KR102629264B1 - 후막들 및 고 종횡비 구조물들의 측정을 위한 방법들 및 시스템들 - Google Patents

후막들 및 고 종횡비 구조물들의 측정을 위한 방법들 및 시스템들 Download PDF

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샨카르 크리시난
데이비드 와이. 왕
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커스틴 퍼루커
케빈 에이. 피터린즈
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Abstract

2 마이크로미터 초과의 자외선, 가시 및 적외선 파장들을 포함하는 반도체 구조물들의 분광 측정들을 수행하기 위한 방법들 및 시스템들이 본원에서 제시된다. 분광 측정 시스템은 자외선, 가시 및 근적외선 파장들(2 마이크로미터 미만의 파장들)을 생성하는 제 1 조명원 및 중적외선 및 장적외선 파장들(2 마이크로미터 이상의 파장들)을 생성하는 제 2 조명원을 포함하는 결합된 조명원을 포함한다. 또한, 분광 측정 시스템은 반도체 구조물들의 측정들을 수행하기 위해 사용되는 조명 파장들 범위에 걸친 하나 이상의 측정 채널을 포함한다. 일부 실시예들에서, 하나 이상의 측정 채널은 파장 범위 전반에 걸쳐 샘플을 동시에 측정한다. 일부 다른 실시예들에서, 하나 이상의 측정 채널은 파장 범위 전반에 걸쳐 샘플을 순차적으로 측정한다.

Description

후막들 및 고 종횡비 구조물들의 측정을 위한 방법들 및 시스템들
관련 출원에 대한 상호-참조
본 특허 출원은 2017년 2월 17일에 출원된 미국 가특허 출원 일련 번호 제62/460,668호를 35 USC §119 하에서 우선권으로 주장하며, 그의 청구 대상은 그 전체가 인용에 의해 본원에 포함된다.
기술 분야
설명된 실시예들은 계측 시스템들 및 방법들에 관한 것으로, 보다 구체적으로 반도체 구조물들의 개선된 측정을 위한 방법들 및 시스템들에 관한 것이다.
로직 및 메모리 디바이스들과 같은 반도체 디바이스들은 통상적으로 견본에 적용되는 프로세싱 단계들의 시퀀스에 의해 제조된다. 반도체 디바이스들의 다양한 피처들 및 다수의 구조물 레벨들은 이들 프로세싱 단계들에 의해 형성된다. 예를 들어, 무엇보다도, 리소그래피는 반도체 웨이퍼 상에 패턴을 생성하는 것을 수반하는 하나의 반도체 제조 프로세스이다. 반도체 제조 프로세스의 부가적인 예들은 화학 기계적 폴리싱, 에칭, 증착 및 이온 주입을 포함(그러나 이에 제한되지 않음)한다. 다수의 반도체 디바이스들은 단일 반도체 웨이퍼 상에 제조되고 그 후 개별 반도체 디바이스들로 분리될 수 있다.
계측 프로세스는 웨이퍼들 상의 결함들을 검출하여 더 높은 수율을 촉진하기 위해 반도체 제조 프로세스 동안 다양한 단계들에서 사용된다. 광학 계측 기술들은 샘플 파괴의 위험 없이 높은 처리량에 대한 가능성을 제공한다. 스캐터로메트리(scatterometry) 및 반사계 구현들 및 연관된 분석 알고리즘들을 포함하는 다수의 광학 계측 기반 기술들은 일반적으로, 임계 치수들, 막 두께들, 조성, 오버레이 및 나노스케일 구조물들의 다른 파라미터들을 특성화하는 데 사용된다.
플래시 메모리 아키텍처들은 2차원 플로팅-게이트 아키텍처들로부터 완전 3차원 기하학적 구조물들로 전환 중이다. 일부 예들에서, 막 스택들 및 에칭된 구조물들은 매우 깊다(예를 들어, 깊이가 최대 6 마이크로미터임). 이러한 고 종횡비 구조물들은 막 및 CD 측정들 대한 난제들을 생성한다. 이 구조물들의 구멍들 및 트렌치들의 형상들을 정의하는 임계 치수들을 측정하는 능력은 원하는 성능 레벨 및 디바이스 수율을 달성하는데 중요하다. 또한, 많은 반도체 아키텍처들은 비정질-탄소 층들, 텅스텐 층들 및 하드 마스크 층들과 같은 두껍고 불투명한 재료 층들을 사용한다. 진공 자외선, 자외선, 가시(visible) 및 단적외선 파장 범위들(즉, 약 1 마이크로미터 미만의 파장)의 조명 광은 이러한 불투명한 층들을 충분히 관통하지 못하여, 낮은 신호 대 잡음비를 갖는 측정 신호를 발생시키거나 어떠한 측정 가능 신호도 전혀 발생시키지 않는다.
조명 광의 작은 프랙션만이 고 종횡비 피처들의 바닥에 도달하고 검출기에 대해 상향으로 반사될 수 있기 때문에, 다수의 광학 기술들은 낮은 신호 대 잡음비(SNR)로 고생한다. 따라서, 많은 이용 가능한 고-처리량 계측 기술들은 고 종횡비 구조물들의 CD 및 막 측정들을 신뢰할 수 있게 수행할 수 없다. 고 종횡비 구조물들을 위한 측정 솔루션들로서 임계 치수, CD-SAXS(small angle X-ray scatterometry), 수직 입사 반사계 및 스캐터로메트리가 탐구되고 있지만, 개발은 여전히 진행 중이다.
단면 SEM(scanning electron microscopy)은 인라인 계측에는 적합하지 않은 처리량이 적고 파괴적인 기술이다. AFM(atomic force microscopy)은 고 종횡비 구조물들을 측정하는 그의 능력이 제한적이며 비교적 낮은 처리량을 갖는다. CD-SAXS는 반도체 산업에 의해 요구되는 높은 처리량을 달성한 것으로 아직 입증되진 않았다. MBIR(model based infrared reflectionometry)은 고 종횡비 DRAM 구조물들의 계측에 대해 사용되었지만, 이 기술은 더 짧은 파장에 의해 제공되는 해상도가 부족하고 측정 스폿 크기들이 반도체 계측에 대해선 너무 크다. Gostein 등에 의한 "Measuring deep-trench structures with model-based IR"(Solid State Technology, vol. 49, no. 3, Mar. 1, 2006)를 참조하며, 이는 본원에 완전히 기술된 것처럼 인용에 의해 포함된다.
광학 CD 계측은 현재, 높은 처리량으로 비교적 작은 스폿(예를 들어, 50 마이크로미터 미만, 또는 훨씬 더 바람직하게는 30 마이크로미터 미만)의 마이크로미터 스케일 깊이 및 측방향 치수들을 갖는 구조물들의 세부화된 프로파일을 측정하는 능력이 부족하다. 본원에 완전히 기술된 것처럼 인용에 의해 포함되는 미국 특허 번호 제8,860,937호는 고 종횡비 구조물들의 특성화에 적합한 적외선 분광 엘립소메트리 기술(infrared spectroscopic ellipsometry technique)들을 설명한다. 그러나, 설명된 기술들은 동작 동안 자외선 및 적외선 파장들에 걸친 측정들에 경우 긴 측정 시간들, 파장 안정성 한계들 및 적외선 파장들의 제한된 범위로 고생한다.
요약하면, 피처 크기의 지속적인 감소, 구조물 피처들의 증가하는 깊이 및 불투명한 재료 층들의 증가하는 사용은 광학 계측 시스템들에 어려운 요건들을 부과한다. 광학 계측 시스템들은 비용 효율적으로 유지하기 위해 높은 처리량으로 점점 더 복잡해지는 타겟들에 대한 높은 정밀도 및 정확도 요건들을 충족해야 한다. 이러한 맥락에서, 광대역 조명 및 데이터 수집의 속도 및 적외선 파장들의 범위는 고 종횡비 구조물들 및 불투명한 재료 층들을 사용하는 구조물들에 적합한 광학 계측 시스템들의 설계에서 중요한 성능 제한 이슈들로 부각되고 있다. 따라서, 이러한 한계들을 극복하기 위한 개선된 계측 시스템들 및 방법들이 요구된다.
적외선 파장을 포함하는 반도체 구조물의 분광 측정을 수행하기 위한 방법 및 시스템이 여기에 제시된다. 일부 실시예들에서, 2 마이크로미터보다 큰 적외선 파장을 포함하는 자외선, 가시 및 적외선 파장들을 포함하는 스펙트럼들은 동일한 정렬 조건들에서 높은 처리량으로 측정된다. 이러한 방식으로, 하드웨어 드리프트들 및 웨이퍼 트랜지언트들과 같은 시간 의존적 시스템 에러들은 모든 측정된 파장들에 걸쳐 균일하게 보정될 수 있다.
단일 시스템에서 적외선, 가시광 및 자외선으로 타겟을 측정함으로써, 복잡한 3차원 구조물들의 정밀한 특성화가 가능해진다. 일반적으로, 비교적 큰 피치를 갖는 구조물들을 측정할 때, 비교적 긴 파장들이 구조물 내부로 깊숙이 침투하고 높은 회절 차수들의 억제를 제공한다. 비교적 짧은 파장들은 비교적 작은 CD 및 거칠기 피처들뿐만 아니라 비교적 짧은 파장들(즉, 상부 레벨 층들)에 액세스 가능한 구조물들에 관한 정밀한 치수 정보를 제공한다. 일반적으로 단일 시스템에서 적외선, 가시광 및 자외선으로 타겟을 측정하는 것은, 일부 측정 파라미터들에 대한 감도(sensitivity)를 개선시키고 파라미터들(예를 들어, 상부 및 바닥 층들을 특징화하는 파라미터) 간의 상관성들을 감소시킨다.
일 양상에서, 분광 측정 시스템은 자외선, 가시 및 근적외선 파장들(예를 들어, 2 마이크로미터 미만의 파장들)을 생성하는 제 1 조명원 및 중적외선 및 장적외선 파장들(예를 들어, 2 마이크로미터 이상의 파장들)을 생성하는 제 2 조명원을 포함하는 결합된 조명원을 포함한다. 일부 예들에서, 결합된 조명원은 4.2 마이크로미터 이하의 파장들을 갖는 조명 광을 생성한다. 일부 예들에서, 결합된 조명원은 5 마이크로미터 이하의 파장들을 갖는 조명 광을 생성한다. 일부 예들에서, 결합된 조명원은 5 마이크로미터를 초과하는 파장들을 갖는 조명 광을 생성한다. 또한, 분광 측정 시스템은 반도체 구조물들의 측정들을 수행하기 위해 사용되는 조명 파장들 범위에 걸친 하나 이상의 측정 채널을 포함한다. 하나 이상의 측정 채널은 병렬로(즉, 파장 범위 걸쳐 샘플의 동시성 측정) 또는 순차적으로(즉, 파장 범위에 걸쳐 샘플의 순차적 측정) 동작 가능하다.
일부 실시예들에서, 검출기 서브시스템은 적외선을 포함한, 상이한 파장 범위들에 걸쳐 수집된 광을 동시에 검출하도록 각각 구성된 둘 이상의 검출기들을 포함한다.
추가의 양상에서, 분광 측정들은 측정 결과들에 대한 후면 반사들의 영향을 감소시키기 위해 웨이퍼의 표면에 수직인 방향으로부터 축외(off-axis)에서 수행된다.
다른 추가의 양상에서, 광범위한 파장들은 상이한 감도 특성들을 갖는 다수의 광감성 영역(photosensitive area)들을 포함하는 검출기에 의해 검출된다. 일부 실시예들에서, 상이한 파장 대역에 각각 민감한 다수의 센서 칩들이 단일 검출기 패키지 내로 결합된다.
다른 추가의 양상에서, 웨이퍼 평면 상에 프로젝팅된 조명 필드 조리개(illumination field stop)의 치수들은 측정 중인 타겟의 본질에 기초하여 결과적인 측정 정확도 및 속도를 최적화하도록 조정된다.
다른 추가의 양상에서, 조명 필드 조리개의 치수들은 각각의 측정 애플리케이션에 대해 원하는 스펙트럼 해상도를 달성하도록 조정된다.
전술한 내용은 요약이고, 이에 따라 필요에 의해, 세부사항들의 간략화, 일반화 및 생략들을 포함하며; 결과적으로, 당업자들은 요약이 단지 예시적이고 어떠한 방식으로도 제한적이지 않다는 것을 인지할 것이다. 본원에서 설명된 디바이스들 및/또는 프로세스들의 다른 양상들, 독창적 피처들 및 이점들은 본원에서 기술된 비-제한적인 상세한 설명에서 명백해질 것이다.
도 1은 측정되는 구조물(들)로의 낮은 광 침투로 고생하는 예시적인 고 종횡비 반도체 구조물(160)을 도시한다.
도 2는 측정 파장의 함수로서 도 1에 도시된 bot_recess 치수의 측정과 연관된 측정 감도의 플롯을 도시한다.
도 3은 측정 파장의 함수로서 도 1에 도시된 HM_BCD 치수의 측정과 연관된 측정 감도의 플롯을 도시한다.
도 4는 1.7, 2.2 및 4.2 마이크로미터의 파장들의 적외선 조명 광을 사용하는 다양한 두께들 및 소광 계수들의 비정질 탄소 층의 측정들의 플롯을 도시한다.
도 5는 본원에서 설명된 바와 같은 결합된 조명원을 사용하여 반도체 구조물들의 광대역 분광 측정들을 수행하기 위한 예시적인 계측 시스템(100)을 도시한다.
도 6은 결합된 조명원의 실시예(180)를 도시한다.
도 7a는 결합된 조명원의 다른 실시예(200)를 도시한다.
도 7b는 결합된 조명원의 다른 실시예(220)를 도시한다.
도 7c는 결합된 조명원의 다른 실시예(240)를 도시한다.
도 8은 특정된 온도들에서 동작하는 다양한 검출기 기술들의 특정 검출능을 예시하는 플롯을 도시한다.
도 9는 거의 수직 입사(그러나 특별히 수직 입사를 회피함)에서 기판 상에 배치된 막 층 상에 입사되는 조명을 도시한다.
도 10은 수직 입사에서 기판 상에 배치된 막 층 상에 입사되는 조명을 도시한다.
도 11은 다-구역 적외선 검출기(270)의 예시를 도시한다.
도 12는 4개의 이용 가능한 인듐 갈륨 비화물(InGaAs) 센서들의 통상적인 광감도 곡선들을 예시한다.
도 13은 본원에서 설명된 바와 같은 결합된 조명원을 사용하여 하나 이상의 구조물의 분광 측정들을 수행하는 방법(300)을 예시한다.
이제, 본 발명의 배경 예들 및 일부 실시예들에 대한 상세한 참조가 행해질 것이며, 이들의 예들은 첨부한 도면들에 예시된다.
적외선 파장들을 포함하는 반도체 구조물들의 분광 측정들을 수행하기 위한 방법들 및 시스템들이 본원에서 제시된다. 일부 실시예들에서, 2 마이크로미터보다 큰 적외선 파장을 포함하는 자외선, 가시 및 적외선 파장들을 포함하는 스펙트럼들은 동일한 정렬 조건들에서 높은 처리량으로 측정된다. 이러한 방식으로, 하드웨어 드리프트들 및 웨이퍼 트랜지언트들과 같은 시간 의존적 시스템 에러들은 모든 측정된 파장들에 걸쳐 균일하게 보정될 수 있다.
단일 시스템에서 적외선, 가시광 및 자외선으로 타겟을 측정함으로써, 복잡한 3차원 구조물들의 정밀한 특성화가 가능해진다. 일반적으로, 비교적 큰 피치를 갖는 구조물들을 측정할 때, 비교적 긴 파장들이 구조물 내부로 깊숙이 침투하고 높은 회절 차수들의 억제를 제공한다. 비교적 짧은 파장들은 비교적 작은 CD 및 거칠기 피처들뿐만 아니라 비교적 짧은 파장들(즉, 상부 레벨 층들)에 액세스 가능한 구조물들에 관한 정밀한 치수 정보를 제공한다. 일부 예들에서, 더 긴 파장들은, 거칠기에 대한 더 긴 파장들의 더 낮은 감도로 인해, 비교적 거친 표면들 또는 계면들을 갖는 타겟들의 치수 특성들의 측정을 가능하게 한다. 일반적으로 단일 시스템에서 적외선, 가시광 및 자외선으로 타겟을 측정하는 것은, 일부 측정 파라미터들에 대한 감도를 개선되고 파라미터들(예를 들어, 상부 및 바닥 층들을 특징화하는 파라미터) 간의 상관성들을 감소시킨다.
일부 실시예들에서, 본원에서 설명된 반도체 디바이스들의 분광 계측(spectroscopic metrology)을 위한 방법들 및 시스템들은 고 종횡비(HAR), 큰 측방향 치수 구조물들, 불투명 막 층들 또는 이들의 조합의 측정에 적용된다. 이들 실시예들은 HAR 구조물들(예를 들어, NAND, VNAND, TCAT, DRAM 등)을 갖는 반도체 디바이스에 대한, 그리고 보다 일반적으로, 측정되는 구조물(들)로의 낮은 광 침투로 고생하는 복잡한 디바이스들에 대한 광학 임계 치수(CD), 막 및 조성 계측을 가능하게 한다. HAR 구조물들은 종종 HAR들에 대한 에칭 프로세스들을 용이하게 하기 위해 하드 마스크 층을 포함한다. 본원에서 설명된 바와 같이, "HAR 구조물"이라는 용어는 2 : 1 또는 10 : 1을 초과하는 종횡비를 특징으로 하는 임의의 구조물을 지칭하고, 100 : 1 이상만큼 높을 수 있다.
도 1은 산화물 층들(162) 사이에 샌드위치된 텅스텐 층들(161)을 포함하는 수직으로 통합된 메모리 구조물(160)을 도시한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 에칭 프로세스는 각각의 텅스텐 층(161) 위 및 아래의 산화물 층(162)에 대하여 각각의 텅스텐 층(161)에 수평 리세스를 남긴다. 구조물(160)의 상부의 또는 그 근처의 텅스텐 리세스는 top_recess로서 지칭된다. 구조물(160)의 중간의 또는 그 근처에 텅스텐 리세스는 mid_recess로서 지칭된다. 구조물(160)의 바닥의 또는 그 근처의 텅스텐 리세스는 bot_recess로서 지칭된다. 구조물(160)의 바닥의 또는 그 근처의 산화물 층(162)의 개구는 바닥 임계 치수(HM_BCD)로서 지칭된다.
도 2는 측정 파장의 함수로서 도 1에 도시된 bot_recess 치수의 측정과 연관된 측정 감도의 플롯(165)을 도시한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 분광 신호(166 및 167)는 3 마이크로미터 미만의 조명 파장들에 대한 bot_recess 치수에 대해 실질적으로 어떠한 감도도 나타내지 않는다. 그러나, 3 마이크로미터를 초과하여, 4.2 마이크로미터까지의 조명 파장들의 경우, 분광 신호들(166 및 167) 둘 모두는 bot_recess 치수에 대한 실질적인 측정 감도를 나타낸다.
도 3은 측정 파장의 함수로서 도 1에 도시된 HM_BCD 치수의 측정과 연관된 측정 감도의 플롯(170)을 도시한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 분광 신호들(171 및 172)은 대략 2 마이크로미터 초과의 조명 파장들에 대해 HM_BCD 치수에 대한 증가하는 감도를 나타낸다. 3 마이크로미터를 초과하여, 4.2 마이크로미터까지의 조명 파장들의 경우, 분광 신호들(171 및 172) 둘 모두는 HM_BCD 치수에 대한 실질적인 측정 감도를 나타낸다.
도 4는 1.7, 2.2 및 4.2 마이크로미터의 파장들의 적외선 조명 광을 사용하는 다양한 두께들 및 소광 계수들의 비정질 탄소 층의 측정들의 플롯(175)을 도시한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 일반적으로, 비정질 탄소 층의 소광 계수가 클수록 측정 가능한 층 두께는 더 작아진다. 플롯 라인(176) 은 1.7 마이크로미터의 조명을 사용한 측정들에 대한 소광 계수의 함수로서 최대 달성 가능한 측정 두께들 사이의 트레이드오프를 예시한다. 플롯 라인(177) 은 2.2 마이크로미터의 조명을 사용한 측정들에 대한 소광 계수의 함수로서 최대 달성 가능한 측정 두께들 사이의 트레이드오프를 예시한다. 플롯 라인(178) 은 4.2 마이크로미터의 조명을 사용한 측정들에 대한 소광 계수의 함수로서 최대 달성 가능한 측정 두께들 사이의 트레이드오프를 예시한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 더 긴 파장 조명(예를 들어, 4.2 마이크로미터 파장)은 더 짧은 조명 파장들에 비해 더 큰 소광비들을 갖는 후막(thick film)의 측정을 가능하게 한다.
도 1 내지 도 4에 예시된 바와 같이, 장파장 적외선 조명(예를 들어, 2 마이크로미터 초과, 약 5 마이크로미터까지)은 비정질 탄소 층들과 같은 두껍고 불투명한 하드 마스크 막들의 측정을 가능하게 한다. 장파장 적외선 조명은 또한, 3D NAND 및 DRAM 커패시터 구조물들과 같은 고-종횡비 구조물에서 깊은 홀들 및 트렌치들의 바닥의 임계 치수(CD)를 측정을 가능하게 한다. 또한, 장파장 적외선 조명은 초박막 접합(ultra-shallow junction)들의 측정 및 붕소에 대한 주입 모니터링 등을 가능하게 한다.
일 양상에서, 분광 측정 시스템은 자외선, 가시 및 근적외선 파장들(예를 들어, 2 마이크로미터 미만의 파장들)을 생성하는 제 1 조명원 및 중적외선 및 장적외선 파장들(예를 들어, 2 마이크로미터 이상의 파장들)을 생성하는 제 2 조명원을 포함하는 결합된 조명원을 포함한다. 일부 예들에서, 결합된 조명원은 4.2 마이크로미터 이하의 파장들을 갖는 조명 광을 생성한다. 일부 예들에서, 결합된 조명원은 5 마이크로미터 이하의 파장들을 갖는 조명 광을 생성한다. 일부 예들에서, 결합된 조명원은 5 마이크로미터를 초과하는 파장들을 갖는 조명 광을 생성한다. 또한, 분광 측정 시스템은 반도체 구조물들의 측정들을 수행하기 위해 사용되는 조명 파장들 범위에 걸친 하나 이상의 측정 채널을 포함한다. 하나 이상의 측정 채널은 병렬로(즉, 파장 범위 걸쳐 샘플의 동시성 측정) 또는 순차적으로(즉, 파장 범위에 걸쳐 샘플의 순차적 측정) 동작 가능하다.
도 5는 반도체 구조물들(예를 들어, 막 두께, 임계 치수들, 오버레이 등)의 광대역 적외선 분광 측정들을 수행하기 위한 예시적인 계측 시스템(100)을 도시한다. 일부 예에서, 하나 이상의 구조물은 하나 이상의 고 종횡비(HAR) 구조물 또는 적어도 하나의 큰 측방향 치수 구조물을 포함한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 계측 시스템(100)은 사선 입사의 광대역 분광 스펙트럼 반사계로서 구성된다. 그러나, 일반적으로, 계측 시스템(100)은 또한 부가적인 분광 반사계들, 분광 타원계들, 산란계들 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다.
계측 시스템(100)은 웨이퍼(120) 상에 입사되는 조명 광 빔(117)을 생성하는 조명원(110)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 조명원(110)은 2 마이크로미터 초과의 적외선 파장들을 포함하여, 자외선, 가시 및 적외선 스펙트럼들의 조명 광을 방출하는 결합된 조명원이다.
바람직한 실시예에서, 결합된 조명원(110)은 초연속(supercontinuum) 레이저원 및 레이저 지속 플라즈마 광원을 포함한다. 초연속 레이저원은 2 마이크로미터 초과, 및 일부 실시예들에서 5 마이크로미터 이상까지의 파장들의 조명을 제공한다. 레이저 지속 플라즈마(LSP) 광원(일명, 레이저 구동 플라즈마원)은 120 나노미터 내지 약 2000 나노미터의 전체 파장 범위에 걸쳐 광자들을 생성한다. LSP 광원의 펌프 레이저는 연속파이거나 또는 펄스화될 수 있다. 일부 실시예들에서, 결합된 조명원(110)은 초연속 레이저원 및 아크 램프(arc lamp) 이를테면, 크세논 아크 램프를 포함한다. 그러나, 레이저-구동 플라즈마원은 120 나노미터 내지 2000 나노미터의 전체 파장 범위에 걸쳐 크세논 램프보다 훨씬 더 많은 광자들을 생성하고, 이에 따라 바람직하다.
일반적으로, 결합된 조명원(110)은 복수의 광대역 또는 이산 파장 광원들의 조합을 포함한다. 결합된 조명원(110)에 의해 생성된 광은 자외선 내지 적외선(예를 들어, 진공 자외선 내지 긴 적외선)의 연속 스펙트럼 또는 연속 스펙트럼의 부분들을 포함한다. 일반적으로, 결합된 조명 광원(110)은 초연속 레이저원, 적외선 헬륨-네온 레이저원, 실리콘 카바이드 글로바 광원, 텅스텐 할로겐 광원, 하나 이상의 적외선 LED, 하나 이상의 적외선 레이저, 또는 2 마이크로미터 초과의 파장들을 생성하는 임의의 다른 적합한 적외선 광원, 및 아크 램프(예를 들어, 크세논(Xenon) 아크 램프), 중수소(deuterium) 램프, LSP 광원, 또는 가시 및 자외선 파장들을 포함하는 2 마이크로미터 미만의 파장들을 생성하는 임의의 다른 적합한 광원을 포함할 수 있다.
일반적으로, 결합된 조명원(110)은 임의의 적합한 방식으로 광학적으로 커플링된 다수의 조명원들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 초연속 레이저원에 의해 방출된 광은 자외선/가시광원에 의해 생성된 플라즈마를 통해 직접 커플링된다.
도 6은 결합된 조명원(110)의 실시예(180)를 도시한다. 도 6에 도시된 바와 같이, LSP 펌프 레이저원(181)은 전구(bulb)(185)에 의해 포함된 플라즈마(184)를 지속시키기 위해 포커싱 광학기(183)에 의해 포커싱된 펌프 광(182)을 생성한다. 플라즈마(184)는 자외선 내지 단적외선의 파장 범위에 걸친 광대역 스펙트럼 광을 생성한다. 전구(185)는 출구 포트(186)를 포함한다. LSP 출력 광(187)은 출구 포트(186)를 통과하고 도 5를 참조하여 설명한 바와 같이, 조명 광학기 서브시스템(illumination optics subsystem)을 향해 지향되는 플라즈마(184)로부터의 광의 일부이다. 또한, 초연속 레이저원(191)은 포커싱 광학기(193)에 의해 플라즈마(184)의 또는 그 근처의 포커스(194)로 포커싱되는 적외선 광(192)을 생성한다. 초연속 출력 광(197)은 출구 포트(186)를 통과하고 도 5를 참조하여 설명한 바와 같이, 조명 서브시스템을 향해 지향되는 포커스(194)로부터의 광의 일부이다. 일 예에서, LSP 출력 광(187) 및 초연속 출력 광(197)이 병치된다(collocated). 이러한 방식으로, 초연속 소스(191)로부터의 적외선(197)은 LSP 레이저원(181)으로부터의 자외선/가시광(187)과 효과적으로 결합된다. 일 예에서, LSP 출력 광(187) 및 초연속 출력 광(197)은 동일하거나 유사한 개구수를 갖는다. 다른 예에서, LSP 출력 광(187) 및 초연속 출력 광(197)은 상이한 개구수를 갖는다. 일부 예들에서, 전구(185)는 초연속 레이저원(191)에 의해 생성된 2.5 마이크로미터 초과의 파장들을 투과시키기기 위해 불화 칼슘(Calcium Fluoride) 또는 불화 마그네슘(Magnesium Fluoride)으로 구성된다. 일부 예들에서, 전구(185)는 초연속 레이저원(191)에 의해 생성된 2.5 마이크로미터 초과의 파장들을 투과시키기 위해 불화 칼슘 또는 불화 마그네슘으로 제조된 하나 이상의 출구 포트(186)를 포함한다. 용융 실리카로 제조된 종래의 전구는 2.5 마이크로미터 초과의 상당한 광을 투과시키지 않고, 이에 따라 본원에서 설명된 방식으로 초연속 레이저원(191)에 의해 생성된 광을 결합하기에 부적합하다. 일부 실시예들에서, LSP 펌프 레이저원(181)은 연속파 레이저이다. 일부 다른 실시예에서, LSP 펌프 레이저원(181)은 펄스화된 레이저이다.
도 7a는 결합된 조명원(110)의 실시예(200)를 도시한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 캐소드(208) 및 애노드(209)에 걸쳐 제공된 전압은 전구(205)에 의해 포함되는 플라즈마(204)를 생성한다. 또한, LSP 펌프 레이저원(201)은 전구(205)에 의해 포함된 플라즈마(204)를 지속시키기 위해 포커싱 광학기(203)에 의해 포커싱된 펌프 광(202)을 생성한다. 플라즈마(204)는 자외선 내지 단적외선의 파장 범위에 걸친 광대역 스펙트럼 광을 생성한다. 플라즈마(204)에 의해 생성된 자외선/가시/단적외선(207)은 도 5를 참조하여 설명한 바와 같은 조명 광학기 서브시스템에 제공된다. 또한, 초연속 레이저원(211)은 적외선(212)을 생성한다. 적외선(212)은 포커싱 렌즈(213)에 의해 포커싱되고 플라즈마(204)에 또는 그 근처에 포커스(214)를 형성한다. 포커스(214)로부터의 적외선(217)은 도 5를 참조하여 설명한 바와 같은 조명 광학기 서브시스템에 제공된다. 일 예에서, UV/가시/단적외선(207) 및 적외선(217)은 병치되고 효과적으로 결합된다. 일부 예들에서, 전구(205)는 초연속 레이저원(211)에 의해 생성된 2.5 마이크로미터 초과의 파장들을 투과시키기 위해 불화 칼슘 또는 불화 마그네슘으로 구성된다. 일부 예들에서, 전구(205)는 초연속 레이저원(211)에 의해 생성된 2.5 마이크로미터 초과의 파장들을 투과시키기 위해 불화 칼슘 또는 불화 마그네슘으로 제조된 하나 이상의 출구 포트(206)를 포함한다. 용융 실리카로 제조된 종래의 전구는 2.5 마이크로미터 초과의 상당한 광을 투과시키지 않고, 이에 따라 본원에서 설명된 방식으로 초연속 레이저 조명원(211)에 의해 생성된 광을 결합하기에 부적합하다.
도 7b는 결합된 조명원(110)의 실시예(220)를 도시한다. 도 7b에 도시된 바와 같이, 캐소드(228) 및 애노드(229)에 걸쳐 제공된 전압은 전구(225)에 의해 포함되는 플라즈마(224)를 생성한다. 또한, LSP 펌프 레이저원(221)은 전구(225)에 의해 포함된 플라즈마(224)를 지속시키기 위해 포커싱 광학기(223)에 의해 포커싱된 펌프 광(222)을 생성한다. 플라즈마(224)는 자외선 내지 단적외선의 파장 범위에 걸친 광대역 스펙트럼 광을 생성한다. 플라즈마(224)에 의해 생성된 자외선/가시/단적외선(227)은 출구 포트(226)를 통해 전구(225)를 빠져나가고 도 5를 참조하여 설명한 바와 같은 조명 광학기 서브시스템에 제공된다. 또한, 초연속 레이저원(231)은 적외선(232)을 생성한다. 적외선(232)은 포커싱 렌즈(233)에 의해 포커싱된다. 초연속 레이저원(231)으로부터의 적외선(237)은 도 5를 참조하여 설명한 바와 같은 조명 광학기 서브시스템에 제공된다.
도 7b에 도시된 바와 같이, UV/가시/단적외선(227) 및 적외선(237)은 빔 결합기(234)에 의해 결합된다. 따라서, 빔 결합기(234)는 자외선 광원(221)(예를 들어, LSP 광원(221))에 의해 생성된 광을, 적외선 광원(231)(예를 들어, 초연속 레이저 광원(231))에 의해 생성된 광과 결합한다. 일 예에서, 빔 결합기(234)는 예를 들어, 900 나노미터의 또는 그 근처의 분할 파장을 갖는다. 빔 결합기는 LSP 광원에 의해 생성된 광의 손실을 최소화하고(10 % 미만의 LSP 손실), 모든 조명 파장들에서 탈편광 효과(depolarization effect)를 최소화한다(예를 들어, 0.1 % 미만).
도 7c는 결합된 조명원(110)의 실시예(240)를 도시한다. 도 7b에 도시된 바와 같이, 캐소드(248) 및 애노드(249)에 걸쳐 제공된 전압은 전구(245)에 의해 포함되는 플라즈마(244)를 생성한다. 또한, LSP 펌프 레이저원(241)은 전구(245)에 의해 포함된 플라즈마(244)를 지속시키기 위해 포커싱 광학기(243)에 의해 포커싱된 펌프 광(242)을 생성한다. 플라즈마(244)는 자외선 내지 단적외선의 파장 범위에 걸친 광대역 스펙트럼 광을 생성한다. 플라즈마(244)에 의해 생성된 자외선/가시/단적외선(247)은 출구 포트(246)를 통해 전구(245)를 빠져나가고 도 5를 참조하여 설명한 바와 같은 조명 광학기 서브시스템에 제공된다. 또한, 초연속 레이저원(251)은 적외선(252)을 생성한다. 적외선(252)은 포커싱 렌즈(253)에 의해 포커싱된다. 초연속 레이저원(251)으로부터의 적외선(257)은 도 5를 참조하여 설명한 바와 같은 조명 광학기 서브시스템에 제공된다.
도 7c에 도시된 바와 같이, 결합된 조명원(110)은 자외선 및 적외선 조명 광을 웨이퍼(120)에 선택적으로 제공한다. 이러한 예에서, 측정은 시간 멀티플렉싱된다. 미러(254)는 이동 가능 미러이다. 일 예에서, 이동 가능 미러(254)가 검류계(galvanometer)에 장착되고, 이동 가능 미러(254)가 자외선/가시광(247)의 광학 경로 내에 또는 외부에 위치되는지 여부에 기초하여, 웨이퍼(120)에 자외선/가시광(247) 및 적외선(257)을 선택적으에 지향시키도록 사용된다. 다른 예에서, 웨이퍼(120)에 자외선/가시광(247) 및 적외선(257)을 선택적으에 지향시키기 위해 이동 가능한 내부 전반사 프리즘이 사용된다. 이러한 방식으로, 자외선/가시 스펙트럼들을 포함하는 스펙트럼 측정들은 적외선 스펙트럼들을 포함하는 스펙트럼 측정들과 상이한 시간에 수행된다.
일반적으로 광대역 조명 광은 120 나노미터 내지 3,000 그리고 3,000 나노미터 초과의 파장들을 포함한다. 일부 예들에서, 광대역 조명 광은 5,000 나노미터까지의 파장들을 포함한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 계측 시스템(100)은 조명 광(117)을 웨이퍼(120) 상에 형성된 하나 이상의 구조물에 지향시키도록 구성된 조명 서브시스템을 포함한다. 조명 서브시스템은 결합된 광원(110), 하나 이상의 광학 필터(111), 편광 컴포넌트(112), 필드 조리개(113), 구경 조리개(114) 및 조명 광학기(115)를 포함하는 것으로 도시된다. 하나 이상의 광학 필터(111)는 조명 서브시스템으로부터의 광 레벨, 스펙트럼 출력 또는 둘 모두를 제어하는 데 사용된다. 일부 예들에서, 하나 이상의 멀티-존 필터가 광학 필터들(111)로서 사용된다. 편광 컴포넌트(112)는, 조명 서브시스템을 빠져나갈 때 원하는 편광 상태를 생성한다. 일부 실시예들에서, 편광 컴포넌트는 편광기, 보상기 또는 둘 모두이고, 임의의 적합한 상업적으로 입수 가능한 편광 컴포넌트를 포함할 수 있다. 편광 컴포넌트는 상이한 고정된 포지션들로 고정되거나 회전 가능할 수 있다. 도 5에 도시된 조명 서브시스템은 하나의 편광 컴포넌트를 포함하지만, 조명 서브시스템은 하나 초과의 편광 컴포넌트를 포함할 수 있다. 필드 조리개(113)는 조명 서브시스템의 FOV(field of view)를 제어하고, 임의의 적합한 상업적으로 입수 가능한 필드 조리개를 포함할 수 있다. 구경 조리개(114)는 조명 서브시스템의 개구수(NA)를 제어하고, 임의의 적합한 상업적으로 입수 가능한 구경 조리개를 포함할 수 있다. 결합된 조명원(110)으로부터의 광은 웨이퍼(120) 상의 하나 이상의 구조물(도 5에 도시되지 않음) 상에 포커싱되도록 조명 광학기(115)를 통해 지향된다. 조명 서브시스템은, 분광 계측 분야에 알려진 광학 필터(들)(111), 편광 컴포넌트(112), 필드 조리개(113), 구경 조리개(114) 및 조명 광학기(115)의 임의의 유형 및 배열을 포함할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 조명 광 빔(117)은, 빔이 조명원(110)으로부터 웨이퍼(120)로 전파됨에 따라, 광학 필터(들)(111), 편광 컴포넌트(112), 필드 조리개(113), 구경 조리개(114) 및 조명 광학기(115)를 통과한다. 빔(117)은 측정 스폿(116) 위의 웨이퍼(120)의 일부를 조명한다.
일부 예들에서, 웨이퍼(120)의 표면 상에 프로젝팅된 조명 광(117)의 양의 빔 크기는 표본의 표면 상에서 측정되는 측정 타겟의 크기보다 작다. 예시적인 빔 성형 기술들은 Wang 등의 미국 특허 출원 공개 번호 제2013/0114085호에 상세하게 설명되며, 이 특허의 내용들은 그 전체가 인용에 의해 본원에 포함된다.
일부 예들에서, 결합된 조명원(110)의 성능을 개선하기 위해 노이즈 및 편광 최적화가 수행된다. 일부 예들에서, 탈편광은 멀티모드 섬유들, Hanle 탈편광기(depolarizer) 또는 통합 구(integration sphere)의 사용에 의해 달성된다. 일부 예들에서, 조명원 에탕듀(illumination source etendue)는 도광판들, 섬유들 및 다른 광학 엘리먼트들(예를 들어, 렌즈들, 곡면 미러들, 아포다이저들 등)의 사용에 의해 최적화된다. 일부 예들에서, 소스 코히어런스 또는 코히어런스 효과들은 코히어런스 중단 기술(coherence breaking technique)에 의해 완화되거나, 또는 모델링 및 시뮬레이션에 의해 다른 방식으로 참작된다.
계측 시스템(100)은 또한 하나 이상의 구조물과 입사 조명 빔(117) 사이의 상호작용에 의해 생성된 광을 수집하도록 구성된 수집 광학기 서브시스템을 포함한다. 수집된 광 빔(127)은 수집 광학기(122)에 의해 측정 스폿(116)으로부터 수집된다. 수집된 광(127)은 수집 광학기 서브시스템의 수집 구경 조리개(123), 편광 엘리먼트(124) 및 필드 조리개(125)를 통과한다.
수집 광학기(122)는 웨이퍼(120) 상에 형성된 하나 이상의 구조물로부터 광을 수집하기 위한 임의의 적합한 광학 엘리먼트들을 포함한다. 수집 구경 조리개(123)는 수집 광학기 서브시스템의 NA를 제어한다. 편광 엘리먼트(124)는 원하는 편광 상태를 분석한다. 편광 엘리먼트(124)는 분석기 또는 보상기이다. 편광 엘리먼트(124)는 상이한 고정 포지션들로 고정 또는 회전 가능할 수 있다. 도 5에 도시된 수집 서브시스템은 하나의 편광 엘리먼트를 포함하지만, 수집 서브시스템은 하나 초과의 편광 엘리먼트를 포함할 수 있다. 수집 필드 조리개(125)는 수집 서브시스템의 FOV를 제어한다. 수집 서브시스템은 웨이퍼(120)로부터 광을 취하고, 수집 필드 조리개(125) 상에 포커싱되도록 수집 광학기(122) 및 편광 엘리먼트(124)를 통해 광을 지향시킨다. 일부 실시예들에서, 수집 필드 조리개(125)는 검출 서브시스템의 분광계들에 대한 분광계 슬릿(spectrometer slit)으로서 사용된다. 그러나, 수집 필드 조리개(125)는 검출 서브시스템의 분광계들의 분광계 슬릿(126)에 또는 그 근처에 위치될 수 있다.
수집 서브시스템은 분광 반사계 분야에 알려진 수집 광학기(122), 구경 조리개(123), 편광 엘리먼트(124) 및 필드 조리개(125)의 임의의 유형 및 배열을 포함할 수 있다.
도 5에 도시된 실시예에서, 수집 광학기 서브시스템은 검출 서브시스템의 하나 초과의 분광계로 광을 지향시킨다. 검출 서브시스템은 조명 서브시스템에 의해 조명되는 하나 이상의 구조물로부터 수집된 광에 응답하여 출력을 생성한다.
일 양상에서, 검출기 서브시스템은 적외선을 포함한, 상이한 파장 범위들에 걸쳐 수집된 광을 동시에 검출하도록 각각 구성된 둘 이상의 검출기들을 포함한다.
도 5에 도시된 실시예에서, 수집된 광(127)은 분광계 슬릿(126)을 통과하고 회절 엘리먼트(128) 상에 입사된다. 회절 엘리먼트(128)는 입사광의 파장들의 하나의 서브세트를 회절 차수로 회절시키고, 입사광의 파장들의 상이한 서브세트를 제로 회절 차수로 회절시키도록 구성된다. 도 5에 도시된 바와 같이, 자외선 스펙트럼을 포함하는 입사광의 부분(129)은 회절 엘리먼트(128)에 의해 검출기(141)를 향해 회절 차수에서 분산된다. 또한, 회절 엘리먼트(128)는 적외선 파장들을 포함하는 입사광의 부분(140)을, 격자(147)를 향해 제로 회절 차수에서 반사하도록 구성된다. 광(140)은 회절 엘리먼트(147) 상에 입사되고, 회절 엘리먼트(147)는 적외선 파장들을 포함하는 입사광(140)의 부분(148)을 +/- 1 회절 차수에서 검출기(150)를 향해 분산시킨다.
도 5에 도시된 실시예에서, 회절 엘리먼트(128)는 반사 격자 엘리먼트이다. 그러나, 일반적으로, 회절 엘리먼트(128)는 입사광을 상이한 파장 대역들로 세분화하고, 상이한 파장 대역들을 상이한 방향으로 전파시키고, 임의의 적합한 방식으로 파장 대역들 중 하나의 광을 검출기에 분산시키도록 구성될 수 있다. 일 예에서, 회절 엘리먼트(128)는 투과 격자로서 구성된다. 일부 다른 예들에서, 회절 엘리먼트(128)는 빔을 상이한 파장 대역들로 세분화하기 위한 빔분할 엘리먼트 및 파장 대역들 중 하나를 검출기(141) 상으로 분산시키기 위한 반사 또는 투과 격자 구조물을 포함한다.
반사 격자(128)가 사용되는데, 그 이유는, 그것이 자외선 스펙트럼 구역에서 차수들에 대해 높은 회절 효율을 나타내고, 적외선 스펙트럼 구역의 경우 0차 회절 차수에 대해 높은 회절 효율을 나타내기 때문이다. 반사 격자를 사용함으로써, 빔 분할 엘리먼트들(이를테면, 이색성 빔 분할 엘리먼트)에 고유한 손실들이 방지된다.
회절 엘리먼트들(128 및 147)은 각각의 개별 2차원 검출기의 한 차원(즉, 각각의 개별 검출기에 대해 도 5에 언급된 파장 분산 방향(wavelength dispersion direction))을 따른 파장에 따라 1차 회절된 광을 선형으로 분산시킨다. 예시 목적으로, 2개의 상이한 파장들에서 검출된 광이 검출기(141)의 표면 상에서 예시된다. 회절 엘리먼트(128)는 검출기(141)의 표면 상에 프로젝팅된 광의 2개의 상이한 파장들 사이에서 공간적 분리를 야기한다. 이러한 방식으로, 측정 스폿(116)으로부터 수집된, 특정 파장을 가짐 광은 스폿(142A) 위에서 검출기(141) 상으로 프로젝팅되고, 측정 스폿(116)으로부터 수집된, 다른 상이한 파장을 갖는 광은 스폿(142B) 위에서 검출기(141) 상으로 프로젝팅된다.
일 예에서, 검출기(141)는 자외선 및 가시광(예를 들어, 190 나노미터 내지 860 나노미터의 파장들을 갖는 광)에 민감한 CCD(charge coupled device)이다. 일 예에서, 검출기(150)는 적외선(예를 들어, 950 나노미터 내지 5000 나노미터의 파장들을 갖는 광)에 민감한 PDA(photo detector array)이다. 그러나, 일반적으로, 다른 2차원 검출기 기술들(예를 들어, PSD(position sensitive detector), 적외선 검출기, 광발전 검출기(photovoltaic detector) 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 신호들(154A)을 생성하고, IR 검출기(150)는 입사광(148)을 나타내는 출력 신호들(154B)을 생성한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 검출 서브시스템은 수집된 광이 계측 시스템(100)의 모든 검출기들로 동시에 전파되도록 배열된다. 계측 시스템(100)은 또한, UV 및 IR 신호들 둘 모두를 포함하는 검출된 신호들(154)을 수신하도록 구성된 컴퓨팅 시스템(130)을 포함하고, UV 및 IR 신호들 둘 모두에 기초하여 측정된 구조물(들)의 관심있는 파라미터의 값의 추정치(155)를 결정한다. UV 및 IR 스펙트럼들을 동시에 수집함으로써, 측정 시간들이 감소되고 모든 스펙트럼들이 동일한 정렬 조건들로 측정된다. 이는, 공통적인 보정이 모든 스펙트럼 데이터 세트들에 적용될 수 있기 때문에, 파장 에러들이 보다 용이하게 보정될 수 있게 한다.
도 8은 특정된 온도들에서 동작하는 다양한 검출기 기술들의 특정 검출능(detectivity)을 예시하는 플롯(260)을 도시한다. 도 8에 예시된 바와 같이, 광발전 및 광전도 검출기 기술들은 1 마이크로미터를 초과하고 5 마이크로미터까지의 적외선 파장들의 방사선을 검출하기에 적합하다. 일부 예들에서, 계측 시스템(100)은 검출기들, 이를테면, 납 황화물(PbS), 납 셀렌화물(PbSe), 인듐 안티몬화물(InSb), 인듐 비화물(InAs), 수은 카드뮴 텔루르화물(HgCdTe), 인듐 갈륨 비화물(InGaAs), x-InGaAs, 초전기 및 볼로메트릭(bolometric) 검출기들을 포함한다.
초전기 및 볼로메트릭 검출기들은 양자 검출기들이 아니다. 따라서, 이들 검출기들은 포화 없이 높은 광 레벨들을 수용할 수 있고, 따라서 노이즈 감도를 감소시킬 수 있다.
일부 실시예들에서, 검출기 서브시스템은 다크 노이즈 제한식이기 보다는, 샷 노이즈 제한식(shot noise limited)이다. 이러한 예들에서, 측정 시스템 노이즈를 감소시키기 위해 높은 광 레벨들에서 다수의 측정들을 수행하는 것이 바람직하다.
일부 실시예들에서, 시간 의존적 측정(예를 들어, 펄스화된 광원, 초퍼(chopper) 등)은 측정 신호 대 잡음비를 증가시키기 위해 로크-인 증폭기 또는 다른 위상 동기 루프와 함께 수행된다.
일부 실시예들에서, 검출기들 중 하나 이상은 측정 노이즈를 감소시키기 위해 -20 ℃, 210 °K, 77 °K 또는 다른 낮은 온도로 냉각된다. 일반적으로, 동작 동안 일정한 온도로 검출기의 온도를 유지하기 위해 임의의 적합한 냉각 엘리먼트들이 사용될 수 있다. 비-제한적인 예로서, 다중 스테이지 펠티에(Peltier) 냉각기, 회전 디스크 냉각기, 스털링(Stirling) 사이클 냉각기, N2 냉각기, He 냉각기 등 중 임의의 것이 본 특허 문서의 범위 내에서 고려될 수 있다.
추가의 양상에서, 분광 측정들은 측정 결과들에 대한 후면 반사들의 영향을 감소시키기 위해 웨이퍼의 표면에 수직인 방향으로부터 축외(off-axis)에서 수행된다.
다른 양상에서, 본원에서 설명된 적외선 분광 반사계들 중 하나 이상은 하부의 기판의 바닥으로부터의 반사들에 의해 생성된 측정 신호들을 거부하기 위해 축-외 조명, 수집 또는 둘 모두를 사용한다.
도 9는 기판(164) 상에 배치된 막 층(163) 상에 입사되는 조명(155)을 도시한다. 도 9에 도시된 바와 같이, 조명은 거의 수직 입사로 배열되지만, 특별히 수직 입사를 회피한다(AOI = 0도). 입사광의 일부는 막(163)의 표면으로부터 반사되고, 다른 부분(158)은 막(163)과 기판(164) 사이의 계면으로부터 반사된다. 이러한 반사들은 바람직하며, 반사계 기술에 기초하여 막(163)의 두께를 추정하기 위해 수집되어야 한다. 그러나, 또한 입사광(155)의 일부(156)는 기판(164)을 관통한다. 광(156)의 일부(157)는 기판의 바닥(예를 들어, 웨이퍼의 후면)으로부터 반사되고, 기판(164) 및 막(163)을 통해 전파된다. 광(157)은 바람직하지 않으며, 막(163)의 측정을 오염시킨다. 도 9에 도시된 바와 같이, 수집 어퍼처(159)는 기판(164)의 후방 표면으로부터 반사되는 바람직하지 않은 광(157)을 차단하는데 성공적으로 사용된다. 이는, 조명의 비-제로 입사각(non-zero angle of incidence)이 막(163)의 상부 및 바닥 표면들로부터 반사된 광과 기판(164)의 바닥으로부터 반사된 광(157) 사이의 공간적 분리를 생성하기 때문에 가능하다.
대조적으로, 도 10은 기판(164) 상에 배치된 막 층(163) 상에 입사되는 조명(174)을 도시한다. 도 10에 도시된 바와 같이, 조명은 수직 입사로 배열된다. 입사광(174)의 일부는 막(163)의 표면으로부터 반사되고, 다른 부분은 막(163)과 기판(164) 사이의 계면으로부터 반사된다. 또한, 입사광(174)의 일부(168)는 기판(164)을 관통한다. 광(168)의 일부(169)는 기판의 바닥(예를 들어, 웨이퍼의 후면)으로부터 반사되고, 기판(164) 및 막(163)을 통해 전파된다. 광(169)은 바람직하지 않으며, 막(163)의 측정을 오염시킨다. 도 10에 도시된 바와 같이, 수집 어퍼처(173)는, 조명의 제로 입사각이 막(164)의 상부 및 바닥 표면들로부터 반사된 광과 기판(164)의 바닥으로부터 반사된 광(169) 사이의 공간적 분리를 생성하지 않기 때문에, 기판(164)의 후방 표면으로부터 반사된 바람직하지 않은 광(169)을 차단할 수 없다.
따라서, 일부 실시예들에서, 비-제로 입사각들에서 본원에서 설명된 바와 같은 적외선 반사 측정들을 수행하는 것이 바람직하다. 이러한 방식으로, 후면 반사들로부터 생성된 광이 측정으로부터 효과적으로 차단될 수 있다.
다른 추가의 양상에서, 광범위한 파장들은 상이한 감도 특성들을 갖는 다수의 광감성 영역들을 포함하는 검출기에 의해 검출된다. 수집된 광은 파장에 따라 검출기의 표면에 걸쳐 선형으로 분산된다. 각각의 상이한 광감성 영역이 검출기 상에 배열되어 상이한 범위의 입사 파장들을 감지한다. 이러한 방식으로, 단일 검출기에 의해 높은 신호 대 잡음비로 넓은 범위의 파장들이 검출된다. 이러한 피처들은 개별적으로 또는 조합하여, 높은 처리량, 정밀도 및 정확도로 고 종횡비 구조물들(예를 들어, 1 마이크로미터 이상의 깊이들을 갖는 구조물들)의 고처리량 측정을 가능하게 한다.
일부 실시예들에서, 검출기 서브시스템은 단일 검출기 패키지 상의 상이한 위치들에서 상이한 감도 대역들을 결합하는 멀티-존 적외선 검출기를 포함한다. 검출기는 입사의 위치에 의존하여, 상이한 감도들로 데이터의 연속적인 스펙트럼을 전달하도록 구성된다.
도 12는 이용 가능한 인듐 갈륨 비화물(InGaAs) 센서들의 통상적인 광감도 곡선들을 예시한다. 도 12에 도시된 바와 같이, 이용 가능한 InGaAs 센서들의 어떠한 단일 센서도 1 마이크로미터 내지 2.5 마이크로미터의 파장 대역에 걸쳐 충분한 광감도를 제공하지 못한다. 따라서, 개별적으로, 사용 가능한 센서들은 좁은 파장 대역에 걸친 감지만이 가능하다.
일 양상에서, 상이한 파장 대역에 각각 민감한 다수의 센서 칩들이 단일 검출기 패키지 내로 결합된다. 결국, 멀티-존 검출기는 본원에서 설명된 계측 시스템들에서 구현된다.
도 11은 멀티-존 적외선 검출기(180)를 만들기 위해 4개의 상이한 파장 대역들로부터 유도된 4개의 센서 칩들(270A-D)을 도시한다. 4개의 센서 칩들은 상이한 광감도 특성들을 각각 나타내는 상이한 재료 조성들을 포함한다. 도 11에 도시된 바와 같이, 센서 칩(270A)은 파장 대역(A)에 걸쳐 높은 감도를 나타내고, 센서 칩(270B)은 파장 대역(B)에 걸쳐 높은 감도를 나타내고, 센서 칩(270C)은 파장 대역(C)에 걸쳐 높은 감도를 나타내고, 센서 칩(270D)은 파장 대역(D)에 걸쳐 높은 감도를 나타낸다. 검출기(270)를 통합한 계측 시스템은, 파장 대역(A) 내의 파장들을 센서 칩(270A) 상으로 분산시키고, 파장 대역(B) 내의 파장들을 센서 칩(270B) 상으로 분산시키고, 파장 대역(C) 내의 파장들을 센서 칩(270C) 상으로 분산시키고, 파장 대역(D) 내의 파장들을 센서 칩(270D) 상으로 분산시키도록 구성된다. 이러한 방식으로, 단일 검출기로부터의 파장 대역들(A-D)을 포함하는 종합 파장 대역(aggregate waveband)에 걸쳐 높은 광감도(즉, 높은 SNR)가 달성된다. 결과적으로, 전체 측정 범위에 걸친 측정 노이즈는 측정 감도가 높고 측정 노이즈가 낮은 협대역으로 특정 센서의 사용을 제한함으로써 감소된다.
일부 예들에서, 멀티-존 검출기는 750 나노미터 내지 3,000 나노미터 이상의 파장들을 커버하는 단일의 인접 스펙트럼을 생성하기 위해 단일 센서 패키지로 조립된 상이한 스펙트럼 구역들에 대한 감도를 갖는 InGaAs 센서들을 포함한다.
일반적으로, 임의의 수의 개별 센서들이 멀티-존 검출기의 파장 분산의 방향을 따라 조립될 수 있어서, 인접 스펙트럼이 검출기로부터 도출될 수 있다. 그러나 통상적으로, 2개 내지 4개의 개별 센서들이 검출기(270)와 같은 멀티-존 검출기에서 사용된다.
일 실시예에서, 3개의 개별 센서들이 800 나노미터 내지 1600 나노미터의 범위에 걸친 제 1 세그먼트, 1600nm 내지 2200 나노미터의 범위에 걸친 제 2 세그먼트, 및 2200 나노미터 내지 2600 나노미터의 범위에 걸친 제 3 세그먼트와 함께 사용된다.
비록 InGaAs 기반 적외선 검출기들의 사용이 본원에서 구체적으로 설명되지만, 일반적으로, 좁은 감도 범위들 및 예민한 감도 컷오프들을 나타내는 임의의 적합한 재료가 본원에서 설명된 바와 같은 멀티-존 검출기들에 통합될 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 예시된 측정 채널은 조명 측 상의 편광기 및 수집 측 상의 분석기를 포함한다. 그러나, 일반적으로, 임의의 측정 채널은 샘플의 편광된 반사율, 샘플의 편광되지 않은 반사율 또는 둘 모두의 측정을 수행하기 위해 조명 편광기, 수집 분석기, 조명 보정기, 수집 보상기를 임의의 조합으로 포함하거나 포함하지 않을 수 있다는 것이 고려된다.
일부 실시예들에서, 계측 시스템의 하나 이상의 측정 채널은 상이한 범위의 파장들 및 입사각에 추가하여, 상이한 방위각(azimuth angle)에서 웨이퍼를 측정하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 본원에서 설명된 바와 같은 적외선 분광계를 포함하는 계측 시스템은 계측 타겟에 대해 0도 및 90도의 방위각에서의 웨이퍼의 측정들을 수행하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 계측 시스템은 하나 이상의 파장 범위, 하나 이상의 AOI 범위 및 하나 이상의 방위각에 걸친 웨이퍼 반사율을 동시에 측정하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 계측 시스템은 하나 이상의 분광 타원계, 분광 반사계, 이산 파장 타원계, 회전 편광기 타원계, 회전 편광기 타원계, 회전 보상기 타원계, 회전 편광기 회전 보상기 타원계 및 뮬러-매트릭스(Mueller-matrix) 타원계에서 하나 이상의 결합된 LSP 및 초연속 소스를 활용한다.
다른 추가의 양상에서, 웨이퍼 평면 상에 프로젝팅된 조명 필드 조리개(illumination field stop)의 치수들은 측정 중인 타겟의 본질에 기초하여 결과적인 측정 정확도 및 속도를 최적화하도록 조정된다.
다른 추가의 양상에서, 조명 필드 조리개의 치수들은 각각의 측정 애플리케이션에 대해 원하는 스펙트럼 해상도를 달성하도록 조정된다.
일부 예들에서, 예를 들어, 샘플이 매우 두꺼운 막 또는 격자 구조물인 경우, 입사 평면에 수직인 방향으로 웨이퍼 평면 상에 프로젝팅된 조명 필드 조리개는 스펙트럼 해상도의 증가를 달성하기 위해 필드 크기(field size)를 감소시키도록 조정된다. 일부 예들에서, 예를 들어, 샘플이 박막인 경우, 입사 평면에 수직인 방향으로 웨이퍼 평면 상에 프로젝팅된 조명 필드 조리개는 스펙트럼 해상도의 손실 없이 단축된 측정 시간을 달성하기 위해 필드 크기를 증가시키도록 조정된다.
도 5에 도시된 실시예에서, 컴퓨팅 시스템(130)은 검출기 서브시스템에 의해 검출된 스펙트럼 응답을 나타내는 신호들(154)을 수신하도록 구성된다. 컴퓨팅 시스템(130)은 추가로, 프로그래밍 가능 조명 필드 조리개(113)에 통신되는 제어 신호들(119)을 결정하도록 구성된다. 프로그래밍 가능한 조명 필드 조리개(113)는 제어 신호들(119)을 수신하고 원하는 조명 필드 크기를 달성하기 위해 조명 어퍼처의 크기를 조정한다.
일부 예들에서, 조명 필드 조리개는 앞서 설명된 바와 같이 측정 정확도 및 속도를 최적화하도록 조정된다. 다른 예에서, 조명 필드 조리개는 분광계 슬릿에 의한 이미지 클리핑 및 측정 결과들의 대응하는 저하를 방지하도록 조정된다. 이러한 방식으로, 조명 필드 크기는 측정 타겟의 이미지가 분광계 슬릿을 언더필(underfill)하도록 조정된다. 일 예에서, 조명 필드 조리개는 조명 광학기의 편광기 슬릿의 프로젝션이 계측 시스템의 분광계 슬릿을 언더필하도록 조정된다.
도 13은 적어도 하나의 신규 양상에서 분광 측정들을 수행하는 방법(300)을 예시한다. 방법(300)은 본 발명의 도 5에 예시된 계측 시스템(100)과 같은 계측 시스템에 의한 구현에 적합하다. 일 양상에서, 방법(300)의 데이터 프로세싱 블록들은 컴퓨팅 시스템(130)의 하나 이상의 프로세서에 의해 또는 임의의 다른 범용 컴퓨팅 시스템에 의해 실행되는 사전-프로그래밍된 알고리즘을 통해 수행될 수 있다는 것이 인지된다. 계측 시스템(100)의 특정 구조적 양상들은 제한들을 표현하지 않고 단지 예시적인 것으로 해석되어야 한다는 것이 본원에서 인지된다.
블록(301)에서, 결합된 조명원으로부터의 2 마이크로미터 미만의 파장들을 포함하는 제 1 양의 광대역 조명 광 및 2 마이크로미터 초과의 파장들을 포함하는 제 2 양의 광대역 조명 광이, 측정 중인 표본의 표면 상의 측정 스폿에 지향된다. 결합된 조명원은 제 1 양의 광대역 조명 광을 생성하는 제 1 조명원 및 제 2 양의 광대역 조명 광을 생성하는 제 2 조명원을 포함한다.
블록(302)에서, 제 1 양의 조명 광 및 제 2 양의 조명 광에 응답하여 표본의 표면 상의 측정 스폿으로부터 일정량의 수집되는 광이 수집되고 일정량의 수집되는 광이 하나 이상의 검출기에 지향된다.
블록(303)에서, 일정량의 수집되는 광과 연관된 측정 스펙트럼들이 입사광에 민감한 평면의 2-차원 표면을 갖는 적어도 하나의 검출기로 검출된다.
추가의 실시예에서, 시스템(100)은 본원에서 설명된 방법에 따라 수집된 분광 측정 데이터에 기초하여 실제 디바이스 구조물들의 측정들을 수행하기 위해 사용되는 하나 이상의 컴퓨팅 시스템(130)을 포함한다. 하나 이상의 컴퓨팅 시스템(130)은 분광계에 통신 가능하게 커플링될 수 있다. 일 양상에서, 하나 이상의 컴퓨팅 시스템(130)은 측정 중인 표본의 구조물의 측정들과 연관된 측정 데이터를 수신하도록 구성된다.
본 개시내용 전체에 걸쳐 설명된 하나 이상의 단계는 단일 컴퓨터 시스템(130), 또는 대안적으로 다수의 컴퓨터 시스템들(130)에 의해 수행될 수 있다는 것이 인지되어야 한다. 또한, 시스템(100)의 상이한 서브시스템들은 본원에서 설명된 단계들 중 적어도 일부를 수행하기에 적합한 컴퓨터 시스템을 포함할 수 있다. 그러므로, 위에서 언급된 설명은 본 발명에 관한 제한으로서 해석되어서는 안 되며 단지 예시에 불과한 것이다.
또한, 컴퓨터 시스템(130)은 당 업계에 알려진 임의의 방식으로 분광계들에 통신 가능하게 커플링된다. 예를 들어, 하나 이상의 컴퓨팅 시스템(130)은 분광계들과 연관된 컴퓨팅 시스템들에 커플링될 수 있다. 다른 예에서, 분광계들은 컴퓨터 시스템(130)에 커플링된 단일 컴퓨터 시스템에 의해 직접 제어될 수 있다.
계측 시스템(100)의 컴퓨터 시스템(130)은 유선 및/또는 무선 부분을 포함할 수 있는 송신 매체에 의해 시스템의 서브시스템들(예를 들어, 분광계들 등)로부터 데이터 또는 정보를 수신 및/또는 획득하도록 구성될 수 있다. 이러한 방식으로, 송신 매체는 컴퓨터 시스템(130)과 시스템(100)의 다른 서브시스템들 사이의 데이터 링크로서 역할을 할 수 있다.
계측 시스템(100)의 컴퓨터 시스템(130)은 유선 및/또는 무선 부분을 포함할 수 있는 송신 매체에 의해 다른 시스템들로부터 데이터 또는 정보(예를 들어, 측정 결과들, 모델링 입력들, 모델링 결과들, 기준 측정 결과들 등)를 수신하고 그리고/또는 획득하도록 구성될 수 있다. 이러한 방식으로, 송신 매체는 컴퓨터 시스템(130)과 다른 시스템들(예를 들어, 메모리 온-보드 계측 시스템(100), 외부 메모리 또는 다른 외부 시스템) 사이의 데이터 링크로서 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, 본원에서 설명된 분광계들을 사용하여 획득된 스펙트럼 결과들은 영구적 또는 반영구적 메모리 디바이스(예를 들어, 메모리(132) 또는 외부 메모리)에 저장될 수 있다. 이와 관련하여, 스펙트럼 결과들은 온-보드 메모리로부터 또는 외부 메모리 시스템으로부터 가져와 질 수 있다. 또한, 컴퓨터 시스템(130)은 송신 매체를 통해 다른 시스템들로 데이터를 전송할 수 있다. 예를 들어, 컴퓨터 시스템(130)에 의해 결정된 측정 모델 또는 추정된 파라미터 값(171)은 통신되고 외부 메모리에 저장될 수 있다. 이와 관련하여, 측정 결과들은 다른 시스템으로 내보낼 수 있다.
컴퓨팅 시스템(130)은 개인용 컴퓨터 시스템, 메인프레임 컴퓨터 시스템, 워크스테이션, 이미지 컴퓨터, 병렬 프로세서, 또는 당 업계에 알려진 임의의 다른 디바이스를 포함(그러나 이에 제한되지 않음)할 수 있다. 일반적으로, "컴퓨팅 시스템"이라는 용어는 메모리 매체로부터의 명령들을 실행하는 하나 이상의 프로세서를 갖는 임의의 디바이스를 포괄하도록 폭넓게 정의될 수 있다.
본원에서 설명된 것들과 같은 방법들을 구현하는 프로그램 명령들(134)은 유선, 케이블 또는 무선 송신 링크와 같은 송신 매체를 통해 송신될 수 있다. 예를 들어, 도 1에 예시된 바와 같이, 메모리(132)에 저장된 프로그램 명령들(134)은 버스(133)를 통해 프로세서(131)에 송신된다. 프로그램 명령들(134)은 컴퓨터 판독 가능 매체(예를 들어, 메모리(132))에 저장된다. 예시적인 컴퓨터-판독 가능 매체들은 판독-전용 메모리, 랜덤 액세스 메모리, 자기 또는 광학 디스크, 또는 자기 테이프를 포함한다.
일부 예들에서, 측정 모델들은 미국 캘리포니아주 밀피타스 소재의 KLA-Tencor Corporation으로부터 입수 가능한 SpectraShape®광학 임계-치수 계측 시스템의 엘리먼트로서 구현된다. 이러한 방식으로, 모델이 생성되고 스펙트럼들이 시스템에 의해 수집된 후에 바로 사용을 위해 준비된다.
일부 다른 예들에서, 측정 모델들은 예를 들어, 미국 캘리포니아 주 밀피타스 소재의 KLA-Tencor Corporation으로부터 입수 가능한 AcuShape®소프트웨어를 구현하는 컴퓨팅 시스템에 의해 오프-라인으로 구현된다. 결과적인 트레이닝된 모델은 측정들을 수행하는 계측 시스템에 의해 액세스 가능할 수 있는 AcuShape® 라이브러리의 엘리먼트로서 통합될 수 있다.
다른 양상에서 본원에서 설명된 반도체 디바이스들의 분광 계측을 위한 방법들 및 시스템들은 고 종횡비(HAR) 구조물들, 큰 측방향 치수 구조물들, 또는 둘 모두의 측정에 적용된다. 설명된 실시예들은, Samsung Inc.(한국), SK Hynix Inc.(한국), Toshiba Corporation(일본), 및 Micron Technology, Inc.(미국) 등과 같은 다양한 반도체 제조자들에 의해 제조된 수직 NAND(V-NAND) 구조물들, 동적 랜덤 액세스 메모리 구조물들(DRAM) 등과 같은 3차원 NAND 구조물들을 포함하는 반도체 디바이스들을 위한 광학 임계 치수(CD), 막 및 조성 계측을 가능하게 한다. 이러한 복잡한 디바이스들은 측정되는 구조물(들)로의 낮은 광 침투로 고생한다. 도 14는 측정되는 구조물(들)로의 낮은 광 침투로 고생하는 예시적인 고 종횡비 NAND 구조물(400)을 도시한다. 본원에서 설명된 바와 같은 동시성 스펙트럼 대역 검출을 갖는, 광대역 능력 및 넓은 범위의 AOI, 방위각 또는 둘 모두를 갖는 분광 타원계는 이러한 고 종횡비 구조물들의 측정들에 적합하다. HAR 구조물들은 종종 HAR들에 대한 에칭 프로세스들을 용이하게 하기 위해 하드 마스크 층을 포함한다. 본원에서 설명된 바와 같이, "HAR 구조물"이라는 용어는 2 : 1 또는 10 : 1을 초과하는 종횡비를 특징으로 하는 임의의 구조물을 지칭하고, 100 : 1 이상만큼 높을 수 있다.
또 다른 양상에서, 본원에서 설명된 측정 결과들은 프로세스 툴(예를 들어, 리소그래피 툴, 에칭 툴, 증착 툴 등)에 능동 피드백을 제공하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 본원에서 설명된 측정 방법들에 기초하여 결정된 측정된 파라미터들의 값들은 원하는 출력을 달성하도록 리소그래피 시스템을 조정하기 위해 리소그래피 툴에 통신될 수 있다. 유사한 방식으로, 에칭 파라미터들(예를 들어, 에칭 시간, 확산율 등) 또는 증착 파라미터들(예를 들어, 시간, 농도 등)이 각각 에칭 툴들 또는 증착 툴들에 능동 피드백을 제공하기 위해 측정 모델에 포함될 수 있다. 일부 예에서, 트레이닝된 측정 모델 및 측정된 디바이스 파라미터 값들에 기초하여 결정된 파라미터를 프로세싱하기 위한 보정들은 리소그래피 툴, 에칭 툴 또는 증착 툴에 통신될 수 있다.
본원에서 설명된 바와 같은 "임계 치수"라는 용어는, 구조물의 임의의 임계 치수(예를 들어, 바닥 임계 치수, 중간 임계 치수, 상부 임계 치수, 측벽 각도, 격자 높이 등), 임의의 둘 이상의 구조물들 간의 임계 치수(예를 들어, 두 구조물들 사이의 거리), 및 둘 이상의 구조물들 사이의 변위(예를 들어, 중복 격자 구조물 사이의 오버레이 변위 등)를 포함한다. 구조물들은 3차원 구조물들, 패터닝된 구조물들, 오버레이 구조물들 등을 포함할 수 있다.
본원에서 설명된 바와 같은 "임계 치수 애플리케이션" 또는 "임계 치수 측정 애플리케이션"이라는 용어는 임의의 임계 치수 측정을 포함한다.
본원에서 설명된 바와 같은 "계측 시스템"이라는 용어는 측정 애플리케이션들, 이를테면, 임계 치수 계측, 오버레이 계측, 포커스/도즈 계측 및 조성 계측을 포함하여, 임의의 양상에서 표본을 특징화하기 위해 적어도 부분적으로 사용되는 임의의 시스템을 포함한다. 그러나, 이러한 기술 용어들은 본원에서 설명된 바와 같은 "계측 시스템"이란 용어의 범위를 제한하지 않는다. 또한, 계측 시스템(100)은 패터닝된 웨이퍼들 및/또는 패터닝되지 않은 웨이퍼들의 측정을 위해 구성될 수 있다. 계측 시스템은, LED 검사 툴, 에지 검사 툴, 후면 검사 툴, 매크로-검사 툴 또는 다중-모드 검사 툴(하나 이상의 플랫폼으로부터의 데이터를 동시에 수반함), 및 임계 치수 데이터에 기초하여 시스템 파라미터들의 캘리브레이션으로부터 이익을 얻는 임의의 다른 계측 또는 검사 툴로서 구성될 수 있다.
임의의 반도체 프로세싱 툴(예를 들어, 검사 시스템 또는 리소그래피 시스템) 내에서 표본을 측정하기 위해 사용될 수 있는 반도체 측정 시스템에 대한 다양한 실시예들이 본원에서 설명된다. "표본"이라는 용어는 웨이퍼, 레티클, 또는 당 업계에 알려진 수단에 의해 프로세싱(예를 들어, 인쇄 또는 결함들에 대한 검사)될 수 있는 임의의 다른 샘플을 지칭하기 위해 본원에서 사용된다.
본원에서 사용된 바와 같이, "웨이퍼"란 용어는 일반적으로 반도체 또는 비-반도체 재료로 형성된 기판들을 지칭한다. 예들은 단결정 실리콘, 갈륨 비화물 및 인듐 인화물을 포함(그러나 이에 제한되지 않음)한다. 이러한 기판들은 반도체 제조 설비들에서 흔히 발견되고 그리고/또는 프로세싱될 수 있다. 일부 경우들에서, 웨이퍼는 기판만을 포함할 수 있다(즉, 베어 웨이퍼). 대안적으로, 웨이퍼는 기판 상에 형성된 상이한 재료들의 하나 이상의 층을 포함할 수 있다. 웨이퍼 상에 형성된 하나 이상의 층은 "패터닝되거나" 또는 "패터닝되지 않을 수 있다". 예를 들어, 웨이퍼는 반복 가능한 패턴 피처들을 갖는 복수의 다이들을 포함할 수 있다.
"레티클"은 레티클 제조 프로세스의 임의의 스테이지에 있는 레티클, 또는 반도체 제조 설비에서 사용하기 위해 릴리즈될 수 있거나 릴리즈되지 않을 수 있는 완성된 레티클일 수 있다. 레티클 또는 "마스크"는 일반적으로, 실질적으로 불투명한 구역이 형성되어 있고 패턴으로 구성된 실질적으로 투명 기판으로서 정의된다. 기판은 예를 들어, 비정질 SiO2와 같은 유리 재료를 포함할 수 있다. 레티클은, 레티클의 패턴이 레지스트로 전사될 수 있도록 리소그래피 프로세스의 노출 단계 동안 레지스트-커버된 웨이퍼 위에 배치될 수 있다.
웨이퍼 상에 형성된 하나 이상의 층은 패터닝되거나 패터닝되지 않을 수 있다. 예를 들어, 웨이퍼는 각각이 반복 가능한 패턴 피처들을 갖는 복수의 다이들을 포함할 수 있다. 재료의 이러한 층들의 형성 및 프로세싱은 궁극적으로 디바이스들을 완성시킬 수 있다. 다수의 상이한 유형들의 디바이스들이 웨이퍼 상에 형성될 수 있으며, 본원에서 사용되는 바와 같은 웨이퍼라는 용어는 당 업계에 알려진 임의의 유형의 디바이스들이 제조되는 웨이퍼를 포함하는 것으로 의도된다.
하나 이상의 예시적인 실시예에서, 설명된 기능들은 하드웨어, 소프트웨어, 펌웨어, 또는 이들의 임의의 결합으로 구현될 수 있다. 소프트웨어로 구현되면, 기능들은 컴퓨터 판독 가능 매체 상에 하나 이상의 명령 또는 코드로서 저장되거나 이를 통해 송신될 수 있다. 컴퓨터 판독가능 매체들은, 일 장소에서 다른 장소로의 컴퓨터 프로그램의 전달을 용이하게 하는 임의의 매체를 포함한 통신 매체들 및 컴퓨터 저장 매체들 둘 모두를 포함한다. 저장 매체들은 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 이용 가능한 매체들일 수도 있다. 제한이 아닌 예로서, 그러한 컴퓨터-판독가능 매체들은 RAM, ROM, EEPROM, CD-ROM 또는 다른 광학 디스크 저장부, 자기 디스크 저장부 또는 다른 자기 저장 디바이스들, 또는 명령들 또는 데이터 구조물들의 형태로 원하는 프로그램 코드 수단을 저장 또는 반송하는 데 사용될 수 있고, 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터, 또는 범용 프로세서 또는 특수 목적 프로세서에 의해 액세스될 수 있는 임의의 다른 매체를 포함할 수 있다. 또한, 임의의 연결수단(connection)이 컴퓨터-판독 가능 매체로 적절히 지칭된다. 예컨대, 소프트웨어가 동축 케이블, 광섬유 케이블, 연선(twisted pair), 디지털 가입자 라인(DSL), 또는 (적외선, 라디오, 및 마이크로파와 같은) 무선 기술들을 사용하여 웹사이트, 서버, 또는 다른 원격 소스로부터 송신되면, 동축 케이블, 광섬유 케이블, 연선, DSL, 또는 (적외선, 라디오, 및 마이크로파와 같은) 무선 기술들이 매체의 정의에 포함된다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 디스크(disk) 및 디스크(disc)는 콤팩트 디스크(disc)(CD), 레이저 디스크(disc), 광학 디스크(disc), 디지털 다기능 디스크(digital versatile disc)(DVD), 플로피 디스크(disk) 및 블루-레이 디스크(disc)를 포함하며, 여기서 디스크(disk)들은 일반적으로 데이터를 자기적으로 재생하지만, 디스크(disc)들은 레이저를 이용하여 광학적으로 데이터를 재생한다. 위의 것들의 결합들이 또한 컴퓨터-판독 가능 매체들의 범위 내에 포함되어야 한다.
소정의 특정 실시예들이 교육 목적으로 위에서 설명되었지만, 본 특허 문헌의 교시들은 일반적인 응용성을 가지며 위에서 설명된 특정 실시예들로 제한되지 않는다. 따라서, 설명된 실시예의 다양한 특징들의 다양한 수정들, 개조들 및 조합들이 청구항들에 기술된 바와 같은 본 발명의 범위를 벗어남 없이 실시될 수 있다.

Claims (42)

  1. 분광 계측 시스템(spectroscopic metrology system)에 있어서,
    2마이크로미터보다 작은 파장들을 포함하는 제 1 양(amount)의 조명광(illumination light)을 생성하도록 구성된 제 1 조명원(illumination source) 및 2마이크로미터보다 큰 파장들을 포함하는 제 2 양의 조명광을 생성하도록 구성된 제 2 조명원을 포함하는 조합된 조명원;
    상기 제 1 양의 조명광 및 상기 제 2 양의 조명광의 광학 경로(optical path) 내의 하나 이상의 광학 엘리먼트를 포함하는 조명 광학기 서브시스템(illumination optics subsystem) - 상기 제 1 양의 조명광 및 상기 제 2 양의 조명광은, 상기 하나 이상의 광학 엘리먼트에 의해 하나 이상의 입사각(angle of incidence), 하나 이상의 방위각(azimuth angle), 또는 이들의 조합으로 측정 중인 표본의 표면 상의 측정 스폿(measurement spot)에 상기 조합된 조명원으로부터 지향됨 - ;
    상기 표본의 표면 상의 상기 측정 스폿으로부터의 일정량의 수집되는 광의 광학 경로 내의 하나 이상의 광학 엘리먼트를 포함하는 수집 광학기 서브시스템;
    입사광에 민감한 평면형, 2차원 표면을 갖는 적어도 하나의 검출기 - 상기 적어도 하나의 검출기는 상이한 광감도(photosensitivity)를 각각 갖는 둘 이상의 상이한 표면 영역들을 포함하고, 상기 둘 이상의 상이한 표면 영역들은 상기 적어도 하나의 검출기의 표면에 걸쳐 파장 분산(wavelength dispersion)의 방향과 정렬되며, 상기 적어도 하나의 검출기는 상기 입사광을 검출하고 상기 검출된 입사광을 나타내는 출력을 생성하도록 구성됨 - ; 및
    상기 적어도 하나의 검출기의 출력의 분석에 기초하여 상기 측정 중인 표본의 관심있는 파라미터의 추정된 값을 생성하는 하나 이상의 프로세서를 포함하는 컴퓨팅 시스템
    을 포함하고, 상기 제 1 조명원은 레이저 지속 플라즈마(LSP) 광원 또는 아크 램프 광원(arc lamp light source)이고, 상기 제 2 양의 조명광의 적어도 일부는 상기 LSP 광원 또는 상기 아크 램프 광원의 플라즈마를 통해 송신되는 것인, 분광 계측 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 조명원은 레이저 지속 플라즈마(laser sustained plasma; LSP) 조명원이고, 상기 제 2 조명원은 초연속 레이저(supercontinuum laser) 조명원인 것인, 분광 계측 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 검출기는 케스케이드형 배열(cascaded arrangement)로 구성된 둘 이상의 검출기들이고, 상기 둘 이상의 검출기들 각각은 상이한 스펙트럼 범위(spectral range)들에 걸쳐 상기 일정량의 수집되는 광의 일부를 검출하는 것인, 분광 계측 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 검출기를 동작 동안 일정한 온도로 유지하는 냉각 시스템을 더 포함하는, 분광 계측 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서, 플라즈마 전구(plasma bulb)가 상기 LSP 광원 또는 상기 아크 램프 광원에 의해 생성되는 플라즈마를 포함하고, 상기 플라즈마 전구는 불화 칼슘(Calcium Fluoride) 또는 불화 마그네슘(Magnesium Fluoride)으로 적어도 부분적으로 제조되는 것인, 분광 계측 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 양의 조명광 및 상기 제 2 양의 조명광은 상기 표본에 동시에 제공되는 것인, 분광 계측 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 양의 조명광 및 상기 제 2 양의 조명광은 상기 표본에 상이한 시간들에 제공되는 것인, 분광 계측 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 검출기는 안티몬화 인듐 검출기(indium antimonide detector)를 포함하는 것인, 분광 계측 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 측정 중인 표본은 3차원 NAND 구조물 또는 동적 랜덤 액세스 메모리 구조물을 포함하는 것인, 분광 계측 시스템.
  10. 방법에 있어서,
    조합된 조명원으로부터의 2마이크로미터보다 작은 파장들을 포함하는 제 1 양의 광대역 조명광 및 2마이크로미터보다 큰 파장들을 포함하는 제 2 양의 광대역 조명광을, 측정 중인 표본의 표면 상의 측정 스폿에 지향시키는 단계 - 상기 조합된 조명원은 상기 제 1 양의 광대역 조명광을 생성하는 제 1 조명원 및 상기 제 2 양의 광대역 조명광을 생성하는 제 2 조명원을 포함함 - ;
    상기 제 1 양의 조명광 및 상기 제 2 양의 조명광에 응답하여 상기 표본의 표면 상의 측정 스폿으로부터 일정량의 수집되는 광을 수집하고 상기 일정량의 수집되는 광을 하나 이상의 검출기에 지향시키는 단계; 및
    입사광에 민감한 평면형, 2차원 표면을 갖는 적어도 하나의 검출기로 상기 일정량의 수집되는 광과 연관된 측정 스펙트럼들을 검출하는 단계
    를 포함하고, 상기 제 1 조명원은 레이저 지속 플라즈마(LSP) 광원 또는 아크 램프 광원(arc lamp light source)이고, 상기 제 2 양의 조명광의 적어도 일부는 상기 LSP 광원 또는 상기 아크 램프 광원의 플라즈마를 통해 송신되는 것인, 방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 제 1 조명원은 레이저 지속 플라즈마(LSP) 조명원이고, 상기 제 2 조명원은 초연속 레이저 조명원인 것인, 방법.
  12. 제 10 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 검출기는 케스케이드형 배열로 구성된 둘 이상의 검출기들이고, 상기 둘 이상의 검출기들 각각은 상이한 스펙트럼 범위들에 걸쳐 상기 일정량의 수집되는 광의 일부를 검출하는 것인, 방법.
  13. 제 10 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 검출기는 상이한 광감도를 각각 갖는 둘 이상의 상이한 표면 영역들을 포함하고, 상기 둘 이상의 상이한 표면 영역들은 상기 적어도 하나의 검출기의 표면에 걸쳐 파장 분산의 방향과 정렬되는 것인, 방법.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 검출기를 동작 동안 일정한 온도로 유지하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  15. 제 10 항에 있어서, 상기 제 1 양의 조명광 및 상기 제 2 양의 조명광은 상기 표본에 동시에 제공되는 것인, 방법.
  16. 제 10 항에 있어서, 상기 제 1 양의 조명광 및 상기 제 2 양의 조명광은 상기 표본에 상이한 시간들에 제공되는 것인, 방법.
  17. 계측 시스템으로서,
    2마이크로미터보다 작은 파장들을 포함하는 제 1 양의 조명광을 생성하도록 구성된 제 1 조명원 및 2마이크로미터보다 큰 파장들을 포함하는 제 2 양의 조명광을 생성하도록 구성된 제 2 조명원을 포함하는 조합된 조명원 - 상기 제 1 양의 조명광 및 상기 제 2 양의 조명광은, 측정 중인 표본의 표면 상의 측정 스폿에 상기 조합된 조명원으로부터 지향됨 - ;
    상기 제 1 양의 조명광 및 상기 제 2 양의 조명광에 응답하여 상기 측정 스폿으로부터 수집된 일정량의 광을 검출하고 상기 검출된 일정량의 광을 나타내는 출력을 생성하도록 구성된 적어도 하나의 검출기; 및
    상기 적어도 하나의 검출기의 출력의 분석에 기초하여 상기 측정 중인 표본의 관심있는 파라미터의 추정된 값을 생성하는 하나 이상의 프로세서를 포함하는 컴퓨팅 시스템
    을 포함하고, 상기 제 1 조명원은 레이저 지속 플라즈마(LSP) 광원 또는 아크 램프 광원(arc lamp light source)이고, 상기 제 2 양의 조명광의 적어도 일부는 상기 LSP 광원 또는 상기 아크 램프 광원의 플라즈마를 통해 송신되는 것인, 계측 시스템.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 검출기는 입사광에 민감한 표면을 포함하고, 상기 표면은 상이한 광감도를 각각 갖는 둘 이상의 상이한 표면 영역들을 포함하는 것인, 계측 시스템.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 둘 이상의 상이한 표면 영역들은 상기 적어도 하나의 검출기의 표면에 걸쳐 파장 분산의 방향과 정렬되는 것인, 계측 시스템.
  20. 제 17 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 검출기는 케스케이드형 배열로 구성된 둘 이상의 검출기들이고, 상기 둘 이상의 검출기들 각각은 상이한 스펙트럼 범위들에 걸쳐 상기 측정 스폿으로부터 수집된 상기 일정량의 광의 일부를 검출하는 것인, 계측 시스템.
  21. 제 17 항에 있어서, 상기 제 1 조명원은 레이저 지속 플라즈마(LSP) 조명원이고, 상기 제 2 조명원은 초연속 레이저 조명원인 것인, 계측 시스템.
  22. 제 17 항에 있어서, 상기 제 1 양의 조명광 및 상기 제 2 양의 조명광은 상기 표본에 동시에 제공되는 것인, 계측 시스템.
  23. 제 17 항에 있어서, 상기 제 1 양의 조명광 및 상기 제 2 양의 조명광은 상기 표본에 상이한 시간들에 제공되는 것인, 계측 시스템.
  24. 제 17 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 검출기는 안티몬화 인듐 검출기를 포함하는 것인, 계측 시스템.
  25. 제 17 항에 있어서, 상기 측정 중인 표본은 3차원 NAND 구조물 또는 동적 랜덤 액세스 메모리 구조물을 포함하는 것인, 계측 시스템.
  26. 방법에 있어서,
    플라즈마 기반 조명원으로부터 2마이크로미터보다 작은 파장들을 포함하는 제 1 양의 광대역 조명광을 제공하는 단계; 및
    제 2 조명원으로부터 2마이크로미터보다 큰 파장들을 포함하는 제 2 양의 광대역 조명광을 제공하는 단계 - 상기 제 2 양의 광대역 조명광의 적어도 일부는 상기 플라즈마 기반 조명원의 플라즈마를 통해 송신됨 -
    를 포함하는, 방법.
  27. 제 26 항에 있어서, 상기 플라즈마 기반 조명원은 레이저 지속 플라즈마(LSP) 조명원이고, 상기 제 2 조명원은 초연속 레이저 조명원인 것인, 방법.
  28. 제 26 항에 있어서, 상기 플라즈마 기반 조명원은 레이저 지속 플라즈마(LSP) 광원 또는 아크 램프 광원인 것인, 방법.
  29. 제 28 항에 있어서, 플라즈마 전구가 상기 LSP 광원 또는 상기 아크 램프 광원에 의해 생성되는 플라즈마를 포함하고, 상기 플라즈마 전구는 불화 칼슘 또는 불화 마그네슘으로 적어도 부분적으로 제조되는 것인, 방법.
  30. 제 26 항에 있어서, 상기 제 1 양의 광대역 조명광 및 상기 제 2 양의 광대역 조명광은 표본에 동시에 제공되는 것인, 방법.
  31. 제 26 항에 있어서, 상기 제 1 양의 광대역 조명광 및 상기 제 2 양의 광대역 조명광은 표본에 상이한 시간들에 제공되는 것인, 방법.
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