TWI649628B - 用於半導體目標之量測的微分方法及裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明揭示用於判定用於半導體結構之處理程序參數或結構參數之裝置及方法。自定位於一半導體晶圓上之複數個區段中之一或多個目標獲取複數個光學信號。該等區段係與用於製造該一或多個目標之不同處理程序參數相關聯，且該等經獲取之光學信號含有關於一頂部結構之一所關注參數(POI)之資訊，以及關於形成於此頂部結構下面之一或多個底層之一或多個底層參數之資訊。產生一特徵提取模型以自此等經獲取之光學信號提取複數個特徵信號，使得該等特徵信號含有用於該POI之資訊而排除用於該等底層參數之資訊。基於由該特徵提取模型提取之該等特徵信號判定各區段之各頂部結構之一POI值。

Description

用於半導體目標之量測的微分方法及裝置 【相關申請案交叉參考】
本申請案主張2013年8月11日由Stilian Ivanov Pandev等人申請之先前申請案美國臨時申請案第61/864,573號之權利，該申請案之全文針對所有目的以引用的方式併入本文中。
本發明大體上係關於用於判定處理程序參數或結構參數之方法及系統，且更特定言之係關於使用實驗設計(DOE)晶圓或焦點曝光矩陣(FEM)晶圓判定處理程序參數或結構參數。
用於積體電路之製造中之光微影或光學微影系統已經出現了一段時間。此等系統已證明在產品中之非常小的細節之精密製造及形成方面非常有效。在大多數光微影系統中，藉由經由一光射束或輻射束(例如，UV或紫外光)傳遞一圖案而將一電路影像寫入於一基板上。例如，微影系統可包含將一電路影像投射穿過一光罩及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源或輻射源。在後續處理步驟(舉例而言，如沈積及/或蝕刻)期間經曝光之光阻劑通常形成在顯影之後遮罩該晶圓之層之一圖案。
用於控制光微影處理程序之兩個例示性處理程序參數係焦點及曝光(亦稱為「劑量」)。焦點通常處置清晰度(微影系統之一光學子系 統以該清晰度呈現一影像)，且曝光通常處置用於形成圖案之光(或輻射)(諸如藉由微影系統之一光源產生之光)之量或劑量。焦點及曝光兩者皆以一非普通方式影響電路圖案。例如，焦點及曝光之變化可引起抗蝕劑分佈及印刷於光阻劑中之電路之形狀之變化。
不同結構類型常常具有用於控制微影焦點及曝光設定(在該等設定下可形成無缺陷之此等結構)之不同處理程序窗。用於不同結構之此等窗之交點可定義為焦點及曝光設定或窗之一最佳範圍。
目前，使用一焦點曝光矩陣(FEM)以在焦點及曝光之多個組合下曝光一晶圓且接著檢測對於最佳抗蝕劑分佈(更緊密匹配所要或最佳抗蝕劑分佈之抗蝕劑分佈)之所得圖案來判定微影系統之最佳焦點及曝光設定。通常藉由量測抗蝕劑分佈之各種參數(諸如CD)之一CD掃描電子顯微鏡(CD-SEM)來執行檢測。在大多數情況中，必須破壞(例如，切穿)晶圓使得可量測此等參數。處理程序窗通常定義為保持最終抗蝕劑分佈於指定規格內之焦點及曝光之區域(例如，處理程序窗通常包含最佳焦點及曝光)。然而，用於判定一最佳處理程序窗之CD-SEM技術常常為耗費時間、不可靠的及不能夠量測某一側壁抗蝕劑分佈。
此外，在IC結構尺寸持續縮小及處理程序窗邊限亦縮小時，在製造期間維持結構均勻度變得具有挑戰性的。在製造中之若干因素(包含與光罩改良特徵迴旋之微影單元曝光序列微擾)促成以非預期且常常不可預知之方式跨曝光區段改變之特徵回應。
鑒於前述內容，期望用於判定及監測一光微影系統之最佳焦點及曝光設定之改良技術。亦期望用於判定任何合適處理程序參數或結構參數之改良技術。
下文提呈本揭示內容之一簡化概述以提供本發明之某些實施例 之一基本瞭解。此概述並非本揭示內容之一廣泛綜述且其並未識別本發明之關鍵/重要元件或描繪本發明之範疇。其唯一目的係以一簡化形式提呈本文中所揭示之一些概念作為稍後提呈之更詳細描述之一前奏。
在一實施例中，揭示一種判定用於半導體結構之處理程序參數或結構參數之方法。自定位於一半導體晶圓上之複數個區段中之一或多個目標獲取複數個光學信號。該等區段係與用於製造該一或多個目標之不同處理程序參數相關聯，且該等經獲取之光學信號含有關於一頂部結構之一所關注參數(POI)之資訊及關於形成於此頂部結構下面之一或多個底層之一或多個底層參數之資訊。產生一特徵提取模型以自此等經獲取之光學信號提取複數個特徵信號使得該等特徵信號含有用於該POI之資訊而排除用於該等底層參數之資訊。基於藉由該特徵提取模型提取之該等特徵信號判定各區段之各頂部結構之一POI值。
在一特定實施方案中，產生特徵提取模型包含對經獲取之光學信號執行一資料集縮減技術以產生經轉換之光學信號資料及產生該特徵提取模型以自該經轉換之光學信號資料提取特徵信號。在一進一步態樣中，經轉換之光學信號資料係所獲取之光學信號之一線性組合。在另一態樣中，使用一主分量分析(PCA)、核PCA(kPCA)、非線性PCA(NLPCA)、獨立分量分析(ICA)或局部線性嵌入(LLE)演算法來完成資料集縮減技術。在又另一實施例中，使用一主分量分析(PCA)技術來完成資料集縮減技術且經轉換之光學信號表示相對於由該PCA技術所引起之一第一主分量之經獲取之光學信號。
在一替代實施方案中，藉由訓練一參數模型以基於特徵信號判定各頂部結構之POI值來完成判定POI，且該方法進一步包含：(i)自一或多個後續晶圓上之複數個未知結構獲取複數個光學信號；及(ii)使用特徵提取模型及參數模型以判定該等未知結構之複數個POI值。
在一態樣中，經獲取之光學信號包含來自各區段中之一或多個第一目標之一第一組經獲取信號及來自各區段中之一或多個第二目標之一第二組經獲取信號，且特徵提取模型使用一殘餘信號根據該等第二經獲取信號之一函數預測該等第一經獲取信號之各者。在一態樣中，一或多個第一目標具有一頂層結構及一底層結構且一或多個第二目標具有與該一或多個第一目標相同之底層結構但排除該一或多個第一目標之該頂層結構。在此態樣中，針對該等第一經獲取信號判定之殘餘信號係定義為特徵信號。在另一態樣中，一或多個第一目標具有一頂層結構及一底層結構且一或多個第二目標具有與該一或多個第一目標相同之頂層結構但具有與該一或多個第一目標不同之一底層。在此態樣中，針對第一經獲取信號判定之第二經獲取信號之函數係定義為特徵信號。
在另一實施例中，經獲取之光學信號包含來自各區段中之一特定目標之處於一第一方位角之一第一組經獲取信號及來自各區段中之該特定目標之處於一第二方位角之一第二組經獲取信號，且該特定目標具有其上方形成有頂部結構之一未圖案化底層部分。該第一方位角不同於該第二方位角，且特徵提取模型使用一殘餘信號根據該等第二經獲取信號之一函數預測該等第一經獲取信號之各者。針對該等第一經獲取信號判定之該等殘餘信號係定義為特徵信號。在一特定實例中，第一方位角係零且第二方位角係90°。在另一實施例中，經獲取之光學信號包含來自各區段中之一特定目標之複數個二維射束分佈反射量測(2DBPR)影像，且該特定目標具有其上方形成有頂部結構之一未圖案化之底層。在此實施例中，特徵提取模型係使各2DBPR影像與一殘餘信號擬合之一徑向對稱函數，且針對該等影像判定之該等殘餘信號係定義為特徵信號。
在另一實施例中，使用以下之一或多者獲取光學信號：光譜橢 圓偏光量測、穆勒矩陣光譜橢圓偏光量測、光譜反射量測、光譜散射量測、射束分佈反射量測、射束分佈橢圓偏光量測、一單一波長、一單一離散波長範圍或多個離散波長範圍。
在一替代實施例中，本發明係關於一種用於檢測或量測一樣本之系統。此系統包括用於產生照明之一照明器及用於引導該照明朝向定位於一半導體晶圓上之複數個區段中之一特定目標之照明光學器件。使用包含不同焦點值之不同處理程序參數形成該等區段。該系統亦包含用於引導回應於照明之來自定位於複數個區段中之特定目標之複數個光學信號至一偵測器系統之集光光學器件及用於獲取回應於該照明之來自該複數個區段中之該特定目標之該複數個光學信號之偵測器感測器。該系統進一步包含經組態以執行以上描述之操作之任一者之一處理器及記憶體。在一特定實施方案中，該系統係呈一橢圓偏光計之形式且包含用於產生照明中之一偏光狀態之一偏光狀態產生器及用於分析光學信號之一偏光狀態之一偏光狀態分析器。在其他實施例中，該系統係呈一光譜橢圓偏光計、穆勒矩陣光譜橢圓偏光計、光譜反射計、光譜散射計、射束分佈反射計或射束分佈橢圓偏光計之形式。
下文參考圖式進一步描述本發明之此等及其他態樣。
2‧‧‧光譜橢圓偏光計(SE)
4‧‧‧樣本
10‧‧‧射束分佈橢圓偏光計
12‧‧‧射束分佈反射計
14‧‧‧寬頻反射光譜儀
16‧‧‧深紫外線反射光譜儀
18‧‧‧寬頻光譜橢圓偏光計(SE)
28‧‧‧光學元件
29‧‧‧光學元件
30‧‧‧光學元件
32‧‧‧光學元件
33‧‧‧光學元件
34‧‧‧光學元件
36‧‧‧光學元件
38‧‧‧光學元件
40‧‧‧光學元件
42‧‧‧光學元件
44‧‧‧光學元件
46‧‧‧光學元件
48‧‧‧處理器系統
50‧‧‧光學元件
52‧‧‧光學元件
54‧‧‧光學元件
56‧‧‧光學元件
60‧‧‧光學元件
62‧‧‧光學元件
64‧‧‧光學元件
66‧‧‧光學元件
70‧‧‧光學元件
72‧‧‧光學元件
74‧‧‧光學元件
76‧‧‧光學元件
78‧‧‧光學元件
80‧‧‧光學元件
82‧‧‧光學元件
84‧‧‧光學元件
86‧‧‧光學元件
92‧‧‧光學元件
94‧‧‧光學元件
96‧‧‧光學元件
98‧‧‧旋轉補償器/光學元件
100‧‧‧光學元件
102‧‧‧光學元件
104‧‧‧光學元件
112‧‧‧焦點及曝光之區域/處理程序窗
114‧‧‧最佳焦點
116a‧‧‧焦點範圍
116b‧‧‧焦點範圍
262‧‧‧第一柏桑圖
263a‧‧‧輪廓/線寬度曲線
263b‧‧‧輪廓/線寬度曲線/曲線
263c‧‧‧輪廓/線寬度曲線
264‧‧‧第二柏桑圖
265a‧‧‧輪廓/高度曲線/曲線
265b‧‧‧輪廓/高度曲線
265c‧‧‧輪廓/高度曲線
300‧‧‧技術/最佳焦點判定處理程序/處理程序
302‧‧‧操作
304‧‧‧操作
306‧‧‧操作
308‧‧‧操作
310‧‧‧操作
402a‧‧‧資料點
402b‧‧‧資料點
410a‧‧‧特徵向量ev1/主特徵向量e1
410b‧‧‧特徵向量e2
410c‧‧‧特徵向量e3
502‧‧‧柏桑圖
504‧‧‧抛物線
506‧‧‧最佳焦點
512‧‧‧最佳焦點
552‧‧‧柏桑圖
554‧‧‧經擬合曲線
556‧‧‧最佳焦點
560‧‧‧晶圓圖
700‧‧‧處理程序
704‧‧‧操作
706‧‧‧操作
708‧‧‧操作
800‧‧‧第一目標/目標
802‧‧‧頂層光柵/頂層/頂部結構
804‧‧‧光柵結構/層
806‧‧‧光柵結構/層
808‧‧‧底層/下方層/下方層結構
810‧‧‧光譜
900‧‧‧第二目標
1000‧‧‧處理程序
1002‧‧‧操作
1004‧‧‧操作
1006‧‧‧操作
1008‧‧‧操作
1100‧‧‧處理程序
1102‧‧‧操作
1104‧‧‧操作
1106‧‧‧操作
1108‧‧‧操作
1202‧‧‧操作
1206‧‧‧操作
1208‧‧‧操作
Az0‧‧‧零方位角
Az90‧‧‧90°方位角
R‧‧‧殘餘信號/信號
S1‧‧‧信號
S2‧‧‧信號
S3‧‧‧信號
Sraw‧‧‧光瞳信號/影像
ST1‧‧‧信號
T1‧‧‧目標/第一目標/信號
T2‧‧‧目標/第二目標/信號
圖1繪示隨用於改變曝光值之焦點而變化之CD之一例示性柏桑(Bossung)圖。
圖2繪示曝光相對於用於改變CD值之焦點之一柏桑圖之一第二實例。
圖3係繪示根據本發明之一實施例之用於判定最佳焦點之一技術之一流程圖。
圖4A係根據本發明之一實施例之隨三個信號組合而變化之一簡 化焦點及劑量資料集之一圖。
圖4B繪示根據本發明一特定實施方案之用於圖4A之三維資料集之三個特徵向量。
圖5A係根據本發明之一實施例之隨焦點及變化之曝光而變化之一組光學信號之第一主分量(PC1)之一第一例示性柏桑圖。
圖5B包含根據本發明之另一實施例之映射為隨焦點及變化之曝光而變化之一組晶圓輪廓區域之光學信號之PC1之一第二實例。
圖5C係用於一組CD值之第一主分量(PC1)之一柏桑圖，該組CD值係自用於製造圖5A及圖5B之FEM晶圓目標之相同FEM光罩結構模擬。
圖5D包含經轉換至其第一主分量PC1及配置為隨焦點及變化之曝光而變化之一組輪廓區域之一組CD值之晶圓圖。
圖6係根據本發明之一替代實施例之最佳焦點與經程式化之焦點之間之一例示性關係。
圖7係繪示用於自具有不同頂層及相同底層之目標提取一頂部結構所關注參數(POI)之一處理程序700之一流程圖。
圖8係呈形成於複數個底層(該複數個底層之一些亦包含光柵結構)上方之一頂層光柵之形式之一例示性第一目標之一圖解側視圖表示。
圖9係具有與圖8之目標相同之底層但排除圖8之頂層結構之一第二目標之一圖解側視圖表示。
圖10係繪示根據本發明之一替代實施例之用於自具有頂層及底層結構兩者之目標提取一頂部結構POI之一替代處理程序之一流程圖。
圖11係根據本發明之另一實施例之用於自具有使用兩個或兩個以上方位角之未圖案化之底層之目標提取一頂部結構POI之另一處理程 序之一流程圖。
圖12係繪示根據一替代實施例之利用二維射束分佈反射量測(2DBPR)之一程序之一流程圖。
圖13繪示根據本發明之一實施例之一量測系統。
在以下詳細描述中，闡述許多特定細節以提供對本發明之透徹理解。可在不具有此等特定細節之一些或全部之情況下實踐本發明。在其他例項中，未詳細描述熟知處理程序操作以避免模糊本發明。雖然結合特定實施例描述本發明，但應理解，此並不意欲將本發明限於該等實施例。
引言
可使用一柏桑圖視覺化自(例如)一FEM晶圓獲得之一焦點曝光矩陣以促進一微影處理程序窗之判定。該柏桑圖大體上繪製CD相對於用於改變曝光位準之焦點位置(諸如圖1中之實例)。如所展示，曝光之變化位準係經繪製為輪廓線，其中CD表示圖表之Y軸且焦點位置表示該圖表之X軸。一焦深(DOF)值零對應於在抗蝕劑之頂部處之一焦點平面，而負DOF值或正DOF值導致相對於抗蝕劑表面分別處於一較低或較高層級之一焦點平面。
處理程序窗大體上定義為保持最終抗蝕劑分佈於預定義規格內之焦點及曝光之區域(例如，112)。例如，對於一特定範圍之DOF值及曝光劑量，CD保持處於一穩定範圍之可接受值(或預定義之CD限制)。對於焦點範圍116a及116b，CD大幅度改變(例如，對於特定曝光曲線增加或減少)。一最佳焦點114可定義為用於一可容忍範圍之曝光或劑量設定之處理程序窗112之對稱中心(COS)。
替代性地，柏桑圖可繪製曝光相對於用於改變CD值之焦點，例如，該等CD值係經繪製為輪廓線，其中曝光表示圖表之Y軸且焦點位 置表示該圖表之X軸，如圖2中所展示。經重疊之柏桑圖包含一第一柏桑圖262及一第二柏桑圖264。對於一線間距光柵該等經重疊之柏桑圖各包含具有不同恆定線高度之三個輪廓265a至265c及具有不同恆定線寬度之三個輪廓263a至263c。各曲線表示一線寬度或高度。例如，三個線寬度曲線263a至263c分別對應於恆定線寬度120nm、123nm及126nm，且三個高度曲線265a至265c分別對應於恆定高度284nm、290nm及296nm。如所展示，線高度及線寬度之一對特定輪廓僅相交於一焦點曝光組合處，證實對於焦點及曝光兩者之一獨特同時解決方案。若線寬度經判定為123nm(曲線263b)且高度經判定為284nm(曲線265a)，則最佳曝光將約等於26個單位且最佳焦點將約等於0.2um。
亦可使用柏桑圖視覺化其他抗蝕劑分佈參數(例如，側壁角)。通常更難獲得此等圖，此係因為量測此等形狀常常為一困難的工作。在大多數情況中，必須破壞(例如，切穿)晶圓使得可量測此等參數。
已發現自一FEM晶圓獲得之光學信號亦可在一柏桑圖中視覺化且所得曲線可具有與一對應CD柏桑圖中之曲線類似之一形狀。此外，該等光學信號可在用於判定最佳微影設定之一技術以及處理程序監測及處理程序控制應用中用作CD之一代理伺服器(proxy)。在一例示性實施方案中，一或多個光學信號之一組合之一COS係用於判定最佳焦點。
使用光學信號判定微影處理程序參數
圖3係繪示根據本發明之一實施例之用於判定一最佳焦點之一技術300之一流程圖。最初，在操作302中，可自來自使用不同處理程序參數(包含焦點)形成之不同區段之一特定目標獲得複數個光學信號。例如，可使用一光學量測工具自處於一FEM晶圓上之不同焦點曝光位置之一特定目標獲取不同類型之光學信號(諸如複數個不同波長、偏光等)。因為來自不同FEM區段之一特定目標係曝露至不同條件，所 以此目標將傾向於在該等不同區段之至少一些中具有一不同結構。
在較一般化之實施例中，處理程序參數變動經組織於一半導體晶圓之表面上之一實驗設計(DOE)圖案中(稱為一DOE晶圓)。以此方式，光學信號獲取位點對應於晶圓表面上之具有不同相關聯處理程序參數值之不同部位。在一實例中，DOE圖案係一焦點/曝光矩陣(Focus/Exposure Matrix；FEM)圖案。通常，展現一FEM圖案之一DOE晶圓包含量測位點之一格柵圖案。在一格柵方向(例如，x方向)上，曝光劑量改變而焦深保持恆定。在正交格柵方向(例如，y方向)上，焦深改變而曝光劑量保持恆定。以此方式，自FEM晶圓收集之量測資料包含與焦點及劑量處理程序參數之已知變動相關聯之資料。在所繪示之實例中，自使用焦點及曝光之已知變動處理之一FEM晶圓獲取光學信號資料。然而，一般而言，採用與處理程序參數、結構參數或兩者之任一組之已知變動相關聯之光學信號資料。
目標、其製造及其相對於量測位點及區段之配置之若干實施例係進一步描述於2008年6月3日發佈之Walter Mieher等人之美國專利第7,382,447號中，該專利之全文以引用的方式併入本文中。一般而言，可在一光阻劑層中藉由將光或輻射投射穿過一測試光罩之一圖案來完成FEM目標之印刷。可使用處理程序參數之一不同組合(測試矩陣)來印刷該等目標。
可在各種不同晶圓層中印刷經印刷之目標。特定言之，通常使用標準微影處理程序將經印刷目標印刷於一光阻劑層中(例如，通過一光罩投射一電路影像然後投射至塗佈有光阻劑之一矽晶圓上)。該晶圓可為具有對應於通常在測試處理程序中之該步驟處存在於產品晶圓上之材料之材料層之一測試晶圓。可在下方層中之其他目標上印刷經印刷之目標。晶圓可為有可能製造工作器件之一產品晶圓。晶圓可為僅用於測試微影系統之一簡單測試晶圓。當使用多個測試晶圓時， 可使用相同或不同測試光罩。不同測試光罩可具有不同圖案(該等不同圖案具有不同尺寸)以便產生一更廣泛範圍之測試資料。
用於形成經印刷目標之處理程序參數通常經組態以保持目標特性於所要規格內。經印刷目標可印刷於一測試晶圓上作為一測試程序之一部分或其可在製造期間印刷於一製造晶圓上。在製造中，經印刷目標通常印刷於安置於一製造晶圓上之器件區域(例如，定義IC之晶粒)之間之劃線道中。量測位點可為安置於器件結構周圍之專用目標或其可為器件結構之一部分(例如，一週期部分)。如應理解，使用器件結構之一部分可為更困難的，但傾向於更精確的，此係因為其係該器件結構之一部分。在另一實施例中，經印刷目標可跨整個測試晶圓印刷。
FEM量測位點通常跨焦點曝光矩陣晶圓定位。事實上，每區段通常可存在一或多個量測位點。可使用焦點及曝光之一不同組合(或可僅使用焦點或曝光)來形成各區段。例如，可使用一第一組合產生一第一區段及可使用不同於該第一組合之一第二組合產生一第二區段。可使用變化焦點及變化曝光、變化焦點一恆定曝光、恆定焦點一變化曝光及類似者來產生多個組合。
量測位點之數目亦可不同。每區段之位點之數目在製造晶圓上通常較小，此係因為製造晶圓上之不動產係如此有價值的。又，歸因於製造中之時間約束在一產品晶圓上比在一焦點曝光矩陣晶圓上進行更少量測。在一實施例中，每區段量測一單一位點。在另一實施例中，每區段量測多個位點。
在大多數情況中，使用不同處理程序參數自相同設計之圖案形成量測位點目標。然而，應注意，不同焦點曝光矩陣可具有不同目標。例如，可使用一第一光柵類型執行一第一測試矩陣且可使用不同於該第一光柵類型之一第二光柵類型執行一第二測試矩陣。
目標可廣泛地改變。目標結構可呈通常週期性的一光柵之形式。該光柵可在一方向(X或Y)上為週期性的(舉例而言，如一線間距光柵)或其可在兩個方向(X及Y)上為週期性的(舉例而言，如一格柵間距光柵)。一格柵間距光柵之實例可包含在Y方向上之一線陣列，其中在X方向上將各線分段。另一格柵間距實例係一點結構陣列。即，目標可呈一線間距光柵、格柵間距光柵、棋盤式圖案目標等之形式。目標設計特性可各包含線寬度(在一特定高度處之寬度)、線間距寬度、線長度、形狀、側壁角、高度、節距、光柵定向、頂部分佈(頂部修圓或T修頂之程度)、底部分佈(基腳)等。
當使用多個經印刷目標時，各目標可具有相同或不同特性。如應理解，不同目標特性(諸如不同形狀及節距)展現對焦點之不同回應且因此可有利地量測具有不同特性之相異量測位點。
自目標位點獲取之光學信號可包含已發現與目標參數(諸如CD、側壁及高度及亦處理程序之變化)相關之任何類型之信號。例如，散射量測可含有此資訊。例示性信號包含(但不限於)任何類型之光譜橢圓偏光量測或反射量測信號，該等信號包含：Ψ、△、Rs(s偏光之複雜反射率)、Rp(p偏光之複雜反射率)、Rs(｜rs｜2)、Rp(｜rp｜2)、R(未偏光之反射率)、α(光譜「α」信號)、β(光譜「β」信號)及此等參數之函數諸如tan(Ψ)、cos(△)、((Rs-Rp)/(Rs+Rp))等。該等信號可替代性地或額外地依據入射角、偵測角、偏光、入射方位角、偵測方位角、角分佈、相位或波長或此等參數之一個以上之一組合來量測。該等信號亦可為信號之一組合之一特徵化，諸如以上描述之橢圓偏光量測及/或反射量測信號類型之任一者之複數個之一平均值。該等信號可替代性地呈影像或確切地說此等影像之一特性(諸如一強度值或強度值之一組合(例如，平均或額外))之形式。其他實施例可使用其中可在一單一波長而非多個波長下獲得信號之至少一者之單色或雷射光源。
散射量測係產生取決於各種類型之目標參數(諸如CD)之光學信號之一量測技術。目標通常呈光柵結構(諸如一週期光柵結構)之形式。在散射量測中，使一或多個光射束或輻射束入射於光柵結構上且量測自該光柵結構發出之經散射、反射及/或繞射之射束。可引導入射光垂直或與法線成某一角度而朝向目標。通常按各種順序(即，相對於入射光之角度)散射、反射及/或繞射自光柵結構發出之光。量測按各種順序散射、反射及/或繞射之光之特性(例如，強度、相位、偏光及類似者)，藉此形成一量測信號或量測光譜。經散射、反射及/或繞射之光之特性大體上係與關於光柵結構之特性之資訊有關。即，經散射、反射及/或繞射之光通常根據結構之形狀而改變且因此在經量測之光譜與一光柵結構之分佈及用於促進此結構之處理程序之間存在一獨特關係。
量測工具可包括可結合本發明之某些實施例使用以(例如)量測來自DOE或FEM位點之各種前述光學信號之一或多個硬體組態。此等硬體組態之實例包含(但不限於)以下：光譜橢圓偏光計(SE)、具有多個照明角之SE、量測穆勒矩陣元件之SE(例如，使用(若干)旋轉補償器)、單波長橢圓偏光計、射束分佈橢圓偏光計(角解析橢圓偏光計)、射束分佈反射計(角解析反射計)、寬頻反射光譜儀(光譜反射計)、單波長反射計、角解析反射計、成像系統、散射計(例如，光斑分析器)等。如應理解，光學量測(諸如散射量測)係具有用於在一生產運行期間控制焦點或曝光之真正的現場能力之量測之幾種類型之一者，例如，光學量測適用於逐一晶粒、逐一晶圓、批次監測(及類似者)。硬體組態亦可大體上分離成離散操作系統。另一方面，一或多個硬體組態可組合成一單一工具。
返回參考所繪示之技術，在操作304中可接著自光學信號提取與焦點變化以及其他處理程序參數變化有關之一特徵。在一實施例中， 提取經獲取信號之一或多者中對焦點及劑量變化最敏感之一組合。例如，一單一信號類型、信號類型之組合(諸如一組不同波長範圍)可在提供與焦點及劑量變化有關之更多資訊時經提取。在其他實施例中，可自光學信號提取一或多個信號之一線性組合、非線性組合或加權組合作為特徵。
可實施任何合適特徵提取技術以便自具有關於處理程序參數(諸如焦點/劑量)變化之最佳資訊之光學信號之一或多者提取一特徵。量測工具之一操作者可藉由透過試誤評估不同信號或信號性質組合以判定提供相對於焦點之一變化軌跡(該變化軌跡類似於在隨焦點而變化之所製造結構之一特性中之一變化軌跡)之一最佳特徵而選擇待提取之特徵。可基於一些準則之最佳化來執行不同信號或信號組合之一自動化分析，諸如選擇具有最小雜訊之形成隨焦點而變化之(針對不同曝光之)一組抛物線狀之信號或信號組合。此外，可選擇波長範圍之一組合以便消除對藉由較低層中之目標引起之信號之任何效應。例如，特定波長可導致相對於焦點及劑量晶圓位點之一圓形輪廓圖案(如與對於對下方結構不敏感之波長之抛物線狀輪廓相反)。可取消選擇經發現對下方層目標敏感之波長範圍用作一經提取特徵。
例示性自動化特徵提取技術包含主分量分析(PCA)、獨立分量分析(ICA)或局部線性嵌入(LLE)演算法等。儘管在使用由一PCA轉換所引起之第一主分量以判定一最佳焦點方面描述以下例示性實施例，然其他實施例可利用其他特徵提取結果或技術。例如，可使用如經由PCA判定之第一及第二主分量。可基於應用之特定要求選擇任何數目個主分量。在又另一實例中，可使用來自另一特徵提取工具(諸如ICA或LLE)之輸出。此外，亦可最佳化及監測除焦點以外之其他處理程序參數。
在一PCA實施例中，經提取特徵對應於信號資料集至一不同座標 系統上之一轉換及此新的座標系統之一特定尺寸(或方向或投射方向)之選擇，沿著該新的座標系統經轉換之資料集具有最多變動，該變動提供關於處理程序參數變化之最多資訊。換言之，可使用可定義為對於不同焦點/劑量目標位點或樣本(列)之變量(行)之一或多個光學信號之不同組合產生一資料集。第一主分量對應於經發現具有最多變動之PCA轉換之資料集之一經轉換方向或尺寸。第二主分量具有第二多變動等。
圖4A係根據本發明之一實施例之隨三個信號組合而變化之一簡化焦點及劑量資料集之一圖。如所展示，樣本資料集具有對應於信號S1、S2及S3之三個尺寸。例如，該資料集包含對應於兩個不同焦點位點之資料點402a及402b。如所展示，信號S1係對於全部資料點之一恆定值。即，該等資料集駐留於垂直於S1尺寸之一平面中。
圖4B繪示根據本發明一特定實施方案之用於圖4A之三維資料集之三個特徵向量。如所展示，該資料集具有三個特徵向量ev1(410a)、e2(410b)及e3(410c)。該等特徵向量之各者亦具有對應於相對於此特徵向量之該資料集之變化量之一特徵值。例如，主特徵向量e1(410a)係與最多資料集變化相關聯。相比而言，特徵向量e2(410b)具有顯著較少資料集變化，且特徵向量e3(410c)具有零資料集變化。
返回參考圖3，在操作306中可接著使一對稱曲線沿著焦點軸擬合至經提取之特徵。即，任何對稱類型之曲線可適於經提取之特徵資料。在一特定實例中，一抛物線係經擬合至經提取之特徵。在操作308中可接著判定及報告曲線之極點為最佳焦點。例如，一經擬合之對稱抛物線之峰值或谷值可定義為最佳焦點。在操作310中經報告之最佳焦點可接著用於調整或監測微影設定。藉由特定實例，經判定之最佳焦點可用於調整或修復步進透鏡系統以選取最佳步進器操作參數以最小化光學像差之負面影響，或監測步進透鏡系統之穩定性。接 著，最佳焦點判定處理程序300可結束。
可藉由一操作者手動或藉由系統自動將經校正之焦點曝光資訊輸入至微影工具。在大多數情況中，可將校正饋送至分析及決定進行哪一實際校正之一程式或電腦中。例如，該決定可能為並不進行一校正(例如，校正太小)。此外，可能存在可變更整體校正之來自其他處理程序之其他資訊。
返回參考一PCA實例，可相對於主分量繪製焦點/劑量資料集。例如，可藉由定義為y軸之主分量方向及定義為x軸之焦點繪製各樣本資料點。不同劑量可表示為不同輪廓線。接著，一對稱抛物線可擬合至此經繪製之資料集。圖5A包含根據本發明之一實施例之隨在變化之曝光處之焦點而變化之一組光學信號之第一主分量(PC1)之一第一例示性柏桑圖502。可分析該等光學信號之該PC1以判定一曲線擬合(諸如具有一多項式擬合度2之抛物線504)。在所繪示之實例中，對於PC1之經擬合曲線係等於3.231847+2.9355253*焦點-211.48888*(焦點-0.04944)2。對於此曲線函數，最小PC1點對應於0.0425之一最佳焦點506。
圖5B包含根據本發明之另一實施例之映射為隨焦點及劑量而變化之一組晶圓輪廓區域之光學信號之PC1之一第二實例。該等輪廓區域對應於自針對特定組之焦點及曝光值之經擬合之曲線函數計算之不同PC1值。不同PC1值可被給予不同色彩及映射至對應FEM位點以形成一PC1晶圓圖。亦可分析此等輪廓以判定該等輪廓曲線中亦對應於0.0425之一最佳焦點512之一最大點。
基於相對於光學信號之特徵提取判定一最佳焦點看似提供與施加特徵提取至自相同FEM位點獲得之CD值一致之結果。圖5C係用於一組CD值之第一主分量(PC1)之一柏桑圖552，該組CD值係自用於製造圖5A及圖5B之FEM晶圓目標之相同FEM光罩結構模擬。對於結果 之一比較，可經由對FEM晶圓目標之實際量測或模擬獲得來CD值。在所繪示之實例中，對於PC1之經擬合曲線554係等於0.8792593-0.6781819*焦點-57.945882*(焦點-0.04944)2。對於此曲線函數，最大PC1點對應於0.0436之一最佳焦點556。同樣地，圖5D包含經轉換至其第一主分量PC1及配置為隨焦點及劑量而變化之一組輪廓區域之一組CD值之一晶圓圖560。因此，CD柏桑圖產生與圖5A至圖5B之光學信號之主分量柏桑圖實質上相同之最佳焦點0.0436(560)。
本發明之特定技術提供判定最佳焦點之一有效、非破壞性方式。此外，可在不使用模型之情況下實施用於判定焦點或其他處理程序參數之特定技術。
用於判定最佳焦點之處理程序可施加至多個目標類型(例如，使用具有不同設計特性(諸如節距、CD等)之一不同特定目標重複圖3之處理程序300)。使用多個類型之目標之同時解決方案大體上克服與處理程序參數對目標參數之相依性(其對於一給定目標參數值允許處理程序參數之多個解決方案)相關聯之問題。例如，在一特定線寬度之情況下，焦點曝光相依性係在焦點中非線性的且即使準確知道曝光劑量亦允許對於焦點之多個解決方案。同時解決方案亦可移除在使用僅來自一參數之資訊對焦點及/或曝光解決時可能遭遇之在解決方案之間之簡併性(不同目標參數可對焦點及曝光具有不同相依性)。使用自許多焦點曝光矩陣量測判定之焦點解決方案可算出量測誤差、步進誤差及類似者的平均數。
因為在微影工具之任何特定曝光區段中之各位置亦可與一略不同之傾斜位置(及對應焦點偏移位置)相關聯，所以一相同目標可形成於FEM晶圓上之各曝光區段之多個位置上以判定對於不同區段位置之一最佳焦點。接著，可基於自來自(例如，在不同劑量及不同程式化之焦點下曝光之)多個區段之各區段位置獲得之光學信號判定對於各 區段位置之一最佳焦點。接著，對於各區段位置之最佳焦點可用於程式化對於整個曝光區段之一最佳焦點傾斜以對於不同區段位置達成不同最佳焦點值。
儘管可判定一最佳(optimal)或最佳(best)焦點，然一微影工具可實際上程式化可藉由該工具在感測晶圓表面之一準確位置方面存在之困難所引起之一不同焦點。即，對於微影工具而言達成相對於實際晶圓表面之一特定焦深可為困難的。尤其難以達成相對於安置於具有其他光柵結構之層上方之一相對透明之膜(諸如一光阻劑材料)之一特定最佳焦深。因此，所得經程式化之焦點可能並不等於輸入最佳(best)或最佳(optimal)焦點。
本發明之某些實施例亦可提供監測經程式化焦點之方式。可基於來自具有經程式化之焦點偏移之多個FEM晶圓之FEM資料集判定最佳焦點與經程式化焦點之間之一關係(焦點best=f(焦點programmed)。此關係可用作對於較少模型焦點量測之校準。即，該關係可用於調整焦點。圖6係根據本發明之一替代實施例之最佳焦點與經程式化焦點之間之一例示性關係。各點對應於(自一特定組之FEM信號判定之)一特定最佳或「經預測」焦點及經程式化之「實際」焦點。
藉由判定最佳焦點與經程式化焦點之間之一關係，並不需要自幾何結構參數(或光學信號)導出實際焦點之一分離模型。因為處理程序變動係藉由此關係捕獲，所以甚至在下方結構拓撲歸因於處理程序變動而改變時仍可量測實際焦點。使用以現有模型為基礎的量測方法來模型化，此係不可能或非常困難的。傳統上，以模型為基礎之半導體量測包含公式化試圖預測量測目標與特定量測系統之互動之基於一模型之經量測光學信號之一量測模型。特定目標之模型包含在所關注之量測目標之物理性質方面之結構之一參數化(例如，膜厚度、臨界尺寸、折射率、光柵節距等)。此外，該模型包含量測工具自身之一 參數化(例如，波長、入射角、偏光角等)。
然而，擴展以上描述之技術以包含用於判定來自經獲取信號之任何結構參數(例如，幾何結構參數或材料參數)之校準技術可為有益的。例如，可基於已知參考結構訓練一參數模型以便預測對於特定結構參數之光學信號。接著，參數模型可用於判定來自一未知結構(諸如一DOE/FEM或任何其他測試結構)之經獲取之光學信號之特定結構參數以用於任何合適應用(諸如監測對特定結構參數之處理程序變動效應)。
自光學信號消除底層變動：
底層及其結構可影響自一特定測試結構獲取之任何光學信號且因此此等經獲取之光學信號可包含關於特定目標之結構參數以及底層之資訊。在本發明之替代實施例中，實質上消除底層對經獲取之光學信號之效應以便隔離僅(或主要)保留關於頂層結構之資訊之信號。換言之，將具有關於「所關注參數」或「POI」之資訊之光學信號與經獲取之光學信號隔離，而底層效應已實質上自此等信號消除。
本發明之某些替代實施例包含實施用於判定最佳焦點(及類似者)之兩個或兩個以上目標之技術。儘管以下技術之一些經描述為利用兩個不同目標T1及T2，然該等技術亦可使用多個T1目標及多個T2目標。圖7係繪示根據本發明之一實施例之用於自具有不同頂層及相同底層之目標提取一頂部結構所關注參數(POI)之一處理程序700之一流程圖。
可利用任何合適的兩個目標來消除底層變動。一般而言，各目標可包含經由構成用於一成品器件或製造晶圓之製程之一部分之許多製造層形成之各種底層結構。在製程中之此等層之各者可包含對應測試結構。圖8係呈形成於複數個底層808(該複數個底層808之一些亦包含光柵結構(例如，804及806))上方之一頂層光柵802之形式之一例示 性第一目標800之一圖解側視圖表示。
光譜810可經引導以入射於此第一目標800之頂層802上。然而，因為該頂層802係半透明的，所以入射光亦可到達一些下方結構(諸如層804及806上之光柵)。下方光柵結構及頂部光柵結構之至少一些將傾向於散射入射光以引起反射光及散射光兩者相互作用而產生取決於頂層結構及下方層結構兩者之輸出光。因此，自此目標800獲取之該輸出光含有關於頂層802及下方層808之資訊。此輸出信號不能有效地用於判定一處理程序參數或頂部結構參數(諸如最佳焦點或CD)，此係因為此輸出信號受到下方結構連累。
對於所繪示之技術，亦可自包含形成於第一目標T1(800)之頂部結構上方之全部下方層結構808但排除該第一目標T1之頂部結構802之一第二目標T2提取光學信號。一例示性第二目標T2(900)係展示於圖9中。各區段之兩個目標T1及T2係較佳定位於彼此附近使得在此兩個目標之間不可能存在任何處理程序變動。例如，該兩個目標T1及T2在一相同DOE區段中彼此鄰近而形成。
可自來自一DOE晶圓之複數個不同區段之兩個目標T1及T2獲取複數個光學信號，在此實例中，該兩個目標T1及T2具有相同底層但不同頂層。例如，T1具有一頂部結構(圖8)，而T2並不具有此頂部結構(圖9)。
例如，可自各DOE區段內之兩個目標收集如上文所描述之在不同波長等處之複數個不同信號。接著，可在操作704中縮減該等信號。例如，可藉由一PCA技術或藉由其他資料縮減技術之任一者(諸如本文中描述之技術)來縮減信號之資料集。其他縮減技術包含kPCA(核主分量分析)、LLE(局部線性嵌入)、NLPCA(非線性PCA)等。
接著，可在操作706中使用一殘餘信號產生根據T2信號之一函數預測T1信號之一特徵提取模型。例如，該特徵提取模型可表示於以下 等式中：ST1=f(ST2)+R
其中f(ST2)係利用對於一特定區段之一特定T2目標或處理程序值集之全部T2信號(諸如不同波長信號回應)以預測相同特定區段之各T1信號(諸如各特定波長回應信號)之一函數，其中剩餘項R為殘餘信號。可藉由任何合適訓練技術(諸如快速降級模型；迴歸；機器學習演算法(諸如神經網路、支持向量機器(SVM))等)來判定函數f(ST2)。
接著，可在操作708中將殘餘信號定義為經提取之頂部結構信號。更明確言之，經產生之函數可接著用於藉由以下自各ST1信號提取對於T1目標之頂部結構之信號回應：R=f(ST2)-ST1
自各特定T1信號提取之殘餘R信號將保留焦點及劑量資訊以及與頂層結構參數有關之資訊。該等R信號含有所關注點(POI)變動及含有來自在T1與T2之間相同之(諸如底層結構)參數之非常少變動或不含有任何變動。亦可取消系統誤差，此係因為T1及T2在相同區段中彼此接近而定位所以此誤差對於T1及T2有可能為相同的。
接著，可以任何合適方式使用經提取之殘餘信號。例如，殘餘信號可用於如上文所描述般判定最佳焦點。在其他實施例中，可判定任何合適處理程序參數及/或結構參數。例如，可訓練一參數模型以基於來自已知結構之參考資料預測來自經提取之信號特徵之處理程序參數或幾何結構參數。例如，可藉由對一組參考結構(亦自該組參考結構收集光學信號)執行CD-SEM來判定參考資料。接著，使用來自已知參考結構之已知參考光學信號訓練參數模型。該參數模型可接著用於判定由藉由特徵提取模型判定之基於殘餘信號之處理程序變動引起之一未知目標或結構(諸如DOE結構或來自其他晶圓之其他結構)之一幾何結構參數。
可利用其他類型之目標以消除底層信號及預測頂部結構信號。圖10係繪示根據本發明之一替代實施例之用於自具有相同頂層及不同底層之目標提取一頂部結構POI之一替代處理程序1000之一流程圖。例如，底層結構之部分在目標之間不同。
在此實施方案中，在操作1002中自來自一DOE晶圓之不同區段之具有不同底層但具有一相同頂層之兩個目標獲取光學信號。類似於圖9，在操作1004中亦可縮減經獲取之信號組且在操作1006中亦可產生使用一殘餘信號根據T2信號之一函數預測T1信號(例如，ST1=f(ST2)+R)之一特徵提取模型。
在此實施例中，在操作1008中經擬合值f(ST2)=ST1-R可定義為經提取之頂部結構信號。此等經提取之頂部結構信號含有對於(在頂層中之)T1及T2為相同之POI變動。亦可降低隨機雜訊，此係因為該雜訊對於T1及T2為不同的且此雜訊連同底層信號差一起併入R中。接著，經提取之POI信號可用於經由使用一參考或訓練資料而判定最佳焦點、來自未知結構之處理程序參數或結構參數。
在另一底層消除實施例中，圖11係根據本發明之另一實施例之用於自具有使用兩個或兩個以上方位角之未圖案化之底層之目標提取一頂部結構POI之另一處理程序1100之一流程圖。最初，在操作1102中自一DOE晶圓之不同區段處之一特定目標獲取處於兩個不同方位角之光學信號。可自各DOE區段內之特定目標收集如上文所描述之亦可在不同波長等處獲得之不同方位角光學信號。
POI將對不同方位角具有一不同敏感度。一般而言。兩個方位角可包含用於對光柵或圖案缺陷之增加之敏感度(儘管並不需要)之任何合適角(諸如彼此正交之角(零度及90°角))。例如，可在垂直及平行於光柵方向之方向處獲得光譜量測。在操作1104中亦可縮減信號。
接著，可在操作1106中產生使用一殘餘信號根據在第二角處之光 學信號之一函數預測在第一方位角處之光學信號之一特徵提取模型。對於一零方位角(Az0)及一90°方位角(Az90)，該模型可表示為：Saz0=f(Saz90)+R
接著，在操作1108中殘餘信號可定義為經提取之頂部結構信號。例如，頂部結構信號R=f(Saz90)-Saz0。所得R信號含有POI變動資訊且含有來自未圖案化之層之參數之非常少變動或不含有任何變動。取消一些系統誤差，此係因為此等誤差對於Saz0及Saz90為相同的。接著，經提取之POI信號可用於經由使用一參考或訓練資料而判定最佳焦點、來自未知結構之處理程序參數或結構參數。
圖12係繪示根據一替代實施例之利用二維射束分佈反射量測(2DBPR)之一程序之一流程圖。最初，在操作1202中自一DOE晶圓之不同區段處之一特定目標獲取2DBPR影像。在所繪示之實例中，該目標可具有未圖案化之底層(該底層具有一頂部光柵結構)。2DBPR系統係一角解析系統且產生一光瞳影像(其中各像素對應於一相同入射角(AOI)但對應於不同方位角)。在起始於光瞳影像之中心處之一線上之像素具有相同方位角但具有不同AOI角。
在經量測樣本類似於膜時一2DBPR影像係徑向對稱的且在該樣本具有某週期結構時該2DBPR影像係非徑向對稱的。使用此特徵，一徑向對稱函數g()可在添加一不對稱R信號之情況下擬合至2DBPR影像：Sraw=g()+R。在所繪示之實施例中，擬合光瞳信號/影像Sraw之一徑向對稱函數g()可定義於操作1206中。殘餘信號對應於光柵而函數g()對應於一膜。接著，在操作1208中R信號可定義為光柵結構之經提取之POI信號且接著用於(例如)經由本文中所描述之一經訓練之參數模型或任何校準技術來判定任何合適處理程序及/或結構參數。在一替代實施例中，可自從光柵目標獲得之經獲取信號減去來自一墊(或非光柵結構)之信號以提取光柵信號，而非使一函數擬合至該等經獲 取之信號。
在圖10或圖11之實例中，經擬合值可用於量測對方位變化不敏感之參數。對方位變化不敏感之例示性參數可包含膜厚度、材料n、k性質等。相反地，對方位變化敏感之參數包含光柵參數、臨界尺寸(CD)、側壁角(SWA)、高度(HT)等。
在替代實施例中，一微分方法可應用至任何以模型為基礎的結構特徵化方法，該特徵化方法經受底層及結構參數相關性。例如，減去針對不同目標(例如，具有頂部結構之目標及不具有此頂部結構之目標)獲取之在相同入射角及方位角處收集之類似信號(例如，橢圓偏光參數(諸如α))可有助於降低或消除底層變動。替代性地，可收集來自相同目標但處於不同方位角(例如，0度及90度)之信號，且此等微分信號可用於加強一光柵信號及使該光柵信號與底層信號解相關。用於使用來自一相同目標上之兩個或兩個以上方位角之差信號之若干技術係進一步描述於2014年8月1日由Thaddeus Gerard Dziura等人申請之美國專利第14/449,646號中，該申請案之全文針對所有目的以引用的方式併入本文中。一般而言，差信號傾向於取消共同未經微擾之膜信號及留下歸因於光柵微擾或缺陷之比重。一差信號零對應於一無缺陷光柵。
一類似方法可用於2DBPR，此係因為在各光瞳影像中之主要信號係藉由來自無光柵下方結構之反射主導。例如，垂直至垂直偏光影像係與水平至水平偏光反射率相同(但旋轉90度)。使用微分信號可有助於抑制來自基板及底層之比重。
處理程序參數大體上係指用於控制微影系統之處理條件之參數。處理程序參數大體上以一非普通方式影響圖案。例如，處理程序參數可對應於焦點偏移、曝光劑量、抗蝕劑厚度、顯影時間及溫度、曝光後烘烤時間及溫度及類似者。經判定之處理程序設定可用於改善 後續微影圖案化之控制及判定該光微影圖案之品質是否滿足指定要求。處理程序參數判定或監測可適用於多種光微影處理程序(舉例而言，如關於半導體製造、光學器件製造、微機械器件製造、磁性記錄資料儲存器製造及類似者之光微影處理程序)。儘管處理程序參數判定或監測可用於以上處理程序之任一者，然為了易於論述本文中所描述之本發明之某些實施例係指向半導體製造。
雖然已在若干較佳實施例方面描述本發明之某些實施方案，但存在落在本發明之範疇內之變更、排列及等效物。例如，儘管到處(例如，半導體)使用術語晶圓，然應注意，在本發明之特定技術用於其他類型之製造時術語晶圓亦可應用至工件、基板、樣本及類似者(其係與其他類型之製造相關聯)。亦應注意，存在實施本發明之方法及裝置之許多替代方式。例如，儘管已在使用習知輻射技術之光微影方面描述本發明之某些實施例，然應注意，亦可使用其他微影技術，例如，UV微影(其使用紫外線)、X射線微影(其使用X射線)、電子束微影(其使用電子束)及離子束(其使用離子束)。
硬體及/或軟體之任何合適組合可用於實施以上描述之技術之任一者。在一普通實例中，一量測工具可包括：一照明系統，其照明一目標；一收集系統，其擷取藉由該照明系統與一目標、器件或特徵之互動(或缺少其)提供之相關資訊；及一處理系統，其分析使用一或多個演算法收集之資訊。量測工具可大體上用於量測關於與各種半導體製程相關聯之結構及材料特性(例如，結構及膜之材料組合物、尺寸特性(諸如結構之膜厚度及/或臨界尺寸、疊對等))之各種輻射信號。此等量測可用於促進半導體晶粒之製造中之處理程序控制及/或良率效率。
量測工具可包括可結合本發明之某些實施例使用之一或多個硬體組態。此等硬體組態之實例包含(但不限於)以下：光譜橢圓偏光計 (SE)、具有多個照明角之SE、量測穆勒矩陣元件之SE(例如，使用(若干)旋轉補償器)、單波長橢圓偏光計、射束分佈橢圓偏光計(角解析橢圓偏光計)、射束分佈反射計(角解析反射計)、寬頻反射光譜儀(光譜反射計)、單波長反射計、角解析反射計、成像系統及散射計(例如，光斑分析器)。
硬體組態亦可分離成離散操作系統。另一方面，一或多個硬體組態可組合成一單一工具。多個硬體組態如此組合成一單一工具之一實例係進一步繪示及描述於美國專利第7,933,026號中，該專利之全文針對所有目的以引用的方式併入本文中。圖13展示(例如)一例示性量測工具之一示意圖，該量測工具包括：a)一寬頻SE(例如，18)；b)具有旋轉補償器(例如，98)之一SE(例如，2)；c)一射束分佈橢圓偏光計(例如，10)；d)一射束分佈反射計(例如，12)；e)一寬頻反射光譜儀(例如，14)；及f)一深紫外線反射光譜儀(例如，16)。此外，在此等系統中通常存在許多光學元件(例如，92、72、94、70、96、74、76、80、78、98、100、102、104、32/33、42、84、60、62、64、66、30、82、29、28、44、50、52、54、56、46、34、36、38、40及86)，包含特定透鏡、準直器、鏡、四分之一波片、偏光器、偵測器、相機、孔徑及/或光源。用於光學系統之波長可自約120nm變化至3微米。對於非橢圓偏光計系統，收集之信號可經偏光解析或未偏光。圖13提供整合於相同工具上之多個量測頭之一圖解。然而，在許多情況中，多個量測工具係用於對一單一或多個量測目標之量測。多個工具量測之若干實施例係進一步描述於(例如)Zangooie等人之名為「Multiple tool and structure analysis」之美國專利第7,478,019號中，該專利之全文針對所有目的以引用的方式併入本文中。
特定硬體組態之照明系統可包含一或多個光源。該一或多個光源可產生僅具有一個波長之光(例如，單色光)、具有許多離散波長之 光(例如，多色光)、具有多個波長之光(例如，寬頻光)及/或掃掠波長(連續掃掠或在波長之間跳躍掃掠)之光(例如，可調諧光源或掃頻光源)。合適光源之實例係：一白光源、一紫外線(UV)雷射、一弧光燈或一無電極燈、(例如)可自馬薩諸賽州沃本(Woburn,Massachusetts)Energetiq Technology公司商業購得之一雷射維持電漿(LSP)源、諸如可自新澤西州摩根維爾(Morganville,New Jersey)NKT Photonics公司商業購得之一中超源(諸如一寬頻雷射源)或較短波長源(諸如X射線源)、極UV源或其一些組合。該(等)光源亦可經組態以提供具有足夠亮度之光，該足夠亮度在一些情況中可為大於約1W/(nm cm2 Sr)之一亮度。量測系統亦可包含用於穩定光源之功率及波長之至該光源之一快速回饋。可經由自由空間傳播遞送光源之輸出或在一些情況中經由任何類型之光纖或光導遞送光源之輸出。
繼而，一或多個偵測器或光譜儀經組態以經由一集光光學元件接收自樣本4之表面反射或以其他方式散射之照明。合適感測器包含電荷耦合器件(CCD)、CCD陣列、時延積分(TDI)感測器、TDI感測器陣列、光電倍增管(PMT)及其他感測器。經量測之光譜或經偵測之信號資料可自各偵測器傳遞至處理器系統48以用於分析。
應認識到，可藉由一單一處理器系統48或替代性地多個處理器系統48進行貫穿本發明描述之各種步驟。此外，圖13之系統之不同子系統(諸如光譜橢圓偏光計)可包含適於進行本文中所描述之步驟之至少一部分之一電腦系統。因此，前面描述不應解釋為對本發明之一限制但僅為一圖解。此外，一或多個處理器系統48可經組態以執行本文中所描述之方法實施例之任一者之(若干)任何其他步驟。
此外，處理器系統48可依此項技術中已知之任何方式通信地耦合至一偵測器系統。例如，一或多個處理器系統48可耦合至與偵測器系統相關聯之運算系統。在另一實例中，偵測器系統可直接藉由耦合 至處理器系統48之一單一電腦系統加以控制。
量測系統之處理器系統48可經組態以藉由可包含纜線或無線部分之一傳輸媒體自該系統之子系統接收及/或獲取資料或資訊。以此方式，該傳輸媒體可用作處理器系統48與圖13之系統之其他子系統之間之一資料鏈路。
整合式量測系統之處理器系統48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，量測結果、經提取特徵、經轉換資料集、模型、曲線擬合、經判定之最佳焦點或其他處理程序設定、最佳焦點與實際焦點之間之關係、焦點校正等)。以此方式，該傳輸媒體可用作處理器系統48與其他系統(例如，記憶體機載量測系統、外部記憶體、參考量測源或其他外部系統)之間之一資料鏈路。例如，處理器系統48可經組態以經由一資料鏈路自一儲存媒體(例如，內部記憶體或外部記憶體)接收量測資料。例如，使用偵測系統獲得之光譜結果可儲存於一永久或半永久記憶體器件(例如，內部記憶體或外部記憶體)中。就此點而言，該等光譜結果可自機載記憶體或自一外部記憶體系統匯入。此外，處理器系統48可經由一傳輸媒體將資料發送至其他系統。例如，藉由處理器系統48判定之一最佳焦點或焦點校正可經傳遞及儲存於一外部記憶體中。就此點而言，量測結果可經匯出至另一系統。
處理器系統48可包含(但不限於)：一個人電腦系統、大型電腦系統、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」可廣泛定義為涵蓋具有一或多個處理器之任何器件，該等處理器執行來自一記憶體媒體之指令。實施方法之程式指令(諸如本文中所描述之該等程式指令)可經由一媒體傳輸(諸如一導線、纜線或無線傳輸鏈路)傳輸。程式指令可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、一磁碟或光學磁碟或一磁帶。
量測工具可經設計以進行與半導體製造有關之許多不同類型之量測。用於判定最佳焦點或其他POI值之本發明之某些實施例可利用此等量測。用於判定特定目標特性之額外量測技術亦可與上文描述之焦點判定技術組合。例如，在某些實施例中，工具可量測光譜及判定一或多個目標之特性(諸如臨界尺寸、疊對、側壁角、膜厚度、處理程序相關參數(例如，焦點及/或劑量))。目標可包含本質上週期性之所關注區域(舉例而言，諸如一記憶體晶粒中之光柵)。目標可包含可藉由量測工具量測其厚度之多個層(或膜)。目標可包含(例如)使用對準及/或疊對重合操作放置於(或已存在於)半導體晶圓上以使用之目標設計。某些目標可定位於半導體晶圓上之各種位置處。例如，目標可定位於(例如，晶粒之間之)劃線道內及/或定位於該晶粒自身中。在某些實施例中，藉由如描述於US 7,478,019號中之相同或多個量測工具(在相同時間或不同時間)量測多個目標。可組合來自此等量測之資料。來自量測工具之資料可用於半導體製程中以(例如)向前饋送、向後饋送及/或側向饋送校正至處理程序(例如，微影、蝕刻)且因此可產生一完整的處理程序控制解決方案。
隨著半導體器件圖案尺寸繼續縮小，常常需要較小之量測目標。此外，量測精確度及匹配至實際器件特性增加了對於類器件目標以及晶粒中及甚至器件上量測之需要。已提出各種量測實施方案以達成該目標。例如，主要基於反射光學器件之聚焦射束橢圓偏光量測係該等量測實施方案之一者且描述於Piwonka-Corle等人之專利中(U.S.5,608,526，「Focused beam spectroscopic ellipsometry method and system」)。切趾器可用於減輕引起照明光點散佈超過藉由幾何結構光學器件定義之尺寸之光學繞射之效應。切趾器之使用係描述於Norton之專利U.S.5,859,424「Apodizing filter system useful for reducing spot size in optical measurements and other applications」中。高數值孔徑工具與同時多個入射角照明一起使用係達成小目標能力之另一方式。此技術係描述於(例如)由Opsal等人之專利U.S.6,429,943「Critical dimension analysis with simultaneous multiple angle of incidence measurements」中。
其他量測實例可包含量測半導體堆疊之一或多個層之組合物、量測晶圓上(或內)之特定缺陷及量測曝露至晶圓之光微影輻射之量。在一些情況中，量測工具及演算法可經組態以用於量測非週期目標，(例如)參見P.Jiang等人之「The Finite Element Method for Full Wave Electromagnetic Simulations in CD Metrology Using Scatterometry」(申請中之U.S.61/830536，K-T disclosure P4063)或A.Kuznetsov等人之「Method of electromagnetic modeling of finite structures and finite illumination for metrology and inspection」(申請中之U.S.61/761146，KT disclosure P4082)。
所關注參數之量測通常涉及許多演算法。例如，入射射束與樣本之光學互動係使用EM(電磁)解算器模型化及使用諸如RCWA、FEM、動差法、面積分法、體積分法、FDTD及其他之演算法。通常使用一幾何結構引擎或在一些情況中使用處理程序模型化引擎或兩者之一組合來模型化(以參數表示)所關注目標。處理程序模型化之使用係描述於A.Kuznetsov等人之「Method for integrated use of model-based metrology and a process model」(申請中之U.S.61/738760，P4025)中。一幾何結構引擎可實施於(例如)加利福尼亞州苗必達市(Milpitas,CA)KLA-Tencor之AcuShape軟體產品中。
可藉由許多資料擬合及最佳化技術及科技來分析經收集之資料，該等技術及科技包含程式庫(library)、快速降級模型；迴歸；機器學習演算法(諸如神經網路、支持向量機器(SVM))；降維演算法(舉 例而言，諸如PCA(主分量分析)、ICA(獨立分量分析)、LLE(局部線性嵌入))；稀疏表示(諸如傅氏轉換或小波轉換)；卡爾曼(Kalman)濾波器；促進來自相同或不同工具類型之匹配之演算法及其他。
亦可藉由並不包含模型化、最佳化及/或擬合之演算法(例如，臨時專利申請案第61/745981號，該案以引用的方式併入本文中)分析經收集之資料。
運算演算法係通常針對其中使用一或多個方法之量測應用(諸如運算硬體、平行化、運算分佈、負載平衡、多服務支持、動態負載最佳化等之設計及實施方案)而最佳化。可在韌體、軟體、FPGA、可程式化光學組件等中進行演算法之不同實施方案。
資料分析及擬合步驟可用於追求以下目標之一者：CD、SWA、形狀、應力、組合物、膜、帶隙、電性質、焦點/劑量、疊對、產生之處理程序參數(例如，抗蝕劑狀態、分壓、溫度、聚焦模型)及/或其任何組合之量測；量測系統之模型化及/或設計；量測目標之模型化、設計及/或最佳化。
本文提出之本發明之某些實施例大體上解決半導體量測及處理程序控制之領域，且並不限於硬體、演算法/軟體實施方案及架構且使用上文概述之情況。
儘管為清楚瞭解之目的已相當詳細地描述本發明，然將明白，可在隨附申請專利範圍之範疇內實踐某些改變及修改。應注意，存在實施本發明之處理程序、系統及裝置之許多替代方式。因此，本實施例應視為闡釋性而非限制性，且本發明不限於本文中給定之細節。

Claims (22)

  1. 一種判定用於半導體結構之結構參數之方法，該方法包括：自定位於一半導體晶圓上之複數個區段(fields)中之一或多個目標獲取複數個信號，其中該等區段係與用於製造該一或多個目標之不同處理程序參數相關聯，其中該等經獲取之信號含有關於一頂部結構之一所關注參數(POI)之資訊及關於形成於此頂部結構下面之一或多個底層之一或多個底層參數之資訊；產生一特徵提取模型以自此等經獲取之信號提取複數個特徵信號使得該等特徵信號含有用於該POI之資訊而排除用於該等底層參數之資訊；訓練一參數模型以用於基於藉由該特徵提取模型所提取之該等特徵信號來判定一POI值；及自一生產晶圓(production wafer)上之一或多個目標獲取對應於自該特徵提取模型所提取之該等特徵信號的複數個特徵信號及基於該經訓練之參數模型及自該生產晶圓所獲取之此等特徵信號以量測用於該生產晶圓上之此一或多個目標之複數個頂部結構之複數個POI值，以便監測該生產晶圓上之處理程序變動效應。
  2. 如請求項1之方法，其中產生該特徵提取模型包含：對該等經獲取之信號執行一資料集縮減技術以產生經轉換之信號資料；及產生該特徵提取模型以自該經轉換之信號資料提取該等特徵信號。
  3. 如請求項2之方法，其中該等經轉換之信號資料係該等經獲取之信號之一線性組合。
  4. 如請求項2之方法，其中使用一主分量分析(PCA)、核PCA(kPCA)、非線性PCA(NLPCA)、獨立分量分析(ICA)或局部線性嵌入(LLE)演算法來完成該資料集縮減技術。
  5. 如請求項2之方法，其中使用一主分量分析(PCA)技術來完成該資料集縮減技術且該等經轉換之信號表示相對於由該PCA技術所引起之一第一主分量之該等經獲取之信號。
  6. 如請求項1之方法，其中該等經獲取之信號包含來自各區段中之一或多個第一目標之一第一組經獲取信號及來自各區段中之一或多個第二目標之一第二組經獲取信號，其中該一或多個第一目標具有一頂層結構及一底層結構且該一或多個第二目標具有與該一或多個第一目標相同之底層結構但排除該一或多個第一目標之該頂層結構，其中產生該特徵提取模型包含根據該第二組經獲取信號加上一殘餘信號之一函數以模型化該第一組經獲取信號之各者，及定義針對該第一組經獲取信號而判定之該等殘餘信號為該等特徵信號。
  7. 如請求項1之方法，其中該等經獲取之信號包含來自各區段中之一或多個第一目標之一第一組經獲取信號及來自各區段中之一或多個第二目標之一第二組經獲取信號，其中該一或多個第一目標具有一頂層結構及一底層結構且該一或多個第二目標具有與該一或多個第一目標相同之頂層結構但具有與該一或多個第一目標不同之一底層，其中產生該特徵提取模型包含根據該第二組經獲取信號加上一殘餘信號之一函數以模型化該第一組經獲取信號之各者，及定義針對該第一組經獲取信號而判定之該第二組經獲取信號之該函數為該等特徵信號。
  8. 如請求項1之方法，其中該等經獲取之信號包含來自各區段中之一特定目標之處於一第一方位角之一第一組經獲取信號及來自 各區段中之該特定目標之處於一第二方位角之一第二組經獲取信號，其中該特定目標具有其上方形成有該頂部結構之一未圖案化底層部分，其中該第一方位角不同於該第二方位角，其中產生該特徵提取模型包含根據該第二組經獲取信號加上一殘餘信號之一函數以模型化該第一組經獲取信號之各者，及定義針對該第一組經獲取信號而判定之該等殘餘信號為該等特徵信號。
  9. 如請求項8之方法，其中該第一方位角係零且該第二方位角係90°。
  10. 如請求項1之方法，其中該等經獲取之信號包含來自各區段中之一特定目標之複數個二維射束分佈反射量測(2DBPR)影像，其中該特定目標具有其上方形成有該頂部結構之一未圖案化之底層，其中該特徵提取模型係使各2DBPR影像與一殘餘信號擬合之一徑向對稱函數，針對該等影像判定之該等殘餘信號經定義為該等特徵信號。
  11. 如請求項1之方法，其中使用以下之一或多者獲取該等信號：光譜橢圓偏光量測、穆勒矩陣光譜橢圓偏光量測、光譜反射量測、光譜散射量測、射束分佈反射量測、射束分佈橢圓偏光量測、一單一波長、一單一離散波長範圍或多個離散波長範圍。
  12. 一種用於檢測或量測一樣本(specimen)之系統，其包括：用於產生一輻射射束(radiation beam)之一照明器；用於引導該輻射射束朝向定位於一半導體晶圓上之複數個區段中之一或多個目標之照明光學器件，其中該等區段係與用於製造該一或多個目標之不同處理程序參數相關聯；用於回應於該輻射射束以引導之來自定位於該複數個區段中之該一或多個目標之複數個經獲取信號至一偵測器系統之集光 光學器件，其中該等經獲取之信號含有關於一頂部結構之一所關注參數(POI)之資訊及關於形成於此頂部結構下面之一或多個底層之一或多個底層參數之資訊；用於回應於該輻射射束以獲取來自該複數個區段中之該一或多個目標之該複數個信號之該偵測器系統；及經組態以執行以下操作之一處理器及記憶體：產生一特徵提取模型以自此等經獲取之信號提取複數個特徵信號使得該等特徵信號含有用於該POI之資訊而排除用於該等底層參數之資訊；訓練一參數模型以用於基於藉由該特徵提取模型所提取之該等特徵信號來判定一POI值；自一生產晶圓上之一或多個目標獲取對應於自該特徵提取模型所提取之該等特徵信號的複數個特徵信號及基於該經訓練之參數模型及自該生產晶圓所獲取之此等特徵信號以量測用於該生產晶圓上之此一或多個目標之複數個頂部結構之複數個POI值，以便監測該生產晶圓上之處理程序變動效應。
  13. 如請求項12之系統，其中產生該特徵提取模型包含：對該等經獲取之信號執行一資料集縮減技術以產生經轉換之光學信號資料；及產生該特徵提取模型以自該經轉換之信號資料提取該等特徵信號。
  14. 如請求項13之系統，其中該等經轉換之信號資料係該等經獲取之信號之一線性組合。
  15. 如請求項13之系統，其中使用一主分量分析(PCA)、核PCA(kPCA)、非線性PCA(NLPCA)、獨立分量分析(ICA)或局部線性嵌入(LLE)演算法來完成該資料集縮減技術。
  16. 如請求項13之系統，其中使用一主分量分析(PCA)技術來完成該資料集縮減技術且該等經轉換之信號表示相對於由該PCA技術所引起之一第一主分量之該等經獲取之信號。
  17. 如請求項12之系統，其中該等經獲取之信號包含來自各區段中之一或多個第一目標之一第一組經獲取信號及來自各區段中之一或多個第二目標之一第二組經獲取信號，其中該一或多個第一目標具有一頂層結構及一底層結構且該一或多個第二目標具有與該一或多個第一目標相同之底層結構但排除該一或多個第一目標之該頂層結構，其中產生該特徵提取模型包含根據該第二組經獲取信號加上一殘餘信號之一函數以模型化該第一組經獲取信號之各者，及定義針對該第一組經獲取信號而判定之該等殘餘信號為該等特徵信號。
  18. 如請求項12之系統，其中該等經獲取之信號包含來自各區段中之一或多個第一目標之一第一組經獲取信號及來自各區段中之一或多個第二目標之一第二組經獲取信號，其中該一或多個第一目標具有一頂層結構及一底層結構且該一或多個第二目標具有與該一或多個第一目標相同之頂層結構但具有與該一或多個第一目標不同之一底層，其中產生該特徵提取模型包含根據該第二組經獲取信號加上一殘餘信號之一函數以模型化該第一組經獲取信號之各者，及定義針對該第一組經獲取信號而判定之該第二組經獲取信號之該函數為該等特徵信號。
  19. 如請求項12之系統，其中該等經獲取之信號包含來自各區段中之一特定目標之處於一第一方位角之一第一組經獲取信號及來自各區段中之該特定目標之處於一第二方位角之一第二組經獲取信號，其中該特定目標具有其上方形成有該頂部結構之一未圖案化底層部分，其中該第一方位角不同於該第二方位角，其 中產生該特徵提取模型包含根據該等第二組經獲取信號加上一殘餘信號之一函數以模型化該第一組經獲取信號之各者，及定義針對該第一組經獲取信號而判定之該等殘餘信號為該等特徵信號。
  20. 如請求項19之系統，其中該第一方位角係零且該第二方位角係90°。
  21. 如請求項12之系統，其中該等經獲取之信號包含來自各區段中之一特定目標之複數個二維射束分佈反射量測(2DBPR)影像，其中該特定目標具有其上方形成有該頂部結構之一未圖案化之底層，其中該特徵提取模型係使各2DBPR影像與一殘餘信號擬合之一徑向對稱函數，針對該等影像判定之該等殘餘信號經定義為該等特徵信號。
  22. 如請求項12之系統，其中使用以下之一或多者獲取該等信號：光譜橢圓偏光量測、穆勒矩陣光譜橢圓偏光量測、光譜反射量測、光譜散射量測、射束分佈反射量測、射束分佈橢圓偏光量測、一單一波長、一單一離散波長範圍或多個離散波長範圍。
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