TW201522954A - 用於使用ｘ射線度量術量測半導體器件疊加之方法及裝置 - Google Patents

用於使用ｘ射線度量術量測半導體器件疊加之方法及裝置 Download PDF

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Abstract

本發明揭示一種用於判定一半導體目標中之疊加誤差之裝置及方法。針對具有至少一個入射角(AOI)之照射x射線，獲得一相關模型，且該相關模型使一目標之疊加誤差與回應於該等照射x射線而自該目標散射之x射線之一或多個繞射階中之每一者(或一連續繞射強度分佈)之一調變強度參數相關。用具有該至少一個AOI之照射x射線來照射一第一目標，且收集回應於該等照射x射線而自該第一目標散射之x射線。基於該一或多個繞射階中之每一者(或該連續繞射強度分佈)之自該第一目標收集之該等x射線之該調變強度參數及該相關模型來判定該第一目標之一疊加誤差。

Description

用於使用X射線度量術量測半導體器件疊加之方法及裝置 相關申請案的交叉參考
本申請案主張由Andrei Veldman等人於2013年10月28日申請之先前申請案美國臨時申請案第61/896,230號之權益，出於所有目的將該申請案以全文引用之方式併入本文中。
本發明大體而言係關於用於半導體度量術之方法及系統，且更具體而言係關於疊加度量術。
在積體電路之製造中使用之光微影或光學微影系統已存在一段時間。已證明此等系統在產品中之極小細節之精確製造及形成中極為有效。在某些光微影系統中，藉由經由一光或輻射束(例如，UV或紫外光)轉印一圖案而將一電路影像寫入於一基板上。舉例而言，微影系統可包含將一電路影像投影穿過一光罩且至塗佈有對輻照敏感之一材料(例如，光阻劑)之一矽晶圓上之一光或輻射源。經曝光光阻劑通常形成在顯影之後在後續處理步驟(如(舉例而言)沈積及/或蝕刻)期間遮蔽該晶圓之層之一圖案。
由於電路整合之大規模及半導體器件之減小之大小，光罩及所 製作器件已變得對疊加誤差以及其他臨界參數變化(諸如臨界尺寸變化等)愈加敏感。若未校正此等變化，則可致使最終器件由於電定時誤差而無法滿足所要效能。更糟的是，此等誤差可致使最終器件發生故障且對良率造成不利影響。
期望用於判定一半導體目標上之疊加誤差及諸如此類之經改良裝置及技術。
下文呈現本發明之一經簡化發明內容以便提供對本發明之某些實施例之一基本理解。本發明內容並非對本發明之一廣泛概述，且其並不識別本發明之關鍵/緊要元素或描寫本發明之範疇。其唯一目的係以一經簡化形式呈現本文中所揭示之某些概念作為稍後呈現之較詳細說明之一前序。
在一項實施例中，揭示一種用於判定一半導體目標中之疊加誤差之方法。針對具有至少一個入射角(AOI)之照射x射線，獲得一相關模型，且該相關模型使一目標之疊加誤差與回應於該等照射x射線而自該目標散射之x射線之一或多個繞射階中之每一者或一連續繞射強度分佈之一調變強度參數相關。用具有該至少一個AOI之照射x射線照射一第一目標且收集回應於該等照射x射線而自該第一目標散射之x射線。基於該一或多個繞射階中之每一者或該連續繞射強度分佈之自該第一目標收集之該等x射線之該調變強度參數及該相關模型而判定該第一目標之一疊加誤差。
在一特定實施方案中，該調變強度參數係在Qz上之一或多個繞射階中之每一者之一強度最小值，其中Qz係隨至少一個AOI而變之該等所收集x射線之一強度量測。在另一態樣中，該關聯模型由一神經網路或一主要分量分析判定。在另一實例中，該第一目標係非週期性的。
在一特定實施例中，針對一第一方向判定該疊加，且該方法進一步包含重複該等操作以用於照射及判定在不同於該第一方向之一第二方向上之一第二疊加誤差。在一項態樣中，用照射x射線以複數個不同AOI照射該第一目標。在又一態樣中，同時達成以該等不同AOI進行之照射。在另一態樣中，順序地達成以該等不同AOI進行之照射。
在一特定實例中，該第一目標包括兩個或兩個以上垂直堆疊之光柵。在另一實例中，該第一目標經設計以具有滿足器件設計規則規範之間距及臨界尺寸值。在又一態樣中，該第一目標定位於一主動器件及晶粒內區中。在特定實施方案中，照射及收集由一傳輸小角度x射線散射(T-SAXS)系統、一掠入射小角度x射線散射(GI-SAXS)系統、一寬廣角度x射線散射(WAXS)系統、一x射線繞射(XRD)系統、掠入射x射線繞射(GIXRD)系統或一高解析度x射線繞射(HRXRD)系統執行。
在一替代實施例中，本發明係關於一種半導體度量術系統。該系統包括：一x射線源，其用於產生x射線；及照射光學器件，其用於收集該等所產生x射線之一部分且使該部分以處於複數個不同入射角(AOI)之複數個入射束之形式朝向一半導體樣本上之一特定聚焦點反射或折射。該系統進一步包含：一感測器，其用於收集回應於該樣本上之處於該等不同AOI之該等入射束而自該樣本散射之輸出x射線束；及一控制器，其經組態以用於執行上文所闡述之方法實施例中之一或多者。舉例而言，該控制器其經組態以用於：(i)針對具有至少一個入射角(AOI)之照射x射線，獲得一相關模型，該相關模型使一目標之疊加誤差與回應於該等照射x射線而自該目標散射之x射線之一或多個繞射階中之每一者(或一連續繞射強度分佈)之一調變強度參數相關；(ii)致使該等照射光學器件用具有該至少一個AOI之照射x射線照 射一第一目標且收集回應於該等照射x射線而自該第一目標散射之x射線，及(iii)基於該一或多個繞射階中之每一者(或該連續繞射強度分佈)之自該第一目標收集之該等x射線之該調變強度參數及該相關模型而判定該第一目標之一疊加誤差。
下文參考各圖來進一步闡述本發明之此等及其他態樣。
100‧‧‧傳輸小角度x射線散射照射系統/小角度x射線散射照射系統/系統
101‧‧‧照射x射線光學器件/照射光學器件
102‧‧‧x射線源
104‧‧‧經散射x射線
106‧‧‧x射線偵測器
108a‧‧‧樣本/第一位置樣本
108b‧‧‧樣本
109‧‧‧旋轉方向/方向
130‧‧‧控制器
202‧‧‧入射x射線束
204‧‧‧樣本
205‧‧‧方向
206‧‧‧偵測器
206a‧‧‧零階
206b‧‧‧一階
206c‧‧‧二階
220‧‧‧角
226‧‧‧水平線
226a‧‧‧繞射圖案
226b‧‧‧繞射圖案
226c‧‧‧繞射圖案
228a‧‧‧線
228b‧‧‧線
228c‧‧‧線
228d‧‧‧線
301‧‧‧零疊加繞射資料/Qz資料集/垂直資料集
302‧‧‧光柵
304‧‧‧光柵
306‧‧‧線
401‧‧‧特定Qz資料集/垂直資料集
402‧‧‧光柵
404‧‧‧光柵
406‧‧‧疊加誤差/疊加誤差量
420‧‧‧區
422‧‧‧區
502a‧‧‧最小移位
502b‧‧‧最小移位
502c‧‧‧最小移位
502d‧‧‧最小移位
502e‧‧‧最小移位
502f‧‧‧最小移位
502g‧‧‧最小移位
602a‧‧‧二階
602b‧‧‧三階
602c‧‧‧四階
900‧‧‧小角度x射線散射度量術系統/系統/小角度x射線散射系統
901‧‧‧照射系統
902‧‧‧高亮度x射線源
904‧‧‧經散射x射線
906‧‧‧x射線偵測器
920‧‧‧零階束區塊
922‧‧‧針孔/相關聯組件
926‧‧‧多入射角照射器
930‧‧‧控制器
952‧‧‧陽極
958‧‧‧樣本
962‧‧‧電子束
1002‧‧‧x射線源
1004‧‧‧照射光學器件
1006‧‧‧樣本
1008‧‧‧偵測器
1010‧‧‧控制器
2 θ‧‧‧角度
d‧‧‧週期/距離
Φ‧‧‧角
qx‧‧‧軸/散射向量
qz‧‧‧軸/方向/垂直方向
圖1係其中可根據本發明之一項實施例實施本發明之技術之一傳輸小角度x射線散射(T-SAXS)照射系統之一圖解側視圖。
圖2A圖解說明一法向AOI之一散射向量Qx或輸出繞射圖案。
圖2B圖解說明根據本發明之一項實施例之一非法向AOI之Qz散射向量。
圖2C圖解說明根據本發明之一項實施例之不同AOI之x射線繞射圖案至包含Qx及一Qz軸之一個二維空間中之經簡化映射。
圖3A展示針對具有零疊加誤差之一目標之映射至一Qz及Qx軸上之複數個AOI之繞射圖案。
圖3B係具有零疊加誤差之兩個光柵之一側視圖。
圖4A展示針對具有一疊加誤差之一目標之映射至一Qz及Qx軸上之複數個AOI之繞射圖案。
圖4B係具有一疊加誤差之兩個光柵之一側視圖。
圖5A至圖5G係根據本發明之一特定實施方案之在三個繞射階中之每一者內之強度分佈隨Qz而變之曲線圖。
圖6圖解說明根據本發明之一項實施方案之三個不同繞射階之Qz最小強度值隨疊加誤差而變之一曲線圖。
圖7係圖解說明根據本發明之一項實施例之用於使用一Qz曲線圖中之局部調變之位移判定疊加之一程序之一流程圖。
圖8係三個光柵之一側視圖。
圖9係根據本發明之一項實施例之一傳輸小角度x射線散射(T-SAXS)度量術系統之一圖解表示。
圖10係根據本發明之一替代實施例之一掠入射小角度x射線散射(GI-SAXS)系統之一圖解表示。
在以下說明中，陳述眾多特定細節以便提供對本發明之一透徹理解。可在無此等特定細節中之某些或所有細節的情況下，實踐本發明。在其他例項中，未詳細闡述眾所周知之程序操作以免不必要地模糊本發明。儘管將連同特定實施例一起闡述本發明，但將理解，並不意欲將本發明限於該等實施例。
可就具有小角度x射線散射(SAXS)能力之一散射量測裝置來實施本發明之某些實施例。此系統可包含與具有經改良量測能力之一高效率x射線照射系統耦合之一高亮度x射線源。一SAXS系統能夠量測半導體結構中之幾何參數，諸如疊加、間距、臨界尺寸(CD)、高度、側壁角度(SWA)、線寬粗糙度(LWR)、線邊緣粗糙度(LER)、間距步長等。所量測特徵亦可小於10nm。另外，x射線輻射之高能量性質允許x射線穿透至光學不透明薄膜、埋入結構、高縱橫比結構及含有諸多薄膜層之器件中。
圖1係其中可根據本發明之一項實施例來實施本發明之技術之一傳輸小角度x射線散射(T-SAXS)照射系統100之一圖解側視圖。SAXS系統100可包含具有適合x射線光子能量之一或多個x射線源102，以用於產生入射於一樣本108a上且穿透該樣本之X射線。在一項實施例中，一高亮度x射線源可包含一固體陽極X射線源、一液態金屬射流X射線源及液滴X射線源或其他亮的x射線源，諸如一逆康普頓(Inverse-Compton)x射線源。
另外，系統100可包含用於引導及調節入射x射線以射到樣本108 上且穿透樣本108之任何適合照射x射線光學器件101。舉例而言，x射線束可經照射x射線光學器件101準直或聚焦及/或單色化，且接著入射於樣本108上。
可使樣本108a傾斜(例如，經由一載台沿旋轉方向109)以達成不同AOI。樣本沿方向109之不同傾斜位置將導致相對於自照射光學器件101反射之特定x射線的不同AOI。舉例而言，樣本108b經展示為相對於第一位置樣本108a處於一第二傾斜位置處。
經散射x射線104可由一或多個x射線偵測器106收集，同時一樣本處置器固持樣本108a且使樣本108a平移及/或旋轉以用於定位及對準且產生角度地分辨之經散射x射線104。
偵測器可係用於偵測經散射x射線及產生一所得光譜或影像之任何適合感測器。舉例而言，感測器可包含以下各項中之一或多者：一光電二極體陣列、一電荷耦合器件(CCD)、影像板、一混合像素CCD等。偵測器通常產生一強度信號，然後可由偵測器(或控制器130)將該強度信號轉換為一影像。
本發明之某些實施例包含用於量測疊加誤差之技術。此等技術可利用一半導體器件之其中將量測疊加誤差之部分之垂直堆疊。一般而言，當在照射之x射線束相對於半導體晶圓之平面之一或多個入射方向處進行量測時，垂直堆疊以一強大且獨特之方式影響x射線經繞射信號。
一模型構建及分析引擎可用以創建併入有樣本之幾何及材料性質之樣本之模型。該等模型可用以產生光學及x射線模擬。光學模擬可基於(例如)嚴格耦合波分析(RCWA)，嚴格耦合波分析基於馬克斯威爾(Maxwell)方程式，對該等方程式求解以計算光學信號，諸如不同偏光之散射及/或反射率、橢圓量測參數、相變等。X射線散射模擬可基於x射線形式因子：
其中F係形式因子，q係散射向量，且ρ(r)係樣本之電子密度。然後，x射線散射強度由下式表示 如在由R.L.Jones等人之公開案「Cross Section and Critical Dimension Metrology in Dense High Aspect Ratio Patterns with CD-SAXS」中進一步所闡述，該公開案以引用之方式併入本文中。
分析引擎可用以比較所模擬x射線及光學散射與所量測資料以便判定樣本之幾何以及材料性質。此模型化引擎可用於本發明之一實施例中，但此模型化引擎並非強制性的。可在不使結構及其與x射線之互動完全模型化之情況下使用本發明之某些實施例。下文關於使用此一引擎之模擬結果之說明並不意在限制本發明之範疇。
針對一法向入射x射線束，經散射x射線可以一Qx值表示。一般而言，針對一法向入射AOI之跨越偵測器之散射可由Qx表示。圖2A圖解說明一法向AOI之一散射向量Qx或輸出繞射圖案。入射x射線束202傳輸穿過包含具有週期d之一光柵之樣本204。入射x射線束202在偵測器206上產生一繞射圖案。舉例而言，該繞射圖案含有一零階206a、一階206b及一個二階206c。鏡面或零階與一經散射非零階之間的角度由2 θ表示。儘管未展示，但一般而言，距零階較遠之階之強度不如較靠近於零階之階之強度強烈。
樣本至不同AOI之旋轉(例如，沿方向205)可然後產生可相對於一Qx及一Qz軸兩者映射之不同繞射圖案。圖2B圖解說明根據本發明之一項實施例之一非法向AOI之Qz散射向量。如所展示，使樣本204旋轉角Φ(220)以在偵測器206上產生一繞射圖案(例如，226a、226b及226c)。
不同AOI將導致偵測器上之繞射圖案在繞射階之強度及相對位置 兩個方面之差異。舉例而言，針對不同AOI，繞射階將為較分散或較緊密的且具有不同強度。
圖2C圖解說明根據本發明之一項實施例之不同AOI之x射線繞射圖案至包含Qx及一Qz軸之一個二維空間中之經簡化映射。展示複數個AOI中之每一者之每一繞射圖案。舉例而言，沿著線228a展示一第一AOI之繞射資料點，而沿著線228b展示一第二AOI之繞射點。線228a上之資料可對應於150°Φ(或AOI)處之繞射圖案。同樣，分別沿著線228c及228d展示一第三及第四AOI之繞射點。沿著對應於法向Qx軸之水平線226展示法向AOI繞射點。針對不同AOI(Φ)，將不同繞射量測旋轉且標繪於一Qz及Qx圖表中以獲得經旋轉繞射資料之一扇形。以進一步解釋之方式，Qx對應於隨偵測器位置(或I(x))而變之強度，而Qz對應於隨沿著對應於特定AOI角度之一經旋轉軸標繪之偵測器位置I(x)而變之強度，特定AOI角度係相對於法線或Qx軸。針對每一對應AOI或射線標繪每一AOI之繞射資料以建立一Qx-Qz映射。
當經散射資料映射至Qz軸中時，疊加誤差可影響該經散射資料。舉例而言，當存在一疊加誤差時，相對於Qz軸可看到階之與零疊加誤差相比較高之一頻率調變。圖3A展示針對具有零疊加誤差之一目標之映射至一Qz軸上之複數個AOI之繞射圖案。圖3B係具有零疊加誤差之兩個光柵302及304之一側視圖。亦即，光柵302及304(舉例而言)沿著線306對準。
注意，若在一或多個非法向入射方向處收集資料，則可觀察到每一繞射階內之垂直調變(由局部最小值分離之局部強度最大值)(沿著Qz軸)，(舉例而言)如在圖3A中所展示。
在Qz方向上之此等垂直調變亦取決於疊加量。亦即，與針對一零疊加誤差之垂直調變相比，在存在一疊加誤差之情況下，垂直調變經拉伸或壓縮。舉例而言，圖4A展示針對具有一疊加誤差(圖4B之 406)之一目標之映射至一Qz軸上之複數個AOI之繞射圖案。如在圖4B中所展示，目標由光柵402及404形成，光柵402及404相對於彼此移位達疊加誤差量406。如所展示，與零疊加繞射資料(例如，圖3A之301)相比，繞射資料中之某些資料具有Qz調變之一改變(例如，401)。如所展示，在存在一疊加誤差之情況下，圖4A中之局部最小值(繞射階內之調變)之位置相對於其在零疊加誤差下之位置(如圖3A中所展示)已明顯移位。具體而言，區420對應於曲線圖上之區422，具有在垂直方向上達一特定Qz資料集401之調變。緊挨著針對零疊加誤差之對應Qz資料集301而展示針對一疊加誤差(406)之此特定Qz資料集401以圖解說明最小移位。
在此實例中，每一垂直Qz資料集係關於具有特定調變之至少兩個繞射級。垂直資料集301之此等調變針對當存在零疊加時對準之不同繞射階具有最小值，而垂直資料集401之調變針對在存在疊加誤差之情況下相對於彼此移位之不同繞射階具有最小值。
為更清晰地圖解說明此局部最小移位，以下曲線圖(圖5A至圖5G)展示根據本發明之一特定實施方案之在三個繞射階(2、3及4)中之每一者內隨Qz而變之強度分佈。由一黑圈標記一特定局部調變最小值之位置。在每一曲線圖上面規定疊加誤差量。如所圖解說明，疊加誤差值針對不同繞射階產生不同最小移位量。如在圖5A中所展示，零疊加誤差不產生最小移位(例如，502a)。相比而言，針對不同疊加誤差5nm、10nm、15nm、20nm、25nm及30nm而在三階與四階之間分別存在不同最小移位502b、502c、502d、502e、502f及502g，如在圖5B至圖5G中所展示。在其他繞射階對(例如，二階與三階)之間亦存在不同最小移位。
可在不執行代價高的全模擬之情況下藉由使複數個繞射階之調變最小值與一疊加誤差值相關而以良好精確度及準確度來數量上判定 疊加誤差。圖6圖解說明三個不同繞射階(包含一個二階602a、一個三階602b及一個四階602c)之Qz最小強度值隨疊加誤差而變之一曲線圖。在此實例中，四階繞射之最小值位置似乎對疊加誤差更敏感。由於針對不同疊加誤差之調變最小值之位移係線性的，因此可自此等最小值之每一特定位移判定疊加誤差。舉例而言，原則上可基於兩個不同Qz最小值來計算疊加誤差。因此，本發明之技術允許依據低數目個量測進行的一極準確疊加誤差判定。
圖7係圖解說明根據本發明之一項實施例之用於使用一Qz曲線圖中之局部調變之位移判定疊加之一程序700之一流程圖。最初，在操作702中，針對至少一個非法向AOI，獲得使一或多個繞射階(或一連續繞射強度分佈)之最小Qz值與疊加誤差相關之一模型。亦即，可使針對一特定目標結構之不同疊加誤差及至少一個AOI之Qz最小值位置模型化。舉例而言，可使具有不同疊加誤差之一特定目標結構上之處於複數個AOI之入射x射線及所得Qz最小值模型化。
更一般而言，可使回應於具有至少一個AOI之照射x射線而自一目標散射之x射線之複數個繞射階中之每一者之任何適合強度調變參數與疊加誤差相關。在本發明實例中，針對每一繞射階判定疊加誤差與最小強度Qz值之間的一相關性。然而，亦可針對每一最小值等判定一相關性。
然後，可在操作702中用複數個入射x射線束以複數個AOI照射目標。亦在操作704中收集回應於入射x射線束而自目標散射之輸出x射線束。可順序地或同時收集針對不同AOI之輸出束，此取決於特定度量術工具之能力。
AOI可經選擇以便最佳化對疊加誤差之敏感度且最小化疊加誤差與CD之相關性。可透過任何適合模型化技術判定此最佳化。可選擇一窄範圍之AOI(或甚至一單個非法向AOI)。可藉由使自特定疊加結 構以若干個不同AOI進行之散射及選擇針對其對疊加之敏感度係最大之AOI之一範圍模型化來達成此最佳化。
然後，可在操作706中基於自目標散射之所收集輸出x射線束而判定一Qz映射。然後，可在操作708中使用相關模型基於一或多個繞射階對之間的Qz最小值而判定疊加誤差。以另一方式而言，可基於Qz空間中之兩個或兩個以上局部最小值而判定疊加誤差。
此外，已發現，局部調變最小值與疊加誤差之位移與目標結構之CD以及其他結構參數斷開聯繫。亦即，CD或其他結構參數改變不顯現為在Qz上之高頻率調變。由於疊加參數與CD或其他結構參數之相關性基本上係零，因此疊加誤差線性地獨立於CD或其他結構參數。因此，可在不進行目標及其與x射線輻射之互動之一全模型化之情況下提取疊加誤差，而是藉由使用一無模型演算方法(舉例而言，一神經網路)或使用其中疊加參數實質上係主要分量中之一者之一主要分量分析。
即使針對其而量測疊加誤差之目標之兩個部分係非週期性的(沿一或多個方向)，上文所闡述之調變亦將發生。在此情形中，儘管沿著水平Qx軸將不存在不同繞射階，但在相同曲線圖之垂直方向(Qz)上之調變仍將發生且最大值及最小值之位置將隨疊加誤差而改變。
上文所闡述之技術亦可用以量測兩個不同方向x及y上之疊加。舉例而言，可最初使晶圓圍繞一軸旋轉(例如，109)以收集一Qz、Qx映射中之繞射圖案。一恆定Qx處之Qz之繞射圖案中之調變可用以判定在x方向上之疊加偏移。同樣，可然後使晶圓圍繞一正交角旋轉，且可然後在一Qz、Qy映射中獲得所收集繞射圖案。一恆定Qy處之Qz之繞射圖案中之調變將判定在y方向上之疊加偏移。以此方式，可判定x及y疊加偏移兩者。
與光學疊加量測方法相比，利用Qz最小值之位移之技術允許以 設計規則間距量測(不必具有一大間距要求)，因此更加如實地反映真實器件疊加。事實上，藉助較小間距，某些發明技術會更佳地起作用。
可將本發明之某些實施例應用於主動器件區中之器件結構以及刻劃線內之特定疊加目標。另外，負及正疊加誤差兩者可彼此區分開(例如，藉由使負及正疊加誤差兩者與調變參數(諸如最小值)相關)。本發明之某些實施例亦不需要一週期性目標。與SEM疊加相比，本文中所闡述之x射線疊加技術可偵測目標之在各種深度處且係非相消之疊加。本文中所闡述之某些實施例可以良好準確度及精確度量測與CD斷開聯繫之疊加。另外，不需要外部參考CD度量術或代價高且困難之全模型化。上文所闡述之技術亦導致CD參數本身之解相關性，因此增強其他x射線CD量測且提供同步x射線資訊。
應注意，本發明之技術不限於量測僅兩個光柵之間的疊加，而是亦可擴展至三個或三個以上光柵(例如，可適用於兩個或兩個以上光柵)。在圖8中展示三個光柵。在三個或三個以上光柵之情況下，x射線繞射階內之局部調變最小值係歸因於由該三個(或三個以上)光柵繞射之輻射的相長及相消干擾。將僅使最小值之位移與兩個或兩個以上疊加誤差參數相關(取決於是否存在三個或三個以上光柵)。在三個光柵之情形中，將使最小移位與頂部與中間光柵之間之一第一疊加誤差及中間與底部光柵之間之一第二疊加誤差以及頂部與底部光柵之間之一第三疊加誤差相關。
可在經組態以收集自多個AOI x射線產生之經散射x射線的任何適合x射線度量術工具上，實施本發明的技術。作為一替代實施例，可利用採用多個、同步AOI x射線之一系統。圖9係根據本發明之一項實施例之SAXS度量術系統900之一圖解表示。系統900可包含用於產生具有多個AOI之x射線之任何適合的照射系統901。另外，SAXS系 統900可包含一或多個高亮度x射線源902，高亮度x射線源902包含由電子束962激發之陽極952，具有用於產生入射於樣本958上之X射線之適合的x射線光子能量。一高亮度x射線源可包含一固體陽極X射線源、一液態金屬射流X射線源及液滴X射線源或其他亮的x射線源，諸如一逆康普頓x射線源。一液態金屬射流X射線源之實例性實施例係闡述於美國專利第7,929,667號中，該專利以全文引用之方式併入本文中。
在圖9之所圖解說明實施例中，可由一個多AOI照射器926收集且反射或折射x射線束，以在樣本958上產生多個範圍之AOI。多AOI照射器926可採取任何適合的形式。在一特定實施方案中，x射線自複數個掠入射X射線鏡朝向樣本108上之一相同點反射。使一x射線束聚焦及單色化之方式中之一者係透過使用多層鏡。該等鏡係基於交替材料薄層之一堆疊(舉例而言，呈掠射鏡的形式)之界面處之波之相長干擾的原理。經配置而以複數個AOI反射之掠射多層反射鏡在由Michael S.Bakeman等人於2014年10月15日申請之美國專利申請案第14/515,322號中進一步闡述，該申請案以引用之方式併入本文中。一般而言，掠射鏡可經定大小及配置以滿足布拉格(Bragg)關係，且收集及反射在係△θ寬之2π(或Φ)部分中的x射線。亦即，每一收集光學器件(例如，掠射鏡)可經定位及定大小以收集一特定立體角之X射線。僅產生於一特定圓錐體中之光將入射於每一掠射鏡上。在替代實施例中，多AOI照射器926可呈多層勞厄(Laue)透鏡、多個菲涅耳(Fresnel)區帶板透鏡或多毛細管光學器件的形式，從而以不同AOI產生多個束。原則上，可採用任何類型之光學器件(諸如布拉格-菲涅耳透鏡、彎晶、沃爾特(Wolter)光學器件等)以達成不同AOI。一x射線區帶板可由交錯材料及空氣的同心圓形成，以使x射線以多個AOI折射至一聚焦點。以一實施方案實例之方式，可圍繞一或多個x射線源將 多個毛細管x射線光學器件或區帶板對準以產生同時與樣本互動的若干個經準直束。
照射系統901之其他態樣可包含可經電腦控制及模組化之多個零階束區塊(例如，920)。在某些情形中，零階散射可具有若不經阻擋則可損壞偵測器之一大相關聯亮度。當不同x射線光學器件產生不同光點大小及發散度之束時，照射系統可針對特定應用包含不同大小及形狀之區塊。舉例而言，在其中x射線光學器件具有沿一單個軸之低發散度及沿一正交軸之一極大發散度之情形中，零階束區塊可係矩形或橢圓形的而非圓形及對稱的以便補償具有沿一個軸之一低發散度及沿另一軸之一大發散度之束。同樣，當處於不同AOI之多個束並行入射於晶圓上時，將使用多個束區塊，其中每一零階束區塊具有恰當大小及形狀以阻擋其特定束。可將不同區塊大小及形狀移入及移出(或旋轉入及旋轉出)零階束路徑，此取決於束光學器件組態。每一區塊可由實質上阻擋零階束之一材料形成。實例性材料包含鉛及鎢。
其他改良針對處於不同AOI之束包含不同大小之針孔(例如，922)以保持光點大小相同或控制針對不同入射角之束髮散度，且此等針孔亦可經電腦控制及模組化舉例而言，在其中使用具有沿一單個軸之低發散度及沿一正交軸之一極大發散度之x射線光學器件之情形中，針孔可係矩形或橢圓形的而非圓形及對稱的以便補償具有沿一個軸之一低發散度及沿另一軸之一大發散度之束。同樣，當處於不同AOI之多個束並行入射於晶圓上時，將使用多組針孔，其中每一組針孔具有恰當大小及形狀以針對其特定束產生所要束大小及發散度。
經散射x射線904可由一x射線偵測器906收集。一樣本處置器固持樣本958且使樣本958平移而且旋轉以用於定位及對準且產生角度地分辨之經散射x射線904。然而，由於多AOI照射器926同時提供多個AOI，因此不需要使樣本傾斜以(順序地)達成不同AOI。因此，系統 900之照射及收集側配置在一起，提供入射x射線且收集及偵測處於多個、同步AOI之經散射x射線以藉此達成通量之顯著改良。
多AOI照射器926及諸如針孔或孔隙之任何相關聯組件922可經電腦控制(例如，經由控制器930)且實現基於樣本特性而選擇AOI之能力。
偵測器可係用於偵測經散射x射線及產生一所得光譜或影像之任何適合感測器。舉例而言，感測器可包含以下各項中之一或多者：一光電二極體陣列、一電荷耦合器件(CCD)、影像板、一混合像素CCD等。偵測器通常產生一強度信號，然後可由偵測器(或控制器930)將該強度信號轉換為一影像。
可使用其中將一單晶體接合至較少散射之針孔或孔隙之邊緣之該等針孔或孔隙以減少束之寄生散射。此針孔配置可減少SAXS量測之背景雜訊，從而增加信號雜訊比且藉此增加通量。可利用諸如玻璃碳之一校準樣本或僅一光子計數偵測器來得到樣本上之絕對光子計數。校準結果可用以在一絕對標度而非一相對標度上獲得散射強度曲線，該絕對標度可在某些例項中改良擬合且改良某些幾何參數之精確度及準確度。可使用安裝至針孔或孔隙中之一光電二極體或其他偵測器來達成x射線強度校準。同樣，可使用安裝至零階束區塊中之一光電二極體或其他偵測器來達成x射線強度校準。
可將不同大小或類型之針孔動態地切換成照射及/或收集路徑。在一項實例中，照射光學器件經設計以具有產生發散度及光點大小之一上限之一配置。然後，針孔或孔隙結構可用以阻擋照射束之部分以便針對特定目標結構達成較低發散度束及較小光點大小。
應注意，儘管本文中關於傳輸SAXS闡述照射及收集系統，但此並不排除與掠入射SAXS(GI-SAXS)一起使用於半導體度量術之此等相同照射及收集系統之使用。圖10係根據本發明之一替代實施例之一 GI-SAXS系統之一圖解表示。如所展示，一x射線源1002產生由照射光學器件1004收集且以多個AOI反射/折射至樣本1006上之x射線。X射線自樣本1006散射至偵測器1008上。GI-SAXS系統亦包含用於控制該系統之各種組件之一控制器1010。
GI-SAXS系統可包含針對不同能量各自經最佳化之多組光學器件、針孔、狹縫、偵測器及束區塊。由於GI-SAXS相比於T-SAXS不需要較高能量x射線來穿透晶圓基板，因此可使用具有包含較低能量之多種能量之x射線源，諸如銦鎵與錫之液態金屬合金。
在另一實施例中，可使用彎晶。可選擇結晶晶格平面(諸如，<111>、<222>、<333>等)，其提供比在多層材料之情況下可用之週期小得多的週期(d)。在具有此等小得多的週期之情況下，較大入射角處之反射率增加。在極小結晶晶格參數下，更靠近於法線之入射角可產生高反射率。可形成具有經適當選擇之晶格平面之兩個彎晶從而以15keV之x射線能量產生具有高反射率之一施瓦茲希爾德(Schwarzschild)物鏡。舉例而言，一主要結晶鏡可經配置以接收x射線且將其折射至次要結晶鏡，該等次要結晶鏡然後將x射線折射至一聚焦點。比起習用x射線光學器件來，一彎晶施瓦茲希爾德物鏡將增加收集之立體角，因此增加樣本上之光子流通量且增加通量。
舉例而言，在立方晶體之情形中，結晶平面之間的距離(d)由下式表示：
其中h、k及l係米勒(Miller)指數，且a係晶體之晶格常數。針對具有5.43Å之一晶格常數之矽，<333>平面之d間隔係1.045Å。針對諸如Mo kα之一習用x射線源，波長λ係0.71Å。在布拉格公式中使用此波長： λ=2d sin θ
在d間隔為1.045Å之情況下，第一布拉格反射係在19.86°處。同樣，鉻具有2.91Å之一晶格常數，從而針對Mo kα輻射之相同情形得出<333>平面之為0.56Å之一值之d間隔及39.34°之一布拉格角。在此情形中，矽或鉻之<333>平面可磊晶生長於一彎曲基板上或然後經彎曲之一扁平基板上。
總之，具有不同晶格平面定向之不同晶體材料可用以針對特定波長產生不同d間隔及所得AOI。因此，此類型之結晶照射系統可用於具有大接受角度範圍之光學系統。
其他實例性系統包含一寬廣角度x射線散射(WAXS)系統、一x射線繞射(XRD)系統、掠入射x射線繞射(GIXRD)系統、一高解析度x射線繞射(HRXRD)系統等。
應認識到，本發明通篇所闡述之各種步驟可由一控制器(諸如單處理器系統)或(另一選擇係)一個多處理器系統來實施。此外，系統之不同子系統可包含適於實施本文中所闡述之步驟之至少一部分之一電腦系統。因此，上述說明不應解釋為對本發明之一限制而僅係一圖解說明。此外，一或多個控制器系統可經組態以執行本文中所闡述之方法實施例中之任一者之任何其他步驟。
另外，控制器系統可以此項技術中已知之任何方式通信地耦合至一偵測器系統。舉例而言，控制器系統可耦合至與偵測器系統相關聯之計算系統。在另一實例中，偵測器系統可由耦合至控制器系統之一單個電腦系統直接控制。
度量術系統之控制器系統可經組態以藉由可包含纜線及/或無線部分之一傳輸媒體自系統之子系統接收及/或獲取資料或資訊。以此方式，傳輸媒體可用作控制器系統與系統之其他子系統之間的一資料鏈路。
度量術系統之控制器系統可經組態以藉由可包含纜線及/或無線部分之一傳輸媒體自其他系統接收及/或獲取資料或資訊(例如，量測光譜或影像、Qx及Qz映射資料、統計結果、參考或校準資料、訓練資料、模型、所提取特徵或變換結果、經變換資料集、曲線擬合、定性及定量結果等)。以此方式，傳輸媒體可用作控制器系統與其他系統(例如，記憶體板上度量術系統、外部記憶體、參考量測源或其他外部系統)之間的一資料鏈路。舉例而言，控制器系統可經組態以經由一資料鏈路自一儲存媒體(例如，內部或外部記憶體)接收量測資料。舉例而言，可將使用偵測系統獲得之光譜結果儲存於一永久性或半永久性記憶體器件(例如，內部或外部記憶體)中。就此而言，光譜結果可自板上記憶體或自一外部記憶體系統輸入。此外，控制器系統可經由一傳輸媒體將資料發送至其他系統。舉例而言，可將由處理器系統判定之定性及/或定量結果傳遞且儲存於一外部記憶體中。就此而言，量測結果可輸出至另一系統。
控制器系統可包含(但不限於)一個人電腦系統、主機電腦系統、工作站、影像電腦、平行處理器或此項技術中已知之任何其他器件。一般而言，術語「處理器系統」經廣泛地定義以囊括具有執行來自一記憶體媒體之指令之一或多個處理器之任何器件。諸如本文中所闡述之彼等之程式指令實施方法可經由一傳輸媒體(諸如一導線、纜線或無線傳輸鏈路)傳輸。可將程式指令儲存於一電腦可讀媒體(例如，記憶體)中。例示性電腦可讀媒體包含唯讀記憶體、一隨機存取記憶體、一磁碟或光碟或一磁帶。
通常針對度量術應用使用一或多個方法(諸如計算硬體之設計及實施方案、平行化、計算之分佈、負載平衡、多服務支援、動態負載最佳化等)使計算演算法最佳化。演算法之不同實施方案可以韌體、軟體、FPGA、可程式化光學器件組件等組態。
資料分析及擬合步驟可用以追求以下目標中之一者：CD、SWA、形狀、應力、焦點/劑量、覆疊及/或其任何組合之量測；度量術系統之模型化及/或設計；以及度量術目標之模型化、設計及/或最佳化。
此處呈現之本發明之某些實施例大體而言針對半導體度量術及程序控制之領域，且不限於硬體、演算法/軟體實施方案及架構，且使用上文所概述之案例。
儘管已出於清晰理解之目的而以某些細節闡述了前述發明，但將明瞭可在所附申請專利範圍之範疇內實踐某些改變及修改。應注意，存在實施本發明之程序、系統及裝置之諸多替代方式。舉例而言，技術可應用於除半導體晶圓之外之其他類型之樣本，諸如光罩。因此，本發明實施例應被視為說明性而非限定性的，且不應將本發明限於本文中所給出之細節。

Claims (22)

  1. 一種用於判定一半導體目標中之疊加誤差之方法，該方法包括：針對具有至少一個入射角(AOI)之照射x射線，獲得一相關模型，該相關模型使一目標之疊加誤差與回應於該等照射x射線而自該目標散射之x射線之一或多個繞射階中之每一者或一連續繞射強度分佈之一調變強度參數相關；用具有至少一個AOI之照射x射線來照射一第一目標，且收集回應於該等照射x射線而自該第一目標散射之x射線；及基於該一或多個繞射階中之每一者或該連續繞射強度分佈之自該第一目標收集之該等x射線之該調變強度參數及該相關模型來判定該第一目標之一疊加誤差。
  2. 如請求項1之方法，其中該調變強度參數係在Qz上之一或多個繞射階中之每一者或該連續繞射強度分佈之一強度最小值，其中Qz係隨至少一個AOI而變之該等所收集x射線之一強度量測。
  3. 如請求項1之方法，其中該關聯模型係由一神經網路或一主要分量分析判定。
  4. 如請求項1之方法，其中該第一目標係非週期性的。
  5. 如請求項1之方法，其中針對一第一方向來判定該疊加，該方法進一步包括重複該等操作以用於照射，及判定在不同於該第一方向之一第二方向上之一第二疊加誤差。
  6. 如請求項1之方法，其中用照射x射線以複數個不同AOI來照射該第一目標。
  7. 如請求項6之方法，其中同時達成以該等不同AOI進行之照射。
  8. 如請求項6之方法，其中順序地達成以該等不同AOI進行之照 射。
  9. 如請求項1之方法，其中該第一目標包括兩個或兩個以上垂直堆疊之光柵。
  10. 如請求項1之方法，其中該第一目標經設計以具有滿足器件設計規則規範之間距及臨界尺寸值。
  11. 如請求項10之方法，其中該第一目標係位於一主動器件及晶粒內區中。
  12. 如請求項1之方法，其中照射及收集係由一傳輸小角度x射線散射(T-SAXS)系統、一掠入射小角度x射線散射(GI-SAXS)系統、一寬廣角度x射線散射(WAXS)系統、一x射線繞射(XRD)系統、掠入射x射線繞射(GIXRD)系統或一高解析度x射線繞射(HRXRD)系統執行。
  13. 一種半導體度量術系統，其包括：一x射線源，用於產生x射線；照射光學器件，用於收集該等所產生x射線之一部分，且使該部分以處於複數個不同入射角(AOI)之複數個入射束的形式朝向一半導體樣本上之一特定聚焦點反射或折射；一感測器，用於回應於該樣本上之處於該等不同AOI之該等入射束而收集自該樣本散射之輸出x射線束；及一控制器，其經組態以用於執行以下操作：針對具有至少一個入射角(AOI)之照射x射線，獲得一相關模型，該相關模型使一目標之疊加誤差與回應於該等照射x射線而自該目標散射之x射線之一或多個繞射階中之每一者或一連續繞射強度分佈之一調變強度參數相關；致使該等照射光學器件用具有該至少一個AOI之照射x射線來照射一第一目標，且收集回應於該等照射x射線而自該第一 目標散射之x射線；及基於該一或多個繞射階中之每一者之自該第一目標收集之該等x射線或該連續繞射強度分佈之該調變強度參數及該相關模型來判定該第一目標之一疊加誤差。
  14. 如請求項13之系統，其中該等照射光學器件及感測器經配置以形成一傳輸小角度x射線散射(T-SAXS)系統。
  15. 如請求項13之系統，其中該等照射光學器件及感測器經配置以形成一掠入射小角度x射線散射(GI-SAXS)系統。
  16. 如請求項13之系統，進一步包括可相對於該等照射光學器件定位以達成該等不同AOI之一載台。
  17. 如請求項13之系統，其中該調變強度參數係在Qz上之一或多個繞射階中之每一者或該連續繞射強度分佈之一強度最小值，其中Qz係隨至少一個AOI而變之該等所收集x射線之一強度量測。
  18. 如請求項13之系統，其中該關聯模型係由一神經網路或一主要分量分析判定。
  19. 如請求項13之系統，其中該控制器進一步經組態以致使用照射x射線以複數個不同AOI來照射該第一目標。
  20. 如請求項19之系統，同時達成其中以該等不同AOI進行之照射。
  21. 如請求項19之系統，其中順序地達成以該等不同AOI進行之照射。
  22. 如請求項13之系統，其中該第一目標包括兩個或兩個以上垂直堆疊之光柵。
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