KR20210094106A - 반도체 구조체들에서의 스트레인의 측정을 위한 스캐터로메트리 기반 방법들 및 시스템들 - Google Patents

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후쌈 추아입
아론 제이. 로젠버그
션 카이-시앙 린
다웨이 후
젱쿠안 탄
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케이엘에이 코포레이션
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Abstract

트랜지스터 채널 구조체들의 광학 특성들을 측정하고 광학 특성들을 스트레인의 상태에 링크시키기 위한 방법들 및 시스템들이 본 명세서에 제시되어 있다. 부분적으로 제조된 실제 디바이스 구조체들을 가깝게 모방한 계측 타깃들 상에서 스트레인의 광학 스캐터로메트리 측정들이 수행된다. 하나의 양태에서, 반도체 채널에 따른 그리고 반도체 채널을 가로지르는 측정된 스펙트럼들의 차이들에 기초하여 반도체 채널에서 일축 스트레인을 측정하기 위해 광학 스캐터로메트리가 채용된다. 추가의 양태에서, 측정된 스펙트럼들에 대한 스트레인의 영향이, 측정 시에 캡처된 구조체들의 재료 특성들 및 지오메트리와 같은 다른 기여자들로부터 역상관된다. 다른 양태에서, 측정 하의 계측 타깃의 지오메트리를 분석하기 위해 그리고 스트레인의 절대 값의 추정을 위한 기준을 제공하기 위해 스트레인된 계측 타깃 및 대응하는 스트레인되지 않은 계측 타깃을 포함하는 계측 타깃 쌍 상에서 측정들이 수행된다.

Description

반도체 구조체들에서의 스트레인의 측정을 위한 스캐터로메트리 기반 방법들 및 시스템들
[관련 출원에 대한 상호 참조]
본 특허 출원은, 2018년 12월 19일자로 출원되고 발명의 명칭이 "Dual Angle Strain In Grating Metrology"인 미국 가특허 출원 일련 번호 제62/782,026호로부터의 35 U.S.C. §119 하의 우선권을 주장하고, 이 미국 가특허 출원의 대상물(subject matter)이 본 명세서에 그 전체가 참조로 포함된다.
[기술분야]
설명된 실시예들은 계측 시스템(metrology system)들 및 방법들, 그리고 더 구체적으로는 개선된 측정 정확도를 위한 방법들 및 시스템들에 관한 것이다.
로직 및 메모리 디바이스들과 같은 반도체 디바이스들은 전형적으로, 시료(specimen)에 적용되는 프로세싱 단계들의 시퀀스에 의해 제작된다. 반도체 디바이스들의 다양한 피처(feature)들 및 다수의 구조적 레벨들이 이들 프로세싱 단계들에 의해 형성된다. 예를 들어, 다른 것들 중에서도 리소그래피는 반도체 웨이퍼 상에 패턴을 발생시키는 것을 수반하는 하나의 반도체 제작 프로세스이다. 반도체 제작 프로세스들의 부가적인 예들은 화학적 기계 연마, 에치(etch), 퇴적, 및 이온 주입을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 다수의 반도체 디바이스들이 단일 반도체 웨이퍼 상에서 제작된 후에 개별 반도체 디바이스들로 분리될 수도 있다.
웨이퍼들에 대한 결함들을 검출하여 더 높은 수율을 촉진시키기 위해 반도체 제조 프로세스 동안 다양한 단계들에서 계측 프로세스들이 사용된다. 광학 및 x-선 기반 계측 기법들은 샘플 파괴의 리스크 없이 높은 스루풋에 대한 잠재력을 제공한다. 나노스케일 구조체들의 임계 치수들, 막 두께들, 조성 및 다른 파라미터들을 특성화하기 위해, 스캐터로메트리(scatterometry) 및 리플렉토메트리(reflectometry) 구현들 및 연관된 분석 알고리즘들을 포함하는 다수의 기법들이 통상적으로 사용된다.
디바이스들(예를 들어, 로직 및 메모리 디바이스들)이 더 작은 나노미터-스케일 치수들을 향해 나아감에 따라, 특성화가 더 어려워진다. 다양한 물리적 특성들을 가진 재료들과 복잡한 3차원 지오메트리(geometry)를 포함하는 디바이스들이 특성화 어려움의 원인이 된다.
트랜지스터 채널의 전도도는 전하 캐리어의 이동도에 정비례한다. N-타입 금속 산화물 반도체(N-type Metal Oxide Semiconductor)(NMOS) 디바이스들의 경우, 전하 캐리어는 전자이다. P-타입 금속 산화물 반도체(P-type Metal Oxide Semiconductor)(PMOS) 디바이스들의 경우, 전하 캐리어는 정공이다. 고체에서의 전자들의 이동도는 인장 스트레인(tensile strain)에 따라 증가하는 한편, 정공들의 이동도는 압축 스트레인(compressive strain)에 따라 증가한다. 따라서, 트랜지스터 채널에 따른 일축 스트레인(uniaxial strain)은, PMOS 및 NMOS 디바이스들의 전기적 특성들과 직접 관련되고, 일축 스트레인의 측정치가 디바이스 품질을 표시한다.
하나의 예에서, NMOS 및 PMOS 디바이스들은 스트레인된 상태에서 제작되어 전기 효율을 증가시킨다(즉, 전기 손실들이 감소되면서 계산 속도가 증가됨). NMOS 디바이스들은 디바이스의 채널을 따라 전자 이동도를 증가시키기 위해 인장 스트레인의 상태에서 제작되고, PMOS 디바이스들은 디바이스의 채널을 따라 정공 이동도를 증가시키기 위해 압축 스트레인의 상태에서 제작된다.
PMOS 디바이스의 채널에 따른 압축 스트레인은, 실리콘 채널 재료와, 채널의 단부들에서 전도성 콘택으로서의 역할을 하는 다른 재료 사이의 격자 불일치(lattice mismatch)에 의해 유도된다. 많은 예들에서, 불일치된 재료는 에피택셜 실리콘-게르마늄(예를 들어, Sii-xGex)이다. 이들 예들에서, 게르마늄 농도는 격자 불일치의 정도를 제어하고, 그에 따라, 유도된 스트레인에 영향을 준다.
NMOS 디바이스의 채널에 따른 인장 스트레인은, 실리콘 채널 재료와, 채널의 단부들에서 전도성 콘택으로서의 역할을 하는 다른 재료 사이의 격자 불일치에 의해 또한 유도된다. 많은 예들에서, 불일치된 재료는 인으로 도핑된 실리콘 또는 실리콘 카바이드이다. 이들 예들에서, 실리콘 카바이드의 구조체 또는 인 농도는 격자 불일치의 정도를 제어하고, 그에 따라, 유도된 스트레인에 영향을 준다.
도 1a는 스트레인되지 않은 상태에서의 트랜지스터(10)를 도시한다. 트랜지스터(10)는 채널(12), 소스(11), 드레인(13), 및 게이트(14)를 포함한다. 소스(11) 및 드레인(13)은 채널(12)의 양 단부에서 제작되고, 게이트(14)는 채널(12)을 따라 전기 전도도를 제어하기 위해 채널(12) 상에 제작된다.
도 1b는 인장 스트레인의 상태에서의 채널(12)을 갖는 트랜지스터(15)를 도시한다. 트랜지스터(15)는 채널(12), 소스(16), 드레인(17), 및 게이트(14)를 포함한다. 소스(16) 및 드레인(17)은 채널(12)의 재료와의 격자 불일치를 갖는 재료들로 채널(12)의 양 단부에서 제작된다. 격자 불일치는 채널(12)을 따라 일축 인장 스트레인을 유도한다.
도 1c는 압축 스트레인의 상태에서의 채널(12)을 갖는 트랜지스터(20)를 도시한다. 트랜지스터(20)는 채널(12), 소스(18), 드레인(19), 및 게이트(14)를 포함한다. 소스(18) 및 드레인(19)은 채널(12)의 재료와의 격자 불일치를 갖는 재료들로 채널(12)의 양 단부에서 제작된다. 격자 불일치는 채널(12)을 따라 일축 압축 스트레인을 유도한다.
불행하게도, 반도체 디바이스의 채널을 따라 스트레인을 측정하는 것은 어렵다. 본 발명자들은 셀 내부 또는 격자 내부의 스트레인을 직접 측정하는 것이 가능한 임의의 이미 존재하는 측정 시스템들을 알지 못한다.
전형적으로, 스트레인은 디바이스가 완전히 제작된 후에 전기 테스트 단계에서 간접적으로 측정된다. 완성된 디바이스의 전기 측정들이 디바이스에서의 일축 스트레인의 상태를 간접적으로 추정하기 위해 채용된다. 길고 고비용인 제조 프로세스의 끝에서 스트레인을 측정하면 반도체 제조 프로세스를 최적화시킬 때 증가된 비용 및 딜레이를 초래한다. 일부 예들에서, 완료하는 데 한 달 넘게 걸리는 제조 프로세스에서 매우 조기에 웨이퍼 상에 스트레인된 재료가 제작된다.
길고 고비용인 제조 프로세스에서 에피택시(스트레인 엔지니어링)가 조기에 발생하기 때문에 에피택셜 퇴적 문제들의 조기 검출이 중요하다. 스트레인된 반도체 구조체들이 더 흔해짐에 따라, 반도체 제작 프로세스에서 조기에 스트레인을 측정하는 것이 요망된다.
트랜지스터 채널 구조체들의 광학 특성들을 측정하고 광학 특성들을 스트레인의 상태에 링크시키기 위한 방법들 및 시스템들이 본 명세서에 제시되어 있다. 부분적으로 제조된 실제 디바이스 구조체들을 가깝게 모방한 계측 타깃들 상에서 스트레인의 광학 스캐터로메트리 측정들이 수행된다.
일부 예들에서, 부분적으로 제조된 핀 전계 효과 트랜지스터(Fin Field Effect Transistor)(FINFET) 계측 타깃들 상에서 스트레인의 광학 스캐터로메트리 기반 측정들이 수행된다. FINFET 트랜지스터의 소스 및 드레인 구조체들을 형성하는 에피택셜 성장 단계들 직후에 스트레인을 측정하면 에피택셜 성장 프로세스의 급속한 미세화 및 완성된 반도체 디바이스의 임계 전압과 같은 다양한 전기적 특성들의 조기 추정을 가능하게 한다.
하나의 양태에서, 반도체 채널에 따른 그리고 반도체 채널을 가로지르는 측정된 스펙트럼들의 차이들에 기초하여 반도체 채널에서 일축 스트레인을 측정하기 위해 광학 스캐터로메트리가 채용된다. 반도체 채널에 따른 스트레인은 일축이다(즉, 트랜지스터의 소스와 드레인 사이의 채널의 연장 방향과 정렬된다). 스트레인이 일축이기 때문에, 광학 특성들은 일축 스트레인 방향에 평행한 것과 일축 스트레인 방향과 직교하는 것이 상이하다. 부가적으로, 채널에 따른 일축 스트레인의 상태의 변화들은 일축 스트레인의 방향으로 광학 상수들의 값들의 변화들을 야기시키지만, 일축 스트레인의 방향과 직교하는 방향(즉, 트랜지스터의 소스와 드레인 사이의 채널의 연장 방향과 직교하는 방향)으로는 야기시키지 않는다.
일반적으로, 광학 스캐터로메트리 측정 데이터는, 일축 스트레인에 의해 영향받는 트랜지스터 채널의 광학 특성들을 포함하여, 측정된 트랜지스터 구조체들의 지오메트릭 피처(geometric feature)들과 기본 재료들의 광학 특성들 양측 모두에 민감하다. 광학 스캐터로메트리 측정들에 기초하여 트랜지스터 채널의 스트레인의 상태를 추정하기 위해, 측정된 스펙트럼들에 대한 스트레인의 영향이, 측정 시에 캡처된 다른 구조체들(예를 들어, 소스 및 드레인 구조체들 등)의 재료 특성들 및 측정된 계측 타깃들의 지오메트리와 같은 다른 기여자(contributor)들로부터 역상관(decorrelate)된다.
추가의 양태에서, 측정 하의 계측 타깃의 지오메트리가 다른 측정 시스템에 의해 측정되고, 측정된 지오메트리는 광학 스캐터로메트리 측정 모델로 전달된다.
다른 추가의 양태에서, 측정된 스펙트럼 신호들에 기초하여 측정 하의 계측 타깃의 지오메트릭 프로파일을 추정하기 위해 트레이닝된 지오메트릭 측정 모델이 채용된다. 추정된 지오메트릭 프로파일은 광학 스캐터로메트리 측정 모델로 전달된다.
추가의 양태에서, 측정 하의 계측 타깃의 재료 특성들이 다른 측정 시스템에 의해 직접 측정되고, 측정된 재료 특성들은 광학 스캐터로메트리 측정 모델로 전달된다.
다른 추가의 양태에서, 측정 하의 계측 타깃의 지오메트리를 분석하기 위해 그리고 스트레인의 절대 값의 추정을 위한 기준을 제공하기 위해 멀티-모델 접근법이 채용된다. 스트레인된 계측 타깃 및 대응하는 스트레인되지 않은 계측 타깃을 포함하는 계측 타깃 쌍 상에서 광학 스캐터로메트리 측정들이 수행된다.
일부 실시예들에서, 스트레인된 계측 타깃은, 소스 및 드레인 구조체들과는 상이한 재료로부터 이루어지는 핀 구조체로 제작되는 계측 타깃이다. 이들 실시예들 중 일부에서, 스트레인되지 않은 계측 타깃은, 핀이 에칭되지 않고 소스 및 드레인 구조체들이 제작되지 않는 부분적으로 제작된 계측 타깃이다. 이들 실시예들에서, 채널 구조체의 단부들에 격자 불일치가 존재하지 않기 때문에 채널 구조체는 스트레인되지 않는다. 일부 다른 실시예들에서, 스트레인되지 않은 계측 타깃은, 핀 구조체 재료가 소스 및 드레인 구조체들을 제작하는 데 사용되는 것과 동일한 재료인 부분적으로 제작된 계측 타깃이다. 재료들이 동일하기 때문에, 채널에는 유도된 스트레인 및 격자 불일치가 없다.
일부 실시예들에서, 스트레인되지 않은 계측 타깃으로부터 수집되는 측정된 스펙트럼들은, 스트레인되지 않은 타깃의 지오메트리를 설명하는 지오메트릭 파라미터들을 해결하기 위해 프로세싱된다. 스트레인된 타깃과 스트레인되지 않은 타깃의 지오메트리가 동일하기 때문에, 스트레인되지 않은 타깃의 측정들에 기초하여 결정된 지오메트리 파라미터들이, 스트레인된 타깃의 광학 파라미터들의 분석으로 전달된다. 이러한 방식으로, 지오메트릭 피처들로부터의 측정된 스펙트럼들에 대한 기여도(contribution)들이 스트레인으로 인해 측정된 스펙트럼들에 대한 기여도들로부터 역상관된다.
일부 다른 실시예들에서, 스트레인되지 않은 타깃과 스트레인된 타깃 양측 모두로부터의 측정된 스펙트럼들이 멀티-타깃 분석에서 프로세싱된다. 이 분석에서, 지오메트릭 파라미터들과 광학 파라미터들 양측 모두가 조합된 분석에서 분석되는데, 여기서 스트레인된 모델과 스트레인되지 않은 모델에 대한 지오메트릭 파라미터들이 링크되어 있지만, 스트레인에 의해 영향받는 밴드 갭(band gap) 및 다른 관련 분산 파라미터들이 독립적으로 변화될 수 있다.
추가의 양태에서, 스트레인된 계측 타깃과 스트레인되지 않은 계측 타깃으로부터 수집되는 측정된 스펙트럼들은, 스트레인된 채널의 밴드 갭 에너지 및 스트레인되지 않은 채널의 밴드 갭 에너지를 해결하기 위해 프로세싱된다. 일부 실시예들에서, 스트레인된 타깃과 스트레인되지 않은 타깃 양측 모두의 트랜지스터 채널의 광학 스캐터로메트리 측정들이 트랜지스터 채널에 대해 입사 전기장의 동일한 각도로 수행된다. 그 후에, 스트레인된 채널의 밴드 갭 에너지와 스트레인되지 않은 채널의 밴드 갭 에너지 사이의 차이에 기초하여 스트레인된 채널에서의 스트레인의 절대 값이 결정된다.
다른 추가의 양태에서, 측정된 스펙트럼 신호들에 기초하여 계측 타깃의 트랜지스터 채널의 스트레인의 상대 값을 추정하기 위해 트레이닝된 스트레인 측정 모델이 채용된다.
다른 추가의 양태에서, 반도체 구조체의 채널에서의 스트레인의 값은 마감된 디바이스로부터 획득되는 전기 테스트 결과들과 상관된다. 이에 후속하여, 제조 프로세스의 조기 스테이지에서 측정되는 스트레인의 값들에 기초하여 마감된 디바이스의 전기적 성능을 예측하기 위해 이 상관의 모델이 사용된다.
전술한 내용은 개요이고 따라서, 필요에 따라, 세부사항의 단순화들, 일반화들 및 생략들을 포함한다; 결과적으로, 본 기술분야의 통상의 기술자들은 개요가 단지 예시적인 것이고 어떠한 방식으로든 제한하는 것이 아니라는 것을 인식할 것이다. 본 명세서에서 설명되는 디바이스들 및/또는 프로세스들의 다른 양태들, 발명적 피처들, 및 이점들은 본 명세서에 제시된 비제한적인 상세한 설명에서 명백해질 것이다.
도 1a는 스트레인되지 않은 상태에서의 트랜지스터를 도시한다.
도 1b는 인장 스트레인의 상태에서의 채널을 갖는 트랜지스터를 도시한다.
도 1c는 압축 스트레인의 상태에서의 채널을 갖는 트랜지스터를 도시한다.
도 2는 본 명세서에서 설명되는 바와 같은 하나 이상의 계측 타깃들의 분광 타원계(spectroscopic ellipsometer)(SE) 측정들을 수행하기 위한 SE 계측 시스템(100)의 일 실시예를 예시하는 다이어그램이다.
도 3은 본 명세서에서 설명되는 바와 같은 하나 이상의 계측 타깃들의 분광 반사계(spectroscopic reflectometer)(SR) 측정들을 수행하기 위한 SR 계측 시스템(200)의 일 실시예를 예시하는 다이어그램이다.
도 4는 본 명세서에서 설명되는 바와 같은 모델 구축 및 분석 기능성을 구현하도록 구성되는 모델 구축 및 분석 엔진(170)의 일 실시예를 예시하는 다이어그램이다.
도 5는 하나의 실시예에서 부분적으로 제작된 트랜지스터 구조체들의 반복 어레이를 포함하는 계측 타깃을 도시한다.
도 6은 다른 실시예에서 부분적으로 제작된 트랜지스터 구조체들의 반복 어레이를 포함하는 계측 타깃을 도시한다.
도 7은 하나의 실시예에서 다수의 계측 타깃 쌍들을 포함하는 실험 계획(Design of Experiments)(DOE) 웨이퍼를 도시한다.
도 8은 도 6에 도시된 계측 타깃의 핀 구조체의 단면도를 도시한다.
도 9는 에치 단계가 수행된 후의 핀 구조체의 단면도를 도시한다.
도 10은 에피택셜 퇴적 단계가 수행된 후의 핀 구조체의 단면도를 도시한다.
도 11은 웨이퍼 상에서 X' 방향으로 배치되는 주기적 계측 타깃들을 포함하는 웨이퍼 상에 입사되는 조명 빔을 예시하는 다이어그램이다.
도 12는 입사 각도 θ 및 방위 각도 φ에 의해 설명되는 특정 배향(orientation)으로 웨이퍼 상에 입사되는 조명 빔을 예시하는 다이어그램이다.
도 13은 본 명세서에서 설명되는 바와 같은 하나의 예에서 부분적으로 제작된 트랜지스터 구조체들의 채널 구조체들에서 스트레인을 측정하기 위한 방법(400)을 예시하는 흐름도이다.
도 14는 본 명세서에서 설명되는 바와 같은 다른 예에서 부분적으로 제작된 트랜지스터 구조체들의 채널 구조체들에서 스트레인을 측정하기 위한 방법(500)을 예시하는 흐름도이다.
이제, 본 발명의 배경 예들 및 일부 실시예들을 상세히 참조할 것이고, 그의 예들이 첨부 도면들에 예시되어 있다.
트랜지스터 채널 구조체들의 광학 특성들을 측정하고 광학 특성들을 측정된 채널 구조체들의 스트레인의 상태에 링크시키기 위한 방법들 및 시스템들이 본 명세서에 제시되어 있다. 더 구체적으로는, 스트레인의 상태에 민감한 반도체 구조체들의 광학 특성들을 측정하기 위해 광학 스캐터로메트리가 채용된다. 스트레인 상태의 변화들이 측정된 재료의 밴드 구조체를 변경하는데, 이는, 차례로, 측정된 광학 특성들의 값들을 변경하기 때문에, 광학 스캐터로메트리가 스트레인의 상태를 직접 프로빙(probe)한다.
부분적으로 제조된 실제 디바이스 구조체들(즉, 기능하는 전자 디바이스들로 추가로 제조된 디바이스 구조체들)을 가깝게 모방한 계측 타깃들 상에서 스트레인의 광학 스캐터로메트리 측정들이 수행된다. 계측 타깃들은 2차원 또는 3차원 디바이스형 격자(즉, 주기적) 타깃들이다. 계측 타깃들 및 그 계측 타깃들에 의해 모방된 실제 디바이스 구조체들의 사이즈는 동일하다. 예를 들어, 계측 타깃과 실제 디바이스의 주요 구조체들의 임계 치수들은 동일하다(예를 들어, 소스, 드레인, 채널 치수들). 실제 디바이스 구조체들이 전형적으로 주기적이지 않기 때문에, 실제 디바이스 구조체들의 직접적인, 물리 기반, 비파괴 측정들은 종종 가능하지 않다. 일부 실시예들에서, 대응하는 계측 타깃들에는 일부 비필수적 피처들이 누락되어 있는데, 이는 대응하는 실제 디바이스의 비주기성을 야기시킨다. 이들 비필수적 피처들이 없다면, 계측 타깃들은 주기적이고 광학 스캐터로메트리 기반 측정에 적합하다.
일부 예들에서, 부분적으로 제조된 핀 전계 효과 트랜지스터(FINFET) 계측 타깃들 상에서 스트레인의 광학 스캐터로메트리 기반 측정들이 수행된다. FINFET 트랜지스터의 소스 및 드레인 구조체들을 형성하는 에피택셜 성장 단계들 직후에 스트레인을 측정하는 능력은 에피택셜 성장 프로세스의 급속한 미세화 및 완성된 반도체 디바이스의 임계 전압과 같은 다양한 전기적 특성들의 조기 추정을 가능하게 한다. 이것은 프로세스 개발 제작 설비들에서 제작 레시피 최적화(fabrication recipe optimization) 동안 유용하다. 부가적으로, FINFET 트랜지스터의 소스 및 드레인 구조체들을 형성하는 에피택셜 성장 단계들 직후에 스트레인을 측정하는 능력은 FINFET 디바이스들을 대량으로 제조하는 동안 허용가능하지 않은 이탈(excursion)들을 신속하게 식별하기 위해 에피택셜 성장 프로세스의 즉각적인 모니터링을 가능하게 한다.
고체 재료의 스트레인의 상태의 변화는 스트레인된 재료의 광학 밴드 구조체의 변화를 야기시킨다. 따라서, 재료를 특성화하기 위해 채용된 광학 분산 모델의 광학 상수들의 값들은, 측정된 재료의 스트레인 상태의 변화들의 결과로서 변경된다. 스트레인에 민감한 예시적인 광학 상수들은, 복소 굴절률의 실수(n) 및 허수(k) 성분들, 유전 함수의 실수(ε1) 및 허수(ε2) 부분들, 반사율, 및 도출된 특성들, 예컨대 밴드 갭 및 다른 밴드 구조체 파라미터들을 포함한다.
실리콘 구조체에서의 일축 인장 스트레인의 상태가 전자 밴드 구조체를 수정하는데, 이는 차례로, 실리콘 구조체의 저항률을 변경한다. 미시적으로는, 허용되는 대칭 동작들의 수가 감소되고, 허용되는 대칭 동작들의 수는 실리콘 결정에 응력이 가해지는 방식에 좌우된다. 실리콘 결정의 격자 대칭을 깨면 상이한 전도 및 가전자 밴드들의 에너지 레벨들의 시프트, 상이한 전도 및 가전자 밴드들의 왜곡, 축퇴(degeneracy)의 제거, 또는 이들의 임의의 조합을 야기시킨다.
하나의 예에서, 평면 내 이축 인장 스트레인(in-plane biaxial tensile strain)이 실리콘 결정에 적용되고, 일축 압축 스트레인이 평면에 수직인 방향으로 유도된다. 전도 밴드 최소치의 평면 Δ2 밸리(valley)들 중에서 2개 및 4개의 Δ4 밸리들에서 축퇴가 제거된다. 그에 따라, 에너지가 분할된다. 전도 밴드 및 가전자 밴드에 대한 이축 스트레인의 영향을 연구하는 다양한 이론적 시뮬레이션들이 『"Si/SiGe heterostructures: from material and physics to devices and circuits", Semicond. Sci. Technol. 19 (2004) R75-R108, by Douglas J. Paul』이라는 명칭의 논문에 설명되어 있고, 그 내용은 본 명세서에 그 전체가 참조로 포함된다. 이 논문은 적용된 스트레인의 함수로서 유효 질량의 변화 그리고 적용된 스트레인의 함수로서 이동도와 임계 포인트들(에너지 레벨들)의 변화를 설명한다.
밴드갭 에너지를 스트레인의 절대 값에 링크시키는 모델이 『"Rapid photoreflectance spectroscopy for strained silicon metrology", by Chouaib et al., Review of Scientific Instruments 79.10, 103106 (2008)』에 설명되어 있고, 그의 대상물이 본 명세서에 그 전체가 참조로 포함된다. 이 모델은 식 (1)에 예시된 바와 같이 실리콘의 변화 밴드 에너지에 스트레인을 관련시키고,
Figure pct00001
(1)
여기서 ΔE는 밴드 갭 에너지의 변화와 유사하고, εper은 입사 광에 수직인 방향에 따른 스트레인이고, εpar은 입사 광에 평행한 방향으로의 스트레인이고, D1 1은 -9.8 eV인 것으로 측정된 Si의 정역학적 변형 전위이며, D3 3은 4.7 eV의 값을 갖는 밴드 내 스트레인 변형이다. 식 (1)은 식 (2)로 단순화될 수 있다.
Figure pct00002
(2)
FINFET 채널에 따른(즉, 소스와 드레인을 연결하는 방향에 따른) 일축 스트레인은 결정 대칭을 감소시키고, 대칭-결정된 밴드 축퇴들을 증가시킨다. 채널에 따른 일축 스트레인에 대한 스트레인 텐서(즉, 방향 [1 0 0])가 다음과 같이 표현될 수 있고
Figure pct00003
(3)
여기서 εpar은 채널에 따른 스트레인(즉, 방향 [1 0 0])이고 εper은 채널의 표면에 수직인 스트레인(즉, 방향 [0 0 1])이다. 방향 [1 0 0]에 따른 일축 스트레인은 방향 [0 1 0] 또는 방향 [0 0 1]에 따른 일축 스트레인과 비교하여 상이하게 전도 밴드 최소치(conduction band minimum)(CBM)를 분할한다. 2개 세트들의 서브밴드들 대신에, 방향 [0 1 0]이 한정된 방향 [1 0 0]에 따른 일축 스트레인은, I, II 및 III로서 마킹되는, 각각의 세트가 이중 축퇴된 3개 세트들의 서브밴드들을 생성할 것이다. 각각의 쌍 사이의 에너지 분할은 식들 (4) 및 (5)에 예시된 바와 같이 결정되고,
Figure pct00004
(4)
Figure pct00005
(5)
여기서 ε는 일축 스트레인이고,
Figure pct00006
는 일축 변형 전위이고, c11 및 c12는 실리콘의 컴플라이언스 계수(compliance coefficient)들이다. 그 결과, 일축 스트레인 하의 실리콘 재료는 이방성 광학 특성들을 나타낸다. 따라서, 측정 하의 재료의 광학 분산이 구조체 자체에 대한 입사 전기장의 배향에 좌우된다. 게다가, 측정된 스펙트럼들로부터 도출된 광학 특성들의 추정된 값들이 또한 구조체 자체에 대한 입사 전기장의 배향에 좌우된다.
하나의 양태에서, 반도체 채널에 따른 그리고 반도체 채널을 가로지르는 측정된 스펙트럼들의 차이들에 기초하여 반도체 채널에서 일축 스트레인을 측정하기 위해 광학 스캐터로메트리가 채용된다.
반도체 채널에 따른 스트레인은 일축이다(즉, 트랜지스터의 소스와 드레인 사이의 채널의 연장 방향과 정렬된다). 스트레인이 일축이기 때문에, 광학 특성들은 일축 스트레인 방향에 평행한 것과 일축 스트레인 방향과 직교하는 것이 상이하다. 부가적으로, 채널에 따른 일축 스트레인의 상태의 변화들은 일축 스트레인의 방향으로 광학 상수들의 값들의 변화들을 야기시키지만, 일축 스트레인의 방향과 직교하는 방향(즉, 트랜지스터의 소스와 드레인 사이의 채널의 연장 방향과 직교하는 방향)으로는 야기시키지 않는다.
일부 예들에서, FINFET 디바이스의 트랜지스터 채널의 광학 스캐터로메트리 측정들이 트랜지스터 채널에 대한 입사 전기장의 2개의 상이한 각도들로 수행된다. 채널의 실리콘 밴드 갭에서의 측정된 차이들은 채널 구조체를 따라 존재하는 일축 스트레인의 방향과 크기를 결정하기 위해 채용된다. 이들 예들 중 일부에서, 일축으로 스트레인된 FINFET 채널의 밴드 갭은 광학 스캐터로메트리에 의해 일축 스트레인의 방향에 평행하게 그리고 그와 직교하여 측정된다. 측정된 밴드 갭의 차이는, 채널 구조체를 따라 존재하는 스트레인의 상태를 표시한다. 이들 예들에서, 채널의 연장 방향에 평행하게 측정된 일축으로 스트레인된 FINFET 채널의 밴드 갭은 Eg0이고, 채널의 연장 방향에 수직으로 측정된 일축으로 스트레인된 FINFET 채널의 밴드 갭은 Eg90이다. 이들 밴드 갭들의 차이가 스트레인된 상태와 스트레인되지 않은 상태 사이의 밴드 에너지의 차이를 정확히 표현한다고 가정하고, 채널의 연장 방향에 수직인 방향으로의 스트레인이 무시해도 될 정도라고 가정하면, 식 (2)는 식 (6)에 예시된 바와 같이 재작성될 수 있다.
Figure pct00007
(6)
이러한 방식으로, 소스로부터 드레인까지의 채널의 연장 방향에 따른 스트레인의 절대 값은, 채널의 연장 방향에 평행하게 그리고 그에 수직으로 측정된 밴드 갭들 사이의 차이에 기초하여 추정된다.
도 2는 본 명세서에서 설명되는 바와 같은 하나 이상의 계측 타깃들의 분광 타원계(SE) 측정들을 수행하기 위한 예시적인 SE 계측 시스템(100)을 도시한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 계측 시스템(100)은 SE 서브시스템을 포함한다.
SE 서브시스템(105)은, 웨이퍼(101) 상에 입사되는 조명 광(107)의 빔을 생성하는 조명 소스(110)를 포함한다. 일부 실시예들에서, 조명 소스(110)는, 자외선, 가시, 및 적외선 스펙트럼들에서 조명 광을 방출하는 광대역 조명 소스이다. 하나의 실시예에서, 조명 소스(110)는 레이저 지속 플라즈마(laser sustained plasma)(LSP) 광 소스(일명, 레이저 구동 플라즈마 소스)이다. LSP 광 소스의 펌프 레이저는 연속파 또는 펄스형일 수도 있다. 레이저 구동 플라즈마 소스는 150 나노미터들로부터 2,500 나노미터들까지의 전체 파장 범위에 걸쳐 크세논 램프보다 훨씬 더 많은 광자들을 생성할 수 있다. 조명 소스(110)는, 단일 광 소스 또는 복수의 광대역 또는 이산 파장 광 소스들의 조합일 수 있다. 조명 소스(110)에 의해 생성된 광은, 자외선으로부터 적외선까지(예를 들어, 진공 자외선으로부터 중적외선까지)의 연속 스펙트럼 또는 연속 스펙트럼의 일부들을 포함한다. 일반적으로, 조명 광 소스(110)는 초 연속 레이저 소스(super continuum laser source), 적외선 헬륨-네온 레이저 소스, 아크 램프, 글로바 소스(globar source), 또는 임의의 다른 적합한 광 소스를 포함할 수도 있다.
일부 실시예들에서, 조명 광의 양은, 적어도 500 나노미터들에 걸쳐 있는 파장들의 범위를 포함하는 광대역 조명 광이다. 하나의 예에서, 광대역 조명 광은 250 나노미터들 미만의 파장들 및 750 나노미터들 초과의 파장들을 포함한다. 일반적으로, 광대역 조명 광은 120 나노미터들 내지 4,200 나노미터들의 파장들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 4,200 나노미터들을 초과하는 파장들을 포함하는 광대역 조명 광이 채용될 수도 있다. 일부 실시예들에서, 조명 소스(110)는, 150 나노미터들 내지 400 나노미터들의 범위에 걸친 파장들을 갖는 광을 방출하는 중수소 소스, 180 나노미터들 내지 2,500 나노미터들의 범위에 걸친 파장들을 갖는 광을 방출하는 LSP 소스, 800 나노미터들 내지 4,200 나노미터들의 범위에 걸친 파장들을 갖는 광을 방출하는 초 연속 소스, 및 2,000 나노미터들 내지 20,000 나노미터들의 범위에 걸친 파장들을 갖는 광을 방출하는 글로바 소스를 포함한다.
도 2에 도시된 바와 같이, SE 서브시스템(105)은, 웨이퍼(101) 상에 형성되는 하나 이상의 구조체들로 조명 광(107)을 지향시키도록 구성되는 조명 서브시스템을 포함한다. 조명 서브시스템은 광 소스(110), 조명 광학기(illumination optics)(111A), 하나 이상의 광학 필터들(111B), 편광 컴포넌트(112), 조명 시야 조리개(illumination field stop)(113), 및 조명 동공 구경 조리개(illumination pupil aperture stop)(114)를 포함하는 것으로 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 도 2에서, 조명 광의 빔(107)은 빔이 조명 소스(110)로부터 웨이퍼(101)로 전파될 때 조명 광학기(111A), 광학 필터(들)(111B), 편광 컴포넌트(112), 시야 조리개(113), 및 구경 조리개(114)를 통과한다. 빔(107)은 측정 지점(108) 위에 웨이퍼(101)의 일 부분을 조명한다.
조명 광학기(111A)는 조명 광(107)을 컨디셔닝하고 조명 광(107)을 측정 지점(108) 상에 포커싱한다. 하나 이상의 광학 필터들(111B)은, 조명 서브시스템으로부터의, 광 레벨, 스펙트럼 출력, 또는 이들의 조합들을 제어하는 데 사용된다. 일부 예들에서, 하나 이상의 멀티-존 필터들이 광학 필터들(111B)로서 채용된다. 편광 컴포넌트(112)는 조명 서브시스템을 빠져나가는 원하는 편광 상태를 생성한다. 일부 실시예들에서, 편광 컴포넌트는 편광기, 보상기, 또는 이들 양측 모두이고, 임의의 적합한 상업적으로 입수가능한 편광 컴포넌트를 포함할 수도 있다. 편광 컴포넌트는 고정되거나, 상이한 고정 포지션들로 회전가능하거나, 또는 연속적으로 회전할 수 있다. 도 2에 도시된 SE 조명 서브시스템은 하나의 편광 컴포넌트를 포함하지만, SE 조명 서브시스템은 하나 초과의 편광 컴포넌트를 포함할 수도 있다. 시야 조리개(113)는 조명 서브시스템의 시야(field of view)(FOV)를 제어하고 임의의 적합한 상업적으로 입수가능한 시야 조리개를 포함할 수도 있다. 구경 조리개(114)는 조명 서브시스템의 개구 수(numerical aperture)(NA)를 제어하고 임의의 적합한 상업적으로 입수가능한 구경 조리개를 포함할 수도 있다. 조명 소스(110)로부터의 광은 웨이퍼(101) 상의 하나 이상의 구조체들(도 1에 도시되지 않음) 상에 포커싱된다. SE 조명 서브시스템은, 분광 엘립소메트리의 분야에 알려져 있는 임의의 타입 및 배열의 조명 광학기(111A), 광학 필터(들)(111B), 편광 컴포넌트(112), 시야 조리개(113), 및 구경 조리개(114)를 포함할 수도 있다.
계측 시스템(100)은, 하나 이상의 구조체들과 입사 조명 빔(107) 사이의 상호작용에 의해 생성되는 광을 수집하도록 구성되는 수집 광학기 서브시스템을 또한 포함한다. 수집된 광의 빔(109)은 수집 광학기(115)에 의해 측정 지점(108)으로부터 수집된다. 수집된 광(109)은 수집 광학기 서브시스템의 수집 구경 조리개(116), 편광 요소(117), 및 시야 조리개(118)를 통과한다.
수집 광학기(115)는, 웨이퍼(101) 상에 형성되는 하나 이상의 구조체들로부터의 광을 수집하기 위한 임의의 적합한 광학 요소들을 포함한다. 수집 구경 조리개(116)는 수집 광학기 서브시스템의 NA를 제어한다. 편광 요소(117)는 원하는 편광 상태를 분석한다. 편광 요소(117)는 편광자 또는 보상기이다. 편광 요소(117)는 고정되거나, 상이한 고정 포지션들로 회전가능하거나, 또는 연속적으로 회전할 수 있다. 도 2에 도시된 수집 서브시스템은 하나의 편광 요소를 포함하지만, 수집 서브시스템은 하나 초과의 편광 요소를 포함할 수도 있다. 수집 시야 조리개(118)는 수집 서브시스템의 FOV를 제어한다. 수집 서브시스템은 웨이퍼(101)로부터 광을 취득하고 수집 광학기(115), 구경 조리개(116), 및 편광 요소(117)를 통해 광을 지향시켜 수집 시야 조리개(118) 상에 포커싱된다. 일부 실시예들에서, 수집 시야 조리개(118)는 검출 서브시스템의 분광계들을 위한 분광계 슬릿으로서 사용된다. 그러나, 수집 시야 조리개(118)는 검출 서브시스템의 분광계들의 분광계 슬릿에 또는 그 근처에 위치될 수도 있다.
수집 서브시스템은, 분광 엘립소메트리의 분야에 알려져 있는 임의의 타입 및 배열의 수집 광학기(115), 구경 조리개(116), 편광 요소(117), 및 시야 조리개(118)를 포함할 수도 있다.
도 1에 도시된 실시예에서, 수집 광학기 서브시스템은 광을 검출기(119)로 지향시킨다. 검출기(119)는 측정 지점(108)에서 조명 서브시스템에 의해 조명되는 하나 이상의 구조체들로부터 수집되는 광에 응답하여 출력을 생성한다. 하나의 예에서, 검출기(119)는, 자외선 및 가시 광(예를 들어, 190 나노미터들 내지 860 나노미터들의 파장들을 갖는 광)에 민감한 전하 커플링 디바이스들(charge coupled devices)(CCD)을 포함한다. 다른 예들에서, 검출기(119)는, 적외선 광(예를 들어, 950 나노미터들 내지 2500 나노미터들의 파장들을 갖는 광)에 민감한 광 검출기 어레이(photo detector array)(PDA)를 포함한다. 그러나, 일반적으로, 검출기(119)는 다른 검출기 기술들 및 배열체들(예를 들어, 포지션 감지 검출기(position sensitive detector)(PSD), 적외선 검출기, 광전지 검출기, 직교 셀 검출기, 카메라 등)을 포함할 수도 있다. 각각의 검출기는 입사 광을 입사 광의 스펙트럼 세기를 표시하는 전기 신호들로 변환한다. 일반적으로, 검출기(119)는 검출기(119) 상에서 검출되는 광을 표시하는 출력 신호들(103)을 생성한다.
반도체 웨이퍼(101)의 표면 법선에 대한 조명 빔(107)의 각각의 배향이 조명 빔(107)에 대한 웨이퍼(101)의 임의의 2개의 각도 회전들에 의해 설명되거나, 또는 그 반대의 경우도 마찬가지이다. 하나의 예에서, 배향은 웨이퍼에 고정되는 좌표계에 대해 설명될 수 있다. 도 12는 입사 각도 θ 및 방위 각도 φ에 의해 설명되는 특정 배향으로 웨이퍼(101) 상에 입사되는 조명 빔(107)을 도시한다. 좌표 프레임 XYZ는 SE 계측 시스템(예를 들어, 조명 빔(107))에 고정되고 좌표 프레임 X'Y'Z'는 웨이퍼(101)에 고정된다. Y 축은 웨이퍼(101)의 표면과 평면으로 정렬된다. X 및 Z는 웨이퍼(101)의 표면과 정렬되지 않는다. Z'는 웨이퍼(101)의 표면에 수직인 축과 정렬되고, X' 및 Y'는 웨이퍼(101)의 표면과 정렬된 평면에 있다. 도 12에 도시된 바와 같이, 조명 빔(107)은 Z 축과 정렬되고 따라서 XZ 평면 내에 놓인다. 입사 각도 θ는 XZ 평면에서 웨이퍼의 표면 법선에 대한 조명 빔(107)의 배향을 설명한다. 게다가, 방위 각도 φ는 X'Z' 평면에 대한 XZ 평면의 배향을 설명한다. 함께, θ 및 φ는 웨이퍼(101)의 표면에 대한 조명 빔(107)의 배향을 고유하게 정의한다. 이 예에서, 웨이퍼(101)의 표면에 대한 조명 빔의 배향은 웨이퍼(101)의 표면에 수직인 축(즉, Z' 축)을 중심으로 한 회전 및 웨이퍼(101)의 표면과 정렬된 축(즉, Y 축)을 중심으로 한 회전에 의해 설명된다.
도 2에 예시된 바와 같이, SE 계측 툴(100)은, 조명 빔(107)에 대한 넓은 범위의 입사 각도들 및 방위 각도에 걸쳐 시료(101)을 정렬시키는 것과 시료(101)을 배향시키는 것 양측 모두를 하도록 구성되는 시료 포지셔닝 시스템(190)을 포함한다. 이러한 방식으로, 시료(101)의 측정치들이 시료(101) 표면 상의 임의의 수의 위치들 및 배향들에 걸쳐 계측 시스템(100)에 의해 수집된다. 하나의 예에서, 컴퓨팅 시스템(130)은 시료(101)의 원하는 포지션을 표시하는 커맨드 신호들(도시되지 않음)을 시료 포지셔닝 시스템(190)으로 통신한다. 이에 응답하여, 시료 포지셔닝 시스템(190)은 시료(101)의 원하는 포지셔닝을 달성하기 위한 커맨드 신호들을 시료 포지셔닝 시스템(190)의 다양한 액추에이터들에 발생시킨다.
일반적으로, 시료 포지셔닝 시스템(190)은, 고니오미터 스테이지(goniometer stage)들, 헥사포드 스테이지(hexapod stage)들, 각도 스테이지들, 및 선형 스테이지들을 포함하지만 이에 제한되지 않는, 원하는 선형 및 각도 포지셔닝 성능을 달성하기 위한 기계적 요소들의 임의의 적합한 조합을 포함할 수도 있다.
일부 예들에서, SE 계측 시스템(100)은 부분적으로 제작된 FINFET 디바이스들의 어레이를 포함하는 계측 타깃을 2개의 상이한 방위 각도들로 조명하고, 스펙트럼 신호들(103)이 각각의 측정에 대해 생성된다. 이들 예들 중 일부에서, 하나의 방위 각도는 트랜지스터 채널들의 연장 방향(즉, 소스와 드레인을 연결하는 방향)에 평행한 방향으로 정렬되고, 다른 방위 각도는 트랜지스터 채널들의 연장 방향과 직교하여 정렬된다. 이러한 방식으로, 측정들은 트랜지스터 채널에 대한 2개의 직교 각도들로 조명 광의 입사 전기장을 이용하여 수행된다. 도 11은 웨이퍼(101) 상에 입사되는 조명 빔(107)을 예시하는 다이어그램이다. 도 11에 도시된 바와 같이, 웨이퍼(101) 상에 배치되는 계측 타깃들은 X' 방향으로 주기적이다.
계측 시스템(100)은, 검출된 신호들(103)을 수신하고 측정된 신호들에 적어도 부분적으로 기초하여 측정된 구조체(들)의 스트레인을 표시하는 값의 추정치를 결정하도록 구성되는 컴퓨팅 시스템(130)을 또한 포함한다. 일부 예들에서, 컴퓨팅 시스템(130)은 측정된 스펙트럼들(103)에 기초하여 각각의 방위 각도에서 측정된 채널들의 밴드 갭을 결정한다. 게다가, 컴퓨팅 시스템(130)은 각각의 방위 각도에서의 측정된 실리콘 밴드 갭 사이의 차이에 기초하여 측정된 채널들을 따라 존재하는 스트레인의 표시를 결정한다.
일반적으로, SE 계측 시스템(100)과 같은 광학 산란계가 임의의 원하는 입사 각도 및 방위 각도로 측정 하의 계측 타깃에 조명 광을 전달하도록 구성된다.
도 3은 본 명세서에서 설명되는 바와 같은 하나 이상의 계측 타깃들의 분광 반사계(SR) 측정들을 수행하기 위한 예시적인 SR 계측 시스템(200)을 도시한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 계측 시스템(200)은 SR 서브시스템(106)을 포함한다. SR 서브시스템(106)은, 웨이퍼(101) 상에 입사되는 조명 광(135)의 빔을 생성하는 조명 소스(120)를 포함한다. 일부 실시예들에서, 조명 소스(120)는, 자외선, 가시, 및 적외선 스펙트럼들에서 조명 광을 방출하는 광대역 조명 소스이다. 하나의 실시예에서, 조명 소스(120)는 레이저 지속 플라즈마(LSP) 광 소스(일명, 레이저 구동 플라즈마 소스)이다. LSP 광 소스의 펌프 레이저는 연속파 또는 펄스형일 수도 있다. 레이저 구동 플라즈마 소스는 150 나노미터들로부터 2,500 나노미터들까지의 전체 파장 범위에 걸쳐 크세논 램프보다 훨씬 더 많은 광자들을 생성할 수 있다. 조명 소스(120)는, 단일 광 소스 또는 복수의 광대역 또는 이산 파장 광 소스들의 조합일 수 있다. 조명 소스(120)에 의해 생성된 광은, 자외선으로부터 적외선까지(예를 들어, 진공 자외선으로부터 중적외선까지)의 연속 스펙트럼 또는 연속 스펙트럼의 일부들을 포함한다. 일반적으로, 조명 광 소스(120)는 초 연속 레이저 소스, 적외선 헬륨-네온 레이저 소스, 아크 램프, 글로바 소스, 또는 임의의 다른 적합한 광 소스를 포함할 수도 있다.
추가의 양태에서, 조명 광의 양은, 적어도 500 나노미터들에 걸쳐 있는 파장들의 범위를 포함하는 광대역 조명 광이다. 하나의 예에서, 광대역 조명 광은 250 나노미터들 미만의 파장들 및 750 나노미터들 초과의 파장들을 포함한다. 일반적으로, 광대역 조명 광은 120 나노미터들 내지 4,200 나노미터들의 파장들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 4,200 나노미터들을 초과하는 파장들을 포함하는 광대역 조명 광이 채용될 수도 있다. 일부 실시예들에서, 조명 소스(110)는, 150 나노미터들 내지 400 나노미터들의 범위에 걸친 파장들을 갖는 광을 방출하는 중수소 소스, 180 나노미터들 내지 2,500 나노미터들의 범위에 걸친 파장들을 갖는 광을 방출하는 LSP 소스, 800 나노미터들 내지 4,200 나노미터들의 범위에 걸친 파장들을 갖는 광을 방출하는 초 연속 소스, 및 2,000 나노미터 내지 20,000 나노미터들의 범위에 걸친 파장들을 갖는 광을 방출하는 글로바 소스를 포함한다.
도 3에 도시된 바와 같이, SR 서브시스템(106)은, 웨이퍼(101) 상에 형성되는 계측 타깃들로 조명 광(135)을 지향시키도록 구성되는 조명 서브시스템을 포함한다. 조명 서브시스템은 광 소스(120), 하나 이상의 광학 필터들(121), 조명 시야 조리개(122A), 조명 구경 조리개(122B), 편광 컴포넌트(129), 광학기(123), 빔 스플리터(124), 및 대물 렌즈(125)를 포함하는 것으로 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 도 3에서, 조명 광의 빔(135)은 빔이 조명 소스(120)로부터 웨이퍼(101)로 전파될 때 광학 필터(들)(121), 편광 컴포넌트(129), 시야 조리개(122A), 조명 구경 조리개(122B), 광학기(123), 빔 스플리터(124), 및 대물 렌즈(125)를 통과한다. 빔(135)은 측정 지점(108) 위에 웨이퍼(101)의 일 부분을 조명한다.
하나 이상의 광학 필터들(121)은 광 레벨, 공간 출력, 스펙트럼 출력, 또는 이들의 조합들을 제어한다. 일부 예들에서, 하나 이상의 멀티-존 필터들이 광학 필터들(121)로서 채용된다. 편광 컴포넌트(129)는 조명 서브시스템을 빠져나가는 원하는 편광 상태를 생성한다. 일부 실시예들에서, 편광 컴포넌트는 편광기, 보상기, 또는 이들 양측 모두이고, 임의의 적합한 상업적으로 입수가능한 편광 컴포넌트를 포함할 수도 있다. 편광 컴포넌트는 고정되거나, 상이한 고정 포지션들로 회전가능하거나, 또는 연속적으로 회전할 수 있다. 도 3에 도시된 SR 조명 서브시스템은 하나의 편광 컴포넌트를 포함하지만, SR 조명 서브시스템은 하나 초과의 편광 컴포넌트를 포함할 수도 있다. 시야 조리개(122A)는 SR 조명 서브시스템의 시야(FOV)를 제어하고 임의의 적합한 상업적으로 입수가능한 시야 조리개를 포함할 수도 있다. 조명 구경 조리개(122B)는 SR 조명 서브시스템의 조명 개구 수(NA)를 제어하고 임의의 상업적으로 입수가능한 구경 조리개를 포함할 수도 있다. 광학기(123)는 조명 광을 빔 스플리터(124)로 지향시킨다. 빔 스플리터(124)는 조명 광의 일 부분을 대물 렌즈(125)를 향해 지향시킨다. 대물 렌즈(125)는, 웨이퍼(101) 상의 하나 이상의 구조체들(도 3에 도시되지 않음) 상에, 측정 지점(108) 위의 빔 스플리터(124)로부터의 조명 광을 포커싱한다. SR 조명 서브시스템은, 분광 리플렉토메트리의 분야에 알려져 있는 임의의 타입 및 배열의 광학 필터(들)(121), 편광 컴포넌트(129), 조명 시야 조리개(122A), 조명 구경 조리개(122B), 광학기(123), 빔 스플리터(124), 및 대물 렌즈(125)를 포함할 수도 있다.
SR 서브시스템(106)은, 하나 이상의 구조체들과 입사 조명 빔(135) 사이의 상호작용에 의해 생성되는 광을 수집하도록 구성되는 수집 광학기 서브시스템을 또한 포함한다. 수집된 광의 빔(136)은 대물 렌즈(125)에 의해 측정 지점(108)으로부터 수집된다. 수집된 광(136)은 수집 광학기 서브시스템의 빔 스플리터(124), 포커싱 광학기(126), 수집 구경 조리개(127B), 및 수집 시야 조리개(127A)를 통과한다.
대물 렌즈(125)는, 웨이퍼(101) 상에 형성되는 하나 이상의 구조체들로부터의 광을 수집하기 위한 임의의 적합한 광학 요소들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 대물 렌즈(125)는, 조명 및 수집 광학기 서브시스템의 NA를 제어하는 구경 조리개를 포함한다. 수집 구경 조리개(127B)는 수집 서브시스템의 수집 NA를 제어한다. 수집 시야 조리개(127A)는 수집 서브시스템의 시야(FOV)를 제어한다. 수집 서브시스템은 웨이퍼(101)로부터 광을 취득하고 대물 렌즈(125), 빔 스플리터(124), 포커싱 광학기(126), 수집 구경 조리개(127B), 및 수집 시야 조리개(127A)를 통해 광을 지향시킨다. 일부 실시예들에서, 수집 시야 조리개(127A)는 검출 서브시스템의 분광계들을 위한 분광계 슬릿으로서 사용된다. 그러나, 수집 시야 조리개(127A)는 검출 서브시스템의 분광계들의 분광계 슬릿에 또는 그 근처에 위치될 수도 있다.
일부 실시예들에서, 빔 스플리터(124), 대물 렌즈(125), 또는 이들 양측 모두는 조명 및 수집 서브시스템들에 공통될 수도 있다. 일부 실시예들에서, 조명 및 수집 서브시스템들은 동일한 NA를 갖는다. 일부 실시예들에서, 조명 서브시스템 및 수집 서브시스템은 상이한 NA를 갖는다. 수집 서브시스템은, 분광 리플렉토메트리의 분야에 알려져 있는 임의의 타입 및 배열의 대물 렌즈(125), 빔 스플리터(124), 포커싱 광학기(126), 수집 구경 조리개(127B), 및 시야 조리개(127A)를 포함할 수도 있다.
도 3에 도시된 실시예에서, SR 수집 광학기 서브시스템은 수집된 광을 검출기(128)로 지향시킨다. 검출기(128)는 측정 지점(108)에서 조명 서브시스템에 의해 조명되는 하나 이상의 구조체들로부터 수집되는 광에 응답하여 출력을 생성한다. 하나의 예에서, 검출기(128)는, 자외선 및 가시 광(예를 들어, 190 나노미터들 내지 860 나노미터들의 파장들을 갖는 광)에 민감한 전하 커플링 디바이스들(CCD)을 포함한다. 다른 예들에서, 검출기(128)는, 적외선 광(예를 들어, 950 나노미터들 내지 2500 나노미터들의 파장들을 갖는 광)에 민감한 광 검출기 어레이(PDA)를 포함한다. 그러나, 일반적으로, 검출기(128)는 다른 검출기 기술들 및 배열체들(예를 들어, 포지션 감지 검출기(PSD), 적외선 검출기, 광전지 검출기, 직교 셀 검출기, 카메라 등)을 포함할 수도 있다. 각각의 검출기는 입사 광을 입사 광의 스펙트럼 세기를 표시하는 전기 신호들로 변환한다. 일반적으로, 검출기(128)는 검출기(128) 상에서 검출되는 광을 표시하는 출력 신호들(102)을 생성한다.
도 3이 조명 경로에서의 편광 컴포넌트를 예시하고 있지만, 일반적으로, SR 서브시스템(106)은 SR 서브시스템(106)에 의해 수행되는 분광 리플렉토메트리 측정들을 향상시키기 위해, 조명 경로, 수집 경로, 또는 이들 양측 모두에 하나 이상의 편광 컴포넌트들을 포함시킬 수도 있다.
일부 실시예들에서, SE 계측 시스템(100) 및 SR 계측 시스템(200)과 같은 광학 스캐터로메트리 측정 시스템은, 진공으로 유지되거나 또는 불활성 가스로 퍼지되는 챔버에서 광 경로를 둘러싸는 것에 의해 하이-k(high-k) 및 로우-k(low-k) 재료들의 밴드 구조체 특성들을 측정하기 위해 채용되는 조명 광의 파장 범위를 확장시킨다.
일부 예들에서, SR 계측 시스템(200)은 부분적으로 제작된 FINFET 디바이스들의 어레이를 포함하는 계측 타깃을 2개의 상이한 편광 각도들로 조명하고, 스펙트럼 신호들(102)이 각각의 측정에 대해 생성된다. 이들 예들 중 일부에서, 하나의 편광 각도는 트랜지스터 채널들의 연장 방향(즉, 소스와 드레인을 연결하는 방향)에 평행한 방향으로 입사 전기장의 정렬을 발생시키고, 다른 편광 각도는 입사 전기장이 트랜지스터 채널들의 연장 방향과 직교하도록 정렬된다. 이러한 방식으로, 측정들은 트랜지스터 채널에 대한 2개의 직교 각도들로 조명 광의 입사 전기장을 이용하여 수행된다.
계측 시스템(200)은, 검출된 신호들(102)을 수신하고 측정된 신호들에 적어도 부분적으로 기초하여 측정된 구조체(들)의 스트레인을 표시하는 값의 추정치를 결정하도록 구성되는 컴퓨팅 시스템(130)을 또한 포함한다. 일부 예들에서, 컴퓨팅 시스템(130)은 측정된 스펙트럼들(102)에 기초하여 각각의 편광 각도에서 측정된 채널들의 밴드 갭을 결정한다. 게다가, 컴퓨팅 시스템(130)은 각각의 편광 각도에서의 측정된 실리콘 밴드 갭 사이의 차이에 기초하여 측정된 채널들을 따라 존재하는 스트레인의 표시를 결정한다.
추가의 실시예에서, 계측 시스템들(100 및 200)은, 본 명세서에 제공된 설명에 따라 모델 구축 및 분석 툴(170)을 실행하도록 구성되는 하나 이상의 컴퓨팅 시스템들(130)을 포함한다. 선호되는 실시예에서, 모델 구축 및 분석 툴(170)은, 메모리(132)에 저장되는 한 세트의 프로그램 명령어들(134)이다. 프로그램 명령어들(134)은 본 명세서에서 설명되는 바와 같은 모델 구축 및 분석 기능성을 실현하기 위해 하나 이상의 프로세서들(131)에 의해 판독 및 실행된다. 하나 이상의 컴퓨팅 시스템들(130)은 분광계들(105 및 106)에 통신가능하게 커플링될 수도 있다. 하나의 양태에서, 하나 이상의 컴퓨팅 시스템들(130)은 웨이퍼(101) 상에 배치되는 하나 이상의 계측 타깃들의 측정과 연관된 측정 데이터(예를 들어, 스펙트럼들(102), 스펙트럼들(103), 또는 이들 양측 모두)를 수신하도록 구성된다. 하나의 예에서, 측정 데이터는, 분광계로부터의 하나 이상의 샘플링 프로세스들에 기초하여 시료의 측정된 스펙트럼 응답(예를 들어, 파장의 함수로서의 측정된 세기)의 표시를 포함한다. 일부 실시예들에서, 하나 이상의 컴퓨팅 시스템들(130)은 수신된 측정 데이터로부터 측정된 트랜지스터 채널들의 스트레인의 값을 추정하도록 추가로 구성된다.
일부 예들에서, 광학 스캐터로메트리에 기초하는 계측은, 측정된 데이터를 이용하는 미리 결정된 측정 모델의 역해(inverse solution)에 의해, 하나 이상의 광학 특성들, 지오메트릭 파라미터들, 또는 이들 양측 모두의 값들을 결정하는 것을 수반한다. 측정 모델은, 몇몇(대략 10개)의 조정가능한 파라미터들을 포함하고, 측정 시스템의 광학 특성들 및 시료의 광학 특성들 및 지오메트리를 나타낸다. 역해의 방법은, 모델 기반 회귀, 단층 촬영(tomography), 머신 러닝, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 이러한 방식으로, 측정된 광학 세기들과 모델링된 결과들 사이의 에러들을 최소화하는 파라미터화된 측정 모델의 값들을 해결함으로써 타깃 파라미터들이 추정된다.
일반적으로, 본 명세서에서 설명되는 바와 같은 광학 산란계는, 스트레인을 표시할 수도 있는 임의의 적합한 광학 특성들을 측정하도록 구성될 수도 있다. 비제한적인 예로서, 그러한 광학 특성들은, 광학 상수들 예컨대 굴절률, 흡광 계수, 반사율, 모든 유전 함수들, 및 도출된 특성들 예컨대 밴드 갭 및 다른 밴드 구조체 값들을 포함한다.
추가의 양태에서, 컴퓨팅 시스템(130)은 시료의 측정된 구조체의 구조 모델(예를 들어, 지오메트릭 모델, 재료 모델, 또는 조합된 지오메트릭 및 재료 모델)을 생성하고, 모델링된 구조체와 연관된 광학 응답 모델을 생성하며, 광학 응답 모델을 이용하여 광학 측정 데이터의 피팅 분석(fitting analysis)을 수행함으로써 적어도 하나의 시료 파라미터 값들을 분석하도록 구성된다. 분석 엔진은 시뮬레이션된 광학 응답 신호들을 측정된 데이터와 비교하여, 그에 의해 지오메트릭 파라미터들, 광학 파라미터들, 또는 이들 양측 모두의 결정을 가능하게 하는 데 사용된다. 도 4에 도시된 실시예에서, 컴퓨팅 시스템(130)은 본 명세서에서 설명되는 바와 같은 모델 구축 및 분석 기능성을 구현하도록 구성되는 모델 구축 및 분석 엔진(170)으로서 구성된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 모델 구축 및 분석 엔진(170)은, 웨이퍼(101) 상에 배치되는 측정된 계측 타깃의 구조 모델(172)을 생성하는 구조 모델 구축 모듈(171)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 구조 모델(172)은 또한 시료의 재료 특성들을 포함한다. 구조 모델(172)은 광학 응답 함수 구축 모듈(173)에 대한 입력으로서 수신된다. 광학 응답 함수 구축 모듈(173)은 구조 모델(172)에 적어도 부분적으로 기초하여 광학 응답 함수 모델(175)을 생성한다.
광학 응답 함수 모델(175)은 측정된 광학 분산의 파라메트릭 표현을 포함한다. 일부 예들에서, 파라미터화된 모델은 밴드 갭 파라미터에 대한 직접적인 관계를 갖는 유전 함수; 채널 구조체의 전기적 성능의 핵심 지표를 나타낸다. 일반적으로, 미지의(unknown) 파라미터들의 수를 감소시키고 파라미터들 간의 상관들을 감소시키기 위해 특정 파라미터화가 선택된다.
일부 예들에서, 하나 이상의 하이-K 유전체 층들의 광학 응답이 직접 반전 방법(direct inversion method)에 기초하여 예측된다. 이들 방법들은 예로서 『J. Price et al., "Identification of interfacial defects in high-k gate stack films by spectroscopic ellipsometry", J. Vac. Sci. Technol. B 27 (1), 310 (2009)』 및 『J. Price et al., "Identification of sub-band-gap absorption features at the HfO2/Si(100) interface via spectroscopic ellipsometry", APL 91, 061925 (2007)』에 설명되어 있는데, 이들 각각의 대상물이 본 명세서에 그 전체가 포함된다. 그러나, 직접 반전 방법들은 계산적으로 부담스럽고, 통계적 측정 에러들에 매우 민감하며, 측정된 구조체의 물리적 기반 모델을 제공하지 않는다(즉, 광학 함수들이 Kramers-Kronig 일관성 조건(consistency condition)을 충족시키지 않는다). 그 결과, 고 스루풋 검사 및 프로세스 제어를 위한 직접 반전 방법들의 유용성이 제한된다.
일부 다른 예들에서, 하나 이상의 하이-K 유전체 층들의 광학 응답이 BEMA(Bruggeman Effective Model Approximation) 모델에 기초하여 예측된다. BEMA 모델은, 구성 성분들의 가정된 유전 함수들의 유효 조성으로서 층의 유전 함수를 표현한다. 그 후에, 최적화된 유효 조성은 관심 유전체 층의 조성과 관련된다. 일반적으로, BEMA 모델은 구성 성분들의 Kramers-Kronig 일관된 유전 함수들에 기초하고, 따라서 자체적으로 Kramers-Kronig 일관된 것이다. 그 결과, BEMA 모델은 물리적으로 합리적인 결과들을 산출한다. 그러나, BEMA 모델로부터 도출된 밴드 갭의 값은, 의미있는 정확한 결과들을 제공하기 위한 기준을 요구하는 간접 측정치이다.
BEMA와 직접 반전 방법 양측 모두가 광학 스캐터로메트리 측정들로부터 분산 곡선들(예를 들어, 유전 함수의 실수(ε1) 및 허수(ε2) 부분들, 또는 굴절률(n) 및 흡광 계수(k))을 추출하는 데 사용된다. 이에 후속하여, 계산된 분산 곡선들은 밴드 갭을 평가하기 위해 관심 에너지 범위에서 보간되어야 한다. 밴드 갭 추정의 정확도가 밴드 갭 보간을 위한 관심 에너지의 선정에 크게 좌우된다. 더욱이, 밴드 갭은 계산된 분산 곡선들로부터 간접적으로 도출되어야 하기 때문에, 정확한 결과들을 제공하기 위해서는 기준이 요구된다. 이들 실제적인 이유들로, BEMA와 직접 반전 양측 모두는 밴드 갭을 정확하게 모니터링하는 이들의 능력이 제한된다.
일부 다른 예들에서, Tauc-Lorentz 모델 또는 Cody-Lorentz 모델이 예로서 『A.S. Ferlauto et al., "Analytical model for the optical functions of amorphous semiconductors from the near-infrared to ultraviolet: Application in thin film photovoltaics", J. Appl. Phys. 92, 2424 (2002)』에 설명된 바와 같이 채용되고, 그의 대상물이 본 명세서에 그 전체가 포함된다. 이들 모델들에서, 유전 함수의 허수 부분은 파라미터화된 분산 함수로 표현되고, 유전 함수의 실수 부분은 Kramers-Kronig 일관성의 시행에 기초하여 결정된다. 모델 파라미터들(예를 들어, 광학 함수 파라미터들 및 두께들)은, 수치 회귀에 의해, 모델링된 스펙트럼들을 측정된 스펙트럼들에 피팅시킴으로써 평가된다. 모델들의 유효성 및 한도들이 모델 파라미터들의 신뢰 한계(confidence limit)들과 피팅 품질의 통계적 평가에 의해 평가된다.
종래의 Cody-Lorentz 함수의 중요한 제한사항은, 그것이 Urbach 전이 에너지 레벨 ET에서 에너지 범위 E 및 공진 에너지 범위 E0에 걸쳐 불연속 도함수들을 갖는다는 점이다. 이것은 분산 모델이 수학적으로 잘못 정의되게 하여, 모델이 재료의 실제 물리적 피처들에 대한 관련성을 갖지 않는 결과들을 산출할 가능성을 초래하기 쉬워지게 한다. 더욱이, 도함수들의 연속성은, 광학 스캐터로메트리의 최적화가 적용되는 임의의 광학 모델의 중요한 특성이다. 특히, 도함수들의 불연속성은 최적화 프로세스를 계산적으로 불안정하게 만들 수도 있다.
일부 실시예들에서, 선택된 분산 모델은, 하이-K 재료들의 복잡한 벌크 밴드 구조체를 설명하기 위해 연속 1차 도함수들을 갖는 연속 Cody-Lorentz 모델을 포함한다. 선택된 분산 모델은, 결함들, 계면 상태들, 또는 엑시톤 상태(excitonic state)들을 설명하기 위해 부가적인 Lorentz 피크들로 증강된 하이-K 유전체 재료들의 복잡한 벌크 밴드 구조체를 설명하기 위한 일반화된 Cody-Lorentz 모델을 포함한다. 부가적인 Lorentz 피크들로 증강된 일반화된 Cody-Lorentz 모델은, 엑시톤 상태들과 같은, 임의의 기원의 임의의 수의 밴드들을 포함하여, 하이-K 유전체 층들 및 다양한 나노구조체들(예를 들어, 나노와이어들, 양자 점들 및 양자 우물들)을 모델링하기 위해 채용될 수도 있다. 이 모델은 임의의 수의 결함 레벨들을 포함하도록 일반화될 수 있다. 다른 예에서, 이 모델은, 다른 비정질 유전체 슬래브 또는 층에 임베딩되는 나노구조체들(예를 들어, 양자 우물들, 양자 점들 및 나노와이어들)에 적용될 수 있다. 전술한 모델링 기법들의 부가적인 설명이 미국 특허 제9,405,290호, 제9,595,481호, 및 제9,664,734호에 제공되고, 이들의 내용은 본 명세서에 그 전체가 참조로 포함된다.
일반적으로, 임의의 적합한 광학 분산 모델이 본 특허 문서의 범주 내에서 고려될 수도 있다. 비제한적인 예로서, 적합한 분산 모델은 BEMA 모델, Cody-Lorentz 모델, Tauc-Lorentz 모델, 고조파 발진기 모델, 및 점대점 분산 모델을 포함한다.
광학 응답 함수 모델(175)이 피팅 분석 모듈(177)에 대한 입력으로서 수신된다. 피팅 분석 모듈(177)은, 모델링된 광학 응답을 대응하는 측정된 데이터(예를 들어, 측정된 스펙트럼들(102), 측정된 스펙트럼들(103), 또는 이들 양측 모두)와 비교하여, 메모리(예를 들어, 메모리(180))에 저장되는 지오메트릭 특성과 광학 특성 양측 모두의 값들, 또는 시료의 광학 특성들의 값들(104)을 결정한다. 일부 예들에서, 피팅 분석 모듈(177)은 광학 응답 모델(175)로 광학 측정 데이터에 대한 피팅 분석을 수행함으로써 적어도 하나의 광학 파라미터 값을 분석한다.
일부 예들에서, 채널의 연장 방향에 평행하게 측정된 일축으로 스트레인된 FINFET 채널의 밴드 갭의 값 Eg0, 및 채널의 연장 방향에 수직으로 측정된 일축으로 스트레인된 FINFET 채널의 밴드 갭의 값 Eg90이 피팅 분석 모듈(177)에 의해 결정된다. 부가적으로, 피팅 분석 모듈(177)은 식 (6)에 따라 밴드 갭들의 값들에 기초하여 스트레인의 값을 추정한다.
광학 계측 데이터의 피팅은 관심 파라미터들에 대한 감도를 제공하는 임의의 타입의 광학 계측 기술에 유리하다. 시료와의 광 상호작용을 설명하는 적절한 모델들이 사용되는 한, 시료 파라미터들은 결정론적(예를 들어, CD, SWA 등) 또는 통계적(예를 들어, 측벽 거칠기의 rms 높이, 거칠기 상관 길이 등)일 수 있다.
부가적으로, 일부 실시예들에서, 하나 이상의 컴퓨팅 시스템들(130)은 그래픽 사용자 인터페이스, 키보드 등과 같은 사용자 입력 소스로부터 사용자 입력을 수신하도록 추가로 구성된다. 하나 이상의 컴퓨터 시스템들은 측정 하의 반도체 구조체들의 구조 모델들(예를 들어, 구조 모델(172))을 구성하도록 추가로 구성된다.
일반적으로, 광학 스캐터로메트리 측정 데이터는, 일축 스트레인에 의해 영향받는 트랜지스터 채널의 광학 특성들을 포함하여, 측정된 트랜지스터 구조체들의 지오메트릭 피처들과 기본 재료들의 광학 특성들 양측 모두에 민감하다. 광학 스캐터로메트리 측정들에 기초하여 트랜지스터 채널의 스트레인의 상태를 추정하기 위해, 측정된 스펙트럼들에 대한 스트레인의 영향이, 측정 시에 캡처된 다른 구조체들(예를 들어, 소스 및 드레인 구조체들 등)의 재료 특성들 및 측정된 계측 타깃들의 지오메트리와 같은 다른 기여자들로부터 역상관되어야 한다.
추가의 양태에서, 측정 하의 계측 타깃의 지오메트리가 다른 측정 시스템에 의해 측정되고, 측정된 지오메트리는 광학 스캐터로메트리 측정 모델로 전달된다. 예를 들어, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, X-선 기반 계측 시스템 또는 전자 기반 계측 시스템과 같은 측정 소스(150)가, 측정 하의 계측 타깃의 지오메트리를 정확하게 측정하기 위해 채용된다. 측정된 계측 타깃의 지오메트릭 프로파일(151)이 구조 모델 구축 모듈(171)로 전달된다. 이러한 방식으로, 구조 모델 구축 모듈(171)은, 피팅 분석 모듈(177)에 의한 후속 분석에서 플로팅(float)되어야 하는 미지의 지오메트릭 파라미터들 없이 측정 하의 계측 타깃의 지오메트리를 정확하게 표현하는 구조 모델(172)을 생성한다. 예시적인 측정 소스들(150)은, 투과형 소각 x-선 산란계(transmissive small-angle x-ray scatterometer)(T-SAXS), 그레이징 입사 소각 x-선 산란계(grazing incidence small-angle x-ray scatterometer)(GI-SAXS), 반사형 소각 x-선 산란계(reflective small-angle x-ray scatterometer)(R-SAXS), 단일 파장 타원계, 분광 타원계, 투과 전자 현미경, 스캐닝 전자 현미경 등을 포함한다.
다른 추가의 양태에서, 측정된 스펙트럼 신호들(예를 들어, 신호들(102, 103), 또는 이들 양측 모두)에 기초하여 측정 하의 계측 타깃의 지오메트릭 프로파일을 추정하기 위해 트레이닝된 지오메트릭 측정 모델이 채용된다. 추정된 지오메트릭 프로파일은 광학 스캐터로메트리 측정 모델로 전달된다. 일부 실시예들에서, 측정된 계측 타깃의 추정된 지오메트릭 프로파일은 구조 모델 구축 모듈(171)로 전달되고, 구조 모델 구축 모듈(171)은, 피팅 분석 모듈(177)에 의한 후속 분석에서 플로팅되어야 하는 미지의 지오메트릭 파라미터들 없이 측정 하의 계측 타깃의 지오메트리를 정확하게 표현하는 구조 모델(172)을 생성한다. 트레이닝된 지오메트릭 측정 모델은 머신 러닝 기반 모델(예를 들어, 뉴럴 네트워크 모델, 선형 모델, 다항식 모델, 반응 표면 모델(response surface model), 서포트 벡터 머신 모델(support vector machines model), 랜덤 포레스트 모델(random forest model), 또는 다른 타입들의 모델들)이다. 머신 러닝 기반 모델은, 알려진 지오메트릭 프로파일들, 예를 들어, 앞서 설명된 x-선 및 전자 기반 계측 시스템들과 같은 기준 계측 시스템에 의해 정확하게 측정되는 지오메트릭 프로파일들을 갖는 계측 타깃들로부터 수집되는 스펙트럼 신호들에 기초하여 트레이닝된다.
추가의 양태에서, 측정 하의 계측 타깃의 재료 특성들이 다른 측정 시스템에 의해 직접 측정되고, 측정된 재료 특성들은 광학 스캐터로메트리 측정 모델로 전달된다. 하나의 예에서, 채널 구조체의 양 단부에 제작되는 소스 및 드레인 구조체들에 존재하는 게르마늄 농도 또는 카바이드 농도를 측정하기 위해 기준 계측 시스템이 채용된다. 예시적인 기준 계측 시스템들은 x-선 회절계, RAMAN 분광계 등을 포함한다.
일부 예들에서, 측정 하의 계측 타깃 구조체들의 재료 농도들이 간접적으로 측정된다. 일부 예들에서, 측정 하의 계측 타깃 구조체들과 동일한 프로세스 조건들 하에서 박막 샘플이 제작된다. 박막 샘플의 재료 농도들이 측정된다. 측정된 재료 농도들은 측정 하의 계측 구조체들의 재료 농도들에 대한 프록시로서 광학 스캐터로메트리 모델로 전달된다. 재료 농도들의 정확한 측정치들은, 스펙트럼 신호들에 대한 이들의 기여도를, 스트레인의 상태를 추정하는 데 직접 사용되는 밴드 갭 측정치로부터 역상관시킨다.
다른 추가의 양태에서, 측정 하의 계측 타깃의 지오메트리를 분석하기 위해 그리고 스트레인의 절대 값의 추정을 위한 기준을 제공하기 위해 멀티-모델 접근법이 채용된다. 스트레인된 계측 타깃 및 대응하는 스트레인되지 않은 계측 타깃을 포함하는 계측 타깃 쌍 상에서 광학 스캐터로메트리 측정들이 수행된다.
도 5는 부분적으로 제작된 트랜지스터 구조체들의 반복 어레이를 포함하는 계측 타깃(160)을 도시한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 트랜지스터 구조체들의 어레이는 X' 방향으로 반복된다. 하나의 트랜지스터는 소스(162A), 드레인(도 5에서는 가시적이지 않음), 및 채널(161A)을 포함한다. 제2 트랜지스터는 소스(162B), 드레인(도 5에서는 가시적이지 않음), 및 채널(도 5에서는 가시적이지 않음)을 포함한다. 계측 타깃(160)은, 각각의 트랜지스터의 채널들을 포함하는 핀 구조체들(예를 들어, 핀 구조체들(164A 및 164B))의 어레이를 포함한다. 실리콘 이산화물 절연 재료(166)가 각각의 트랜지스터를 서로 격리시킨다. 스페이서들(165) 및 라이너(167)가 게이트(도시되지 않음)를 소스 및 드레인 구조체들로부터 격리시킨다.
도 6은 부분적으로 제작된 트랜지스터 구조체들의 반복 어레이를 포함하는 다른 계측 타깃(169)을 도시한다. 계측 타깃(169)은, 각각의 트랜지스터의 채널들을 포함하는 핀 구조체들(예를 들어, 핀 구조체들(168A 및 168B))의 어레이를 포함한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 도 5에 도시된 소스 및 드레인 구조체들을 형성하는 에치 및 에피택셜 퇴적 단계들이 아직 계측 타깃(169) 상에서 수행되지 않았다. 그렇지 않으면, 계측 타깃들(169 및 160)은 동일하다.
도 8은 도 6에 도시된 계측 타깃(169)의 핀 구조체(168A)의 단면도를 도시한다.
도 9는 에치 단계가 수행된 후의 핀 구조체(164A)의 동일한 단면도를 도시한다. 도 9에 도시된 바와 같이, 핀 구조체(168A)의 코너들이 에치 단계에 의해 제거된다. 에칭된 재료의 높이 H 및 폭 W 치수들이 도 9에 예시되어 있다.
도 10은 에피택셜 퇴적 단계가 수행된 후의 핀 구조체(164A)의 동일한 단면도를 도시한다. 도 10에 도시된 바와 같이, 핀 구조체(164A)의 코너들이, 트랜지스터의 소스(163A) 및 드레인(162A) 구조체들을 형성하는 재료로 채워진다. 게다가, 소스 및 드레인 구조체들을 연결하는 핀 구조체(164A)의 부분은 트랜지스터의 채널 구조체(161A)이다.
스트레인의 상태에서의 채널로 제작되는 트랜지스터가, 소스 및 드레인 구조체들과는 상이한 재료로부터 이루어지는 핀 구조체로 제작된다. 하나의 예에서, 핀 구조체(161A)는 실리콘으로 제작되고, 소스 구조체(162A) 및 드레인 구조체(163A)는 실리콘 게르마늄 에피택시(예를 들어, Si1-xGex)로 제작된다. 이들 2개의 상이한 재료들 사이의 격자 불일치가 채널(161A)을 따라 압축 스트레인을 유도한다. 이 예에서, 게르마늄 농도는 격자 불일치의 정도를 제어하고, 그에 따라, 유도된 스트레인에 영향을 준다. 다른 예에서, 핀 구조체(161A)는 실리콘으로 제작되고, 소스 구조체(162A) 및 드레인 구조체(163A)는 인으로 도핑된 실리콘 또는 실리콘 카바이드로 제작된다. 이들 2개의 상이한 재료들 사이의 격자 불일치가 채널(161A)을 따라 인장 스트레인을 유도한다. 이 예에서, 카바이드 또는 인 농도는 격자 불일치의 정도를 제어하고, 그에 따라, 유도된 스트레인에 영향을 준다.
일부 실시예들에서, 스트레인된 계측 타깃 및 대응하는 스트레인되지 않은 계측 타깃을 포함하는 계측 타깃 쌍 상에서 광학 스캐터로메트리 측정들이 수행된다. 도 7은 다수의 계측 타깃 쌍들(181A 내지 181D)을 포함하는 실험 계획(DOE) 웨이퍼(101)를 도시한다. 각각의 계측 타깃 쌍은, 스트레인된 타깃(예를 들어, 타깃들(160A 내지 160D)) 및 스트레인되지 않은 타깃(예를 들어, 타깃들(169A 내지 169D))을 포함한다. 각각의 계측 타깃 쌍의 스트레인된 타깃들은, 제작된 채널들 각각에서 스트레인의 차이 값들을 유도하는 상이한 소스/드레인 재료 농도들로 제조된다.
일부 실시예들에서, 스트레인된 계측 타깃은, 앞서 설명된 바와 같은 소스 및 드레인 구조체들과는 상이한 재료로부터 이루어지는 핀 구조체로 제작되는 계측 타깃, 예컨대 계측 타깃(160)이다. 이들 실시예들 중 일부에서, 스트레인되지 않은 계측 타깃은, 핀이 에칭되지 않고 소스 및 드레인 구조체들이 제작되지 않는 부분적으로 제작된 계측 타깃, 예컨대 계측 타깃(169)이다. 이들 실시예들에서, 채널 구조체의 단부들에 격자 불일치가 존재하지 않기 때문에 채널 구조체는 스트레인되지 않는다(예를 들어, 전체 핀 구조체는 실리콘이다). 일부 다른 실시예들에서, 스트레인되지 않은 계측 타깃은, 핀 구조체 재료가 소스 및 드레인 구조체들을 제작하는 데 사용되는 것과 동일한 재료인 부분적으로 제작된 계측 타깃이다. 재료들이 동일하기 때문에, 채널에는 유도된 스트레인 및 격자 불일치가 없다. 비제한적인 예로서, 핀 구조체는 인 도핑된 SiGe 또는 3원 실리콘 게르마늄 카바이드(SiGeC)로 제작될 수도 있다. 트랜지스터 채널을 스트레인시키기 위해 일부 특정 재료 불일치들이 설명되어 있지만, 일반적으로, 트랜지스터 채널을 스트레인시키기 위한 임의의 재료 또는 방법이 본 특허 문서의 범주 내에서 고려될 수도 있다. 유사하게, 트랜지스터 채널의 스트레인을 발생시키지 않는 소스, 드레인, 및 채널 구조체들을 제작하기 위해 일부 특정 재료들이 설명되어 있지만, 일반적으로, 트랜지스터 채널을 스트레인시키지 않는 채널, 소스, 및 드레인 구조체들을 성장시키기 위한 임의의 재료 또는 방법이 본 특허 문서의 범주 내에서 고려될 수도 있다.
일부 실시예들에서, 스트레인되지 않은 계측 타깃으로부터 수집되는 측정된 스펙트럼들은, 스트레인되지 않은 타깃의 지오메트리를 설명하는 지오메트릭 파라미터들을 해결하기 위해 컴퓨팅 시스템(130)에 의해 프로세싱된다. 스트레인된 타깃과 스트레인되지 않은 타깃의 지오메트리가 동일하기 때문에, 스트레인되지 않은 타깃의 측정들에 기초하여 결정된 지오메트리 파라미터들이, 스트레인된 타깃의 광학 파라미터들의 분석으로 전달된다. 이러한 방식으로, 지오메트릭 피처들로부터의 측정된 스펙트럼들에 대한 기여도들이 스트레인으로 인해 측정된 스펙트럼들에 대한 기여도들로부터 역상관된다.
일부 다른 실시예들에서, 스트레인되지 않은 타깃과 스트레인된 타깃 양측 모두로부터의 측정된 스펙트럼들이 멀티-타깃 분석에서 컴퓨팅 시스템(130)에 의해 프로세싱된다. 이 분석에서, 지오메트릭 파라미터들과 광학 파라미터들 양측 모두가 조합된 분석에서 분석되는데, 여기서 스트레인된 모델과 스트레인되지 않은 모델에 대한 지오메트릭 파라미터들이 링크되어 있지만, 스트레인에 의해 영향받는 밴드 갭 및 다른 관련 분산 파라미터들이 독립적으로 변화될 수 있다.
추가의 양태에서, 스트레인된 계측 타깃과 스트레인되지 않은 계측 타깃으로부터 수집되는 측정된 스펙트럼들은, 스트레인된 채널의 밴드 갭 에너지 Eg-strained 및 스트레인되지 않은 채널의 밴드 갭 에너지 Eg-unstrained를 해결하기 위해 컴퓨팅 시스템(130)에 의해 프로세싱된다. 일부 실시예들에서, 스트레인된 타깃과 스트레인되지 않은 타깃 양측 모두의 트랜지스터 채널의 광학 스캐터로메트리 측정들이 트랜지스터 채널에 대해 입사 전기장(예를 들어, 채널의 연장 방향과 정렬되는 입사 전기장)의 동일한 각도로 수행된다. 그 후에, 스트레인되지 않은 채널의 밴드 갭의 기준 값에 기초하여 스트레인된 채널에서의 스트레인의 절대 값이 결정된다. 하나의 예에서, 채널에 따른 스트레인의의 절대 값은 식 (2)에 의해 설명된 모델에 기초하여 결정되고, 여기서 밴드갭의 변화 ΔE는 스트레인된 타깃의 측정된 밴드갭 Eg0-strained와 스트레인되지 않은 타깃의 측정된 밴드갭 Eg0-unstrained의 차이이다. 부가적으로, 수직 방향으로의 스트레인 εper은 대략 제로이다. 따라서, 채널에 따른 스트레인 εpar은 식 (7)에 따라 컴퓨팅된다.
Figure pct00008
(7)
다른 추가의 양태에서, 측정된 스펙트럼 신호들(예를 들어, 신호들(102, 103), 또는 이들 양측 모두)에 기초하여 계측 타깃의 트랜지스터 채널의 스트레인의 상대 값을 추정하기 위해 트레이닝된 스트레인 측정 모델이 채용된다. 트레이닝된 스트레인 측정 모델은 머신 러닝 기반 모델(예를 들어, 뉴럴 네트워크 모델, 선형 모델, 다항식 모델, 반응 표면 모델, 서포트 벡터 머신 모델, 랜덤 포레스트 모델, 또는 다른 타입들의 모델들)이다. 머신 러닝 기반 모델은, 알려진 스트레인 값들, 예를 들어, 기준 계측 시스템에 의해 정확하게 측정되는 스트레인 값들을 갖는 계측 타깃들로부터 수집되는 스펙트럼 신호들에 기초하여 트레이닝된다.
다른 추가의 양태에서, 반도체 구조체의 채널에서의 스트레인의 값은 마감된 디바이스로부터 획득되는 전기 테스트 결과들과 상관된다. 이에 후속하여, 제조 프로세스의 조기 스테이지에서 측정되는 스트레인의 값들에 기초하여 마감된 디바이스의 전기적 성능을 예측하기 위해 이 상관의 모델이 사용된다.
일반적으로, 본 명세서에서 설명되는 측정된 광학 응답에 대한 다양한 기여자들 간의 상관들을 깨는 기법들이 조합되어 스트레인 측정의 정확도를 개선시킬 수도 있다. 예를 들어, 스트레인된 그리고 스트레인되지 않은 타깃들의 측정들이 순차적으로 또는 병렬로 분석되어, 스트레인 측정으로부터 지오메트리를 정확하게 역상관시킬 수 있다. 부가적으로, 재료 농도들 및 지오메트리의 정확한 측정들이 또한 채용되어 스트레인 측정을 추가로 미세화할 수 있다.
추가의 양태에서, 조명 소스(예를 들어, 조명 소스들(110 및 120))에 의해 방출되는 파장들이 선택가능하다. 일부 실시예들에서, 조명 소스(110) 또는 조명 소스(120)는, 하나 이상의 선택된 스펙트럼 영역들에서 플럭스를 최대화하기 위해 컴퓨팅 시스템(130)에 의해 제어되는 LSP 광 소스이다. 타깃 재료에서의 레이저 피크 세기는 플라즈마 온도 그리고 따라서 방출된 방사선의 스펙트럼 영역을 제어한다. 레이저 피크 세기는 펄스 에너지, 펄스 폭, 또는 이들 양측 모두를 조정함으로써 변화된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 컴퓨팅 시스템(130)은, 조명 소스(110)로 하여금 조명 소스(110)로부터 방출된 파장들의 스펙트럼 범위를 조정하게 하는 커맨드 신호(140)를 조명 소스(110)로 통신한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 컴퓨팅 시스템(130)은, 조명 소스(120)로 하여금 조명 소스(120)로부터 방출된 파장들의 스펙트럼 범위를 조정하게 하는 커맨드 신호(141)를 조명 소스(120)로 통신한다. 하나의 예에서, 조명 소스(110), 조명(120), 또는 이들 양측 모두는 LSP 광 소스이고, LSP 광 소스는 펄스 지속기간, 펄스 주파수, 및 타깃 재료 조성물 중 임의의 것을 조정하여, LSP 광 소스로부터 방출되는 파장들의 원하는 스펙트럼 범위를 실현한다.
일부 예들에서, 모델 구축 툴(170)은, 측정 하의 계측 타깃을 포함하는 구조체들의 식들을 포함하는 파일을 판독한다. 일부 예들에서, 이 파일은 캘리포니아주 밀피타스(미국)의 KLA Corporation으로부터 입수가능한 PROLITH 소프트웨어와 같은 리소그래피 시뮬레이터에 의해 생성된다. 이 애플리케이션 정보에 기초하여, 모델 구축 툴은 구조 모델의 파라미터화 및 제약들을 자동으로 설정한다.
본 명세서에서 논의되는 방법들이 시스템들(100 및 200)을 참조하여 설명되지만, 시료로부터 산란된 광을 조명 및 검출하도록 구성되는 임의의 광학 계측 시스템이 본 명세서에서 설명되는 예시적인 방법들을 구현하기 위해 채용될 수도 있다. 예시적인 시스템들은 각도 분해 반사계(즉, 빔 프로파일 반사계), 각도 분해 타원계(즉, 빔 프로파일 타원계), 산란계, 분광 반사계 또는 타원계, 다수의 조명 각도들을 갖는 분광 반사계 또는 타원계, 뮐러 매트릭스 분광 타원계(예를 들어, 회전 보상기 분광 타원계), 단일 파장 타원계, 단일 파장 반사계, RAMAN 산란계 등을 포함한다.
비제한적인 예로서, 타원계는 단일 회전 보상기, 다수의 회전 보상기들, 회전 편광기, 회전 분석기, 변조 요소, 다수의 변조 요소들을 포함할 수도 있거나, 또는 어떠한 변조 요소도 포함하지 않을 수도 있다.
소스 및/또는 타깃 측정 시스템으로부터의 출력은 측정 시스템이 하나 초과의 기술을 사용하도록 하는 방식으로 구성될 수도 있다는 것에 주목한다. 사실상, 애플리케이션은 단일 툴 내에서, 또는 다수의 상이한 툴들에 걸쳐 이용가능한 계측 서브시스템들의 임의의 조합을 채용하도록 구성될 수도 있다.
본 명세서에서 설명되는 방법들을 구현하는 시스템은 또한 다수의 상이한 방식들로 구성될 수도 있다. 예를 들어, 넓은 범위의 파장들(가시광선, 자외선, 및 적외선을 포함함), 입사 각도들, 편광 상태들, 및 코히어런스 상태들이 고려될 수도 있다. 다른 예에서, 시스템은 다수의 상이한 광 소스들(예를 들어, 직접 커플링된 광 소스, 레이저 지속 플라즈마 광 소스 등) 중 임의의 것을 포함할 수도 있다. 다른 예에서, 시스템은, 시료로 지향되거나 또는 시료로부터 수집되는 광을 컨디셔닝하기 위한 요소들(예를 들어, 아포다이저(apodizer)들, 필터들 등)을 포함할 수도 있다.
일반적으로, 측정 하의 반도체 구조체들의 광학 분산 특성들이 등방성으로서 근사될 수도 있다. 이 가정 하에서, 재료 파라미터들은 스칼라 값들이다. 대안적으로, 측정 하의 반도체 구조체들의 광학 분산 특성들이 이방성으로서 더 정확하게 모델링될 수도 있다. 이 가정 하에서, 재료 파라미터들은, 스칼라 값보다는 오히려, 상이한 값들의 매트릭스일 것이다. 측정 하의 이방성 구조체들의 처리에 관한 부가적인 세부사항들이 미국 특허 공개 제2018/0059019호에 설명되어 있고, 그 내용은 본 명세서에 그 전체가 참조로 포함된다.
도 13은 본 발명의 계측 시스템들(100 및 200)에 의한 구현에 적합한 방법(400)을 예시한다. 하나의 양태에서, 방법(400)의 데이터 프로세싱 블록들이 컴퓨팅 시스템(130)의 하나 이상의 프로세서들에 의해 실행되는 미리 프로그래밍된 알고리즘을 통해 수행될 수도 있다는 것이 인식된다. 다음의 설명이 계측 시스템들(100 및 200)의 맥락에서 제시되지만, 계측 시스템들(100 및 200)의 특정 구조적 양태들은 제한들을 나타내지 않으며 단지 예시적인 것으로서 해석되어야 한다는 것이 본 명세서에서 인식된다.
블록 401에서, 부분적으로 제작된 트랜지스터 디바이스들의 제1 어레이를 포함하는 계측 타깃이, 계측 타깃에 대해 제1 배향으로 전기장을 갖는 제1 양의 조명 광으로 조명된다.
블록 402에서, 계측 타깃은 계측 타깃에 대해 제2 배향으로 전기장을 갖는 제2 양의 조명 광으로 조명된다.
블록 403에서, 계측 타깃의 측정들과 연관된 제1 양의 측정 데이터가 제1 양의 조명 광에 응답하여 검출된다.
블록 404에서, 계측 타깃의 측정들과 연관된 제2 양의 측정 데이터가 제2 양의 조명 광에 응답하여 검출된다.
블록 405에서, 부분적으로 제작된 트랜지스터 디바이스들 각각의 채널을 따라 존재하는 스트레인을 표시하는 값이 제1 양과 제2 양의 측정 데이터 사이의 차이에 기초하여 추정된다.
도 14는 본 발명의 계측 시스템들(100 및 200)에 의한 구현에 적합한 방법(500)을 예시한다. 하나의 양태에서, 방법(500)의 데이터 프로세싱 블록들이 컴퓨팅 시스템(130)의 하나 이상의 프로세서들에 의해 실행되는 미리 프로그래밍된 알고리즘을 통해 수행될 수도 있다는 것이 인식된다. 다음의 설명이 계측 시스템들(100 및 200)의 맥락에서 제시되지만, 계측 시스템들(100 및 200)의 특정 구조적 양태들은 제한들을 나타내지 않으며 단지 예시적인 것으로서 해석되어야 한다는 것이 본 명세서에서 인식된다.
블록 501에서, 계측 타깃의 부분적으로 제작된 트랜지스터 디바이스들의 제1 어레이가 계측 타깃에 대해 제1 배향으로 전기장을 갖는 제1 양의 조명 광으로 조명된다.
블록 502에서, 계측 타깃의 부분적으로 제작된 트랜지스터 디바이스들의 제2 어레이가 계측 타깃에 대해 제1 배향으로 전기장을 갖는 제2 양의 조명 광으로 조명된다. 부분적으로 제작된 트랜지스터 디바이스들의 제1 어레이는 스트레인된 채널 구조체를 가지며, 부분적으로 제작된 트랜지스터 디바이스들의 제2 어레이는 스트레인되지 않은 채널 구조체를 갖는다.
블록 503에서, 계측 타깃의 측정들과 연관된 제1 양의 측정 데이터가 제1 양의 조명 광에 응답하여 검출된다.
블록 504에서, 계측 타깃의 측정들과 연관된 제2 양의 측정 데이터가 제2 양의 조명 광에 응답하여 검출된다.
블록 505에서, 부분적으로 제작된 트랜지스터 디바이스들 각각의 채널을 따라 존재하는 스트레인을 표시하는 값이 제1 양과 제2 양의 측정 데이터 사이의 차이에 기초하여 추정된다.
본 개시내용 전반에 걸쳐 설명된 다양한 단계들은 단일 컴퓨터 시스템, 또는, 대안적으로, 다수의 컴퓨터 시스템들에 의해 수행될 수도 있다는 것이 인식되어야 한다. 더욱이, 분광 타원계(105)와 같은, 시스템들(100 및 200)의 상이한 서브시스템들은, 본 명세서에서 설명되는 단계들의 적어도 일부를 수행하기에 적합한 컴퓨터 시스템을 포함할 수도 있다. 그에 따라, 앞서 언급된 설명은 본 발명에 대한 제한으로서 해석되어서는 안 되고 단지 예시에 불과한 것이다. 추가로, 하나 이상의 컴퓨팅 시스템들(130)은 본 명세서에서 설명되는 방법 실시예들 중 임의의 것의 임의의 다른 단계(들)를 수행하도록 구성될 수도 있다.
컴퓨팅 시스템(130)은 퍼스널 컴퓨터 시스템, 메인프레임 컴퓨터 시스템, 워크스테이션, 이미지 컴퓨터, 병렬 프로세서, 또는 본 기술분야에 알려진 임의의 다른 컴퓨팅 디바이스를 포함할 수도 있지만, 이에 제한되지 않는다. 일반적으로, 용어 "컴퓨팅 시스템"은 메모리 매체로부터의 명령어들을 실행하는 하나 이상의 프로세서들을 갖는 임의의 디바이스를 포괄하도록 광범위하게 정의될 수도 있다. 일반적으로, 컴퓨팅 시스템(130)은 측정 시스템들(100 및 200) 각각과 같은 측정 시스템과 통합될 수도 있거나, 또는 대안적으로, 임의의 측정 시스템과 분리될 수도 있다. 이러한 의미에서, 컴퓨팅 시스템(130)은 원거리에 위치될 수도 있고, 임의의 측정 소스 및 사용자 입력 소스로부터 각각 측정 데이터 및 사용자 입력을 수신할 수도 있다.
본 명세서에서 설명되는 것들과 같은 방법들을 구현하는 프로그램 명령어들(134)은 캐리어 매체를 통해 송신되거나 또는 캐리어 매체 상에 저장될 수도 있다. 캐리어 매체는 유선, 케이블, 또는 무선 송신 링크와 같은 송신 매체일 수도 있다. 캐리어 매체는 판독 전용 메모리, 랜덤 액세스 메모리, 자기 또는 광학 디스크, 또는 자기 테이프와 같은 컴퓨터 판독가능 매체를 또한 포함할 수도 있다. 예를 들어, 도 2 및 도 3에 예시된 바와 같이, 메모리(132)에 저장된 프로그램 명령어들(134)은 버스(133)를 통해 프로세서(131)에 송신된다. 프로그램 명령어들(134)은 컴퓨터 판독가능 매체(예를 들어, 메모리(132))에 저장된다. 예시적인 컴퓨터 판독가능 매체들은 판독 전용 메모리, 랜덤 액세스 메모리, 자기 또는 광학 디스크, 또는 자기 테이프를 포함한다.
본 명세서에서 설명되는 바와 같이, 용어 "임계 치수(critical dimension)"는 구조체의 임의의 임계 치수(예를 들어, 저부 임계 치수, 중간 임계 치수, 상부 임계 치수, 측벽 각도, 격자 높이 등), 임의의 2개 이상의 구조체들 사이의 임계 치수(예를 들어, 2개의 구조체들 사이의 거리), 2개 이상의 구조체들 사이의 변위(예를 들어, 오버레이된 격자 구조체들 사이의 오버레이 변위 등), 및 구조체 또는 구조체의 일부에 사용되는 재료의 분산 특성 값을 포함한다. 구조체들은 3차원 구조체들, 패터닝된 구조체들, 오버레이 구조체들 등을 포함할 수도 있다.
본 명세서에서 설명되는 바와 같이, 용어 "임계 치수 애플리케이션" 또는 "임계 치수 측정 애플리케이션"은 임의의 임계 치수 측정을 포함한다.
본 명세서에서 설명되는 바와 같이, 용어 "계측 시스템"은, 임의의 양태에서 시료를 특성화하기 위해 적어도 부분적으로 채용되는 임의의 시스템을 포함한다. 그러나, 그러한 기술 용어들은 본 명세서에서 설명되는 바와 같은 용어 "계측 시스템"의 범주를 제한하지 않는다. 부가적으로, 계측 시스템들(100 및 200)은 패터닝된 웨이퍼들 및/또는 패터닝되지 않은 웨이퍼들에서의 스트레인의 측정을 위해 구성될 수도 있다. 계측 시스템은 LED 검사 툴, 에지 검사 툴, 후면 검사 툴, 매크로 검사 툴, 또는 멀티-모드 검사 툴(하나 이상의 플랫폼들로부터의 데이터를 동시에 수반함), 및 임의의 다른 계측 또는 검사 툴로서 구성될 수도 있다.
시료를 프로세싱하는 데 사용될 수도 있는 반도체 프로세싱 시스템(예를 들어, 검사 시스템 또는 리소그래피 시스템)에 대한 다양한 실시예들이 본 명세서에 설명된다. 용어 "시료"는 본 기술분야에 알려져 있는 수단에 의해 프로세싱될(예를 들어, 인쇄되거나, 측정되거나, 또는 결함들에 대해 검사될) 수도 있는 웨이퍼, 레티클, 또는 임의의 다른 샘플 상의 사이트 또는 사이트들을 지칭하기 위해 본 명세서에서 사용된다. 일부 예들에서, 시료는, 동시적인 조합된 측정이 단일 시료 측정 또는 기준 측정으로서 취급되는 하나 이상의 측정 타깃들을 갖는 단일 사이트를 포함한다. 일부 다른 예들에서, 시료는, 집계된 측정 사이트와 연관된 측정 데이터가, 다수의 사이트들 각각과 연관된 데이터의 통계적 집계인 사이트들의 집계이다. 더욱이, 이들 다수의 사이트들 각각은, 시료 또는 기준 측정과 연관된 하나 이상의 측정 타깃들을 포함할 수도 있다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 용어 "웨이퍼"는 일반적으로 반도체 또는 비-반도체 재료로 형성되는 기판들을 지칭한다. 예들은 단결정 실리콘, 갈륨 비화물, 및 인듐 인화물을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 그러한 기판들은 통상적으로 반도체 제작 설비들에서 발견 및/또는 프로세싱될 수도 있다. 일부 경우들에서, 웨이퍼는 단지 기판(즉, 베어 웨이퍼(bare wafer))만을 포함할 수도 있다. 대안적으로, 웨이퍼는, 기판 위에 형성되는 상이한 재료들의 하나 이상의 층들을 포함할 수도 있다. 웨이퍼 상에 형성된 하나 이상의 층들은 "패터닝"되거나 또는 "패터닝되지 않을" 수도 있다. 예를 들어, 웨이퍼는, 반복가능한 패턴 피처들을 갖는 복수의 다이들을 포함할 수도 있다.
"레티클"은, 레티클 제작 프로세스의 임의의 스테이지에서의 레티클, 또는 반도체 제작 설비에서의 사용을 위해 릴리스될 수도 있거나 또는 릴리스되지 않을 수도 있는 완성된 레티클일 수도 있다. 레티클 또는 "마스크"는 일반적으로, 상부에 형성되는 실질적으로 불투명한 영역들을 가지며 패턴으로 구성되는 실질적으로 투명한 기판으로서 정의된다. 기판은, 예를 들어, 비정질 SiO2와 같은 유리 재료를 포함할 수도 있다. 레티클 상의 패턴이 레지스트로 전사될 수도 있도록 리소그래피 프로세스의 노광 단계 동안 레티클이 레지스트-커버된 웨이퍼 위에 배치될 수도 있다.
웨이퍼 상에 형성된 하나 이상의 층들은 패터닝되거나 또는 패터닝되지 않을 수도 있다. 예를 들어, 웨이퍼는, 각각이 반복가능한 패턴 피처들을 갖는 복수의 다이들을 포함할 수도 있다. 그러한 재료의 층들의 형성 및 프로세싱은 궁극적으로 디바이스들을 완성시키는 결과로 될 수도 있다. 많은 상이한 타입들의 디바이스들이 웨이퍼 상에 형성될 수도 있고, 본 명세서에서 사용되는 바와 같은 웨이퍼라는 용어는 본 기술분야에 알려져 있는 임의의 타입의 디바이스가 상부에서 제작되고 있는 웨이퍼를 포괄하도록 의도된다.
하나 이상의 예시적인 실시예들에서, 설명된 기능들은 하드웨어, 소프트웨어, 펌웨어, 또는 이들의 임의의 조합으로 구현될 수도 있다. 소프트웨어로 구현된 경우, 그 기능들은 컴퓨터 판독가능 매체 상에 하나 이상의 명령어들 또는 코드로서 저장되거나 또는 송신될 수도 있다. 컴퓨터 판독가능 매체들은, 일 장소로부터 다른 장소로의 컴퓨터 프로그램의 전송을 용이하게 하는 임의의 매체를 포함하는 통신 매체들과 컴퓨터 저장 매체들 양측 모두를 포함한다. 저장 매체들은 범용 또는 특수 목적 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 가용 매체들일 수도 있다. 제한이 아닌 예로서, 그러한 컴퓨터 판독가능 매체들은 RAM, ROM, EEPROM, CD-ROM 또는 다른 광학 디스크 스토리지, 자기 디스크 스토리지 또는 다른 자기 스토리지 디바이스들, 또는 원하는 프로그램 코드 수단을 명령어들 또는 데이터 구조들의 형태로 반송 또는 저장하는 데 사용될 수 있으며 범용 또는 특수 목적 컴퓨터, 또는 범용 또는 특수 목적 프로세서에 의해 액세스될 수 있는 임의의 다른 매체를 포함할 수 있다. 또한, 임의의 맥락이 컴퓨터 판독가능 매체로 적절히 칭해진다. 예를 들어, 소프트웨어가 동축 케이블, 광섬유 케이블, 연선(twisted pair), 디지털 가입자 라인(digital subscriber line)(DSL), 또는 적외선, 라디오, 및 마이크로파와 같은 무선 기술들을 사용하여 웹사이트, 서버 또는 다른 원격 소스로부터 송신되는 경우, 그러면 동축 케이블, 광섬유 케이블, 연선, DSL, 또는 적외선, 라디오, 및 마이크로파와 같은 무선 기술들이 매체의 정의에 포함된다. 디스크(disk) 및 디스크(disc)는, 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 콤팩트 디스크(compact disc)(CD), 레이저 디스크, 광학 디스크, 디지털 다기능 디스크(digital versatile disc)(DVD), 플로피 디스크 및 블루레이 디스크를 포함하며, 여기서 디스크(disk)들은 통상적으로 데이터를 자기적으로 재생하는 한편, 디스크(disc)들은 레이저들로 데이터를 광학적으로 재생한다. 또한, 상기의 조합들도 컴퓨터 판독가능 매체들의 범주 내에 포함되어야 한다.
특정한 특정 실시예들이 교수 목적들을 위해 상술되지만, 본 특허 문서의 교시들은 일반적인 적용가능성을 가지며 상술된 특정 실시예들로 제한되지 않는다. 이에 따라, 청구범위에 제시된 바와 같은 본 발명의 범주로부터 벗어남이 없이 설명된 실시예들의 다양한 피처들의 다양한 수정들, 적응들, 및 조합들이 실시될 수 있다.

Claims (25)

  1. 광학 계측 시스템(optical metrology system)으로서,
    부분적으로 제작된 트랜지스터 디바이스들의 제1 어레이를 포함하는 계측 타깃을, 상기 계측 타깃에 대해 제1 배향(first orientation)으로 전기장을 갖는 제1 양의 조명 광 및 상기 계측 타깃에 대해 제2 배향을 갖는 제2 양의 조명 광으로 조명하도록 구성되는 조명 서브시스템;
    상기 제1 양의 조명 광에 응답하여 상기 계측 타깃의 측정들과 연관된 제1 양의 측정 데이터를 그리고 상기 제2 양의 조명 광에 응답하여 상기 계측 타깃의 측정들과 연관된 제2 양의 측정 데이터를 검출하도록 구성되는 검출기; 및
    상기 제1 양과 제2 양의 측정 데이터 사이의 차이에 기초하여 상기 부분적으로 제작된 트랜지스터 디바이스들 각각의 채널을 따라 존재하는 스트레인(strain)을 표시하는 값을 추정하도록 구성되는 컴퓨팅 시스템
    을 포함하는, 광학 계측 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스트레인을 표시하는 값을 추정하는 것은, 상기 제1 양의 측정 데이터에 기초하여 채널 구조체의 밴드 구조체 특성의 제1 값을 결정하는 것, 상기 제2 양의 측정 데이터에 기초하여 상기 채널 구조체의 밴드 구조체 특성의 제2 값을 결정하는 것을 수반하고, 상기 채널을 따라 존재하는 스트레인을 표시하는 값은, 상기 밴드 구조체 특성의 제1 값과 제2 값 사이의 차이인 것인, 광학 계측 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 밴드 구조체 특성은 광학 밴드 갭(optical band gap)인 것인, 광학 계측 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 계측 타깃에 대한 전기장의 제1 배향은, 상기 부분적으로 제작된 트랜지스터 디바이스들 각각의 소스 구조체로부터 드레인 구조체까지의 채널 구조체의 연장 길이와 정렬되는 전기장이고, 상기 계측 타깃에 대한 전기장의 제2 배향은 상기 제1 배향과 직교하는 것인, 광학 계측 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전기장은 분광 타원계(spectrocopic ellipsometer)의 제1 방위 각도에서 상기 계측 타깃에 대해 상기 제1 배향으로 배향되고, 상기 전기장은 상기 분광 타원계의 제2 방위 각도에서 상기 계측 타깃에 대해 상기 제2 배향으로 배향되는 것인, 광학 계측 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전기장은 분광 반사계(spectrocopic reflectometer)의 제1 편광 각도에서 상기 계측 타깃에 대해 상기 제1 배향으로 배향되고, 상기 전기장은 상기 분광 반사계의 제2 편광 각도에서 상기 계측 타깃에 대해 상기 제2 배향으로 배향되는 것인, 광학 계측 시스템.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 채널 구조체의 밴드 구조체 특성의 제1 값을 결정하는 것 및 상기 채널 구조체의 밴드 구조체 특성의 제2 값을 결정하는 것은, 트레이닝된 머신 러닝 기반 측정 모델에 의해 수행되는 것인, 광학 계측 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 광학 계측 시스템과는 상이한 기준 계측 시스템을 이용하여 상기 계측 타깃의 지오메트릭 프로파일(geometric profile)을 측정하는 것을 더 포함하고,
    상기 측정된 지오메트릭 프로파일은, 상기 채널을 따라 존재하는 스트레인을 표시하는 값을 추정하는 측정 모델에 대한 입력으로서 제공되는 것인, 광학 계측 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 기준 계측 시스템은 전자 기반 또는 x-선 기반 계측 시스템인 것인, 광학 계측 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 광학 계측 시스템과는 상이한 기준 계측 시스템을 이용하여, 채널 구조체에 커플링되는 소스 구조체 또는 상기 채널 구조체에 커플링되는 드레인 구조체, 또는 둘 다(both)의 재료 조성물을 측정하는 것을 더 포함하고,
    상기 측정된 재료 조성물은, 상기 채널을 따라 존재하는 스트레인을 표시하는 값을 추정하는 측정 모델에 대한 입력으로서 제공되는 것인, 광학 계측 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 컴퓨팅 시스템은 또한,
    상기 채널을 따라 존재하는 스트레인을 표시하는 값에 기초하여 상기 부분적으로 제작된 트랜지스터 디바이스들의 제1 어레이 중 하나로부터 제작되는 마감된 트랜지스터 디바이스의 하나 이상의 전기 테스트 결과의 값을 추정하도록 구성되는 것인, 광학 계측 시스템.
  12. 광학 계측 시스템으로서,
    계측 타깃의 부분적으로 제작된 트랜지스터 디바이스들의 제1 어레이를, 상기 계측 타깃에 대해 제1 배향으로 전기장을 갖는 제1 양의 조명 광으로 조명하고, 상기 계측 타깃의 부분적으로 제작된 트랜지스터 디바이스들의 제2 어레이를, 상기 계측 타깃에 대해 상기 제1 배향으로 전기장을 갖는 제2 양의 조명 광으로 조명하도록 구성되는 조명 서브시스템 - 상기 부분적으로 제작된 트랜지스터 디바이스들의 제1 어레이는 스트레인된 채널 구조체를 가지며, 상기 부분적으로 제작된 트랜지스터 디바이스들의 제2 어레이는 스트레인되지 않은 채널 구조체를 가짐 -;
    상기 제1 양의 조명 광에 응답하여 상기 계측 타깃의 측정들과 연관된 제1 양의 측정 데이터를 그리고 상기 제2 양의 조명 광에 응답하여 상기 계측 타깃의 측정들과 연관된 제2 양의 측정 데이터를 검출하도록 구성되는 검출기; 및
    상기 제1 양과 제2 양의 측정 데이터 사이의 차이에 기초하여 상기 부분적으로 제작된 트랜지스터 디바이스들 각각의 채널을 따라 존재하는 스트레인을 표시하는 값을 추정하도록 구성되는 컴퓨팅 시스템
    을 포함하는, 광학 계측 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 스트레인을 표시하는 값을 추정하는 것은, 상기 제1 양의 측정 데이터에 기초하여 상기 스트레인된 채널 구조체의 밴드 갭의 값을 결정하는 것, 상기 제2 양의 측정 데이터에 기초하여 상기 스트레인되지 않은 채널 구조체의 밴드 갭의 값을 결정하는 것을 수반하고, 상기 스트레인된 채널 구조체를 따라 존재하는 스트레인을 표시하는 값은, 상기 스트레인된 채널 구조체와 스트레인되지 않은 채널 구조체의 밴드 갭의 값들 사이의 차이에 기초하는 것인, 광학 계측 시스템.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 컴퓨팅 시스템은 또한,
    상기 제2 양의 측정 데이터에 기초하여 상기 스트레인되지 않은 채널 구조체를 갖는 상기 부분적으로 제작된 트랜지스터 디바이스들의 지오메트릭 프로파일을 추정하도록 구성되고,
    상기 추정된 지오메트릭 프로파일은, 상기 제1 및 제2 양들의 측정 데이터에 기초하여 상기 채널을 따라 존재하는 스트레인을 표시하는 값을 추정하는 측정 모델에 대한 입력으로서 제공되는 것인, 광학 계측 시스템.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 컴퓨팅 시스템은 또한,
    상기 스트레인되지 않은 채널 구조체를 갖는 상기 부분적으로 제작된 트랜지스터 디바이스들의 지오메트릭 프로파일을 추정하고, 상기 제1 및 제2 양들의 측정 데이터의 조합된 분석에서 상기 채널을 따라 존재하는 스트레인을 표시하는 값을 추정하도록 구성되는 것인, 광학 계측 시스템.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 스트레인되지 않은 채널 구조체를 갖는 상기 부분적으로 제작된 트랜지스터 디바이스들의 제2 어레이는, 상기 채널 구조체의 양 단부에서 제작되는 에피택셜 드레인 구조체 및 에피택셜 소스 구조체가 없는 채널 구조체를 포함하는 것인, 광학 계측 시스템.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 스트레인되지 않은 채널 구조체를 갖는 상기 부분적으로 제작된 트랜지스터 디바이스들의 제2 어레이는, 상기 채널 구조체와 동일한 재료로부터 제작되는 상기 채널 구조체의 양 단부에서의 에피택셜 드레인 구조체 및 에피택셜 소스 구조체를 포함하는 것인, 광학 계측 시스템.
  18. 계측 타깃으로서,
    부분적으로 제작된 트랜지스터 디바이스들의 제1 주기적 어레이; 및
    부분적으로 제작된 트랜지스터 디바이스들의 제2 어레이
    를 포함하고,
    상기 제1 주기적 어레이의 부분적으로 제작된 트랜지스터 디바이스들 각각은 소스, 드레인, 및 채널 구조체들을 가지며, 상기 제1 주기적 어레이의 부분적으로 제작된 트랜지스터 디바이스들 각각의 소스, 드레인, 및 채널 구조체들의 치수들은, 대응하는 실제 트랜지스터 디바이스 구조체의 소스, 드레인, 및 채널 구조체들과 동일한 치수들이고, 상기 제1 주기적 어레이의 부분적으로 제작된 트랜지스터 디바이스들 각각은 스트레인된 채널 구조체를 갖고,
    상기 제2 어레이의 부분적으로 제작된 트랜지스터 디바이스들 각각은 적어도 채널 구조체를 가지며, 제2 주기적 어레이의 부분적으로 제작된 트랜지스터 디바이스들 각각의 채널 구조체의 치수는, 대응하는 실제 트랜지스터 디바이스 구조체의 채널 구조체와 동일한 치수이고, 상기 제2 주기적 어레이의 부분적으로 제작된 트랜지스터 디바이스들 각각은 스트레인되지 않은 채널 구조체를 갖는 것인, 계측 타깃.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 주기적 어레이들의 부분적으로 제작된 트랜지스터 디바이스들은 핀 전계 효과 트랜지스터(Fin Field Effect Transistor)(FINFET) 디바이스들인 것인, 계측 타깃.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 제2 주기적 어레이의 부분적으로 제작된 트랜지스터 디바이스들 각각은, 상기 채널 구조체의 양 단부에서 제작되는 에피택셜 드레인 구조체 및 에피택셜 소스 구조체가 없는 채널 구조체를 포함하는 것인, 계측 타깃.
  21. 제18항에 있어서,
    상기 제2 주기적 어레이의 부분적으로 제작된 트랜지스터 디바이스들 각각은, 상기 채널 구조체와 동일한 재료로부터 제작되는 상기 채널 구조체의 양 단부에서의 에피택셜 드레인 구조체 및 에피택셜 소스 구조체를 포함하는 것인, 계측 타깃.
  22. 방법으로서,
    부분적으로 제작된 트랜지스터 디바이스들의 제1 어레이를 포함하는 계측 타깃을, 상기 계측 타깃에 대해 제1 배향으로 전기장을 갖는 제1 양의 조명 광으로 조명하는 단계;
    상기 계측 타깃을, 상기 계측 타깃에 대해 제2 배향으로 전기장을 갖는 제2 양의 조명 광으로 조명하는 단계;
    상기 제1 양의 조명 광에 응답하여 상기 계측 타깃의 측정들과 연관된 제1 양의 측정 데이터를 검출하는 단계;
    상기 제2 양의 조명 광에 응답하여 상기 계측 타깃의 측정들과 연관된 제2 양의 측정 데이터를 검출하는 단계; 및
    상기 제1 양과 제2 양의 측정 데이터 사이의 차이에 기초하여 상기 부분적으로 제작된 트랜지스터 디바이스들 각각의 채널을 따라 존재하는 스트레인을 표시하는 값을 추정하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 스트레인을 표시하는 값을 추정하는 단계는, 상기 제1 양의 측정 데이터에 기초하여 채널 구조체의 밴드 구조체 특성의 제1 값을 결정하는 단계, 상기 제2 양의 측정 데이터에 기초하여 상기 채널 구조체의 밴드 구조체 특성의 제2 값을 결정하는 단계를 수반하고, 상기 채널을 따라 존재하는 스트레인을 표시하는 값은, 상기 밴드 구조체 특성의 제1 값과 제2 값 사이의 차이인 것인, 방법.
  24. 방법으로서,
    계측 타깃의 부분적으로 제작된 트랜지스터 디바이스들의 제1 어레이를, 상기 계측 타깃에 대해 제1 배향으로 전기장을 갖는 제1 양의 조명 광으로 조명하는 단계;
    상기 계측 타깃의 부분적으로 제작된 트랜지스터 디바이스들의 제2 어레이를, 상기 계측 타깃에 대해 상기 제1 배향으로 전기장을 갖는 제2 양의 조명 광으로 조명하는 단계 - 상기 부분적으로 제작된 트랜지스터 디바이스들의 제1 어레이는 스트레인된 채널 구조체를 가지며, 상기 부분적으로 제작된 트랜지스터 디바이스들의 제2 어레이는 스트레인되지 않은 채널 구조체를 가짐 -;
    상기 제1 양의 조명 광에 응답하여 상기 계측 타깃의 측정들과 연관된 제1 양의 측정 데이터를 검출하는 단계;
    상기 제2 양의 조명 광에 응답하여 상기 계측 타깃의 측정들과 연관된 제2 양의 측정 데이터를 검출하는 단계; 및
    상기 제1 양과 제2 양의 측정 데이터 사이의 차이에 기초하여 상기 부분적으로 제작된 트랜지스터 디바이스들 각각의 채널을 따라 존재하는 스트레인을 표시하는 값을 추정하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 스트레인을 표시하는 값을 추정하는 단계는, 상기 제1 양의 측정 데이터에 기초하여 상기 스트레인된 채널 구조체의 밴드 갭의 값을 결정하는 단계, 상기 제2 양의 측정 데이터에 기초하여 상기 스트레인되지 않은 채널 구조체의 밴드 갭의 값을 결정하는 단계를 수반하고, 상기 스트레인된 채널 구조체를 따라 존재하는 스트레인을 표시하는 값은, 상기 스트레인된 채널 구조체와 스트레인되지 않은 채널 구조체의 밴드 갭의 값들 사이의 차이에 기초하는 것인, 방법.
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