分析（ＯＬＳＡ）ソフトウェアを使用して入手した偏光解析データから得た例示的ｈｉｇｈ−ｋ材料、ＳｉＯ_ｘＨｆＯ_２Ｓｉ_５の複素誘電率ｋの虚数部分ε_２を示す。偏光解析器又は反射率計を使用した光学測定は、図４に示すように、１．３〜３ｅＶ範囲のエネルギー・バンド構造を測定するのに効率的である。対照的に、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ、Ｘ−ｒａｙ ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）測定は、５エレクトロン・ボルトよりも大きいエネルギー・レベルでのバンド・ギャップの測定に制限される。

分散曲線１３０は、ＳｉＯ_ｘＨｆＯ_２ＳｉＮ_５膜に関連する欠陥モード及び吸光線を示す。例として、欠陥は、いくつかの異なる方法で曲線１２１に基づき特定することができる。

いくつかの例では、欠陥は、分散メトリックの大きさが選択スペクトル範囲内の任意の点で閾値を超えた場合に特定される。いくつかの例では、選択スペクトル範囲は、測定した膜のバンド・ギャップを下回る。例えば、図４に示すように、ε_２の大きさが１．３〜３エレクトロン・ボルト（ＳｉＯ_ｘＨｆＯ_２ＳｉＮ_５膜のバンド・ギャップを十分に下回っている）のスペクトル範囲内で０．０１の値を超えた３つの実例がある。これらは、図４で特定される欠陥１３１及び１３２を含む。

いくつかの例では、欠陥は、分散メトリックの半値全幅（ＦＷＨＭ）値が選択スペクトル範囲内の任意の点で閾値を超えた場合に特定される。いくつかの例では、ピークのスペクトル場所又は欠陥領域は、欠陥を特定するのに使用される。例えば、特定の欠陥は、特定のスペクトル・エネルギー・レベルでのピークとして常に現れることを知ることができる。この場合、そのエネルギー・レベルでのピークを、その特定の欠陥と共に特定することができる。いくつかの例では、ピーク下面積又は欠陥領域は、欠陥を特定するのに使用される。いくつかの例では、選択スペクトル範囲内の吸光ピークの数が欠陥を特定するのに使用される。

上述の例は、例示の目的で提供するものであり、企図することができるバンド構造特性の種類を限定するものではない。電気的特性と相関し、したがって完成ウエハの電気的性能の有効な指標として作用する多くの他のバンド構造特性を企図することができる。

ステップ２０４では、完成多層半導体ウエハの電気的性能の推定値は、製造工程の初期の段階において、ステップ２０３で特定したバンド構造特性に少なくとも部分的に基づいて決定される。図６に示すように、表３００は、本明細書で説明する方法及びシステムを使用して決定した未完成半導体ウエハの異なる場所における膜厚及び２つのバンド構造特性（欠陥ピーク値及び欠陥幅）の値を含む。図示のように、膜厚、欠陥ピーク値及び欠陥幅は、ウエハの５つの異なる場所で特定される。この例では、各場所での完成ウエハの電気的性能（例えば電流密度）の推定値は、式（１）の線形モデルに基づき決定される。この例では、電気的性能は、膜厚（Ｔ）、欠陥ピーク（Ｄ_ピーク）及び欠陥幅（Ｄ_幅）の関数である。
性能_電気＝８．０３５１−１．２７２９×Ｔ＋３６．９００９×Ｄ_ピーク−１０．２５４２×Ｄ_幅 （１）

図７は、これらの場所において、式（１）のモデルを使用して推定した電流密度及び完成ウエハの測定した電流密度を比較する図表４００を示す。この例では、完成ウエハの実際の電気的性能は、決定係数（Ｒ^２）０．９９を伴う式（１）の線形モデルによって推定される。

式（１）のモデルは、非限定的な例として提供される。多くの他のモデル（例えば非線形モデル、指数関数的モデル等）が、完成ウエハの電気的性能のために製造工程の初期に特定したバンド構造特性を正確に関連付けるように特定することができる。モデル・パラメータは、特定したバンド構造特性、及び完成ウエハの対応し、測定される電気的性能に基づき決められる。モデル・パラメータを算出してあれば、そのモデルは、製造工程の初期に特定したバンド構造特性に基づいて、完成ウエハの電気的性能を推定するのに使用される。あらゆる組合せのバンド構造特性を組み込んだモデルを企図することができる。電流密度を例示的電気的性能メトリックとして本明細書で提示するが、しかし、完成ウエハを特性決定するのに有用なあらゆる他の電気的性能メトリックを企図することができる。

１つの更なる態様では、ウエハの異なる層に関連する光分散メトリック及びバンド構造特性の個別の決定を同じスペクトル応答データに基づいて行うことができる。例えば、測定を受けるウエハは、半導体基板１１２と、中間層１１４Ｂと、ｈｉｇｈ−ｋ絶縁層１１４Ａと、更なる膜層（図示せず）とを含むことができる。分光器１０４から受け取ったスペクトル応答データは、こうした全ての層からの要因を含む。こうした層のそれぞれの要因を捕える積層モデルを使用して、解析を受ける各異なる物理層又は物理層の群に関連する光分散メトリック及びバンド構造特性を個別に決定することができる。

別の更なる態様では、積層モデルは、半導体基板１１２（例えばシリコン）の固有の吸光ピークのモデルを含む。一例では、固有の吸光ピークは、ｈｉｇｈ−ｋ膜のスペクトル測定において考慮される。このようにして、半導体基板の吸光ピークは、ｈｉｇｈ−ｋ膜のスペクトル応答から効果的に取り除くことができる。半導体基板からｈｉｇｈ−ｋ膜のスペクトル応答を隔離することにより、ｈｉｇｈ−ｋ膜層に関連する欠陥及びバンド構造特性のより正確な決定が達成される。

別の更なる態様では、バンド構造特性（例えばバンド・ギャップ及び欠陥）は、ゲート絶縁体の品質に基づいて、生産工程の初期においてウエハ及びマイクロチップを格付けするのに使用される。これにより、生産工程の終了時に高価で時間のかかる電気式試験機器を使用してウエハ及びマイクロチップを格付けする必要性を回避することができる。

１つ又は複数の例示的実施形態では、記載した関数は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア又はそれらの任意の組合せで実装することができる。ソフトウェアで実装する場合、関数は、１つ若しくは複数の命令又はコードとしてコンピュータ可読媒体上に記憶させるか又はコンピュータ可読媒体を介して伝送することができる。コンピュータ可読媒体は、コンピュータ・プログラムを１つのある位置から別の位置へ転送するのを容易にするあらゆる媒体を含むコンピュータ記憶媒体及び通信媒体の両方を含む。記憶媒体は、汎用コンピュータ又は専用コンピュータによってアクセスできる入手可能なあらゆる媒体とすることができる。限定ではなく例として、そのようなコンピュータ可読媒体は、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ又は他の光ディスク・ストレージ、磁気ディスク・ストレージ、又は他の磁気ディスク・ストレージ・デバイス、或いは、命令又はデータ構造の形態の所望のプログラム・コード手段を搬送又は記憶するのに使用でき、汎用コンピュータ若しくは専用コンピュータ、又は汎用プロセッサ若しくは専用プロセッサによってアクセスできるあらゆる他の媒体を含むことができる。更に、厳密にはあらゆる接続をコンピュータ可読媒体と称する。例えば、ソフトウェアが、ウェブサイト、サーバ、又は同軸ケーブル、光ファイバ・ケーブル、ツイスト・ペア、デジタル加入者回線（ＤＳＬ）、或いは赤外線、無線及びマイクロ波等のワイヤレス技術を使用した他のリモート・ソースから伝送される場合、同軸ケーブル、光ファイバ・ケーブル、ツイスト・ペア、ＤＳＬ、又は赤外線、無線及びマイクロ波等のワイヤレス技術は、媒体の定義に含まれる。本明細書で使用するディスク（ｄｉｓｋ及びｄｉｓｃ）は、コンパクトディスク（ＣＤ）、レーザ・ディスク、光ディスク、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）、フロッピー（登録商標）・ディスク及びブルーレイ・ディスクを含み、但し、ディスク（ｄｉｓｋ）とは、通常、データを磁気的に再生するものであり、一方でディスク（ｄｉｓｃ）とは、データをレーザで光学的に再生するものである。上記の組合せもコンピュータ可読媒体の範囲内に含むべきである。

本明細書で使用する用語「ウエハ」は、一般に半導体材料又は非半導体材料から形成される基板を指す。そのような半導体材料又は非半導体材料の例は、限定はしないが、単結晶シリコン、ガリウムヒ素及び燐化インジウムを含む。そのような基板は、半導体作製施設で一般に見つけることができ、及び／又は加工することができる。

１つ又は複数の層をウエハの上に形成することができる。例えば、そのような層は、限定はしないが、レジスト、誘電体材料、導電性材料及び半導電性材料を含むことができる。多くの異なる種類のそのような層は、当技術分野で公知であり、本明細書で使用するウエハという用語は、全ての種類のそのような層を上に形成することができるウエハを包含することを意図する。

ウエハの上に形成した１つ又は複数の層は、パターン形成しても、パターン形成しなくてもよい。例えば、ウエハは、複数のダイを含むことができ、ダイはそれぞれ繰り返し可能にパターン形成された特徴部を有する。そのような層の材料の形成及び加工により、最終的に完成デバイスをもたらすことができる。多くの異なる種類のデバイスは、ウエハの上に形成することができ、本明細書で使用するウエハという用語は、当技術分野で公知であるあらゆる種類のデバイスを上に作製するウエハを包含することを意図する。

典型的な半導体工程には、ロットによるウエハ加工を含む。本明細書で使用する「ロット」とは、一緒に加工されるウエハの群（例えば２５枚のウエハの群）である。ロットの各ウエハは、リソグラフィ加工ツール（例えばステッパ、スキャナ等）による多くの露光フィールドから構成される。各フィールド内には多数のダイが存在できる。ダイは、最終的に単一のチップになる機能ユニットである。ウエハの上に形成した１つ又は複数の層は、パターン形成しても、パターン形成しなくてもよい。例えば、ウエハは、複数のダイを含むことができ、ダイはそれぞれ繰り返し可能にパターン形成された特徴部を有する。そのような層の材料の形成及び加工により、最終的に完成デバイスをもたらすことができる。多くの異なる種類のデバイスは、ウエハの上に形成することができ、本明細書で使用するウエハという用語は、当技術分野で公知であるあらゆる種類のデバイスを上に作製するウエハを包含することを意図する。

ウエハに関して実施形態を本明細書に記載にしたが、実施形態は、マスク又はフォトマスクとも一般に呼ばれることもあるレチクル等の別の試験体の薄膜を特性決定するのに使用できることを理解されたい。多くの異なる種類のレチクルは、当技術分野で公知であり、本明細書で使用する用語「レチクル」、「マスク」及び「フォトマスク」は、当技術分野で公知である全ての種類のレチクルを包含することを意図する。

本明細書に記載の実施形態は、一般に、光分散メトリックに基づいて高スループットで多層薄膜のバンド構造特性を決定する方法に関する。例えば、一実施形態は、分光偏光解析器データから導出した光分散メトリックに基づき多層薄膜のバンド構造特性を決定するコンピュータ実装方法に関する。しかし、本明細書に記載の方法は、光分散メトリックを導出することができる種類の検査システムに限定するものではない。例えば、一実施形態では、検査システムは、ウエハ薄膜検査のための反射率計を含む。

更に、検査システムは、パターン形成したウエハ及び／又はパターン形成しないウエハを検査するように構成することができる。検査システムは、ＬＥＤ検査ツール、縁部検査ツール、裏側検査ツール、マクロ検査ツール又はマルチモード検査ツール（１つ又は複数のプラットフォームからのデータを同時に含む）、及び光分散メトリックに基づいた高スループットでの多層薄膜のバンド構造特性の決定から利益を得るあらゆる他の計測又は検査ツールとして構成することができる。

いくつかの特定の実施形態は、教育的目的で上記したが、本特許文書の教示は、一般的な適用性を有し、上記の特定の実施形態に限定するものではない。したがって、記載した実施形態の様々な特徴の様々な修正、適合及び組合せを、特許請求の範囲に記載されている本発明の範囲から逸脱することなく行うことができる。

Claims (21)

1. 第１のスペクトル範囲にわたる未完成多層半導体ウエハのスペクトル応答を受け取るステップと、
   前記スペクトル応答に少なくとも部分的に基づいて、前記多層半導体ウエハの第１の層の光分散メトリックを決定するステップと、
   前記第１のスペクトル範囲内の第２のスペクトル範囲にわたる前記多層半導体ウエハの前記分散メトリックに少なくとも部分的に基づいて、前記多層半導体ウエハの前記第１の層の電気的性能を示すバンド構造特性を決定するステップと、
   前記バンド構造特性に少なくとも部分的に基づいて、前記多層半導体ウエハの前記電気的性能の推定値を決定するステップと
   を含む方法。
2. 前記第１の層は半導体基板の上に配置した電気絶縁層である、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１の層は前記半導体基板と前記電気絶縁層との間の中間層を含む、請求項２に記載の方法。
4. 前記バンド構造特性は、前記第１の層の補間バンド・ギャップであり、前記補間バンド・ギャップを決定する前記ステップは、前記光分散メトリックの曲線の当てはめ及び補間を含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記バンド構造特性は、前記第１の層のバンド・エッジであり、前記バンド・エッジを決定する前記ステップは、前記光分散メトリックが閾値を超えたことを決定するステップを含む、請求項１に記載の方法。
6. 前記バンド構造特性は、前記第１の層に関連するバンド広がりであり、前記バンド広がりを決定する前記ステップは、前記第１の層の補間バンド・ギャップ及びバンド・エッジを決定するステップと、前記バンド・エッジと前記補間バンド・ギャップとの間の差を決定するステップとを含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記バンド構造特性は、欠陥であり、前記欠陥を決定する前記ステップは、前記光分散メトリックが、前記第１の層のバンド・ギャップを下回るスペクトル範囲にわたる閾値を超えたかどうかを決定するステップを含む、請求項１に記載の方法。
8. 偏光解析器又は反射率計のいずれかを用いた前記多層半導体ウエハの測定値に基づいて、前記未完成多層半導体ウエハの前記スペクトル応答を決定するステップ
   を更に含む、請求項１に記載の方法。
9. 前記スペクトル応答に少なくとも部分的に基づいて、前記多層半導体ウエハの第２の層の光分散特性を決定するステップと、
   前記第２の層の前記分散特性に少なくとも部分的に基づいて、前記多層半導体ウエハの前記第２の層の電気的性能を示すバンド構造特性を決定するステップと
   を更に含む、請求項１に記載の方法。
10. 第１のスペクトル範囲にわたる未完成多層半導体ウエハのスペクトル応答をコンピュータに受け取らせるコードと、
    前記スペクトル応答に少なくとも部分的に基づいて、前記多層半導体ウエハの第１の層の光分散メトリックを前記コンピュータに決定させるコードと、
    前記第１のスペクトル範囲内の第２のスペクトル範囲にわたる前記多層半導体ウエハの前記分散メトリックに少なくとも部分的に基づいて、前記多層半導体ウエハの前記第１の層の電気的性能を示すバンド構造特性を前記コンピュータに決定させるコードと、
    前記バンド構造特性に少なくとも部分的に基づいて、前記多層半導体ウエハの前記電気的性能の推定値を前記コンピュータに決定させるコードと
    を含む非一時的コンピュータ可読媒体。
11. 前記バンド構造特性は、前記第１の層の補間バンド・ギャップであり、前記補間バンド・ギャップを決定する前記ステップは、前記光分散メトリックの曲線の当てはめ及び補間を含む、請求項１０に記載の非一時的コンピュータ可読媒体。
12. 前記バンド構造特性は、前記第１の層のバンド・エッジであり、前記バンド・エッジを決定する前記ステップは、前記光分散メトリックが閾値を超えたことを決定するステップを含む、請求項１０に記載の非一時的コンピュータ可読媒体。
13. 前記バンド構造特性は、前記第１の層に関連するバンド広がりであり、前記バンド広がりを決定する前記ステップは、前記第１の層の補間バンド・ギャップ及びバンド・エッジを決定するステップと、前記バンド・エッジと前記補間バンド・ギャップとの間の差を決定するステップとを含む、請求項１０に記載の非一時的コンピュータ可読媒体。
14. 前記バンド構造特性は、欠陥であり、前記欠陥を決定する前記ステップは、前記光分散メトリックが前記第１の層のバンド・ギャップを下回るスペクトル範囲にわたる閾値を超えたかどうかを決定するステップを含む、請求項１０に記載の非一時的コンピュータ可読媒体。
15. 前記スペクトル応答に少なくとも部分的に基づいて、前記多層半導体ウエハの第２の層の光分散特性を前記コンピュータに決定させるコードと、
    前記第２の層の前記分散特性に少なくとも部分的に基づいて、前記多層半導体ウエハの前記第２の層の電気的性能を示すバンド構造特性を前記コンピュータに決定させるコードと
    を更に含む、請求項１０に記載の非一時的コンピュータ可読媒体。
16. 照明器と、
    分光器と、
    第１のスペクトル範囲にわたる未完成多層半導体ウエハのスペクトル応答を受け取り、
    前記スペクトル応答に少なくとも部分的に基づいて、前記多層半導体ウエハの第１の層の光分散メトリックを決定し、
    前記第１のスペクトル範囲内の第２のスペクトル範囲にわたる前記多層半導体ウエハの前記分散メトリックに少なくとも部分的に基づいて、前記多層半導体ウエハの前記第１の層の電気的性能を示すバンド構造特性を決定し、
    前記バンド構造特性に少なくとも部分的に基づいて、前記多層半導体ウエハの前記電気的性能の推定値を決定する
    ように構成した１つ又は複数のコンピュータ・システムと
    を備えるシステム。
17. 前記バンド構造特性は、前記第１の層の補間バンド・ギャップであり、前記補間バンド・ギャップは、前記光分散メトリックの曲線の当てはめ及び補間によって少なくとも一部は決定される、請求項１６に記載のシステム。
18. 前記バンド構造特性は、前記第１の層のバンド・エッジであり、前記バンド・エッジは、前記光分散メトリックが閾値を超えたことを決定するステップによって少なくとも一部は決定される、請求項１６に記載のシステム。
19. 前記バンド構造特性は、前記第１の層に関連するバンド広がりであり、前記バンド広がりは、前記第１の層の補間バンド・ギャップ及びバンド・エッジを決定するステップ、並びに前記バンド・エッジと前記補間バンド・ギャップとの間の差を決定するステップによって少なくとも一部は決定される、請求項１６に記載のシステム。
20. 前記バンド構造特性は、欠陥であり、前記欠陥は、前記光分散メトリックが前記第１の層のバンド・ギャップを下回るスペクトル範囲にわたる閾値を超えたかどうかを決定するステップによって少なくとも一部は決定される、請求項１６に記載のシステム。
21. 前記１つ又は複数のコンピュータ・システムは、
    前記スペクトル応答に少なくとも部分的に基づいて、前記多層半導体ウエハの第２の層の光分散特性を決定し、
    前記第２の層の前記分散特性に少なくとも部分的に基づいて、前記多層半導体ウエハの前記第２の層の電気的性能を示すバンド構造特性を決定する
    ように更に構成された請求項１６に記載のシステム。