KR102557179B1 - 파장 분해 연질 x 선 반사 측정법에 기초한 반도체 계측을 위한 방법 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

다수의 회절 차수에서 파장 분해 연질 x 선 반사 측정법(WR-SXR)에 기초하여 반도체 구조물의 구조적 및 재료적 특성을 측정하기 위한 방법 및 시스템이 제시된다. WR-SXR 측정은 넓은 스펙트럼 폭을 사용하여 다수의 회절 차수에 걸쳐 동시적인 높은 스루풋 측정을 제공한다. 다수의 회절 차수 각각에서 파장 분해 신호 정보의 이용 가능성은 측정 정확도 및 스루풋을 개선한다. 각각의 넌제로 회절 차수는 다수의 측정 지점을 포함하는데, 각각의 상이한 측정 지점은 상이한 파장과 관련된다. 몇몇 실시형태에서, WR-SXR 측정은 1 내지 45 도의 범위 내의 스침 입사각으로 10 내지 5,000 전자 볼트 범위 내의 x 선 방사선 에너지로 수행된다. 몇몇 실시형태에서, 조명 빔은 하나의 방향으로 상대적으로 높은 발산을 가지도록 그리고 제1 방향에 직교하는 제2 방향으로 상대적으로 낮은 발산을 가지도록 제어된다. 몇몇 실시형태에서, 다수의 검출기가 활용되는데, 각각은 상이한 회절 차수를 검출한다.

Description

파장 분해 연질 X 선 반사 측정법에 기초한 반도체 계측을 위한 방법 및 시스템
설명된 실시형태는 x 선 계측 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는, 개선된 측정 정확도를 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.
로직 및 메모리 디바이스와 같은 반도체 디바이스는 시료(specimen)에 대해 적용되는 일련의 프로세싱 단계에 의해 통상적으로 제조된다. 반도체 디바이스의 다양한 피쳐(feature) 및 다수의 구조적 레벨(structural level)은 이들 프로세싱 단계에 의해 형성된다. 예를 들면, 다른 것들 중에서도 리소그래피는 반도체 웨이퍼 상에 패턴을 생성하는 것을 수반하는 하나의 반도체 제조 프로세스이다. 반도체 제조 프로세스의 추가 예는, 화학적 기계적 연마, 에칭, 퇴적(deposition), 및 이온 주입을 포함하지만, 그러나 이들로 제한되지는 않는다. 다수의 반도체 디바이스는 단일의 반도체 웨이퍼 상에서 제조될 수도 있고, 그 다음, 개개의 반도체 디바이스로 분리될 수도 있다.
계측 프로세스는, 웨이퍼 상에서 결함을 검출하여 더 높은 수율을 촉진하기 위해, 반도체 제조 프로세스 동안의 다양한 단계에서 사용된다. 나노 스케일 구조물의 임계 치수(critical dimension), 막 두께, 조성 및 다른 파라미터를 특성화하기 위해, 산란 측정법 구현(scatterometry implementation)과 반사 측정법 구현(reflectometry implementation) 및 관련된 분석 알고리즘을 포함하는 다수의 계측 기반 기술이 일반적으로 사용된다.
전통적으로, 박막 및/또는 반복된 주기적 구조물로 이루어지는 타겟에 대해, 산란 측정법 임계 치수(scatterometry critical dimension) 측정이 수행된다. 디바이스 제조 동안, 이들 막 및 주기적 구조물은 통상적으로 실제 디바이스 기하학적 형상 및 재료 구조물 또는 중간 설계를 나타낸다. 디바이스(예를 들면, 로직 및 메모리 디바이스)가 더 작은 나노미터 스케일의 치수를 향해 이동함에 따라, 특성화가 더욱 어려워지게 된다. 복합적인(complex) 삼차원 기하학적 형상 및 다양한 물리적 속성(property)을 갖는 재료를 통합하는 디바이스는 특성화의 어려움에 기여한다.
나노구조물의 재료 조성 및 형상에 관한 정확한 정보는 최첨단의(leading-edge) 프론트 엔드 반도체 제조 설비의 프로세스 개발 환경에서 제한된다. 산란 측정 광학 계측 시스템(scatterometric optical metrology system)은 측정 편향을 방지하기 위해 정확한 기하학적 형상(geometric) 및 분산 모델에 의존한다. 선험적으로 이용 가능한 나노구조물의 재료 조성 및 형상의 제한된 지식 때문에, 측정 레시피 개발 및 유효성 확인은 느리고 지루한 과정이다. 예를 들면, 단면 투과 전자 현미경 검사(transmission electron microscopy; TEM) 이미지는 광학 산란 측정법 모델 개발을 안내하기 위해 사용되지만, 그러나 TEM 이미징은 느리고 파괴적이다.
적외선 내지 가시 광을 활용하는 산란 측정 광학 계측 도구(scatterometric optical metrology tool)는 서브 파장 구조물(sub-wavelength structure)로부터 0 차 회절 신호를 측정한다. 디바이스 임계 치수가 계속 축소함에 따라, 산란 측정 광학 계측 감도 및 성능은 감소하고 있다. 더구나, 측정 하에 있는 구조물에 흡수 재료가 존재하는 경우, 광학 영역(예를 들면, 0.5 내지 10 ev) 내의 조명 광의 침투 및 산란은 종래의 광학 계측 시스템의 유용성을 제한한다.
유사하게, 전자 빔 기반 계측 시스템은, 조명, 후방 산란, 및 2차 방출 전자의 흡수 및 산란에 기인하여 반도체 구조물을 침투하기 위해 고군분투한다.
원자력 현미경(Atomic force microscopes; AFM) 및 주사 터널 현미경(scanning-tunneling microscopes; STM)은, 원자 분해능(atomic resolution)을 달성할 수 있지만, 그러나 이들은 시료의 표면만을 조사할 수 있다. 또한 AFM 및 STM 현미경은, 대량 생산(high volume manufacturing; HVM) 설정에서 이들 기술을 비실용적으로 만드는 긴 주사 시간을 필요로 한다.
경질 X 선(hard X-ray) 에너지 레벨(15 keV 초과)의 광자를 활용하는 투과 소각 X 선 산란 측정법(Transmission, Small-Angle X-Ray Scatterometry; T-SAXS) 시스템은 까다로운 측정 애플리케이션을 다룰 가망을 보여주었다. 임계 치수의 측정에 대한 SAXS 기술의 적용(CD-SAXS) 및 오버레이의 측정에 대한 SAXS 기술의 적용(OVL-SAXS)의 다양한 양태는, 1) 발명의 명칭이 "High-brightness X-ray metrology"인 Zhuang 및 Fielden에 대한 미국 특허 제7,929,667호, 2) 발명의 명칭이 "Model Building And Analysis Engine For Combined X-Ray And Optical Metrology"인 Bakeman, Shchegrov, Zhao, 및 Tan에 의한 미국 특허 공개 공보 제2014/0019097호, 3) 발명의 명칭이 "Methods and Apparatus For Measuring Semiconductor Device Overlay Using X-Ray Metrology"인 Veldman, Bakeman, Shchegrov, 및 Mieher에 의한 미국 특허 공개 공보 제2015/0117610호, 4) 발명의 명칭이 "Measurement System Optimization For X-Ray Based Metrology"인 Hench, Shchegrov, 및 Bakeman에 의한 미국 특허 공개 공보 제2016/0202193호, 5) 발명의 명칭이 "X-ray Metrology For High Aspect Ratio Structures"인 Dziura, Gellineau, 및 Shchegrov에 의한 미국 특허 공개 공보 제2017/0167862호, 및 6) 발명의 명칭이 "Full Beam Metrology for X-Ray Scatterometry Systems"인 Gellineau, Dziura, Hench, Veldman, 및 Zalubovsky에 의한 미국 특허 공개 공보 제2018/0106735호에서 설명된다. 상기 언급된 특허 문헌은 미국 캘리포니아 밀피타스(Milpitas) 소재의 KLA-Tencor Corporation에 양도되어 있으며, 각각의 내용은 참조에 의해 그들 전체가 본원에 통합된다.
SAXS는 또한 재료 및 다른 비 반도체 관련 애플리케이션의 특성화에 적용되어 왔다. Xenocs SAS(www.xenocs.com), Bruker Corporation(www.bruker.com), 및 Rigaku Corporation(www.rigaku.com/en)을 비롯한, 여러 회사에 의해 예시적인 시스템이 상용화되었다.
반도체 구조물의 CD-SAXS 계측에 대한 연구는 과학 문헌에서도 또한 설명되어 있다. 대부분의 연구 그룹은, 그들의 막대한 사이즈, 비용, 등등으로 인해 반도체 제조 설비에서 사용하기에 적합하지 않은 고휘도 X 선 싱크로트론 소스(X-ray synchrotron source)를 활용하였다. 그러한 시스템의 하나의 예는, Proc. SPIE, v. 8681, p. 86810Q (2013)의 Lemaillet, Germer, Kline 등등에 의한 명칭이 "Intercomparison between optical and X-ray scatterometry measurements of FinFET structures"인 논문에서 설명된다. 더욱 최근에, 국립 표준 기술원(National Institute of Standards and Technology; NIST)에서의 한 그룹은 미국 특허 제7,929,667호에서 설명되는 것들과 유사한 소형이며 밝은 X 선 소스를 활용하는 연구를 시작하였다. 이 연구는 J. Micro/Nanolith. MEMS MOEMS 16(1), 014001 (Jan-Mar 2017)의 명칭이 "X-ray scattering critical dimensional metrology using a compact X-ray source for next generation semiconductor devices"인 눈문에서 설명된다.
그러나, 얕은 구조물, 예를 들면, 로직 계측 애플리케이션으로부터의 경질 x 선의 산란은 약한데, 이것은 달성 가능한 측정 분해능 및 스루풋을 심각하게 제한한다. 그러한 만큼, T-SAXS는 HVM 환경에서 로직 계측 애플리케이션에 대한 실행 가능한 옵션인 것으로 보이지는 않았다.
T-SAXS 시스템은 거의 수직인 입사 조명에 기인하여 웨이퍼 상에서 작은 빔 풋프린트를 달성한다. 그러나, T-SAXS 시스템은 측정 하에 있는 웨이퍼를 통과하는 충분한 투과를 위해 고에너지 광자(예를 들면, >16 keV)를 필요로 한다. 통상적으로, 회절 효율성은 광자 에너지(E)를 사용하여, 1/E2로서 스케일링되고, 회절 차수의 각도 분리는 1/E에서 스케일링된다. 2D 주기적 구조물에 대한 순서 중복을 방지하기 위해, 입체각 수용(solid-angular acceptance)은 1/E2로서 스케일링된다. 이들 스케일링 계수는 얕은 구조물의 계측을 위한 T-SAXS 시스템에 대해 강력한 패널티를 부과한다.
또한, 모든 이전의 패턴화된 단계로부터의 회절 패턴은 투과 측정에서 현재 층 구조물의 회절 패턴 상에 중첩된다. 임계 금속 층의 최소 피치(즉, 주기)가 단지 10-20 %만큼만 상이한 값으로 수렴할 것으로 예상되기 때문에, 각도 수용은 검출기에서 별개의 회절 신호로 심각하게 제한된다. 그렇지 않으면, 모든 이전 층의 기하학적 형상 정보(geometric information)는 현재 층을 특성화하는 계측 시스템에 피드포워드되어야만 한다. 통상적으로, 복잡한 HVM 환경의 맥락 내에서, 필요한 계측 및 프로세스 정보를 획득하고 관리하는 것은 매우 어렵다.
종래의 GI-SAXS 시스템은, 회절된 강도를 최대화하기 위해, 8 keV 이상의 광자 에너지 및 반도체 재료에 대한 반사에 대한 임계각(예를 들면, 1 도 미만의 스침각(grazing angle)) 근처에서 동작한다. 이것은 웨이퍼 상으로 투사되는 극도로 큰 조명 빔 스팟 사이즈(예를 들면, 1 mm보다 더 큼)로 이어진다. 이것은 너무 커서 심지어 스크라이브 라인 계측 타겟도 사용 가능하지 않다. 따라서, GI-SAXS 측정을 수행하기 위해서는, 웨이퍼 상에 매우 큰 특수화된 계측 타겟이 구성되어야만 한다. 기능적 웨이퍼 실 자산의 이러한 손실은 비용이 많이 든다. 또한, GI-SAXS 측정의 표면 감도는 우수하지만, 그러나 높은 애스펙트 비 구조물의 침투는 소산 장 거동(evanescent field behavior)에 기인하여 매우 제한된다.
발명의 명칭이 "Metrology Methods, Metrology Apparatus, and Device Manufacturing Method"인 Quintanilha 등등에 의한 미국 특허 공개 번호 제2017/0357155A1호는, 0차에서 파장 분해 신호를 생성하기 위해, 분광분석계 타입 검출기를 활용하는 시스템을 설명한다. 이 접근법은, 상이한 파장의 신호를 분리하기 위해, 웨이퍼와 감광성 검출 엘리먼트 사이의 수집 경로에서 회절 엘리먼트(예를 들면, 회절 격자)의 사용을 필요로 한다. 이것은, 스펙트럼 측정을 수행하기 위해 활용될 수도 있는 검출기의 타입을 제한한다.
요약하면, 낮은 애스펙트 비 구조물 및 높은 애스펙트 비 구조물 둘 모두에 대한 측정 성능 및 스크라이브 라인 타겟(scribe-line target)과 호환 가능한 조명 빔 스팟 사이즈를 갖는 치수 계측 시스템에 대한 필요성이 존재한다. 하나의 예에서, 계측 시스템이 HVM 스루풋에서 높은 애스펙트 비(high aspect ratio; HAR) 구조물의 형상 및 에지 배치 파라미터를 추정할 필요성이 있다. 또한, 계측 시스템에 대한 측정 레시피를 개발하고 그것을 유효성 확인하고(validate) 실질적인 사전 치수 및 재료 조성 정보 없이 대량 생산(HVM) 환경에서 계측 시스템을 동작시키는 것이 가능해야 한다.
다수의 회절 차수에서 파장 분해 연질 x 선 반사 측정법(wavelength resolved, soft x-ray reflectometry; WR-SXR)에 기초하여 반도체 구조물의 구조적 및 재료적 특성을 측정하기 위한 방법 및 시스템이 본원에서 제시된다. 본원에서 설명되는 방법 및 시스템은, 넓은 스펙트럼 폭을 사용하여 다수의 회절 차수에 걸쳐 동시적인 높은 스루풋 측정을 제공한다. 다수의 회절 차수 각각에서 파장 분해 신호 정보의 이용 가능성은 측정 정확도 및 스루풋을 개선한다.
일반적으로, 반도체 웨이퍼의 WR-SXR 측정은, 작은 빔 스팟 사이즈를 사용하여 일정 범위의 파장, 입사각, 및 방위각(azimuth angle)에 걸쳐 수행된다. 하나의 양태에서, WR-SXR 측정은, 1 내지 45 도의 범위 내의 스침 입사각(grazing angle of incidence)으로 연질 x 선(soft x-ray; SXR) 영역(즉, 10 내지 5,000 eV) 내의 x 선 방사선을 사용하여 수행된다.
일반적으로, 0차 반사 빔은 입사 조명 빔의 발산(divergence)과 유사한 발산을 가질 것이다. 넌제로 회절 차수(non-zero diffraction order)로 산란되는 방사선은 입사 조명 빔보다 더 높은 발산을 갖는데, 그 이유는, 입사 조명 빔이 넌제로 회절 차수 각각 내에서 약간 상이한 각도에서 각각 회절하는 다수의 파장을 포함하기 때문이다. 넌제로 회절 차수의 반사의 각도는 입사 조명 빔의 파장에 의존한다. 다수의 별개의 조명 파장을 갖는 입사 조명 빔의 경우, 산란된 광은 각각의 넌제로 회절 차수 내에서 다수의 반사 각도를 포함한다. 유사하게, 연속적인 광대역 스펙트럼을 갖는 입사 조명 빔의 경우, 산란된 광은 각각의 넌제로 회절 차수 내에서 검출기에 입사할 때 반사된 광의 연속적인 공간적 확산을 포함한다. 그러므로, 각각의 넌제로 회절 차수는 다수의 측정 지점을 포함하며, 각각의 상이한 측정 지점은 상이한 파장과 관련된다. 따라서, 각각의 넌제로 회절 차수는 파장 분해 스펙트럼(wavelength-resolved spectrum)을 포함한다. 이러한 방식으로, WR-SXR 계측 시스템은, 측정 하에 있는 타겟과 검출기 사이의 광학 경로에서 회절 광학 엘리먼트를 활용하지 않고도 파장 분해 신호 정보를 제공한다.
WR-SXR 시스템은, 산란된 광의 하나 이상의 넌제로 회절 차수에서의 파장 분해 신호 정보에 기초하여 시료의 속성(예를 들면, 구조적 파라미터 값)을 결정하기 위해 활용된다.
하나의 양태에서, 검출기와 측정 하에 있는 웨이퍼 사이의 거리는, 검출기에서 수집되는 스펙트럼 정보의 분해능을 변경하도록 능동적으로 조정된다.
다른 추가적인 양태에서, 포커싱 광학기기는 소스 방출(source emission)을 수집하고 하나 이상의 별개의 파장 또는 스펙트럼 대역을 선택하고, 범위 1 내지 45 도 내의 스침 입사각에서 선택된 광을 시료 상으로 포커싱한다.
다른 추가적인 양태에서, 동일한 계측 영역 상으로 투사되는 파장, AOI, 방위각, 또는 이들의 임의의 조합의 범위는, 포커싱 광학기기(focusing optic)의 하나 이상의 미러 엘리먼트를 능동적으로 배치하는 것에 의해 조정된다.
다른 추가적인 양태에서, WR-SXR 계측 시스템은 시료에 입사하는 조명 빔을 성형하고 측정 하에 있는 계측 타겟을 달리 조명할 조명 광의 일부를 선택적으로 차단하기 위한 하나 이상의 빔 슬릿 또는 어퍼쳐를 포함한다. 하나 이상의 빔 슬릿은, x 선 조명 스팟이 측정 하에 있는 계측 타겟의 영역 내에 적합하도록, 빔 사이즈 및 형상을 정의한다. 또한, 하나 이상의 빔 슬릿은, 검출기 상의 회절 차수의 중첩을 제한하도록 조명 빔 발산을 정의한다.
다른 추가적인 양태에서, WR-SXR 계측 시스템은 조명 빔 에너지를 제어하기 위해 하나 이상의 메커니즘을 활용한다. 일반적으로, 조명 빔 에너지는 측정 하에 있는 특정한 샘플에 대해 적절한 X 선 침투를 보장하도록 선택된다.
다른 추가적인 양태에서, WR-SXR 계측 시스템의 입사 조명 빔은 입사 조명 빔을 가로질러 하나의 방향으로 상대적으로 높은 발산을 가지도록 그리고 입사 조명 빔을 가로지르는, 제1 방향에 직교하는 제2 방향으로 상대적으로 낮은 발산을 가지도록 제어된다. 이러한 방식으로, 높은 발산의 방향으로 검출기의 활성 표면을 가로지르는 공간적 확산은, 낮은 발산의 방향으로 검출기의 활성 표면을 가로지르는 공간적 확산에 직교한다. 높은 발산 방향으로 검출기의 활성 표면을 가로지르는 공간적 확산은, 상대적으로 높은 발산에 기인하는 입사각에 의해 지배된다. 반면, 낮은 발산 방향으로 검출기의 활성 표면을 가로지르는 공간적 확산은 상기에서 설명되는 바와 같은 각각의 회절 차수 내의 파장 분산에 의해 지배된다. 이러한 방식으로, 각각의 넌제로 회절 차수는, (낮은 발산 방향으로의) 스펙트럼 반사율 및 (높은 발산의 방향으로의) 각도 반사율에 기인하여 측정 하에 있는 구조물에 대한 신호 정보를 포함한다.
또 다른 추가적인 양태에서, 측정된 재료 사이의 콘트라스트를 증가시키기 위해, 하나 이상의 액체 재료 또는 하나 이상의 기체 재료를 측정 하에 있는 타겟 상으로 흐르게 하는 것에 의해 측정 성능이 개선된다.
다른 추가적인 양태에서, WR-SXR 계측 시스템은 다수의 검출기를 활용한다. 몇몇 실시형태에서, 하나 이상의 회절 차수는 제1 검출기에 의해 수집되고, 다른 회절 차수는 다른 검출기에 의해 수집된다.
다른 추가적인 양태에서, WR-SXR 계측 시스템의 검출기의 위치는 측정 하에 있는 타겟에 의해 반사되는 방사선을 캡쳐하도록 능동적으로 제어된다.
앞서 언급한 것은 개요이며, 따라서, 필요에 의해, 세부사항의 단순화, 일반화, 및 생략을 포함하며; 결과적으로, 개요는 단지 예시적인 것에 불과하며 어떠한 방식으로든 제한하는 것은 아니다는 것을 기술 분야의 숙련된 자는 인식할 것이다. 본원에 설명되는 디바이스 및/또는 프로세스의 다른 양태, 독창적인 피쳐, 및 이점은, 본원에서 기술되는 비제한적인 상세한 설명에서 명확해질 것이다.
도 1은 하나의 실시형태에서 시료의 특성을 측정하기 위한 파장 분해 연질 x 선 반사 측정법(WR-SXR) 기반 계측 도구의 예시를 묘사한다.
도 2는 하나의 실시형태에서 주기적 타겟으로부터 산란되며 WR-SXR 계측 시스템의 검출기에 의해 검출되는 방사선의 예시를 묘사한다.
도 3은 다른 실시형태에서의 주기적 타겟으로부터 산란되고 WR-SXR 계측 시스템의 검출기에 의해 검출되는 방사선의 예시를 묘사한다.
도 4는 입사각(θ) 및 방위각(φ)에 의해 설명되는 특정한 방위에서 웨이퍼에 입사하는 조명 빔의 예시를 묘사한다.
도 5는 도 3에서 묘사되는 검출기의 활성 표면에 입사하는 산란된 방사선의 일부의 예시를 묘사한다.
도 6은 다른 예에서 검출기의 활성 표면에 입사하는 산란된 방사선의 일부의 예시를 묘사한다.
도 7은 다른 실시형태에서의 시료의 특성을 측정하기 위한 WR-SXR 계측 시스템의 예시를 묘사한다.
도 8은 하나의 실시형태에서 빔 에너지 필터를 통과하는 WR-SXR 계측 시스템의 조명 빔의 예시를 묘사한다.
도 9는 Kapton(캡톤) 기판 상에 퇴적되는 대략 0.2 마이크로미터 두께의 붕소 및 주석 층으로부터 제조되는 빔 에너지 필터의 투과 곡선을 예시하는 플롯을 묘사한다.
도 10은 다른 실시형태에서의 시료의 특성을 측정하기 위한 WR-SXR 계측 시스템의 예시를 묘사한다.
도 11은 단일 파장 조명 광에 대해 도 10에서 묘사되는 검출기의 활성 표면에 입사하는 산란된 방사선의 예시를 묘사한다.
도 12는 광대역 조명 광에 대해 도 10에서 묘사되는 검출기의 활성 표면에 입사하는 산란된 방사선(118)의 예시를 묘사한다.
도 13은 Nb2O5 미러의 반사율을 조명 빔 에너지의 함수로서 예시하는 플롯을 묘사한다.
도 14는 다른 실시형태에서의 시료의 특성을 측정하기 위한 WR-SXR 계측 시스템의 예시를 묘사한다.
도 15는 WR-SXR 계측 시스템의 컴퓨팅 시스템에 의해 구현되는 예시적인 모델 구축 및 분석 엔진을 예시하는 다이어그램이다.
도 16a는 하나의 예에서 주기적 계측 타겟을 예시하는 다이어그램이다.
도 16b는 하나의 예에서 데시메이팅된(decimated) 계측 타겟을 예시하는 다이어그램이다.
도 17은 하나의 예에서 시료의 파장 분해 연질 x 선 반사 측정법(WR-SXR) 측정을 수행하는 방법을 예시하는 플로우차트이다.
이제, 배경 기술의 예 및 본 발명의 몇몇 실시형태를 상세히 참조할 것인데, 본 발명의 실시형태의 예는 첨부의 도면에서 예시된다.
x 선 조명에 기초하여 상이한 반도체 제조 프로세스와 관련되는 반도체 구조물의 구조적 및 재료적 특성(예를 들면, 재료 조성, 구조물 및 필름의 치수 특성, 등등)을 측정하기 위한 방법 및 시스템이 제시된다. 더 구체적으로, 다수의 회절 차수에서 파장 분해 연질 x 선 반사 측정법(WR-SXR)에 기초하여 반도체 구조물의 측정을 수행하기 위한 방법 및 시스템이 본원에서 제시된다. 본원에서 설명되는 방법 및 시스템은, 넓은 스펙트럼 폭을 사용하여 다수의 회절 차수에 걸쳐 동시적인 높은 스루풋 측정을 제공한다. 다수의 회절 차수 각각에서 파장 분해 신호 정보의 이용 가능성은 측정 정확도 및 스루풋을 개선한다.
일반적으로, 반도체 웨이퍼의 WR-SXR 측정은, 작은 빔 스팟 사이즈(예를 들면, 효과적인 조명 스팟에 걸쳐 50 마이크로미터 미만)를 사용하여 일정 범위의 파장, 입사각, 및 방위각에 걸쳐 수행된다. 하나의 양태에서, WR-SXR 측정은, 1 내지 45 도의 범위 내의 스침 입사각으로 연질 x 선(soft x-ray; SXR) 영역(즉, 10 내지 5,000 eV) 내의 x 선 방사선을 사용하여 수행된다. 특정한 측정 애플리케이션에 대한 스침 각도는 측정 하에 있는 구조물 안으로의 원하는 침투를 달성하도록 그리고 작은 빔 스팟 사이즈(예를 들면, 50 마이크로미터 미만)로 측정 정보 콘텐츠를 최대화하도록 선택된다.
도 1은 적어도 하나의 신규의 양태에서 시료의 특성을 측정하기 위한 WR-SXR 계측 도구(100)의 실시형태를 예시한다. 도 1에서 도시되는 바와 같이, 시스템(100)은 시료(101) 상에 배치되는 주기적 타겟(102)을 포함하는 측정 영역에 걸쳐 WR-SXR 측정을 수행하기 위해 사용될 수도 있다.
조명 소스(110)는 다수의 파장에서 조명 방사선을 생성한다. 도 1에서 묘사되는 실시형태에서, 조명 소스(110)는 스침 각도(G)에서 시료(101) 상에 배치되는 주기적 타겟(102)(예를 들면, 주기적 격자)으로 지향되는 광대역 조명을 생성한다. 도 1에서 묘사되는 실시형태에서, 주기적 타겟(102)은 하나의 방향(즉, 도면을 가로지르는 수평 방향)에서 주기적이다. 주기적 타겟은 직교 방향(즉, 도면 시트에 수직인 방향)에서 주기성 없이 균일하게 연장된다. 도 1은 비제한적인 예로서 하나의 방향으로 주기성을 갖는 주기적인 타겟을 묘사한다. 일반적으로, 본원에서 설명되는 계측 방법 및 시스템은 두 개의 방향(예를 들면, 두 개의 직교 방향)에서 주기성을 갖는 주기적 타겟의 측정에 적용 가능하다.
도 1에서 묘사되는 실시형태에서, 조명 소스(110)는 작은 조명 소스 영역(50 마이크로미터 미만)을 갖는 고차 고조파 생성(high harmonic generation; HHG) 레이저 조명 소스이다. 하나의 예에서, HHG 레이저 조명 소스(110)는 빔을 가로질러 두 개의 직교 방향으로 낮은 빔 발산(예를 들면, 1 밀리라디안(milliradian) 미만)을 갖는 조명 빔(114)을 생성한다. 조명 빔(114)은 주기적 타겟(102) 상으로 투사되고, 응답에서, 방사선(118)은 주기적 타겟(102)으로부터 산란되고 검출기(119)에 의해 검출된다.
도 2는 주기적인 타겟(102)으로부터 산란되고 검출기(119)에 의해 검출되는 방사선(118)을 더욱 상세하게 묘사한다. 도 2에서 묘사되는 바와 같이, 조명 빔(114)의 파장 스펙트럼(152)은 다수의 별개의 파장을 포함한다. 산란된 방사선(118)은 주기적 타겟(102)으로부터 상이한 회절 차수로 산란되는 방사선을 포함한다. 반사된 빔(118A)은 주기적 타겟(102)으로부터의 0차 반사이다. 회절된 방사선(118B)은 +1 회절 차수에 대응한다. 회절된 방사선(118C)은 -1 회절 차수에 대응한다. 회절된 방사선(118D)은 +2 회절 차수에 대응한다. 회절된 방사선(118E)은 -2 회절 차수에 대응한다. 회절된 방사선(118F)(도시되지 않음)은 +3 회절 차수에 대응한다. 회절된 방사선(118G)(도시되지 않음)은 -3 회절 차수에 대응한다. 회절된 방사선(118H)(도시되지 않음)은 +4 회절 차수에 대응한다. 회절된 방사선(118I)(도시되지 않음)은 -4 회절 차수에 대응한다. 도 2에서 묘사되는 바와 같이, 조명 빔에 존재하는 각각의 별개의 파장은 넌제로 회절 차수 각각 내에서 주기적 타겟(102)과는 상이한 각도에서 회절한다.
일반적으로, 0차 빔(118A)은 입사 조명 빔(114)의 발산과 유사한 발산을 가질 것이다. 넌제로 회절 차수로 산란되는 산란된 방사선(118)의 부분은 입사 조명 빔(114)보다 더 높은 발산을 갖는데, 그 이유는, 입사 조명 빔(114)이 넌제로 회절 차수 각각 내에서 약간 상이한 각도에서 각각 회절하는 다수의 파장을 포함하기 때문이다. 일반적으로, 반사된 각도는 회절 격자 수학식 (1)에 의해 주어지는데;
Figure 112022031394918-pct00001
여기서, λ는 입사 조명 빔의 파장이고, d는 격자 주기이고, a는 회절 차수이고,
Figure 112022031394918-pct00002
는 입사각이고,
Figure 112022031394918-pct00003
는 회절된 광의 각도이다. 공칭 입사각(도 1에서 각도 G로서 묘사됨)은, 1도와 45 도 사이의 임의의 적절한 스침 입사각(즉, 웨이퍼 평면과 입사 조명 빔 사이의 각도)이다.
수학식 (1)에 의해 예시되는 바와 같이, 0차 회절 차수(a = 0)와 관련되는 반사의 각도는 파장에 관계없이 입사각과 동일하다. 그러나, 넌제로 회절 차수(a ≠ 0)에 대한 반사의 각도는 입사 조명 빔의 파장에 의존한다. 다수의 별개의 조명 파장을 갖는 입사 조명 빔의 경우, 산란된 광은 각각의 넌제로 회절 차수 내에서 다수의 반사 각도를 포함한다. 유사하게, 연속적인 광대역 스펙트럼을 갖는 입사 조명 빔의 경우, 산란된 광은 각각의 넌제로 회절 차수 내에서 검출기(119)에 입사할 때 반사된 광의 연속적인 공간적 확산을 포함한다.
도 2에서 묘사되는 바와 같이, 조명 빔(114)의 파장 스펙트럼(152)은 네 개의 별개의 파장을 포함하고, 각각의 넌제로 회절 차수는 상이한 위치에서 검출기(119)에 입사하는 네 개의 별개의 파장 각각을 포함한다. 이러한 방식으로, 검출기(119)는 각각의 넌제로 회절 차수 내의 각각의 개별 파장에서 주기적 타겟(102)으로부터 산란되는 방사선을 개별적으로 분해한다. 다수의 별개의 조명 파장으로 수행되는 측정은 소정의 측정 애플리케이션에서, 예를 들면, 3D 격자를 측정할 때, 선호될 수도 있다.
도 3에서 묘사되는 바와 같이, 조명 빔(114)의 파장 스펙트럼(155)은 연속적인 광대역 스펙트럼을 포함하고, 각각의 넌제로 회절 차수 내의 산란된 광은 각각의 넌제로 회절 차수 내에서 검출기(119)에서 반사된 광의 연속적인 공간적 확산을 포함한다. 반사된 광의 각각의 개별 파장은 각각의 넌제로 회절 차수 내의 상이한 위치에서 검출기(119)에 입사한다. 이러한 방식으로, 검출기(119)는 각각의 넌제로 회절 차수 내의 각각의 개별 파장에서 주기적 타겟(102)으로부터 산란되는 방사선을 개별적으로 분해한다.
도 2 및 도 3에서 묘사되는 바와 같이, 넌제로 회절 차수 각각은 검출기(119)의 감광성 표면 상의 상이한 위치에 착륙하는 상이한 반사된 파장을 포함한다. 따라서, 각각의 넌제로 회절 차수는 다수의 측정 지점을 포함하는데, 각각의 상이한 측정 지점은 상이한 파장과 관련된다. 따라서, 각각의 넌제로 회절 차수는 파장 분해 스펙트럼을 포함한다. 이러한 방식으로, WR-SXR 계측 시스템은, 측정 하에 있는 타겟과 검출기 사이의 광학 경로에서 회절 광학 엘리먼트를 활용하지 않고도 파장 분해 신호 정보를 제공한다. 검출기의 표면에서 파장에 따른 각각의 회절 차수의 공간적 확산의 검출은 주목하는 측정된 구조물에 대한 유용하고 고유한 정보를 제공하고 측정 성능을 추가로 향상시킨다.
반도체 웨이퍼(101)의 표면 법선에 대한 입사 조명 빔(114)의 각각의 방위는, 조명 빔(114)에 대한 웨이퍼(101)의 임의의 두 개의 각도 회전에 의해 설명되거나, 또는 그 반대도 가능하다. 하나의 예에서, 방위는 웨이퍼에 고정되는 좌표 시스템과 관련하여 설명될 수 있다. 도 4는 입사각(θ) 및 방위각(φ)에 의해 설명되는 특정한 방위에서 웨이퍼(101)에 입사하는 조명 빔(114)의 예시를 묘사한다. 좌표 프레임 XYZ는, 계측 시스템(예를 들면, 조명 빔(114))에 고정되고 좌표 프레임 X'Y'Z'은 웨이퍼(101)에 고정된다. Y 축은 웨이퍼(101)의 표면과 평면에서 정렬된다. X 및 Z는 웨이퍼(101)의 표면과 정렬되지 않는다. Z'은 웨이퍼(101)의 표면에 수직인 축과 정렬되고, X' 및 Y'은 웨이퍼(101)의 표면과 정렬되는 평면 내에 있다. 도 4에서 묘사되는 바와 같이, x 선 조명 빔(114)은 Z 축과 정렬되고 따라서 XZ 평면 내에 놓인다. 입사각(θ)은 XZ 평면에서 웨이퍼의 표면 법선에 대한 x 선 조명 빔(114)의 방위를 설명한다. 더구나, 방위각(φ)은, X'Z' 평면에 대한 XZ 평면의 방위를 설명한다. 정리하면, θ 및 φ는, 웨이퍼(101)의 표면에 대한 x 선 조명 빔(114)의 방위를 고유하게 정의한다. 이 예에서, 웨이퍼(101)의 표면에 대한 x 선 조명 빔의 방위는, 웨이퍼(101)의 표면에 수직인 축(즉, Z' 축)을 중심으로 하는 회전 및 웨이퍼(101)의 표면과 정렬되는 축(즉, Y 축)을 중심으로 하는 회전에 의해 설명된다. 몇몇 다른 예에서, 웨이퍼(101)의 표면에 대한 x 선 조명 빔의 방위는, 웨이퍼(101)의 표면과 정렬되는 제1 축 및 웨이퍼(101)의 표면과 정렬되며 제1 축에 수직인 다른 축을 중심으로 하는 회전에 의해 설명된다.
도 2 및 도 3에서 묘사되는 예에서, 방위각은, 주기적 타겟(102)의 주기성의 방향(도면 시트를 가로지르는 수평 방향)과 정렬되며, 주기적 타겟의 균일한 규모(uniform extent)의 방향(도면 시트에 수직인 방향)과 직교하는 방향으로 입사 조명 빔(114)이 주기적 타겟(102)을 조명하도록 하는 그러한 것이다. 도 5는 도 3에서 묘사되는 조명 조건 하에서 측정되는 바와 같은 검출기(119)의 활성 표면에 입사하는 산란된 방사선(118)의 일부를 묘사한다. 더 구체적으로, 도 5는, 0차 반사 빔(118A), -1 회절 차수에 대응하는 회절된 방사선(118C), -2 회절 차수에 대응하는 회절된 방사선(118E), 및 -3 회절 차수에 대응하는 회절된 방사선(118G)을 묘사한다. 도 5에서 묘사되는 바와 같이, 조명 빔에 존재하는 각각의 파장은 넌제로 회절 차수 각각 내에서 주기적 타겟(102)과는 상이한 각도에서 회절한다. 따라서, 조명 빔(114)에 존재하는 파장 범위(λRANGE)는 넌제로 회절 차수 각각에 대해 y 방향으로 공간적으로 확산된다.
다른 예에서, 방위각은, 주기적 타겟의 균일한 규모의 방향(도 3의 도면 시트에 수직인 방향)과 정렬되며 주기적 타겟(102)의 주기적 타겟(102)의 주기성의 방향(도 3의 도면 시트를 가로지르는 수평 방향)에 직교하는 방향으로 입사 조명 빔(114)이 주기적 타겟(102)을 조명하도록 하는 그러한 것이다. 도 6은 이들 조명 조건 하에서 측정되는 바와 같은 검출기(119)의 활성 표면에 입사하는 산란된 방사선(118)의 일부를 묘사한다. 더 구체적으로, 도 6은, 0차 반사 빔(118A), +1 및 -1 회절 차수에 각각 대응하는 회절된 방사선(118B 및 118C), +2 및 -2 회절 차수에 각각 대응하는 회절된 방사선(118D 및 118E), 및 +3 및 -3 회절 차수에 각각 대응하는 회절된 방사선(118F 및 118G)을 묘사한다. 도 6에서 묘사되는 바와 같이, 조명 빔에 존재하는 각각의 파장은 넌제로 회절 차수 각각 내에서 주기적 타겟(102)과는 상이한 각도에서 회절한다. 따라서, 조명 빔(114)에 존재하는 파장 범위(λRANGE)는 넌제로 회절 차수 각각에 대해 호(149)를 따라 검출기(119)의 활성 표면에 걸쳐 공간적으로 확산된다.
추가적인 양태에서, 검출기와 측정 하에 있는 웨이퍼 사이의 거리는, 검출기에서 수집되는 스펙트럼 정보의 분해능을 변경하도록 능동적으로 조정된다. 몇몇 실시형태에서, 컴퓨팅 시스템(130)으로부터 액추에이터로 전달되는 제어 커맨드(도시되지 않음)에 응답하여 검출기(119)를 이동시키도록 액추에이터(도시되지 않음)가 구성된다. 측정 하에 있는 웨이퍼로부터 멀어지는 검출기의 움직임은 수집된 스펙트럼 정보의 분해능을 증가시킨다. 즉, 증가하는 거리와 함께 검출기에서 임의의 두 개의 상이한 파장 사이의 공간적 분리를 증가시킨다. 반대로, 측정 하에 있는 웨이퍼를 향하는 검출기의 움직임은 수집된 스펙트럼 정보의 분해능을 감소시킨다, 즉, 감소하는 거리와 함께 검출기에서 임의의 두 개의 상이한 파장 사이의 공간적 분리를 감소시킨다.
x 선 조명 소스(110)는 WR-SXR 측정에 대해 적절한 SXR 방사선을 생성하도록 구성된다. x 선 조명 소스(110)는 다색(polychromatic), 고휘도, 대형 에텐듀(etendue) 소스이다. 몇몇 실시형태에서, x 선 조명 소스(110)는 10 내지 5,000 전자-볼트 사이의 범위 내의 x 선 방사선을 생성하도록 구성된다. 일반적으로, WR-SXR 측정을 위한 x 선 조명을 공급하기 위해, 높은 스루풋의 인라인 계측을 가능하게 하기에 충분한 플럭스 레벨에서 고휘도 SXR을 생성할 수 있는 임의의 적합한 고휘도 x 선 조명 소스가 고려될 수도 있다. 적절한 X 선 조명 소스의 몇몇 예는, 회전하는 애노드 소스, 고체 애노드 소스, 입자 가속기 소스, 마이크로포커스 소스(microfocus source), 레이저 생성 플라즈마 소스, 액체 금속 제트 소스, 가스 제트/모세관/셀 소스, 역 콤프턴 산란 소스(inverse Compton scattering sources; ICS), 컴팩트 스토리지 링 소스(compact storage ring sources; CSR), 전기 방전 생성 플라즈마 소스(discharge produced plasma sources; DPP), 고차 고조파 생성 소스(HHG), 향상 캐비티를 갖는 HHG 소스(HHG source with an enhancement cavity; HHG+), 및 연질 X 선 레이저 소스를 포함한다.
적절한 X 선 조명 소스는, 미국 특허 공개 번호 제2019/0215940호, 미국 특허 공개 번호 제2016/0249442호, 미국 특허 공개 번호 제2016/0128171호, 미국 특허 공개 번호 제2015/0076359호, 미국 특허 공개 번호 제2015/0008335호, 및 미국 특허 공개 번호 제2014/0306115호, 및 미국 특허 공개 번호 제2014/0246607호에서 설명되는데, 각각의 내용은 참조에 의해 그들 전체가 본원에 통합된다.
몇몇 실시형태에서, 조명 소스(110)는 위글러(wiggler)/언듈레이터(undulator) 싱크로트론 방사선 소스(synchrotron radiation source; SRS)이다. 예시적인 위글러/언듈레이터 SRS는 미국 특허 번호 제8,941,336호 및 제8,749,179호에서 설명되는데, 이들 특허의 내용은 참조에 의해 그들 전체가 본원에 통합된다.
몇몇 실시형태에서, 조명 소스(110)는 x 선 방사선을 자극하기 위해 고체, 액체, 또는 기체 타겟에 충돌하도록 구성되는 전자 빔 소스이다. 고휘도, 액체 금속 x 선 조명을 생성하기 위한 방법 및 시스템은, KLA-Tencor Corp.에게 2011년 4월 19일자로 발행된 미국 특허 제7,929,667호에서 설명되는데, 이 특허의 전체 내용은 참조에 의해 본원에 통합된다.
몇몇 실시형태에서, 조명 소스(110)는 레이저 생성 플라즈마(laser produced plasma; LPP) 광원이다. 이들 실시형태 중 일부에서, LPP 광원은 크세논(Xenon), 크립톤(Krypton), 아르곤(Argon), 네온(Neon), 질소(Nitrogen), 알코올(Alcohol), 및 물(Water) 방출 재료 중 임의의 것을 포함한다. 일반적으로, 적절한 LPP 타겟 재료의 선택은 공진 SXR 영역에서의 밝기에 대해 최적화된다. 예를 들면, 크립톤에 의해 방출되는 플라즈마는 실리콘 K 에지(K-edge)에서 높은 휘도를 제공한다. 다른 예에서, 크세논에 의해 방출되는 플라즈마는 SXR 영역 전체에 걸쳐 높은 휘도, 예를 들면, 80 내지 3000 eV를 제공한다. 그러한 만큼, 크세논은 광대역 SXR 조명이 원하는 경우 방출 재료의 양호한 선택이다.
LPP 타겟 재료 선택은 또한 신뢰 가능하고 긴 수명의 광원 동작을 위해 최적화될 수도 있다. 크세논, 크립톤, 및 아르곤과 같은 비활성 기체(noble gas) 타겟 재료는 비활성이며 최소의 오염 제거 프로세싱을 가지면서 또는 오염 제거 프로세싱 없이 폐루프 동작에서 재사용될 수 있다. 예시적인 SXR 조명 소스는 미국 특허 공개 번호 제2019/0215940호에서 설명되는데, 이 특허 출원의 내용은 참조에 의해 그 전체가 본원에 통합된다.
몇몇 실시형태에서, 적절한 조명 소스는 광대역이다. 그러나, 몇몇 다른 실시형태에서, 적절한 조명 소스는 광대역이 아니지만, 그러나 다수의 별개의 방사선 파장(예를 들면, HHG 소스)을 포함한다. 이들 실시형태 중 일부에서, 각각의 회절 차수에 대한 반사율은 각각의 별개의 파장에 대해 하나씩, 여러 개의 이미지를 포함한다. 몇몇 실시형태에서, HHG 소스에 의해 생성되는 다수의 이웃하는 고조파가 주기적 타겟에 제공되고, 검출기의 감광성 표면에 있는 별개의 포인트의 세트가 더 큰 이미지로 수렴된다.
낮은 발산(예를 들면, 1 밀리라디안 미만)을 갖는 조명 소스는 본원에서 설명되는 바와 같이 파장 분해 신호 정보를 생성하는 데 바람직하다. 낮은 발산 조명 소스는 몇몇 측정 애플리케이션에서(예를 들면, 3D 격자를 측정할 때)에서 유리하다. 높은 발산 소스가 활용될 수도 있지만, 그것은, 파장 분해 신호 정보를 획득하기 위해서는, 조명 소스로부터 검출기까지의 광학 경로에서 추가적인 광학 엘리먼트를 필요로 할 수도 있다. 이것은 계측 시스템에 추가적인 비용, 복잡도, 및 광자 손실을 추가한다.
몇몇 실시형태에서, 더 긴 파장(예를 들면, 딥 UV, 진공 UV, 가시광선, 또는 IR)의 광과 함께 연질 X 선을 방출하는 광대역 소스가 계측 시스템의 조명 소스로서 활용된다.
x 선 조명 소스(110)는 유한한 횡방향 치수(즉, 빔 축에 직교하는 넌제로 치수)를 갖는 소스 영역에 걸쳐 x 선 방출을 생성한다. 하나의 양태에서, x 선 조명 소스(110)의 소스 영역은 20 마이크로미터 미만의 횡방향 치수에 의해 특성화된다. 몇몇 실시형태에서, 소스 영역은 10 마이크로미터 이하의 횡방향 치수에 의해 특성화된다. 몇몇 실시형태에서, 소스 영역은 5 마이크로미터 이하의 횡방향 치수에 의해 특성화된다. 작은 소스 사이즈는 시료 상의 작은 타겟 영역에 대한 높은 휘도를 갖는 조명을 가능하게 하고, 따라서, 작은 계측 타겟의 측정에 기초하여, 측정 정밀도, 정확도, 및 스루풋을 개선한다. 몇몇 실시형태에서, 작은(5 마이크로미터 미만 직경) 조명 소스 사이즈는 서브미크론 해상도를 갖는 스캐닝 계측 시스템을 가능하게 한다.
x 선 검출기(119)는 시료(101)로부터 산란되는 x 선 방사선(118)을 수집하고, WR-SXR 측정 모달리티(WR-SXR measurement modality)에 따라 입사 x 선 방사선에 민감한 시료(101)의 속성을 나타내는 출력 신호(135)를 생성한다. 몇몇 실시형태에서, 산란된 x 선(118)은 x 선 검출기(119)에 의해 수집되고, 한편 시료 위치 결정 시스템(140)은 각도 분해된 산란된 x 선을 생성하도록 시료(101)를 위치시키고 배향시킨다. 몇몇 실시형태에서, 샘플 균일성에 관한 신호 정보는 시료(101)에 걸쳐 상이한 위치에서 신호를 수집하는 것에 의해 획득된다.
일반적으로, 임의의 적절한 타입의 X 선 검출기가 본원에서 설명되는 바와 같이 WR-SXR 측정을 수행하기 위해 활용될 수도 있다. 예시적인 검출기는, 전하 결합 소자(Charge Coupled Device; CCD), 가스 전자 증폭기(Gas Electron Multiplier; GEM), 마이크로스트립 비례 계수기(microstrip proportional counter), 가스 충전 비례 계수기(gas filled proportional counter), 카드뮴 텔루르화물(CdTe) 검출기, 픽셀 어레이 검출기(Pixel Array Detector; PAD), 애벌란시 포토다이오드(Avalanche Photodiode; APD), PIN 다이오드 어레이, 포토다이오드 어레이, 광전자증배관(Photomultiplier Tube; PMT), CCD 검출기와 합쳐진 다채널 플레이트, 상보형 금속 산화물 반도체(complementary metal oxide semiconductor; CMOS) 검출기, 고속 CMOS 검출기와 합쳐진 신틸레이터, CMOS 능동 픽셀 센서(Active Pixel Sensor; APS), 등등을 포함한다.
몇몇 실시형태에서, WR-SXR 시스템은 높은 다이나믹 레인지(예를 들면, 105보다 더 큼)를 갖는 하나 이상의 광자 카운팅 검출기(photon counting detector)를 포함한다. 몇몇 실시형태에서, x 선 검출기는 하나 이상의 x 선 광자 에너지를 분해하고, 시료의 속성을 나타내는 각각의 x 선 에너지 성분에 대한 신호를 생성한다. 이러한 방식으로, 검출기 내의 X 선 광자 상호 작용은, 픽셀 위치 및 카운트의 수 외에 에너지에 의해 구별된다. 몇몇 실시형태에서, X 선 광자 상호 작용은, X 선 광자 상호 작용의 에너지를, 미리 결정된 상한 임계 값 및 미리 결정된 더 낮은 임계 값과 비교하는 것에 의해 구별된다. 하나의 실시형태에서, 이 정보는 추가 프로세싱 및 저장을 위해 출력 신호(135)를 통해 컴퓨팅 시스템(130)에 전달된다.
추가적인 양태에서, WR-SXR 시스템은, 산란된 광의 하나 이상의 넌제로 회절 차수에서의 파장 분해 신호 정보에 기초하여 시료의 속성(예를 들면, 구조적 파라미터 값)을 결정하기 위해 활용된다. 도 1에서 묘사되는 바와 같이, 계측 도구(100)는, 검출기(119)에 의해 생성되는 신호(135)를 획득하도록 그리고 획득된 신호에 적어도 부분적으로 기초하여 시료의 속성을 결정하도록 활용되는 컴퓨팅 시스템(130)을 포함한다.
몇몇 예에서, WR-SXR에 기초한 계측은, 측정된 데이터를 갖는 미리 결정된 측정 모델의 역 솔루션에 의해 샘플의 치수를 결정하는 것을 수반한다. 측정 모델은 몇몇(대략 열 개) 조정 가능한 파라미터를 포함하며 시료의 기하학적 형상과 광학적 속성 및 측정 시스템의 광학적 속성을 나타낸다. 역 솔루션의 방법은, 모델 기반 회귀, 단층 촬영, 머신 러닝, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하지만, 그러나 이들로 제한되는 것은 아니다. 이러한 방식으로, 타겟 프로파일 파라미터는, 측정된 산란된 x 선 강도와 모델링된 결과 사이의 에러를 최소화하는 파라미터로 표현된 측정 모델(parameterized measurement model)의 값을 분해하는 것에 의해 추정된다.
측정된 파라미터 값의 정밀도 및 정확도를 증가시키기 위해, 큰 범위의 파장, 입사각 및 방위각으로 측정을 수행하는 것이 바람직하다. 이 접근법은, 분석에 대해 이용 가능한 데이터 세트의 개수 및 다양성을 확장시키는 것에 의해 파라미터 사이의 상관 관계를 감소시킨다.
회절된 방사선의 강도의 측정이, 조명 파장, 웨이퍼 표면 법선에 대한 x 선 입사각, 또는 이들의 조합의 함수로서 수집된다. 다수의 회절 차수에 포함되는 파장 분해 신호 정보는 고려 하에 있는 각각의 모델 파라미터 사이에서 통상적으로 고유하다. 따라서, x 선 산란은 작은 에러 및 감소된 파라미터 상관 관계를 갖는 주목하는 파라미터의 값에 대한 추정 결과를 산출한다.
하나의 양태에서, 계측 도구(100)는, 웨이퍼(101)를 고정 지지하며 시료 위치 결정 시스템(140)에 커플링되는 웨이퍼 척(wafer chuck)(103)을 포함한다. 시료 위치 결정 시스템(140)은 조명 빔(114)에 대하여 6 자유도에서 시료(101)를 능동적으로 배치하도록 구성된다. 하나의 예에서, 컴퓨팅 시스템(130)은 시료(101)의 원하는 위치를 나타내는 시료 위치 결정 시스템(140)에 커맨드 신호(도시되지 않음)를 전달한다. 응답에서, 시료 위치 결정 시스템(140)은, 시료(101)의 원하는 위치 결정을 달성하기 위해 시료 위치 결정 시스템(140)의 다양한 액추에이터로의 커맨드 신호를 생성한다.
몇몇 예에서, 측정 성능을 개선하도록 최적화되는 상이한 조명 및 수집 각도를 제공하기 위해 웨이퍼 상의 입사각, 방위각, 및 위치의 범위에 걸쳐 측정이 수행된다.
몇몇 실시형태에서, x 선 광학기기는 조명 소스(110)로부터 시료(101)로 x 선 방사선을 성형하고 지향시킨다. 몇몇 예에서, x 선 광학기기는 다층 x 선 광학기기를 사용하여 시료(101)의 측정 영역(102) 상으로의 x 선 빔을 1 밀리라디안 미만의 발산으로 시준 또는 포커싱한다. 몇몇 실시형태에서, x 선 광학기기는, 하나 이상의 x 선 시준용 미러(x-ray collimating mirror), x 선 어퍼쳐(aperture), x 선 빔 스톱(x-ray beam stop), 굴절 x 선 광학기기, 구역 플레이트와 같은 회절 광학기기, 슈바르츠실트(Schwarzschild) 광학기기, 커크패트릭-바에즈(Kirkpatrick-Baez) 광학기기, 몬텔(Montel) 광학기기, 볼터(Wolter) 광학기기, 타원체 미러(ellipsoidal mirror)와 같은 거울반사 x 선 광학기기(specular x-ray optic), 중공 모세관 x 선 도파관(hollow capillary x-ray waveguide)과 같은 다중모세관 광학기기(polycapillary optic), 다층 광학기기 또는 시스템, 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다. 추가적인 세부 사항은 미국 특허 공개 공보 제2015/0110249호에서 설명되는데, 이 특허 공개 공보의 내용은 참조에 의해 그 전체가 본원에 통합된다.
도 7은 다른 실시형태에서의 시료의 특성을 측정하기 위한 WR-SXR 계측 도구(200)의 실시형태를 예시한다. 도 7에서 묘사되는 바와 같이, 포커싱 광학기기(111)는 소스 방사선을 시료(101) 상에 위치되는 계측 타겟 상으로 포커싱한다. 유한한 횡방향 소스 치수는, 소스의 에지로부터 유래하는 광선(116) 및 빔 슬릿(112 및 113)에 의해 제공되는 임의의 빔 성형에 의해 정의되는 타겟 상의 유한한 스팟 사이즈(102)로 귀결된다.
몇몇 실시형태에서, 포커싱 광학기기(111)는 타원 형상의 포커싱 광학 엘리먼트를 포함한다. 도 7에서 묘사되는 실시형태에서, 타원의 중심에서의 포커싱 광학기기(111)의 배율은 대략 1이다. 결과적으로, 시료(101)의 표면 상으로 투사되는 조명 스팟 사이즈는 조명 소스와 대략 동일한 사이즈이며, 공칭 스침 입사각(예를 들면, 1 내지 45 도)에 기인하여 빔 확산에 대해 조정된다.
추가적인 양태에서, 포커싱 광학기기(111)는 소스 방출을 수집하고 하나 이상의 이산 파장 또는 스펙트럼 대역을 선택하고, 범위 1 내지 45 도 내의 스침 입사각에서 선택된 광을 시료(101) 상으로 포커싱한다.
공칭 스침 입사각은, 계측 타겟 경계 내에 남아 있는 동안, 신호 정보 콘텐츠를 최대화하기 위해 계측 타겟의 원하는 침투를 달성하도록 선택된다. 경질 x 선의 임계 각도는 매우 작지만, 그러나 연질 x 선의 임계 각도는 상당히 더 크다. 이러한 추가적인 측정 유연성의 결과로서, WR-SXR 측정은, 스침 입사각의 정확한 값에 대한 더 적은 민감도로 구조물 안으로 더 깊게 조사된다.
몇몇 실시형태에서, 포커싱 광학기기(111)는 시료(101) 상으로의 투사를 위해 원하는 파장 또는 파장의 범위를 선택하는 단계적 다층(graded multi-layer)을 포함한다. 몇몇 예에서, 포커싱 광학기기(111)는, 하나의 파장을 선택하고 선택된 파장을 일정 범위의 입사각에 걸쳐 시료(101) 상으로 투사하는 단계적 다층 구조물(예를 들면, 층 또는 코팅)을 포함한다. 몇몇 예에서, 포커싱 광학기기(111)는, 일정 범위의 파장을 선택하고 선택된 파장을 하나의 입사각에 걸쳐 시료(101) 상으로 투사하는 단계적 다층 구조물을 포함한다. 몇몇 예에서, 포커싱 광학기기(111)는, 일정 범위의 파장을 선택하고 선택된 입사 파장을 일정 범위의 입사각에 걸쳐 시료(101) 상으로 투사하는 단계적 다층 구조물을 포함한다.
단일 층 격자 구조물이 너무 깊은 경우 발생하는 광의 손실을 최소화하기 위해, 단계적 다층 광학기기가 바람직하다. 일반적으로, 다층 광학기기는 반사된 파장을 선택한다. 선택된 파장의 스펙트럼 대역폭은 시료(101)에 제공되는 플럭스, 측정된 회절 차수의 정보 콘텐츠를 최적화하고, 검출기에서의 각도 분산 및 회절 피크 중첩을 통해 신호의 열화를 방지한다. 또한, 발산을 제어하기 위해 단계적 다층 광학기기가 활용된다. 각각의 파장에서의 각도 발산은 검출기에서의 최소 공간 중첩 및 플럭스에 대해 최적화된다.
몇몇 예에서, 단계적 다층 광학기기는, 특정한 재료 계면 또는 구조적 치수로부터의 회절 신호의 콘트라스트 및 정보 콘텐츠를 향상시키기 위해 파장을 선택한다. 예를 들면, 선택된 파장은 엘리먼트 고유의 공진 영역(예를 들면, 실리콘 K 에지, 질소, 산소 K 에지, 등등)에 걸치도록 선택될 수도 있다. 또한, 이들 예에서, 조명 소스는 선택된 스펙트럼 영역(예를 들면, HHG 스펙트럼 튜닝(tuning), LPP 레이저 튜닝, 등등)에서 플럭스를 최대화하도록 또한 조정될 수도 있다.
몇몇 실시형태에서, Nb2O5 미러에 기초한 반사성 다층 광학기기가 활용된다. 도 13은 조명 빔 에너지의 함수로서 Nb2O5 미러의 반사율(146)을 예시하는 플롯(145)을 묘사한다. 도 13에서 예시되는 바와 같이, 85 % 이상의 반사율은 광범위한 x 선 빔 에너지에 걸쳐 달성된다. 몇몇 실시형태에서, Nb2O5 미러는 광대역 X 선 소스와 조합하여 사용될 때 유리하다.
추가적인 양태에서, 동일한 계측 영역 상으로 투사되는 파장, AOI, 방위각, 또는 이들의 임의의 조합의 범위는 포커싱 광학기기(111)의 하나 이상의 미러 엘리먼트를 능동적으로 배치하는 것에 의해 조정된다. 도 7에서 묘사되는 바와 같이, 컴퓨팅 시스템(130)은, 시료(101) 상으로 투사되는 원하는 범위의 파장, AOI, 방위각 또는 이들의 임의의 조합을 달성하기 위해, 액추에이터 시스템(115)으로 하여금, 포커싱 광학기기(111)의 광학 엘리먼트 중 하나 이상의 위치, 정렬, 또는 둘 모두를 조정하게 하는 커맨드 신호(137)를 액추에이터 시스템(115)으로 전달한다.
일반적으로, 입사각은, 측정 하에 있는 계측 타겟에 의한 조명 광의 침투 및 흡수를 최적화하기 위해 선택된다. 많은 예에서, 다수의 층 구조물이 측정되고, 주목하는 원하는 층과 관련되는 신호 정보를 최대화하도록 입사각이 선택된다. 오버레이 계측의 예에서, 파장(들) 및 입사각(들)은, 이전 층으로부터의 산란과 현재 층으로부터의 산란 사이의 간섭으로부터 유래하는 신호 정보를 최대화하도록 선택된다. 또한, 신호 정보 콘텐츠를 최적화하기 위해 방위각도 또한 선택된다. 또한, 방위각은 검출기에서 회절 피크의 각도 분리를 보장하도록 선택된다.
추가적인 양태에서, WR-SXR 계측 시스템(예를 들면, 계측 도구(200))은 시료(101)에 입사하는 조명 빔(114)을 성형하고 측정 하에 있는 계측 타겟을 달리 조명할 조명 광의 일부를 선택적으로 차단하기 위한 하나 이상의 빔 슬릿 또는 어퍼쳐를 포함한다. 하나 이상의 빔 슬릿은, x 선 조명 스팟이 측정 하에 있는 계측 타겟의 영역 내에 적합하도록, 빔 사이즈 및 형상을 정의한다. 또한, 하나 이상의 빔 슬릿은, 검출기 상의 회절 차수의 중첩을 제한하도록 조명 빔 발산을 정의한다.
도 7은 포커싱 광학기기(111)와 빔 성형 슬릿(113) 사이의 빔 경로에 위치되는 빔 발산 제어 슬릿(112)을 묘사한다. 빔 발산 제어 슬릿(112)은 측정 하에 있는 시료에 제공되는 조명의 발산을 제한한다. 빔 성형 슬릿(113)은 빔 발산 제어 슬릿(112)과 시료(101) 사이의 빔 경로에 위치된다. 빔 성형 슬릿(113)은 입사 빔(114)을 추가로 성형하고 입사 빔(114)의 조명 파장(들)을 선택한다. 빔 성형 슬릿(113)은 빔 경로에서 시료(101) 바로 앞에 위치된다. 하나의 양태에서, 빔 성형 슬릿(113)의 슬릿은, 유한한 소스 사이즈에 의해 정의되는 빔 발산에 기인하는 입사 빔 스팟 사이즈의 확대를 최소화하기 위해, 시료(101)에 근접하게 위치된다.
몇몇 실시형태에서, 빔 성형 슬릿(113)은 다수의 독립적으로 작동되는 빔 성형 슬릿을 포함한다. 하나의 실시형태에서, 빔 성형 슬릿(113)은 네 개의 독립적으로 작동되는 빔 성형 슬릿을 포함한다. 이들 네 개의 빔 성형 슬릿은, 유입하는 빔의 일부를 효과적으로 차단하고 박스 형상의 조명 단면을 갖는 조명 빔(114)을 생성한다.
빔 성형 슬릿(113)의 슬릿은, 산란을 최소화하고 입사 방사선을 효과적으로 차단하는 재료로 구성된다. 예시적인 재료는, 게르마늄, 갈륨 비화물(Gallium Arsenide), 인듐 인화물(Indium Phosphide), 등등과 같은 단결정 재료를 포함한다. 통상적으로, 슬릿 재료는, 구조적 경계를 가로지르는 산란을 최소화하기 위해, 톱질되기 보다는, 결정학적 방향(crystallographic direction)을 따라 쪼개진다. 또한, 슬릿은, 유입하는 방사선과 슬릿 재료의 내부 구조물 사이의 상호 작용이 최소량의 산란을 생성하도록, 유입하는 빔과 관련하여 배향된다. 결정은, 슬릿의 한쪽 면 상에서의 x 선 빔의 완전한 차단을 위해, 고밀도 재료(예를 들면, 텅스텐)로 만들어진 각각의 슬릿 홀더에 부착된다.
추가적인 양태에서, 본원에서 설명되는 WR-SXR 계측 시스템은 조명 빔 에너지를 제어하기 위해 하나 이상의 메커니즘을 활용한다. 일반적으로, 조명 빔 에너지는 측정 하에 있는 특정한 샘플에 대해 적절한 X 선 침투를 보장하도록 선택된다. 몇몇 예에서, 표면에 더 가까운 파라미터를 측정하기 위해 더 작은 침투를 갖는 빔 에너지가 선택된다. 이들 예에서, 조명 빔 에너지는 구조물 깊숙이 침투하지 않고 표면 상의 구조물만을 조사한다. 몇몇 예에서, 더 큰 침투를 갖는 빔 에너지는 측정 하에 있는 구조물 안으로 더 깊은 파라미터를 측정하기 위해 선택된다. 몇몇 예에서, 낮은 침투 및 높은 침투를 갖는 에너지의 조합은, 표면 구조물 파라미터를, 매립된 구조물 파라미터와 구별하도록 선택된다.
몇몇 실시형태에서, 조명 빔 에너지는 광범위한 에너지에 걸쳐 튜닝 가능한 조명 소스(110)를 사용하여 선택된다. 이들 실시형태에서, 조명 소스 그 자체는 원하는 범위(들)의 조명 에너지를 방출한다. 몇몇 실시형태에서, 조명 소스(110)는 하나 이상의 선택된 스펙트럼 영역에서 플럭스를 최대화하기 위해 컴퓨팅 시스템(130)에 의해 제어되는 LPP 광원이다. 타겟 재료에서의 레이저 피크 강도는 플라즈마 온도를 제어하고 따라서 방출된 방사선의 스펙트럼 영역을 제어한다. 레이저 피크 강도는 펄스 에너지, 펄스 폭, 또는 둘 모두를 조정하는 것에 의해 변경된다. 하나의 예에서, 100 피코초 펄스 폭은 SXR 방사선을 생성하는 데 적합하다. 도 1에서 묘사되는 바와 같이, 컴퓨팅 시스템(130)은, 조명 소스(110)로 하여금 조명 소스(110)로부터 방출되는 파장의 스펙트럼 범위를 조정하게 하는 커맨드 신호(136)를 조명 소스(110)로 전달한다. 하나의 예에서, 조명 소스(110)는 LPP 광원이고, LPP 광원은, LPP 광원으로부터 방출되는 파장의 원하는 스펙트럼 범위를 실현하기 위해, 펄스 지속 기간, 펄스 주파수, 및 타겟 재료 조성 중 임의의 것을 조정한다.
몇몇 다른 실시형태에서, 조명 빔 에너지는 조명 소스와 측정 하에 있는 시료 사이의 광학 경로에서 하나 이상의 광학 엘리먼트에 의해 선택된다. 몇몇 실시형태에서, 포커싱 광학기기(111)는 원하는 빔 에너지 범위(들)의 조명 빔을 측정 하에 있는 시료 상으로 포커싱하도록 선택된다. 몇몇 실시형태에서, 빔 에너지 필터(150)(도 7에서 묘사됨)는 조명 소스와 측정 하에 있는 시료 사이의 광학 경로에 위치된다. 빔 에너지 필터는 원하는 빔 에너지 범위(들)를 측정 하에 있는 시료 상으로 투과시키고, 원하는 빔 에너지 범위(들) 밖의 빔 에너지를 흡수한다.
도 8은 하나의 예에서 빔 에너지 필터(150)를 통과하는 조명 빔(114)의 예시를 묘사한다. 도 8에서 묘사되는 바와 같이, 입사 조명 빔(114)의 파장 스펙트럼(152)은 다수의 파장 피크를 포함한다. 그러나, 빔 에너지 필터(150)를 통과한 이후, 투과된 조명 빔(114)의 파장 스펙트럼(153)은 네 개의 개별 파장 피크를 포함한다.
도 9는 Kapton 기판 상에 퇴적되는 대략 0.2 마이크로미터 두께의 붕소 및 주석 층으로부터 제조되는 빔 에너지 필터(150)의 투과 곡선(156)을 예시하는 플롯(155)을 묘사한다. 도 9에서 묘사되는 바와 같이, 그러한 빔 에너지 필터는 대략 140 eV로부터 190 eV까지의 범위 내의 빔 에너지를 투과시키고, 이 대역 밖의 빔 에너지를 거부한다.
추가적인 양태에서, WR-SXR 계측 시스템의 입사 조명 빔은 입사 조명 빔을 가로질러 하나의 방향으로 상대적으로 높은 발산을 가지도록 그리고 입사 조명 빔을 가로지르는, 제1 방향에 직교하는 제2 방향으로 상대적으로 낮은 발산을 가지도록 제어된다. 이러한 방식으로, 높은 발산의 방향으로 검출기의 활성 표면을 가로지르는 공간적 확산은, 낮은 발산의 방향으로 검출기의 활성 표면을 가로지르는 공간적 확산에 직교한다. 높은 발산 방향으로 검출기의 활성 표면을 가로지르는 공간적 확산은, 상대적으로 높은 발산에 기인하는 입사각에 의해 지배된다. 반면, 낮은 발산 방향으로 검출기의 활성 표면을 가로지르는 공간적 확산은 상기에서 설명되는 바와 같은 각각의 회절 차수 내의 파장 분산에 의해 지배된다. 이러한 방식으로, 각각의 넌제로 회절 차수는, (낮은 발산 방향으로의) 스펙트럼 반사율 및 (높은 발산의 방향으로의) 각도 반사율에 기인하여 측정 하에 있는 구조물에 대한 신호 정보를 포함한다.
몇몇 실시형태에서, WR-SXR 시스템의 포커싱 광학기기는, 입사 조명 빔을 가로지르는 하나의 방향으로 적어도 다섯 배의 축소(즉, 0.2 이하의 배율)로 그리고 제1 방향에 직교하는 입사 조명 빔을 가로지르는 제2 방향으로 배율 없이, 측정 하에 있는 시료 상으로 조명 소스의 이미지를 투사한다. 몇몇 실시형태에서, 본원에서 설명되는 바와 같은 WR-SXR 시스템은 조명 빔을 가로지르는 임의의 방향으로 낮은 출력 발산(예를 들면, 대략 1 밀리라디안 이하)을 갖는 20 마이크로미터 이하의 횡방향 치수에 의해 특성화되는 소스 영역을 갖는 SXR 조명 소스를 활용한다(즉, 소스 사이즈는 20 마이크로미터 이하임). 몇몇 실시형태에서, 포커싱 광학기기는 빔을 가로지르는 제1 방향으로 적어도 5의 축소율(demagnification factor)로 그리고 입사 조명 빔을 가로지르는 제1 방향에 직교하는 제2 방향으로 배율 없이 활용된다(즉, 소스 사이즈보다 5 배 더 작은 소스의 이미지를 웨이퍼 상으로 투사함). 이 예에서, 입사 조명 빔은 제2 방향으로 20 마이크로미터 이하의 그리고 제1 방향으로 4 마이크로미터 이하의 입사 조명 스팟 사이즈로 시료 상으로 투사된다. 또한, 입사 조명 빔은 제2 방향으로 1 밀리라디안 이하 그리고 제1 방향으로 5 밀리라디안 이하의 입사 조명 빔 발산으로 시료 상으로 투사된다.
도 10은 다른 실시형태에서의 WR-SXR 계측 도구(300)의 실시형태를 예시한다. 도 10에서 묘사되는 유사한 번호의 엘리먼트는 도 1 및 도 7을 참조하여 설명되는 것들과 유사하다. 도 10에서 묘사되는 바와 같이, 포커싱 광학기기(111)는 일차원에서 곡률을 갖는 타원형 광학 엘리먼트이다. 포커싱 광학기기(111)는, 조명 소스(110)와 포커싱 광학기기(111) 사이의 거리(A)가 포커싱 광학기기(111)와 시료(101) 사이의 거리(B)보다 상당히 더 크도록, 조명 소스(110) 및 시료(101)에 대해 배열된다. 몇몇 실시형태에서, A/B의 비율은 적어도 5이다. 몇몇 실시형태에서, A/B의 비율은 적어도 10이다. 이것은 A/B 배만큼의 시료(101) 상으로의 조명 소스의 축소로 귀결된다. 하나의 실시형태에서, 조명 소스(110)의 사이즈는 대략 10 마이크로미터이고 포커싱 광학기기(111)는 A/B가 10이 되도록 배열된다. 조명 소스(110)에 의해 출력되는 조명 빔의 빔 발산은 조명 빔을 가로지르는 임의의 방향으로 대략 0.5 밀리라디안이다. 이 실시형태에서, 시료(101) 상으로 투사되는 조명 스팟 사이즈는, 축소를 겪은 빔을 가로지르는 방향으로 대략 1 마이크로미터이고, 축소를 겪지 않은 제1 방향에 직교하며 빔을 가로지르는 제2 방향으로 대략 10 마이크로미터이다. 또한, 입사 조명 빔은 제2 방향으로 대략 0.5 밀리라디안 그리고 제1 방향으로 5 밀리라디안의 입사 조명 빔 발산으로 시료 상으로 투사된다.
도 11은 단일 파장 조명 광에 대해 도 10에서 묘사되는 조명 조건 하에서 측정되는 바와 같은 검출기(119)의 활성 표면에 입사하는 산란된 방사선(118)의 예시(141)를 묘사한다. 더 구체적으로, 도 11은, 0차 반사 빔(118A), -1 회절 차수에 대응하는 회절된 방사선(118C), -2 회절 차수에 대응하는 회절된 방사선(118E), -3 회절 차수에 대응하는 회절된 방사선(118G), 및 -4 회절 차수에 대응하는 회절된 방사선(118I)을 묘사한다. 도 11에서 묘사되는 바와 같이, 조명 빔에서 존재하는 단일의 파장은 주기적 타겟(102)으로부터 회절 차수 각각으로 회절된다. 조명 광이 단지 하나의 파장만을 포함하고 이 방향으로의 빔 발산이 상대적으로 낮기 때문에(예를 들면, 0.5 밀리라디안), 넌제로 회절 차수에서 파장 방향으로의 공간적 확산은 거의 없다. 그러나, 파장 방향에 직교하는 방향으로는, 이 방향으로의 빔 발산이 상대적으로 높기 때문에(예를 들면, 5 밀리라디안), 모든 회절 차수에서 각도 범위에 걸쳐 상당한 공간적 확산이 있다.
도 12는 광대역 조명 광에 대해 도 10에서 묘사되는 조명 조건 하에서 측정되는 바와 같은 검출기(119)의 활성 표면에 입사하는 산란된 방사선(118)의 예시(142)를 묘사한다. 더 구체적으로, 도 12는, 0차 반사 빔(118A), -1 회절 차수에 대응하는 회절된 방사선(118C), -2 회절 차수에 대응하는 회절된 방사선(118E), -3 회절 차수에 대응하는 회절된 방사선(118G), 및 -4 회절 차수에 대응하는 회절된 방사선(118I)을 묘사한다. 도 12에서 묘사되는 바와 같이, 조명 빔에서 존재하는 상이한 파장은 넌제로 회절 차수 각각 내에서 상이한 각도에서 주기적 타겟(102)으로부터 회절된다. 따라서, 조명 빔(114)에 존재하는 파장 범위(λRANGE)는 넌제로 회절 차수 각각에 대해 y 방향으로 공간적으로 확산된다. 조명 광이 다수의 상이한 파장을 포함하기 때문에, 넌제로 회절 차수에서 파장 방향으로 상당한 공간적 확산이 있다. 더구나, 이 방향으로의 빔 발산은 상대적으로 낮고(예를 들면, 0.5 밀리라디안), 그러므로, y 방향에 존재하는 파장 정보는 각도 정보에 의해 크게 오염되지 않는다. 그러나, 파장 방향에 직교하는 x 방향으로는, 이 방향으로의 빔 발산이 상대적으로 높기 때문에(예를 들면, 5 밀리라디안), 모든 회절 차수에서 각도 범위에 걸쳐 상당한 공간적 확산이 있다. 따라서, 다수의 파장에서 그리고 하나의 방향으로 빔을 가로질러 상대적으로 높은 빔 발산으로 그리고 제1 방향에 직교하는 제2 방향으로 빔을 가로질러 상대적으로 낮은 빔 발산으로 수행되는 측정은, 측정 하에 있는 타겟과 관련되는 파장 및 각도 신호 정보 둘 모두를 제공한다.
미국 특허 공개 번호 제2019/0017946호는, 상대적으로 높은 발산을 갖는 입사 조명을 일반적으로 활용하는 다색 연질 x 선 반사 측정법 시스템을 설명하며, 그 전체가 참조에 의해 본원에 통합된다. 그러나, 그러한 시스템은 본원에서 설명되는 바와 같이 파장 분해된 회절 신호를 제공하지 않는다.
일반적으로, 측정 하에 있는 시료와 WR-SXR 계측 시스템의 검출기 사이의 X 선 수집 경로는, 본원의 상기에서 설명되는 바와 같은 조명 경로에서 사용되는 엘리먼트의 임의의 조합을 포함할 수도 있다.
몇몇 실시형태에서, 하나 이상의 회절 차수를 차단하는 슬릿이 활용된다. 하나의 실시형태에서, 0차 반사를 차단하기 위해 금속성 빔 스톱(metallic beam stop)이 활용된다.
몇몇 실시형태에서, 하나 이상의 회절 차수(예를 들면, 0차)와 관련되는 그러나 다른 차수와는 관련되지 않는 광의 일부를 선택적으로 감쇠시키기 위해, 수집 경로에서 공간 감쇠기(spatial attenuator)가 위치된다. 이러한 방식으로, 모든 차수는 검출기에 대한 동일한 다이나믹 레인지에서 동시에 측정된다.
일반적으로, 조명 경로, 수집 경로, 또는 둘 모두에 위치되는 앞서 언급된 광학 엘리먼트는, 각각의 측정에 대한 타겟 사이즈, 광자 플럭스, 빔 형상의 독립적인 제어를 가능하게 한다.
또 다른 추가적인 양태에서, 측정된 재료 사이의 콘트라스트를 증가시키기 위해, 하나 이상의 액체 재료 또는 하나 이상의 기체 재료를 측정 하에 있는 타겟 상으로 흐르게 하는 것에 의해 측정 성능이 개선된다. 이들 기술의 추가적인 설명은, 미국 특허 번호 제10,281,263호, 제10,041,873호, 및 제10,145,674호에서 제공되는데, 각각의 내용은 참조에 의해 그들 전체가 본원에 통합된다. 몇몇 실시형태에서, 증기 주입 시스템(vapor injection system)은 구조물의 조명 동안 측정 하에 있는 구조물에 기상(vapor phase)의 충전 재료를 포함하는 기체 흐름을 제공한다. 충전 재료의 일부는 액상(liquid phase)으로 구조물 상으로 응축된다. 충전 재료의 일부는 구조물의 하나 이상의 기하학적 형상 피쳐 사이의 공간의 적어도 일부를 충전한다.
일반적으로, 본원에서 설명되는 시스템 및 방법에 따른 측정 하에 있는 타겟은, 반도체 제조 프로세스의 임의의 단계에서의 임의의 주기적 또는 반 주기적 구조물을 포함한다.
몇몇 실시형태에서, 본원에서 설명되는 바와 같은 WR-SXR 계측 시스템은 주기적 계측 타겟을 측정하기 위해 활용된다. 예를 들면, 도 16a는 피치(P)를 갖는 주기적 격자 구조물을 갖는 계측 타겟(160)을 묘사한다. 그러나, 다른 양태에서, 본원에서 설명되는 바와 같은 WR-SXR 계측 시스템은, 주기성 및 비주기성 둘 모두를 나타내는 데시메이팅된 계측 타겟을 측정하기 위해 활용된다. 데시메이팅된 계측 타겟은, 명목상(nominally) 주기적인 단위 셀의 어레이를 포함하는 계측 타겟이며, 명목상 주기적인 어레이의 하나 이상의 셀은 어레이 내의 프로그래밍된 위치 또는 랜덤 위치에서 삭제되거나, 변위되거나, 또는 구조적으로 수정된다. 예를 들면, 도 16b는 피치(P)의 명목상 주기적 격자 구조물을 갖는 계측 타겟(161)을 묘사한다. 그러나, 추가로, 격자 구조물의 특정한 핀(fin)은 계측 타겟(161)에서 존재하지 않는다. 결과적으로, 측정 하에 있는 계측 타겟(161)으로부터의 산란의 각도 분포는, 국소화된 회절 피크로 이어지는 주기적 속성, 및 확산 산란으로도 또한 공지되어 있는 비주기적 거동 둘 모두를 나타낸다.
일반적으로, Bragg(브래그) 피크 사이의 확산 산란의 분포는 명목상 주기적인 단위 셀 어레이의 엘리먼트를 랜덤 또는 프로그래밍된 방식으로 삭제하는 것에 의해 증가된다. 확산 강도 각도 분포는 구조물 계수 제곱에 비례한다. 데시메이팅된 계측 타겟이 활용되는 경우, 브래그 피크 강도는 감소되지만, 그러나 산란된 광이 더 많은 픽셀에 걸쳐 확산되기 때문에 더 많은 픽셀에 넌제로 정보 콘텐츠를 포함한다. 모델 기반 측정이 모든 픽셀로부터의 정보를 사용할 수 있기 때문에, 측정의 정보 콘텐츠에서의 전반적인 증가는 측정 정밀도와 정확도를 개선한다. 일반적으로, 브래그 피크 강도는 삭제된 셀의 비율이 증가함에 따라 감소한다. 계측 타겟의 원하는 데시메이션은 전체 측정 정보 콘텐츠를 최대화한다. 몇몇 예에서, 데시메이팅된 계측 타겟은, 브래그 피크 위치의 큰 서브세트(예를 들면, 50 % 듀티 사이클의 구형파(square wave))에서 계측 타겟의 구조물 계수가 제로인 경우에 발생하는 모호성을 해결한다. WR-SXR 계측 시스템은, 순차적인 단일 파장 동작 모드에서 또는 동시적인 다중 파장 동작 모드에서, 데시메이팅된 계측 타겟을 측정하기 위해 활용될 수도 있다.
몇몇 실시형태에서, 계측 타겟은 신호 정보를 최대화하도록 그리고 따라서 획득 시간을 최소화하도록 선택되는 일반적 또는 특정한 비주기성을 포함한다. 로직 표준 셀 어레이에 대한 설계 규칙은, 고정된 그리드 상에서 기본 엘리먼트(primitive element)를 배치하고 좁은 범위 내에서 패턴 밀도 변동을 제어한다. 로직 구조물의 계측은, 로컬 영역에서 평균 피쳐 사이즈 및 분리에 대한 고정밀 추정치를 달성하는 것에 집중된다. 점유 및 주기성은 리소그래피 프로세스에서 이들 양태가 잘 제어되기 때문에 중요하지 않다. 로직 구조물에 대한 계측 타겟은 원하는 피쳐 파라미터 세트와 관련하여 높은 정보 콘텐츠를 포함하는 각도 영역에서 산란 플럭스가 증가하도록 강도의 분포를 최적화한다. 하나의 예에서, 계측 타겟은 중앙 영역에 의한 회절의 정보 콘텐츠를 향상시키기 위한 경계 영역을 포함한다.
다른 추가적인 양태에서, WR-SXR 계측 시스템은 다수의 검출기를 활용한다. 몇몇 실시형태에서, 하나 이상의 회절 차수는 제1 검출기에 의해 수집되고, 다른 회절 차수는 다른 검출기에 의해 수집된다.
도 14는 다른 실시형태에서의 WR-SXR 계측 시스템(400)을 묘사한다. 도 14에서 묘사되는 바와 같이, 검출기(170)의 활성 표면은 넌제로 회절 차수의 광학 경로에 위치되고, 검출기(171)의 활성 표면은 제로 회절 차수의 광학 경로에 위치된다. 도 14에서 묘사되는 실시형태에서, 검출기(170)는, 투명한 또는 반투명한 어퍼쳐 또는 0차 회절 차수를 검출기(171)로 전달하는 공극(void)을 포함한다. 도 14에서 묘사되는 바와 같이, 검출기(170)에 의해 생성되는 검출된 신호(172) 및 검출기(171)에 의해 생성되는 검출된 신호(173)는 컴퓨팅 시스템(130)으로 전달된다.
몇몇 실시형태에서, 검출기(170)는 X 선 파장을 측정하도록 구성되고, 검출기(171)는 X 선 파장, 자외선 파장, 가시광선 파장, 적외선 파장, 또는 이들의 임의의 조합을 측정하도록 구성된다. 도 14에서 묘사되는 실시형태에서, 검출기(171)는 진공 챔버(123) 내에 위치된다. 이 실시형태는 연질 x 선을 포함하는 검출기(171)에 의한 방사선의 검출을 수반하는 측정 구성에 대해 적합하다. 그러나, 몇몇 다른 실시형태에서, 검출기(171)는 진공 챔버(123) 외부에 위치된다. 이들 실시형태는 연질 x 선(예를 들면, 자외선, 가시광선, 적외선, 등등과 같은 더 긴 파장)을 포함하지 않는 방사선의 검출기(171)에 의한 검출을 수반하는 측정 구성에 대해 적합하다.
추가적인 양태에서, WR-SXR 계측 시스템의 검출기의 위치는 측정 하에 있는 타겟에 의해 반사되는 방사선을 캡쳐하도록 능동적으로 제어된다. 몇몇 실시형태에서, 컴퓨팅 시스템(130)은, 검출기(119)의 활성 표면으로 하여금 수집된 광에 대해 기울어지게 또는 병진되게 하는 검출기(119)에 커플링되는 액추에이터(도시되지 않음)에 제어 커맨드(도시되지 않음)를 전달한다.
몇몇 실시형태에서, WR-SXR은, 조명 파장(들)이 측정된 구조물의 주기보다 더 짧기 때문에, 설계 규칙 타겟에 대한 측정을 가능하게 한다. 이것은, 측정이 설계 규칙 목표보다 더 크게 수행되는 현존하는 기술에 비해 상당한 이점을 제공한다. WR-SXR 파장의 사용은 프로세스 설계 규칙에서 타겟 설계를 허용한다, 즉, "넌제로 오프셋"이 없다.
WR-SXR 측정을 위한 계측 타겟은 1 차원의 주기적 어레이 또는 2 차원의 주기적 어레이를 포함할 수도 있다. WR-SXR에 의해 측정되는 주목하는 파라미터는, 샘플에 대한 치수 정보(예를 들면, 층 두께, 격자 높이, 임계 치수, 측벽 각도, 오버레이, 에칭 배치 에러) 및 재료 정보(예를 들면, 재료 조성)를 포함하지만 그러나 이들로 제한되지는 않는다.
몇몇 실시형태에서, 조명 소스(110)는 10 마이크로미터 이하의 소스 사이즈를 갖는 LPP 광원이고, 포커싱 광학기기(111)는 대략 10의 축소율을 갖는다. 이것은 WR-SXR 계측 도구(300)가 1 내지 2 마이크로미터의 치수를 갖는 계측 타겟 상으로 조명 광을 포커싱하는 것을 가능하게 한다. 입사 조명 광을 1 내지 2 마이크로미터의 조명 스팟 사이즈로 포커싱하는 것에 의해, WR-SXR 계측 도구(300)는, 웨이퍼 스크라이브 라인 영역에 위치되는 더 큰 계측 타겟에 의존하기 보다는, 다이 내에 위치되는 임계 치수 타겟 및 오버레이 타겟의 측정을 가능하게 한다.
1 내지 2 마이크로미터의 치수를 갖는 타겟을 측정하는 능력은 특수화된 계측 타겟에 전념되는 웨이퍼 면적을 감소시킨다. 또한, 1 내지 2 마이크로미터의 치수를 갖는 타겟을 측정하는 능력은, 특수화된 계측 타겟보다는, 디바이스 구조물의 직접적인 측정을 가능하게 한다. 측정 디바이스 구조물은 타겟 대 디바이스 바이어스를 직접적으로 제거한다. 이것은 측정 품질을 크게 개선한다. 또한, 다이 내 타겟의 측정은 다이 내부의 파라미터 변동의 특성화를 가능하게 한다. 예시적인 주목하는 파라미터는, 임계 치수, 오버레이, 및 에지 배치 에러, 예컨대 단부 라인 짧아짐(end line shortening), 라인 대 콘택 거리, 등등을 포함한다.
몇몇 실시형태에서, x 선 조명 소스(110), 포커싱 광학기기(111), 슬릿(112 및 113), 또는 이들의 임의의 조합은, 시료(101)과 동일한 대기 환경(예를 들면, 가스 퍼지 환경(gas purge environment))에서 유지된다. 그러나, 몇몇 실시형태에서, 이들 엘리먼트 중 임의의 것 사이의 그리고 그 임의의 것 내의 광학 경로 길이는 길고 공기 중에서의 x 선 산란 및 흡수는 검출기 상의 이미지에 노이즈 및 신호 감쇠를 제공한다. 따라서, 몇몇 실시형태에서, x 선 조명 소스(110), 포커싱 광학기기(111), 및 슬릿(112 및 113) 중 임의의 것은, 국소화된 진공 환경(vacuum window)에서 유지된다. 도 7에서 묘사되는 실시형태에서, 조명 소스(110), 포커싱 광학기기(111), 및 슬릿(112 및 113)은 배기된 비행 튜브(evacuated flight tube; 117) 내의 제어된 환경(예를 들면, 진공)에서 유지된다. 조명 빔(114)은 시료(101)에 입사하기 이전에 비행 튜브(117)의 단부에서 윈도우(120)를 통과한다.
유사하게, 몇몇 실시형태에서, 시료(101)와 검출기(119) 사이의 광학 경로 길이(즉, 수집 빔 경로)는 길고 공기 중의 x 선 산란 및 흡수가 검출기 상의 이미지에 대한 노이즈 및 감쇠에 기여한다. 그러므로, 바람직한 실시형태에서, 시료(101)와 검출기(119) 사이의 수집 빔 경로 길이의 상당 부분은 진공 윈도우(예를 들면, 진공 윈도우(124))에 의해 시료(예를 들면, 시료(101))와는 분리되는 국소적 진공 환경에서 유지된다. 몇몇 실시형태에서, x 선 검출기(119)는 시료(101)와 검출기(119) 사이의 빔 경로 길이와 동일한 국소적 진공 환경에서 유지된다. 예를 들면, 도 7에서 묘사되는 바와 같이, 진공 챔버(123)는 검출기(119) 및 시료(101)와 검출기(119) 사이의 빔 경로 길이의 상당 부분을 둘러싸는 국소적 진공 환경을 유지한다.
몇몇 다른 실시형태에서, x 선 검출기(119)는 시료(101)와 동일한 대기 환경(예를 들면, 가스 퍼지 환경(gas purge environment))에서 유지된다. 이것은 검출기(119)로부터 열을 제거하는 데 유리할 수도 있다. 그러나, 이들 실시형태에서, 진공 챔버 내의 국소적 진공 환경에서 시료(101)와 검출기(119) 사이의 빔 경로 길이의 상당 부분을 유지하는 것이 바람직하다.
몇몇 실시형태에서, 시료(101)를 비롯한 전체 광학 시스템은 진공으로 유지된다. 그러나, 일반적으로, 시료(101)를 진공에서 유지하는 것과 관련되는 비용은, 시료 위치 결정 시스템(140)의 구성과 관련되는 복잡성에 기인하여 높다.
다른 추가적인 양태에서, 컴퓨팅 시스템(130)은 시료의 측정된 구조물의 구조적 모델(예를 들면, 기하학적 형상 모델(geometric model), 재료 모델, 또는 결합된 기하학적 형상 및 재료 모델)을 생성하도록, 구조적 모델로부터의 적어도 하나의 기하학적 형상 파라미터를 포함하는 WR-SXR 응답 모델을 생성하도록, 그리고 WR-SXR 응답 모델을 사용한 WR-SXR 측정 데이터의 피팅 분석을 수행하는 것에 의해 적어도 하나의 시료 파라미터 값을 결정하도록 구성된다. 분석 엔진은, 시뮬레이팅된 WR-SXR 신호를 측정된 데이터와 비교하고 그에 의해 기하학적 형상 속성뿐만 아니라 샘플의 전자 밀도와 같은 재료 속성의 결정을 허용하기 위해 사용된다. 도 1에서 묘사되는 실시형태에서, 컴퓨팅 시스템(130)은, 본원에서 설명되는 바와 같은 모델 구축 및 분석 기능성(functionality)을 구현하도록 구성되는 모델 구축 및 분석 엔진으로서 구성된다.
도 15는 컴퓨팅 시스템(130)에 의해 구현되는 예시적인 모델 구축 및 분석 엔진(180)을 나타내는 다이어그램이다. 도 15에서 묘사되는 바와 같이, 모델 구축 및 분석 엔진(180)은, 시료의 측정된 구조물의 구조적 모델(182)을 생성하는 구조적 모델 구축 모듈(structural model building module)(181)을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 구조적 모델(182)은 또한 시료의 재료 속성을 포함한다. 구조적 모델(182)은 WR-SXR 응답 함수 구축 모듈(183)에 대한 입력으로서 수신된다. WR-SXR 응답 함수 구축 모듈(183)은 구조 모델(182)에 적어도 부분적으로 기초하여 WR-SXR 응답 함수 모델(184)을 생성한다. 피팅 분석 모듈(185)은 모델링된 WR-SXR 응답을 대응하는 측정된 데이터와 비교하여, 시료의 기하학적 형상의 속성뿐만 아니라 재료 속성을 결정한다.
몇몇 예에서, 실험 데이터에 대한 모델링된 데이터의 피팅은 카이 제곱 값(chi-squared value)을 최소화하는 것에 의해 달성된다. 예를 들면, WR-SXR 측정의 경우, 카이 제곱 값은 다음과 같이 정의될 수 있다.
Figure 112022031394918-pct00004
여기서, 는 "채널" j에서의 측정된 WR-SXR 신호(126)이고, 여기서 인덱스 j는 회절 차수, 에너지, 각도 좌표, 등등과 같은 시스템 파라미터의 세트를 설명한다.
Figure 112022031394918-pct00006
은, 구조물(타겟) 파라미터(v1, ..., vL)의 세트에 대해 평가되는, "채널" j에 대한 모델링된 WR-SXR 신호(Sj)인데, 여기서, 이들 파라미터는 기하학적 형상 피쳐(CD, 측벽 각도, 오버레이, 등등) 및 재료 피쳐(전자 밀도, 등등)를 설명한다. 는 j 번째 채널과 관련되는 불확실성이다. NSXR은 x 선 계측에서의 채널의 총 수이다. L은 계측 타겟을 특성화하는 파라미터의 수이다.
수학식 (2)는 상이한 채널과 관련되는 불확실성이 상관되지 않는다는 것을 가정한다. 상이한 채널과 관련되는 불확실성이 상관되는 예에서, 불확실성 사이의 공분산이 계산될 수 있다. 이들 예에서, WR-SXR 측정을 위한 카이 제곱 값은 다음과 같이 표현될 수 있는데
Figure 112022031394918-pct00008
여기서, VSXR은 WR-SXR 채널 불확실성의 공분산 매트릭스이고 T는 전치(transpose)를 나타낸다.
몇몇 예에서, 피팅 분석 모듈(185)은 WR-SXR 응답 모델(184)을 사용한 WR-SXR 측정 데이터(135)에 대해 피팅 분석(fitting analysis)을 수행하는 것에 의해 적어도 하나의 시료 파라미터 값을 분해한다. 몇몇 예에서, 가 최적화된다.
본원의 상기에서 설명되는 바와 같이, WR-SXR 데이터의 피팅은 카이 제곱 값의 최소화에 의해 달성된다. 그러나, 일반적으로, WR-SXR 데이터의 피팅은 다른 함수에 의해 달성될 수도 있다.
다른 추가적인 양태에서, 컴퓨팅 시스템(130)은, WR-SXR 측정 데이터를, 측정 하에 있는 구조물을 특성화하는 하나 이상의 주목하는 파라미터(예를 들면, 측정 하에 있는 구조물을 설명하는 기하학적 형상 파라미터)의 값으로 매핑하는 입력-출력 모델(예를 들면, 신경망 모델, 신호 응답 계측 모델, 등등)을 트레이닝시키도록 구성된다. 더구나, 컴퓨팅 시스템(130)은 WR-SXR 측정 데이터에 기초하여 주목하는 파라미터의 값을 추정하기 위해 입력-출력 모델을 활용하도록 구성된다.
WR-SXR 데이터는, 다음의 것을 포함하는 다수의 데이터 적합 및 최적화 기술 및 기법에 의해 분석될 수 있다: 라이브러리, 빠른 축소 차수 모델(fast-reduced-order models); 회귀; 신경망 및 서포트 벡터 머신(support-vector machine; SVM)과 같은 머신 러닝 알고리즘, 차원 축소 알고리즘, 예를 들면, PCA(principal component analysis; 주 성분 분석), ICA(principal component analysis; 독립 성분 분석), 및 LLE(local-linear embedding; 로컬 선형 임베딩), 푸리에(Fourier) 또는 웨이브릿(wavelet) 변환과 같은 희소 표현(sparse representation), 칼만(Kalman) 필터; 동일한 또는 상이한 도구 타입으로부터의 매칭을 촉진하기 위한 알고리즘, 및 기타.
WR-SXR 데이터는 또한, 모델링, 최적화, 및/또는 피팅을 포함하지 않는 알고리즘, 예를 들면, 각각의 내용이 참조에 의해 그들 전체가 본원에 통합되는, Bringoltz 등등에 의한 미국 특허 공개 번호 제2015/0204664호 및 미국 특허 공개 번호 제2016/0216197호에 의해 분석될 수 있다.
WR-SXR 계측 데이터의 분석은, 주목하는 기하학적 형상 파라미터 및/또는 재료 파라미터에 대한 감도를 제공하는 임의의 타입의 WR-SXR 기술에 대해 유리하다. 시료 파라미터는, 시료와의 WR-SXR 빔 상호 작용을 설명하는 적절한 모델이 사용되는 한, 결정론적일 수 있거나(예를 들면, CD, SWA, 등등) 또는 통계적일 수 있다(예를 들면, 측벽 조도의 rms 높이, 조도 상관 길이, 등등).
일반적으로, 컴퓨팅 시스템(130)은, 실시간 임계 치수 기입(Real Time Critical Dimensioning; RTCD)을 활용하여 실시간으로 모델 파라미터에 액세스하도록 구성되거나, 또는 그것은 시료(101)와 관련되는 적어도 하나의 시료 파라미터 값의 값을 결정하기 위해 사전 계산된 모델의 라이브러리에 액세스할 수도 있다. 일반적으로, CD 엔진의 몇몇 형태는, 시료의 할당된 CD 파라미터와 측정된 시료와 관련되는 CD 파라미터 사이의 차이를 평가하기 위해 사용될 수도 있다. 시료 파라미터 값을 계산하기 위한 예시적인 방법 및 시스템은, KLA-Tencor Corp.에게 2010년 11월 2일자로 발행된 미국 특허 제7,826,071호에서 설명되는데, 이 특허의 전체 내용은 참조에 의해 본원에 통합된다.
몇몇 예에서, 모델 구축 및 분석 엔진(180)은, 피드 사이드웨이 분석(feed sideways analysis), 피드 포워드 분석(feed forward analysis), 및 병렬 분석의 임의의 조합에 의해, 측정된 파라미터의 정확도를 개선한다. 피드 사이드웨이 분석은, 동일한 시료의 상이한 영역 상에서 다수의 데이터 세트를 취하고 제1 데이터세트로부터 결정되는 공통 파라미터를 분석을 위해 제2 데이터세트 상으로 전달하는 것을 가리킨다. 피드 포워드 분석은, 상이한 시료 상에서 데이터 세트를 취하고 공통 파라미터를 단계별 사본의 정확한 파라미터 피드 포워드 접근법(a stepwise copy exact parameter feed forward approach)을 사용하여 후속하는 분석으로 순방향으로 전달하는 것을 의미한다. 병렬 분석은, 피팅 동안 적어도 하나의 공통 파라미터가 커플링되는 다수의 데이터세트에 대한 비선형 피팅 방법론의 병렬 또는 동시 적용을 가리킨다.
다수의 도구 및 구조물 분석은, 회귀 분석, 룩업 테이블(즉, "라이브러리" 매칭), 또는 다수의 데이터세트의 다른 피팅 프로시져에 기초한 피드 포워드, 피드 사이드웨이, 또는 병렬 분석을 가리킨다. 다수의 도구 및 구조물 분석을 위한 예시적인 방법 및 시스템은, KLA-Tencor Corp.에게 2009년 1월 13일에 발행된 미국 특허 제7,478,019호에서 설명되는데, 이 미국 특허의 전체 내용은 참조에 의해 본원에 통합된다.
다른 추가적인 양태에서, 주목하는 하나 이상의 파라미터의 값의 초기 추정치는, 측정 타겟에 대한 입사 x 선 빔의 단일의 방위에서 수행되는 WR-SXR 측정에 기초하여 결정된다. 초기의 추정된 값은, 다수의 방위에서 WR-SXR 측정으로부터 수집되는 측정 데이터를 사용한 측정 모델의 회귀에 대한 주목하는 파라미터의 시작 값으로 구현된다. 이러한 방식으로, 주목하는 파라미터의 가까운 추정치가 상대적으로 적은 양의 계산 노력으로 결정되고, 이 가까운 추정치를 훨씬 더 큰 데이터 세트에 걸친 회귀에 대한 시작점으로서 구현하는 것에 의해, 더 적은 전체적인 계산 노력으로, 주목하는 파라미터의 개선된 추정치가 획득된다.
다른 양태에서, 계측 도구(100)는 본원에서 설명되는 바와 같이 빔 제어 기능성을 구현하도록 구성되는 컴퓨팅 시스템(예를 들면, 컴퓨팅 시스템(130))을 포함한다. 도 7에서 묘사되는 실시형태에서, 컴퓨팅 시스템(130)은, 입사 조명 빔(114)의 강도, 발산, 스팟 사이즈, 편광, 스펙트럼, 및 위치 결정과 같은 조명 속성 중 임의의 것을 제어하도록 동작 가능한 빔 컨트롤러로서 구성된다.
도 7에서 예시되는 바와 같이, 컴퓨팅 시스템(130)은 검출기(119)에 통신 가능하게 커플링된다. 컴퓨팅 시스템(130)은 검출기(119)로부터 측정 데이터(135)를 수신하도록 구성된다. 하나의 예에서, 측정 데이터(135)는 시료의 측정된 응답의 지시(indication)(즉, 회절 차수의 강도)를 포함한다. 검출기(119)의 표면 상에서의 측정된 응답의 분포에 기초하여, 시료(101) 상에서의 조명 빔(114)의 입사의 위치 및 면적은 컴퓨팅 시스템(130)에 의해 결정된다. 하나의 예에서, 측정 데이터(135)에 기초하여 시료(101) 상에서의 조명 빔(114)의 입사의 위치 및 면적을 결정하기 위해, 패턴 인식 기술이 컴퓨팅 시스템(130)에 의해 적용된다. 몇몇 예에서, 컴퓨팅 시스템(130)은 원하는 조명 파장을 선택하기 위해 커맨드 신호(136)를 x 선 조명 소스(110)에 전달한다. 몇몇 예에서, 컴퓨팅 시스템(130)은, 원하는 빔 방향을 달성하도록 x 선 방출을 재지향시키기 위해, 커맨드 신호(137)를 액추에이터 서브시스템(115)으로 전달한다. 몇몇 예에서, 컴퓨팅 시스템(130)은, 입사 조명 빔(114)이 원하는 빔 스팟 사이즈, 방위, 및 파장(들)으로 시료(101)에 도달하도록, 빔 성형 슬릿(112 및 113)으로 하여금 빔 스팟 사이즈를 변경하게 하고 조명 파장을 선택하게 하는 커맨드 신호(138 및 139)를 빔 성형 슬릿(112 및 113)으로 각각 전달한다. 하나의 예에서, 커맨드 신호(138 및 139)는, 입사 빔(114)을 원하는 형상 및 사이즈로 재성형하기 위해 그리고 원하는 파장을 선택하기 위해, 슬릿(112 및 113)과 관련되는 액추에이터로 하여금, 위치를 변경하게 한다. 몇몇 예에서, 컴퓨팅 시스템(130)은, 빔 에너지 필터(150)로 하여금 조명 빔(114)의 스펙트럼으로부터 소망되지 않는 파장을 필터링하게 하는 커맨드 신호(151)를 빔 에너지 필터(150)로 전달한다. 몇몇 다른 예에서, 컴퓨팅 시스템(130)은, 입사 조명 빔(114)이 시료(101)와 관련하여 원하는 위치 및 각도 방위에 도달하도록 시료(101)를 배치하고 배향하기 위한 커맨드 신호를 웨이퍼 위치 결정 시스템(140)으로 전달한다.
추가적인 양태에서, WR-SXR 측정 데이터는 검출된 회절 차수의 측정된 강도에 기초하여 측정 구조물의 이미지를 생성하기 위해 사용된다. 몇몇 실시형태에서, WR-SXR 응답 함수 모델은, 일반 전자 밀도 메쉬로부터의 산란을 설명하기 위해 일반화된다. 이 메쉬에서 모델링된 전자 밀도를 제한하여 연속성 및 희소한 에지를 강제하면서, 측정된 신호에 이 모델을 매치시키는 것은 샘플의 삼차원 이미지를 제공한다.
비록 WR-SXR 측정에 기초한 임계 치수(CD) 계측에 대해 기하학적 형상의 모델 기반 파라메트릭 반전(geometric, model-based, parametric inversion)이 바람직하지만, WR-SXR 측정 데이터는, 측정된 시료가 기하학적 형상 모델의 가정치로부터 벗어날 때 모델 에러를 식별 및 보정하는 데 유용하다.
몇몇 예에서, 이미지는 동일한 산란 측정법 측정 데이터의 기하학적 형상의 모델 기반 파라메트릭 반전에 의해 추정되는 구조적 특성에 비교된다. 불일치는, 측정된 구조물의 기하학적 형상 모델을 업데이트하기 위해 그리고 측정 성능을 개선하기 위해 사용된다. 정확한 파라메트릭 측정 모델에 수렴하는 능력은, 집적 회로의 제조 프로세스를 제어, 모니터링, 및 문제 해결하기 위해 집적 회로를 측정할 때 특히 중요하다.
몇몇 예에서, 이미지는 전자 밀도, 흡수율, 복소 굴절률, 또는 이들 재료 특성의 조합의 이차원(two dimensional; 2-D) 맵이다. 몇몇 예에서, 이미지는 전자 밀도, 흡수율, 복합 굴절률, 또는 이들 재료 특성의 조합의 삼차원(three dimensional; 3-D) 맵이다. 맵은 상대적으로 적은 물리적 제약을 사용하여 생성된다. 몇몇 예에서, 임계 치수(CD), 측벽 각도(sidewall angle; SWA), 오버레이, 에지 배치 에러, 피치 워크(pitch walk), 등등과 같은 주목하는 하나 이상의 파라미터는 결과적으로 나타나는 맵으로부터 직접적으로 추정된다. 몇몇 다른 예에서, 샘플 기하학적 형상 또는 재료가 모델 기반 CD 측정을 위해 활용되는 파라메트릭 구조적 모델에 의해 예상되는 기대 값의 범위를 벗어나는 경우, 맵은 웨이퍼 프로세스를 디버깅하는 데 유용하다. 하나의 예에서, 구조물의 측정된 파라미터에 따라 파라메트릭 구조적 모델에 의해 예측되는 구조물의 렌더링과 맵 사이의 차이는, 파라메트릭 구조적 모델을 업데이트하기 위해 그리고 그것의 측정 성능을 개선하기 위해 사용된다. 또 다른 세부 사항은 미국 특허 공개 공보 제2015/0300965호에서 설명되는데, 이 미국 특허 공개 공보의 내용은 참조에 의해 그 전체가 본원에 통합된다. 추가적인 세부 사항은 미국 특허 공보 제2015/0117610호에서 설명되는데, 이 미국 특허 공개 공보의 내용은 참조에 의해 그 전체가 본원에 통합된다.
추가적인 양태에서, 모델 구축 및 분석 엔진(180)은 결합된 x 선 및 광학 측정 분석을 위한 모델을 생성하기 위해 활용된다. 몇몇 예에서, 광학적 시뮬레이션은, 예를 들면, 광학적 신호 예컨대 상이한 편광에 대한 반사율, 타원편광 해석 파라미터(ellipsometric parameter), 상 변화, 등등을 계산하기 위해 맥스웰(Maxwell) 방정식을 풀어야 하는 엄밀한 결합파 해석(rigorous coupled-wave analysis; RCWA)에 기초한다.
주목하는 하나 이상의 주목하는 파라미터의 값은, 결합된 기하학적 형상으로(geometrically) 파라미터화된 응답 모델을 사용한, 복수의 상이한 입사각으로의 x 선 회절 차수의 검출된 강도 및 검출된 광학적 강도의 결합된 피팅 분석에 기초하여 결정된다. 광학적 강도는, 도 1에서 묘사되는 시스템(100)과 같은 x 선 계측 시스템과 기계적으로 통합될 수도 있는 또는 통합되지 않을 수도 있는 광학 계측 도구에 의해 측정된다. 또 다른 세부 사항은, 미국 특허 공개 공보 제2014/0019097호 및 미국 특허 공보 제2013/0304424호에서 설명되는데, 각각의 내용은 그들 전체가 참조에 의해 본원에 통합된다.
본 개시의 전체에 걸쳐 설명되는 다양한 단계는 단일의 컴퓨터 시스템(130), 또는, 대안적으로, 다수의 컴퓨터 시스템(130)에 의해 수행될 수도 있다는 것이 인식되어야 한다. 또한, 시료 위치 결정 시스템(140)과 같은 시스템(100)의 상이한 서브시스템은, 본원에서 설명되는 단계의 적어도 일부를 실행하기에 적합한 컴퓨터 시스템을 포함할 수도 있다. 따라서, 상기 언급된 설명은 본 발명에 대한 제한으로서 해석되어선 안되며 단지 예시로서 해석되어야 한다. 또한, 하나 이상의 컴퓨팅 시스템(130)은 본원에서 설명되는 방법 실시형태 중 임의의 실시형태의 임의의 다른 단계(들)를 수행하도록 구성될 수도 있다.
또한, 컴퓨터 시스템(130)은, x 선 조명 소스(110), 빔 성형 슬릿(112 및 113), 포커싱 광학기기 액추에이터 시스템(115), 시료 위치 결정 시스템(140), 검출기(119), 및 전자 검출기(124)에, 기술 분야에서 공지되어 있는 임의의 방식으로, 통신 가능하게 커플링될 수도 있다. 예를 들면, 하나 이상의 컴퓨팅 시스템(130)은, x 선 조명 소스(110), 빔 성형 슬릿(112 및 113), 포커싱 광학기기 액추에이터 시스템(115), 시료 위치 결정 시스템(140), 및 검출기(119)와 관련되는 컴퓨팅 시스템에 각각 커플링될 수도 있다. 다른 예에서, x 선 조명 소스(110), 빔 성형 슬릿(112 및 113), 포커싱 광학기기 액추에이터 시스템(115), 시료 위치 결정 시스템(140), 및 검출기(119) 중 임의의 것은, 컴퓨터 시스템(130)에 커플링되는 단일의 컴퓨터 시스템에 의해 직접적으로 제어될 수도 있다.
컴퓨터 시스템(130)은, 유선 및/또는 무선 부분을 포함할 수도 있는 송신 매체에 의해 시스템의 서브시스템(예를 들면, x 선 조명 소스(110), 빔 성형 슬릿(112 및 113), 포커싱 광학기기 액추에이터 시스템(115), 시료 위치 결정 시스템(140), 검출기(119), 및 등등)으로부터 데이터 또는 정보를 수신 및/또는 획득하도록 구성될 수도 있다. 이러한 방식으로, 송신 매체는, 컴퓨터 시스템(130)과 시스템(100)의 다른 서브시스템 사이의 데이터 링크로서 기능할 수도 있다.
계측 시스템(100)의 컴퓨터 시스템(130)은, 유선부 및/또는 무선부를 포함할 수도 있는 송신 매체에 의해 다른 시스템으로부터 데이터 또는 정보(예를 들면, 측정 결과, 모델링 입력, 모델링 결과, 등등)를 수신 및/또는 획득하도록 구성될 수도 있다. 이러한 방식으로, 송신 매체는 컴퓨터 시스템(130)과 다른 시스템(예를 들면, 메모리 온보드 계측 시스템(100), 외부 메모리, 또는 외부 시스템) 사이의 데이터 링크로서 기능할 수도 있다. 예를 들면, 컴퓨팅 시스템(130)은 데이터 링크를 통해 저장 매체(즉, 메모리(132 또는 190))로부터 측정 데이터(예를 들면, 신호(135))를 수신하도록 구성될 수도 있다. 예를 들면, 검출기(119)를 사용하여 획득되는 스펙트럼 결과는, 영구적 또는 반영구적 메모리 디바이스(예를 들면, 메모리(132 또는 190))에 저장될 수도 있다. 이와 관련하여, 측정 결과는 온보드 메모리로부터 또는 외부 메모리 시스템으로부터 가져오기될(imported) 수도 있다. 또한, 컴퓨터 시스템(130)은 송신 매체를 통해 데이터를 다른 시스템으로 전송할 수도 있다. 예를 들면, 컴퓨터 시스템(130)에 의해 결정되는 시료 파라미터 값(186)은 영구적 또는 반영구적 메모리 디바이스(예를 들면, 메모리(190))에 저장될 수도 있다. 이와 관련하여, 측정 결과는 다른 시스템으로 내보내기될(exported) 수도 있다.
컴퓨팅 시스템(130)은, 퍼스널 컴퓨터 시스템, 메인프레임 컴퓨터 시스템, 워크스테이션, 이미지 컴퓨터, 병렬 프로세서, 또는 기술 분야에서 공지되어 있는 임의의 다른 디바이스를 포함할 수도 있지만, 그러나 이들로 제한되지는 않는다. 일반적으로, 용어 "컴퓨팅 시스템"은, 메모리 매체로부터의 명령어를 실행하는 하나 이상의 프로세서를 구비하는 임의의 디바이스를 망라하도록 광의적으로 정의될 수도 있다.
본원에서 설명되는 방법과 같은 방법을 구현하는 프로그램 명령어(134)는, 와이어, 케이블, 또는 무선 송신 링크와 같은 송신 매체를 통해 송신될 수도 있다. 예를 들면, 도 1에서 예시되는 바와 같이, 메모리(132)에 저장되는 프로그램 명령어는 버스(133)를 통해 프로세서(131)로 송신된다. 프로그램 명령어(134)는 컴퓨터 판독 가능 매체(예를 들면, 메모리(132))에 저장된다. 예시적인 컴퓨터 판독 가능 매체는 리드 온리 메모리, 랜덤 액세스 메모리, 자기 또는 광학 디스크, 또는 자기 테이프를 포함한다.
도 17은 본 발명의 계측 시스템(100, 200, 300, 및 400)에 의한 구현에 대해 적합한 방법(500)을 예시한다. 하나의 양태에서, 방법(500)의 데이터 프로세싱 블록은 컴퓨팅 시스템(130)의 하나 이상의 프로세서에 의해 실행되는 사전 프로그래밍된 알고리즘을 통해 수행될 수도 있다는 것이 인식된다. 다음의 설명은 계측 시스템(100, 200, 300, 및 400)의 맥락에서 제시되지만, 계측 시스템(100, 200, 300, 및 400)의 특정한 구조적 양태는 제한을 나타내지 않으며, 단지 예시적인 것으로 해석되어야 한다는 것이 본원에서 인식된다.
블록(501)에서, x 선 조명 소스에 의해 일정량의 연질 x 선 조명 방사선이 생성된다. 연질 x 선 방사선은 10 전자볼트(electronvolts)로부터 5,000전자볼트까지의 광자 에너지 범위 내의 다수의 조명 파장을 포함한다. 일정량의 연질 x 선 방사선은, 1 도와 45 도 사이의 공칭 스침 입사각으로 반도체 웨이퍼에 입사하는 x 선 조명 빔으로서, 반도체 웨이퍼 상에 제조되는 계측 타겟으로 지향된다.
블록(502)에서, 입사하는 x 선 조명 빔에 응답하여, 계측 타겟으로부터 다수의 상이한 회절 차수로 산란되는 제1 양의 x 선 방사선이 검출된다.
블록(503)에서, 제1의 복수의 측정 신호가 생성된다. 제1의 복수의 측정 신호 각각은 제1 검출기의 활성 표면 상의 상이한 위치에서의 x 선 방사선의 검출된 양을 나타낸다. 제1의 복수의 측정 신호는 또한, 다수의 상이한 회절 차수 중의 개별 회절 차수로 회절되는 다수의 조명 파장 중의 개별 파장을 나타낸다.
블록(504)에서, 계측 타겟을 특성화하는 주목하는 파라미터의 값은 복수의 측정 신호에 기초하여 결정된다.
몇몇 실시형태에서, 본원에서 설명되는 바와 같은 산란 측정법 측정은 제조 프로세스 도구의 일부로서 구현된다. 제조 프로세스 도구의 예는, 리소그래피 노광 도구, 막 퇴적 도구, 주입 도구, 및 에칭 도구를 포함하지만 그러나 이들로 제한되지는 않는다. 이러한 방식에서, WR-SXR 분석의 결과는 제조 프로세스를 제어하기 위해 사용된다. 하나의 예에서, 하나 이상의 타겟으로부터 수집되는 WR-SXR 측정 데이터는 제조 프로세스 도구로 전송된다. WR-SXR 측정 데이터는 본원에서 설명되는 바와 같이 분석되고, 결과는 반도체 구조물의 제조에서 에러를 감소시키기 위해 제조 프로세스 도구의 동작을 조정하도록 사용된다.
본원에서 설명되는 바와 같은 산란 측정법 측정은, 다양한 반도체 구조물의 특성을 결정하기 위해 사용될 수도 있다. 예시적인 구조물은, FinFET, 나노와이어 또는 그래핀과 같은 저차원 구조물(low-dimensional structure), 10 nm 미만의 구조물, 리소그래피 구조물, 기판 관통 비아(through substrate via; TSV), 메모리 구조물 예컨대 DRAM, DRAM 4F2, FLASH, MRAM 및 고 애스펙트 비 메모리 구조물을 포함하지만, 그러나 이들로 제한되지는 않는다. 예시적인 구조적 특성은, 기하학적 형상 파라미터 예컨대 라인 에지 조도, 라인 폭 조도, 기공 사이즈, 기공 밀도, 측벽 각도, 프로파일, 임계 치수, 피치, 두께, 오버레이, 및 재료 파라미터 예컨대 전자 밀도, 조성, 입자 구조(grain structure), 형태(morphology), 응력, 변형률(strain), 및 원소 신원(elemental identification)을 포함하지만, 그러나 이들로 제한되지는 않는다. 몇몇 실시형태에서, 계측 타겟은 주기적 구조물이다. 몇몇 다른 실시형태에서, 계측 타겟은 비주기적이다.
몇몇 예에서, 스핀 전달 토크 랜덤 액세스 메모리(spin transfer torque random access memory; STT-RAM), 삼차원 NAND 메모리(three dimensional NAND memory; 3D-NAND) 또는 수직 NAND 메모리(vertical NAND memory)(V-NAND), 동적 랜덤 액세스 메모리(dynamic random access memory; DRAM), 삼차원 FLASH 메모리(three dimensional FLASH memory; 3D-FLASH), 저항성 랜덤 액세스 메모리(resistive random access memory; Re-RAM), 및 상변화 랜덤 액세스 메모리(phase change random access memory; PC-RAM)를 포함하는 그러나 이들로 제한되지는 않는 고 애스펙트 비 반도체 구조물의 임계 치수, 두께, 오버레이, 및 재료 속성의 측정은, 본원에서 설명되는 바와 같은 WR-SXR 측정 시스템을 사용하여 수행된다.
본원에서 설명되는 바와 같이, 용어 "임계 치수"는 구조물의 임의의 임계 치수(예를 들면, 하부 임계 치수, 중간 임계 치수, 상부 임계 치수, 측벽 각도, 격자 높이, 등등), 임의의 둘 이상의 구조물 사이의 임계 치수(예를 들면, 두 구조물 사이의 거리), 및 둘 이상의 구조물 사이의 변위(예를 들면, 오버레이되는 격자 구조물 사이의 오버레이 변위, 등등)를 포함한다. 구조물은 삼차원 구조물, 패턴화된 구조물, 오버레이 구조물, 등등을 포함할 수도 있다.
본원에서 설명되는 바와 같이, 용어 "임계 치수 애플리케이션" 또는 "임계 치수 측정 애플리케이션"은 임의의 임계 치수 측정을 포함한다.
본원에서 설명되는 바와 같이, 용어 "계측 시스템"은, 임계 치수 애플리케이션 및 오버레이 계측 애플리케이션을 비롯한, 임의의 양태에서 시료를 특성화하기 위해 적어도 부분적으로 활용되는 임의의 시스템을 포함한다. 그러나, 기술 분야의 이러한 용어는 본원에서 설명되는 바와 같은 용어 "계측 시스템"의 범위를 제한하지는 않는다. 또한, 본원에서 설명되는 계측 시스템은 패턴화된 웨이퍼 및/또는 패턴화되지 않은 웨이퍼의 측정을 위해 구성될 수도 있다. 계측 시스템은, LED 검사 도구, 에지 검사 도구, 이면 검사 도구, 매크로 검사 도구, 또는 멀티 모드 검사 도구(동시적으로 하나 이상의 플랫폼으로부터의 데이터를 수반함), 및 본원에서 설명되는 측정 기술로부터 이익을 얻는 임의의 다른 계측 또는 검사 도구로서 구성될 수도 있다.
시료를 프로세싱하기 위해 사용될 수도 있는 반도체 프로세싱 시스템(예를 들면, 검사 시스템 또는 리소그래피 시스템)에 대한 다양한 실시형태가 본원에서 설명된다. 용어 "시료"는, 본원에서, 웨이퍼, 레티클, 또는 기술 분야에서 공지되어 있는 수단에 의해 프로세싱될 수도 있는(예를 들면, 결함에 대해 검사 또는 인쇄될 수도 있는) 임의의 다른 샘플을 가리키기 위해 사용된다.
본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "웨이퍼"는 반도체 또는 비반도체 재료로 형성되는 기판을 일반적으로 지칭한다. 예는, 단결정 실리콘, 갈륨 비화물, 및 인듐 인화물을 포함하지만, 그러나 이들로 제한되지는 않는다. 그러한 기판은 반도체 제조 설비에서 공통적으로 발견될 수도 있고 및/또는 프로세싱될 수도 있다. 몇몇 경우에서, 웨이퍼는 기판(즉, 베어 웨이퍼(bare wafer))만을 포함할 수도 있다. 대안적으로, 웨이퍼는 기판 상에 형성되는 상이한 재료의 하나 이상의 층을 포함할 수도 있다. 웨이퍼 상에 형성되는 하나 이상의 층은 "패턴화될" 수도 있거나 또는 "패턴화되지 않을" 수도 있다. 예를 들면, 웨이퍼는 반복 가능한 패턴 피쳐를 갖는 복수의 다이를 포함할 수도 있다.
"레티클"은 레티클 제조 프로세스의 임의의 스테이지에서의 레티클일 수도 있거나, 또는 반도체 제조 설비에서의 사용을 위해 방출될(released) 수도 있는 또는 방출되지 않을 수도 있는 완성된 레티클일 수도 있다. 레티클, 또는 "마스크"는, 실질적으로 불투명한 영역이 상부에 형성되며 어떤 패턴으로 구성되는 실질적으로 투명한 기판으로서 일반적으로 정의된다. 기판은, 예를 들면, 비정질의 SiO2와 같은 유리 재료를 포함할 수도 있다. 레티클은, 레티클 상의 패턴이 레지스트로 전사될 수도 있도록, 리소그래피 프로세스의 노광 단계 동안 레지스트로 피복된 웨이퍼 위에 배치될 수도 있다.
웨이퍼 상에 형성되는 하나 이상의 층은 패턴화될 수도 있거나 또는 패턴화되지 않을 수도 있다. 예를 들면, 웨이퍼는, 반복 가능한 패턴 피쳐를 각각 구비하는 복수의 다이를 포함할 수도 있다. 재료의 이러한 층의 형성 및 프로세싱은 궁극적으로는 완성된 디바이스로 귀결될 수도 있다. 많은 상이한 타입의 디바이스가 웨이퍼 상에 형성될 수도 있고, 본원에서 사용되는 바와 같은 용어 웨이퍼는, 기술 분야에서 공지되어 있는 임의의 타입의 디바이스가 상부에서 제조되고 있는 웨이퍼를 망라하도록 의도된다.
하나 이상의 예시적인 실시형태에서, 설명되는 기능은 하드웨어, 소프트웨어, 펌웨어 또는 이들의 임의의 조합으로 구현될 수도 있다. 소프트웨어로 구현되는 경우, 기능은 하나 이상의 명령어 또는 코드로서 컴퓨터 판독 가능 매체 상에 저장될 수도 있거나 또는 컴퓨터 판독 가능 매체를 통해 송신될 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 한 장소로부터 다른 장소로 컴퓨터 프로그램의 전송을 가능하게 하는 임의의 매체를 포함하는 컴퓨터 저장 매체 및 통신 매체 둘 다를 포함한다. 저장 매체는 범용 컴퓨터 또는 특수 목적용 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 이용 가능한 매체일 수도 있다. 제한이 아닌 예로서, 이러한 컴퓨터 판독 가능 매체는 RAM, ROM, EEPROM, CD-ROM 또는 다른 광학 디스크 스토리지, 자기 디스크 스토리지 또는 다른 자기 스토리지 디바이스, 또는 명령어 또는 데이터 구조의 형태로 원하는 프로그램 코드 수단을 반송(carry) 또는 저장하기 위해 사용될 수 있으며 범용 컴퓨터 또는 특수 목적용 컴퓨터, 또는 범용 프로세서 또는 특수 목적용 프로세서에 의해 액세스될 수 있는 임의의 다른 매체를 포함할 수 있다. 또한, 임의의 연결이 컴퓨터 판독 가능 매체로 적절히 칭해진다. 예를 들면, 소프트웨어가 동축 케이블, 광섬유 케이블, 연선(twisted pair), 디지털 가입자 회선(digital subscriber line; DSL), 또는 적외선, 무선, 및 마이크로파와 같은 무선 기술을 사용하여 웹사이트, 서버, 또는 다른 원격 소스로부터 송신되면, 동축 케이블, 광섬유 케이블, 연선, DSL, 또는 적외선, 무선, 및 마이크로파와 같은 무선 기술은 매체의 정의에 포함된다. 디스크(disk) 및 디스크(disc)는, 본원에서 사용되는 바와 같이, 컴팩트 디스크(compact disc; CD), 레이저 디스크, XRF 디스크, 디지털 다기능 디스크(digital versatile disc; DVD), 플로피 디스크 및 블루레이 디스크를 포함하는데, 여기서 디스크(disk)는 통상 자기적으로 데이터를 재생하고, 디스크(disc)는 레이저를 이용하여 광학적으로 데이터를 재생한다. 상기의 조합도 컴퓨터 판독 가능 매체의 범위 내에 또한 포함되어야 한다.
비록 소정의 특정한 실시형태가 교수적인 목적을 위해 상기에서 설명되었지만, 본 특허 문헌의 교시는 일반적인 적용 가능성을 가지며 상기에서 설명되는 특정한 실시형태로 제한되는 것은 아니다. 따라서, 설명된 실시형태의 다양한 피쳐의 다양한 수정예, 적응예, 및 조합은 청구범위에서 기술되는 바와 같은 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않으면서 실시될 수 있다.

Claims (22)

  1. 계측 시스템(metrology system)으로서,
    10 전자볼트로(electronvolts)로부터 5,000 전자볼트까지의 광자 에너지 범위 내의 다수의 조명 파장을 포함하는 일정량의 연질 x 선 방사선(soft x-ray radiation) - 상기 일정량의 연질 x 선 방사선은, 1 도와 45 도 사이의 공칭 스침 입사각(nominal grazing incidence angle)으로 반도체 웨이퍼에 입사하는 x 선 조명 빔으로서, 상기 반도체 웨이퍼 상에 제조되는 계측 타겟으로 지향됨 - 을 생성하도록 구성되는 x 선 조명 소스;
    상기 입사하는 x 선 조명 빔에 응답하여 상기 계측 타겟으로부터 다수의 상이한 회절 차수로 산란되는 제1 양의 x 선 방사선의 광학 경로에 배치되는 제1 검출기 - 상기 제1 검출기는 제1의 복수의 측정 신호를 생성하도록 구성되고, 상기 제1의 복수의 측정 신호 각각은 상기 제1 검출기 상의 상이한 위치에서의 x 선 방사선의 검출된 양을 나타내고, 상기 제1의 복수의 측정 신호 각각은 상기 다수의 상이한 회절 차수 중의 개별 회절 차수로 회절되는 상기 다수의 조명 파장 중의 개별 파장을 나타냄 - ; 및
    상기 제1의 복수의 측정 신호에 기초하여 상기 계측 타겟을 특성화하는 주목하는 파라미터의 값을 결정하도록 구성되는 컴퓨팅 시스템
    을 포함하는, 계측 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 입사하는 x 선 조명 빔에 응답하여 상기 계측 타겟으로부터 하나 이상의 상이한 회절 차수로 산란되는 제2 양의 x 선 방사선의 광학 경로에 배치되는 제2 검출기를 더 포함하고, 상기 제2 검출기는 제2의 복수의 측정 신호를 생성하도록 구성되고, 상기 제2의 복수의 측정 신호 각각은 상기 제2 검출기 상의 상이한 위치에서의 x 선 방사선의 검출된 양을 나타내고, 상기 제2의 복수의 측정 신호 각각은 상기 하나 이상의 상이한 회절 차수를 나타내고, 상기 컴퓨팅 시스템은 또한, 상기 제1의 복수의 측정 신호 및 상기 제2의 복수의 측정 신호에 기초하여 상기 계측 타겟을 특성화하는 상기 주목하는 파라미터의 값을 결정하도록 구성되는 것인, 계측 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제2 양의 x 선 방사선은, 심자외선 스펙트럼 범위, 진공 자외선 스펙트럼 범위, 가시 스펙트럼 범위, 및 적외선 스펙트럼 범위 중 임의의 스펙트럼 범위 내의 방사선을 포함하는 것인, 계측 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 x 선 조명 소스와 상기 반도체 웨이퍼 사이의 조명 광학 경로에 배치되는 하나 이상의 x 선 조명 광학 엘리먼트를 더 포함하고, 상기 하나 이상의 x 선 조명 광학 엘리먼트는 상기 일정량의 연질 x 선 방사선을, 1 도와 45 도 사이의 공칭 스침 입사각으로 상기 반도체 웨이퍼에 입사하는 x 선 조명 빔으로서, 상기 반도체 웨이퍼 상으로 포커싱하는 것인, 계측 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 x 선 조명 소스는 고차 고조파 생성(High Harmonic Generation; HHG) 레이저 기반 조명 소스인 것인, 계측 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 x 선 조명 소스와 상기 반도체 웨이퍼 사이의 광학 경로에 위치되는 빔 에너지 필터를 더 포함하고, 상기 빔 에너지 필터는 원하는 빔 에너지 범위 내의 x 선 조명을 투과시키고 상기 원하는 빔 에너지 범위 밖의 x 선 조명을 흡수하는 것인, 계측 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 x 선 조명 소스는 1 밀리라디안(milliradian) 미만의 빔 발산(beam divergence)으로 상기 일정량의 연질 x 선 방사선을 방출하는 것인, 계측 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 x 선 조명 소스와 상기 반도체 웨이퍼 사이의 광학 경로 내의 축소 광학 엘리먼트(demagnification optical element)를 더 포함하고, 상기 축소 광학 엘리먼트는 상기 x 선 조명 빔을, 상기 x 선 조명 빔을 가로지르는 제1 방향으로 0.2 이하의 배율(magnification factor)로 상기 반도체 웨이퍼 상으로 포커싱하고, 상기 x 선 조명 빔을, 상기 제1 방향에 직교하는, 상기 x 선 조명 빔을 가로지르는 제2 방향으로 0.9 이상의 배율로 상기 반도체 웨이퍼 상으로 포커싱하는 것인, 계측 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 x 선 조명 소스는 또한, 심자외선 스펙트럼 범위, 진공 자외선 스펙트럼 범위, 가시 스펙트럼 범위, 및 적외선 스펙트럼 범위 중 임의의 스펙트럼 범위 내의 방사선을 방출하도록 구성되는 것인, 계측 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 상기 x 선 조명 소스는 50 마이크로미터 미만의 최대 규모(maximum extent)의 치수에 의해 특성화되는 조명 소스 영역을 갖는 것인, 계측 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 상기 주목하는 파라미터는 오버레이 에러, 임계 치수(critical dimension), 및 에지 배치 에러 중 임의의 것인, 계측 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 계측 타겟의 조명 동안 기상(vapor phase)의 충전 재료를 포함하는 기체 흐름을 상기 계측 타겟에 제공하는 증기 주입 시스템(vapor injection system)을 더 포함하는, 계측 시스템.
  13. 제1항에 있어서, 상기 x 선 조명 소스는 원하는 광자 에너지 범위를 포함하는 상기 일정량의 연질 x 선 방사선을 생성하도록 조정되는 것인, 계측 시스템.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 x 선 조명 소스와 상기 반도체 웨이퍼 사이의 조명 광학 경로에 배치되는 하나 이상의 x 선 조명 광학 엘리먼트를 더 포함하고, 상기 하나 이상의 x 선 조명 광학 엘리먼트는 상기 일정량의 연질 x 선 방사선을, 복수의 입사각, 복수의 파장, 및 복수의 방위각(azimuth angle)으로 상기 반도체 웨이퍼에 입사하는 x 선 조명 빔으로서, 상기 반도체 웨이퍼 상으로 포커싱하는 것인, 계측 시스템.
  15. 제14항에 있어서, 상기 하나 이상의 x 선 조명 광학 엘리먼트는, 상기 다수의 조명 파장을 선택하는 단계적 다층 광학 엘리먼트(graded multi-layer optical elements)인 것인, 계측 시스템.
  16. 방법으로서,
    10 전자볼트로부터 5,000 전자볼트까지의 광자 에너지 범위 내의 다수의 조명 파장을 포함하는 일정량의 연질 x 선 방사선 - 상기 일정량의 연질 x 선 방사선은, 1 도와 45 도 사이의 공칭 스침 입사각으로 반도체 웨이퍼에 입사하는 x 선 조명 빔으로서, 상기 반도체 웨이퍼 상에 제조되는 계측 타겟으로 지향됨 - 을 제공하는 단계;
    상기 입사하는 x 선 조명 빔에 응답하여 상기 계측 타겟으로부터 다수의 상이한 회절 차수로 산란되는 제1 양의 x 선 방사선을 검출하는 단계;
    제1의 복수의 측정 신호 - 상기 제1의 복수의 측정 신호 각각은 제1 검출기의 활성 표면 상의 상이한 위치에서의 x 선 방사선의 검출된 양을 나타내고, 상기 제1의 복수의 측정 신호 각각은 상기 다수의 상이한 회절 차수 중의 개별 회절 차수로 회절되는 상기 다수의 조명 파장 중의 개별 파장을 나타냄 - 를 생성하는 단계; 및
    상기 제1의 복수의 측정 신호에 기초하여 상기 계측 타겟을 특성화하는 주목하는 파라미터의 값을 결정하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 입사하는 x 선 조명 빔에 응답하여 상기 계측 타겟으로부터 하나 이상의 회절 차수로 산란되는 제2 양의 x 선 방사선을 검출하는 단계; 및
    제2의 복수의 측정 신호 - 상기 제2의 복수의 측정 신호 각각은 제2 검출기의 활성 표면 상의 상이한 위치에서의 x 선 방사선의 검출된 양을 나타내고, 상기 제2의 복수의 측정 신호 각각은 상기 하나 이상의 회절 차수를 나타내고, 상기 계측 타겟을 특성화하는 상기 주목하는 파라미터의 값을 결정하는 단계는 상기 제1 복수의 측정 신호 및 상기 제2의 복수의 측정 신호에 기초함 - 를 생성하는 단계
    를 더 포함하는, 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 제2 양의 x 선 방사선은, 심자외선 스펙트럼 범위, 진공 자외선 스펙트럼 범위, 가시 스펙트럼 범위, 및 적외선 스펙트럼 범위 중 임의의 스펙트럼 범위 내의 방사선을 포함하는 것인, 방법.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 x 선 조명 소스와 상기 반도체 웨이퍼 사이의 광학 경로에서 상기 x 선 조명 빔을 필터링하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  20. 제17항에 있어서,
    상기 x 선 조명 빔을 가로지르는 제1 방향으로 0.2 이하의 배율로 상기 x 선 조명 빔을 축소하는 단계; 및
    상기 제1 방향에 직교하는, 상기 x 선 조명 빔을 가로지르는 제2 방향으로 0.9 이상의 배율로 상기 x 선 조명 빔을 상기 반도체 웨이퍼 상으로 투사하는 단계
    를 더 포함하는, 방법.
  21. 계측 시스템으로서,
    10 전자볼트로부터 5,000 전자볼트까지의 광자 에너지 범위 내의 다수의 조명 파장을 포함하는 일정량의 연질 x 선 방사선 - 상기 일정량의 연질 x 선 방사선은, 반도체 웨이퍼에 입사하는 x 선 조명 빔으로서, 상기 반도체 웨이퍼 상에 제조되는 계측 타겟으로 지향됨 - 을 생성하도록 구성되는 x 선 조명 소스;
    상기 입사하는 x 선 조명 빔에 응답하여 상기 계측 타겟으로부터 다수의 상이한 회절 차수로 산란되는 제1 양의 x 선 방사선의 광학 경로에 배치되는 제1 검출기 - 상기 제1 검출기는 제1의 복수의 측정 신호를 생성하도록 구성되고, 상기 제1의 복수의 측정 신호 각각은 상기 제1 검출기 상의 상이한 위치에서의 x 선 방사선의 검출된 양을 나타내고, 상기 제1의 복수의 측정 신호 각각은 상기 다수의 상이한 회절 차수 중의 개별 회절 차수로 회절되는 상기 다수의 조명 파장 중의 개별 파장을 나타냄 - ;
    상기 입사하는 x 선 조명 빔에 응답하여 상기 계측 타겟으로부터 하나 이상의 상이한 회절 차수로 산란되는 제2 양의 x 선 방사선의 광학 경로에 배치되는 제2 검출기 - 상기 제2 검출기는 제2의 복수의 측정 신호를 생성하도록 구성되고, 상기 제2의 복수의 측정 신호 각각은 상기 제2 검출기 상의 상이한 위치에서의 x 선 방사선의 검출된 양을 나타내고, 상기 제2의 복수의 측정 신호 각각은 상기 하나 이상의 상이한 회절 차수를 나타냄 - ; 및
    상기 제1 및 제2의 복수의 측정 신호에 기초하여 상기 계측 타겟을 특성화하는 주목하는 파라미터의 값을 결정하도록 구성되는 컴퓨팅 시스템
    을 포함하는, 계측 시스템.
  22. 제21항에 있어서, 상기 제2 양의 x 선 방사선은, 심자외선 스펙트럼 범위, 진공 자외선 스펙트럼 범위, 가시 스펙트럼 범위, 및 적외선 스펙트럼 범위 중 임의의 스펙트럼 범위 내의 방사선을 포함하는 것인, 계측 시스템.
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