KR102283409B1 - 높은 종횡비 구조의 측정을 위한 적외선 분광 리플렉토미터 - Google Patents

높은 종횡비 구조의 측정을 위한 적외선 분광 리플렉토미터 Download PDF

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케이엘에이 코포레이션
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Abstract

적외선 파장에서 반도체 구조의 분광 리플렉토메트리 측정을 수행하기 위한 방법 및 시스템이 본 명세서에 제시된다. 일부 실시 예에서, 750 나노미터 내지 2,600 나노미터 또는 그 이상의 범위에 걸친 측정 파장들이 사용된다. 일 측면에서, 리플렉토메트리 측정은 측정 결과에 대한 후면 반사의 영향을 감소시키기 위하여 경사각에서 수행된다. 다른 측면에서, 넓은 범위의 적외선 파장은 상이한 감도 특성을 갖는 다수의 감광 영역을 포함하는 검출기에 의해 검출된다. 수집된 광은 파장에 따라 검출기의 표면에 걸쳐 선형으로 분산된다. 각각의 상이한 감광 영역은 검출기 상에 배열되어 상이한 범위의 입사 파장을 감지한다. 이러한 방식으로, 넓은 범위의 파장이 단일 검출기에 의해 높은 신호대 잡음비로 검출된다.

Description

높은 종횡비 구조의 측정을 위한 적외선 분광 리플렉토미터
<관련 출원에 대한 상호 참조>
본 특허출원은 2016년 9월 29일자로 출원된 미국 임시 특허 출원 제62/401,840호로부터 35 U.S.C. §119 하의 우선권을 주장하고, 이 내용(subject matter)은 전체가 참조로 본 명세서에 포함된다.
<기술 분야>
기술된 실시 예들은 계측 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 반도체의 개선된 측정을 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다
로직 및 메모리 디바이스와 같은 반도체 디바이스는 전형적으로 표본에 적용되는 일련의 처리 단계에 의해 제조된다. 반도체 디바이스의 다양한 피처들 및 다중 구조 레벨은 이러한 처리 단계에 의해 형성된다. 예를 들어, 무엇보다도 리소그래피는 반도체 웨이퍼 상에 패턴을 생성하는 것을 포함하는 하나의 반도체 제조 공정이다. 반도체 제조 공정의 추가 예는 화학-기계적 연마, 에칭, 퇴적 및 이온 주입을 포함하지만 이에 한정되지는 않는다. 다수의 반도체 디바이스는 단일 반도체 웨이퍼 상에 제조된 다음, 개별 반도체 디바이스로 분리될 수 있다.
계측 공정은 웨이퍼 상의 결함을 검출하기 위하여 반도체 제조 공정 동안 다양한 단계에서 사용되어, 더 높은 수율을 촉진한다. 광학 계측 기술은 샘플 파괴의 위험이 없이 높은 쓰루풋(throughput)에 대한 가능성을 제공한다. 스캐터로메트리(scatterometry) 및 리플렉토메트리(reflectometry) 구현 및 관련 분석 알고리즘을 포함한 여러 가지 광학 계측 기반 기술은 일반적으로 임계 치수(critical dimension, CD), 막 두께, 조성, 오버레이(overlay) 및 나노 스케일 구조의 다른 파라미터를 특성화하는 데 사용된다.
플래시 메모리 아키텍처는 2차원 플로팅 게이트 아키텍처로부터 완전한 3차원 지오메트리로 전환되고 있다. 일부 예에서, 막(film) 스택 및 에칭된 구조는 매우 깊다(예를 들어, 깊이가 최대 6 마이크로미터이다). 이러한 높은 종횡비 구조는 막 및 CD 측정에 어려움을 야기한다. 이 구조의 홀(hole) 및 트렌치(trench)의 모양을 정의하는 임계 치수를 측정하는 능력은 원하는 성능 수준 및 디바이스 수율을 달성하는데 중요하다.
조명광의 작은 부분만이 높은 종횡비 피처의 바닥에 도달할 수 있고 검출기에서 위쪽으로 반사될 수 있기 때문에, 많은 광학 기술은 낮은 신호 대 잡음비(signal-to-noise ratio, SNR)를 겪는다. 따라서, 많은 이용 가능한 높은 쓰루풋 계측 기술은 높은 종횡비 구조의 CD 및 막 측정을 신뢰성 있게 수행할 수 없다. CD-SAXS(critical dimension, small angle X-ray scatterometry), 수직 입사 리플렉토메트리 및 스캐터로메트리가 높은 종횡비 구조에 대한 측정 솔루션으로서 탐구되고 있지만 개발은 계속 진행 중이다.
횡단면 주사 전자 현미경(scanning electron microscopy, SEM)은 인라인(inline) 계측에 적합하지 않은 낮은 쓰루풋의 파괴적인 기술이다. 원자력 현미경(atomic force microscopy, AFM)은 높은 종횡비 구조를 측정하는 능력이 제한적이며 상대적으로 쓰루풋이 낮다. CD-SAXS는 반도체 업계에 의해 요구되는 높은 쓰루풋 능력을 달성하는 것을 아직 보여주지 못했다. 모델 기반 적외선 리플렉토메트리(model based infrared reflectometry, MBIR)은 높은 종횡비 DRAM 구조의 계측에 사용되었지만, 이 기술은 더 짧은 파장에 의해 제공되는 분해능이 부족하고, 측정 지점 크기가 반도체 계측에 비해 너무 크다. 2006년 3월 1일자 Solid State Technology, vol. 49, no. 3에서 Gostein 등에 의한 "모델 기반 IR로 깊은 트렌치 구조 측정(Measuring deep-trench structures with model-based IR)"을 참조하고, 이것은 본 명세서에 전체가 기재된 것처럼 참조로 포함된다.
광학 CD 계측은 현재 높은 쓰루풋에서 비교적 작은 지점(예를 들어, 50 미크론 미만, 또는 훨씬 더 바람직하게는 30 미크론 미만)에서 미크론 스케일 깊이 및 측면 치수를 갖는 구조의 상세한 프로파일을 측정하는 능력이 결여되어 있다. 미국 특허 제8,860,937호는 높은 종횡비 구조의 특성화에 적합한 적외선 분광 엘립소메트리 기술을 설명하며, 미국 특허 제8,860,937호는 본 명세서에서 전체가 설명된 것처럼 참조로 포함된다. 그러나, 설명된 기술은 자외선 및 적외선 파장, 파장 안정성 제한 및 동작 중 제한된 범위의 적외선 파장에 걸친 측정의 경우, 긴 측정 시간을 겪는다.
요약하면, 피처 크기의 지속적인 감소 및 구조 피처의 깊이 증가는 광학 계측 시스템에 대한 어려운 요건을 부과한다. 광학 계측 시스템은 비용 효율성을 유지하기 위하여 높은 쓰루풋에서 점점 더 복잡해지는 타겟에 대한 높은 정밀도 및 정확도 요구 사항을 충족해야 한다. 이러한 맥락에서 광대역 조명 및 데이터 수집의 속도, 적외선 파장의 범위는 높은 종횡비 구조에 적합한 광학 계측 시스템의 설계에서 중요한 성능 제한 문제로 부상했다. 따라서, 이러한 제한을 극복하기 위한 개선된 계측 시스템 및 방법이 요구된다.
적외선 파장에서 반도체 구조의 분광 리플렉토메트리 측정을 수행하기 위한 방법 및 시스템이 여기에 제시되어 있다. 일부 실시 예에서, 자외선, 가시광선 및 적외선 파장을 포함하는 스펙트럼은 동일한 정렬 조건에서 높은 쓰루풋으로 동시에 측정된다. 이러한 방식으로, 파장 오차와 같은 기계 오차는 측정된 모든 파장에 대해 균일하게 보정된다.
또 다른 양태에서, 분광 측정은 측정 결과에 대한 후면(backside) 반사의 영향을 감소시키기 위하여, 웨이퍼의 표면에 수직인 방향으로부터 비축(off-axis)으로 수행된다.
또 다른 양태에서, 넓은 범위의 적외선 파장은 상이한 감도 특성을 갖는 다수의 감광 영역을 포함하는 검출기에 의해 검출된다. 수집된 광은 파장에 따라 검출기의 표면에 걸쳐 선형으로 분산된다. 각각의 상이한 감광 영역은 검출기 상에 배열되어 상이한 범위의 입사 파장을 감지한다. 이러한 방식으로, 넓은 범위의 파장이 단일 검출기에 의해 높은 신호대 잡음비로 검출된다. 이들 피처는 개별적으로 또는 조합되어 높은 쓰루풋, 정밀도 및 정확도로 높은 종횡비 구조(예를 들어, 1 마이크로 미터 이상의 깊이를 갖는 구조)의 높은 쓰루풋 측정을 가능하게 한다.
또 다른 양태에서, 본 명세서에 기재된 바와 같은 적외선 분광 리플렉토미터를 포함하는 계측 시스템은 또한 190 나노미터와 900 나노미터 사이의 파장 범위에서 동작하는 하나 이상의 추가 측정 채널을 포함한다. 이들 측정 채널은 분광 리플렉토미터, 엘립소미터, 스캐터로미터 또는 이들의 임의의 조합으로 구성될 수 있다.
일부 실시 예에서, 계측 시스템은 본 명세서에서 설명된 바와 같은 적외선 분광 리플렉토미터 및 190 나노미터와 900 나노미터 사이의 파장 범위에서 동작하는 분광 엘립소미터를 포함한다. 적외선 분광 리플렉토미터는 40도 미만(예를 들어, 5도 및 40도 사이)의 입사각에서의 측정을 수행하도록 구성되며, 분광 엘립소미터는 40도 초과(예를 들어, 50도 및 90도 사이)의 입사각에서 측정을 수행하도록 구성된다. 이들 실시 예들 중 일부에서, 적외선 분광 리플렉토미터의 측정 지점은 분광 엘립소미터의 측정 지점과 함께 동일 위치에 있다. 일부 다른 실시 예에서, 측정 지점들은 동일 위치에 있지 않다.
일부 실시 예에서, 계측 시스템은 750 나노미터와 2,600 나노미터 사이의 파장 범위에서 동작하는 본 명세서에 기재된 바와 같은 하나 이상의 적외선 분광 리플렉토미터 측정 채널을 포함한다. 또한, 계측 시스템은 190 나노미터 내지 900 나노미터의 파장 범위에서 측정하는 CCD 센서와 같은 UV 내지 근적외선 검출기를 이용하는 적어도 하나의 UV - 근적외선 스펙트로미터 채널, 150 나노미터 내지 300 나노미터의 파장 범위에서 측정하는 진공 UV CCD 센서를 이용하는 적어도 하나의 진공 UV 스펙트로미터 채널, 2500 나노미터 내지 4500 나노미터의 파장 범위에서 측정하는 적어도 하나의 중간 IR 스펙트로미터 채널, 또는 이들의 임의 조합을 포함하지만, 이에 국한되지는 않는, 하나 이상의 추가 채널을 포함한다.
일부 실시 예에서, 계측 시스템의 하나 이상의 측정 채널은 상이한 범위의 파장 및 입사각에 추가하여 상이한 방위각에서 웨이퍼를 측정하도록 구성된다. 일부 실시 예에서, 본 명세서에 기재된 적외선 분광 리플렉토미터를 포함하는 계측 시스템은 계측 타겟에 대해 0도 및 90도의 방위각에서 웨이퍼의 측정을 수행하도록 구성된다. 일부 실시 예에서, 계측 시스템은 하나 이상의 파장 범위, 하나 이상의 AOI 범위 및 하나 이상의 방위각에 걸쳐 웨이퍼 반사율을 동시에 측정하도록 구성된다.
상기 내용은 요약이며, 따라서, 필요에 따라 세부 사항의 단순화, 일반화 및 생략을 포함한다; 결론적으로, 당업자는 요약이 단지 예시적인 것이며 임의의 방식으로 제한하지 않음을 이해할 것이다. 본 명세서에 기술된 디바이스 및/또는 공정의 다른 양상, 진보된 특징 및 이점은 본 명세서에 기재된 비-제한적인 상세한 설명에서 명백해질 것이다.
도 1은 반도체 제조 공정의 에칭 단계에서 하드 마스크 재료로서 사용되는 2 개의 비정질 탄소 막의 소광 계수(extinction coefficient)의 플롯을 나타낸다.
도 2는 도 1에 예시된 2개의 비정질 탄소 막으로부터 반사된 광의 백분율의 플롯을 나타낸다.
도 3은 다양한 측정 시나리오에서 예상되는 3-시그마 측정 정밀도를 예측하는 시뮬레이션 결과를 나타내는 차트(165)를 도시한다.
도 4는 엘립소미터 및 리플렉토미터에 의한 측정 대상인 실리콘 기판(167)의 상부에 배치된 비정질 탄소 층(166)을 나타낸다.
도 5는 입사각의 함수로서 s-편광된 조명광 대 p-편광된 조명광의 반사율을 도시한다.
도 6은 반도체 구조의 광대역 적외선 분광 리플렉토메트리 측정을 수행하기 위한 예시적인 계측 시스템(100)을 나타낸다.
도 7은 거의 수직으로 입사하지만, 특히 수직 입사(normal incidence)를 피하면서 기판 상에 배치된 막 층(film layer) 상에 입사되는 조명을 나타낸다.
도 8은 수직 입사에서 기판 상에 배치된 막 층 상에 입사되는 조명을 나타낸다.
도 9는 반도체 구조의 광대역 적외선 분광 리플렉토메트리 측정을 수행하기 위한 예시적인 계측 시스템(200)을 나타낸다.
도 10은 반도체 구조의 광대역 적외선 분광 리플렉토메트리 측정을 수행하기 위한 예시적인 계측 시스템(300)을 나타낸다.
도 11은 다중-구역(multi-zone) 적외선 검출기(180)의 도면이다.
도 12는 4개의 이용 가능한 인듐 갈륨 비화물(Indium Gallium Arsenide, InGaAs) 센서의 통상적인 광감성 곡선을 예시한다.
도 13a 내지 도 13e는 본 명세서에 기재된 적외선 분광 리플렉토미터를 사용하여 비정질 탄소 막 상에 수집된 반사율의 실험적 스펙트럼 측정치를 도시한다.
도 14는 측정되는 구조(들)로의 낮은 광 투과를 겪는 예시적인 높은 종횡비 NAND 구조(400)를 도시한다.
도 15는 하나 이상의 구조의 적외선 분광 리플렉토메트리 측정을 수행하는 방법(500)을 도시한다.
이하, 본 발명의 배경 기술 예들 및 일부 실시 예를 상세히 설명할 것이며, 그 예는 첨부된 도면에 도시된다.
적외선 파장에서 반도체 구조의 분광 리플렉토메트리 측정을 수행하기 위한 방법 및 시스템이 본 명세서에 제시된다. 일부 실시 예에서, 자외선, 가시광선 및 적외선 파장을 포함하는 스펙트럼은 동일한 정렬 조건에서 높은 쓰루풋으로 동시에 측정된다. 이러한 방식으로, 파장 오차와 같은 기계 오차는 측정된 모든 파장에 대해 균일하게 보정된다. 또 다른 양태에서, 측정 결과에 대한 후면 반사의 영향을 감소시키기 위하여 분광 측정은 웨이퍼의 표면에 수직인 방향으로부터 비축으로 수행된다. 다른 추가적인 양태에서, 넓은 범위의 파장은 상이한 감도 특성을 갖는 다수의 감광 영역을 포함하는 검출기에 의해 검출된다. 수집된 광은 파장에 따라 검출기의 표면에 걸쳐 선형으로 분산된다. 각각의 상이한 감광 영역은 검출기 상에 배열되어 상이한 범위의 입사 파장을 감지한다. 이러한 방식으로, 넓은 범위의 파장이 단일 검출기에 의해 높은 신호대 잡음비로 검출된다. 이들 피처는 개별적으로 또는 조합되어 높은 쓰루풋, 정밀도 및 정확도로 높은 종횡비 구조(예를 들어, 1 마이크로미터 이상의 깊이를 갖는 구조)의 높은 쓰루풋 측정을 가능하게 한다.
단일 시스템에서 적외선, 가시광선 및 자외선 광으로 타겟을 동시에 측정함으로써, 복잡한 3차원 구조의 정확한 특성화가 가능해진다. 일반적으로, 상대적으로 긴 파장은 구조에 깊숙이 침투하여 비교적 큰 피치의 구조를 측정할 때 높은 회절 차수의 억제를 제공한다. 비교적 짧은 파장은 비교적 짧은 파장(즉, 최상위 층)에 접근 가능한 구조뿐만 아니라 비교적 작은 CD 및 거칠기 특징에 대한 정확한 치수 정보를 제공한다. 일부 예에서, 거칠기에 대한 더 긴 파장의 더 낮은 감도로 인하여, 더 긴 파장은 비교적 거친 표면 또는 계면을 갖는 타겟의 치수 특성을 측정할 수 있게 한다.
일부 실시 예들에서, 본 명세서에 기술된 반도체 디바이스들의 분광 계측에 대한 방법들 및 시스템들은 높은 종횡비(high aspect ratio, HAR), 큰 측면 치수 구조 또는 둘다의 측정에 적용된다. 이들 실시 예는 HAR 구조(예를 들어, NAND, VNAND, TCAT, DRAM 등)를 갖는 반도체 디바이스, 및 보다 일반적으로, 측정되고 있는 구조(들)로의 낮은 광 투과를 겪고 있는 복잡한(complex) 디바이스에 대한 광학 임계 치수(CD), 막 및 조성 계측을 가능하게 한다. HAR 구조는 종종 하드 마스크 층을 포함하여 HAR에 대한 에칭 공정을 용이하게 한다. 본 명세서에 기술된 바와 같이, 용어 "HAR 구조"는 2 : 1 또는 10 : 1을 초과하고 100 : 1 또는 그 이상으로 높을 수 있는 종횡비를 특징으로 하는 임의의 구조를 지칭한다.
도 1은 3차원 NAND 구조에 대한 제조 공정의 에칭 단계에서 하드 마스크 물질로서 사용되는 2개의 비정질 탄소 막의 소광 계수의 플롯을 도시한다. 플롯 선(plotline)(161)은 비정질 탄소 막 A에 대한 파장의 함수로서 소광 계수를 나타내고, 플롯 선(162)은 비정질 탄소 막 B에 대한 파장의 함수로서 소광 계수를 나타낸다. 막 A의 소광 계수는 200 나노미터 내지 2200 나노미터의 파장 범위에 걸쳐 비교적 높은 값을 유지한다. 따라서, 막 A는 근적외선 스펙트럼 영역을 통해서도 강하게 흡수한다.
도 2는 리플렉토미터로 측정한 12,500 옹스트롬의 두께를 갖는 막 A 및 B로부터 반사된 광의 백분율의 플롯을 도시한다. 막 A로부터 반사된 광의 백분율은 200 나노미터 내지 2200 나노미터의 파장 범위에 걸쳐 극히 낮게 유지된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 입사광의 약 0.05%를 수집하는데 필요한 최소 파장은 약 2000 나노미터이다. 대략 1800 나노미터 아래에서 수집된 신호의 양은 실제로 측정할 수 없다.
도 1 및 도 2는 반도체 구조에서 이용되는 중요한 물질의 반사도 기반 측정을 수행하기 위하여, 단파장 적외선 광(예를 들어, 1400 나노미터 내지 3000 나노미터), 및 심지어 중파장 적외선 광(예를 들어, 3000 나노미터 내지 5000 나노미터, 및 그 이상)을 사용하는 중요성을 도시한다.
또한, 리플렉토미터 및 엘립소미터 구성은 높은 소광비 재료를 측정할 때 상이한 효과성을 나타낸다. 도 3은 다양한 측정 시나리오에서 기대되는 3-시그마 측정 정밀도를 예측하는 시뮬레이션 결과를 도시하는 차트(165)를 도시한다. 분광 리플렉토미터 구성과 분광 엘립소미터 구성 모두에서 두 가지 상이한 두께(15,000 옹스트롬 및 20,000 옹스트롬)에서의 비정질 탄소 층의 막 두께 측정이 시뮬레이션된다. 또한 두 가지 상이한 범위의 조명 파장이 고려된다. 한 시나리오에서, SE 및 SR 측정은 950 나노미터에서 2200 나노미터까지의 조명 파장으로 시뮬레이션된다. 다른 시나리오에서, SE 및 SR 측정은 950 나노미터 내지 2500 나노미터 범위의 조명 파장으로 시뮬레이션된다. 도 3에 도시된 바와 같이, SR 구성은 SE 측정에 비해 훨씬 더 큰 측정 정밀도를 달성한다. 또한, 넓은 범위의 조명 파장에서 수행된 측정은 또한 더 우수한 측정 정밀도를 달성한다.
리플렉토미터는 수직 입사 또는 그 근처에서 동작하기 때문에, 엘립소미터보다 "경로 길이" 이점을 갖는다. 도 4는 실리콘 기판(167)의 상부 상에 배치된 비정질 탄소 층(166)을 도시한다. 엘립소미터 구성에서, 조명광(168)은 비교적 큰 각(예를 들어, 40도보다 큰 입사각)으로 막(166)에 입사한다. 광은 공기-막 계면에서 굴절하여, 제로보다 상당히 큰 굴절각으로 막(166)을 통과한다. 유사하게, 막(166)의 하부 표면으로부터 반사된 광은 굴절각으로 막(166)을 통과하고, 공기-막 계면에서 굴절하여, SE 시스템의 검출기로 전파된다. 대조적으로, 리플렉토미터 구성에서, 조명광(170)은 막(166)에 비교적 작은 각(예를 들어, 수직 입사 리플렉토메트리의 경우 제로 각)으로 입사한다. 수직 입사에서, 광은 굴절 없이 막(166)을 통과하고, 막(166)의 하부 표면으로부터 바로 다시 반사된다. 반사된 광(171)은 SR 검출기로 전파된다. 도 4에 도시된 바와 같이, 조명광 및 막(166)을 통한 반사광의 광로 길이는 SR 구성에서보다 SE 구성에서 더 길다. 막(166) 내의 이러한 부가적인 광로 길이는 추가적인 흡수 및 측정 신호의 손실을 초래한다. 이러한 이유로, 비교적 작은 각 SR 구성은 비정질 탄소 층과 같은 고흡수성 재료의 측정을 위한 비교적 큰 각 SE 구성에 비해 바람직하다.
도 5는 입사각의 함수로서 s-편광된 조명광 대 p-편광된 조명광의 반사율을 도시한다. 플롯 선(172)은 s-편광된 광의 반사율을 도시하고 플롯 선(173)은 p-편광된 광의 반사율을 도시한다. 도 6에 도시된 바와 같이, p-편광된 광의 반사율은 SE 측정(예를 들어, 40도가 넘는 AOI)에서 사용되는 전형적인 각도 범위에서 현저하게 감소한다. 감소는 브루스터(Brewster) 각 근처에서 특히 급격하다. 도 5에 도시된 바와 같이, p-편광된 광의 반사율의 현저한 감소를 피하기 위하여, 작은 각 SR 구성(예를 들어, 40도 미만의 AOI)이 바람직하다.
일 양태에서, 750 나노미터와 2,600 나노미터 사이의 파장 범위에 걸쳐 있는 하나 이상의 측정 채널을 포함하는 적외선 분광 리플렉토미터가 반도체 구조의 측정을 수행하기 위하여 사용된다. 하나 이상의 측정 채널은 병렬로(즉, 파장 범위 전체에 걸쳐 샘플의 동시 측정) 또는 순차적으로(즉, 파장 범위 전체에 걸쳐 샘플의 순차적 측정) 동작 가능하다.
도 6은 반도체 구조(예를 들어, 막 두께, 임계 치수, 오버레이 등)의 광대역 적외선 분광 리플렉토메트리 측정을 수행하기 위한 예시적인 계측 시스템(100)을 도시한다. 일부 예에서, 하나 이상의 구조는 적어도 하나의 높은 종횡비(HAR) 구조 또는 적어도 하나의 큰 측면 치수 구조를 포함한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 계측 시스템(100)은 경사 입사, 광대역 분광 리플렉토미터로서 구성된다. 그러나, 일반적으로, 계측 시스템(100)은 또한 추가적인 분광 리플렉토미터, 분광 엘립소미터, 스케터로미터 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다.
계측 시스템(100)은 웨이퍼(120) 상에 입사하는 조명광(117)의 빔을 생성하는 조명원(110)을 포함한다. 일부 실시 예에서, 조명원(110)은 자외선, 가시광선 및 적외선 스펙트럼의 조명광을 방출하는 광대역 조명원이다. 일 실시 예에서, 조명원(110)은 레이저 유지 플라즈마(laser sustained plasma, LSP) 광원(레이저 구동 플라즈마 소스로 알려짐)이다. LSP 광원의 펌프 레이저는 연속파 또는 펄스형일 수 있다. 레이저 구동 플라즈마 소스는 150 나노미터 내지 2000 나노미터의 전체 파장 범위에 걸쳐 크세논 램프보다 훨씬 더 많은 광자를 생성할 수 있다. 조명원(110)은 단일 광원 또는 복수의 광대역 또는 개별 파장 광원의 조합일 수 있다. 조명원(110)에 의해 생성된 광은 자외선 내지 적외선(예를 들어, 진공 자외선 - 중적외선)의 연속 스펙트럼 또는 연속 스펙트럼의 부분들을 포함한다. 일반적으로, 조명 광원(110)은 초연속체(super continuum) 레이저 소스, 적외선 헬륨-네온 레이저 소스, 아크 램프(예를 들어 크세논 아크 램프), 중수소 램프 또는 임의의 다른 적합한 광원을 포함할 수 있다.
또 다른 양태에서, 일정 양의 조명광은 적어도 500 나노미터에 걸쳐 있는 범위의 파장을 포함하는 광대역 조명광이다. 일 예에서, 광대역 조명광은 250 나노미터 미만의 파장 및 750 나노미터 초과의 파장을 포함한다. 일반적으로 광대역 조명광은 120 나노미터와 3,000 나노미터 사이의 파장을 포함한다. 일부 실시 예에서, 3,000 나노미터를 초과하는 파장을 포함하는 광대역 조명광이 사용될 수 있다. 일부 예에서, 광대역 조명광은 5,000 나노미터까지의 파장을 포함한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 계측 시스템(100)은 조명광(117)을 웨이퍼(120) 상에 형성된 하나 이상의 구조로 향하게 하도록 구성된 조명 서브 시스템을 포함한다. 조명 서브 시스템은 광원(110), 하나 이상의 광학 필터(111), 편광 컴포넌트(112), 시야 조리개(field stop)(113), 구경 조리개(aperture stop)(114) 및 조명 광학 기기(115)를 포함하는 것으로 도시되어 있다. 하나 이상의 광학 필터(111)는 조명 서브 시스템으로부터의 광 레벨, 스펙트럼 출력 또는 둘다를 제어하는데 사용된다. 일부 예에서, 하나 이상의 다중-구역(multi-zone) 필터가 광학 필터(111)로서 이용된다. 편광 컴포넌트(112)는 조명 서브 시스템을 나가는 원하는 편광 상태를 생성한다. 일부 실시 예에서, 편광 컴포넌트는 편광자(polarizer), 보상기(compensator) 또는 둘 모두이며, 임의의 적합한 상업적으로 이용 가능한 편광 컴포넌트를 포함할 수 있다. 편광 컴포넌트는 고정되거나, 상이한 고정 위치로 회전될 수 있다. 도 6에 도시된 조명 서브 시스템은 하나의 편광 컴포넌트를 포함하지만, 조명 서브 시스템은 하나보다 많은 편광 컴포넌트를 포함할 수 있다. 시야 조리개(113)는 조명 서브 시스템의 시야(field of view, FOV)를 제어하며, 상업적으로 이용 가능한 임의의 적절한 시야 조리개를 포함할 수 있다. 구경 조리개(114)는 조명 서브 시스템의 개구 수(numerical aperture, NA)를 제어하며, 상업적으로 이용 가능한 임의의 적절한 구경 조리개를 포함할 수 있다. 조명원(110)으로부터의 광은 조명 광학 기기(115)를 통과하여 웨이퍼(120) 상의 하나 이상의 구조(도 6에 도시되지 않음)에 집속되도록 지향된다. 조명 서브 시스템은 광학 필터(들)(111), 편광 컴포넌트(112), 시야 조리개(113), 개구 조리개(114), 및 분광 리플렉토메트리 분야에서 알려진 조명 광학 기기(115) 중 임의의 유형 및 배열을 포함할 수 있다.
도시된 바와 같이, 도 6에서, 조명광의 빔(117)은 빔이 조명원(110)으로부터 웨이퍼(120)로 전파됨에 따라, 광학 필터(들)(111), 편광 컴포넌트(112), 시야 조리개(113), 개구 조리개(114), 및 조명 광학 기기(115)를 통과하여 지나간다. 빔(117)은 측정 지점(116) 위의 웨이퍼(120)의 부분을 조명한다.
일부 예에서, 웨이퍼(120)의 표면 상에 투영되는 일정 양의 조명광(117)의 빔 크기는 표본의 표면 상에서 측정되는 측정 대상의 크기보다 더 작다. 예시적인 빔 형성 기술은 Wang 등의 미국 특허 출원 공개 번호 제2013/0114085호에 상세히 기술되어 있으며, 그 내용은 그 전체가 본 명세서에 참조로 포함된다.
계측 시스템(100)은 또한 하나 이상의 구조 및 입사 조명빔(117) 사이의 상호 작용에 의해 생성된 광을 수집하도록 구성된 수집 광학 서브 시스템을 포함한다. 수집된 광(127)의 빔은 수집 광학 기기(122)에 의해 측정 지점(116)으로부터 수집된다. 수집된 광(127)은 수집 광학 서브 시스템의 수집 개구 조리개(123), 편광 컴포넌트(124) 및 시야 조리개(125)를 통과한다.
수집 광학 기기(122)는 웨이퍼(120) 상에 형성된 하나 이상의 구조로부터 광을 수집하기 위한 임의의 적절한 광학 요소를 포함한다. 수집 개구 조리개(123)는 수집 광학 서브 시스템의 NA를 제어한다. 편광 소자(124)는 원하는 편광 상태를 분석한다. 편광 소자(124)는 분석기 또는 보상기이다. 편광 소자(124)는 고정되거나 상이한 고정 위치로 회전될 수 있다. 도 6에 도시된 수집 서브 시스템은 하나의 편광 소자를 포함하지만, 수집 서브 시스템은 하나보다 많은 편광 소자를 포함할 수 있다. 수집 시야 조리개(125)는 수집 서브 시스템의 FOV를 제어한다. 수집 서브 시스템은 웨이퍼(120)로부터 광을 취하여, 수집 광학 기기(122) 및 편광 소자(124)를 통과하여 수집 시야 조리개(125)에 집속되도록 광을 지향시킨다. 일부 실시 예에서, 수집 시야 조리개(125)는 검출 서브 시스템의 스펙트로미터를 위한 스펙트로미터 슬릿으로서 사용된다. 그러나, 수집 시야 조리개(125)는 검출 서브 시스템의 스펙트로미터의 스펙트로미터 슬릿(126)에 또는 그 근처에 위치할 수 있다.
수집 서브 시스템은 분광 리플렉토메트리의 기술 분야에서 공지된 수집 광학 기기(122), 개구 조리개(123), 편광 소자(124) 및 시야 조리개(125)의 임의의 유형 및 배열을 포함할 수 있다.
도 6에 도시된 실시 예에서, 수집 광학 서브 시스템은 광을 검출 서브 시스템의 둘 이상의 스펙트로미터로 지향시킨다. 검출 서브 시스템은 조명 서브 시스템에 의해 조명된 하나 이상의 구조로부터 수집된 광에 응답하여 출력을 생성한다.
일 양태에서, 검출기 서브 시스템은 각각 적외선을 포함하는 상이한 파장 범위에 걸쳐 수집된 광을 동시에 검출하도록 구성된 둘 이상의 검출기를 포함한다.
도 6에 도시된 실시 예에서, 수집된 광(127)은 스펙트로미터 슬릿(126)을 통과하여 회절 소자(128)에 입사한다. 회절 소자(128)는 입사광의 파장의 서브세트를 +/-1 회절 차수로 회절시키고, 입사광의 파장의 상이한 서브세트를 제로 회절 차 수로 회절시키도록 구성된다. 도 6에 도시된 바와 같이, 자외선 스펙트럼을 포함하는 입사광의 부분(129)은 회절 소자(128)에 의해 검출기(141)를 향하여 +/-1 회절 차수로 분산된다. 또한, 회절 소자(128)는 0차 회절 차수에서 적외선 파장을 포함하는 입사광의 부분(140)을 격자(147) 쪽으로 반사시키도록 구성된다. 광(140)은 회절 소자(147)에 입사하고, 회절 소자(147)는 +/-1 회절 차수에서 적외선 파장을 포함하는 입사광(140)의 부분(148)을 검출기(150) 쪽으로 분산시킨다.
도 6에 도시된 실시 예에서, 회절 소자(128)는 반사형 격자 소자이다. 그러나, 일반적으로, 회절 소자(128)는 입사광을 상이한 파장 대역들로 세분화하고, 상이한 파장 대역들을 상이한 방향으로 전파하고, 임의의 적절한 방식으로 검출기 상에 파장 대역들 중 하나의 광을 분산시키도록 구성될 수 있다. 일 예시에서, 회절 소자(128)는 투과형 격자로서 구성된다. 일부 다른 예에서, 회절 소자(128)는 상이한 파장 대역으로 빔을 세분화하는 빔 분리(beamsplitting) 소자 및 파장 대역 중 하나를 검출기(141) 상에 분산시키는 반사형 또는 투과형 격자 구조를 포함한다.
반사형 격자(128)는 자외선 스펙트럼 영역에서 +/-1 차수로 높은 회절 효율을 나타내고 적외선 스펙트럼 영역에서 0차 회절 차수로 높은 회절 효율을 나타내기 때문에, 반사형 격자(128)가 사용된다. 반사형 격자를 사용함으로써, 빔 분리 소자(예를 들어, 다이크로익 빔 분리 소자)에 내재된 손실이 회피된다.
회절 소자(128 및 147)는 각각의 2차원 검출기의 1차원(즉, 각각의 검출기에 대해 도 6에 도시된 파장 분산 방향)를 따른 파장에 따라 1차 회절 광을 선형적으로 분산시킨다. 설명을 위하여, 2개의 상이한 파장에서 검출된 광이 검출기(141)의 표면 상에 도시된다. 회절 소자(128)는 검출기(141)의 표면 상에 투영된 광의 2개의 상이한 파장 사이의 공간 분리를 초래한다. 이러한 방식으로, 특정 파장을 갖는 측정 지점(116)으로부터 수집된 광은 지점(142A) 위의 검출기(141) 상에 투영되고, 다른 상이한 파장을 갖는 측정 지점(116)으로부터 수집된 광은 지점(142B) 위의 검출기(141) 상에 투영된다.
일 예시에서, 검출기(141)는 자외선 및 가시광선 광(예를 들어, 190 나노미터 내지 860 나노미터의 파장을 갖는 광)에 민감한 전하 결합 소자(charge coupled device, CCD)이다. 일 예시에서, 검출기(150)는 적외선 광(예를 들어, 950 나노미터와 5000 나노미터 사이의 파장을 갖는 광)에 민감한 광 검출기 어레이(photo detector array, PDA)이다. 그러나, 일반적으로, 다른 2차원 검출기 기술(예를 들어, PSD(position sensitive detector), 적외선 검출기, 광전지 검출기 등)이 고려될 수 있다. 각각의 검출기는 입사광을 입사광의 스펙트럼 강도를 나타내는 전기 신호로 변환한다. 예를 들어, UV 검출기(141)는 입사광(129)을 나타내는 출력 신호(154A)를 생성하고, IR 검출기(150)는 입사광(148)을 나타내는 출력 신호(154B)를 생성한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 검출 서브 시스템은 수집된 광이 계측 시스템(100)의 모든 검출기로 동시에 전파되도록 배열된다. 계측 시스템(100)은 또한 UV 및 IR 신호를 둘다 포함하는 검출된 신호(154)를 수신하도록 구성된 컴퓨팅 시스템(130)을 포함하고, UV 및 IR 신호 모두에 기초하여 측정된 구조(들)의 관심 파라미터 값의 추정치(155)를 결정한다. 동시에 UV 및 IR 스펙트럼을 수집함으로써 측정 시간이 단축되고 모든 스펙트럼이 동일한 정렬 조건에서 측정된다. 이는 공통 보정이 모든 스펙트럼 데이터 세트에 적용될 수 있기 때문에 파장 오차가 보다 쉽게 보정되도록 한다.
또 다른 양태에서, 본 명세서에 기재된 적외선 분광 리플렉토미터 중 하나 이상은 하부 기판의 바닥(bottom)으로부터의 반사에 의해 생성된 측정 신호를 거부하기 위하여 비축 조명, 수집 또는 둘 다를 사용한다.
도 7은 기판(167) 상에 배치된 막 층(166) 상에 입사하는 조명(155)을 도시한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 조명은 수직 입사에 가깝게 배치되지만, 수직 입사(AOI = 0도)를 특별히 피한다. 입사광의 일부는 막(166)의 표면으로부터 반사하고, 다른 부분(158)은 막(166)과 기판(167) 사이의 계면으로부터 반사한다. 이러한 반사는 바람직하고 리플렉토메트리 기술에 기초하여 막(166)의 두께를 추정하기 위하여 수집되어야 한다. 그러나, 또한 입사광(155)의 일부(156)가 기판(167)을 관통한다. 광(156)의 일부(157)는 기판의 바닥(예를 들어, 웨이퍼의 후면)로부터 반사하여, 기판(167) 및 막(166)을 통과한다. 광(157)은 바람직하지 않으며 막(166)의 측정을 오염시킨다. 도 7에 도시된 바와 같이, 수집 애퍼처(159)는 기판(167)의 배면(back surface)으로부터 반사된 바람직하지 않은 광(157)을 차단하는데 성공적으로 이용된다. 이는 조명의 제로가 아닌 입사각이 막(166)의 상부 및 하부 표면으로부터 반사된 광 및 기판(167)의 바닥으로부터 반사된 광(157) 사이의 공간적 분리를 생성하기 때문에, 가능하다.
대조적으로, 도 8은 기판(167) 상에 배치된 막 층(166) 상에 입사하는 조명(175)을 도시한다. 도 8에 도시된 바와 같이, 조명은 수직 입사각으로 배치된다. 입사광(175)의 일부는 막(166)의 표면으로부터 반사하고, 다른 부분은 막(166)과 기판(167) 사이의 계면으로부터 반사한다. 또한, 입사광(175)의 일부(176)는 기판(167)을 관통한다. 기판의 바닥(예를 들어, 웨이퍼의 후면)으로부터 반사되는 광(176)의 일부(177)는 기판(167) 및 막(166)을 통과한다. 광(177)은 바람직하지 않으며 막(166)의 측정을 오염시킨다. 도 8에 도시된 바와 같이, 수집 애퍼처(174)는 기판(167)의 후면으로부터 반사된 바람직하지 않은 광(177)을 차단할 수 없는데, 왜냐하면, 조명의 제로 입사각이 막(166)의 상부 및 하부 표면으로부터 반사된 광과 기판(167)의 바닥으로부터 반사된 광(177) 사이에 공간적 분리를 생성하지 못하기 때문이다.
따라서, 일부 실시 예들에서, 제로가 아닌 입사각들에서 본 명세서에 기재된 적외선 리플렉토메트리 측정을 수행하는 것이 바람직하다. 이러한 방식으로, 후면 반사로부터 생성된 광은 측정으로부터 효과적으로 차단될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 경사 조명은 도 7을 참조하여 기술되고, 도 9의 실시 예에서 또한 도시된 바와 같은 후면 반사들에 대한 측정 감도를 감소시키기 위하여 사용된다. 일부 다른 실시 예에서, 법선 조도(normal illumination)가 이용되지만, 수집 구경 조리개 또는 그 접합체에서 또는 그 근처의 수집 경로 내의 암흑화(obscuration) 마스크(223)가, 후면 반사가 도 10의 실시 예에 도시된 바와 같이 측정 광학 기기로 수용되지 않도록, 개구수에 걸쳐 중심 광선을 차단시키기 위하여 이용된다. 이 접근법은 법선 조도 입사를 가능하게 하지만, 중심에서 흐려진 동공, 빛 손실 및 알고리즘 복잡성과 같은 가능한 단점을 겪는다. 일부 다른 실시 예에서, 암흑화부(223)가 조명 경로에 배치된다.
도 9는 다른 실시 예에서 750 나노미터와 2,600 나노미터 사이의 파장 범위에 걸쳐 있는 하나 이상의 측정 채널을 포함하는 적외선 분광 리플렉토미터를 도시한다. 일 양태에서, 적외선 분광 리플렉토미터(200)는 수직 입사를 피하기 위한 슈바르쯔쉴트(Schwartzchild) 대물 렌즈를 포함한다. 도 9에 도시된 유사한 번호의 소자는 도 6를 참조하여 설명된 것들과 유사하다.
적외선 분광 리플렉토미터(200)는 편광자(204), 대물 렌즈(201), 분석기(210) 및 스펙트로미터(212)를 포함한다. 도 9에 도시된 바와 같이, 광 빔은 컴퓨팅 시스템(130)으로부터 수신된 명령 신호에 응답하여, 조명원(202)에 의해 생성된다. 조명광 빔(220)을 생성하기 위하여 조명원(202)로부터의 광은 선택적인(optional) 빔 형성 광학 기기(203)에 의해 컨디셔닝된다. 조명광 빔(220)은 편광자(204)로 지향된다. 도시된 바와 같이, 편광자(204)로 향하는 조명광은 조명 원(202)으로부터 나오지만, 일반적으로 시스템(100)의 조명원들 중 임의의 조명원으로부터의 광은 편광자(204)로 향하는 조명광 빔을 생성하도록 결합될 수 있다. 이러한 방식으로, 조명광의 스펙트럼 성분은 다수의 조명원으로부터 방출된 광의 조합으로서 구성될 수 있다.
일부 실시 예에서, 편광자(204)는 조명광 빔(220)의 광축을 중심으로 편광 소자를 선택적으로 회전시키도록 구성된다. 일반적으로, 편광자(204)는 당 업계에 공지된 편광 소자를 회전시키는 임의의 편광 소자 및 시스템을 포함할 수 있다. 예를 들어, 편광자(204)는 회전 액추에이터(rotational actuator)에 기계적으로 결합된 편광 소자를 포함할 수 있다. 하나의 예에서, 편광 소자는 로숀(Rochon) 프리즘일 수 있다. 다른 예에서, 편광 소자는 빔 변위기(beam displacer)를 포함할 수 있다. 편광자(204)는 회전 활성 또는 회전 비활성 상태로 시스템(200) 내에서 동작하도록 구성된다. 일 예시에서, 편광 소자가 조명광(220)의 광축에 대해 회전식으로 고정되도록 편광자(204)의 회전 액추에이터는 비활성일 수 있다. 다른 예에서, 회전 액추에이터는 선택된 각 주파수(ωρ)에서 조명광의 광축을 중심으로 편광 소자를 회전시킬 수 있다.
일부 다른 실시 예에서, 편광자(204)는 조명광 빔(220)의 광축에 대해 고정된 편광 각도로 구성된다.
도 9에 도시된 바와 같이, 조명광 빔(220)은 편광자(204)를 통과하는 반면, 회전 액추에이터는 선택된 각 주파수(ωρ)에서 편광 소자를 회전시킨다. 이러한 방식으로, 편광자(204)는 빔 스플리터(206)를 향하는 편광된 광 빔(221)을 생성한다. 빔 스플리터(206)는 편광된 광 빔(221)을 대물 렌즈(201) 쪽으로 지향시킨다.
도 9에 도시된 실시 예에서, 대물 렌즈(201)는 반사형 광학 소자만을 포함하는 슈바르쯔쉴트(Schwartzchild) 유형 대물 렌즈이다. 도 9에 도시된 슈바르쯔쉴트 대물 렌즈는 광이 대물 렌즈(201)를 안밖으로 출입할 수 있도록 광축(optical axis, OA)과 정렬된 개구(예를 들어, 홀)를 갖는 오목 거울(208)을 포함한다. 입사하는 광은 개구를 통과하여, 볼록 거울(207)로부터 오목 거울(208) 쪽으로 반사된다. 반사된 광은 오목 거울(208)에 의해 웨이퍼(212)의 표면에 집속된다. 편광된 광 빔(221)은 대물 렌즈(201)에 의한 입사각의 범위에 걸쳐, 단, 제로 입사각(즉, 웨이퍼(212)의 표면에 수직임)이 아니도록 웨이퍼(212)의 표면에 집속된다. 일부 예에서, 편광된 광 빔(221)은 5도 내지 40도 사이의 입사각 범위 내에서 웨이퍼(212)의 표면 상에 집속된다. 일부 다른 예에서, 편광된 광 빔(221)은 5도 내지 25도 사이의 입사각 범위 내에서 웨이퍼(212)의 표면에 집속된다. 일부 예에서, 편광된 광 빔(221)의 일부는 20도 미만의 입사각으로 웨이퍼(212)의 표면에 집속된다. 일부 다른 예에서, 편광된 광 빔(221)의 일부는 15도 미만의 입사각으로 웨이퍼(212)의 표면에 집속된다. 일부 예에서, 편광된 광 빔(221)은 작은 조명 지점에서 작은 입사각으로 웨이퍼(212)의 표면에 집속된다. 일부 예에서, 결과적인 조명 지점은 직경이 20 마이크로미터 미만이다. 일부 다른 예에서, 결과적인 조명 지점 크기는 직경이 10 마이크로미터 미만이다.
집속된 편광된 광 빔(221)과 웨이퍼(212)와의 상호 작용은 반사, 산란, 회절, 투과 또는 다른 유형의 공정 중 임의의 것에 의해 방사선의 편광을 변경한다. 웨이퍼(212)와의 상호 작용 후에, 변경된 광(222)은 대물 렌즈(201)에 의해 수집되고 빔 스플리터(206)로 지향된다. 웨이퍼(212)로부터의 광은 오목 거울(208)에 의해 수집되고, 볼록 거울(207)에 집속되며, 여기서 빔 스플리터(206) 쪽으로 들어오는 광과 동일한 홀을 통해 슈바르쯔쉴트 대물 렌즈를 빠져 나간다. 빔 스플리터(206)는 변경된 광(222)을 분석기(210) 쪽으로 투과하도록 구성된다. 도 9에 도시된 실시 예에서, 분석기(210)는 변경된 광 빔(222)이 분석기(210) 및 선택적인 빔 집속 광학 기기(211)를 통과하여 스펙트로미터(212)로 통과하는 동안, 변경된 광 빔(222)의 광축을 중심으로 회전 가능하게 고정되어 유지되는 편광자 소자를 포함한다. 스펙트로미터(212)에서, 상이한 파장을 가진 빔 성분은 상이한 검출기에 대해 상이한 방향으로 (예를 들어, 프리즘 스펙트로미터에서) 굴절되거나, (예를 들어, 격자 스펙트로미터에서) 회절된다. 검출기는 광다이오드의 선형 어레이일 수 있으며, 각 광다이오드는 상이한 파장 범위의 방사선을 측정한다. 스펙트로미터(212)에 의해 수신된 방사선은 편광 상태와 관련하여 분석되어, 편광자(212)에 의해 통과된 방사선의 스펙트로미터에 의한 스펙트럼 분석이 가능해진다. 이들 스펙트럼(228)은 웨이퍼(212)의 구조적 특성을 분석하기 위하여 컴퓨팅 시스템(130)으로 전달된다.
도 10은 다른 실시 예에서 750 나노미터와 2,600 나노미터 사이의 파장 범위에 걸쳐 있는 하나 이상의 측정 채널을 포함하는 적외선 분광 리플렉토미터를 도시한다. 일 양태에서, 적외선 분광 리플렉토미터(300)는 경사 입사를 달성하기 위하여 비축의 뚜렷한(unobscured) 대물 렌즈(301)를 포함한다. 도 10에 도시된 유사한 번호의 소자는 도 6 및 도 9를 참조하여 기술된 것과 유사하다.
적외선 분광 리플렉토미터(300)는 도 9를 참조하여 기술된 적외선 분광 리플렉토미터(200)와 유사하다. 그러나, 슈바르쯔쉴트 대물 렌즈 대신에, 비축의 뚜렷한 대물 렌즈(301)가 사용된다. 들어오는 광은 볼록 거울(307)에서 오목 거울(308) 쪽으로 반사된다. 반사된 광은 오목 거울(308)에 의해 웨이퍼(312)의 표면에 집속된다. 편광된 광 빔(221)은 대물 렌즈에 의한 입사각 범위에 걸쳐 웨이퍼(312)의 표면에 집속된다. 일부 예에서, 편광된 광 빔(221)은 5도 내지 40도 사이의 입사각 범위 내에서 웨이퍼(312)의 표면에 집속된다. 일부 다른 예에서, 편광된 광 빔(221)은 5도 내지 25도 사이의 입사각 범위 내에서 웨이퍼(212)의 표면에 집속된다. 일부 예에서, 편광된 광 빔(221)의 일부는 20도 미만의 입사각으로 웨이퍼(312)의 표면에 집속된다. 일부 다른 예에서, 편광된 광 빔(221)의 일부는 15도 미만의 입사각으로 웨이퍼(312)의 표면에 집속된다. 편광된 광 빔(221)은 작은 조명 지점에서 작은 입사각으로 웨이퍼(312)의 표면에 집속된다. 일부 예에서, 결과적인 조명 지점은 직경이 20 마이크로미터 미만이다. 일부 다른 예에서, 결과적인 조명 지점 크기는 직경이 10 마이크로미터 미만이다. 일부 예에서, 도 6에 도시된 마스크(223)와 같이, 중심 암흑화부(central obscuration)를 갖는 조명 마스크는 조명 동공에 또는 그 근처에 위치한다.
집속된 편광된 광 빔(221)과 웨이퍼(312)와의 상호 작용은 반사, 산란, 회절, 투과 또는 다른 유형의 공정 중 임의의 것에 의해 방사선의 편광을 변경한다. 웨이퍼(312)와의 상호 작용 후에, 변경된 광(222)은 대물 렌즈(301)에 의해 수집되고 빔 스플리터(206)로 향한다. 웨이퍼(312)로부터의 광은 오목 거울(308)에 의해 수집되고, 볼록 거울(307)에 집속되고, 여기서 콜리메이션되어, 빔 스플리터(206)를 향하여 대물 렌즈(301)를 빠져나간다. 몇몇 다른 예들에서, 도 10에 도시된 마스크(223)와 같은 중심 암흑화부를 갖는 수집 마스크가 수집 동공에 또는 그 근처에 위치된다.
비축의 뚜렷한(unobscured) 대물 렌즈의 예시적인 구현이 Rampoldi 등의 미국 특허 출원 공개 번호 제2016/0139032호에 상세히 기술되어 있고, 이 내용은 그 전체가 본 명세서에 참조로 포함된다.
일부 실시 예에서, 검출기 서브 시스템은 단일 검출기 패키지 상의 상이한 위치에서 상이한 감도 대역을 결합하는 다중-구역 적외선 검출기를 포함한다. 검출기는 입사 위치에 따라 상이한 감도에서 연속적인 스펙트럼의 데이터를 전달하도록 구성된다.
도 12는 이용 가능한 InGaAs(Indium Gallium Arsenide) 센서의 통상적인 광감성 곡선을 나타낸다. 도 12에 도시된 바와 같이, 이용 가능한 InGaAs 센서들 중 어떤 단일 센서도 1 마이크로미터 내지 2.5 마이크로미터의 파장 대역에 걸쳐 적절한 감광성을 제공할 수 없다. 따라서, 개별적으로, 이용 가능한 센서는 좁은 파장 대역에 걸쳐서만 감지할 수 있다.
일 양태에서, 각각 상이한 파장 대역에서 민감한 다수의 센서 칩이 단일 검출기 패키지로 결합된다. 결국, 이러한 다중-구역 검출기는 여기에 설명된 계측 시스템에서 구현된다.
도 11은 다중-구역 적외선 검출기(180)를 만들기 위하여 4개의 상이한 파장 대역으로부터 도출된 4개의 센서 칩(180A-D)을 도시한다. 4개의 센서 칩은 각각 상이한 감광 특성을 나타내는 상이한 물질 조성을 포함한다. 도 11에 도시된 바와 같이, 센서 칩(180A)은 파장 대역(A)에 걸쳐 높은 감도를 나타내고, 센서 칩(180B)은 파장 대역 B에 걸쳐 높은 감도를 나타내고, 센서 칩(180C)은 파장 대역 C에 걸쳐 높은 감도를 나타내고, 센서 칩(180D)은 파장 대역 D에 걸쳐 높은 감도를 나타낸다. 검출기(180)를 포함하는 계측 시스템은 파장 대역 A 내의 파장을 센서 칩(180A) 상에 분산시키고, 파장 대역 B 내의 파장을 센서 칩(180B) 상에 분산시키고, 파장 대역 C 내의 파장을 센서 칩(180C) 상에 분산시키고, 파장 대역 D 내의 파장을 센서 칩(180D) 상에 분산시킨다. 이러한 방식으로, 높은 감광성(즉, 높은 SNR)이 단일 검출기로부터의 파장 대역(A-D)을 포함하는 총 파장 대역에 걸쳐 달성된다. 결과적으로, 특정 센서의 사용을 측정 감도가 높고 측정 잡음이 낮은 협대역으로 제한함으로써 전체 측정 범위에 걸친 측정 잡음이 감소된다.
일부 예에서, 다중-구역 검출기는 750 나노미터 내지 3,000 나노미터 또는 그 이상의 파장을 커버하는 단일의 연속 스펙트럼을 생성하기 위하여 단일 센서 패키지 내에 어셈블링된 상이한 스펙트럼 영역에 대한 감도를 갖는 InGaAs 센서를 포함한다.
일반적으로, 연속적인 스펙트럼이 검출기로부터 도출될 수 있도록, 임의의 수의 개별 센서가 다중-구역 검출기의 파장 분산 방향을 따라 어셈블링될 수 있다. 그러나, 전형적으로, 2개 내지 4개의 개별 센서가 검출기(180)와 같은 다중-구역 검출기에 사용된다.
일 실시 예에서, 3개의 개별 센서는 800 나노미터와 1600 나노미터 사이의 범위에 걸쳐 있는 제1 세그먼트와 함께 사용되며, 제2 세그먼트는 1600 나노미터와 2200 나노미터 사이의 범위에 걸쳐 있고, 제3 세그먼트는 2200 나노미터와 2,600 나노미터 사이의 범위에 걸쳐 있다.
InGaAs 기반 적외선 검출기의 사용이 본 명세서에 구체적으로 설명되었지만, 일반적으로 좁은 감도 범위 및 날카로운 감도 컷오프를 나타내는 임의의 적절한 재료가 본 명세서에 기재된 바와 같이 다중-구역 검출기 내에 통합될 수 있다.
도 6, 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 도시된 측정 채널은 조명측 상의 편광자 및 수집 측 상의 분석기를 포함한다. 그러나, 일반적으로, 샘플의 편광된 반사율의 측정, 샘플의 편광되지 않은 반사율의 측정, 또는 둘 모두를 수행하기 위하여, 임의의 측정 채널이 조명 편광자, 수집 분석기, 조명 보상기, 수집 보상기를 임의의 조합으로 포함하거나 포함하지 않을 수 있다고 생각된다.
또 다른 양태에서, 본 명세서에 기재된 적외선 분광 리플렉토미터를 포함하는 계측 시스템은 또한 190 나노미터와 900 나노미터 사이의 파장 범위에서 동작하는 하나 이상의 추가 측정 채널을 포함할 수 있다. 이들 측정 채널은 분광 리플렉토미터, 엘립소미터, 스캐트로미터 또는 이들의 임의의 조합으로 구성될 수 있다.
일부 실시 예에서, 계측 시스템은 본 명세서에 기재된 바와 같은 적외선 분광 리플렉토미터 및 190 나노미터와 900 나노미터 사이의 파장 범위에서 동작하는 분광 엘립소미터를 포함한다. 적외선 분광 리플렉토미터는 40도 미만의 입사각(예를 들어, 5도 내지 40도 사이)에서 측정을 수행하도록 구성되며, 분광 엘립소미터는 40도보다 큰 입사각(예를 들어, 50도 내지 90도 사이)에서 측정을 수행하도록 구성된다. 이들 실시 예들 중 일부에서, 적외선 분광 리플렉토미터의 측정 지점은 분광 엘립소미터의 측정 지점과 함께 동일 위치에 있다. 일부 다른 실시 예에서, 측정 지점들은 동일 위치에 있지 않다.
일부 실시 예들에서, 계측 시스템은 750 나노미터와 2,600 나노미터 사이의 파장 범위에서 동작하는 본 명세서에 기재된 바와 같은 하나 이상의 적외선 분광 리플렉토미터 측정 채널을 포함한다. 또한, 계측 시스템은 190 나노미터 내지 900 나노미터의 파장 범위에서 측정하는 CCD 센서와 같이, UV 내지 근적외선 검출기를 사용하는 적어도 하나의 UV 내지 근적외선 스펙트로미터 채널, 150 나노미터 내지 300 나노미터의 파장 범위의 진공 UV CCD 센서를 이용하는 적어도 하나의 진공 UV 스펙트로미터 채널, 2500 나노미터 내지 4500 나노미터의 파장 범위에서 측정하는 적어도 하나의 중적외선 스펙트로미터 채널 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는(이에 한정되지 않음) 하나 이상의 추가 채널을 포함한다. 이들 실시 예들 중 일부에서, 다양한 스펙트로미터의 측정 지점은 동일한 위치에 있다. 일부 다른 실시 예에서, 측정 지점은 동일한 위치에 있지 않다.
일부 실시 예에서, 계측 시스템의 하나 이상의 측정 채널은 상이한 범위의 파장 및 입사각에 추가하여 상이한 방위각에서 웨이퍼를 측정하도록 구성된다. 일부 실시 예에서, 본 명세서에 기재된 적외선 분광 리플렉토미터를 포함하는 계측 시스템은 계측 타겟에 대해 0도 및 90도의 방위각에서 웨이퍼의 측정을 수행하도록 구성된다. 일부 실시 예에서, 계측 시스템은 하나 이상의 파장 범위, 하나 이상의 AOI 범위 및 하나 이상의 방위각에 걸쳐 웨이퍼 반사율을 동시에 측정하도록 구성된다.
도 13a 내지 도 13e는 본 명세서에 기재된 바와 같이 적외선 분광 리플렉토미터를 사용하여 비정질 탄소 막 상에 수집된 반사율의 실험 스펙트럼 측정치를 나타낸다. 도 13a는 2500 옹스트롬의 두께를 갖는 막의 측정치의 플롯(410)을 도시한다. 도 13b는 5000 옹스트롬의 두께를 갖는 막의 측정치의 플롯(420)을 도시한다. 도 13c는 7500 옹스트롬의 두께를 갖는 막의 측정치의 플롯(430)을 도시한다. 도 13d는 10000 옹스트롬의 두께를 갖는 막의 측정치의 플롯(440)을 도시한다. 도 13e는 12500 옹스트롬의 두께를 갖는 막의 측정치의 플롯(450)을 도시한다. 도 13a 내지 도 13e에 도시된 바와 같이, 막 두께가 증가함에 따라, 특히 더 짧은 측정 파장에 대해 흡수 손실이 증가한다. 그러나, 파장 범위를 2200 나노미터 이상으로 확장함으로써, 성공적인 측정을 달성할 수 있다.
또 다른 추가의 양태에서, 웨이퍼 평면 상에 투영되는 조명 시야 조리개의 치수는 측정 대상 타겟의 성질에 기초하여 결과적인 측정 정확도 및 속도를 최적화하도록 조정된다.
또 다른 추가의 양태에서, 조명 시야 조리개의 치수는 각각의 측정 애플리케이션에 대해 원하는 스펙트럼 분해능을 달성하도록 조정된다.
일부 예들에서, 예를 들어 샘플이 매우 두꺼운 막 또는 격자 구조인 경우, 입사면에 수직인 방향으로 웨이퍼 평면 상에 투영된 조명 시야 조리개는 증가된 스펙트럼 분해능을 달성하기 위하여 필드 크기를 감소시키도록 조정된다. 일부 예에서, 샘플이 박막인 경우, 입사면에 수직인 방향으로 웨이퍼 평면 상에 투영된 조명 시야 조리개는 스펙트럼 분해능을 잃지 않고 단축된 측정 시간을 달성하기 위하여 필드 크기를 증가시키도록 조정된다.
도 6에 도시된 실시 예에서, 컴퓨팅 시스템(130)은 검출기 서브 시스템에 의해 검출된 스펙트럼 응답을 나타내는 신호(154)를 수신하도록 구성된다. 컴퓨팅 시스템(130)은 또한 프로그램 가능 조명 시야 조리개(113)에 전달되는 제어 신호(119)를 결정하도록 구성된다. 프로그래밍 가능 조명 시야 조리개(113)는 제어 신호(119)를 수신하고 원하는 조명 필드 크기를 달성하기 위하여 조명 애퍼처의 크기를 조정한다.
일부 예들에서, 조명 시야 조리개는 전술한 바와 같이 측정 정확도 및 속도를 최적화하도록 조정된다. 다른 예에서, 조명 시야 조리개는 스펙트로미터 슬릿에 의한 이미지 클리핑 및 측정 결과의 대응하는 저하를 방지하도록 조정된다. 이러한 방식으로, 측정 대상의 이미지가 스펙트로미터 슬릿을 언더필(underfill)하도록 조명 필드 크기가 조정된다. 일 예시에서, 조명 광학 기기의 편광자 슬릿의 투영이 계측 시스템의 스펙트로미터 슬릿을 언더필하도록 조명 시야 조리개가 조정된다.
도 15는 적어도 하나의 신규한 양상에서 분광 측정을 수행하는 방법(500)을 도시한다. 방법(500)은 본 발명의 도 6, 도 9 및 도 10에 각각 도시된 계측 시스템(100, 200, 300)과 같은 계측 시스템에 의한 구현에 적합하다. 일 양태에서, 방법(500)의 데이터 처리 블록은 컴퓨팅 시스템(130)의 하나 이상의 프로세서 또는 임의의 다른 범용 컴퓨팅 시스템에 의해 실행되는 사전 프로그래밍된 알고리즘을 통해 수행될 수 있음이 인식된다. 본 명세서에서, 계측 시스템(100, 200 및 300)의 특정 구조적 측면은 제한을 나타내지 않으며, 단지 예시적인 것으로 해석되어야 한다고 인식된다.
블록(501)에서, 일정 양의 광대역 조명광(an amount of broadband illumination light)이 조명원으로부터 측정 대상 표본의 표면 상의 측정 지점으로 다수의 입사각으로 지향된다. 일정 양의 광대역 조명광은 750 나노미터 내지 2,600 나노미터 범위에 걸쳐 있는 파장을 포함한다.
블록(502)에서, 일정 양의 광(an amount of light)이 표본의 표면 상의 측정 지점으로부터 수집되어 하나 이상의 검출기로 보내진다.
블록(503)에서, 일정 양의 수집된 광과 연관된 측정 스펙트럼이 적어도 하나의 검출기로 검출된다. 적어도 하나의 검출기는 각각 상이한 감광성을 갖는 둘 이상의 상이한 표면 영역을 갖는 입사광에 민감한 평평한 2차원 표면을 포함한다. 둘 이상의 상이한 표면 영역은 적어도 하나의 검출기의 표면을 가로 지르는 파장 분산 방향으로 정렬된다.
추가 실시 예에서, 시스템들(100, 200 및 300)은 여기에 설명된 방법들에 따라 수집된 분광 측정 데이터에 기초하여 실제 디바이스 구조들의 측정을 수행하기 위하여 사용되는 하나 이상의 컴퓨팅 시스템(130)을 포함한다. 하나 이상의 컴퓨팅 시스템(130)은 스펙트로미터에 통신 가능하게 결합될 수 있다. 하나의 양태에서, 하나 이상의 컴퓨팅 시스템(130)은 측정 대상 표본의 구조의 측정과 관련된 측정 데이터를 수신하도록 구성된다.
또한, 본 개시 전반에 걸쳐 기술된 하나 이상의 단계는 단일 컴퓨터 시스템(130) 또는 대안으로 다중 컴퓨터 시스템(130)에 의해 수행될 수 있음을 인식해야 한다. 또한, 시스템(100)의 상이한 서브 시스템은 여기에 설명된 단계들의 적어도 일부를 수행하기에 적절한 컴퓨터 시스템을 포함할 수 있다. 따라서, 전술한 설명은 본 발명에 대한 제한으로서 해석되어서는 안되며, 단지 예시일 뿐이다.
또한, 컴퓨터 시스템(130)은 당 업계에 공지된 임의의 방식으로 스펙트로미터에 통신 가능하게 결합될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 컴퓨팅 시스템(130)은 스펙트로미터와 관련된 컴퓨팅 시스템에 연결될 수 있다. 다른 예에서, 스펙트로미터는 컴퓨터 시스템(130)에 결합된 단일 컴퓨터 시스템에 의해 직접 제어될 수 있다.
계측 시스템(100)의 컴퓨터 시스템(130)은 유선 및/또는 무선 부분을 포함할 수 있는 전송 매체에 의해 시스템의 서브 시스템(예를 들어, 스펙트로미터 등)으로부터 데이터 또는 정보를 수신 및/획득하도록 구성될 수 있다. 이러한 방식으로, 전송 매체는 컴퓨터 시스템(130)과 시스템(100)의 다른 서브 시스템 사이의 데이터 링크로서의 역할을 할 수 있다.
계측 시스템(100)의 컴퓨터 시스템(130)은 유선 및/또는 무선 부분을 포함할 수 있는 전송 매체에 의해 다른 시스템으로부터 데이터 또는 정보(예를 들어, 측정 결과, 모델링 입력, 모델링 결과, 기준 측정 결과 등)를 수신 및/또는 획득하도록 구성될 수 있다. 이러한 방식으로, 전송 매체는 컴퓨터 시스템(130)과 다른 시스템들(예를 들어, 메모리 온보드 계측 시스템(100), 외부 메모리 또는 다른 외부 시스템들) 사이의 데이터 링크로서의 역할을 할 수 있다. 예를 들어, 컴퓨팅 시스템(130)은 데이터 링크를 통해 저장 매체(즉, 메모리(132) 또는 외부 메모리)로부터 측정 데이터를 수신하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 여기에 기술된 스펙트로미터를 사용하여 얻어진 스펙트럼 결과는 영구적 또는 반영구적 메모리 디바이스(예를 들어, 메모리(132) 또는 외부 메모리)에 저장될 수 있다. 이와 관련하여 스펙트럼 결과는 온보드 메모리 또는 외부 메모리 시스템으로부터 가져오기(import) 될 수 있다. 또한, 컴퓨터 시스템(130)은 전송 매체를 통해 다른 시스템에 데이터를 전송할 수 있다. 예를 들어, 컴퓨터 시스템(130)에 의해 결정되는 측정 모델 또는 추정된 파라미터 값(171)은 외부 메모리에 전달되어 저장될 수 있다. 이와 관련하여, 측정 결과를 다른 시스템으로 보내기(export) 할 수 있다.
컴퓨팅 시스템(130)은 퍼스널 컴퓨터 시스템, 메인 프레임 컴퓨터 시스템, 워크스테이션, 이미지 컴퓨터, 병렬 프로세서, 또는 당 업계에 공지된 임의의 다른 디바이스를 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 일반적으로, "컴퓨팅 시스템"이라는 용어는 메모리 매체로부터 명령어들을 실행하는 하나 이상의 프로세서를 갖는 임의의 디바이스를 포괄하도록 광범위하게 정의될 수 있다.
여기에 설명된 것과 같은 방법을 구현하는 프로그램 명령어들(134)은 유선, 케이블 또는 무선 전송 링크와 같은 전송 매체를 통해 전송될 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 메모리(132)에 저장된 프로그램 명령어들(134)은 버스(133)를 통해 프로세서(131)에 전송된다. 프로그램 명령어들(134)은 컴퓨터 판독 가능 매체(예를 들어, 메모리(132))에 저장된다. 예시적인 컴퓨터 판독 가능 매체는 판독 전용 메모리, 랜덤 액세스 메모리, 자기 또는 광학 디스크, 또는 자기 테이프를 포함한다.
일부 예에서, 측정 모델은 미국, 캘리포니아주, 밀피타스, KLA-텐코 코퍼레이션(KLA-Tencor Corporation)으로부터 이용 가능한 SpectraShape® 광학 임계-치수 계측 시스템의 소자로서 구현된다. 이러한 방식으로, 모델이 생성되고 스펙트럼이 시스템에 의해 수집된 직후에 사용할 준비가 된다.
일부 다른 예에서, 측정 모델은 예를 들어 미국, 캘리포니아주, 밀피타스, KLA-텐코 코퍼레이션(KLA-Tencor Corporation)으로부터 이용 가능한 AcuShape® 소프트웨어를 구현하는 컴퓨팅 시스템에 의해 오프라인으로 구현된다. 그 결과 얻어진 트레이닝된 모델은 측정을 수행하는 계측 시스템이 접근할 수 있는 AcuShape® 라이브러리의 요소로서 통합될 수 있다.
또 다른 양태에서, 본 명세서에 기술된 반도체 디바이스의 분광 계측을 위한 방법 및 시스템은 높은 종횡비(HAR) 구조, 큰 측면 치수 구조 또는 이 둘 모두의 측정에 적용된다. 기술된 실시 예는 삼성 전자(한국), SK 하이닉스(한국), 도시바(일본), 마이크론 테크놀로지(미국) 등과 같은 다양한 반도체 제조사에 의해 제조된, 수직 NAND(V-NAND) 구조, 동적 랜덤 액세스 메모리 구조(DRAM) 등과 같은 3 차원 NAND 구조를 포함하는 반도체 디바이스에 대해 광학 임계 치수(CD), 막 및 조성 계측을 가능하게 한다. 이러한 복잡한 디바이스는 측정되고 있는 구조(들)로의 낮은 광 투과를 겪는다. 도 14는 측정되고 있는 구조(들)로의 낮은 광 투과를 겪는 예시적인 높은 종횡비 NAND 구조(400)를 도시한다. 본 명세서에 기술된 바와 같이 동시 스펙트럼 대역 검출을 갖는 광대역 성능 및 넓은 범위의 AOI, 방위각 또는 둘 모두를 갖는 분광 엘립소미터는 이러한 높은 종횡비 구조의 측정에 적합하다. HAR 구조는 종종 하드 마스크 층을 포함하여, HAR에 대한 에칭 공정을 용이하게 한다. 본 명세서에 기술된 바와 같이, 용어 "HAR 구조"는 2 : 1 또는 10 : 1을 초과하고 100 : 1 또는 그 이상으로 높을 수 있는 종횡비를 특징으로 하는 임의의 구조를 지칭한다.
또 다른 양태에서, 여기에 설명된 측정 결과는 공정 툴(예를 들어, 리소그래피 툴, 에칭 툴, 퇴적 툴 등)에 능동 피드백을 제공하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 명세서에 기재된 측정 방법에 기초하여 결정된 측정된 파라미터의 값은 리소그래피 툴에 전달되어, 원하는 출력을 달성하도록 리소그래피 시스템을 조정할 수 있다. 유사한 방식으로, 에칭 툴 또는 퇴적 툴에 각각 능동 피드백을 제공하기 위하여 에칭 파라미터(예를 들어, 에칭 시간, 확산율 등) 또는 퇴적 파라미터(예를 들어, 시간, 농도 등)가 측정 모델에 포함될 수 있다. 일부 예에서, 측정된 디바이스 파라미터 값 및 트레이닝된 측정 모델에 기초하여 결정된 공정 파라미터에 대한 보정은 리소그래피 툴, 에칭 툴 또는 퇴적 툴에 전달될 수 있다.
본 명세서에 기술된 바와 같이, 용어 "임계 치수"는 구조의 임의의 임계 치수(예를 들어, 하부 임계 치수, 중간 임계 치수, 상부 임계 치수, 측벽 각도, 격자 높이 등), 임의의 2개 이상의 구조 사이의 임계 치수(예를 들어, 2개의 구조 사이의 거리), 및 2개 이상의 구조 사이의 변위(예를 들어, 오버레이 격자 구조 사이의 오버레이 변위 등)를 포함한다. 구조는 3차원 구조, 패터닝된 구조, 오버레이 구조 등을 포함할 수 있다.
여기에 설명된 바와 같이, 용어 "임계 치수 애플리케이션" 또는 "임계 치수 측정 애플리케이션"은 임의의 임계 치수 측정을 포함한다.
여기에 기술된 바와 같이, "계측 시스템"이라는 용어는 임계 치수 계측, 오버레이 계측, 초점/도즈 계측 및 조성물 계측과 같은 측정 애플리케이션을 포함하여, 임의의 양태로 표본을 특성화하기 위하여 적어도 부분적으로 사용되는 시스템을 포함한다. 그러나, 그러한 기술 용어는 본 명세서에서 기술된 "계측 시스템"이라는 용어의 범위를 제한하지 않는다. 또한, 계측 시스템(100)은 패터닝된 웨이퍼 및/또는 패터닝되지 않은 웨이퍼의 측정을 위하여 구성될 수 있다. 계측 시스템은 LED 검사 툴, 엣지 검사 툴, 후면 검사 툴, 매크로 검사 툴 또는 (하나 이상의 플랫폼으로부터의 데이터를 동시에 포함하는) 다중 모드 검사 툴, 및 임계 치수 데이터를 기반으로 시스템 파라미터를 캘리브레이션함으로써 이익을 얻는 기타 다른 계측 또는 검사 툴로서 구성될 수 있다.
임의의 반도체 처리 툴(예를 들어, 검사 시스템 또는 리소그래피 시스템) 내의 표본을 측정하기 위하여 사용될 수 있는 반도체 측정 시스템에 대한 다양한 실시 예가 본 명세서에서 설명된다. 본 명세서에서 "표본"이라는 용어는 웨이퍼, 레티클, 또는 당 업계에 공지된 수단에 의해 처리(예를 들어, 결함을 인쇄 또는 검사)될 수 있는 임의의 다른 샘플을 지칭하는데 사용된다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, 용어 "웨이퍼"는 일반적으로 반도체 또는 비 반도체 재료로 형성된 기판을 지칭한다. 예로는 단결정 실리콘, 갈륨 비화물 및 인듐 인화물이 있지만 이에 국한되지는 않는다. 이러한 기판은 일반적으로 반도체 제조 설비에서 발견 및/또는 처리될 수 있다. 몇몇 경우에, 웨이퍼는 기판(즉, 베어 웨이퍼)만을 포함할 수 있다. 대안적으로, 웨이퍼는 기판 상에 형성된 상이한 물질의 하나 이상의 층을 포함할 수 있다. 웨이퍼 상에 형성된 하나 이상의 층은 "패터닝 된" 또는 "패터닝되지 않은" 것일 수 있다. 예를 들어, 웨이퍼는 반복 가능한 패턴 피처를 갖는 복수의 다이를 포함할 수 있다.
"레티클"은 레티클 제조 공정의 임의의 스테이지에서 레티클일 수 있거나, 반도체 제조 설비에서 사용하기 위하여 방출될 수도 있고 안될 수도 있는 완성된 레티클일 수 있다. 레티클 또는 "마스크"는 일반적으로 그 위에 형성된 실질적으로 불투명한 영역을 가지며 패턴으로 구성된 실질적으로 투명한 기판으로서 정의된다. 기판은, 예를 들어 비결정질 SiO2와 같은 유리 재료를 포함할 수 있다. 레티클은 레티클 상의 패턴이 레지스트에 전사될 수 있도록 리소그래피 공정의 노광 단계 동안 레지스트-덮인 웨이퍼 위에 배치될 수 있다.
웨이퍼 상에 형성된 하나 이상의 층은 패터닝되거나 패터닝되지 않을 수 있다. 예를 들어, 웨이퍼는 각각 반복 가능한 패턴 피처를 갖는 복수의 다이를 포함할 수 있다. 이러한 물질 층의 형성 및 처리는 궁극적으로 완성된 디바이스를 초래할 수 있다. 많은 상이한 유형의 디바이스가 웨이퍼 상에 형성될 수 있으며, 본 명세서에서 사용된 웨이퍼라는 용어는 당 업계에 공지된 임의의 유형의 디바이스가 제조되고 있는 웨이퍼를 포함하도록 의도된다.
하나 이상의 예시적인 실시 예에서, 기술된 기능들은 하드웨어, 소프트웨어, 펌웨어, 또는 이들의 임의의 조합으로 구현될 수 있다. 소프트웨어로 구현되는 경우, 기능은 컴퓨터 판독 가능 매체 상에 하나 이상의 명령어 또는 코드로서 저장되거나 전송될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 컴퓨터 저장 매체 및 한 장소에서 다른 장소로 컴퓨터 프로그램의 전송을 용이하게 하는 임의의 매체를 포함하는 통신 매체 모두를 포함한다. 저장 매체는 범용 또는 특수 목적 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 이용 가능한 매체일 수 있다. 제한 없이 예로서, 그러한 컴퓨터 판독 가능 매체는 RAM, ROM, EEPROM, CD-ROM 또는 다른 광 디스크 스토리지, 자기 디스크 스토리지 또는 다른 자기 스토리지 디바이스, 또는 범용 또는 특수 목적 컴퓨터 또는 범용 또는 특수 목적 프로세서에 의해 액세스될 수 있는 명령어들 또는 데이터 구조의 형태로 원하는 프로그램 코드 수단을 전달하거나 저장하는데 사용될 수 있는 임의의 다른 매체를 포함할 수 있다. 또한, 임의의 접속은 적절하게 컴퓨터 판독 가능 매체로 지칭된다. 예를 들어 동축 케이블, 광섬유 케이블, 트위스트 페어, 디지털 가입자 회선(DSL) 또는 적외선, 무선 및 마이크로파와 같은 무선 기술을 사용하여 웹 사이트, 서버 또는 기타 원격 소스로부터 소프트웨어가 전송된다면, 동축 케이블, 광섬유 케이블, 트위스트 페어, DSL, 또는 적외선, 무선 및 마이크로파와 같은 무선 기술은 매체의 정의에 포함된다. 본 명세서에서 사용되는 디스크(disk) 및 디스크(disc)는 콤팩트 디스크(compact disc CD), 레이저 디스크(laser disc), 광학 디스크(optical disc), DVD(digital versatile disc), 플로피 디스크(floppy disk) 및 블루-레이 디스크(blu-ray disc)를 포함하고, 여기서 디스크(disk)가 일반적으로 데이터를 자기적으로 재생하는 반면, 디스크(disc)는 레이저로 광학적으로 데이터를 재생한다. 상기의 조합은 또한 컴퓨터-판독 가능 매체의 범위 내에 포함되어야 한다.
특정한 구체적 실시 예가 교육 목적을 위하여 위에 설명되었지만, 이 특허 문헌의 교시는 일반적인 적용 가능성을 가지며, 전술한 특정 실시 예에 한정되지 않는다. 따라서, 설명된 실시 예들의 다양한 특징의 다양한 변경, 개조 및 조합이 청구범위에서 설명된 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 실시될 수 있다.

Claims (28)

  1. 계측(metrology) 시스템에 있어서,
    적외선 분광 리플렉토미터; 및
    컴퓨팅 시스템을 포함하고,
    상기 적외선 분광 리플렉토미터는,
    750 나노미터 내지 2,600 나노미터 범위에 걸친 파장을 포함하는 일정 양의 광대역 조명광(an amount of broadband illumination light)을 생성하도록 구성된 하나 이상의 조명원;
    하나 이상의 입사각, 하나 이상의 방위각, 또는 이들의 조합으로, 상기 조명원으로부터의 상기 일정 양의 조명광을 측정 대상 표본의 표면 상의 측정 지점으로 향하게 하도록 구성된 조명 광학 서브 시스템;
    상기 표본의 표면 상의 측정 지점으로부터 일정 양의 수집광(an amount of collected light)을 수집하도록 구성된 수집 광학 서브 시스템; 및
    입사광에 대해 민감한 평평한 2차원 표면을 가지고, 각각 상이한 광감성을 갖는 2개 이상의 상이한 표면 영역을 포함하고, 상기 입사광을 검출하고 상기 검출된 입사광을 나타내는 출력을 생성하도록 구성되는 적어도 하나의 검출기를 포함하고,
    상기 2개 이상의 상이한 표면 영역은 상기 적어도 하나의 검출기의 표면에 걸친 파장 분산의 방향으로 정렬되고,
    상기 컴퓨팅 시스템은,
    상기 적어도 하나의 검출기의 출력의 분석에 기초하여 상기 측정 대상 표본의 관심 파라미터의 추정된 값을 생성하도록 구성되는 것인 계측 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 조명 광학 서브 시스템은 5도 및 40도의 범위 내의 복수의 입사각에서 상기 측정 지점으로 상기 일정 양의 조명광을 향하게 하는 것인 계측 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    190 나노미터 내지 900 나노미터 범위에 걸친 파장을 사용하여 상기 표본을 측정하도록 구성된 자외선 - 근적외선 분광 리플렉토미터를 더 포함하는 계측 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    150 나노미터 내지 300 나노미터 범위에 걸친 파장을 사용하여 상기 표본을 측정하도록 구성된 진공 자외선 - 자외선 분광 리플렉토미터를 더 포함하는 계측 시스템.
  5. 제2항에 있어서,
    750 나노미터 내지 2,600 나노미터의 범위에 걸친 파장을 포함하는 조명광으로 상기 표본을 측정하도록 구성된 적외선 분광 엘립소미터를 더 포함하는 계측 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    190 나노미터 내지 900 나노미터의 범위에 걸친 파장을 사용하여 상기 표본을 측정하도록 구성된 자외선 - 근적외선 분광 엘립소미터를 더 포함하는 계측 시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    150 나노미터 내지 300 나노미터 범위에 걸친 파장을 사용하여 상기 표본을 측정하도록 구성된 진공 자외선 - 자외선 분광 엘립소미터를 더 포함하는 계측 시스템.
  8. 제5항에 있어서, 상기 분광 엘립소미터는 40도보다 큰 복수의 입사각으로 상기 표본을 조명하도록 구성되는 것인 계측 시스템.
  9. 제5항에 있어서, 결합된 상기 분광 엘립소미터 및 상기 적외선 분광 리플렉토미터는 150 나노미터 내지 4,500 나노미터의 파장 범위에 걸친 스펙트럼 영역에 민감한 것인 계측 시스템.
  10. 제5항에 있어서, 상기 표본 상의 상기 적외선 분광 리플렉토미터의 측정 지점과 상기 표본 상의 상기 분광 엘립소미터의 측정 지점은 동일 위치에 있는 것인 계측 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 상이한 감광성을 각각 갖는 상기 2개 이상의 상이한 표면 영역은 InGaAs 물질을 포함하는 것인 계측 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 표본의 기판의 배면으로부터의 반사를 가리도록(obscure) 구성된 상기 수집 광학 서브 시스템의 수집 동공(collection pupil)에 또는 그 근처에 배치된 중심 암흑화부(central obscuration)를 더 포함하는 계측 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 표본의 기판의 배면으로부터의 반사를 가리도록 구성된 상기 조명 광학 서브 시스템의 조명 동공에 또는 그 근처에 배치된 중심 암흑화부를 더 포함하는 계측 시스템.
  14. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 입사각은 수직 입사각을 포함하지 않는 것인 계측 시스템.
  15. 제1항에 있어서, 상기 적외선 분광 리플렉토미터의 대물 렌즈는 슈바르쯔쉴트(Schwartzchild) 대물 렌즈인 것인 계측 시스템.
  16. 제1항에 있어서, 상기 조명 광학 서브 시스템은 5도 및 25도의 범위 내의 복수의 입사각에서 상기 측정 지점으로 상기 일정 양의 조명광을 향하게 하는 것인 계측 시스템.
  17. 제1항에 있어서, 상기 적외선 분광 리플렉토미터의 측정 채널은, 상기 적외선 분광 리플렉토미터의, 조명 경로, 수집 경로, 또는 둘 모두에서 편광 소자를 포함하는 것인 계측 시스템.
  18. 제1항에 있어서, 상기 측정 대상 표본은 3차원 NAND 구조 또는 동적 랜덤 액세스 메모리 구조를 포함하는 것인 계측 시스템.
  19. 계측(metrology) 시스템에 있어서,
    적외선 분광 리플렉토미터; 및
    컴퓨팅 시스템을 포함하고,
    상기 적외선 분광 리플렉토미터는,
    750 나노미터 내지 2,600 나노미터 범위에 걸친 파장을 포함하는 일정 양의 광대역 조명광(an amount of broadband illumination light)을 생성하도록 구성된 하나 이상의 조명원;
    5도보다 큰 하나 이상의 입사각으로, 상기 조명원으로부터의 상기 일정 양의 조명광을 측정 대상 표본의 표면 상의 측정 지점으로 향하게 하도록 구성된 조명 광학 서브 시스템;
    상기 표본의 표면 상의 측정 지점으로부터 일정 양의 수집광(an amount of collected light)을 수집하도록 구성된 수집 광학 서브 시스템; 및
    입사광에 대해 민감한 평평한 2차원 표면을 가지고, 상기 입사광을 검출하고 상기 검출된 입사광을 나타내는 출력을 생성하도록 구성되는 적어도 하나의 검출기를 포함하고,
    상기 컴퓨팅 시스템은,
    상기 적어도 하나의 검출기의 출력의 분석에 기초하여 상기 측정 대상 표본의 관심 파라미터의 추정된 값을 생성하도록 구성되고,
    상기 적어도 하나의 검출기는 각각 상이한 광감성을 갖는 2개 이상의 상이한 표면 영역을 가지고, 상기 2개 이상의 상이한 표면 영역은 상기 적어도 하나의 검출기의 표면에 걸친 파장 분산의 방향으로 정렬되는 것인 계측 시스템.
  20. 삭제
  21. 제19항에 있어서, 상이한 감광성을 각각 갖는 상기 2개 이상의 상이한 표면 영역은 InGaAs 물질을 포함하는 것인 계측 시스템.
  22. 제19항에 있어서, 상기 적외선 분광 리플렉토미터의 대물 렌즈는 슈바르쯔쉴트(Schwartzchild) 대물 렌즈인 것인 계측 시스템.
  23. 제19항에 있어서, 상기 적외선 분광 리플렉토미터의 측정 채널은, 상기 적외선 분광 리플렉토미터의, 조명 경로, 수집 경로, 또는 둘 모두에서 편광 소자를 포함하는 것인 계측 시스템.
  24. 계측(metrology) 시스템에 있어서,
    적외선 분광 리플렉토미터; 및
    컴퓨팅 시스템을 포함하고,
    상기 적외선 분광 리플렉토미터는,
    일정 양의 광대역 조명광(an amount of broadband illumination light)을 생성하도록 구성된 하나 이상의 조명원;
    5도 및 40도의 범위 내의 하나 이상의 입사각으로, 상기 조명원으로부터의 상기 일정 양의 조명광을 측정 대상 표본의 표면 상의 측정 지점으로 향하게 하도록 구성된 조명 광학 서브 시스템;
    상기 표본의 표면 상의 측정 지점으로부터 일정 양의 수집광(an amount of collected light)을 수집하도록 구성된 수집 광학 서브 시스템; 및
    입사광에 대해 민감한 평평한 2차원 표면을 가지고, 각각 상이한 광감성을 갖는 2개 이상의 상이한 표면 영역을 포함하고, 상기 입사광을 검출하고 상기 검출된 입사광을 나타내는 출력을 생성하도록 구성되는 적어도 하나의 검출기를 포함하고,
    상기 2개 이상의 상이한 표면 영역은 상기 적어도 하나의 검출기의 표면에 걸친 파장 분산의 방향으로 정렬되며,
    상기 컴퓨팅 시스템은,
    상기 적어도 하나의 검출기의 출력의 분석에 기초하여 상기 측정 대상 표본의 관심 파라미터의 추정된 값을 생성하도록 구성되는 것인 계측 시스템.
  25. 제24항에 있어서, 상기 일정 양의 광대역 조명광은 750 나노미터 내지 2,600 나노미터의 범위에 걸친 파장을 포함하는 것인 계측 시스템.
  26. 제24항에 있어서, 상기 측정 대상 표본은 3차원 NAND 구조 또는 동적 랜덤 액세스 메모리 구조를 포함하는 것인 계측 시스템.
  27. 방법에 있어서,
    복수의 입사각으로 조명원으로부터의 일정 양의 광대역 조명광 - 상기 일정 양의 광대역 조명광은 750 나노미터 내지 2,600 나노미터의 범위에 걸친 파장을 포함함 - 을 측정 대상 표본의 표면 상의 측정 지점으로 향하게 하는 단계;
    상기 표본의 표면 상의 측정 지점으로부터 일정 양의 수집광을 수집하고, 상기 일정 양의 수집광을 하나 이상의 검출기로 향하게 하는 단계; 및
    입사광에 대해 민감한 평평한 2차원 표면을 가진 적어도 하나의 검출기로, 상기 일정 양의 수집광과 연관된 측정 스펙트럼을 검출하는 단계를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 검출기는 각각 상이한 광감성을 갖는 2개 이상의 상이한 표면 영역을 포함하고,
    상기 2개 이상의 상이한 표면 영역은 상기 적어도 하나의 검출기의 표면에 걸친 파장 분산의 방향으로 정렬되는 것인 방법.
  28. 제27항에 있어서, 조명 파장의 범위에 걸쳐 상기 측정 스펙트럼을 검출하는 것이 동시에 수행되는 것인 방법.
KR1020197011873A 2016-09-29 2017-09-27 높은 종횡비 구조의 측정을 위한 적외선 분광 리플렉토미터 KR102283409B1 (ko)

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