JP6790248B2 - 高アスペクト比構造測定のための赤外分光反射計 - Google Patents

高アスペクト比構造測定のための赤外分光反射計 Download PDF

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Description

記載する実施形態は、計測システム及び方法に関し、より具体的には、半導体構造についての改善された測定の方法及びシステムに関する。
関連出願の相互参照
本特許出願は、２０１６年９月２９日に出願された米国仮特許出願第６２／４０１,８４０号に基づく、米国特許法第１１９条の下での優先権を主張し、この出願の主題は、全体が参照によって本明細書に組み込まれる。
論理及びメモリ素子等の半導体素子が、典型的には、試料に適用される一連の処理ステップによって製造される。半導体素子についての様々な特徴及び複数の構造レベルが、これらの処理ステップによって形成される。例えば、中でもリソグラフィは、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。半導体製造プロセスの追加例としては、化学機械研磨、エッチング、成長及びイオン注入が挙げられるが、これらに限定されない。複数の半導体素子が、単一半導体ウェハ上に製造され、次いで、別個の半導体素子に分離されてもよい。
計測プロセスが、半導体製造プロセス中の様々なステップにおいて使用されることにより、ウェハ上の欠陥を検出してより高い収率を促進する。光学計測技術が、サンプル破壊のリスクを伴わずに高いスループットに対する可能性を提供する。散乱計測及び反射計測の実装、並びに関連分析アルゴリズムを含むいくつかの光学計測に基づく技術は、一般に、ナノスケール構造の限界寸法、膜厚、組成、オーバーレイ及び別のパラメータを特徴付けするために使用される。
フラッシュメモリアーキテクチャは、２次元フローティングゲートアーキテクチャから完全３次元ジオメトリに移行しつつある。いくつかの例では、積層膜及びエッチング構造が、非常に深い（例えば、深さの最高が６マイクロメートル）。そのような高アスペクト比構造は、膜及びＣＤ測定に関する難題を生じさせる。これらの構造の孔及び溝の形状を規定する限界寸法を測定する能力は、所望の性能レベル及び装置収率を達成するのに重大な意味を持つ。
多くの光学技術は、低ＳＮ比（ＳＮＲ）によって損なわれるが、その理由は、照明光のごく一部だけが高アスペクト比特徴の底部に到達して、検出器まで上方に反射するからである。したがって、多くの利用可能な高スループット計測技術は、高アスペクト比構造のＣＤ及び膜の測定を確実に実行することが不可能である。限界寸法、小角Ｘ線散乱（ＣＤ−ＳＡＸＳ）、垂直入射反射計測及び散乱計測が、高アスペクト比構造についての測定解決策として探索されているが、開発は依然として進行中である。
断面走査電子顕微鏡法（ＳＥＭ）は、インライン計測に適していない低処理能力の破壊的な技術である。原子力顕微鏡法（ＡＦＭ）は、高アスペクト比構造を測定するそれの能力に限界があり、比較的低い処理能力しか有しない。ＣＤ−ＳＡＸＳは、半導体産業が必要とする高処理能力を達成したことが未だ表明されていない。モデルに基づく赤外反射率計測（ＭＢＩＲ）は、高アスペクト比ＤＲＡＭ構造の計測に使用されてきたけれども、その技術は、より短い波長によって提供される分解能が不足し、測定スポットサイズが半導体計測に対して大きすぎる。非特許文献１を参照し、その内容は、参照によって全体が本明細書に組み込まれる。
米国特許第８，８６０，９３７号明細書 米国特許出願公開第２０１３／０２２２７９５号明細書
Ｇｏｓｔｅｉｎら著、「Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｄｅｅｐ−ｔｒｅｎｃｈ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｗｉｔｈ ｍｏｄｅｌ−ｂａｓｅｄ ＩＲ」、Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、第４９巻、３番、２００６年３月１日
光学ＣＤ計測は、現在のところ、比較的小さいスポット内のミクロンスケールの深さ及び横方向寸法（例えば、５０ミクロン未満、より好ましくは３０ミクロン未満）を有する構造の詳細プロファイルを高処理能力で測定する能力が欠如している。参照によって全体が本明細書に組み込まれる特許文献１が、高アスペクト比構造の特徴付けに好適である赤外分光楕円偏光法技術を記載している。しかし、その記載された技術は、紫外波長と赤外波長とに及ぶ測定のための長い測定時間、波長安定性限界、及び動作中の赤外波長の限定された範囲によって損なわれる。
要約すると、特徴サイズの低下の進行及び構造特徴の深さの増加が、光学計測システムに困難な必要条件を課す。光学計測システムは、複雑さを増すターゲットに対する高い精度及び正確度の必要条件を、費用効果を維持する高処理能力で満足させなければならない。この文脈で、広帯域照明及びデータ収集の速度、赤外波長の範囲は、高アスペクト比構造のための好適な光学計測システムの設計における重大な性能限界問題として現れた。したがって、これらの限界を克服する改善された計測システム及び方法が、望まれている。
赤外波長で半導体構造の分光反射率計測測定を実行するための方法及びシステムを本明細書において提示する。いくつかの実施形態では、紫外、可視及び赤外の波長を含むスペクトルが、同一のアラインメント条件を伴って高い処理能力で同時に測定される。このように、波長誤差等のマシンエラーが、全ての測定波長にわたって一様に修正される。
別の側面では、分光測定がウェハの表面に垂直な方向の軸外で実行されることにより、測定結果に及ぼす背面反射の影響を低減する。
更に別の側面では、広範囲の赤外波長が、異なる感度特徴を有する複数の感光領域を含む検出器によって検出される。収集された光は、波長によって検出器の表面を横切って直線的に分散させられる。それぞれの異なる感光領域が検出器上に配列されていることにより、入射波長の異なる範囲を感知する。このように、広範囲の波長が単一検出器によって高ＳＮ比で検出される。これらの特徴は、別個に又は結合して、高アスペクト比構造（例えば、１マイクロメートル以上の深さを有する構造）についての高処理能力測定を高い処理能力、精度及び正確度を伴って可能にする。
更なる側面では、本明細書に記載するような赤外分光反射計を組み込む計測システムが、また、１９０ナノメートルと９００ナノメートルとの間の波長範囲内で動作する１つ又は複数の追加測定チャネルを含む。これらの測定チャネルは、分光反射計、楕円偏光計、散乱計又はその任意の結合として構成されてもよい。
いくつかの実施形態では、計測システムは、本明細書に記載するような赤外分光反射計、及び１９０ナノメートルと９００ナノメートルとの間の波長範囲内で動作する分光楕円偏光計を組み込む。赤外分光反射計は、４０度未満（例えば、５度と４０度との間）の入射角での測定を実行するように構成されており、分光楕円偏光計は、４０度超（例えば、５０度と９０度との間）の入射角で測定を実行するように構成されている。これらの実施形態のうちのいくつかでは、赤外分光反射計の測定スポットが、分光楕円偏光計の測定スポットと同じ位置にある。いくつかの別の実施形態では、測定スポットは同じ位置にはない。
いくつかの実施形態では、計測システムは、７５０ナノメートルと２６００ナノメートルとの間の波長範囲内で動作する、本明細書に記載するような１つ又は複数の赤外分光反射計測測定チャネルを組み込む。加えて、計測システムは、１つ又は複数の追加チャネルを含み、当該追加チャネルは、１９０ナノメートルから９００ナノメートルまでの波長範囲内で測定するＣＣＤセンサ等のＵＶ〜近ＩＲ検出器を利用する少なくとも１つのＵＶ〜近ＩＲ分光計チャネル、１５０ナノメートルから３００ナノメートルまでの波長範囲内で測定する遠ＵＶ−ＣＣＤセンサを利用する少なくとも１つの遠ＵＶ分光計チャネル、２５００ナノメートルと４５００ナノメートルとの間の波長範囲内で測定する少なくとも１つの中ＩＲ分光計チャネル、又はその任意の結合を含むが、これらに限定されない。
いくつかの実施形態では、計測システムの１つ又は複数の測定チャネルは、波長及び入射角の異なる範囲に加えて、異なる方位角でウェハを測定するように構成されている。いくつかの実施形態では、本明細書に記載するような赤外分光反射計を含む計測システムは、計測ターゲットに対して０度及び９０度の方位角でウェハについての測定を実行するように構成されている。いくつかの実施形態では、計測システムは、同時に１つ又は複数の波長範囲、１つ又は複数のＡＯＩ範囲及び１つ又は複数の方位角にわたってウェハ反射率を測定するように構成されている。
前述のものは、概要であり、したがって、簡略化、一般化及び詳細の省略を必然的に含み、その結果、当業者であれば、概要が例示に過ぎず、いかなる形であれ限定ではないことを認識するであろう。本明細書に記載する装置及び／又はプロセスの別の側面、発明的特徴及び利点は、本明細書で述べられた限定的ではない詳細な記載において明白になるであろう。
半導体製造プロセスのエッチングステップにおいてハードマスク材料として使用される２つの非晶質炭素膜の吸光係数についてのプロットを表す。 図１に示す２つの非晶質炭素膜から反射された光の百分率のプロットを表す。 様々な測定シナリオにおける期待３シグマ測定精度を予測するシミュレーション結果を示すチャート１６５である。 楕円偏光計及び反射計による測定下のシリコン基板１６７の最上部に配設された非晶質炭素層１６６を表す。 ｐ偏光照明光に対するｓ偏光照明光の反射率を入射角の関数として表す。 半導体構造についての広帯域赤外分光反射率計測測定を実行するための例示的計測システム１００を表す。 近垂直入射で基板上に配設された膜層への照明入射を表すけれども、特に垂直入射を回避している。 垂直入射で基板上に配設された膜層への照明入射を表す。 半導体構造についての広帯域赤外分光反射率計測測定を実行するための例示的計測システム２００を表す。 半導体構造についての広帯域赤外分光反射率計測測定を実行するための例示的計測システム３００を表す。 マルチゾーン赤外検出器１８０の説明図である。 ４つの利用可能なＩｎｄｉｕｍ Ｇａｌｌｉｕｍ Ａｒｓｅｎｉｄｅ（ＩｎＧａＡｓ、ひ化ガリウムインジウム）センサの典型的な感光曲線である。 本明細書に記載するような赤外分光反射計を使用して非晶質炭素膜上で収集された反射率の実験スペクトル測定値を表す。 本明細書に記載するような赤外分光反射計を使用して非晶質炭素膜上で収集された反射率の実験スペクトル測定値を表す。 本明細書に記載するような赤外分光反射計を使用して非晶質炭素膜上で収集された反射率の実験スペクトル測定値を表す。 本明細書に記載するような赤外分光反射計を使用して非晶質炭素膜上で収集された反射率の実験スペクトル測定値を表す。 本明細書に記載するような赤外分光反射計を使用して非晶質炭素膜上で収集された反射率の実験スペクトル測定値を表す。 測定されている構造中への弱い光透過から損害を受ける例示的高アスペクト比ＮＡＮＤ構造４００を表す。 １つ又は複数の構造についての赤外分光反射率計測測定を実行する方法５００を示す。
ここで、本発明についての背景例及びいくつかの実施形態への参照が詳細になされ、それらについての例が添付図面に示される。
半導体構造についての分光反射率計測測定を赤外波長で実行するための方法及びシステムが本明細書に提示される。いくつかの実施形態では、紫外、可視及び赤外の波長を含むスペクトルが、同一のアラインメント条件を有する高処理能力で同時に測定される。このように、波長誤差等のマシンエラーは、全ての測定波長全体にわたって一様に修正される。更なる側面では、分光測定は、ウェハの表面に垂直な方向から軸外で実行されることにより、測定結果に及ぼす背面反射の影響を低減する。別の更なる側面では、広範囲の波長が、異なる感度特性を有する複数の感光領域を含む検出器によって検出される。収集された光は、波長によって検出器の表面を横切って直線的に分散させられる。それぞれの異なる感光領域は、入射波長の異なる範囲を感知するように検出器上に配列される。このように、広範囲の波長が、単一の検出器によって高ＳＮ比で検出される。これらの特徴は、別個に又は結合して、高アスペクト比構造（例えば、１マイクロメートル以上の深さを有する構造）についての高処理能力、精度、及び正確度を伴う高処理能力測定を可能にする。
単一のシステム内で赤外、可視及び紫外光を用いてターゲットを同時に測定することによって、複雑な３次元構造についての正確な特徴付けが可能にされる。一般に、比較的長い波長は、比較的大きいピッチで構造を測定するとき、構造の中に深く浸透して、高い回折次数を抑制する。比較的短い波長は、比較的短い波長にとってアクセス可能な構造（すなわち、最上層）並びに比較的小さいＣＤ及び粗さ特徴についての正確な寸法情報を提供する。いくつかの例では、より長い波長は、より長い波長の粗さに対するより低い感度に起因して、比較的粗い表面又は界面を有するターゲットの寸法特徴の測定を可能にする。
いくつかの実施形態では、本明細書に記載する半導体素子についての分光計測のための方法およびシステムは、高アスペクト比（ＨＡＲ）、大横方向寸法、又はその両方の構造についての測定に適用される。これらの実施形態は、ＨＡＲ構造（例えば、ＮＡＮＤ、ＶＮＡＮＤ、ＴＣＡＴ、ＤＲＡＭ等）を有する半導体素子についての、より一般的には、測定されている構造への弱い光浸透から損害を受ける複雑な素子についての光学限界寸法（ＣＤ）、膜及び組成計測を可能にする。ＨＡＲ構造は、ＨＡＲに対してエッチングプロセスを容易にするためのハードマスク層を含むことが多い。明細書に記載するように、「ＨＡＲ構造」とは、２:１又は１０：１を超える、及び１００：１と同じほど高い又はより高くてもよいアスペクト比によって特徴付けられた任意の構造を指す。
図１は、２つの非晶質炭素膜の吸光係数についてのプロットを表し、当該炭素膜は、３次元ＮＡＮＤ構造のための製造プロセスのエッチングステップにおいてハードマスク材料として使用される。プロット線１６１は、非晶質炭素膜Ａについて波長の関数として吸光係数を表し、プロット線１６２は、非晶質炭素膜Ｂについて波長の関数として吸光係数を表す。膜Ａの吸光係数は、２００ナノメートルから２２００ナノメートルまでの波長範囲全体を通して比較的高い値を維持する。したがって、膜Ａは、近ＩＲスペクトル領域を通してさえ強い吸収性がある。
図２は、反射計によって測定されたときに１２，５００オングストロームの厚さを有する膜Ａ及びＢから反射された光の百分率についてのプロットである。膜Ａから反射された光の百分率は、２００ナノメートルから２２００ナノメートルまでの波長範囲全体を通して極めて低いままである。図２に示すように、入射光の約０．０５％を収集するのに必要な最短波長は、約２０００ナノメートルである。約１８００ナノメートル以下では、収集される信号の量は、実際には計測不可能である。
図１及び２は、短波長赤外光（例えば、１４００ナノメートル〜３０００ナノメートル）、及び更に中間波長赤外光（例えば、３０００ナノメートル〜５０００ナノメートル以上）を使用して、半導体製造に使用される重要材料についての反射率に基づく測定を実行することの重要性を示している。
加えて、高消光比材料を測定するときには、反射計と楕円偏光計構成が異なる有効性を示す。図３は、様々な測定シナリオにおいて期待される３シグマ測定精度を予測するシミュレーション結果を示すチャート１６５である。２つの異なる厚さ（１５，０００オングストローム及び２０，０００のオングストローム）の非晶質炭素層についての膜厚測定が、分光反射計構成及び分光楕円偏光計構成の両方においてシミュレーションされる。加えて、２つの異なる範囲の照明波長が考慮される。１つのシナリオＳＥ及びＳＲにおいて、測定が、９５０ナノメートルから２２００ナノメートルまでの照明波長範囲についてシミュレーションされる。別のシナリオＳＥ及びＳＲにおいて、測定は、９５０ナノメートルから２５００ナノメートルまでの照明波長範囲についてシミュレーションされる。図３に示すように、ＳＲ構成は、ＳＥ測定と比較して有意により大きい測定精度を達成している。加えて、照明波長の拡大範囲において実行される測定が、また、より大きい測定精度を達成する。
反射計が、垂直入射又は近垂直入力で動作するので、楕円偏光計にわたる「経路長さ」の利点を有する。図４は、シリコン基板１６７の最上部上に配設された非晶質炭素層１６６を表す。楕円偏光計構成において、照明光１６８は、比較的大きい角度（例えば、４０度超の入射角）で膜１６６に入射する。光は、空気−膜界面において、屈折して、有意にゼロ超である屈折角で膜１６６を通って伝播する。同様に、膜１６６の底面から反射された光は、その屈折角で膜１６６を通って伝播し、空気−膜界面において屈折し、ＳＥシステムの検出器まで伝播する。対照的に、反射計構成においては、照明光１７０は、比較的小さい角度（例えば、垂直入射反射率計測の場合についてゼロ角度）で膜１６６に入射する。垂直入射では、光は、屈折せずに膜１６６を通って伝播して、膜１６６の底面から直接反射して戻る。反射光１７１は、ＳＲ検出器まで伝播する。図４に表すように、膜１６６を通る照明光及び反射光の光路長は、ＳＲ構成よりもＳＥ構成においてより長い。膜１６６内でのこの追加の光路長は、計測信号の追加の吸収及び損失をもたらす。この理由で、非晶質炭素層等の高吸収性材料の計測に対して、比較的小さい角度のＳＲ構成は、比較的大きい角度のＳＥ構成よりも好ましい。
図５は、ｐ偏光照明光に対するｓ偏光照明光の反射率を入射角の関数として表す。プロット線１７２は、ｓ偏光の反射率を表し、プロット線１７３は、ｐ偏光の反射率を表す。図５に示すように、ｐ偏光の反射率は、ＳＥ測定に使用される典型的な角度範囲内（例えば、４０度超のＡＯＩ）で有意に低下する。低下は、ブルースター角近傍において特に急激である。図５に示すように、ｐ偏光の反射率における有意な低下を回避するために、小角ＳＲ構成（例えば、４０度未満のＡＯＩ）が好ましい。
一側面では、７５０ナノメートルと２６００ナノメートルとの間の波長範囲に及ぶ１つ又は複数の測定チャネルを含む赤外分光反射計が、半導体構造の測定を実行するために使用される。１つ又は複数の測定チャネルが、並行して（すなわち、波長範囲全体を通したサンプルについての同時測定）、又は順番に（すなわち、波長範囲全体を通したサンプルについての連続測定）動作可能である。
図６は、半導体構造（例えば、膜厚、限界寸法、オーバレイ等）の広帯域赤外分光反射率計測測定を実行するための例示的計測システム１００を表す。いくつかの例では、１つ又は複数の構造は、少なくとも１つの高アスペクト比（ＨＡＲ）構造、又は少なくとも１つの大横方向寸法構造を含む。図６に表すように、計測システム１００は、斜入射、広帯域分光反射計として構成されている。しかし、一般に、計測システム１００は、また、追加の分光反射計、分光楕円偏光計、散乱計又はそれらの任意の結合を含んでもよい。
計測システム１００は、照明光１１７入射のビームをウェハ１２０上に生成する照明源１１０を含む。いくつか実施形態では、照明源１１０は、紫外、可視及び赤外のスペクトルの照明光を放出する広帯域照明源である。一実施形態では、照明源１１０は、レーザー維持プラズマ（ＬＳＰ）光源（別名、レーザー駆動プラズマ源）である。ＬＳＰ光源のポンプレーザーは、連続波又はパルス型であってもよい。レーザー駆動プラズマ源は、１５０ナノメートルからの２０００ナノメートルまでの波長範囲全体にわたってキセノンランプよりも有意に多い光子を生成してもよい。照明源１１０は、単一の光源、又は複数の広帯域若しくは離散波長光源の結合であってもよい。照明源１１０によって生成された光は、紫外から赤外まで（例えば、遠紫外から中間赤外まで）の連続スペクトル、又は連続スペクトルの部分を含む。一般に、照明光源１１０は、スーパーコンティニュームレーザー源、赤外ヘリウムネオンレーザー源、アーク灯（例えば、キセノンアーク灯）、重水素ランプ又は別の好適な光源を含んでもよい。
更なる側面では、ある量の照明光は、少なくとも５００ナノメートルに及ぶ波長の範囲を含む広帯域照明光である。一例では、広帯域照明光は、２５０ナノメートル以下の波長、及び７５０ナノメートル以上の波長を含む。一般に、広帯域照明光は、１２０ナノメートルと３，０００ナノメートルとの間の波長を含む。いくつかの実施形態では、３，０００ナノメートル超の波長を含む広帯域照明光が、使用されてもよい。いくつかの例では、広帯域照明光は、５，０００ナノメートルまでの波長を含む。
図６に表すように、計測システム１００は、照明光１１７をウェハ１２０上に形成された１つ又は複数の構造まで導くように構成された照明サブシステムを含む。照明サブシステムは、光源１１０、１つ又は複数の光学フィルタ１１１、偏光構成要素１１２、視野絞り１１３、開口絞り１１４及び照明光学部品１１５を含むように示されている。１つ又は複数の光学フィルタ１１１は、照明サブシステムからの光レベル、スペクトル出力、又はその両方を制御するために使用される。いくつかの例では、１つ又は複数のマルチゾーンフィルタが、光学フィルタ１１１として使用される。偏光構成要素１１２が、照明サブシステムから出る所望の偏光状態を生成する。いくつかの実施形態では、偏光構成要素は、偏光器、補償器又はその両方であって、任意の好適な市販の偏光構成要素を含んでもよい。偏光構成要素は、異なる固定位置に固定されても、又はそれに対して回転可能であってもよい。図６に表す照明サブシステムは、１つの偏光構成要素を含むけれども、照明サブシステムが２つ以上の偏光構成要素を含んでもよい。視野絞り１１３は、照明サブシステムの視野（ＦＯＶ）を制御し、そして任意の好適な市販の視野絞りを含んでもよい。開口絞り１１４は、照明サブシステムの開口数（ＮＡ）を制御し、そして任意の好適な市販の開口絞りを含んでもよい。照明源１１０からの光は、照明光学部品１１５を通して導かれて、ウェハ１２０上の１つ又は複数の構造（図６に示さず）に集中させられる。照明サブシステムは、分光反射率計測の技術分野で公知の、任意のタイプ及び配列の光学フィルタ１１１、偏光構成要素１１２、視野絞り１１３、開口絞り１１４、及び照明光学部品１１５を含んでもよい。
図６に表すように、照明光１１７のビームは、ビームが照明源１１０からウェハ１２０まで伝播するときに、光学フィルタ１１１、偏光構成要素１１２、視野絞り１１３、開口絞り１１４及び照明光学部品１１５を通過する。ビーム１１７は、測定スポット１１６にわたってウェハ１２０の一部分を照明する。
いくつかの例では、ウェハ１２０の表面上に投射されたある量の照明光１１７のビームサイズは、試料の表面上で測定される測定ターゲットのサイズよりも小さい。例示的ビーム整形技術が、Ｗａｎｇらによる米国特許出願公開第２０１３／０１１４０８５号に詳述されており、その内容は、全体として参照により本明細書に組み込まれる。
計測システム１００は、また、１つ又は複数の構造と入射照明ビーム１１７との間の相互作用によって生成された光を収集するように構成された収集光学部品サブシステムを含む。収集される光のビーム１２７は、収集光学部品１２２によって測定スポット１１６から収集される。収集された光１２７は、収集光学部品サブシステムの収集開口絞り１２３、偏光素子１２４及び視野絞り１２５を通過する。
収集光学部品１２２は、ウェハ１２０上に形成された１つ又は複数の構造から光を収集する任意の好適な光学素子を含む。収集開口絞り１２３は、収集光学部品サブシステムのＮＡを制御する。偏光素子１２４は、所望の偏光状態を分析する。偏光素子１２４は、分析器又は補償器である。偏光素子１２４は、異なる固定位置に固定されても、又はそれに対して回転可能であってもよい。図６に表す収集サブシステムは、１つの偏光素子を含むけれども、収集サブシステムが２つ以上の偏光素子を含んでもよい。収集視野絞り１２５は、収集サブシステムのＦＯＶを制御する。収集サブシステムは、ウェハ１２０からの光を捕らえて、光を収集光学部品１２２及び偏光素子１２４を通して導くことにより収集視野絞り１２５に集中させる。いくつかの実施形態では、収集視野絞り１２５は、検出サブシステムの分光計のための分光計スリットとして使用される。しかし、収集視野絞り１２５は、検出サブシステムの分光計の分光計スリット１２６のところに又はその近傍に配置されてもよい。
収集サブシステムは、分光反射率計測の技術分野で公知の、任意のタイプ及び配列の収集光学部品１２２、開口絞り１２３、偏光素子１２４及び視野絞り１２５を含んでもよい。
図６に表す実施形態では、収集光学部品サブシステムは、光を検出サブシステムの２つ以上の分光計に導く。検出サブシステムは、照明サブシステムによって照明された１つ又は複数の構造から収集された光に応じて出力を生成する。
一側面では、検出器サブシステムは、２つ以上の検出器を含み、当該検出器は、同時に赤外を含む異なる波長範囲にわたって収集された光を検出するようにそれぞれ構成されている。
図６に表す実施形態では、収集された光１２７は、分光計スリット１２６を通過して、回析素子１２８に入射する。回析素子１２８は、１つのサブセットの波長の入射光を±１の回折次数へと回折させ、異なるサブセットの波長の入射光をゼロの回折次数へと回折させるように構成されている。図６に表すように、紫外スペクトルを含む入射光の部分１２９は、回析素子１２８によって検出器１４１に向かって±１の回折次数で分散させられる。加えて、回析素子１２８は、赤外波長を含む入射光の部分１４０を格子１４７に向かってゼロの回折次数で反射させるるように構成されている。光１４０は、回析素子１４７に入射し、回析素子１４７は、赤外波長を含む入射光１４０の部分１４８を検出器１５０に向かって±１の回折次数で分散させる。
図６に表す実施形態では、回析素子１２８は、反射型格子素子である。しかし、一般に、回析素子１２８は、入射光を異なる波長帯域へと細分化し、異なる波長帯域を異なる方向に伝播させ、波長帯域のうちの１つの光を任意の好適な方式で検出器上に分散させるように構成されてもよい。一例では、回析素子１２８は、透過型格子として構成される。いくつかの別の例では、回析素子１２８は、ビームを異なる波長帯域に細分化するビーム分割素子と、反射型又は透過型格子構造と、を含むことにより、波長帯域のうちの１つを検出器１４１上に分散させる。
反射型格子１２８が使用される理由は、それが、紫外スペクトル領域において±１の次数への高回折効率を示し、赤外スペクトル領域に対してゼロ次の回折次数への高回折効率を示すからである。反射型格子を使用することによって、ビーム分割素子（ダイクロイックビーム分割素子等）に固有の損失が回避される。
回析素子１２８及び１４７は、それぞれの２次元検出器の１つの次元（すなわち、それぞれの検出器についての図６に示す波長分散方向）に沿った波長によって１次回折光を直線的に分散させる。例示のために、２つの異なる波長で検出された光が、検出器１４１の表面上に示されている。回析素子１２８は、検出器１４１の表面上に投射された２つの異なる波長の光の間に空間分離を生じさせる。このように、特定の波長を有する、測定スポット１１６から収集された光が、スポット１４２Ａにわたって検出器１４１上に投射され、別の異なる波長を有する、測定スポット１１６から収集された光が、スポット１４２Ｂにわたって検出器１４１上に投射される。
一例では、検出器１４１は、紫外光及び可視光（例えば、１９０ナノメートルと８６０ナノメートルとの間の波長を有する光）を感知できる電荷結合素子（ＣＣＤ）である。一例では、検出器１５０は、赤外光（例えば、９５０ナノメートルと５０００ナノメートルとの間の波長を有する光）を感知できる光検出器アレイ （ＰＤＡ）である。しかし、一般に、別の２次元検出器技術（例えば、位置感知検出器（ＰＳＤ）、赤外検出器、光起電検出器等）が考慮されてもよい。それぞれの検出器は、入射光を入射光のスペクトル強度を示す電気信号に変換する。例えば、ＵＶ検出器１４１は、入射光１２９を示す出力信号１５４Ａを生成し、ＩＲ検出器１５０は、入射光１４８を示す出力信号１５４Ｂを生成する。
図６に表すように、検出サブシステムは、収集された光が計測システム１００の全ての検出器に同時に伝播するように配列されている。計測システム１００は、また、ＵＶ及びＩＲ信号の両方を含む検出された信号１５４を受信するように構成されたコンピューティングシステム１３０を含み、ＵＶ及びＩＲ信号の両方に基づいて測定された構造についての対象パラメータの値の推定値１５５を決定する。同時に収集することによって、ＵＶ及びＩＲスペクトル測定時間が、低減され、全てのスペクトルが、同一のアラインメント条件によって測定される。このことは、波長誤差がより容易に修正されるのを可能にし、その理由は、共通の修正が全てのスペクトルデータセットに適用されてもよいからである。
別の側面では、本明細書に記載する赤外分光反射計のうちの１つ又は複数は、軸外の照明、収集又はその両方を使用することにより、下にある基板の底部からの反射によって生成された測定信号を拒絶する。
図７は、基板１６７上に配設されている膜層１６６上に入射する照明１５５を示す。図５に表すように、照明は、近垂直入射で配列されているけれども、特に垂直入射（ＡＯＩ＝０度）は回避している。入射光の一部分は、膜１６６の表面から反射し、別の一部分１５８は、膜１６６と基板１６７との間の界面から反射する。これらの反射は、望ましいものであり、反射計測技術に基づいて膜１６６の厚さを推定するために収集されなければならない。しかし、加えて、入射光１５５の一部分１５６は、基板１６７に浸透する。光１５６の一部分１５７は、基板の底部（例えば、ウェハの背面）から反射して、基板１６７及び膜１６６を通って伝播する。光１５７は、望ましいものでなく、膜１６６についての測定を乱す。図７に表すように、収集開口１５９は、基板１６７の背面から反射された望ましくない光１５７を遮断するためにうまく使用される。このことは、照明のゼロでない入射角が、膜１６６の上面及び底面から反射された光と、基板１６７の底部から反射された光１５７との間に空間分離を生じさせるので可能である。
対照的に、図８は、基板１６７上に配設されている膜層１６６上への照明１７５入射を表す。図８に表すように、照明は、垂直入射で配列されている。入射光１７５の一部分は、膜１６６の表面から反射し、別の一部分は、膜１６６と基板１６７との間の界面から反射する。加えて、入射光１７５の一部分１７６は、基板１６７に浸透する。光１７６の一部分１７７は、基板の底部（例えば、ウェハの背面）から反射して、基板１６７及び膜１６６を通って伝播する。光１７７は、望ましいものではなく、膜１６６についての測定を乱す。図８に表すように、収集開口１７４は、基板１６７の背面から反射された望ましくない光１７７を遮断することができず、その理由は、照明のゼロ入射角が、膜１６６の上面及び底面から反射された光と、基板１６７の底部から反射された光１７７との間に空間分離を生じさせないからである。
したがって、いくつかの実施形態では、非ゼロの入射角で、本明細書に記載するような赤外反射率計測測定を実行することが好ましい。このように、背面反射から生成された光は、測定から有効に遮断されてもよい。いくつかの実施形態では、図７に関して記載し、また、図９の実施形態に示すように、斜照明が使用されることにより、背面反射に対する測定感度を低減させる。いくつかの別の実施形態では、垂直照明が使用されるけれども、収集開口絞り若しくはその結合体のところ又はその近傍にある収集経路内の遮蔽マスク２２３が使用されることにより、開口数を超える中央放射線を遮蔽して、背面反射が、図１０の実施形態に示すような測定光学部品の中に入ることが許容されない。この手法は、垂直照明入射を可能にするけれども、起こりうる不利益（例えば、中央が遮蔽された瞳孔、光損失及びアルゴリズムの複雑性）を受ける。いくつかの別の実施形態では、遮蔽２２３が照明経路内にある。
図９は、別の一実施形態での、７５０ナノメートルと２６００ナノメートルとの間の波長範囲に及ぶ１つ又は複数の測定チャネルを含む赤外分光反射計を表す。一側面では、赤外分光反射計２００は、垂直入射を回避するためのシュワルツシルト対物レンズを含む。図９に示す同様の番号付き要素は、図６に関して説明されたものに類似している。
赤外分光反射計２００は、偏光器２０４と、対物レンズ２０１と、検光器２１０と、分光計２１２と、を含む。図９に表すように、光ビームが、コンピューティングシステム１３０から受信されたコマンド信号に応じて照明源２０２によって生成される。照明源２０２からの光は、随意のビーム形成光学部品２０３によって調節されて、照明光ビーム２２０を生成する。照明光ビーム２２０は、偏光器２０４まで導かれる。表すように、一般に偏光器２０４まで導かれる照明光は、照明源２０２から来るけれども、システム１００の照明源のうちのいずれかからの光は、偏光器２０４に導かれる照明光ビームを生成するために結合されてもよい。このように、照明光のスペクトル成分は、複数の照明源から放出された光の結合として構成されてもよい。
いくつかの実施形態では、偏光器２０４は、照明光ビーム２２０の光軸の周りに偏光素子を選択的に回転させるように構成されている。一般に、偏光器２０４は、任意の偏光素子と、当該技術分野で公知の偏光素子を回転させるためのシステムと、を含んでもよい。例えば、偏光器２０４は、回転式アクチュエータに機械的に結合された偏光素子を含んでもよい。一例では、偏光素子は、ロションプリズムであってもよい。別の一例では、偏光素子は、ビームディスプレーサを含んでもよい。偏光器２０４は、回転可動又は回転不可動状態のいずれかでシステム２００内部で作動するように構成されている。一例では、偏光器２０４の回転式アクチュエータが不可動状態であることにより、偏光素子が照明光２２０の光軸の周りでの回転が固定されたままであってもよい。別の例では、回転式アクチュエータは、照明光の光軸の周りを選択された角振動数ωｐで偏光素子を回転させてもよい。
いくつかの別の実施形態では、偏光器２０４は、照明光ビーム２２０の光軸の周りに固定偏光角を有するように構成されている。
図９に表すように、照明光ビーム２２０は、回転式アクチュエータが選択された角振動数ωｐで偏光素子を回転させる間に、偏光器２０４を通過する。このように、偏光器２０４は、ビームスプリッタ２０６に向かって導かれる偏光光ビーム２２１を生成する。ビームスプリッタ２０６は、対物レンズ２０１に向かって偏光光ビーム２２１を導く。
図９に表す実施形態では、対物レンズ２０１は、反射光学素子だけを含むシュワルツシルトタイプ対物レンズである。図９に表すシュワルツシルト対物レンズは、光軸ＯＡと整列している開口部（例えば、孔）を有する凹面鏡２０８を含むことにより、光が対物レンズ２０１の中を及びそれから外に進むのを可能にする。入来光は、開口部を通過して、凹面鏡２０８に向かって凸面鏡２０７から反射する。反射光は、凹面鏡２０８によってウェハ２１２の表面に集中させられる。偏光光ビーム２２１は、対物レンズ２０１による入射角の範囲にわたってウェハ２１２の表面に集中させられるが、当該入射角は、ゼロ入射角（すなわち、ウェハ２１２の表面に垂直）ではない。いくつかの例では、偏光光ビーム２２１は、５度と４０度との間の入射角の範囲内でウェハ２１２の表面上に集中させられる。いくつかの別の例では、偏光光ビーム２２１は、５度と２５度との間の入射角の範囲内でウェハ２１２の表面上に集中させられる。いくつかの例では、偏光光ビーム２２１の一部分は、２０度未満の入射角でウェハ２１２の表面上に集中させられる。いくつかの別の例では、偏光光ビーム２２１の一部分は、１５度未満の入射角でウェハ２１２の表面上に集中させられる。いくつかの例では、偏光光ビーム２２１は、小入射角でウェハ２１２の表面上に集中させられて、小照明スポットをもたらす。いくつかの例では、結果として生じた照明スポットは、直径が２０マイクロメートル未満である。いくつかの別の例では、結果として生じた照明スポットサイズは、直径が１０マイクロメートル未満である。
集中偏光光ビーム２２１とウェハ２１２との相互作用は、反射、散乱、回折、伝送又は別のタイプのプロセスのうちのいずれかによって放射の偏波を修正する。ウェハ２１２との相互作用の後に、修正光２２２は、対物レンズ２０１によって収集されて、ビームスプリッタ２０６まで導かれる。ウェハ２１２からの光は、凹面鏡２０８によって収集されて、凸面鏡２０７上に集中させられ、そのところでビームスプリッタ２０６に向かって入来光と同じ孔を通ってシュワルツシルト対物レンズを出る。ビームスプリッタ２０６は、検光器２１０に向かって修正光２２２を伝送するように構成されている。図９に表す実施形態では、検光器２１０は、偏光器要素を含み、当該偏光器要素は、修正光ビーム２２２が検光器２１０及び随意のビーム集中光学部品２１１を通過して分光計２１２まで進む間、修正光ビーム２２２の光軸の周りでの回転が固定されたままである。分光計２１２において、異なる波長を有するビーム構成成分は、（例えば、プリズム分光計内で）屈折させられるか、又は異なる検出器まで異なる方向に（例えば、格子分光計内で）回析させられる。検出器は、フォトダイオードの直線配列であってもよく、この場合、それぞれのフォトダイオードは、異なる波長範囲内の放射を測定する。分光計２１２によって受け取られた放射は、偏光状態に関して分析されて、偏光器２１２によって渡された放射についての分光計による分光分析を可能する。これらのスペクトル２２８は、ウェハ２１２の構造特徴の分析のためにコンピューティングシステム１３０に渡される。
図１０は、別の一実施形態における、７５０ナノメートルと２６００ナノメートルとの間の波長範囲に及ぶ１つ又は複数の測定チャネルを含む赤外分光反射計を表す。一側面では、赤外分光反射計３００は斜入射を達成するための軸外の遮蔽されていない対物レンズ３０１を含む。図１０に示す同様の番号付き要素は、図６及び９に関して記載されたそれらのものに類似している。
赤外分光反射計３００は、図９に関して記載された赤外分光反射計２００に類似している。しかし、シュワルツシルト対物レンズの代わりに、軸外の遮蔽されていない対物レンズ３０１が使用される。入来光は、凹面鏡３０８に向かって凸面鏡３０７から反射する。反射光は、凹面鏡３０８によってウェハ３１２の表面上に集中させられる。偏光光ビーム２２１は、対物レンズ３０１によって、入射角の範囲にわたってウェハ３１２の表面上に集中させられる。いくつかの例では、偏光光ビーム２２１は、５度と４０度との間の入射角の範囲内でウェハ３１２の表面上に集中させられる。いくつかの別の例では、偏光光ビーム２２１は、５度と２５度との間の入射角の範囲内でウェハ３１２の表面上に集中させられる。いくつかの例では、偏光光ビーム２２１の一部分は、２０度未満の入射角でウェハ３１２の表面上に集中させられる。いくつかの別の例では、偏光光ビーム２２１の一部分は、１５度未満の入射角でウェハ３１２の表面上に集中させられる。偏光光ビーム２２１は、小入射角でウェハ３１２の表面上に集中させられて、小照明スポットをもたらす。いくつかの例では、結果として生じた照明スポットは、直径２０マイクロメートル未満である。いくつかの別の例では、結果として生じた照明スポットサイズは、直径１０マイクロメートル未満である。いくつかの例では、図１０に表すマスク２２３等の、中央遮蔽を有する照明マスクは、照明瞳のところに又はその近くにある。
集中偏光光ビーム２２１とウェハ３１２との相互作用は、反射、散乱、回折、伝送又は別のタイプのプロセスのうちのいずれかによって放射の偏光を修正する。ウェハ３１２との相互作用の後に、修正光２２２は、対物レンズ３０１によって収集されて、ビームスプリッタ２０６まで導かれる。ウェハ３１２からの光は、凹面鏡３０８によって収集されて、凸面鏡３０７上に集中させられ、そのところで、光は、視準されてビームスプリッタ２０６に向かって対物レンズ３０１を出る。いくつかの別の例では、図１０に表すマスク２２３等の、中央遮蔽を有する収集マスクは、収集瞳のところに又はその近くにある。
軸外の遮蔽されていない対物レンズの例示的な実施例が、Ｒａｍｐｏｌｄｉらによる米国特許出願公開第２０１６／０１３９０３２号に詳述されており、その内容は、全体として参照によって本明細書に組み込まれる。
いくつかの実施形態では、検出器サブシステムは、単一検出器パッケージ上の異なる位置で異なる感度帯域を結合させるマルチゾーン赤外検出器を含む。検出器は、入射位置に基づいて、異なる感度でデータの連続スペクトルを供給するように構成されている。
図１２は、利用可能なＩｎｄｉｕｍ Ｇａｌｌｉｕｍ Ａｒｓｅｎｉｄｅ（ＩｎＧａＡｓ、ひ化ガリウムインジウム）センサの典型的な感光性曲線である。図１２に表すように、利用可能なＩｎＧａＡｓセンサの単一センサは、１マイクロメートルから２．５マイクロメートルまでの波長帯域にわたって十分な感光性を提供することができない。このように、個々に、利用可能なセンサは、狭い周波帯にわたって感知することができるだけである。
一側面では、異なる周波帯でそれぞれ感知できる多重センサチップが、単一検出器パッケージに結合される。次に、このマルチゾーン検出器は、本明細書に記載する計測システム内に実装される。
図１１は、マルチゾーン赤外検出器１８０を作成するための４つの異なる周波帯に由来する４つのセンサチップ１８０Ａ〜Ｄを示す。４つのセンサチップは、異なる感光特徴をそれぞれ示す異なる材料組成を含む。図１１に表すように、センサチップ１８０Ａは、周波帯Ａにわたって高感度を示し、センサチップ１８０Ｂは、周波帯Ｂにわたって高感度を示し、センサチップ１８０Ｃは、周波帯Ｃにわたって高感度を示し、センサチップ１８０Ｄは、周波帯Ｄにわたって高感度を示す。検出器１８０を組み込む計測システムは、周波帯Ａ内の波長をセンサチップ１８０Ａ上に分散させ、周波帯Ｂ内の波長をセンサチップ１８０Ｂ上に分散させ、周波帯Ｃ内の波長をセンサチップ１８０Ｃ上に分散させ、周波帯Ｄ内の波長をセンサチップ１８０Ｄ上に分散させる。このように、高感光性（すなわち、高ＳＮＲ）は、単一検出器からの周波帯Ａ〜Ｄを含む集合周波帯にわたって達成される。その結果、測定範囲全体にわたる測定ノイズが、測定感度が高く測定ノイズが低い狭帯域に特定のセンサの使用を限定することによって低減される。
いくつかの例では、マルチゾーン検出器は、単一センサパッケージ内にアセンブルされた、異なるスペクトル領域に対する感度を有するＩｎＧａＡｓセンサを含むことにより、７５０ナノメートルから３，０００ナノメートル以上までの波長を網羅する単一連続スペクトルを生成する。
一般に、任意の数の別個のセンサが、マルチゾーン検出器の波長分散の方向に沿ってアセンブルされることにより、連続スペクトルが検出器から抽出されてもよい。しかし、典型的には、２〜４つの別個のセンサが、検出器１８０等のマルチゾーン検出器内で使用される。
一実施形態では、３つの別個のセンサが、８００ナノメートルと１６００ナノメートルとの間の範囲に及ぶ第１の区域と、１６００ナノメートルと２２００ナノメートルとの間の範囲に及ぶ第２の区域と、２２００ナノメートルと２６００ナノメートルとの間の範囲に及ぶ第３の区域と、によって使用される。
概して、ＩｎＧａＡｓベース赤外検出器の使用が、特に本明細書に記載されているけれども、狭い感度範囲及び急激な感度カットオフを示す任意の好適な材料が、本明細書に記載するようなマルチゾーン検出器に組み込まれてもよい。
図６、９及び１０に表すように、示している測定チャネルは、照明側にある偏光器と、収集側にある検光器と、を含む。しかし、概して、サンプルの偏光反射率、サンプルの不偏光反射率又はその両方についての測定を実行するために、いずれかの測定チャネルが、照明偏光器、収集検光器、照明補償器、収集補償器を任意の結合で含んでもよく、又は含まなくてもよいと考えられる。
更なる側面では、本明細書に記載するような赤外分光反射計を組み込んでいる計測システムは、また、１９０ナノメートルと９００ナノメートルとの間の波長範囲において動作する１つ又は複数の追加測定チャネルを含んでもよい。これらの測定チャネルは、分光反射計、楕円偏光計、散乱計又はその任意の結合として構成されてもよい。
いくつかの実施形態では、計測システムは、本明細書に記載するような赤外分光反射計及び１９０ナノメートルと９００ナノメートルとの間の波長範囲で動作する分光楕円偏光計を組み込む。赤外分光反射計は、４０度未満（例えば、５度と４０度との間）の入射角での測定を実行するように構成されており、分光楕円偏光計は、４０度超（例えば、５０度と９０度との間）の入射角での測定を実行するように構成されている。これらの実施形態のうちの一部では、赤外分光反射計の測定スポットは、分光楕円偏光計の測定スポットと同じ位置にある。いくつかの別の実施形態では、測定スポットは、同じ位置にない。
いくつかの実施形態では、計測システムは、本明細書に記載するような１つ又は複数の赤外分光反射計測定チャネルを組み込み、当該測定チャネルは、７５０ナノメートルと２６００ナノメートルとの間の波長範囲内で動作する。加えて、計測システムは、１つ又は複数の追加チャネルを含んでもよく、当該追加チャネルは、１９０ナノメートルから９００ナノメートルまでの波長範囲内で測定するＣＣＤセンサ等の、ＵＶ〜近ＩＲ検出器を利用する少なくとも１つのＵＶ〜近ＩＲ分光計チャネル、１５０ナノメートルから３００ナノメートルまでの波長範囲内で測定する遠ＵＶ−ＣＣＤセンサを利用する少なくとも１つの遠ＵＶ分光計チャネル、２５００ナノメートルから４５００ナノメートルまでの間の波長範囲内で測定する少なくとも１つの中間ＩＲ分光計チャネル、又は、その任意の結合を含むが、これらに限定されない。これらの実施形態のうちの一部では、様々な分光計の測定スポットは、同じ位置にある。いくつかの別の実施形態では、測定スポットは、同じ位置にはない。
いくつかの実施形態では、計測システムの１つ又は複数の測定チャネルは、波長及び入射角の異なる範囲に加えて、異なる方位角でウェハを測定するように構成されている。いくつかの実施形態では、本明細書に記載するような赤外分光反射計を含む計測システムは、計測ターゲットに対して０度及び９０度の方位角でウェハの測定を実行するように構成されている。いくつかの実施形態では、計測システムは、１つ又は複数の波長範囲、１つ又は複数のＡＯＩ範囲、及び１つ又は複数の方位角にわたってウェハ反射率を同時に測定するように構成されている。
図１３Ａ〜図１３Ｅは、本明細書に記載するような赤外分光反射計を使用する、非晶質炭素膜上で収集された反射率についての実験スペクトル測定値を表す。図１３Ａは、２５００オングストロームの厚さを有する膜についての測定値のプロット４１０を表す。図１３Ｂは、５０００オングストロームの厚さを有する膜についての測定値のプロット４２０を表す。図１３Ｃは、７５００オングストロームの厚さを有する膜についての測定値のプロット４３０を表す。図１３Ｄは、１００００オングストロームの厚さを有する膜についての測定値のプロット４４０を表す。図１３Ｅは、１２５００オングストロームの厚さを有する膜についての測定値のプロット４５０を表す。図１３Ａ〜Ｅに表すように、膜厚が増加するにつれて、特に、より短い測定波長に対する吸収損失が増加する。しかし、波長の範囲を２２００ナノメートル以上まで拡大することによって、良好な測定値が獲得される場合がある。
別の更なる側面では、ウェハ面上に投射される照明視野絞りの寸法が調整されることにより、結果として生じる測定の精度及び速度を被測定ターゲットの性質に基づいて最適化する。
別の更なる側面では、照明視野絞りの寸法が調整されることにより、それぞれの測定適用に対する所望のスペクトル分解能を達成する。
いくつかの例では、例えば、サンプルが非常に厚い膜又は格子構造である場合、入射面に垂直な方向にウェハ面上に投射される照明視野絞りが調整されることにより、視野サイズを低減させて増強スペクトル分解能を達成する。いくつか例では、例えば、サンプルが薄い膜である場合に、入射面に垂直な方向にウェハ面上に投射される照明視野絞りが調整されることにより、視野サイズを増大させて、スペクトル分解能を損失させることなくより短い測定時間を達成する。
図６に表す実施形態では、コンピューティングシステム１３０は、検出器サブシステムによって検出されたスペクトル応答を示す信号１５４を受け取るように構成されている。コンピューティングシステム１３０は、プログラム可能な照明視野絞り１１３に通信される制御信号１１９を決定するように更に構成されている。プログラム可能な照明視野絞り１１３は、制御信号１１９を受け取り、照明開口のサイズを調整して所望の照明視野サイズを達成する。
いくつかの例では、上記に記載したように、照明視野絞りが調整されることにより、測定精度及び速度を最適化する。別の一例では、照明視野絞りが調整されることにより、分光計スリットによる画像クリッピング及びそれに対応する測定結果の劣化を防止する。このように、照明視野サイズが調整されることにより、測定ターゲットの画像が分光計スリットをアンダーフィルする。一例では、照明視野絞りが調整されることにより、照明光学部品の偏光器スリットの突起が計測システムの分光計スリットをアンダーフィルする。
図１５は、少なくとも１つの新規な側面で分光測定を実行する方法５００を示す。方法５００は、本発明の、図６、９及び１０にそれぞれ示す計測システム１００、２００、及び３００等の計測システムによって実装することに適している。一側面では、方法５００のデータ処理ブロックが、コンピューティングシステム１３０の１つ又は複数のプロセッサ、又は別の汎用コンピューティングシステム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。計測システム１００、２００及び３００の特定の構造上の側面が、限定に相当せず、単なる例示として理解されるべきであることが本明細書において認識されている。
ブロック５０１において、ある量の広帯域照明光が、複数の入射角で、照明源から被測定試料の表面上の測定スポットまで導かれる。その量の広帯域照明光は、７５０ナノメートルから２，６００ナノメートルまでの範囲に及ぶ波長を含む。
ブロック５０２において、ある量の光が、試料の表面上の測定スポットから収集されて、１つ又は複数の検出器まで導かれる。
ブロック５０３において、その量の収集された光と関連する測定スペクトルが、少なくとも１つの検出器によって検出される。少なくとも１つの検出器は、異なる感光性をそれぞれ有する２つ以上の異なる表面領域を有して入射光を感知できる平坦な２次元表面を含む。２つ以上の異なる表面領域は、少なくとも１つの検出器の表面を横切って波長分散の方向と整列している。
更なる実施形態では、システム１００、２００及び３００は、本明細書に記載する方法に従って収集された分光測定データに基づいて、実際の素子構造についての測定を実行するために使用される１つ又は複数のコンピューティングシステム１３０を含む。１つ又は複数のコンピューティングシステム１３０は、分光計に通信可能に結合されてもよい。一側面では、１つ又は複数のコンピューティングシステム１３０は、被測定試料の構造についての測定値と関連する測定データを受け取るように構成されている。
本開示全体を通して記載した１つ又は複数のステップが、単一コンピュータシステム１３０、又はその代替として複数のコンピュータシステム１３０によって実行されてもよいことが認識されるべきである。更に、システム１００の異なるサブシステムが、本明細書に記載するステップのうちの少なくとも一部分を実行するのに好適なコンピュータシステムを含んでもよい。そのため、上記の記載は、本発明についての限定と解釈されてはならず、単なる例示として解釈されなければならない。
加えて、コンピュータシステム１３０は、当該技術分野で公知の任意の態様で分光計に通信可能に結合されてもよい。例えば、１つ又は複数のコンピューティングシステム１３０は、分光計と関連したコンピューティングシステムに結合されてもよい。別の一例では、分光計は、コンピュータシステム１３０に結合された単一コンピュータシステムによって直接制御されてもよい。
計測システム１００のコンピュータシステム１３０は、有線及び／又は無線部分を含んでもよい伝送媒体によって、システムのサブシステム（例えば、分光計等）から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されてもよい。このように、伝送媒体は、システム１００のコンピュータシステム１３０と別のサブシステムとの間のデータリンクとして機能してもよい。
計測システム１００のコンピュータシステム１３０は、無線及び／又は有線部分を含んでもよい伝送媒体によって、別のシステムからデータ又は情報（例えば、測定結果、モデリング入力、モデリング結果、参照測定結果等）を受け取る及び／又は取得するように構成されてもよい。このように、伝送媒体は、コンピュータシステム１３０と別のシステム（例えば、メモリオンボード計測システム１００、外部メモリ又は別の外部システム）との間のデータリンクとして機能してもよい。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（すなわち、メモリ１３２又は外部メモリ）から測定データを受け取るように構成されてもよい。例えば、本明細書に記載する分光計を使用して取得されたスペクトル結果は、固定又は半固定メモリ素子（例えば、メモリ１３２又は外部メモリ）に記憶されてもよい。この点に関して、スペクトル結果は、オンボードメモリから又は外部メモリシステムから読み込まれてもよい。更に、コンピュータシステム１３０は、伝送媒体を介して別のシステムにデータを送信してもよい。例えば、測定モデル又はコンピュータシステム１３０によって決定された推定パラメータ値１７１が、通信されて外部メモリに記憶されてもよい。この点に関して、測定結果は、別のシステムに書き出されてもよい。
コンピューティングシステム１３０は、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、又は当該技術分野で公知の別の装置を含んでもよいが、これらに限定されない。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任意のデバイスを含むように広く規定されてもよい。
本明細書に記載するもの等の方法を実装するプログラム命令１３４は、有線、ケーブル又は無線伝送リンク等の伝送媒体を介して伝送されてもよい。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が、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としては、読取り専用メモリ、ランダムアクセスメモリ、磁気若しくは光学ディスク、又は磁気テープが挙げられる。
いくつかの例では、測定モデルは、ＫＬＡ−Ｔｅｎｃｏｒ社（ＵＳＡ、カリフォルニア州、ミルピタス）から利用可能なＳｐｅｃｔｒａＳｈａｐｅ（登録商標）光学限界寸法計測システムの要素として実装される。このように、モデルは、スペクトルがシステムによって収集された直後に、作成されて使用の準備が完了している。
いくつかの別の例では、測定モデルは、例えば、ＫＬＡ−Ｔｅｎｃｏｒ社（ＵＳＡ、カリフォルニア州、ミルピタス）から利用可能な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装される。結果として生じる、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であるＡｃｕＳｈａｐｅ（登録商標）ライブラリの要素として組み込まれてもよい。
別の一側面では、本明細書に記載する半導体素子の分光計測のための方法及びシステムが、高アスペクト比（ＨＡＲ）構造、大横方向寸法構造又はその両方の測定に適用される。記載した実施形態は、半導体素子のための光学限界寸法（ＣＤ）、膜及び組成の計測を可能にし、当該半導体素子は、鉛直方向ＮＡＮＤ（Ｖ−ＮＡＮＤ）構造、ダイナミックランダムアクセスメモリ構造（ＤＲＡＭ）等の３次元ＮＡＮＤ構造を含み、これらは、サムスン社（韓国）、ＳＫ Ｈｙｎｉｘ社（韓国）、株式会社東芝（日本）及びＭｉｃｒｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ社（アメリカ合衆国）等の様々な半導体メーカーによって製造される。これらの複雑な素子は、測定されている構造の中への弱い光浸透から損害を受ける。図１４は、測定されている構造の中への弱い光浸透から損害を受ける例示的な高アスペクト比ＮＡＮＤ構造４００である。ブロードバンドケイパビリティ及び広範囲のＡＯＩ、方位角、又はその両方を有する分光楕円偏光計は、本明細書に記載するような同時スペクトルバンド検出を有しており、これらの高アスペクト比構造の測定に好適である。ＨＡＲ構造は、しばしば硬いマスク層を含むことにより、ＨＡＲのためのエッチングプロセスを容易にする。本明細書に記載するように、用語「ＨＡＲ構造」とは、２:１又は１０:１を上回る、そして１００：１と同程度以上に高くてもよいアスペクト比によって特徴付けられた任意の構造を指す。
更に別の側面では、本明細書に記載する測定結果が、プロセスツール（例えば、リソグラフィツール、エッチングツール、成長ツール等）に能動フィードバックを提供するように使用されてもよい。例えば、本明細書に記載する測定方法に基づいて決定された測定パラメータの値が、リソグラフィツールに通信されることにより、リソグラフィシステムを調整して所望の出力を達成してもよい。同様に、エッチングパラメータ（例えば、エッチング時間、拡散係数等）又は成長パラメータ（例えば、時間、濃度等）が測定モデルに含まれることにより、能動フィードバックをエッチングツール又は成長ツールにそれぞれ提供してもよい。いくつかの例では、測定装置パラメータ値及び訓練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は、リソグラフィツール、エッチングツール又は成長ツールに通信されてもよい。
本明細書に記載するように、用語「限界寸法」は、構造についてのいずれかの限界寸法（例えば、底部限界寸法、中間限界寸法、上部限界寸法、側壁角、格子高さ等）、いずれか２つ以上の構造の間の限界寸法（例えば、２つの構造の間の距離）、及び２つ以上の構造の間の変位（例えば、格子が上に重なっている構造の間のオーバーレイ変位等）を含む。構造は、３次元構造、パターン付き構造、オーバーレイ構造等を含んでもよい。
本明細書に記載するように、用語「限界寸法適用」又は「限界寸法測定適用」は、いずれかの限界寸法測定を含む。
本明細書に記載するように、用語「計測システム」とは、限界寸法計測、オーバーレイ計測、焦点／用量計測及び組成計測等の測定適用を含むいずれかの側面で、試料を特徴付けるために少なくとも部分的に使用される任意のシステムを含む。しかし、技術についてのそのような用語は、本明細書に記載するような用語「計測システム」の範囲を限定するものではない。加えて、計測システム１００は、パターン付きウェハ及び／又はパターン付きでないウェハの測定のために構成されてもよい。計測システムは、ＬＥＤ検査ツール、エッジ検査ツール、背面検査工具、マクロ検査ツール又はマルチモード検査ツール（同時に１つ又は複数のプラットフォームからのデータを含んでいる）、及び限界寸法データに基づいたシステムパラメータの校正から利益を得る別の計測又は検査ツールとして構成されてもよい。
様々な実施形態が、半導体測定システムについて本明細書に記載されており、当該システムは、任意の半導体プロセスツール（例えば、検査システム又はリソグラフィシステム）内で試料を測定するために使用されてもよい。用語「試料」とは、当該技術分野で公知の手段によって処理（例えば、プリント、又は欠陥を検査）されてもよい、ウェハ、レチクル又は別のサンプルを指すために本明細書で使用される。
本明細書で使用するように、用語「ウェハ」とは、半導体又は非半導体材料から形成された基板を概して指す。例として、単結晶シリコン、ヒ化ガリウム及びリン化インジウムが挙げられるが、これらに限定されない。そのような基板は、半導体製造設備内で一般的に見られても及び／又は処理されてもよい。場合によっては、ウェハは、基板だけ（すなわち、ベアウェハ）を含んでもよい。代替として、ウェハは、基板上に形成された異なる材質の１つ又は複数の層を含んでもよい。ウェハ上に形成された１つ又は複数の層は、「パターン付き」又は「パターン無し」であってもよい。例えば、ウェハは、繰返し型パターン特徴を有する複数のダイを含んでもよい。
「レチクル」とは、レチクル製造プロセスのいずれかの段階でのレチクル、又は半導体製造設備内での使用のために解放されてもよい若しくは解放されなくてもよい完成レチクルであってもよい。レチクル又は「マスク」とは、実質的に透明な基板であって、その上に実質的に不透明な領域が形成され、あるパターンに構成された基板であると概して規定される。基板は、例えば、非晶質ＳｉＯ２等のガラス材料を含んでもよい。レチクルが、リソグラフィプロセスの露光ステップ中にレジスト被覆ウェハ上に配設されることにより、レチクル上のパターンがレジストまで転写されてもよい。
ウェハ上に形成された１つ又は複数の層は、パターン付きでもパターン無しでもよい。例えば、ウェハは、それぞれが繰返し型パターン特徴を有する複数のダイを含んでもよい。材料のそのような層の形成及び処理が、最終的に完成素子をもたらしてもよい。多くの異なるタイプの素子が、ウェハ上に形成されてもよく、本明細書で使用するような用語ウェハは、当該技術分野で公知の任意のタイプの素子が上に製造されているウェハを含むことが意図されている。
１つ又は複数の例示的な実施形態では、記載した機能は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア又はその任意の結合で実装されてもよい。機能がソフトウェアに実装される場合、コンピュータ可読媒体上に記憶されてもよく、或いはコンピュータ可読媒体上の１つ又は複数の命令又はコードとして伝送されてもよい。コンピュータ可読媒体は、コンピュータ記憶媒体及び通信媒体の両方を含み、これらは、１つの場所から別の場所までのコンピュータプログラムの転送を容易にする任意の媒体を含む。記憶媒体は、汎用又は専用コンピュータによってアクセスされてもよい任意の利用可能媒体であってもよい。例であって限定ではなく、そのようなコンピュータ可読媒体は、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＣＤ―ＲＯＭ若しくは別の光学ディスク記憶装置、磁気ディスク記憶装置若しくは別の磁気記憶装置又は別の媒体を備えてもよく、これらは、命令又はデータ構造の形式の所望のプログラムコード手段を伝達又は記憶するために使用されてもよく、そして、汎用若しくは専用コンピュータ、又は汎用若しくは特殊目的プロセッサによってアクセスされてもよい。また、いずれの接続も、正しくは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、光ファイバーケーブル、ツイストペア、デジタル加入者線（ＤＳＬ）、又は赤外線、ラジオ及びマイクロ波等の無線技術を使用してウェブサイト、サーバ又は別のリモート源から送信されるならば、同軸ケーブル、光ファイバーケーブル、ツイストペア、ＤＳＬ又は赤外線、ラジオ及びマイクロ波等の無線技術が、媒体の定義内に含まれる。本明細書で使用するような、ディスク（ｄｉｓｋ及びｄｉｓｃ）とは、コンパクトディスク（ＣＤ）、レーザーディスク、光ディスク、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）、フロッピーディスク及びブルーレイディスクを含み、この場合、ｄｉｓｋは、通常、磁気によってデータを複写し、一方、ｄｉｓｃは、レーザーによって光学的にデータを複写する。上記の結合も、また、コンピュータ可読媒体の範囲内に含まれなければならない。
ある特定の実施形態が教育的目的のために上記されたけれども、本特許文献の教示は、一般的な適用性を有し、上記の特定の実施形態に限定されない。したがって、記載した実施形態の様々な特徴についての様々な修正、適応及び結合が、クレームで述べられるような本発明の範囲から逸脱することなく実施されてもよい。

Claims (28)

  1. 計測システムであって、
    ７５０ナノメートルから２，６００ナノメートルまでの範囲に及ぶ波長を含むある量の広帯域照明光を生成するように構成された１つ又は複数の照明源と、
    前記ある量の照明光を、１つ又は複数の入射角、１つ又は複数の方位角あるいはその結合で、前記照明源から被測定試料の表面上の測定スポットまで導くように構成された照明光学部品サブシステムと、
    ある量の収集光を前記試料の表面上の前記測定スポットから収集するように構成された収集光学部品サブシステムと、
    入射光を感知できる平坦な２次元表面を有する少なくとも１つの検出器であって、前記少なくとも１つの検出器は、異なる感光性をそれぞれ有する２つ以上の異なる表面領域を含み、前記２つ以上の異なる表面領域は、前記少なくとも１つの検出器の表面を横切って波長分散の方向と整列しており、前記少なくとも１つの検出器は、前記入射光を検出して、前記検出された入射光を示す出力を生成するように構成されている、少なくとも１つの検出器と、
    を含む赤外分光反射計と、
    前記少なくとも１つの検出器の出力の分析に基づいて前記被測定試料についての対象のパラメータの推定値を生成するように構成されたコンピューティングシステムと、
    を備える計測システム。
  2. 前記照明光学部品サブシステムは、前記ある量の照明光を、５度と４０度との間の範囲内の複数の入射角で前記測定スポットまで導く、請求項１に記載の計測システム。
  3. １９０ナノメートルから９００ナノメートルまでの範囲に及ぶ波長を含む照明光によって前記試料を測定するように構成された紫外〜近赤外分光反射計を更に備える、請求項１に記載の計測システム。
  4. １５０ナノメートルから３００ナノメートルまでの範囲に及ぶ波長を含む照明光によって前記試料を測定するように構成された遠紫外〜紫外分光反射計を更に備える、請求項１に記載の計測システム。
  5. ７５０ナノメートルから２６００ナノメートルまでの範囲に及ぶ波長を含む照明光によって前記試料を測定するように構成された赤外分光楕円偏光計を更に備える、請求項２に記載の計測システム。
  6. １９０ナノメートルから９００ナノメートルまでの範囲に及ぶ波長を含む照明光によって前記試料を測定するように構成された紫外〜近赤外分光楕円偏光計を更に備える、請求項５に記載の計測システム。
  7. １５０ナノメートルから３００ナノメートルまでの範囲に及ぶ波長を含む照明光によって前記試料を測定するように構成された遠紫外〜紫外分光楕円偏光計を更に備える、請求項５に記載の計測システム。
  8. 前記分光楕円偏光計は、４０度超である複数の入射角で前記試料を照明するように構成されている、請求項５に記載の計測システム。
  9. 結合された前記赤外分光反射計と前記分光楕円偏光計とは、１５０ナノメートルから４，５００ナノメートルまでの波長範囲にわたるスペクトル領域を感知できる、請求項５に記載の計測システム。
  10. 前記試料上の前記赤外分光反射計の測定スポットと、前記試料上の前記分光楕円偏光計の測定スポットとは、同じ位置にある、請求項５に記載の計測システム。
  11. 異なる感光性をそれぞれ有する前記２つ以上の異なる表面領域は、ＩｎＧａＡｓ材料を含む、請求項１に記載の計測システム。
  12. 前記試料の基板の背面からの反射を遮蔽するように構成された収集光学部品サブシステムの収集瞳のところに又はその近傍に配設された中央遮蔽を更に備える、請求項１に記載の計測システム。
  13. 前記試料の基板の背面からの反射を遮蔽するように構成された前記照明光学部品サブシステムの照明瞳のところに又はその近傍に配設された中央遮蔽を更に備える、請求項１に記載の計測システム。
  14. 前記１つ又は複数の入射角は、垂直入射角を含まない、請求項１に記載の計測システム。
  15. 前記赤外分光反射計の対物レンズは、シュワルツシルト対物レンズである、請求項１に記載の計測システム。
  16. 前記照明光学部品サブシステムは、前記ある量の照明光を、５度と２５度との間の範囲内の複数の入射角で前記測定スポットまで導く、請求項１に記載の計測システム。
  17. 前記赤外分光反射計の測定チャネルは、前記赤外分光反射計の照明経路、収集経路又はその両方内に偏光素子を含む、請求項１に記載の計測システム。
  18. 前記被測定試料は、３次元ＮＡＮＤ構造又はダイナミックランダムアクセスメモリ構造を含む、請求項１に記載の計測システム。
  19. 計測システムであって、
    ７５０ナノメートルから２，６００ナノメートルまでの範囲に及ぶ波長を含むある量の広帯域照明光を生成するように構成された１つ又は複数の照明源と、
    前記ある量の照明光を、５度超の１つ又は複数の入射角で前記照明源から被測定試料の表面上の測定スポットまで導くように構成された照明光学部品サブシステムと、
    ある量の収集光を前記試料の表面上の前記測定スポットから収集するように構成された収集光学部品サブシステムと、
    入射光を感知できる平坦な２次元表面を有する少なくとも１つの検出器であって、前記少なくとも１つの検出器は、前記入射光を検出して、前記検出された入射光を示す出力を生成するように構成されている、少なくとも１つの検出器と、
    を含む赤外分光反射計と、
    前記少なくとも１つの検出器の出力についての分析に基づいて、前記被測定試料についての対象のパラメータの推定値を生成するように構成されたコンピューティングシステムと、
    を備える計測システム。
  20. 前記少なくとも１つの検出器は、異なる感光性をそれぞれ有する２つ以上の異なる表面領域を含み、前記２つ以上の異なる表面領域は、前記少なくとも１つの検出器の表面を横切って波長分散の方向と整列している、請求項１９に記載の計測システム。
  21. 異なる感光性をそれぞれ有する前記２つ以上の異なる表面領域は、ＩｎＧａＡｓ材料を含む、請求項２０に記載の計測システム。
  22. 前記赤外分光反射計の対物レンズは、シュワルツシルト対物レンズである、請求項１９に記載の計測システム。
  23. 前記赤外分光反射計の測定チャネルは、偏光素子を前記赤外分光反射計の照明経路、収集経路又はその両方内に含む、請求項１９に記載の計測システム。
  24. 計測システムであって、
    ある量の広帯域照明光を生成するように構成された１つ又は複数の照明源と、
    前記ある量の照明光を、５度と４０度との間の範囲内の１つ又は複数の入射角で、前記照明源から被測定試料の表面上の測定スポットまで導くように構成された照明光学部品サブシステムと、
    ある量の収集光を、前記試料の表面上の前記測定スポットから収集するように構成された収集光学部品サブシステムと、
    入射光を感知できる平坦な２次元表面を有する少なくとも１つの検出器であって、前記少なくとも１つの検出器は、異なる感光性をそれぞれ有する２つ以上の異なる表面領域を含み、前記２つ以上の異なる表面領域は、前記少なくとも１つの検出器の表面を横切って波長分散の方向と整列しており、前記少なくとも１つの検出器は、前記入射光を検出して、前記検出された入射光を示す出力を生成するように構成されている、少なくとも１つの検出器と、
    を含む赤外分光反射計と、
    前記少なくとも１つの検出器の出力の分析に基づいて、前記被測定試料についての対象のパラメータの推定値を生成するように構成されたコンピューティングシステムと、
    を備える計測システム。
  25. 前記ある量の広帯域照明光は、７５０ナノメートルから２，６００ナノメートルまでの範囲に及ぶ波長を含む、請求項２４に記載の計測システム。
  26. 前記被測定試料は、３次元ＮＡＮＤ構造又はダイナミックランダムアクセスメモリ構造を含む、請求項２４に記載の計測システム。
  27. 方法であって、
    ある量の広帯域照明光を、複数の入射角で、照明源から被測定試料の表面上の測定スポットまで導くことであって、前記ある量の広帯域照明光は、７５０ナノメートルから２，６００ナノメートルまでの範囲に及ぶ波長を含むことと、
    ある量の収集光を、前記試料の表面上の前記測定スポットから収集して、前記ある量の収集光を１つ又は複数の検出器まで導くことと、
    前記ある量の収集光と関連する測定スペクトルを、入射光を感知できる平坦な２次元表面を有する少なくとも１つの検出器によって検出することであって、前記少なくとも１つの検出器は、異なる感光性をそれぞれ有する２つ以上の異なる表面領域を含み、前記２つ以上の異なる表面領域は、前記少なくとも１つの検出器の表面を横切って波長分散の方向と整列していることと、
    を備える方法。
  28. 前記照明波長の範囲にわたって前記測定スペクトルを検出することが、同時に実行される、請求項２７に記載の方法。
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