KR102362673B1 - 개선된 스폿 크기 능력을 갖는 단일 파장 엘립소메트리 - Google Patents

개선된 스폿 크기 능력을 갖는 단일 파장 엘립소메트리 Download PDF

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Abstract

감소된 측정 스폿 크기를 갖는 단일 파장 엘립소메트리(SWE) 측정을 수행하기 위한 방법 및 시스템이 본 명세서에 제시된다. 하나의 양태에서, 동공 조리개는 타겟 에지 회절 효과에 대한 감도를 감소시키기 위해 수집 광학 경로 내의 동공 평면에 또는 그 부근에 위치된다. 다른 양태에서, 시야 조리개는 원하지 않는 광학 구조의 상호 작용에 대한 감도를 감소시키기 위해 수집 광학 경로에서 웨이퍼 평면에 결합된 이미지 평면에 또는 그 부근에 위치한다. 또 다른 양태에서, SWE 시스템의 입력 빔에 작용하는 선형 편광기는 얇은 나노입자 기반 편광기 소자를 포함한다. 나노입자 기반 편광기 소자는 조명 빔 품질을 향상시키고 웨이퍼 평면 상의 비점수차를 감소시킨다. 동공 조리개 및 시야 조리개는 검출기에 도달하기 전에 원하지 않는 광선들을 필터링한다. 결과적으로, 측정 스폿 크기가 줄어들고 작은 측정 타겟들에 대한 공구 대 공구 매칭 성능이 크게 향상된다.

Description

개선된 스폿 크기 능력을 갖는 단일 파장 엘립소메트리
본 특허 출원은 35 U.S.C. §119 하에서, "Methods of Improved Spot Size Capability in Single Wavelength Ellipsometry"라고 하는 발명의 명칭으로 2016년 1월 22일자로 출원된 미국 가특허 출원 일련 번호 제62/286,279호의 우선권을 주장하는 출원으로서, 그 발명의 요지는 그 전체 내용이 본 명세서에 참고로 통합된다.
본 발명에 개시된 실시예들은 계측 시스템 및 방법(metrology systems and methods), 보다 구체적으로 반도체 구조물들(semiconductor structures)의 개선된 측정을 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.
논리 및 메모리 디바이스들과 같은 반도체 디바이스들은 일반적으로 표본(specimen)에 적용되는 일련의 처리 단계들에 의해 제조된다. 이러한 처리 단계들에 의해 반도체 디바이스들의 다양한 피처들 및 다수의 구조적인 레벨들이 형성된다. 예를 들어, 다른 프로세스들 사이에서 리소그래피는 반도체 웨이퍼 상에 패턴을 생성하는 단계를 포함하는 하나의 반도체 제조 프로세스이다. 반도체 제조 프로세스들의 추가적인 예시들은 화학적 기계적 폴리싱(chemical-mechanical polishing), 에칭(etch), 퇴적(deposition) 및 이온 주입(ion implantation)을 포함하지만, 이들로 제한되는 것은 아니다. 단일 반도체 웨이퍼 상에 다수의 반도체 디바이스들이 제조될 수 있고, 그 다음에 개별 반도체 디바이스들로 분리될 수 있다.
더 높은 수율을 촉진하기 위해서 웨이퍼들 상의 결함들을 검출하도록 반도체 제조 프로세스 도중의 다양한 단계들에서 계측 프로세스들(metrology processes)이 사용되고 있다. 광학 계측 기술들(optical metrology techniques)은 샘플 파괴(sample destruction)의 위험성이 없이 높은 처리량을 위한 잠재력을 제공한다. 산란계(scatterometry) 및 반사 계측법(reflectometry) 구현 및 관련된 분석 알고리즘을 포함하는 다수의 광학 계측 기반 기술들은 일반적으로 임계 치수(critical dimensions), 막 두께, 조성물, 오버레이 및 나노 크기의 구조물들의 다른 파라미터들을 특성화하기 위해서 사용된다.
피처 크기의 지속적인 감소, 기하학적 복잡성의 증가 및 반도체 디바이스들의 보다 다양한 재료 조성물들은 프로세스 개발 및 프로세스 모니터링에 의존하는 광학 계측 시스템들에 대한 어려운 요구 사항들을 강요한다. 디바이스 성능 요구 사항들을 달성하기 위해, 실리콘 웨이퍼 상에 형성된 박막들(예를 들어, 산화물, 질화물, 금속층들 등)의 두께 및 조성물은 반도체 디바이스 제조 프로세스 도중에 정확하게 제어되어야만 한다.
단일 파장 엘립소메트리(single wavelength ellipsometry, SWE) 기반 측정 기술들 및 시스템들은 종종 박막 특성들을 측정하기 위해서 사용된다. SWE 시스템들은 측정 중인 구조물로부터 반사된 광의 편광 특성에 기초하여 막 구조물들의 물리적 특성들을 결정하기 위해 모델 기반 측정 기술들을 사용한다. 예시적인 계측 시스템들 및 기술들은 2004년 5월 11일자로 발행된 미국 특허 제6,734,968호, 2006년 2월 28일자로 발행된 미국 특허 제7,006,222호 및 2007년 8월 7일자로 발행된 미국 특허 제7,253,901호에 상세히 기술되어 있고, 이들 특허 모두는 케이엘에이-덴코 코포레이션(KLA-Tencor Corporation)에 양도되어 있고, 각각의 내용들은 그들 전체가 본 명세서에 참고로 통합되어 있다.
많은 진보된 박막 측정 응용들에 있어서, 그들의 우수한 측정 반복성 및 광학 안정성에 대하여 SWE 시스템들이 선호되고 있다. 단일 파장 편광 광원은 일정한 광 출력 및 우수한 파장 안정성을 제공한다. SWE 시스템들은 동일하거나 또는 상이한 제조 설비들에서 다수의 공구들 간에 우수한 공구 대 공구 매칭 성능을 나타낸다. 이를 통해 다수의 SWE 시스템들에서 엘립소메트리 모델들, 측정 레시피들, 및 광학 상수들을 공유할 수 있다.
그러나, SWE 시스템들에 의해 사용되는 광원들은 예를 들어, 수십 미터 정도의 큰 간섭성 길이를 나타낸다. 이것은 시스템 성능에 해로울 수 있는 측정 신호들에 중요한 간섭성 아티팩트들(coherence artifacts)을 발생시킨다. 간섭성 기반 아티팩트들은 많은 상이한 환경들에서 발생한다. 하나의 예시에서, 계측 타겟의 에지들로부터 회절된 광은 계측 타겟의 경계 내부로부터 반사된 광과 계측 타겟 외부로부터 반사된 광 사이의 전파 경로를 따라 간섭을 일으킨다. 다른 예시에서, 광학 소자들의 표면으로부터의 짝수 번째 반사들 사이의 간섭으로 인하여 고스트 이미지들(ghost images)이 발생한다. 다른 예시에서, 광학 표면 거칠기 및 코팅, 미립자 오염 물질, 블랙 표면 처리, 및 광학 기계적(opto-mechanical) 구조물들과의 다른 광 상호 작용으로부터의 산란 효과에 의해 측정된 데이터는 오염된다.
오염된 광은 측정 타겟 박스에 대한 정보를 독점적으로 운반하지 않는다. SWE 시스템에 의해 검출되는 임의의 양의 오염된 광은 측정 오류의 원인이 된다. 주어진 두께 측정 오류의 허용 오차 내에서 측정될 수 있는 최소 타겟 크기는 종종 "스폿 크기(spot size)"라고 칭한다. 측정 스폿 크기는 검출되는 오염된 광의 함수이다. 검출되는 오염된 광의 양이 클수록 주어진 두께 오차 기준에 대해 더 큰 "스폿 크기"가 측정될 것이다. 일부 예시들에서, 합리적인 스폿 크기에 대한 측정 오차 사양을 충족시키기 위해서는 오염된 광의 레벨들이 검출된 광의 10-5 보다 작아야 한다. 스폿 크기 요구 사항 및 측정 오류 요구 사항들이 지속적으로 엄격해짐에 따라, 오염된 광의 추가적인 감소가 필요하게 된다.
미래의 계측 응용들은 작은 피처 크기 및 다수의 파라미터 상관 관계로 인해 문제점들을 제시한다. SWE 시스템들에 대한 개선점들이 요구되고 있다.
감소된 측정 스폿 크기를 갖는 단일 파장 엘립소메트리(SWE) 측정을 실행하기 위한 방법 및 시스템이 본 명세서에 제시된다.
하나의 양태에서, 동공 조리개는 타겟 에지 회절 효과에 대한 감도를 감소시키기 위해 수집 광학 경로 내의 동공 평면에 또는 그 부근에 위치된다. 일부 실시예들에서, 둥근 형상 개구는 SWE 시스템의 수집 광학계의 동공 평면에 또는 그 부근에 수집된 광의 빔에 위치한다. 바람직한 실시예에서, 동공 조리개(120)는 오염된 신호들로부터 원하는 측정 신호들의 공간 분리가 최대인 위치에서 수집 광학계의 동공 평면 내에 위치된다.
다른 양태에서, 시야 조리개는 원하지 않는 광학 구조적 상호 작용에 대한 감도를 감소시키기 위해 수집 광학 경로에서 웨이퍼 평면에 결합된 이미지 평면에 또는 그 부근에 위치한다. 일부 실시예들에서, 직사각형 형상 시야 조리개가 수집 광학 경로에 포함된다. 바람직한 실시예에서, 시야 조리개는 분석기 이전의 이미지 평면에 위치된다.
다른 양태에서, SWE 시스템의 입력 빔에 작용하는 선형 편광기는 얇은 나노입자 기반 편광기 소자를 포함한다. 나노입자 기반 편광기 소자는 조명 빔 품질을 향상시키고 웨이퍼 평면 상의 비점수차(astigmatism)를 감소시킨다. 얇은 나노입자 기반 편광기 소자는 조명원 이후의 조명 경로에 위치하지만, SWE 시스템의 타원형 편광기 앞에 위치한다.
또 다른 양태에 있어서, 시야 조리개, 동공 조리개, 또는 양자 모두의 개구의 치수는 광 투과율을 제한함으로써, 막 두께와 같은 특정 피처들을 구조화하기 위한 측정 감도를 증가시키도록 조정된다. 광 투과율을 제한함으로써, 웨이퍼 평면에서 계측 타겟 외부에서 발생하는 광, 계측 타겟 내부에서 발생하는 광과 계측 타겟 외부에서 발생하는 광 사이의 상호 작용에 의해 발생된 간섭과 관련된 광 및 수집된 빔으로 반사된 미광(stray light)이 흡수되며, 검출기로부터 이격되어서 재지향(redirect)될 수 있다. 그 결과, 측정 스팟 크기가 감소되고 작은 측정 타겟에 대한 공구 대 공구 매칭 성능이 크게 향상된다.
전술한 내용은 요약으로서, 따라서 필요에 따라 세부 사항의 단순화, 일반화 및 생략을 포함하고, 결과적으로 당업자는 요약이 단지 예시적인 것이며 어떤 식 으로든 제한하는 것이 아니라는 점을 이해할 것이다. 본 명세서에 설명된 디바이스들 및/또는 프로세스들의 다른 양태들, 독창적인 피처들 및 이점들은 본 명세서에 설명된 비제한적인 상세한 설명에서 명백해질 것이다.
도 1은 감소된 측정 스폿 크기를 갖는 예시적인 SWE 시스템(100)을 나타내는 도면이다.
도 2는 조명된 계측 타겟 및 그 주위의 웨이퍼 평면에서 복사 조도의 시뮬레이션을 예시하는 플롯을 나타내는 도면이다.
도 3은 계측 타겟 내부로부터 발생하는 광으로 인해 수집 동공 평면에서 수집된 빔의 복사 조도 분포의 시뮬레이션을 예시하는 플롯(160)을 나타내는 도면이다.
도 4는 계측 타겟 외부로부터 발생하는 광으로 인해 수집 동공 평면에서 수집된 빔의 복사 조도 분포의 시뮬레이션을 예시하는 플롯(165)을 나타내는 도면이다.
도 5는 계측 타겟 내부로부터 발생하는 광으로 인해 수집 이미지 평면에서 수집된 빔의 복사 조도 분포의 시뮬레이션을 예시하는 플롯(170)을 나타내는 도면이다.
도 6은 계측 타겟 외부로부터 발생하는 광으로 인해 수집 이미지 평면에서 수집된 빔의 복사 조도 분포의 시뮬레이션을 예시하는 플롯(175)을 나타내는 도면이다.
도 7은 계측 타겟 내부로부터 발생하는 광과 계측 타겟 외부로부터 발생하는 광 사이의 간섭으로 인해 수집 이미지 평면에서 수집된 빔의 복사 조도 분포의 시뮬레이션을 예시하는 플롯(180)을 나타내는 도면이다.
도 8은 필터링 전에 수집 대상물에 대한 결합 평면에서 복사 조도 분포의 측정을 예시하는 플롯(185)을 나타내는 도면이다.
도 9는 필터링 이후에 수집 대상물에 대한 결합 평면에서 복사 조도 분포의 측정을 예시하는 플롯(190)을 나타내는 도면이다.
도 10은 종래의 SWE 시스템에 대한 상이한 초점면 오프셋 거리로 얻어진 측정 스폿 크기를 예시하는 플롯(191)을 나타내는 도면이다.
도 11은 나노입자 기반 입력 빔 편광기를 포함하는 SWE 시스템에 대한 상이한 초점면 오프셋 거리로 얻어진 측정 스폿 크기를 예시하는 플롯(194)을 나타내는 도면이다.
도 12는 직사각형의 잘 형성된 구조물(well-shaped structure)을 갖는 계측 타겟의 SWE 측정 결과를 예시하는 플롯(197)을 나타내는 도면이다.
도 13은 원하는 치수 및 위치의 직사각형 형상 개구를 실현하기 위해 서로에 대해 이동하도록 구성된 4 개의 이동 가능한 흡수 패널들을 포함하는 시야 조리개의 실시예를 나타내는 도면이다.
도 14는 적어도 하나의 신규의 양태에서 SWE 측정을 수행하는 방법(200)을 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 배경 예시들 및 일부 실시예들에 대하여 상세히 설명할 것이며, 그 예시들은 첨부된 도면들에 도시되어 있다.
감소된 측정 스폿 크기를 갖는 단일 파장 엘립소메트리(SWE) 측정을 수행하는 방법 및 시스템이 본 명세서에 제시된다. 측정 스폿 크기의 감소는, 1)SWE 시스템의 동공 평면 부근의 위치에서 수집 광학 경로에 위치된 동공 조리개; 2)SWE 시스템의 웨이퍼 평면에 결합된 이미지 평면 부근의 위치에서 수집 광학 경로에 위치한 시야 조리개; 3)조명원과 SWE 시스템의 웨이퍼 사이의 조명 경로 내에 위치된 얇고 높은 소광비(extinction ratio)의 나노입자 기반 편광기 소자를 포함하는 선형 편광기; 또는 이들의 임의의 조합을 포함함으로써 실현된다. 측정 스폿 크기의 감소로 인하여, 보다 정확한 박막 측정 및 향상된 공구 대 공구 매칭 성능을 얻을 수 있다. 일부 예시들에서, 400 마이크로미터에서 40 마이크로미터 범위의 측정 스폿 크기를 갖는 박막 측정을 위한 0.02 옹스트롬의 공구 대 공구 매칭 사양이 달성된다.
단일 파장 엘립소미터는 타겟 에지 회절 효과 및 원하지 않는 광학 구조의 상호 작용에 대하여 향상된 빔 품질 및 감소된 감도로 박막 측정을 수행한다. SWE 시스템은 수집 동공 평면 부근의 개구(aperture), 웨이퍼 평면과 결합된 이미지 평면 부근의 개구, 및 얇은 나노입자 기반 편광기 소자를 포함하는 선형 편광기 중 어느 것이라도 포함하도록 구성된다. 각 소자는 관심 파라미터, 측정 정확도, 및 시스템 매칭에 대한 측정 감도를 최적화하기 위해 선택된다. 나노입자 기반 편광기 소자는 조명 빔 품질을 향상시키고 웨이퍼 평면 상의 비점수차를 감소시킨다. 동공 및 시야 개구들은 불명료함을 제공하고 검출기에 도달하기 전에 측정 타겟 외부에서 회절되거나 반사된 원하지 않는 수집 광을 효과적으로 흡수한다. 그 결과, 작은 측정 타겟들(예를 들어, 40 ㎛ x 40 ㎛ 타겟들)에 대한 박막 측정의 정밀도가 크게 향상된다.
도 1은 감소된 측정 스폿 크기를 갖는 예시적인 SWE 시스템(100)을 나타낸다. SWE 시스템(100)은 웨이퍼(115) 상에 입사하는 조명 광(114)의 빔을 생성하는 조명원(110)을 포함한다. 조명 광(114)의 빔은, 빔이 조명원(110)으로부터 웨이퍼(115)로 전파됨에 따라, 얇은 나노입자 기반, 높은 소광비 입력 빔 편광기 소자(111), 조명 광학계(112), 및 타원 편광기 소자(113)(예를 들어, 1/4 파장판 보상기, 위상 지연기 등)를 포함하는 선형 편광기를 통과한다. 조명원(110)과 웨이퍼(115) 사이의 소자들은 조명 광학 서브시스템의 일부이다. 빔(114)은 측정 지점(116)을 포함하는 웨이퍼(115)의 일부를 조명한다. 수집된 광(117)의 빔은 측정 지점(116)으로부터 수집된다. 수집된 광(117)은 보상기(118)(예를 들어, 1/4 파장판 보상기, 위상 지연기 등), 수집 동공 조리개(120), 수집 시야 조리개(121) 및 분석기 소자(122)를 포함하는 수집 광학계(119)를 통과한다. 수집된 광(117)의 빔은 검출기(123)의 표면 상에 입사한다. 웨이퍼(115)와 검출기(123) 사이의 소자들은 수집 광학 서브시스템의 일부이다.
일 예시에서, 검출기(123)는 광전지 검출기이다. 그러나, 일반적으로, 다른 검출기 기술들(예를 들어, 위치 감지 검출기(PSD), 적외선 검출기, 전하 결합 디바이스(CCD) 등)이 고려될 수 있다. 검출기(123)는 수집된 광을 수집된 광의 강도를 나타내는 전기 신호(125)로 변환한다. 측정 지점(116)으로부터 수집된 광은 검출된 지점(124) 위에 검출기(123) 상에 투영된다. 이러한 의미에서, 측정 지점(116)은 최종적으로 검출기(123)의 표면 상에 투영되는 수집된 광의 부분을 발생시키는 웨이퍼 상의 위치를 포함한다.
컴퓨팅 시스템(130)은 측정된 신호(125)를 수신하고, 측정된 신호(125)에 기초하여 계측 타겟의 관심 파라미터들의 모델 기반 측정을 수행한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 조명 광(114)의 빔은 웨이퍼(115)의 표면에 경사각으로 제공된다. 일반적으로, 조명 광은 임의의 경사각 또는 다수의 경사각으로 웨이퍼(115)의 표면에 제공될 수 있다.
조명 광(114)의 빔은 협대역 조명 광이다. 일 예에서, 협대역 조명광은 매우 좁은 대역(예를 들어, 서브 나노미터 범위의 파장)을 갖는 약 632.8 나노미터의 중심 파장을 갖는다. 일부 예시들에서, 협대역 광원의 방출 스펙트럼은 레이저(예를 들어, 헬륨-네온 레이저)에 의해 생성된다. 그러나, 일반적으로, 임의의 적절한 협대역 조명원이 이 특허 문헌의 범위 내에서 고려될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, Z-축은 웨이퍼(115)의 표면에 수직으로 배향된다. X 축 및 Y 축은 웨이퍼(115)의 표면과 동일 평면 상에 있고, 따라서 Z-축에 수직이다. 조명 광(114)의 빔의 주 광선(126) 및 수집된 광(117)의 빔의 주 광선(127)은 XY 평면에 수직인 입사 평면을 한정한다. 조명 광(114)의 빔은 Z-축에 대해 입사각(AOI)으로 웨이퍼(115)의 표면 상에 입사하고, 입사 평면(X'Z) 내에 놓이게 된다. 입사 평면은 방위각(azimuth angle, Az)에서 웨이퍼(116)에 고정된 좌표 프레임(XY)에 대해 배향된다.
경사각에서 표본의 표면 상에의 조명 광의 빔의 기하학적 투영은 입사 평면과 정렬된 방향으로 조명 빔 단면의 연장을 초래한다. 비제한적인 예시로서, 웨이퍼 표면 상에 투영된 조명 광의 원형 빔은 타원형인 조명 영역을 초래한다. 따라서, 일반적으로, 표면의 경사 조명은 조명 단면에 대해 연장되는 투영된 조명 영역을 초래하고, 연장 방향은 입사 평면과 정렬된다. 또한, 입사각이 증가함에 따라서 연장의 크기가 증가한다. 보다 구체적으로, 빔 형상은 회절 및 수차 효과(aberration effects)가 없는 경우에 입사 평면의 방향으로 입사각의 코사인에 반비례한다.
도 2는 웨이퍼(115) 상에 배치된 계측 타겟(128)의 중앙에 중심을 둔 웨이퍼 평면에서의 복사 조도(irradiance)의 시뮬레이션을 예시하는 플롯을 나타내는 도면이다. 입사하는 빔(예를 들어, 가우시안 빔 프로파일을 갖는 빔)은 계측 타겟 뿐만 아니라 계측 타겟을 둘러싸는 영역을 조명한다. 계측 타겟(128)(예를 들어, 박막 패드)의 경계가 도시되어 있다. 계측 타겟(128)의 경계 내부에 존재하는 복사 조도는 Iin으로 표시된다. 계측 타겟(128)의 경계 외부에 존재하는 복사 조도는 Iout으로 표시된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 계측 타겟은 40 마이크로미터 × 40 마이크로미터의 치수를 갖는 정사각형이다.
천문학적 응용들의 코로나그래픽 측정들(coronographic measurements)과 유사하게, 조명광은 타겟의 에지 둘레에서 회절한다. 일부 예시들에서, 타겟 에지에서의 조명 광의 회절은 투사된 이미지에서 바람직하지 않은 후광(halo)을 생성한다. 후광 효과(halo effect)의 정확한 물리적인 실현은 투영된 모양 및 타겟의 크기에 의존하게 된다. 그러나, 이러한 회절된 광은 계측 타겟 영역 내부로부터 발생하는 광과 간섭하고, 그에 따라 두께의 측정에서 오차를 야기시킨다.
일 양태에서, SWE 시스템(100)의 수집 광학계의 동공 평면 부근에서 수집된 광의 빔 내에 둥근 형상 개구가 위치된다. 도 1에 도시된 실시예에서, 수집 광학계(119)는 수집 대상물과 통합된 동공 조리개(120)를 포함한다. 도시된 실시예에서, 동공 조리개(120)는 광이 자유롭게 통과할 수 있는 둥근 형상 개구를 갖는 불투명한 구조물을 포함한다.
바람직한 실시예에서, 동공 조리개(120)는 수집 광학계의 동공 평면 내에 위치된다. 이 위치에는 계측 타겟 내부에서 발생하는 광과 계측 타켓 외부에서 발생하는 광 사이의 최대 거리가 존재한다. 이 위치에서, 동공 조리개(120)는 원하지 않는 광을 차단하는데 가장 효과적이다. 또한, 수집된 광의 빔은 이 위치에서 최대 범위를 갖는다.
수집된 광의 광 축을 따르는 임의의 평면(즉, 광학 z-축)에서의 총 복사 조도 I(r)은 다음의 수학식 1로 표시될 수 있다.
Figure 112018082781201-pct00001
여기서, Iin은 계측 타겟 내부에서 광으로부터 발생하는 복사 조도이며, Iout은 계측 타겟 외부의 광으로부터 발생하는 복사 조도이며, 및 Iint는 다음의 수학식 2에 의해 표시되는 계측 타겟 내부의 광과 계측 타겟 외부의 광 사이의 간섭으로부터 발생하는 복사 조도이다.
Figure 112018082781201-pct00002
여기서,
Figure 112018082781201-pct00003
는
Figure 112018082781201-pct00004
을 갖는 각각의 파동의 편광 벡터이고,
Figure 112018082781201-pct00005
는 구성 소자들 사이의 위상차이고,
Figure 112018082781201-pct00006
이다. 최악의 시나리오를 가정하면, 계측 타겟 내부의 광과 관련된 편광 벡터들 및 계측 타겟 외부의 광과 관련된 편광 벡터들은
Figure 112018082781201-pct00007
와 동일하게 설정된다.
수학식 3은 원하는 신호들(즉, 계측 타겟 영역 내에서 발생하는 신호들)과 오염 신호들(예를 들어, 계측 타겟 영역 외부에서 발생하는 신호들 및 간섭 신호들)의 비율을 정의하는 신호 대 오염 메트릭(signal to contamination metric, SCR)을 수집된 광의 광학 축(즉, 광학 z-축)을 따른 위치의 함수로서 나타낸다.
Figure 112018082781201-pct00008
광학 경로를 따라 SCR의 최고 값의 위치를 식별하기 위해 검색이 수행된다. 일부 실시예들에서, SCR의 가장 높은 값의 위치는, 물리적인 불명확한 장치, 예를 들어 개구가 원하는 신호들의 방해를 최소화하면서 오염 신호들을 차단하는데 가장 효과적인 오염 신호들과 원하는 신호들 사이에 최대 간격이 존재하는 곳에 위치된다. 일 예시에서, 원하지 않는 신호 오염 원으로서 단지 간섭 만이 포함된다. 바비네의 원리(Babinet's Principle)에 따라, 개구로부터 회절된 필드는 세그먼트로 분해되고 모델링 목적으로 별도로 전파된다.
도 3은 계측 타겟 내부로부터 발생하는 광으로 인해 수집 동공 평면에서 수집된 빔의 복사 조도 분포의 시뮬레이션을 예시하는 플롯(160)을 나타내는 도면이다.
도 4는 계측 타겟 외부로부터 발생하는 광으로 인해 수집 동공 평면에서 수집된 빔의 복사 조도 분포의 시뮬레이션을 예시하는 플롯(165)을 나타내는 도면이다.
도 3에 도시된 신호들은 바람직하고 검출되어야 하고, 도 4에 도시된 신호들은 바람직하지 않으며 검출 전에 제거해야 한다.
동공 평면에서 이미지화된 계측 타겟(128)으로부터 회절된 광은 도 4에 도시된 바와 같이 동공의 에지들 근처에서 재분배되고 집중된다. 따라서, 이 위치에서 높은 SCR이 얻어진다. 빔의 주변부에 집중된 원하지 않는 신호들은 비교적 큰 개구부(예를 들어, 밀리미터 정도)를 갖는 동공 조리개(pupil stop)에 의해 제거된다. 수집된 광원의 복사 조사 분포는 웨이퍼 평면에서 가장 공간적으로 집중되어 있다. 따라서, 에지 회절 효과는 상대적으로 작은 계측 타겟들에서 가장 두드러진다. 따라서, 이러한 효과들을 완화시키기 위해 동공 조리개의 사용은 상대적으로 작은 계측 타겟들에 가장 효과적이다.
도 5는 계측 타겟 내부로부터 발생하는 광으로 인해 수집 이미지 평면에서 수집된 빔의 복사 조도 분포의 시뮬레이션을 예시하는 플롯(170)을 나타내는 도면이다.
도 6은 계측 타겟 외부로부터 발생하는 광으로 인해 수집 이미지 평면에서 수집된 빔의 복사 조도 분포의 시뮬레이션을 예시하는 플롯(175)을 나타내는 도면이다.
도 7은 계측 타겟 내부로부터 발생하는 광과 계측 타겟 외부로부터 발생하는 광 사이의 간섭으로 인해 수집 이미지 평면에서 수집된 빔의 복사 조도 분포의 시뮬레이션을 예시하는 플롯(180)을 나타내는 도면이다.
도 5는 검출되어야 하는 원하는 광의 이미지를 도시한다. 그러나, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 에지 회절 및 간섭으로 인한 원하지 않는 광은 수집 광학계의 이미지 평면에서 간단한 방식으로 원하는 광으로부터 공간적으로 분리되지 않는다. 따라서, 이 위치에서 낮은 SCR이 얻어진다. 이러한 이유로 해서, 이미지 평면에 위치된 개구는 계측 타겟의 에지에서의 회절에 의해 유도된 원하지 않는 광 신호들을 차단하는데 효과적이지 않게 된다.
다른 양태에서, 직사각형 형상 시야 조리개가 SWE 시스템의 수집 광학계의 이미지 평면 부근의 수집 광학 경로에 포함된다. 도 1에 도시된 실시예에서, 시야 조리개(121)는 분석기(122) 이전의 이미지 평면에 위치한다. 도시된 실시예에서, 시야 조리개(121)는 광이 자유롭게 통과할 수 있는 직사각형 형상 개구를 갖는 불투명한 플레이트를 포함한다.
중간 이미지에서 수집 광학 경로에 위치한 시야 조리개는 시야 바깥쪽의 광이 검출기에 도달하는 것을 방지한다. 일 예시에서, 시야 조리개는 수집된 광의 빔과 빔 경로 내의 광학 기계적 소자들 사이의 상호 작용으로부터 발생하는 미광(stray light)을 제거한다. 이러한 상호 작용은 일반적으로 수집된 광의 빔 주위에 비교적 큰 반경 링(radius ring)으로 나타난다. 이러한 특정 현상은 빔 경로 내의 광학 소자들의 대칭인 원통형 하우징에 기인한다.
수집된 광의 빔과 빔 경로의 광학 기계적 소자들 사이의 상호 작용으로 인해 발생하는 미광은 특히 더 큰 타겟들의 측정에 널리 사용된다. 일 예시에서, 수집 대상물의 이미지 평면 상에 타겟의 이미지의 투영은 측정 타겟 크기에 기초하여 결정된다. 시야 조리개의 크기는 수집 대상물의 배율에 기초하여 계산된다.
도 8은 필터링 없이 수집 대상물에 대한 결합 평면에서 조명 빔의 측정을 예시하는 플롯(185)을 나타내는 도면이다. 도 8에 예시된 바와 같이, 미광은 광의 빔 주위의 링(128)으로서 이미지 내에 나타난다.
도 9는 적절한 크기의 시야 조리개가 본 명세서에 기술된 바와 같은 수집 광학 경로 내에 위치되는 경우에 대한 수집 대상물에 대한 결합 평면에서 조명 빔의 측정을 예시하는 플롯(190)을 나타내는 도면이다. 도 9에 예시된 바와 같이, 시야 조리개는 계측 타겟 외부로부터 반사된 원하지 않는 광을 걸러 낸다.
다른 양태에서, 조명원과 임의의 타원형 편광기 소자 사이의 SWE 시스템의 조명 경로 내에 위치한 선형 편광기는 얇고 높은 소광비의 나노입자 기반 편광기 소자를 포함한다. 도 1에 도시된 실시예에서, 얇은 나노입자 기반 편광기 소자(111)는 조명원(110) 이후지만, 타원 편광기(113) 이전의 조명 경로 내에 위치된다. 이와 같이, 편광기 소자(111)는 종종 측정 목적을 위해 기준 편광을 조명 빔 상에 전달하기 위해 사용되는 타원형 편광기가 아닌, 입력 빔을 컨디셔닝하기 위해 사용되는 입력 빔 편광기로서 지칭된다. 도 1에 도시된 실시예에서, 얇은 나노입자 기반 편광기 소자(111)는 투과 축에 수직으로 편광되는 광을 흡수한다. 편광은 규산 소다 유리(sodium silicate glass)에 매립된 구형 타원체 나노입자들에 의해 얇은 나노입자 기반 편광기 소자(111)에서 생성된다. 예시적인 얇은 나노입자 기반 편광기들은 미국 뉴저지주의 뉴톤 소재의 토르랩스사(Thorlabs, Inc.) 로부터 입수할 수 있다.
얇은 나노입자 기반 편광기는 기존의 글랜-톰슨(Glan-Thompson, GT) 편광기와 비슷한 소광비를 제공하며, 기존의 중합체 기반 구성 요소(polymer-based components)와 비교해서 상당히 높은 손상 임계치를 제공한다. 일부 실시예들에서, 얇은 나노입자 기반 편광기 소자(111)는 대략 200 마이크로미터 두께인 반면에, 유사한 GT 편광기는 대략 10 밀리미터 두께이다. 얇은 편광기는 보다 양호한 수차 제어를 제공하고 얇은 나노입자 기반 편광기의 굴절률은 입사각에 의존하지 않는다. 이것은 광학 시스템의 비점수차를 현저히 감소시키고, 따라서 스폿 크기 성능을 감소시킨다. 대조적으로, 기존의 GT 편광기 구성은 굴절에 의해 빔 편광을 분리하지만, 이상 광선 굴절률(extraordinary ray refraction index)은 각도 의존적인 반면, 정상파 지수는 일정하다. 이로 인해 수차가 발생하고 빔 품질이 저하된다.
도 10은 종래의 SWE 시스템에 대한 상이한 초점면 오프셋 거리로 얻어진 측정 스폿 크기를 예시하는 플롯(191)을 나타내는 도면이다. 플롯라인(192)은 다양한 초점면 오프셋 거리에 대해 도 1에 도시된 X'-방향의 웨이퍼 평면에서의 측정 스폿 크기를 도시한다. 플롯라인(193)은 다양한 초점면 오프셋 거리에 대해 도 1에 도시된 Y'-방향의 웨이퍼 평면에서의 측정 스폿 크기를 도시한다. 플롯(191)은 기존의 GT 편광기를 사용하는 SWE 시스템으로부터 수집된 실험 데이터에 기초하여 생성된다. 비점수차 효과로 인해, X'-방향 및 Y'-방향에서 측정된 최소 스폿 크기는 상이한 초점면 오프셋에서 최소 크기에 도달한다. 따라서, 양 방향에서 측정 스폿 크기를 최소화하는 초점면 오프셋을 선택할 수 없다.
도 11은 SWE 시스템(100)과 같은 나노입자 기반 입력 빔 편광기를 포함하는 SWE 시스템에 대한 상이한 초점면 오프셋 거리로 얻어진 측정 스폿 크기를 예시하는 플롯(194)을 나타내는 도면이다. 플롯라인(195)은 다양한 초점면 오프셋 거리에 대해 도 1에 도시된 X'-방향의 웨이퍼 평면에서의 측정 스폿 크기를 도시한다. 플롯라인(196)은 다양한 초점면 오프셋 거리에 대해 도 1에 도시된 Y'-방향의 웨이퍼 평면에서의 측정 스폿 크기를 도시한다. 이 시나리오에서, X'-방향 및 Y'-방향으로 측정된 최소 스폿 크기는 거의 동일한 초점면 오프셋(즉, 도 11에 도시된 바와 같이 대략 15 마이크로미터의 초점면 오프셋)에서 최소 크기에 도달한다. 따라서, 양 방향에서 측정 스폿 크기를 최소화하는 초점면 오프셋을 선택할 수 있다.
예시로서, 도 12는 본 명세서에 설명된 바와 같이 시야 조리개 및 동공 조리개를 사용함으로써 유효 측정 스폿 크기의 개선점(즉, 감소)을 예시한다. 도 12는 직사각형의 잘 형성된 구조물을 갖는 계측 타겟의 SWE 측정 결과를 예시하는 플롯(197)을 나타내는 도면이다. 조명 스폿은 타겟을 가로 질러 스캔되고 있다. 제공된 예시에서, 측정된 SWE 신호들에 가장 적합한 박막 두께 파라미터를 확인함으로써 타겟을 특성화하는 박막 두께가 측정되고 있다. 조명 빔이 잘 형성된 구조물 내에 유지되는 동안, 박막 두께 변동은 규정된 범위 내에 유지되는 것으로 예상된다. 따라서, 측정 결과가 이 범위를 벗어나 이동하면, 타겟 영역의 에지들과 조명 빔의 원하지 않는 상호 작용이 발생하고 있다고 가정한다.
플롯라인(198)은 본 명세서에 설명된 바와 같이 동공 조리개, 시야 조리개, 및 얇은 나노입자 기반 입력 빔 편광기가 없는 기존의 SWE 시스템으로 수행된 측정을 나타낸다. 도시된 예시에서, 측정은 대략 20 마이크로미터(즉, 측정 빔의 중심이 30 마이크로미터와 50 마이크로미터 사이에서 스캔됨)의 선형 스캔 이상으로 안정적이다. 이 제한된 범위 이상으로, 빔은 잘 형성된 타겟의 에지와 상호 작용하기 시작하고 측정된 두께가 증가하기 시작한다.
플롯라인(199)은 본 명세서에 설명된 바와 같이 동공 조리개, 시야 조리개, 및 얇은 나노입자 기반 입력 빔 편광기를 포함하는 SWE 시스템으로 수행된 측정을 나타낸다. 도시된 예시에서, 측정은 대략 40 마이크로미터(즉, 측정 빔의 중심이 20 마이크로미터와 60 마이크로미터 사이에서 스캔됨)의 선형 스캔 이상으로 안정적이다. 이 범위 이상으로, 빔은 잘 형성된 타겟의 에지와 상호 작용하기 시작하고 측정된 두께가 증가하기 시작한다. 에지 효과가 측정에 영향을 미치기 전에 선형 스캔 범위가 훨씬 크기 때문에, 동공 조리개, 시야 조리개, 및 얇은 나노입자 기반 입력 빔 편광기를 포함하는 SWE 시스템에 대하여 유효 측정 스폿 크기가 더 작다는 점에 유의한다.
본 명세서에 기술된 바와 같이, 동공 조리개, 시야 조리개, 및 얇은 나노입자 기반 입력 빔 편광기를 포함하는 SWE 시스템에 의한 측정은 40 ㎛ × 40 ㎛ 측정 타겟에 대해 0.02 옹스트롬까지의 박막 두께 측정의 공구 대 공구 매칭을 나타낸다. 본 명세서에 기술된 바와 같이, 동공 조리개, 시야 조리개, 및 얇은 나노입자 기반 입력 빔 편광기를 포함하지 않는 SWE 시스템 상에서 수행된 유사한 측정은 동일한 40 ㎛ × 40 ㎛ 측정 타겟에 대해 0.2보다 큰 박막 두께 측정의 공구 대 공구 매칭을 나타낸다.
일부 실시예들에서, SWE 시스템(100)은 이산 측정 편광기 및 회전 보상기 시스템으로서 구성된다. 이들 실시예들에서, 하나 이상의 방위각 및 입사각에 대해 연속적으로 회전하는 보상기(예를 들어, 도 1에 도시된 보상기(118))를 사용하여 이산 편광기 각도에서 측정이 수행된다. 일부 실시예들에서, 편광기(113)는 회전 가능한 편광기 소자를 포함하고, 컴퓨팅 시스템(130)은 원하는 편광 상태를 나타내는 명령 신호(141)를 편광기(113)에 전달한다. 이에 응답하여, 편광기(113)는 원하는 편광 상태에서 회전하고 정지한다. 이러한 방식으로, SWE 시스템(100)은 고정 된 편광 각도에서 정지하도록 구성된다.
일부 실시예에서, SWE 시스템(100)은 회전 편광기 시스템으로서 구성된다. 이들 실시예들에서, 편광 상태가 하나 이상의 방위각 및 입사각에 대해 연속적으로 변화하는 동안 측정이 수행된다. 일부 실시예들에서, 편광기(113)는 회전 가능한 편광기 소자를 포함하고, 컴퓨팅 시스템(130)은 편광 상태의 원하는 변화율을 나타내는 명령 신호(141)를 편광기(113)로 전달한다. 이에 응답하여, 편광기(113)는 원하는 각속도로 회전한다.
일부 실시예들에서, SWE 시스템(100)은 회전 편광기 및 회전 보상기 시스템으로서 구성된다. 이들 실시예들에서, 하나 이상의 방위각 및 입사각에 대해 연속적으로 회전하는 편광기(예를 들어, 도 1에 도시된 편광기(113)) 및 연속적으로 회전하는 보상기(예를 들어, 도 1에 도시된 보상기(118))를 사용하여 측정이 수행된다. 일부 실시예들에서, 보상기(118)는 회전 가능한 편광기 소자를 포함하고, 컴퓨팅 시스템(130)은 편광 상태의 원하는 변화율을 나타내는 명령 신호(145)를 보상기(118)로 전달한다. 이에 응답하여, 보상기(118)는 원하는 각속도로 회전한다.
또 다른 양태에서, SWE 시스템(100)은 또한 선택적인 분석기 각도를 포함한다. 이와 유사하게, 컴퓨팅 시스템(130)은 원하는 분석기 각도를 나타내는 명령 신호(142)를 선택 분석기(122)로 전달한다.
편광 상태와 관계없이, 일부 실시예들에서, SWE 시스템(100)은 또한 측정을 위해 AOI 및 Az의 범위를 선택하도록 구성된다.
일부 실시예들에서, 시야 조리개(121)는 원하는 신호 거절을 실현하기 위해 조정된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 컴퓨팅 시스템(130)은 원하는 개구 크기를 나타내는 명령 신호(143)를 시야 조리개(121)로 전달한다. 이에 응답하여, 시야 조리개(121)는 원하는 개구 크기로 조정된다. 일부 실시예들에서, 시야 조리개(121)는 개구 크기를 조절하도록 구성된 이동 가능한 슬릿, 나이프 에지, MEMS 기반 미러 소자들 등과 같은 능동 소자들을 포함한다. 도 13은 원하는 치수 및 위치의 직사각형 형상 개구를 실현하기 위해 서로에 대해 이동하도록 구성된 4 개의 이동 가능한 흡수 패널들(151∼154)을 포함하는 시야 조리개(121)의 실시예를 도시한다.
일부 실시예들에서, 동공 조리개(120)는 원하는 신호 거절을 실현하기 위해 조정된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 컴퓨팅 시스템(130)은 원하는 동공 조리개 개구 크기를 나타내는 명령 신호(144)를 동공 조리개(120)로 전달한다. 이에 응답하여, 동공 조리개(120)는 원하는 개구 크기로 조정된다. 이들 실시예들에서, 동공 조리개(120)는 동공 조리개(120)의 개구를 조정하도록 구성된 이동 가능한 셔터 소자들, 나이프 에지, MEMS 기반 미러 소자들 등과 같은 능동 소자들을 포함한다.
일부 실시예들에서, 방위각은 계측 시스템의 입사 평면에 대하여 계측 타겟을 회전시킴으로써 선택된다. 예를 들어, SWE 시스템(100)은 표본(115)을 지지하는 회전 스테이지를 포함할 수 있다. 이들 실시예들에서, 컴퓨팅 시스템(130)은 원하는 방위각을 달성하기 위해 광학 시스템에 대해 표본(115)을 회전(예를 들어, 도 1에 도시된 z-축에 대한 회전)시키도록 하는 명령 신호를 회전 스테이지로 전달한다.
또 다른 양태에서, 시야 조리개, 동공 조리개, 또는 양자 모두의 개구의 치수들은 광 투과율을 제한함으로써 박막 두께와 같은 특정 피처들을 구조화하기 위한 측정 감도를 증가시키도록 조정된다. 광 투과율을 제한함으로써, 웨이퍼 평면에서 계측 타겟 외부에서 발생하는 광과 관련된 광, 계측 타겟 내부에서 발생하는 광과 계측 타겟 외부에서 발생하는 광 사이의 상호 작용에 의해 생성된 간섭 광, 및 수집된 빔으로 반사된 미광이 흡수되거나, 그렇지 않으면 검출기로부터 멀어지도록 재지향된다. 이러한 방식으로, 관심이 있는 파라미터의 변화에 가장 민감한 광선이 검출된다.
도 14는 적어도 하나의 신규의 양태에서 SWE 측정을 수행하는 방법(200)을 도시한다. 방법(200)은 본 발명의 도 1에 도시된 SWE 시스템(100)과 같은 계측 시스템에 의한 구현에 적합하다. 일 양태에서, 방법(200)의 데이터 처리 블록들은 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 SWE 시스템(100)의 특정 구조적인 양태들은 제한을 나타내지 않으며, 단지 예시적인 것으로서 해석되어야 함이 인식되고 있다.
블록 201에서, 협대역 조명 광의 빔은 조명원에 의해 생성된다.
블록 202에서, 협대역 조명 광의 빔은 조명 광학 서브시스템에 의해 측정 중인 표본(예를 들어, 반도체 웨이퍼) 상에 배치된 계측 타겟에 지향된다.
블록 203에서, 협대역 조명 광의 빔은 선형 편광기에 의해 선형으로 편광된다. 일부 실시예들에서, 선형 편광기는 얇은 나노입자 기반 편광기이다.
선형 편광 이후에, 블록 204에서, 협대역 조명 광의 빔은 타원형으로 편광된다.
블록 205에서, 수집된 광의 빔은 협대역 조명 광의 빔에 의해 조명된 계측 타겟으로부터 수집된다.
블록 206에서, 수집된 광의 빔의 제1 부분은 계측 타겟으로부터 수집된 광의 빔을 수집하도록 구성된 수집 광학 서브시스템의 동공 평면에서 또는 그 부근에서 수집된 광의 빔의 나머지로부터 제거된다. 일부 실시예들에서, 수집된 광의 빔의 제1 부분은 제거된 광을 흡수 또는 재지향시키도록 구성된 개구에 의해 제거된다.
블록 207에서, 수집된 광의 빔의 제2 부분은 수집 광학 서브시스템의 이미지 평면에서 또는 그 부근에서 수집된 광의 빔의 나머지로부터 제거된다. 일부 실시예들에서, 수집된 광의 빔의 제2 부분은 제거된 광을 흡수 또는 재지향시키도록 구성된 개구에 의해 제거된다.
블록 208에서, 수집된 광의 빔의 제3 부분은 입사광에 민감한 검출기의 표면 상에서 검출된다.
블록 209에서, 수집된 광의 빔의 검출된 부분을 나타내는 복수의 출력 신호들은 검출기에 의해 생성된다.
일반적으로, 본 명세서에 기재된 신호 오염의 제어를 위한 방법 및 시스템은 단일 파장 엘립소미터 시스템에서의 응용으로 제한되지 않으며, 분광 엘립소메트리 시스템 등을 포함하는 임의의 부분 코히어런트 계측 시스템에서 구현될 수 있다.
추가의 실시예에서, 시스템(100)은 본 명세서에 설명된 방법에 따라 수집된 측정 데이터에 기초하여 실제의 장치 구조물들의 측정을 수행하기 위해 사용되는 하나 이상의 컴퓨팅 시스템(130)을 포함한다. 하나 이상의 컴퓨팅 시스템(130)은 검출기(예를 들어, 검출기(123))에 통신 가능하게 연결될 수 있다. 일 양태에서, 하나 이상의 컴퓨팅 시스템(130)은 표본(115)의 구조물의 측정과 관련된 측정 데이터(125)를 수신하도록 구성된다.
본 발명의 전체에 걸쳐서 설명된 하나 이상의 단계는 단일 컴퓨터 시스템(130)이거나, 또는 대안적으로 다중 컴퓨터 시스템(130)에 의해 수행될 수 있다는 것을 인식해야 한다. 또한, 검출기(123)와 같은 시스템(100)의 상이한 서브시스템은 본 명세서에 설명된 단계들의 적어도 일부를 수행하기에 적합한 컴퓨터 시스템을 포함할 수 있다. 따라서, 전술한 설명은 본 발명에 대한 제한으로 해석되어서는 않되며, 단지 예시일 뿐이다.
또한, 컴퓨터 시스템(130)은 당업계에 공지된 임의의 방식으로 검출기(123)에 통신 가능하게 연결될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 컴퓨팅 시스템(130)은 검출기(123)와 관련된 컴퓨팅 시스템들에 연결될 수 있다. 다른 예시에서, 검출기(123)는 컴퓨터 시스템(130)에 연결된 단일 컴퓨터 시스템에 의해 직접 제어될 수 있다.
SWE 시스템(100)의 컴퓨터 시스템(130)은 유선 및/또는 무선 부분을 포함할 수 있는 전송 매체에 의해 시스템의 서브시스템들(예를 들어, 검출기(123) 등)로부터 데이터 또는 정보를 수신 및/또는 획득하도록 구성될 수 있다. 이러한 방식으로, 전송 매체는 컴퓨터 시스템(130)과 시스템(100)의 다른 서브시스템 사이의 데이터 링크로서의 역할을 할 수 있다.
SWE 시스템(100)의 컴퓨터 시스템(130)은 유선 및 무선 부분을 포함할 수 있는 전송 매체에 의해 다른 시스템들로부터 데이터 또는 정보(예를 들어, 측정 결과, 모델링 입력들, 모델링 결과들, 기준 측정 결과들 등)를 수신 및/또는 획득하도록 구성될 수 있다. 이러한 방식으로, 전송 매체는 컴퓨터 시스템(130)과 다른 시스템들(예를 들어, 메모리 온보드 SWE 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, 검출기(123)를 사용하여 얻어진 강도 측정 결과는 영구적 또는 반영구적 메모리 디바이스(예를 들어, 메모리(132) 또는 외부 메모리)에 저장될 수 있다. 이와 관련하여, 측정 결과는 온보드 메모리 또는 외부 메모리 시스템으로부터 가져올 수 있다. 또한, 컴퓨터 시스템(130)은 전송 매체를 통해 데이터를 다른 시스템으로 전송할 수 있다. 예를 들어, 컴퓨터 시스템(130)에 의해 결정된 측정 모델 또는 실제의 디바이스 파라미터 값은 전달될 수 있고, 또한 외부 메모리에 저장될 수 있다. 이와 관련하여, 측정 결과를 다른 시스템으로 내보낼 수 있다.
컴퓨팅 시스템(130)은 퍼스널 컴퓨터 시스템, 메인프레임 컴퓨터 시스템, 워크스테이션, 이미지 컴퓨터, 병렬 프로세서, 또는 당업계에 공지된 임의의 다른 디바이스를 포함할 수 있지만, 이들로 제한되는 것은 아니다. 일반적으로, "컴퓨팅 시스템"이라는 용어는 메모리 매체로부터 명령을 실행하는 하나 이상의 프로세서를 갖는 임의의 디바이스를 포함하도록 광범위하게 정의될 수 있다.
본 명세서에 설명된 것과 같은 방법을 구현하는 프로그램 명령들(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 명령들(134)은 버스(133)를 통해 프로세서(131)로 전송된다. 프로그램 명령들(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 예시들에서, 측정 모델들은 미국 캘래포니아주 밀피터스 소재의 케이엘에이-텐코 코포레이션으로부터 입수 가능한 "SpectraShape®" 광학 임계 치수 계측 시스템의 소자로서 구현된다. 이러한 방식으로, 측정 신호들이 시스템에 의해 수집된 이후에, 즉시 사용하기 위해 모델이 생성 및 준비된다.
일부 다른 예시들에서, 측정 모델들은 예를 들어 미국 캘리포니아주 밀피타스 소재의 케이엘에이-텐코 코포레이션으로부터 입수 가능한 "AcuShape®" 소프트웨어를 구현하는 컴퓨팅 시스템에 의해 오프라인으로 구현된다. 그 결과, 훈련된 모델은 측정을 수행하는 계측 시스템에 의해 접근할 수 있는 AcuShape® 라이브러리의 소자로서 통합될 수 있다.
또 다른 양태에서, 본 명세서에 설명된 측정 모델 결과는 프로세스 공구(예를 들어, 리소그래피 공구, 에칭 공구, 퇴적 공구 등)에 능동 피드백을 제공하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 명세서에 설명된 측정 방법에 기초하여 결정된 측정된 파라미터들의 값들은 원하는 출력을 달성하기 위해 리소그래피 시스템을 조정하도록 리소그래피 공구로 전달될 수 있다. 유사한 방식으로, 능동 피드백을 에칭 공구들 또는 퇴적 공구들에 각각 제공하기 위해 에칭 파라미터들(예를 들어, 에칭 시간, 확산율 등) 또는 퇴적 파라미터들(예를 들어, 시간, 농도 등)이 측정 모델에 포함될 수 있다. 일부 예시에서, 측정된 디바이스 파라미터 값들 및 훈련된 측정 모델에 기초하여 결정된 프로세스 파라미터들에 대한 보정은 리소그래피 공구, 에칭 공구, 또는 퇴적 공구에 전달될 수 있다.
본 명세서에 설명된 바와 같이, 용어 "임계 치수"는, 구조물의 임의의 임계 치수(예를 들어, 하부 임계 치수, 중간 임계 치수, 상부 임계 치수, 측벽 각도, 격자 높이 등), 임의의 2 이상의 구조물들 사이의 임계 치수(예를 들어, 2 개의 구조물들 사이의 거리), 및 2 개 이상의 구조물들 사이의 변위(예를 들어, 오버레이 격자 구조물들 간의 오버레이 변위 등)를 포함한다. 구조물들은 3차원 구조물들, 패턴 구조물들, 오버레이 구조물들 등을 포함할 수 있다.
본 명세서에 설명된 바와 같이, "임계 치수 응용" 또는 "임계 치수 측정 응용"이라는 용어는 임의의 임계 치수 측정을 포함한다.
본 명세서에 설명된 바와 같이, "계측 시스템"이라는 용어는 임계 치수 계측, 오버레이 계측, 초점/도량 계측 및 조성 계측과 같은 측정 응용을 포함하여, 임의의 양태에서 표본을 특성화하기 위해 적어도 부분적으로 사용되는 임의의 시스템을 포함한다. 그러나, 이러한 용어는 본 명세서에 기재된 바와 같이 "계측 시스템"이라는 용어의 범위를 제한하지 않는다. 또한, SWE 시스템(100)은 패터닝된 웨이퍼 및/또는 패터닝되지 않은 웨이퍼의 측정을 위해 구성될 수 있다. 계측 시스템은 LED 검사 공구, 에지 검사 공구, 후면 검사 공구, 매크로 검사 공구, 또는 다중 모드 검사 공구(하나 이상의 플랫폼으로부터 데이터를 동시에 포함함), 및 본 명세서에 설명된 방법들로부터 이익을 얻는 임의의 다른 계측 또는 검사 공구로서 구성될 수 있다.
다양한 실시예들은 본 명세서에서 표본을 처리하는데 사용될 수 있는 반도체 처리 시스템(예를 들어, 검사 시스템 또는 리소그래피 시스템)에 대해 설명된다. "표본"이라는 용어는 본 명세서에서 웨이퍼, 레티클, 또는 당업계에 공지된 수단에 의해 처리(예를 들어, 결함들에 대해 인쇄되거나 또는 검사됨)될 수 있는 임의의 다른 샘플을 지칭하는데 사용된다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, 용어 "웨이퍼"는 일반적으로 반도체 또는 비반도체 재료로 형성된 기판을 지칭한다. 예시들은 단결정 실리콘, 갈륨 비소, 및 인화 인듐을 포함하지만, 이들로 제한되지는 않는다. 이러한 기판들은 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 재료들의 하나 이상의 층을 포함할 수 있다. 웨이퍼 상에 형성된 하나 이상의 층은 "패터닝된" 층이거나 또는 "패터닝되지 않은" 층일 수 있다. 예를 들어, 웨이퍼는 반복 가능한 패턴 피처들을 갖는 복수의 다이들을 포함할 수 있다.
"레티클"은 레티클 제조 공정의 임의의 스테이지에서의 레티클이거나, 반도체 제조 설비에서 사용하기 위해 방출되거나 또는 방출될 수 없는 완성된 레티클일 수 있다. 레티클 또는 "마스크"는 일반적으로 그 위에 형성된 실질적으로 불투명 한 영역을 가지며 패턴으로 구성된 실질적으로 투명한 기판으로서 정의된다. 기판은, 예를 들어 비정질 SiO2와 같은 유리 재료를 포함할 수 있다. 레티클은 레티클 상의 패턴이 레지스트로 전사될 수 있도록 리소그래피 공정의 노출 단계 동안 레지스트 커버된 웨이퍼 위에 배치될 수 있다.
웨이퍼 상에 형성된 하나 이상의 층은 패턴화되거나 패터닝되지 않을 수 있다. 예를 들어, 웨이퍼는 각각 반복 가능한 패턴 피처들을 갖는 복수의 다이들을 포함할 수 있다. 이러한 재료 층들의 형성 및 처리는 궁극적으로 완성된 디바이스들을 초래할 수 있다. 많은 상이한 유형의 디바이스들이 웨이퍼 상에 형성될 수 있으며, 본 명세서에서 사용된 웨이퍼라는 용어는 당업계에 공지된 임의의 유형의 디바이스가 제조되는 웨이퍼를 포함하도록 의도된다.
하나 이상의 예시적인 실시예에서, 기술된 기능들은 하드웨어, 소프트웨어, 펌웨어, 또는 이들의 임의의 조합으로 구현될 수 있다. 만일 소프트웨어로 구현되는 경우, 기능들은 컴퓨터 판독 가능 매체 상에 하나 이상의 명령 또는 코드로서 저장되거나 전송될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 한 장소에서 다른 장소로 컴퓨터 프로그램의 전송을 용이하게 하는 임의의 매체를 포함하는 컴퓨터 저장 매체 및 통신 매체의 양쪽 모두를 포함한다. 저장 매체는 범용 또는 특수 목적 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 이용 가능한 매체일 수 있다. 예시로서, 제한없이, 그러한 컴퓨터 판독 가능 매체는 RAM, ROM, EEPROM, CD-ROM 또는 다른 광 디스크 저장 장치, 자기 디스크 저장 장치 또는 다른 자기 저장 장치, 또는 범용 또는 특수 목적 컴퓨터, 또는 범용 또는 특수 목적 프로세서에 의해 액세스될 수 있는 명령들 또는 데이터 구조물들의 형태로 원하는 프로그램 코드 수단을 휴대하거나 저장하기 위해 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(twisted pair), 디지털 가입자 회선(DSL), 또는 적외선, 무선 및 마이크로웨이브와 같은 무선 기술들을 사용하여 웹사이트, 서버, 또는 기타의 원격 소스로부터 소프트웨어가 전송되는 경우, 동축 케이블, 광섬유 케이블, 트위스트 페어, DSL 또는 적외선, 무선 및 마이크로웨이브와 같은 무선 기술들은 매체의 정의에 포함된다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같은 디스크(disk) 및 디스크(disc)는 디스크(disk)가 일반적으로 데이터를 자기적으로 재생하는 반면, 디스크(disc)는 레이저로 광학적으로 데이터를 재생하는, 콤팩트 디스크 (CD), 레이저 디스크, 광학 디스크, DVD(digital versatile disc), 플로피 디스크 및 블루 레이 디스크(blu-ray disc)를 포함한다. 전술한 조합들은 또한 컴퓨터 판독 가능 매체의 범위 내에 포함되어야 한다.
약간의 특정 실시예들이 교육적 목적을 위해서 위에서 설명되었지만, 이 특허 문헌의 내용들은 일반적인 적용 가능성을 가지며, 전술한 특정 실시예들로 제한되지는 않는다. 따라서, 청구항들의 범위에서 설명된 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 설명된 실시예들의 다양한 피처들의 다양한 수정, 개조 및 조합들이 실시될 수 있다.

Claims (20)

  1. 계측 시스템에 있어서,
    조명 광의 빔을 생성하도록 구성된 협대역 조명원;
    상기 협대역 조명원으로부터의 상기 조명 광의 빔을 측정 중인 표본 상에 배치된 계측 타겟에 지향시키도록 구성된 조명 광학 서브시스템으로서,
    상기 협대역 조명원에 의해 생성된 상기 조명 광의 빔을 수신하고 상기 조명 광의 빔 상에 선형 편광(linear polarization)을 부여(impart)하도록 구성된 선형 편광기; 및
    상기 선형 편광기로부터 상기 조명 광의 빔을 수신하고 상기 조명 광의 빔 상에 타원 편광을 부여하도록 구성된 타원 편광기를 포함하는, 상기 조명 광학 서브시스템;
    입사광에 민감한 평면형 2차원 표면을 갖는 검출기 - 상기 검출기는 상기 조명 광의 빔에 대한 상기 표본의 응답을 나타내는 복수의 출력 신호들을 생성하도록 구성됨 - ; 및
    상기 표본으로부터의 수집된 광의 빔을 수집하고 상기 수집된 광의 빔을 상기 검출기의 표면에 지향시키도록 구성된 수집 광학 서브시스템으로서,
    상기 수집된 광의 빔을 수신하고 상기 수집된 광의 빔 상에 선형 편광을 부여하도록 구성된 분석기; 및
    상기 수집 광학 서브시스템의 이미지 평면에 있거나 또는 그 부근에 있는 상기 수집된 광의 빔 내에 위치된 시야 조리개(field stop), 및 상기 수집 광학 서브시스템의 동공 평면(pupil plane)에 있거나 또는 그 부근에 있는 상기 수집된 광의 빔 내에 위치된 동공 조리개 중 임의의 것을 포함하는, 상기 수집 광학 서브시스템
    을 포함하는, 계측 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 선형 편광기는 나노입자 기반 편광기 소자를 포함하는 것인, 계측 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 시야 조리개는 직사각형 형상 애퍼처(rectangular shaped aperture)인 것인, 계측 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 동공 조리개는 원형 형상 애퍼처인 것인, 계측 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 동공 조리개의 애퍼처의 영역, 상기 시야 조리개의 애퍼처의 영역, 또는 둘 다가 조정 가능한 것인, 계측 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 동공 조리개, 상기 시야 조리개, 또는 둘 다가, 신호 대 오염 메트릭(signal to contamination metric)이 최대화되는 하나 이상의 위치에서 상기 계측 시스템의 수집 광학 경로 내에 위치되는 것인, 계측 시스템.

  7. 제1항에 있어서, 상기 계측 타겟의 에지들로부터 회절된 광과 연관된 광선들을 차단하도록 상기 동공 조리개가 상기 동공 조리개의 애퍼처의 영역을 조정하게 하는 제1 명령 신호를 상기 동공 조리개에 전달하거나, 상기 수집 광학 서브시스템의 광기계적 소자(opto-mechanical element)들과의 원하지 않는 광 상호 작용들과 연관된 광선들을 차단하도록 상기 시야 조리개가 상기 시야 조리개의 애퍼처의 영역을 조정하게 하는 제2 명령 신호를 상기 시야 조리개에 전달하거나, 또는 상기 제1 명령 신호 및 제2 명령 신호 둘 다를 전달하도록 구성된 컴퓨팅 시스템을 더 포함하는, 계측 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 타원 편광기는 사전 결정된 각속도로 회전하는 것인, 계측 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 계측 시스템은 단일 파장 엘립소미터(single wavelength ellipsometer)로서 구성되는 것인, 계측 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 상기 조명 광의 빔은 1 나노미터 미만에 걸쳐 있는 파장 범위를 갖는 협대역 광인 것인, 계측 시스템.
  11. 방법에 있어서,
    협대역 조명 광의 빔을 생성하는 단계;
    상기 협대역 조명 광의 빔을 측정 중인 표본 상에 배치된 계측 타겟에 지향시키는 단계;
    상기 협대역 조명 광의 빔을 선형 편광시키는 단계;
    상기 선형 편광 후에 상기 협대역 조명 광의 빔을 타원 편광시키는 단계;
    상기 협대역 조명 광의 빔에 의해 조명된 상기 계측 타겟으로부터의 수집된 광의 빔을 수집하는 단계;
    상기 계측 타겟으로부터의 수집된 광의 빔을 수집하도록 구성된 수집 광학 서브시스템의 동공 평면에 있거나 또는 그 부근에 있는 상기 수집된 광의 빔의 제1 부분을 제거하는 단계;
    상기 수집 광학 서브시스템의 이미지 평면에 있거나 또는 그 부근에 있는 상기 수집된 광의 빔의 제2 부분을 제거하는 단계;
    입사광에 민감한 표면 상의 상기 수집된 광의 빔의 제3 부분을 검출하는 단계; 및
    상기 수집된 광의 빔의 상기 검출된 부분을 나타내는 복수의 출력 신호들을 생성하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 협대역 조명 광의 빔을 선형 편광시키는 단계는 나노입자 기반 편광기 소자를 수반하는 것인, 방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 수집 광학 서브시스템의 동공 평면에 있거나 또는 그 부근에 있는 상기 수집된 광의 빔의 제1 부분을 제거하는 단계는 원형 형상 애퍼처를 수반하는 것인, 방법.
  14. 제11항에 있어서, 상기 수집 광학 서브시스템의 이미지 평면에 있거나 또는 그 부근에 있는 상기 수집된 광의 빔의 제2 부분을 제거하는 단계는 직사각형 형상 애퍼처를 수반하는 것인, 방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 계측 타겟의 에지들로부터 회절된 광과 연관된 광선들을 차단하도록 동공 조리개가 상기 동공 조리개의 애퍼처의 영역을 조정하게 하는 제1 명령 신호를 상기 동공 조리개에 전달하는 단계; 및
    수집 광학 서브시스템의 광기계적 소자들과의 원하지 않는 광 상호 작용들과 연관된 광선들을 차단하도록 시야 조리개가 상기 시야 조리개의 애퍼처의 영역을 조정하게 하는 제2 명령 신호를 상기 시야 조리개에 전달하는 단계
    를 더 포함하는, 방법.
  16. 계측 시스템에 있어서,
    조명 광의 빔을 생성하도록 구성된 협대역 조명원;
    상기 협대역 조명원으로부터의 상기 조명 광의 빔을 측정 중인 표본 상에 배치된 계측 타겟에 지향시키도록 구성된 조명 광학 서브시스템으로서,
    상기 협대역 조명원에 의해 생성된 상기 조명 광의 빔을 수신하고 상기 조명 광의 빔 상에 선형 편광을 부여하도록 구성된 선형 편광기; 및
    상기 선형 편광기로부터 상기 조명 광의 빔을 수신하고 상기 조명 광의 빔 상에 타원 편광을 부여하도록 구성된 타원 편광기를 포함하는, 상기 조명 광학 서브시스템;
    입사광에 민감한 평면형 2차원 표면을 갖는 검출기 - 상기 검출기는 상기 조명 광의 빔에 대한 상기 표본의 응답을 나타내는 복수의 출력 신호들을 생성하도록 구성됨 - ;
    상기 표본으로부터의 수집된 광의 빔을 수집하고 상기 수집된 광의 빔을 상기 검출기의 표면에 지향시키도록 구성된 수집 광학 서브시스템으로서,
    상기 수집된 광의 빔을 수신하고 상기 수집된 광의 빔 상에 선형 편광을 부여하도록 구성된 분석기; 및
    상기 수집 광학 서브시스템의 이미지 평면에 있거나 또는 그 부근에 있는 상기 수집된 광의 빔 내에 위치된 시야 조리개, 및 상기 수집 광학 서브시스템의 동공 평면에 있거나 또는 그 부근에 있는 상기 수집된 광의 빔 내에 위치된 동공 조리개 중 임의의 것을 포함하는, 상기 수집 광학 서브시스템; 및
    비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체로서,
    컴퓨팅 시스템으로 하여금, 상기 동공 조리개가 상기 동공 조리개의 애퍼처의 영역을 조정하게 하는 제1 명령 신호를 상기 동공 조리개에 전달하도록 하기 위한 코드; 및
    상기 컴퓨팅 시스템으로 하여금, 상기 시야 조리개가 상기 시야 조리개의 애퍼처의 영역을 조정하게 하는 제2 명령 신호를 상기 시야 조리개에 전달하도록 하기 위한 코드를 포함하는, 상기 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체
    를 포함하는, 계측 시스템.
  17. 제16항에 있어서, 상기 선형 편광기는 나노입자 기반 편광기 소자를 포함하는 것인, 계측 시스템.
  18. 제16항에 있어서, 상기 시야 조리개는 직사각형 형상 애퍼처이고, 상기 동공 조리개는 원형 형상 애퍼처인 것인, 계측 시스템.
  19. 제16항에 있어서, 상기 계측 시스템은 단일 파장 엘립소미터로서 구성되는 것인, 계측 시스템.
  20. 제16항에 있어서, 상기 조명 광의 빔은 복수의 입사각들로 상기 계측 타겟에 지향되는 것인, 계측 시스템.
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