TW202040107A - 光學色散之多維模型 - Google Patents

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Abstract

本文中提出用於在一生產流程早期基於一多維光學色散(MDOD)模型從一樣本之光學量測估計所關注參數值之方法及系統。一MDOD模型依據一基本光學色散模型外部之參數描述包括一被量測結構之材料之光學色散。在一些實例中，一冪次律模型描述該等外部參數與該基本光學色散模型之一參數之間的實體關係。在一些實施例中，一或多個外部參數被視為基於光譜量測資料解析之未知值。在一些實施例中，一或多個外部參數被視為已知值，且基於光譜量測資料及該一或多個外部參數之該等已知值解析基本光學色散模型參數、具有未知值之一或多個外部參數或兩者之值。

Description

光學色散之多維模型
所描述實施例係關於用於半導體製造中採用之結構及材料之光學特性化之系統。
通常藉由應用至一基板或晶圓之一處理步驟序列製造半導體裝置(諸如邏輯及記憶體裝置)。藉由此等處理步驟形成半導體裝置之各種特徵及多個結構層級。例如，微影術尤其係涉及在一半導體晶圓上產生一圖案之一個半導體製程。半導體製程之額外實例包含(但不限於)化學機械拋光、蝕刻、沈積及離子植入。多個半導體裝置可製造在一單一半導體晶圓上且接著分離成個別半導體裝置。
在一半導體製程期間之各個步驟使用檢測及計量程序來偵測晶圓上之缺陷且量測所關注參數以促進更高良率。隨著設計規則及程序窗繼續在大小上收縮，需要檢測及計量系統來擷取晶圓表面上之一更廣泛範圍之實體缺陷且量測愈來愈複雜之結構特徵，同時維持高處理能力。
半導體裝置基於其之能量效率及速度而愈來愈受到重視。例如，具能量效率之消費性產品由於其在較低溫度下操作且在一固定電池電力供應器上持續較長時間段而更有價值。在另一實例中，需要具能量效率之資料伺服器以降低其之操作成本。因此，吾人對增加速度及降低半導體裝置之能量消耗兩者具有一強烈興趣。
通過絕緣層之洩漏電流係在65 nm技術節點及以下製造之半導體裝置之一主要能量損耗機制。作為回應，電子設計師及製造商採用具有高於傳統材料(例如，二氧化矽)之介電常數之新材料(例如，矽酸鉿(HfSiO4 )、氮化矽鉿(HfSiON)、二氧化鉿(HfO2 )、矽酸鋯(ZrSiO4 )等)。此等「高介電常數」材料減少洩漏電流且能夠製造更小大小之電晶體。
另外，為採用新材料，半導體結構正在改變以達成速度及能量效率目標。正在開發愈來愈複雜之FINFET結構及環繞式閘極結構以用於當前及未來製造節點。許多此等先進半導體結構採用材料合金來改良通過通道結構(例如，矽鍺合金)之電子流及電洞遷移率。
隨著新介電材料及合金材料之採用，需要量測工具以在製程早期特性化此等材料之介電性質及能帶結構。更特定言之，需要高處理能力監測工具以在晶圓製造期間監測及控制高介電常數材料之沈積以確保成品晶圓之一高良率。類似地，需要高處理能力監測工具以在晶圓製造期間監測及控制合金材料之濃度、其之形狀、程序溫度等以確保成品晶圓之一高良率。
沈積問題之早期偵測係重要的，此係因為高介電常數及合金材料之沈積係一漫長且昂貴之製程之一早期程序步驟。在一些實例中，在需要一個月完成之一製程開始時將一高介電常數材料或合金材料沈積於一晶圓上。
通常依據諸如等效氧化物厚度(EOT)、洩漏電流、臨限值電壓、洩漏EOT及崩潰電壓之電特性特性化一邏輯閘之效能。在裝置處理期間，監測及控制此等參數係重要的。此等電特性可由各種方法來研究，包含電量測、透射電子顯微鏡、x射線光譜法及散射、原子力顯微鏡及光電子光譜法。然而，當前此等量測技術經受數種限制之任一者。在一些情況中，量測需要破壞樣本。在一些情況中，許多沈積後處理步驟必須在可發生量測之前完成。在一些情況中，量測技術係緩慢的，且必須與生產線分離。
光學計量工具提供裝置材料及結構之電特性之高處理能力線上非破壞性特性化之可能性。特定言之，光譜橢圓偏光法(SE)量測技術包含一所量測光學色散之一參數表示。
在一些實例中，參數化模型表示與裝置成分之能帶隙以及其之缺陷具有一直接關係之一介電函數；全部主要因素判定裝置電效能。一般言之，選擇特定參數化以減少未知參數之數目且降低參數之間的相關性。
儘管成功採用光學計量工具來特性化裝置材料及結構之電特性，然在許多實例中，已證明難以將所量測電性質轉譯為製程控制輸入以改良良率。因此，除裝置材料及結構之電特性以外，亦期望擴展光學計量工具之效用以提供材料、結構及程序參數之高處理能力線上非破壞性直接量測。以此方式，可直接基於量測結果調整製造控制參數。
現有參數化模型無法追蹤可在製程期間直接控制之參數(例如，膜厚度、程序溫度、材料濃度等)。追蹤此等所關注控制參數實現更有效程序控制，尤其係在包含合金及高介電常數材料之結構之製造期間。
已嘗試採用一多維查找模型來追蹤所關注控制參數。然而，多個參考色散之使用增加量測複雜性及運算工作量。
基於定製參數之一方法實現所關注控制參數之量測，但該方法係基於由參數之間的線性關係限制之定製參數。此限制使該方法不適於許多當前及未來使用情況。
因此，開發用於在製程早期基於光學計量特性化結構及材料之高處理能力系統及方法將為有利的。特定言之，開發包含合金材料及高介電常數介電質之半導體結構之線上SE計量之一穩健、可靠且穩定方法將為有利的。
本文中提出用於在一生產流程早期基於一多維光學色散(MDOD)模型從一樣本之光學量測估計所關注參數值之方法及系統。該MDOD模型實現多個所關注參數之穩健高處理能力追蹤，包含製造控制參數、結構參數、材料組成參數、電參數等。
一MDOD模型依據一基本光學色散模型外部之參數描述包括一被量測結構之材料之光學色散。在一些實施例中，該MDOD模型能夠藉由捕獲此等參數對半導體裝置材料(包含半導體、金屬及介電質)之所量測光學色散之效應而追蹤所關注外部參數。該MDOD模型參數化係基於物理學且係克拉莫-克若尼(Kramers-Kronig)一致的。此使該模型能夠在一廣泛範圍之色散模型變動內量測所關注參數，從而導致多個所關注參數之穩健及靈活追蹤。
一MDOD模型包含一基本光學色散模型。該基本光學色散模型係將該材料理想化為一均質連續體之一材料模型，而不參考特定幾何形狀、程序條件、雜質等。通常，一基本光學色散模型依據諸如電參數(例如，能帶隙、能帶峰值位置等)之模型參數進行參數化。
在一個態樣中，該MDOD模型包含依據該基本光學色散模型外部之一或多個參數對該基本光學色散模型之該等參數之一或多者(例如，電參數，諸如能帶隙、能帶峰值位置等)進行參數化。以此方式，該基本光學色散模型之一或多個參數本身依據額外參數進行參數化。因此，該基本光學色散模型之該等參數之一或多者變為可變函數，即，一或多個所關注外部參數之函數。在一些實例中，該基本光學色散模型之全部參數被表達為一或多個外部參數之函數。
在一個實例中，一基本光學色散模型之各參數被表達為一或多個外部參數之一函數。各函數不受該基本光學色散模型之選擇之限制。選擇各函數以最佳地描述該等外部參數與該基本光學色散模型之對應參數之間的關係。一般言之，該基本光學色散模型之各參數之該參數化可係基於任何適合數學函數。在一些實例中，採用一冪次律模型來描述該等被量測外部參數與該基本光學色散模型之該對應參數之間的實體關係。
在一進一步態樣中，基於實驗設計(DOE)資料訓練該MDOD模型以解析常數模型參數之值。一旦解析該等常數模型參數之該等值，該MDOD模型便可用於基於光譜量測資料求解外部參數、該基本光學色散模型之參數或兩者之值。
在一些實施例中，對該等基本光學色散模型參數之一或多者進行參數化所採用之一或多個外部參數被視為基於光譜量測資料解析之未知值。在一些實例中，該等外部參數係製造控制參數，即，與半導體製程之程序控制變量直接相關之參數。在一些實例中，該等外部參數係特性化半導體晶圓之一結構之一材料或尺寸之結構參數。
在一些實施例中，對該等基本光學色散模型參數之一或多者進行參數化所採用之一或多個外部參數被視為已知值。在此等實施例中，基於光譜量測資料及該一或多個外部參數之該等已知固定值解析基本光學色散模型參數、具有未知值之一或多個外部參數或兩者之值。
在一些實施例中，基於該MDOD模型解析與由該基本光學色散模型特性化之該半導體晶圓之一或多個層不同之該半導體晶圓之一層之特性。
前文係發明內容且因此必需含有細節之簡化、一般化及省略；因此，熟習此項技術者將瞭解發明內容僅係闡釋性的且絕不限制。本文中描述之裝置及/或程序之其他態樣、發明特徵及優點將在本文中闡述之非限制性詳細描述中變得顯而易見。
相關申請案之交叉參考
本專利申請案根據35 U.S.C. §119規定主張2019年3月17日申請之標題為「Multidimensional Dispersion Model」之美國臨時專利申請案第62/819,658號之優先權，該案之標的物以引用的方式併入本文中。
現將詳細參考本發明之背景實例及一些實施例，其之實例在隨附圖式中加以繪示。
本文中提出用於在一生產流程早期基於一多維光學色散(MDOD)模型從一樣本之光學量測估計所關注參數值之方法及系統。MDOD模型實現多個所關注參數之穩健高處理能力追蹤，包含製造控制參數、結構參數、材料組成參數、電參數等。在一些量測應用中，改良量測精確性且開發MDOD模型所需之運算工作量小於替代技術。
當前及未來半導體結構包含(但不限於)具有強烈取決於材料之特定裝置應用以及沈積及塑形材料所採用之程序之光學色散性質之材料。例如，一些材料之光學色散性質取決於程序溫度、程序引起之變形(例如，應力或應變)、合金材料之材料濃度、雜質濃度、退火溫度、裝置尺寸(尤其在尺寸接近量子侷限狀態時)及其他參數。一有效MDOD模型監測如所需般多之參數以有效地控制製程。
MDOD模型依據一基本光學色散模型外部之參數描述包括一被量測結構之材料之光學色散。在一些實施例中，MDOD模型能夠藉由捕獲此等參數對半導體裝置材料(包含半導體、金屬及介電質)之所量測光學色散之效應而追蹤所關注外部參數。MDOD模型參數化係基於物理學且係克拉莫-克若尼一致的，前提係底層基本光學色散模型係克拉莫-克若尼一致的。此使模型能夠在一廣泛範圍之色散模型變動內量測所關注參數，從而導致多個所關注參數之穩健及靈活追蹤。
MDOD模型係基於介電函數之通用表示ε2 (ω)。特定言之，在電子帶間躍遷之情況中，ε2 (ω)可依據如方程式(1)中描述之狀態聯合密度Jcv 來表達。
Figure 02_image001
＜c|p|υ＞係價帶(v)至導帶(c)躍遷之動量矩陣元素，h係簡化普朗克(Planck)常數，e係電子電荷，且m係電子質量。動量矩陣元素及狀態聯合密度兩者皆與材料之電子及聲子能帶結構以及溫度密切相關。繼而，能帶結構由原子能階及晶格對稱定義，其取決於諸如大小、對稱、合金/雜質濃度、任何變形(如應力或應變)以及溫度之參數，即，一基本光學色散模型外部之參數。此確保可依據基本光學色散模型外部之參數對介電函數進行參數化。另外，藉由使用相同參數對介電函數之實數及虛數部分進行參數化，MDOD模型係克拉莫-克若尼一致的，前提係底層基本光學色散模型係克拉莫-克若尼一致的。
一MDOD模型包含一基本光學色散模型。基本光學色散模型係將材料理想化為一均質連續體之一材料模型，而不參考特定幾何形狀、程序條件、雜質等。通常，一基本光學色散模型依據諸如電參數(例如，能帶隙、能帶峰值位置等)之模型參數進行參數化。藉由非限制性實例，複折射率n被表達為光束能量ω及恆定值電參數E1 、E2 、E3 等之一函數，如方程式(2)中繪示。
Figure 02_image002
(2)
在一些此等實例中，複折射率n被表達為光束能量ω及恆定值電參數Eg、E01 、Cb1 、E02 、Cb2 等之一函數，如方程式(3)中繪示。
Figure 02_image004
(3) 其中Eg係能帶隙，E0i 係第i個模型化躍遷之光學躍遷峰值能量，且Cbi 係第i個模型化躍遷之光學躍遷寬度。
基本光學色散模型可為任何所要參數色散模型。在一些實施例中，參考方程式(2)描述之基本光學色散模型係在經設計以補充薄膜量測系統(諸如購自加利福尼亞州米爾皮塔斯市(美國)之KLA-Tencor Corporation之Aleris 8510)之離線光譜分析(OLSA)獨立軟體之膜厚度量測程式庫(FTML)中實施之任何基本光學色散模型。
一般言之，如本文中描述之一基本光學色散模型可經組態以特性化任何有用光學色散度量。例如，複折射率之實數(n)及虛數(k)分量之任一者可由基本光學色散模型特性化。在另一實例中，複介電常數之實數(ε1 )及虛數(ε2 )分量之任一者可由基本光學色散模型特性化。在一些實例中，基本光學色散模型可為各向異性的。在此等實例中，複介電常數之實數(ε1 )及虛數(ε2 )分量係張量。在其他實例中，ε2 之平方根、吸收常數α=4πk/λ、導電性(σ)、集膚深度(δ)及衰減常數(σ/2)*sqrt(μ/ε) (其中μ係自由空間滲透性)之任一者可由基本光學色散模型特性化。在其他實例中，前述光學色散度量之任何組合可由基本光學色散模型特性化。藉由非限制性實例提供前述光學色散度量。可預期其他光學色散度量或度量組合。
在一些其他實例中，採用一複色散模型(如一布魯格曼(Bruggeman)有效模型近似(BEMA)模型或一總和模型)作為一基本光學色散模型。複色散模型將層之介電函數表示為組分之假定介電函數之一有效組成。最佳化有效組成接著與所關注介電層之組成相關。一般言之，複合模型係基於組分之克拉莫-克若尼一致介電函數且因此本身係克拉莫-克若尼一致的。
一複色散模型用於從SE量測提取色散曲線(例如，介電函數之實數(ε1 )及虛數(ε2 )部分或折射率(n)及消光係數(k))。隨後，將所計算色散曲線內插於所關注能量範圍中以評估能帶隙。能帶隙估計之精確性強烈取決於能帶隙內插所關注之能量之選擇。再者，由於必須從所計算色散曲線間接導出能帶隙，故需要一參考以提供精確結果。
在一些其他實例中，採用一托克-勞侖茲(Tauc-Lorentz)模型或一科迪-勞侖茲(Cody-Lorentz)模型作為一基本光學色散模型，如藉由實例在A.S.Ferlauto等人之「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)中描述，該案之標的物之全部內容以引用的方式併入本文中。在此等模型中，介電函數之虛數部分由一參數化色散函數表示，且介電函數之實數部分基於克拉莫-克若尼一致性之強制執行來判定。藉由憑藉數值回歸將模型化光譜擬合至所量測光譜而評估模型參數。藉由模型參數之擬合品質及可信限度之統計評估來評估模型之效度及限制。
在另一實例中，一或多個材料之光學回應由包含一連續科迪-勞侖茲模型之一基本光學色散模型特性化，該連續科迪-勞侖茲模型具有在模型之耳巴赫(Urbach)躍遷能量處連續之一第一導函數及至少一個無界高斯(Gaussian)振子函數。在一個實例中，光學色散模型包含一或多個高斯振子函數以考量缺陷狀態、介面狀態、聲子模式或其之任何組合。以此方式，光學色散模型對未完工多層半導體晶圓之一或多個缺陷敏感。
在另一實例中，選定基本光學色散模型係一臨界點模型。
在其他實例中，選定基本光學色散模型包含光學色散之一或多個諧振子模型。
在一些實例中，利用一回歸程序判定跨選定光譜範圍之複介電常數之實數(ε1 )及虛數(ε2 )分量之一基本光學色散模型之參數值。就此而言，可使用一選定基本光學色散模型將一回歸法應用於所量測光譜資料。
在至少一個態樣中，MDOD模型包含依據基本光學色散模型外部之一或多個參數對基本光學色散模型之參數之一或多者(例如，電參數，諸如能帶隙、能帶峰值位置等)進行參數化。以此方式，基本光學色散模型之一或多個參數本身依據額外參數進行參數化。因此，基本光學色散模型之參數之一或多者變為可變函數，即，一或多個所關注外部參數之函數。在一些實例中，基本光學色散模型之全部參數被表達為一或多個外部參數之函數。
在一個實例中，一基本光學色散模型之各參數BPi 被表達為一或多個外部參數EPk 之一函數，其中k=1:N。數字N定義模型之維度，其中N係任何正整數。假定模型維度係二(即，N=2)，則基本光學色散模型之各參數BPi 被表達為兩個不同外部參數之一函數，如由方程式(4)繪示。
Figure 02_image006
(4)
各函數fi 不受基本光學色散模型之選擇之限制。選擇各函數fi 以最佳地描述外部參數與基本光學色散模型之對應參數之間的關係。一般言之，基本光學色散模型之各參數之參數化可係基於任何適合數學函數。然而，在較佳實施例中，選擇各函數fi 以最佳地描述被量測外部參數與基本光學色散模型之對應參數之間的實體關係。在一些實例中，採用一冪次律模型來描述被量測外部參數與基本光學色散模型之對應參數之間的實體關係。
在一些實施例中，各函數fi 係取決於恆定值參數及一外部參數之函數φ之一線性組合。方程式(5)繪示一函數fi 之一般公式化，
Figure 02_image008
(5) 其中BPi 0 係參數BPi 之標稱值，函數φ1j EPi 係EP1 以及常數A1j Ei 及B1j EPi 之一預定函數，且φ2j EPi 係EP2 以及常數A2j EPi 及B2j EPi 之一預定函數。函數φ1j EPi 之加總之項數M1係任何正整數，且函數φ2j EPi 之加總之項數M2係任何正整數。在方程式(5)中描繪之實例中，函數φ1j EPi 及φ2j EPi 分別取決於常數A1j EPi 及B1j EPi 以及A2j EPi 及B2j EPi 。然而，一般言之，函數φ1j EPi 及φ2j EPi 可取決於任何數目個常數集。函數φ1j EPi 及φ2j EPi 由BPi 對外部參數EP1 及EP2 之各者之實體相依性定義。例如，若BPi 係能帶隙且EP1 係膜厚度，且已知能帶隙依據厚度與-2之冪之一函數近似按比例調整，則選擇φ1j Ei 作為膜厚度之一系列冪函數，其中取決於拋物線近似對所關注材料之有效度而將冪設定為接近於-2。
在一些實例中，函數φ1j EPi 及φ2j EPi 係描述被量測外部參數與基本光學色散模型之對應參數之間的實體關係所採用之冪次律模型。例如，方程式(6)根據方程式(5)繪示BPi 依據EP1 及EP2 之一參數化，其中M1及M2皆等於二，且φ1j EPi 及φ2j EPi 皆為依據常數A及B表達之冪次律函數。
Figure 02_image010
(6)
在一進一步態樣中，基於實驗設計(DOE)資料訓練MDOD模型以解析常數模型參數之值。例如，如方程式(5)中描繪，基於BPi 、EP1 及EP2 之已知值遞迴地解析常數A1j EPi 及B1j EPi 。一旦解析常數A1j EPi 及B1j EPi 之值，MDOD模型便可用於基於光譜量測資料求解EP1 及EP2 之值。
在一些實施例中，對基本光學色散模型參數之一或多者進行參數化所採用之一或多個外部參數被視為基於光譜量測資料解析之未知值。在一些實例中，外部參數係製造控制參數，即，與半導體製程之程序控制變量直接相關之參數。藉由非限制性實例，一製造控制參數包含一程序溫度、一程序壓力、一程序材料流、一程序時間間隔等之任一者。一般言之，一半導體製程之任何可控制程序控制變量可被預期為此專利文獻之範疇內之一製造控制參數。
在一些實例中，外部參數係特性化半導體晶圓之一結構之一材料或尺寸之結構參數。藉由非限制性實例，一結構參數包含一膜厚度、一合金材料之一材料濃度、一程序引起之變形、一雜質濃度及一裝置尺寸等之任一者。一般言之，一半導體晶圓之任何結構之任何尺寸或材料特性可被預期為此專利文獻之範疇內之一結構參數。
在一些實施例中，直接採用所關注外部參數之值來控制一製程以達成改良裝置良率(例如，製造控制參數或結構參數)。
在一些實施例中，對基本光學色散模型參數之一或多者進行參數化所採用之一或多個外部參數被視為已知值。在此等實施例中，基於光譜量測資料及一或多個外部參數之已知固定值解析基本光學色散模型參數、具有未知值之一或多個外部參數或兩者之值。
在一些實施例中，基於不涉及半導體晶圓在所考量量測點處之光譜回應之量測判定一或多個外部參數之固定值。在一些實例中，從半導體結構之另一量測(例如，在製程之一先前步驟之光譜量測、薄片電阻量測、其他晶圓上之相同結構之量測、與所量測層之性質相互關聯之量測、在相同程序條件下製造之半導體結構之線路末端電量測、晶圓上之不同位置處之相同結構之量測等)判定一或多個外部參數(例如，膜厚度)之已知值。一般言之，可從與被量測結構相互關聯之任何資訊源判定一或多個外部參數之值。
在一些實施例中，一MDOD模型之外部參數係抽象參數，即，不直接對應於任何實體或程序參數之參數。通常，選擇抽象參數以捕獲多個效應，藉此降低該組外部參數與基本光學色散模型之參數之間的相關性。抽象參數可進行統計分析，例如使用主成分分析，其與解析MDOD模型所採用之回歸分析分離。在一些此等實施例中，包含一或多個抽象參數之一MDOD模型改良由MDOD模型模型化之一或多個層之量測結果。在一些此等實施例中，包含一或多個抽象參數之一MDOD模型改良未由MDOD模型模型化之一被量測多層結構之其他層之量測結果。
在一些實施例中，至少部分基於基本光學色散模型之一或多個參數之值判定特性化半導體晶圓之一不同層之一或多個參數之值。在此等實施例中，基於MDOD模型解析與由基本光學色散模型特性化之半導體晶圓之一或多個層不同之半導體晶圓之一層之特性。在一些實例中，一或多個外部參數包含描述一多層堆疊模型之另一層之一參數(例如，另一層之厚度)。
在一個實例中，使用一MDOD模型模型化矽鍺層114A。MDOD模型之一外部參數係層114A之鍺百分比，且折射率係一基本光學色散模型參數。在使用MDOD模型的情況下，藉由在所量測光譜回應之一基於模型之回歸分析中使基本光學色散模型之一特定參數之值及鍺百分比兩者浮動而獲得層114A之折射率之一更精確估計。折射率之精確估計值實現中間層114B之厚度估計。中間層114B之光學回應可獨立評估或在與層114A之一耦合分析中評估。中間層114B之光學回應可使用一MDOD模型或一簡化模型(諸如一表模型)模型化。
在一些實例中，MDOD模型描述一單層結構之一個層(例如，基板本身、安置於基板上方之一單層等)。
在一些實例中，MDOD模型描述經模型化之一多層結構之一個層，其中多層結構之各層獨立模型化。
在一些實例中，MDOD模型描述由一堆疊模型模型化之一多層結構之多個層。
圖1繪示根據本發明之一項實施例之用於量測一半導體晶圓之一薄膜之一光譜回應之一系統100。如圖1中展示，系統100可用於在安置於一平移載物台110上之一半導體晶圓112之一或多個膜114上執行光譜橢圓偏光法。在此態樣中，系統100可包含配備有一照明器102及一光譜儀104之一光譜橢圓偏光儀。系統100之照明器102經組態以產生一選定波長範圍(例如，150 nm至850 nm)之照明且將其引導至安置於半導體晶圓112之表面上之薄膜(例如，SiGe薄膜)。繼而，光譜儀104經組態以接收從半導體晶圓112之表面反射之照明。進一步應注意，使用偏光器107使從照明器102出射之光偏光以產生一偏光照明光束106。由安置於晶圓112上之薄膜114反射之輻射行進穿過一檢偏鏡109且至光譜儀104。就此而言，比較收集光束108中由光譜儀104接收之輻射與照明光束106之入射輻射，從而容許薄膜114之光譜分析。
在一進一步實施例中，系統100可包含一或多個運算系統116。一或多個運算系統116可通信地耦合至光譜儀104。在一個態樣中，一或多個運算系統116可經組態以接收由光譜儀104對一或多個晶圓執行之一組光譜量測。在從光譜儀接收一或多個取樣程序之結果之後，一或多個運算系統116可接著計算一MDOD模型之參數。就此而言，運算系統116可基於從光譜儀104獲取之光譜提取一或多個外部參數之值。此外，運算系統116可利用應用於一選定基本光學色散模型之一回歸程序(例如，普通最小平方迴歸)提取n曲線及k曲線。在一較佳實施例中，選定基本光學色散模型係一複合模型(如一BEMA或一總和模型)或一基於振子之模型(如一高斯模型、一科迪-勞侖茲模型、一托克-勞侖茲模型、一諧振子模型等)。
在一進一步實施例中，運算系統116可至少部分基於MDOD模型之一或多個參數之值控制一半導體晶圓之一製程。例如，運算系統116可經組態以將程序控制參數值傳遞至負責製造被量測半導體晶圓之一或多個製造工具。
如圖2中繪示，在一些實施例中，一中間層114B定位於一半導體基板112 (例如，矽)與一矽鍺(SiGe)層114A之間以促進黏著。通常，中間層114B非常薄(例如，10埃)。在一些實例中，SiGe層114A及中間層114B一起模型化為一個層以便採用如本文中描述之方法及系統進行分析。在此實例中，一或多個運算系統116可判定包含中間層114B及SiGe層114A兩者之膜層114之一MDOD模型之一或多個參數。然而，在一些其他實例中，各層可單獨模型化。在此實例中，一或多個運算系統116可判定SiGe絕緣層114A之一MDOD模型之一或多個參數及中間層114B之一MDOD模型之一或多個參數。
應認知，貫穿本發明描述之各種步驟可由一單一電腦系統116或替代地一多電腦系統116實行。再者，系統100之不同子系統(諸如光譜橢圓偏光儀101)可包含適合於實行上文描述之步驟之至少一部分之一電腦系統。因此，以上描述不應被解譯為對本發明之一限制而僅為一說明。此外，一或多個運算系統116可經組態以執行本文中描述之任何方法實施例之任何(若干)其他步驟。
在另一實施例中，電腦系統116可以此項技術中已知之任何方式通信地耦合至橢圓偏光儀101之光譜儀104或照明器子系統102。例如，一或多個運算系統116可耦合至橢圓偏光儀101之光譜儀104之一運算系統及照明器子系統102之一運算系統。在另一實例中，光譜儀104及照明器102可由一單一電腦系統控制。以此方式，系統100之電腦系統116可耦合至一單一橢圓偏光儀電腦系統。
系統100之電腦系統116可經組態以藉由可包含有線及/或無線部分之一傳輸媒體從系統之子系統(例如，光譜儀104、照明器102及類似物)接收及/或獲取資料或資訊。以此方式，傳輸媒體可充當電腦系統116與系統100之其他子系統之間的一資料鏈路。此外，運算系統116可經組態以經由一儲存媒體(即，記憶體)接收光譜結果。例如，使用一橢圓偏光儀之一光譜儀獲得之光譜結果可儲存於一永久或半永久記憶體裝置中。就此而言，光譜結果可從一外部系統匯入。
再者，電腦系統116可經由一傳輸媒體將資料發送至外部系統。再者，系統100之電腦系統116可經組態以藉由可包含有線及/或無線部分之一傳輸媒體從其他系統接收及/或獲取資料或資訊（例如，來自一檢測系統之檢測結果或來自一計量系統之計量結果）。以此方式，傳輸媒體可充當電腦系統116與系統100之其他子系統之間的一資料鏈路。再者，電腦系統116可經由一傳輸媒體將資料發送至外部系統。
運算系統116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裝置。一般言之，術語「運算系統」可廣泛地定義為涵蓋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裝置。
實施方法(諸如本文中描述之方法)之程式指令120可透過載體媒體118傳輸或儲存於載體媒體118上。載體媒體可為一傳輸媒體，諸如一導線、電纜或無線傳輸鏈路。載體媒體可亦包含一電腦可讀媒體，諸如一唯讀記憶體、一隨機存取記憶體、一磁碟或光碟、或一磁帶。
圖1中繪示之系統100之實施例可如本文中描述般進一步組態。另外，系統100可經組態以執行本文中描述之任何(若干)方法實施例之任何(若干)其他步驟。
圖3繪示適合於由本發明之系統100實施之一程序流程200。在一個態樣中，應認知，程序流程200之資料處理步驟可經由由運算系統116之一或多個處理器執行之一預程式化演算法實行。雖然在系統100之內容脈絡中提出以下描述，但本文中應認知，系統100之特定結構態樣並不表示限制且僅應被解釋為闡釋性。
在方塊201中，由一運算系統接收一半導體晶圓跨廣泛光譜範圍之一光譜回應。在一個實例中，在將SiGe薄膜沈積於晶圓上之後執行量測。例如，可從一橢圓偏光儀101接收光譜。在另一實例中，可從一反射計(未展示)接收光譜。可利用光譜橢圓偏光儀101從沈積於晶圓112上之薄膜114之各者獲取光譜資料。例如，橢圓偏光儀101可包含一照明器102及一光譜儀104，如本文中先前論述。光譜儀104可將與晶圓之薄膜之一光譜量測相關聯之結果傳輸至一或多個運算系統116以進行分析。在另一實例中，可藉由匯入先前獲得之光譜資料而獲取多個薄膜114之光譜。就此而言，光譜獲取及光譜資料之後續分析無需同時進行或在空間上接近地執行。例如，光譜資料可儲存於記憶體中以在一隨後時間進行分析。此可為期望的，例如用於診斷目的或分析較大組量測資料。在另一例項中，光譜結果可經獲得且傳輸至定位於一遠端位置處之一分析運算系統。
在方塊202中，使特性化半導體晶圓之一或多個層之一光學回應之一基本光學色散模型之一或多個參數依據基本光學色散模型外部之一或多個參數進行參數化。
在方塊203中，至少部分基於如本文中描述之光譜回應估計基本光學色散模型之一或多個參數之值。
在方塊204中，將基本光學色散模型之一或多個參數之估計值儲存於一記憶體(例如，記憶體118)中。儲存值可用於例如執行樣品之進一步分析或控制製程參數。
一MDOD模型已被證明可有效地追蹤一範圍內之多個外部參數及跨一晶圓之值分佈。
圖4描繪指示與四個不同晶圓相關聯之鍺濃度之已知標稱值之一標繪圖210。另外，標繪圖210指示根據如本文中描述之一MDOD模型在各晶圓之表面上之許多位置處量測之鍺濃度之平均估計值。如圖4中描繪，估計值密切追蹤已知標稱值。擬合優度由圖4中繪示之斜率、y截距及R2 值特性化。
圖5描繪指示根據一MDOD模型在使用一點指示之晶圓位置處量測之鍺濃度百分比之一圖之一等值線圖230。所量測晶圓之膜厚度之已知標稱值係500埃且鍺濃度之已知標稱值係26%。
圖6描繪指示根據一MDOD模型在使用一點指示之晶圓位置處量測之鍺濃度百分比之一圖之一等值線圖240。所量測晶圓之膜厚度之已知標稱值係500埃且鍺濃度之已知標稱值係27%。
圖7描繪指示根據一MDOD模型在使用一點指示之晶圓位置處量測之鍺濃度百分比之一圖之一等值線圖250。所量測晶圓之膜厚度之已知標稱值係200埃且鍺濃度之已知標稱值係33%。
圖8描繪指示根據一MDOD模型在使用一點指示之晶圓位置處量測之鍺濃度百分比之一圖之一等值線圖260。所量測晶圓之膜厚度之已知標稱值係200埃且鍺濃度之已知標稱值係36%。
在一項實施例中，如本文中描述之MDOD模型在經設計以補充薄膜量測系統(諸如購自加利福尼亞州米爾皮塔斯市(美國)之KLA-Tencor Corporation之Aleris 8510)之離線光譜分析(OLSA)獨立軟體之膜厚度量測程式庫(FTML)中實施。對包含合金材料之測試樣本執行之量測展示高處理能力下之高精度及可靠性。此外，藉由非限制性實例，所提取參數展示對監測及控制膜厚度及合金濃度之前景。
在另一進一步態樣中，藉由至少部分基於所識別參數值控制半導體晶圓之一製程而改良裝置效能。在一個實例中，可基於從方程式(6)中繪示之膜厚度之MDOD模型識別之所量測膜厚度控制膜厚度。
儘管參考合金結構之模型化描述MDOD模型，然該模型可應用於其他材料。在一些實例中，模型可經組態以描述各種奈米結構(例如，奈米線、量子點及量子阱)之材料。模型可經一般化以包含任何數目個缺陷位準。在另一實例中，模型可應用於嵌入另一非晶介電板片或層中之奈米結構(例如，量子阱、量子點及奈米線)。在另一實例中，模型可應用於新開發之光阻劑(諸如分子光阻劑或共聚物)、高介電常數介電質(諸如HfO2 )、無序材料及氧化鈾(UOx )。
在另一進一步態樣中，可基於相同光譜回應資料進行與一晶圓之不同層相關聯之參數值之單獨判定。例如，一被量測晶圓可包含一半導體基板112、一中間層114B、一SiGe層114A及一額外膜層(未展示)。從光譜儀104接收之光譜回應資料包含來自全部此等層之貢獻。捕獲此等層之各者之貢獻之一堆疊層模型可用於單獨判定與被分析之各不同實體層或實體層群組相關聯之參數值。
在另一進一步態樣中，一MDOD模型之參數值用於在生產程序早期基於部分製造之裝置之品質對晶圓及微晶片進行分級。此可無需在生產程序結束時使用昂貴且耗時之電測試設備對晶圓及微晶片進行分級。
在一或多項例示性實施例中，所描述之功能可在硬體、軟體、韌體或其之任何組合中實施。若在軟體中實施，則功能可儲存於一電腦可讀媒體上或作為一電腦可讀媒體上之一或多個指令或程式碼而傳輸。電腦可讀媒體包含電腦儲存媒體及通信媒體兩者，其包含促進一電腦程式從一個位置轉移至另一位置之任何媒體。一儲存媒體可為可藉由一通用或專用電腦存取之任何可用媒體。藉由實例且非限制，此電腦可讀媒體可包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其他光碟儲存器、磁碟儲存器或其他磁性儲存裝置或可用於攜載或儲存呈指令或資料結構形式之所要程式碼構件且可藉由一通用或專用電腦或一通用或專用處理器存取之任何其他媒體。再者，任何連接可被適當地稱為一電腦可讀媒體。例如，若使用一同軸電纜、光纖電纜、雙絞線、數位用戶線(DSL)或無線技術(諸如紅外線、無線電及微波)自一網站、伺服器或其他遠端源傳輸軟體，則同軸電纜、光纖電纜、雙絞線、DSL或無線技術(諸如紅外線、無線電及微波)包含於媒體之定義中。如本文中使用，磁碟及光碟包含光碟(CD)、雷射光碟、光碟、數位多功能光碟(DVD)、軟碟及藍光光碟，其中磁碟通常磁性地重現資料，而光碟使用雷射光學地重現資料。上文之組合亦應包含於電腦可讀媒體之範疇內。
如本文中使用，術語「晶圓」通常係指由一半導體或非半導體材料形成之基板。此一半導體或非半導體材料之實例包含(但不限於)單晶矽、砷化鎵及磷化銦。通常可在半導體製造廠中找到及/或處理此等基板。
可在一晶圓上形成一或多個層。例如，此等層可包含(但不限於)一光阻劑、一介電材料、一導電材料及一半導體材料。此項技術中已知許多不同類型之此等層，且如本文中使用之術語晶圓旨在涵蓋其上可形成所有類型之此等層之一晶圓。
形成於一晶圓上之一或多個層可經圖案化或未經圖案化。例如，一晶圓可包含複數個晶粒，各具有可重複圖案化特徵。此等材料層之形成及處理最終可導致成品裝置。許多不同類型的裝置可形成於一晶圓上，且如本文中使用之術語晶圓旨在涵蓋其上製造此項技術中已知之任何類型的裝置之一晶圓。
一典型半導體程序包含晶圓逐批處理。如本文中使用，一「批」係在一起處理之一晶圓群組(例如，25個晶圓之群組)。批中各晶圓包括來自微影處理工具之許多曝光場(例如，步進器、掃描器等)。在各場內可存在多個晶粒。一晶粒係最終變為一單一晶片之功能單元。形成於一晶圓上之一或多個層可經圖案化或未經圖案化。例如，一晶圓可包含複數個晶粒，各具有可重複圖案化特徵。此等材料層之形成及處理最終可導致成品裝置。許多不同類型之裝置可形成於一晶圓上，且如本文中使用之術語晶圓旨在涵蓋其上製造此項技術中已知之任何類型之裝置之一晶圓。
儘管本文中相對於晶圓描述實施例，然應理解，該等實施例可用於特性化另一樣品之薄膜(諸如一倍縮光罩，其通常亦可被稱為一遮罩或一光罩)。在此項技術中已知許多不同類型之倍縮光罩，且如本文中使用之術語「倍縮光罩」、「遮罩」及「光罩」旨在涵蓋此項技術中已知之所有類型之倍縮光罩。
儘管本文中相對於應用於晶圓之薄膜量測描述實施例，然應理解，本文中揭示之方法及系統可用於特性化半導體結構之臨界尺寸、半導體結構層之間的疊對及半導體結構之材料組成。
本文中描述之實施例大體上係關於用於基於高處理量下之光學模型參數值判定多層薄膜之特性之方法。例如，一項實施例係關於用於基於從光譜橢圓偏光儀資料導出之光學模型參數值判定多層薄膜之材料組成特性之一電腦實施方法。然而，在其他實例中，亦可預期使用本文中描述之技術量測臨界尺寸、疊對及電性質。類似地，本文中描述之方法不限於可導出光學模型參數值之計量系統類型。例如，在一項實施例中，計量系統包含用於晶圓之薄膜檢測之一反射計。一般言之，本文中描述之光學色散模型可應用於分析從各種寬頻及窄頻計量工具接收之量測資料。例如，可在本專利文獻之範疇內預期光譜橢圓偏光儀及反射計、多角度橢圓偏光儀及反射計，包含任何數目或類型之照明源(例如，在可見光、紅外線、紫外線、真空紫外線、深紫外線光譜中發射光之基於燈或雷射之源)。
另外，計量系統可經組態用於圖案化晶圓及/或未圖案化晶圓之檢測。檢測系統可經組態為一LED檢測工具、邊緣檢測工具、背側檢測工具、宏觀檢測工具或多模式檢測工具(涉及同時來自一或多個平台之資料)及獲益於基於高處理量下之光學模型參數值判定多層薄膜之能帶結構特性之任何其他計量或檢測工具。因此，術語「計量」系統及「檢測」系統可互換地使用。
儘管為指導目的在上文描述某些特定實施例，然本專利文獻之教示具有一般適用性且不限於上文描述之特定實施例。因此，在不脫離如在發明申請專利範圍中闡述之本發明之範疇的情況下可實踐所描述實施例之各種特徵之各種修改、調適及組合。
100:晶圓量測系統 101:橢圓偏光儀 102:照明器 104:光譜儀 106:照明光束 107:偏光器 108:收集光束 109:檢偏鏡 110:平移載物台 112:半導體基板/半導體晶圓 114:薄膜 114A:附接薄膜層/矽鍺層 114B:附接薄膜層/中間層 116:運算系統 118:載體媒體/記憶體 120:程式指令 200:方法 201:方塊 202:方塊 203:方塊 204:方塊 210:標繪圖 230:等值線圖 240:等值線圖 250:等值線圖 260:等值線圖
圖1係繪示包含薄膜特性化功能性之一晶圓量測系統100之一簡化圖。
圖2係繪示可由如本文中描述之方法及系統特性化之具有附接薄膜層114A及114B之一半導體基板112之一簡化圖。
圖3係繪示從光譜回應資料判定一多維光學色散(MDOD)模型之外部參數之值之一方法200之一流程圖。
圖4係繪示已知標稱值對根據一MDOD模型在四個不同晶圓上之各種位置處估計之鍺濃度值之一標繪圖210。
圖5描繪指示根據一MDOD模型在各種晶圓位置處量測之一第一晶圓之鍺濃度之一圖之一等值線圖230。
圖6描繪指示根據一MDOD模型在各種晶圓位置處量測之一第二晶圓之鍺濃度之一圖之一等值線圖240。
圖7描繪指示根據一MDOD模型在各種晶圓位置處量測之一第三晶圓之鍺濃度之一圖之一等值線圖250。
圖8描繪指示根據一MDOD模型在各種晶圓位置處量測之一第四晶圓之鍺濃度之一圖之一等值線圖260。
112:半導體基板/半導體晶圓
114A:附接薄膜層/矽鍺層
114B:附接薄膜層/中間層

Claims (20)

  1. 一種系統，其包括： 一照明器，其經組態以在一半導體晶圓上之一量測點處跨一光譜範圍將一定量之照明提供至該半導體晶圓； 一光譜儀，其經組態以回應於由該照明器提供之該照明而從該量測點收集一定量之光且產生指示該半導體晶圓在該量測點處之一光譜回應之一定量之資料；及 一或多個運算系統，其經組態以： 接收該半導體晶圓跨該光譜範圍之該光譜回應； 使特性化該半導體晶圓之一或多個層之一光學回應之一基本光學色散模型之一或多個參數依據該基本光學色散模型外部之一或多個參數進行參數化； 至少部分基於該光譜回應估計該基本光學色散模型之該一或多個參數之值；及 將該基本光學色散模型之該一或多個參數之該等值儲存於一記憶體中。
  2. 如請求項1之系統，其中該運算系統經進一步組態以： 至少部分基於該光譜回應估計該一或多個外部參數之值。
  3. 如請求項1之系統，其中該運算系統經進一步組態以： 至少部分基於該基本光學色散模型之該一或多個參數之值估計特性化該半導體晶圓之一層之一或多個參數之值，其中該半導體晶圓之該層不同於由該基本光學色散模型特性化之該半導體晶圓之該一或多個層。
  4. 如請求項1之系統，其中藉由一或多個冪次律函數依據該基本光學色散模型外部之該一或多個參數特性化該基本光學色散模型之該一或多個參數。
  5. 如請求項1之系統，其中該基本光學色散模型之該一或多個參數係描述該半導體晶圓之該一或多個層之至少一者之電參數。
  6. 如請求項1之系統，其中該一或多個外部參數包含特性化該半導體晶圓之一結構之一材料或尺寸之一製造控制參數或一結構參數。
  7. 如請求項6之系統，其中該製造控制參數包含一程序溫度、一程序壓力及一程序材料流之任一者，且其中該半導體層之該結構特性包含一膜厚度、一合金材料之一材料濃度、一程序引起之變形、一雜質濃度及一裝置尺寸之任一者。
  8. 如請求項1之系統，其中該一或多個外部參數之至少一者係一固定值參數，且其中該基本光學色散模型之該一或多個參數之該等值之該估計係至少部分基於該固定值參數。
  9. 如請求項8之系統，其中該固定值未由該半導體晶圓在該量測點處之該光譜回應判定。
  10. 如請求項4之系統，其中該一或多個運算系統經進一步組態以： 至少部分基於該製造控制參數或結構參數之該值控制該半導體晶圓之一製程。
  11. 如請求項1之系統，其中該半導體晶圓之一第一層係安置於一半導體基板上方之一合金材料層。
  12. 如請求項1之系統，其中該照明器及該光譜儀經組態為一橢圓偏光儀及一反射計之任一者。
  13. 一種方法，其包括： 跨一光譜範圍接收一半導體晶圓上之一量測點處之一光譜回應； 使特性化該半導體晶圓之一或多個層之一光學回應之一基本光學色散模型之一或多個參數依據該基本光學色散模型外部之一或多個參數進行參數化； 至少部分基於該光譜回應估計該基本光學色散模型之該一或多個參數之值；及 將該基本光學色散模型之該一或多個參數之該等值儲存於一記憶體中。
  14. 如請求項13之方法，其進一步包括： 至少部分基於該光譜回應估計該一或多個外部參數之值。
  15. 如請求項13之方法，其進一步包括： 至少部分基於該基本光學色散模型之該一或多個參數之值估計特性化該半導體晶圓之一層之一或多個參數之值，其中該半導體晶圓之該層不同於由該基本光學色散模型特性化之該半導體晶圓之該一或多個層。
  16. 如請求項13之方法，其中藉由一或多個冪次律函數依據該基本光學色散模型外部之該一或多個參數特性化該基本光學色散模型之該一或多個參數。
  17. 如請求項13之方法，其中該一或多個外部參數包含特性化該半導體晶圓之一結構之一材料或尺寸之一製造控制參數或一結構參數。
  18. 如請求項13之方法，其中該一或多個外部參數之至少一者係一固定值參數，且其中該基本光學色散模型之該一或多個參數之該等值之該估計係至少部分基於該固定值參數。
  19. 一種系統，其包括： 一照明器，其經組態以在一半導體晶圓上之一量測點處跨一光譜範圍將一定量之照明提供至該半導體晶圓； 一光譜儀，其經組態以回應於由該照明器提供之該照明而從該量測點收集一定量之光且產生指示該半導體晶圓在該量測點處之一光譜回應之一定量之資料；及 一非暫時性電腦可讀媒體，其包括： 用於引起一運算系統接收該半導體晶圓跨該光譜範圍之該光譜回應之程式碼； 用於引起該運算系統使特性化該半導體晶圓之一或多個層之一光學回應之一基本光學色散模型之一或多個參數依據該基本光學色散模型外部之一或多個參數進行參數化之程式碼； 用於引起該運算系統至少部分基於該光譜回應估計該基本光學色散模型之該一或多個參數之值之程式碼；及 用於引起該運算系統將該基本光學色散模型之該一或多個參數之該等值儲存於一記憶體中之程式碼。
  20. 如請求項19之系統，該非暫時性電腦可讀媒體進一步包括： 用於引起該運算系統至少部分基於該光譜回應估計該一或多個外部參數之值之程式碼。
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