JP2021056247A - 単波長エリプソメトリー計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】縮小した測定スポットサイズで単波長エリプソメトリー（ＳＷＥ）を実行するための方法を提供する。【解決手段】ターゲットエッジ回折効果に対する感応性を低減するために、集束光路において瞳面にまたは瞳面付近に瞳絞りが配置される。望ましくない光学的−構造的相互作用に対する感応性を低減するために、集束光路においてウェハ面と共役の像面または像面付近に視野絞りが配置される。ＳＷＥシステムの入力ビームに作用するリニア偏光子は、薄型ナノ粒子系偏光素子を含む。ナノ粒子系偏光素子は、照明ビーム品質を向上させてウェハ面への非点収差を低減する。瞳絞りと視野絞りは、不要な光線が検出器に達する前にフィルタして除く（ステップ２０６，２０７）。【選択図】図１４

Description

記載される実施形態は計測システムおよび方法に関し、より詳細には、半導体構造の改善された測定のための方法およびシステムに関する。

関連出願の相互参照
本特許出願は、米国特許法第１１９条の下で、２０１６年１月２２日に出願された、「Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ Ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｓｐｏｔ Ｓｉｚｅ Ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ｉｎ Ｓｉｎｇｌｅ Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｅｌｌｉｐｓｏｍｅｔｒｙ」というタイトルの米国仮特許出願第６２／２８６，２７９号の優先権を主張し、同仮特許出願の内容は、全体の参照により本明細書に組み込まれる。

ロジックおよびメモリデバイスなどの半導体デバイスは、典型的には、試験片に適用される一連の処理ステップにより製造される。半導体デバイスの様々なフィーチャおよび多数の構造的レベルは、これらの処理ステップにより形成される。例えば、とりわけリソグラフィーは、半導体ウェハ上にパターンを生成することを含む１つの半導体製造プロセスである。半導体製作プロセスの付加的な例は、化学機械研磨、エッチング、堆積、およびイオン注入を含むが、これらに限定されない。多数の半導体デバイスが、単一の半導体ウェハ上に製作され、次に、個々の半導体デバイスに分離されてよい。

計測プロセスは、ウェハ上の欠陥を検出してより高い収率を促進するために、半導体の製造プロセスにおける様々なステップで使用される。光学的計測技法は、試料を損壊するリスクなしで高スループットの可能性を提供する。光散乱計測および光反射計測の実装および関連する分析アルゴリズムを含むいくつかの光学的計測に基づく技法が、ナノスケール構造のクリティカルディメンション、膜厚、組成、オーバーレイおよびその他のパラメータを特性評価するために一般的に用いられる。

半導体デバイスの進行中のフィーチャサイズの縮小化、形状の複雑さの増加および、より多様な材料組成が、プロセス開発およびプロセス監視のために頼られる光学的計測システムに、より困難な要求を課している。デバイス性能要求を達成するために、シリコンウェハ上に形成される薄膜（例えば、酸化物、窒化物、金属層等）の厚さと組成は、半導体デバイス製造プロセス中に正確に制御されなければならない。

単波長エリプソメトリー（ＳＷＥ）に基づく測定技法およびシステムは、薄膜の特性を測定するために用いられることが多い。ＳＷＥシステムは、モデルベースの測定技法を用いて、膜構造の物理的特性を、測定対称の構造から反射した光の偏光特性に基づいて決定する。例示的計測システムおよび技法は、全てＫＬＡ−Ｔｅｎｃｏｒ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎに譲渡された、２００４年５月１１日に発行された特許文献１、２００６年２月２８日に発行された特許文献２、および２００７年８月７日に発行された特許文献３に詳細に記載されており、各特許文献の内容はそれら全体の参照により本明細書に組み込まれる。

多くの先進的膜測定用途において、ＳＷＥシステムはそれらの優秀な測定再現性と光学的安定性によって好まれている。単波長偏光源は一定の光出力と優れた波長安定性を提供する。ＳＷＥシステムは、同じまたは異なる製造設備内での多数のツール間での優れた計測装置間マッチング（ｔｏｏｌ−ｔｏ−ｔｏｏｌ ｍａｔｃｈｉｎｇ）性能を発揮する。これは、多数のＳＷＥシステムにわたるエリプソメトリーモデル、測定レシピおよび光定数の共有を可能にする。

しかしながら、ＳＷＥシステムによって用いられる光源は、例えば数十メートル程度の大きなコヒーレンス長を呈する。これは、システム性能に有害となり得る測定信号の大きなコヒーレンスアーチファクトにつながる。コヒーレンスに基づくアーチファクトは多くの異なる状況で生起する。一例では、計測ターゲットのエッジから回折した光は、計測ターゲットの境界内部からの反射光と、計測ターゲット外部から反射した光の間の伝播路に沿った干渉につながる。別の例では、光学素子の表面からの偶数の反射間での干渉によってゴースト像が発生する。別の例では、光学的面粗さおよびコーティング、粒子汚染物、黒色表面処理および光学機械構造とのその他の光相互作用によって測定データへの混入が生じる。

混入が生じた光は測定ターゲットボックスに関する情報のみを伝播しない。ＳＷＥシステムによって少量でも混入光が検出されると、それが測定誤差に寄与する。所与の厚さ測定誤差公差内で測定され得る最小ターゲットサイズは多くの場合「スポットサイズ」と呼ばれる。測定スポットサイズは検出された混入光の関数である。検出された混入光の量が多くなればなるほど、所与の厚さ誤差基準に関して、より大きい「スポットサイズ」が測定される。いくつかの例では、合理的なスポットサイズに関する測定誤差仕様に見合うためには、混入光レベルは検出光の１０^−５未満でなければならない。スポットサイズ要求と測定誤差要求が厳しくなり続けるにつれ、混入光のさらなる減少が必要とされる。

米国特許第６，７３４，９６８号明細書 米国特許第７，００６，２２２号明細書 米国特許第７，２５３，９０１号明細書

さらなる計測用途は、小さいフィーチャサイズと多重パラメータ相関により課題を提示する。ＳＷＥシステムへの改良が望まれる。

単波長エリプソメトリー（ＳＷＥ）測定を、縮小された測定スポットサイズで行うための方法およびシステムが本明細書で提示される。

一態様において、ターゲットエッジ回折効果に対する感応性を低減するために、集束光路内の瞳面に、または瞳面付近に瞳絞りが配置される。一部の実施形態において、集束光ビーム内に、ＳＷＥシステムの集束光学素子の瞳面にまたは瞳面付近において円形の開口が配置されている。１つの好ましい実施形態において、瞳絞り１２０は、混入信号からの所要測定信号の空間的分離が最大である位置において集束光学素子の瞳面に配置されている。

別の態様において、望ましくない光学的−構造的相互作用に対する感応性を低減するために、集束光路内の、ウェハ面と共役の像面に、または像面付近に視野絞りが配置されている。一部の実施形態において、長方形の視野絞りが集束光路に含まれている。１つの好ましい実施形態において、視野絞りは、検光子の手前の像面に配置されている。

別の態様において、ＳＷＥシステムの入力ビームに作用するリニア偏光子は、薄型の、ナノ粒子系偏光素子を含む。ナノ粒子系偏光素子は照明ビームの質を改善してウェハ面上の非点収差を低減する。薄型のナノ粒子系偏光素子は、照明源より後であるがＳＷＥシステムの楕円偏光子より手前の照明光路に配置されている。

さらなる態様において、視野絞りの、瞳絞りの、または両方の開口の寸法は、膜厚等の、構造に特有の特徴に対する測定感度を、光透過を制限することによって増加させるように調整される。光透過を制限することによって、ウェハ面において計測ターゲットの外部で発生する光と、計測ターゲットの内部で発生する光と計測ターゲットの外部で発生する光の相互作用によって生じる干渉に関連する光と、集束ビームに反射される迷光が吸収されるか、または検出器から逸れた方向に向け直される。その結果、測定スポットサイズが縮小し、小型の測定ターゲットに関する計測装置間マッチング性能が大きく増強される。

上記は要約であり、したがって、必然的に、簡略化、一般化、および詳細の省略を含むものであり、結果として、当業者は、要約が単なる説明上のものであり、如何なる形でも限定するものではないことを理解するであろう。本明細書に記載されるデバイスおよび／またはプロセスの他の態様、発明上の特徴、ならびに利点は、本明細書に記載される非限定的な詳細な記述で明らかになるであろう。

縮小された測定スポットサイズを有する例示的ＳＷＥシステム１００を描写する図である。 照明された計測ターゲット内またはその周囲のウェハ面での放射照度のシミュレーションを示すプロットを描写する図である。 計測ターゲットの内部から発生する光による集束瞳面での集束ビームの放射照度分布のシミュレーションを示すプロット１６０を描写する図である。 計測ターゲットの外部から発生する光による集束瞳面での集束ビームの放射照度分布のシミュレーションを示すプロット１６５を描写する図である。 計測ターゲットの内部から発生する光による集束像面での集束ビームの放射照度分布のシミュレーションを示すプロット１７０を描写する図である。 計測ターゲットの外部から発生する光による集束像面での集束ビームの放射照度分布のシミュレーションを示すプロット１７５を描写する図である。 計測ターゲットの内部から発生する光と計測ターゲットの外部から発生する光の間の干渉による、集束像面での集束ビームの放射照度分布のシミュレーションを示すプロット１８０を描写する図である。 フィルタリング前の集束対物レンズとの共役面での放射照度分布の測定を示すプロット１８５を描写する図である。 フィルタリング後の集束対物レンズとの共役面での放射照度分布の測定を示すプロット１９０を描写する図である。 従来型ＳＷＥシステムの場合で、異なる焦点面オフセット距離で得られた測定スポットサイズを示すプロット１９１を描写する図である。 ナノ粒子系入力ビーム偏光子を組み込んだＳＷＥシステムの場合で、異なる焦点面オフセット距離で得られた測定スポットサイズを示すプロット１９４を描写する図である。 長方形の井戸形状構造を有する計測ターゲットのＳＷＥ測定結果を示すプロット１９７を描写する図である。 所要の寸法と位置の長方形の開口を達成するために互いに対して移動するように構成された４枚の可動吸収パネルを含む視野絞りの実施形態を描写する図である。 ＳＷＥ測定を少なくとも１つの新規の態様で実行する方法２００を示す図である。

ここで、その例が添付図面に示されている、本発明の背景となる例およびいくつかの実施形態について詳細に言及する。

単波長エリプソメトリー（ＳＷＥ）測定を、縮小した測定スポットサイズで実行するための方法およびシステムが本明細書で提示される。測定スポットサイズの縮小は、１）ＳＷＥシステムの瞳面付近の位置に集光路に配置された瞳絞りと、２）ＳＷＥシステムのウェハ面と共役の像面付近の位置に集束光路に配置された視野絞りと、３）照明源とＳＷＥシステムのウェハの間に配置された、薄型で高消光比のナノ粒子系偏光素子を含むリニア偏光子、またはそれらの任意の組み合わせを含むことによって達成される。測定スポットサイズの縮小は、より正確な薄膜測定と、増強された計測装置間マッチング性能を可能にする。いくつかの例において、４００マイクロメートルから４０マイクロメートルにわたる測定スポットサイズでの薄膜測定に関して０．０２オングストロームの計測装置間マッチング仕様が達成される。

単波長エリプソメータは、改善されたビーム品質で、また、ターゲットエッジ回折効果および望ましくない光学的−構造的相互作用への低減した感応性で、薄膜測定を実行する。ＳＷＥシステムは、集束瞳面付近の開口と、ウェハ面と共役の像面付近の開口と、薄型のナノ粒子系偏光素子を含むリニア偏光子のうちいずれかを含むように構成される。各素子は、注目すべきパラメータに対する測定感度、測定精度およびシステムマッチングを最適化するように選択される。ナノ粒子系偏光素子は照明ビーム品質を改善してウェハ面上の非点収差を低減する。瞳開口と視野開口は遮光を提供し、測定ターゲットの外部から回折または反射した不要な集束光が検出器に達する前に有効に吸収する。その結果、小型の測定ターゲット（例えば、４０μｍ×４０μｍターゲット）に対する薄膜測定精度が大きく増強される。

図１は、縮小した測定スポットサイズを有する例示的ＳＷＥシステム１００を描写する。ＳＷＥシステム１００は、ウェハ１１５に入射する照明光ビーム１１４を生成する照明源１１０を含む。照明光ビーム１１４は、ビームが照明源１１０からウェハ１１５に伝播するにつれ、薄型のナノ粒子系高消光比入力ビーム偏光素子１１１、照明光学素子１１２、および楕円偏光素子１１３（例えば、四分の一波長板補償器、位相子等）を含むリニア偏光子を通過する。照明源１１０とウェハ１１５の間の素子群は照明光学素子サブシステムの一部である。ビーム１１４は、測定スポット１１６を含むウェハ１１５の部分を照明する。集束光ビーム１１７が測定スポット１１６から集束される。集束光１１７は、補償器１１８（例えば、四分の一波長板補償器、位相子等）、集束瞳絞り１２０、集束視野絞り１２１および検光子素子１２２を含む集束光学素子１１９を通過する。集束光ビーム１１７は検出器１２３の表面に入射する。ウェハ１１５と検出器１２３の間の素子は集束光学素子サブシステムの一部である。

一例において、検出器１２３は光起電検出器である。しかしながら、一般に、他の検出器技術が想定されてよい（例えば、位置感応性検出器（ＰＳＤ）、赤外検出器、電荷結合素子（ＣＣＤ）等）。検出器１２３は、集束光を、集束光の強度を示す電気信号１２５に変換する。測定スポット１１６から集束された光は、検出器１２３に、検出スポット１２４の上に射影される。この意味で、測定スポット１１６は、最終的に検出器１２３の表面上に射影される集束光の部分の起源となるウェハ上の位置を含む。

コンピューティングシステム１３０は測定信号１２５を受信して、計測ターゲットの注目すべきパラメータのモデルベースの測定を測定信号１２５に基づいて実行する。

図１に描写されるように、照明光ビーム１１４は、ウェハ１１５の表面に斜角で提供される。一般的に、照明光はウェハ１１５の表面に任意の斜角または任意の個数の斜角で提供されてよい。

照明光ビーム１１４は狭帯域照明光である。一例において、狭帯域照明光は極狭帯域（例えば、サブナノメートル範囲の波長）で約６３２．８ナノメートルの中心波長を有する。いくつかの例において、狭帯域光源の発光スペクトルはレーザー（例えば、ヘリウム−ネオンレーザー）によって生成される。しかしながら、一般的に、本特許明細書の範囲内で任意の適切な狭帯域照明源が想定されてよい。

図１に描写されるように、Ｚ軸はウェハ１１５の表面に対して垂直に向いている。Ｘ軸とＹ軸はウェハ１１５の表面と共面であり、したがってＺ軸に対して直角である。照明光ビーム１１４の主光線１２６と、集束光ビーム１１７の主光線１２７がＸＹ面に対して直角な入射面を画定する。照明光ビーム１１４は、Ｚ軸に対して入射角ＡＯＩでウェハ１１５の表面に入射し、入射面Ｘ′Ｚ内にある。入射面は、ウェハ１１６に固定された座標フレームＸＹに対して方位角Ａｚで配向している。

照明光ビームの、試験片の表面への斜角での幾何射影は、入射面と揃った方向での照明ビーム断面を伸長する。非限定的な例として、ウェハ表面に射影された円形照明光ビームは楕円形状の照明域をもたらす。したがって、一般的に、表面の斜めの照明は、その照明の断面に対して伸長した射影の領域をもたらし、伸長の方向は入射面に揃っている。さらに、伸長の規模は、入射角が増加するにつれ増加する。より詳細には、回折および収差の効果がない場合、ビーム形状は入射面の方向において入射角のコサインに反比例する。

図２は、ウェハ１１５上に配置された計測ターゲット１２８の中心付近に中心決めされたウェハ面での放射照度のシミュレーションを示すプロットを描写している。入射ビーム（例えば、ガウシアンビームプロファイルを有するビーム）は、計測ターゲットならびに計測ターゲットを包囲する領域を示す。計測ターゲット１２８の境界（例えば、薄膜パッド）が図示されている。計測ターゲット１２８の境界内に存在する放射照度はＩ_ｉｎと標示されている。計測ターゲット１２８の境界外に存在する放射照度はＩ_ｏｕｔと標示されている。図２に描写されるように、計測ターゲットは正方形の形状であり、４０マイクロメートル×４０マイクロメートルの寸法を有する。

天文観測用途でのコロナグラフ測定と同様に、照明光はターゲットのエッジの辺りで回折する。いくつかの例において、照明光のターゲットエッジでの回折は、射影像に望ましくない光背をもたらす。光背の影響の厳密な物理的実現は、ターゲットの射影形状とサイズに依存する。しかし、この回折光は計測ターゲットの内部から発生する光に干渉して厚さの測定に誤差を生じさせる。

一態様において、ＳＷＥシステム１００の集束光学素子の瞳面付近の集束光ビーム内に円形開口が配置されている。図１に描写される実施形態において、集束光学素子１１９は集束対物レンズと一体化された瞳絞り１２０を含む。描写された実施形態において、瞳絞り１２０は円形開口を有する透明でない構造を含み、その開口を介して光が自由に通過できる。

１つの好ましい実施形態において、瞳絞り１２０は集束光学素子の瞳面内に配置されている。この位置において、計測ターゲットの内部から発生する光と計測ターゲットの外部から発生する光の間に最大の分離がある。この位置において、瞳絞り１２０は望ましくない光を遮ることにおいて最も有効である。さらに、光の集束ビームはこの位置において最大範囲を有する。

集束光の光学軸に沿った任意の平面での総放射照度Ｉ（ｒ）は、式（１）によって表され、
Ｉ（ｒ）＝Ｉ_ｉｎ＋Ｉ_ｏｕｔ＋Ｉ_ｉｎｔ （１）
式中、Ｉ_ｉｎは計測ターゲットの内部の光から発生する放射照度であり、Ｉ_ｏｕｔは計測ターゲットの外部の光から発生する放射照度であり、Ｉ_ｉｎｔは式（２）によって表される、計測ターゲットの内部の光と、計測ターゲットの外部の光との干渉から発生する放射照度であり、

式中、

は各波の偏光ベクトルであり、

であり、φ_Δは、コンポーネント間の位相差であり、

である。最悪のケースシナリオを想定すると、計測ターゲット内部の光に関連する偏光ベクトルと、計測ターゲット外部の光に関連する偏光ベクトルは等しくなるように設定される。

式（３）は、混入信号（例えば、計測ターゲット領域外から発生する信号および干渉信号）に対する所要信号の（すなわち、計測ターゲット領域内から発生する信号）の、集束光の光学軸（すなわち、光学Ｚ軸）に沿った位置の関数としての割合を規定する信号対混入測定基準（ＳＣＲ）を表す。

光路に沿ったＳＣＲの最高値の位置を特定するためにサーチが実行される。一部の実施形態においてＳＣＲの最高値の位置は、所要信号と混入信号の間の最大分離がある位置に配置され、その位置は、開口等の物理的遮光デバイスが、所要信号の遮蔽は最小でありながら混入信号を遮蔽するのに最も有効である。一例において、望ましくない信号混入の源として干渉のみが含まれる。バビネットの原理（Ｂａｂｉｎｅｔ’ｓ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ）によれば、開口からの回折界は、セグメントに分解されて、モデリング目的のため別々に伝播される。

図３は、計測ターゲットの内部から発生する光による集束瞳面での集束ビームの放射照度分布のシミュレーションを示すプロット１６０を描写する。

図４は、計測ターゲットの外部から発生する光による集束瞳面での集束ビームの放射照度分布のシミュレーションを示すプロット１６５を描写する。

図３に表された信号は望ましいものであって検出されるべきであるが、それに対し図４に表された信号は望ましくなく、検出前に除去されるべきである。

瞳面に結像するときに計測ターゲット１２８から回折する光は再分配されて、図４に示すように瞳面のエッジ付近に集中する。したがって、この位置で高いＳＣＲが得られる。ビームの周囲で集中した望ましくない信号は、比較的大きい開口（例えば、ミリメートル程度）を有する瞳絞りによって除去される。集束光源の放射照度分布はウェハ面に最も空間的に集中している。したがって、エッジ回折効果は、比較的小型の計測ターゲットに関して最も顕著である。こうして、これらの効果を軽減するための瞳絞りの使用は、比較的小型の計測ターゲットに関して最も有効である。

図５は、計測ターゲットの内部から発生する光による集束像面での集束ビームの放射照度分布のシミュレーションを示すプロット１７０を描写する。

図６は、計測ターゲットの外部から発生する光による集束像面での集束ビームの放射照度分布のシミュレーションを示すプロット１７５を描写する。

図７は、計測ターゲットの内部から発生する光と計測ターゲットの外部から発生する光の間の干渉による、集束像面での集束ビームの放射照度分布のシミュレーションを示すプロット１８０を描写する。

図５は、検出されるべき所要の光の結像を描写する。しかしながら、図６および７に描写されるように、エッジ回折および干渉による望ましくない光は、所要の光から、集束光学素子の像面で単純な方式では空間的に分離されない。したがって、低いＳＣＲがこの位置で得られる。このため、像面に配置された開口は、計測ターゲットのエッジでの回折によって誘起される不要な光信号を遮るのに有効でない。

別の態様において、ＳＷＥシステムの集束光学素子の像面付近の集束光路に長方形の視野絞りが含まれている。図１に描写される実施形態において、視野絞り１２１は像面内に検光子１２２の手前に配置されている。描写された実施形態において、視野絞り１２１は、長方形の開口を有する透明でないプレートを含み、長方形の開口を介して光が自由に通過する。

中間像において集束光路に配置された視野絞りは、視野外の光が検出器に達することを防止する。一例において、視野絞りは、集束光ビームとビーム経路内の光学機械素子との間の相互作用から発生する迷光を除去する。これらの相互作用は典型的に、集束光ビームの周りの比較的大きな半径の環として現れる。この特定の顕現は、ビーム経路内の光学素子の対称な円筒形ハウジングによるものである。

集束光ビームとビーム経路内の光学機械素子の間の相互作用から発生する迷光は、より大型のターゲットの測定において特に優勢である。一例において、集束対物レンズの像面へのターゲットの像の射影は測定ターゲットサイズに基づいて決まる。視野絞り開口のサイズは、集束対物レンズの倍率に基づいて計算される。

図８は、フィルタリングのない場合の集束対物レンズとの共役面での照明ビームの測定を示すプロット１８５を描写している。図８に示すように、迷光は、光ビームの周りの環１２８として像内に現れる。

図９は、適切なサイズの視野絞りが、本明細書に記載されるような集束光路に配置されている場合の、集束対物レンズとの共役面での照明ビームを示すプロット１９０を描写している。図９に示すように、視野絞りは、計測ターゲットの外部から反射した不要な光をフィルタして除く。

別の態様において、ＳＷＥシステムの照明光路内で照明源といずれかの楕円偏光素子の間に配置されるリニア偏光子は、薄型で高消光比のナノ粒子系偏光素子を含む。図１に描写される実施形態において、薄型ナノ粒子系偏光素子１１１は、照明光路内で、照明源１１０よりは後であるが楕円偏光子１１３より手前に配置されている。そのため、偏光素子１１１は、時として、測定目的のために照明ビームに基準偏光を加えるために用いられる楕円偏光子というよりは、入力ビームを調整するために用いられる入力ビーム偏光子と呼ばれる。図１に描写される実施形態において、薄型ナノ粒子系偏光素子１１１は、透過軸に対して垂直に偏光される光を吸収する。偏光は、ケイ酸ナトリウムに埋め込まれた球状楕円ナノ粒子によって薄型ナノ粒子系偏光素子１１１内に生成される。例示的な薄型ナノ粒子ベースの偏光子は、米国ニュージャージー州ニュートンのＴｈｏｒｌａｂｓ，Ｉｎｃ．から入手可能である。

薄型のナノ粒子ベースの偏光子は、従来型グラントムソン（Ｇｌａｎ−Ｔｈｏｍｐｓｏｎ、ＧＴ）と同程度の消光比を提供し、また、従来型のポリマー系構成要素と比べてかなり高い損傷閾値を提供する。一部の実施形態において、薄型ナノ粒子系偏光素子１１１は約２００マイクロメートルの厚さであり、それに対し、匹敵するＧＴ偏光子は約１０ミリメートルの厚さである。薄型偏光子は、より良い収差制御を提供し、薄型ナノ粒子系偏光子の屈折率は入射角に依存しない。これは、光学系の非点収差の大きな低減につながり、したがって、縮小されたスポットサイズ能力につながる。対照的に、従来型のＧＴ偏光子構成は、屈折によりビーム偏光を分離するが、正常波率は一定であるのに対し、異常光線屈折率は角度依存性がある。これは、収差をもたらし、ビーム品質の低下をもたらす。

図１０は、従来型のＳＷＥシステムの場合の、異なる焦点面オフセット距離で得られた測定スポットサイズを示すプロット１９１を描写している。プロットライン１９２は、種々の焦点面オフセット距離に関する、図１に描写されたＸ′方向におけるウェハ面での測定スポットサイズを示す。プロットライン１９３は、種々の焦点面オフセット距離に関する、図１に描写されたＹ′方向におけるウェハ面での測定スポットサイズを示す。プロット１９１は、従来型ＧＴ偏光子を用いてＳＷＥシステムから収集された実験データに基づいて生成される。非点収差効果により、Ｘ′方向およびＹ′方向において測定された最小スポットサイズは、異なる焦点面オフセットでそれらの最小サイズに達する。したがって、両方向において測定スポットサイズを最小にする焦点面オフセットを選択することは不可能である。

図１１は、ＳＷＥシステム１００等のナノ粒子系入力ビーム偏光子を組み込んだＳＷＥシステムの場合の、異なる焦点面オフセット距離で得られた測定スポットサイズを示すプロット１９４を描写する。プロットライン１９５は、種々の焦点面オフセット距離に関する、図１に描写されたＸ′方向におけるウェハ面での測定スポットサイズを示す。プロットライン１９６は、種々の焦点面オフセット距離に関する、図１に描写されたＹ′方向におけるウェハ面での測定スポットサイズを示す。このシナリオでは、Ｘ′方向およびＹ′方向において測定された最小スポットサイズは、ほぼ同じ焦点面オフセット（すなわち、図１１に描写されるように、約１５マイクロメートルの焦点面オフセット）でそれらの最小サイズに達する。したがって、測定スポットサイズを両方向で最小化する焦点面オフセットを選択することが可能である。

例として、図１２は、本明細書に記載されるような視野絞りと瞳絞りを用いることによる、有効測定スポットサイズへの改善（すなわち、縮小）を示す。図１２は、長方形の井戸形状構造を有する計測ターゲットのＳＷＥ測定結果を示すプロット１９７を描写している。照明スポットはターゲットにわたり走査された。提供された例において、ターゲットを特徴付ける膜厚が、測定ＳＷＥ信号への最良適合をもたらす膜厚パラメータを特定することによって測定された。照明ビームが井戸形状構造内に留まる間、膜厚変動は所定の範囲に留まるはずである。したがって、照明ビームの、ターゲット域のエッジとの望ましくない相互作用は、測定結果がこの範囲外に動いたときに発生すると推定される。

プロットライン１９８は、本明細書に記載されるような瞳絞り、視野絞りおよび薄型ナノ粒子系入力ビーム偏光子がない従来型のＳＷＥシステムで実行された測定を描写している。描写された例において、測定は、約２０マイクロメートルの線形走査にわたり安定している（すなわち、測定ビームの中心が３０マイクロメートルと５０マイクロメートルの間で走査されるため）。この限定された範囲を越えると、ビームは井戸形状のターゲットのエッジと相互作用を始め、測定される厚さが増加し始める。

プロットライン１９９は、本明細書に記載されるような瞳絞り、視野絞りおよび薄型ナノ粒子系入力ビーム偏光子を含むＳＷＥシステムで実行された測定を描写している。描写された例において、測定は、約４０マイクロメートルの線形走査にわたり安定している（すなわち、測定ビームの中心が２０マイクロメートルと６０マイクロメートルの間で走査されるため）。この範囲を越えると、ビームは井戸形状のターゲットのエッジと相互作用を始め、測定される厚さが増加し始める。線形走査の範囲は、エッジ効果が測定に影響を与え始める前はかなり大きいため、有効測定スポットサイズは、瞳絞り、視野絞りおよび薄型ナノ粒子系入力ビーム偏光子を含むＳＷＥシステムではより小さいことに留意されたい。

本明細書に記載されるような瞳絞り、視野絞りおよび薄型ナノ粒子系入力ビーム偏光子を含むＳＷＥシステムによる測定は、４０μｍ×４０μｍ測定ターゲットに関して０．０２オングストロームまでの膜厚測定の計測装置間マッチングを実証する。本明細書に記載されるような瞳絞り、視野絞りおよび薄型ナノ粒子系入力ビーム偏光子を含まないＳＷＥシステムにより実行される同じ測定は、同じく４０μｍ×４０μｍ測定ターゲットに関して０．２を越える膜厚測定の計測装置間マッチングを実証する。

一部の実施形態において、ＳＷＥシステム１００は離散型測定偏光子および回転式補償器システムとして構成される。これらの実施形態において、測定は、１つ以上の方位角と入射角に対して、連続回転式補償器（例えば、図１に描写される補償器１１８）で離散した偏光子角度で実行される。一部の実施形態において、偏光子１１３は回転式偏光素子を含み、コンピューティングシステム１３０は、所要の偏光状態を示すコマンド信号１４１を偏光子１１３に通信する。それに応答して、偏光子１１３は回転して望ましい偏光状態で停止する。こうして、ＳＷＥシステム１００は固定された偏光角で停止するように構成される。

一部の実施形態において、ＳＷＥシステム１００は回転偏光子システムとして構成される。これらの実施形態において、測定は、偏光状態が１つ以上の方位角と入射角に対して連続的に変化しながら実行される。一部の実施形態において、偏光子１１３は回転式偏光素子を含み、コンピューティングシステム１３０は、望ましい偏光状態の変化率を示すコマンド信号１４１を偏光子１１３に通信する。それに応答して、偏光子１１３は望ましい角速度で回転する。

一部の実施形態において、ＳＷＥシステム１００は回転偏光子システムおよび回転補償器システムとして構成される。これらの実施形態において、測定は、１つ以上の方位角と入射角に対して、連続的に回転する偏光子（例えば、図１に描写された偏光子１１３）と、連続的に回転する補償器（例えば、図１に描写された補償器１１８）で実行される。一部の実施形態において、補償器１１８は回転式偏光素子を含み、コンピューティングシステム１３０は、所要の偏光状態の変化率を示すコマンド信号１４５を補償器１１８に通信する。それに応答して、補償器１１８は所要の角速度で回転する。

さらなる態様において、ＳＷＥシステム１００はさらに、選択的検光子角度を有する。同様に、コンピューティングシステム１３０は、所要の検光子角度を示すコマンド信号１４２を選択的検光子１２２に通信する。

偏光状態に係らず、一部の実施形態において、ＳＷＥシステム１００はさらに、測定のＡＯＩおよびＡｚの範囲を選択するように構成される。

一部の実施形態において 視野絞り１２１は、所要信号除去を達成するように調節される。図１に描写されるように、コンピューティングシステム１３０は、所要の開口サイズを示すコマンド信号１４３を視野絞り１２１に通信する。それに応答して、視野絞り１２１は所要の開口サイズに調節する。一部の実施形態において、視野絞り１２１は、開口サイズを調節するように構成された可動スリット、ナイフエッジ、ＭＥＭ系ミラー素子等の能動素子を含む。図１３は、互いに対して移動して、所要の寸法および位置の長方形の開口を達成するように構成された、４枚の可動吸収パネル１５１−１５４を含む視野絞り１２１の実施形態を描写する。

一部の実施形態において、瞳絞り１２０は所要信号除去を達成するように調節される。図１に描写されるように、コンピューティングシステム１３０は、所要の瞳絞り開口サイズを示すコマンド信号１４４を視野絞り１２０に通信する。それに応答して、瞳絞り１２０は所要の開口サイズに調節する。これらの実施形態において、瞳絞り１２０は、瞳絞り１２０の開口を調節するように構成された、可動シャッター素子、ナイフエッジ、ＭＥＭ系ミラー素子等の能動素子を含む。

一部の実施形態において、方位角は、計測システム入射面に対して計測ターゲットを回転させることによって選択される。例えば、ＳＷＥシステム１００は、試験片１１５を支持する回転ステージを含んでよい。これらの実施形態において、コンピューティングシステム１３０は、所要の方位角を達成するために光学系に対して試験片１１５を回転させるための（例えば、図１に描写されるＺ軸周りの回転）コマンド信号を回転ステージに通信する。

さらなる態様において、視野絞り、瞳絞り、またはそれら両方の開口の寸法は、膜厚等の構造特有の特徴に対する測定感度を増加させるために、光透過を制限することによって調節される。光透過を制限することによって、ウェハ面で計測ターゲットの外部で発生する光に関連する光、計測ターゲットの内部で発生する光と計測ターゲットの外部で発生する光との相互作用によって生成する干渉光、および集束ビームに反射される迷光が吸収されるか、または別方式で、検出器から逸れた方向に向け直される。こうして、注目すべきパラメータにおける変化に最も感応する光線が検出される。

図１４は、ＳＷＥ測定を少なくとも１つの新規の態様で実行する方法２００を示す。方法２００は、本発明の図１に示したＳＷＥシステム１００等の計測システムによる実行に適している。一態様において、方法２００のデータ処理ブロックは、コンピューティングシステム１３０または任意の他の汎用コンピューティングシステムの１つ以上のプロセッサによって実行される予めプログラムされたアルゴリズムによって実行されてもよいことが認識される。本明細書において、ＳＷＥシステム１００の特定の構造的態様は限定を表さず、例示としてのみ解釈されるべきであることが認識される。

ブロック２０１において、狭帯域照明光ビームが照明源によって生成される。

ブロック２０２において、狭帯域照明光ビームは、照明光学素子サブシステムによって、測定されている試験片（例えば、半導体ウェハ）上に配置された計測ターゲットに向けられる。

ブロック２０３において、狭帯域照明光ビームはリニア偏光子によって線形偏光される。一部の実施形態において、リニア偏光子は薄型ナノ粒子系偏光子である。

線形偏光の後で、ブロック２０４において、狭帯域照明光ビームは楕円偏光される。

ブロック２０５において、集束光ビームは、狭帯域照明光ビームによって照明される計測ターゲットから集束される。

ブロック２０６において、集束光ビームの第１の部分が、計測ターゲットから集束光ビームを集束するように構成された集束光学素子サブシステムの瞳面で、または瞳面付近で集束光ビームの残りの部分から除去される。一部の実施形態において、集束光ビームの第１の部分は、除去された光を吸収または方向変換させるように構成された開口によって除去される。

ブロック２０７において、集束光ビームの第２の部分が、集束光学素子サブシステムの像面で、または像面付近で集束光ビームの残りの部分から除去される。一部の実施形態において、集束光ビームの第２の部分は、除去された光を吸収または方向変換させるように構成された開口によって除去される

ブロック２０８において、集束光ビームの第３の部分が、入射光に感応する検出器の表面上で検出される。

ブロック２０９において、集束光ビームの検出された部分を示す複数の出力信号が検出器によって生成される。

一般的に、本明細書に記載される信号混入の制御のための方法およびシステムは、単波長エリプソメータシステムの用途に限定されず、分光エリプソメトリーシステム等を含む任意の部分コヒーレント計測システムに実装されてよい。

別の実施形態において、システム１００は、本明細書に記載される方法に従って収集された測定データに基づいて実際のデバイス構造の測定を実行するために用いられる１つ以上のコンピューティングシステム１３０を含む。１つ以上のコンピューティングシステム１３０は、検出器（例えば、検出器１２３）に通信可能に結合されてよい。一態様において、１つ以上のコンピューティングシステム１３０は、試験片１１５の構造の測定に関連する測定データ１２５を受信するように構成される。

本開示を通して記載される１つ以上のステップは、単一のコンピュータシステム１３０で実行されても、または、複数のコンピュータシステム１３０で実行されてもよいことが認識される。さらに、検出器１２３等のシステム１００の異なるサブシステムは、本明細書に記載されるステップの少なくとも一部を実行するのに適したコンピュータシステムを含んでよい。したがって、上記の説明は本発明への限定と解釈されるべきではなく、単なる例示である。

さらに、コンピュータシステム１３０は検出器１２３に、当技術分野で知られる任意の方式で通信可能に結合されてよい。例えば、１つ以上のコンピューティングシステム１３０は、検出器１２３に関連するコンピューティングシステムに結合されてよい。別の例では、検出器１２３は、コンピュータシステム１３０に結合された単一のコンピュータシステムによって直接制御されてよい。

ＳＷＥシステム１００のコンピュータシステム１３０は、有線および／または無線部分を含み得る伝送媒体によって、システムのサブシステム（例えば、検出器１２３等）からデータまたは情報を受信および／または取得するように構成されてよい。こうして、伝送媒体はコンピュータシステム１３０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き得る。

ＳＷＥシステム１００のコンピュータシステム１３０は、有線および／または無線部分を含み得る伝送媒体によって、他のシステムからのデータまたは情報（例えば、測定結果、モデリング入力、モデリング結果、基準測定結果等）を受信および／または取得するように構成されてよい。こうして、伝送媒体はコンピュータシステム１３０と、他のシステム（例えば、メモリオンボードＳＷＥシステム１００、外部メモリ、または他の外部システム）との間のデータリンクとして働き得る。例えば、コンピューティングシステム１３０は、データリンクを介して記憶媒体（メモリ１３２または外部メモリ）から測定データを受信するように構成されてよい。例えば、検出器１２３を用いて得られた強度測定結果は、永久または半永久メモリデバイス（例えば、メモリ１３２または外部メモリ）に記憶されてよい。これに関連して、測定結果は、オンボードメモリから、または外部メモリシステムからインポートされてよい。さらに、コンピュータシステム１３０は、伝送媒体を介して他のシステムにデータを送信してよい。例えば、コンピュータシステム１３０によって決定された測定モデルまたは実際のデバイスパラメータ値は外部メモリに通信されてそこに記憶されてよい。これに関連して、測定結果は別のシステムにエクスポートされてよい。

コンピューティングシステム１３０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、パラレルプロセッサ、または当技術分野で知られる任意のデバイスを含んでもよい。一般的に、用語「コンピューティングシステム」は、メモリ媒体からの命令を実行する１つ以上のプロセッサを有する任意のデバイスを包含するべく広範に定義されてよい。

本明細書に記載される方法のような方法を実行するプログラム命令１３４は、ワイヤ、ケーブルまたは無線伝送リンク等の伝送媒体を介して伝送されてよい。 例えば、図１に示すように、メモリ１３２に記憶されたプログラム命令１３４は、バス１３３を介してプロセッサ１３１に伝送される。プログラム命令１３４は、コンピュータ可読媒体（例えば、メモリ１３２）に記憶される。例示的コンピュータ可読媒体は、リードオンリーメモリ、ランダムアクセスメモリ、磁気または光ディスク、または磁気テープを含む。

いくつかの例において、測定モデルは、米国カリフォルニア州ミルピタス市のＫＬＡ−Ｔｅｎｃｏｒ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手可能なＳｐｅｃｔｒａＳｈａｐｅ（登録商標）光学的クリティカルディメンション計測システムの要素として実装される。こうして、モデルが作成されて、測定信号がシステムによって収集された直後に使用可能な状態になる。

いくつかの例において、測定モデルは、例えば、米国カリフォルニア州ミルピタス市のＫＬＡ−Ｔｅｎｃｏｒ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手可能なＡｃｕＳｈａｐｅ（登録商標） ソフトウェアを実装するコンピューティングシステムによってオフラインで実行される。結果として得られる訓練されたモデルは、測定を実行する計測システムによってアクセス可能なＡｃｕＳｈａｐｅ（登録商標）ライブラリの要素として組み込まれてよい。

さらに別の態様において、本明細書に記載される測定モデル結果は、プロセスツール（例えば、リソグラフィーツール、エッチングツール、堆積ツール等）にアクティブフィードバックを提供するために用いられ得る。例えば、本明細書に記載される測定方法に基づいて決定される測定パラメータの値は、所要の出力を達成するためにリソグラフィーシステムを調節するために、リソグラフィーツールに伝えられてよい。同様に、エッチングパラメータ（例えば、エッチング時間、拡散率等）または堆積パラメータ（例えば、時間、濃度等）は、エッチングツールまたは堆積ツールそれぞれにアクティブフィードバックを提供するために測定モデルに含まれてよい。いくつかの例において、測定されたデバイスパラメータ値と訓練された測定モデルに基づいて決定されたプロセスパラメータへの修正が、リソグラフィーツール、エッチングツールまたは堆積ツールに伝えられてよい。

本明細書に記載される場合、用語「クリティカルディメンション」は、構造の任意のクリティカルディメンション（例えば、底部クリティカルディメンション、中間クリティカルディメンション、頂部クリティカルディメンション、側壁角、格子高さ等）、任意の２以上の構造間のクリティカルディメンション（例えば、２つの構造間の距離）、および２以上の構造間の変位（例えば、重なった格子構造間のオーバーレイ変位等）を含む。構造は、三次元構造、パターン付き構造、オーバーレイ構造等を含み得る。

本明細書に記載される場合、用語「クリティカルディメンション用途」または「クリティカルディメンション測定用途」は、任意のクリティカルディメンション測定を含む。

本明細書に記載される場合、用語「計測システム」は、任意の態様で試験片を特性評価するために少なくとも部分的に用いられる任意のシステムを含み、クリティカルディメンション計測、オーバーレイ計測、焦点／投与量計測および組成 計測等の測定用途を含む。しかしながら、そのような技術用語は本明細書に記載されるような用語「計測システム」の範囲を限定しない。さらに、ＳＷＥシステム１００は、パターン付きウェハおよび／またはパターンなしウェハの測定向けに構成されてよい。計測システムは、ＬＥＤ検査ツール、エッジ検査ツール、裏面検査ツール、マクロ検査ツールまたは多モード検査ツール（１つ以上のプラットフォームからの同時のデータを含む）、および本明細書に記載される方法から益する任意の他の計測または検査ツールとして構成され得る。

種々の実施形態は、本明細書において、試験片を処理するために用いられ得る半導体処理システム（例えば、検査システムまたはリソグラフィーシステム）に関して記載された。本明細書において、用語「試験片」は、当技術分野で知られる手段によって処理され得る（例えば、印刷される、または欠陥を検査される）ウェハ、レチクルまたは任意の他の試料を指すために用いられる。

本明細書に記載される場合、用語「ウェハ」は一般に、半導体または非半導体材料で形成された基板を指す。例は、限定はしないが、単結晶シリコン、ヒ化ガリウム、リン化インジウムを含む。そのような基板は、半導体製造設備において一般的に見られる、および／または処理され得る。いくつかの場合において、ウェハは基板のみを含み得る（すなわち、ベアウェハ）。または、ウェハは基板上に形成された異なる材料の１つ以上の層を含んでもよい。ウェハ上に形成された１つ以上の層は、「パターン付き」でも「パターンなし」でもよい。例えば、ウェハは反復可能なパターンフィーチャを有する複数のダイを含んでよい。

「レチクル」は、製造プロセスの任意の段階にあるレチクル、または、半導体製造設備内での使用向けにリリースされていてもリリースされていなくてもよい完成したレチクルであってよい。レチクル、または「マスク」は一般に、上に実質的に半透明な領域が形成され、パターン状に構成されている実質的に透明な基板として定義される。基板は例えば、アモルファスＳｉＯ_２などのガラス材料を含み得る。レチクルは、レチクル上のパターンがレジストに転写され得るように、リソグラフィープロセスの露光ステップ中に、レジストで被覆されたウェハの上に配置されてよい。

ウェハ上に形成された１つ以上の層は、「パターン付き」でも「パターンなし」でもよい。例えば、ウェハは反復可能なパターンフィーチャを有する複数のダイを含んでよい。材料のそのような層の形成および処理が、最終的に完成したデバイスをもたらす。多くの異なるタイプのデバイスがウェハ上に形成されてよく、本明細書で用いられる場合、用語ウェハは、当技術分野で知られる任意のタイプのデバイスがその上に製造されるウェハを包含することを意図している。

１つ以上の例示的実施形態において、記載される機能は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェアまたはそれらの任意の組み合わせで実装され得ることを理解されたい。ソフトウェアで実装された場合、機能は、コンピュータ可読媒体上の１つ以上の命令またはコードとして記憶または伝送されてよい。コンピュータ可読媒体は、一箇所から他箇所へのコンピュータプログラムの伝送を促進する任意の媒体を含むコンピュータ記憶媒体および通信媒体両方を含む。記憶媒体は、汎用または専用コンピュータによってアクセスされ得る任意の利用可能な媒体であってよい。例として、そのようなコンピュータ可読媒体は、限定はしないが、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭまたは他の光学ディスク記憶体、磁気ディスク記憶または他の磁気記憶装置、または、命令またはデータ構造の形式で所要のプログラムコード手段を搬送または記憶するのに用いることができ、汎用または専用コンピュータまたは汎用または専用プロセッサによってアクセスされ得る任意の他の媒体を含み得る。さらに、あらゆる接続が、正式にコンピュータ可読媒体と呼ばれる。例えば、ソフトウェアが、同軸ケーブル、光ファイバケーブル、ツイストペア、デジタルサブスクライバライン（ＤＳＬ）、または赤外、ラジオ、およびマイクロ波などの無線技術を用いてウェブサイト、サーバ、または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、または赤外、ラジオおよびマイクロ波などの無線技術は媒体の定義に含まれる。ディスク（ｄｉｓｋ）およびディスク（ｄｉｓｃ）は、本明細書で用いられる場合、コンパクトディスク（ＣＤ）、レーザーディスク（登録商標）、光学ディスク、デジタル万能ディスク（ＤＶＤ）、フロッピーディスクおよびブルーレイディスクを含み、ディスク（ｄｉｓｋ）は、通常、データを磁気的に再生するが、ディスク（ｄｉｓｃ）は、レーザーを用いてデータを光学的に再生する。上記のものの組み合わせも、コンピュータ可読媒体の範囲内に含まれるものとする。

上記ではいくつかの特定の実施形態を、説明目的で記載したが、本特許明細書の教示は一般的な適用可能性を有し、上記に記載した特定の実施形態に限定されない。したがって、記載された実施形態の種々の特徴の種々の修正、適合および組み合わせが、請求項に記載される本発明の範囲から逸脱せずに実施され得る。

Claims (5)

1. 方法であって、
   狭帯域照明光ビームを生成し、
   狭帯域照明光ビームを、測定中の試験片上に配置された計測ターゲットに向け、
   狭帯域照明光ビームを線形偏光し、
   前記線形偏光後に、狭帯域照明光ビームを楕円偏光し、
   集束光ビームを、狭帯域照明光ビームによって照明される計測ターゲットから集束し、
   集束光ビームの第１の部分を、計測ターゲットから集束光ビームを集束するように構成された集束光学素子サブシステムの瞳面付近で、または瞳面で除去し、
   集束光ビームの第２の部分を、集束光学素子サブシステムの像面付近で、または像面で除去し、
   集束光ビームの第３の部分を、入射光に感応する表面上で検出し、
   集束光ビームの検出部分を示す複数の出力信号を生成する、
   ことを含む方法。
2. 前記狭帯域照明光ビームを線形偏光することはナノ粒子系偏光素子を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記集束光ビームの第１の部分を、前記集束光学素子サブシステムの瞳面付近で、または瞳面で除去することは、円形の開口を含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記集束光ビームの第２の部分を、前記集束光学素子サブシステムの像面付近で、または像面で除去することは、長方形の開口を含む、請求項１に記載の方法。
5. さらに、瞳絞りに、計測ターゲットのエッジから回折された光に関連する光線を遮蔽するように瞳絞りの開口の領域を調節させる第１のコマンド信号を瞳絞りに通信し、
   視野絞りに、集束光学素子サブシステムの光学機械要素との望ましくない光相互作用に関連する光線を遮蔽するために視野絞りの開口の領域を調節させる第２のコマンド信号を視野絞りに通信する、
   ことを含む請求項１に記載の方法。

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