TWI668774B - 度量系統及方法 - Google Patents

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Abstract

本發明呈現用於僅基於所量測訓練資料而建立一量測模型之方法及系統。然後，使用該經訓練量測模型來直接根據所量測散射術資料計算重疊值。該等量測模型直接接收散射術信號作為輸入並提供重疊值作為輸出。在某些實施例中，根據設計規則結構之量測來判定重疊誤差。在某些其他實施例中，根據專門化目標結構之量測來判定重疊誤差。在又一態樣中，該量測模型經訓練且用以除量測重疊以外亦基於相同或不同度量目標而量測額外所關注參數。在某些實施例中，使用來自多個目標之量測資料、藉由多個度量收集之量測資料或該兩種量測資料來進行模型構建、訓練及量測。在某些實施例中，一最佳化演算法使量測模型構建及訓練程序自動化。

Description

度量系統及方法 相關申請案交叉參考
本專利申請案依據35 U.S.C.§119主張來自2014年5月9日提出申請之標題為「Method and Metrology Targets for Measuring Overlay and Other Semiconductor Device or Process Parameters」之序列號為61/991,395之美國臨時專利申請案之優先權，該美國臨時專利申請案之標的物以全文引用方式併入本文中。
所闡述實施例係關於度量系統及方法，且更特定而言係關於用於經改良重疊量測之方法及系統。
通常藉由適用於一試樣之一系列處理步驟製作諸如邏輯及記憶體裝置等半導體裝置。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。舉例而言，除其他之外，微影亦係涉及在一半導體晶圓上產生一圖案之一種半導體製作程序。半導體製作程序之額外實例包含(但不限於)化學機械拋光、蝕刻、沈積及離子植入。可在一單個半導體晶圓上製作多個半導體裝置，且然後將其分離成個別半導體裝置。
在一半導體製造程序期間在各種步驟處使用度量程序來偵測晶圓上之缺陷以促成較高良率。光學度量技術提供在無樣本損毀危險之 情形下達成高生產量之可能性。若干種基於光學度量之技術(包含散射術及反射術實施方案)及相關聯分析演算法共同用於表徵奈米尺度結構之臨界尺寸、膜厚度、組合物、重疊及其他參數。
通常藉由在一基板上沈積一系列層來製作半導體裝置。該等層中之某些或全部包含各種經圖案化結構。在特定層內及在層之間兩者處結構之相對位置對於已完成電子裝置之效能而言係關鍵的。重疊係指一晶圓之相同或不同層上之重疊或交錯結構之相對位置。重疊誤差係指自重疊或交錯結構之標稱(即，所要)相對位置之偏差。重疊誤差越大，結構之不對準即越大。若重疊誤差過大，則經製造電子裝置之效能可能受損。
散射術重疊(SCOL)度量技術已應用於表徵重疊誤差。此等方法主要係基於對與來自各自具有經程式化重疊偏移之兩個不同目標之繞射對應之光學信號之差動量測。基於此等差動量測而提取未知重疊誤差。
在大多數現有方法中，基於對結構不對稱性敏感之一量度來表徵重疊誤差。舉例而言，現有角度解析散射術重疊(SCOL)涉及對+1繞射級與-1繞射級之間的指示重疊誤差之不對稱性之一表徵。然而，依賴於不對稱性作為重疊誤差之指示係成問題的，乃因其他不對稱性(諸如線輪廓不對稱性或束照射不對稱性)會在量測信號中耦入至重疊產生之不對稱性中。此導致對重疊誤差之一不準確量測。
在現有方法中，通常基於藉由一微影工具形成於晶圓上之各種位置處之專門化目標結構之量測而評估重疊誤差。該等目標結構可呈現諸多形式，諸如一盒中盒結構。在此形式中，在晶圓之一個層上形成一盒，且在另一層上形成一第二較小盒。藉由比較兩個盒之中心之間的對準來量測局域重疊誤差。此等量測係在晶圓上其中可存在目標結構之位置處進行。
遺憾地，此等專門化目標結構通常並不符合正用以產生電子裝置之特定半導體製造程序之設計規則。此導致在與根據適用設計規則製造之實際裝置結構相關聯之重疊誤差之估計中出現誤差。舉例而言，基於影像之重疊度量通常需要以一光學顯微鏡來解析圖案，該光學顯微鏡需要具有遠超過設計規則臨界尺寸之臨界尺寸的粗線。在另一實例中，角度解析SCOL通常需要大間距目標以便以來自重疊目標之+1及-1傳播繞射級產生充足信號。在某些實例中，可使用處於範圍500nm至800nm中之間距值。同時，用於邏輯或記憶體應用之實際裝置間距(設計規則尺寸)可小得多，例如，處於範圍100nm至400nm中或甚至低於100nm。
將來之重疊度量應用由於日益變小之解析度要求及日益變高之晶圓面積值而提出若干度量挑戰。因此，需要用於經改良重疊量測之方法及系統。
本文中呈現用於量測藉由連續微影程序形成於一基板上之結構之間的重疊誤差之方法及系統。基於根據原始散射術資料建立之一量測模型而直接量測重疊誤差。基於具有已知重疊變化之位點之量測而訓練該量測模型。然後，使用該量測模型來根據具有未知重疊誤差之一量測位點預測該等重疊誤差。
在又一態樣中，除量測重疊以外，信號回應度量(SRM)亦用於根據相同或不同度量目標來量測額外所關注參數(例如，聚焦/劑量、臨界尺寸等)。在此等實例中，所量測基於散射術之訓練資料亦包含所關注參數之已知值。以此方式，除重疊以外，經訓練量測模型對此等所關注參數亦係敏感的。
在又一態樣中，該等度量目標較佳係設計規則目標。換言之，該等度量目標遵循適用於基本半導體製造程序之設計規則。在某些實 例中，該等度量目標位於主動晶粒區域內。在其他實例中，設計規則目標位於劃線區域中。在某些實例中，該等度量目標具有15μm×15μm或更小之尺寸。以此方式，可分析由微影缺陷誘發之場內變化對重疊之影響。
如本文中所闡述，藉由僅使用原始散射術資料來建立量測模型，縮減了與傳統基於模型之度量方法相關聯之誤差及近似。另外，量測模型對系統性誤差、不對稱性等並不敏感，乃因該量測模型係基於自一特定度量系統收集之散射術資料而訓練且用以基於自相同度量系統收集之散射術資料而執行量測。
本文中所闡述的經訓練之基於散射術之量測模型直接接收散射術資料作為輸入且提供重疊誤差之值作為輸出。藉由流線化量測程序，改良了預測結果，且亦縮減了計算及使用者時間。
在再一態樣中，如本文中所闡述用以執行重疊量測之度量系統包含一紅外線光學量測系統。紅外線照射光穿透安置於用以評估重疊之經圖案化結構之層之間的不透明結構。
前述內容係一發明內容且因此必須含有細節之簡化、概述及省略；因此，熟習此項技術者將瞭解，該發明內容僅係說明性的且不以任何方式係限制性的。在本文中所陳述之非限制性詳細說明中，本文中所闡述之裝置及/或程序之其他態樣、發明性特徵及優點將變得顯而易見。
120‧‧‧多層線/空間度量目標
121‧‧‧基板
122‧‧‧光柵結構/第一經圖案化結構
123‧‧‧填充層
124‧‧‧光柵結構/經圖案化結構
130‧‧‧多層線/空間度量目標
140‧‧‧多層線/空間度量目標
150‧‧‧曲線圖
160‧‧‧曲線圖
170‧‧‧度量目標
171‧‧‧基板
172‧‧‧氧化矽層
173‧‧‧氮化矽層
174‧‧‧多晶矽結構
175‧‧‧底部抗反射塗層(BARC)
176‧‧‧光阻劑結構
180‧‧‧實驗設計(DOE)晶圓
181‧‧‧目標
190‧‧‧表格
300‧‧‧整合式度量系統
301‧‧‧試樣
302‧‧‧照射器
304‧‧‧光譜儀/光譜橢圓偏光儀
306‧‧‧經偏振照射束
307‧‧‧偏振狀態產生器
308‧‧‧收集束
309‧‧‧偏振狀態分析儀
311‧‧‧光譜/量測資料
330‧‧‧計算系統
331‧‧‧處理器
332‧‧‧記憶體
333‧‧‧匯流排
334‧‧‧程式指令
340‧‧‧試樣參數
P‧‧‧距離
X‧‧‧方向
Y‧‧‧方向
Z‧‧‧方向
圖1係圖解說明訓練如本文中所闡述之一信號回應度量(SRM)量測模型之一方法100之一流程圖。
圖2係圖解說明使用藉由方法100產生之一經訓練量測模型來量測重疊之一方法110之一流程圖。
圖3圖解說明用於根據本文中所呈現之例示性方法而根據自一試 樣收集之信號估計重疊之一系統300。
圖4圖解說明一多層線/空間度量目標120。
圖5圖解說明具有在x方向上偏移之兩個光柵結構之一多層線/空間度量目標130。
圖6圖解說明具有在y方向上偏移之兩個光柵結構之一多層線/空間度量目標140。
圖7圖解說明在一項實施例中具有展現已知重疊誤差變化之目標之一柵格之一DOE晶圓180。
圖8圖解說明藉由如參考圖3所闡述之一旋轉式偏振器、旋轉式補償器(RPRC)SE量測系統量測之一度量目標170。
圖9圖解說明由一RPRC SE系統對度量目標170之α值相關聯量測之一曲線圖150。
圖10圖解說明由一RPRC SE系統對度量目標170之β值相關聯量測之一曲線圖160。
圖11繪示自藉由RPRC SE系統執行之量測導出的度量目標170之不同結構參數當中之相關值之一表格190。
現在將詳細參考背景技術實例及本發明之某些實施例，本發明之實例圖解說明於隨附圖式中。
本文中所闡述基於自原始散射術資料建立之一量測模型而直接量測用於藉由連續微影程序形成於一基板上之結構之間的重疊誤差之方法及系統。基於具有已知重疊變化之位點之量測而訓練該量測模型。然後，使用該量測模型來根據具有未知重疊誤差之一量測位點來預測該等重疊誤差。一般而言，所量測結構可位於基板之相同層上或不同層上。
在又一態樣中，除量測重疊以外，信號回應度量(SRM)亦用於根 據相同或不同度量目標來量測額外所關注參數(例如，聚焦/劑量、臨界尺寸等)。在此等實例中，所量測基於散射術之訓練資料亦包含所關注參數之已知值。以此方式，該經訓練量測模型對此等所關注參數係敏感的。此一經訓練量測模型用於表徵重疊及其他所關注參數兩者。
在又一態樣中，位於一DOE晶圓之一或多個量測位點上之度量目標較佳係設計規則目標。換言之，該等度量目標遵循適用於基本半導體製造程序之設計規則。在某些實例中，該等度量目標較佳位於主動晶粒區域內。在某些實例中，該等度量目標具有15μm×15μm或更小之尺寸。以此方式，可分析由微影缺陷誘發之場內變化對重疊之影響。
在某些實例中，該等度量目標係裝置上結構。使用自裝置上結構收集之散射術資料來訓練如本文中所闡述之一量測模型。然後，使用該經訓練量測模型來直接根據自製作於其他晶圓上之相同裝置上結構收集之散射術資料計算重疊之值且在某些實例中計算一或多個所關注參數。在此等實例中，避免了對專門化目標之使用。
如本文中所闡述，藉由僅使用原始散射術資料來建立量測模型，縮減了與傳統基於模型之度量方法相關聯之誤差及近似。另外，量測模型對系統性誤差、不對稱性等並不敏感，乃因該量測模型係基於自一特定度量系統收集之散射術資料而訓練且用以基於自相同度量系統收集之散射術資料而執行量測。
本文中所闡述的經訓練之基於散射術之量測模型直接接收散射術資料作為輸入且提供重疊誤差之值作為輸出。藉由流線化量測程序，改良了預測結果，且亦縮減了計算及使用者時間。在某些實例中，可在不足一小時內建立量測模型。另外，藉由採用一經簡化模型，與現有度量方法相比，縮減了量測時間。
圖1圖解說明適合於由一度量系統(諸如本發明之圖3中所圖解說明之度量系統300)實施之一方法100。在一項態樣中，應認識到，方法100之資料處理方塊可經由由計算系統330或任何其他一般用途計算系統之一或多個處理器執行之一經預程式化演算法執行。在本文中應認識到，度量系統300之特定結構態樣並不表示限制而應僅解釋為說明性的。
在方塊101中，由一計算系統(例如，計算系統330)接收與第一複數個量測位點之量測相關聯之第一量之散射術資料。該等量測位點包含已知重疊變化。該散射術資料係自藉由至少一個基於散射術之度量技術執行之量測而導出。該量測資料可係自一光學散射術系統、一x射線散射術系統或其他基於散射術之量測系統獲得。在某些實例中，舉例而言，藉助一光譜橢圓偏光術(SE)工具來執行光學量測，該工具提供一寬廣波長範圍且亦提供關於兩個獨立偏振之間的相位延遲之資訊。在某些實例中，亦可採用穆勒(Mueller)矩陣SE。在某些其他實例中，藉由一波長解析或角度解析反射儀來執行光學量測。
在某些實施例中，重疊變化係以一實驗設計(DOE)圖案組織於一半導體晶圓(例如，DOE晶圓)之表面上。以此方式，量測位點詢問晶圓表面上與不同重疊值對應之不同位置。在一項實例中，該DOE圖案係一重疊誤差圖案。通常，展現一重疊誤差圖案之一DOE晶圓包含量測位點之一柵格圖案。在一個柵格方向(例如，x方向)上，x方向上之重疊變化，而y方向上之重疊保持恆定。在正交之柵格方向(例如，y方向)上，y方向上之重疊誤差變化，而x方向上之重疊誤差保持恆定。以此方式，自DOE晶圓收集之散射術資料包含與在x方向及y方向兩者上之已知重疊變化相關聯之資料。圖7繪示展現已知重疊誤差變化之目標(例如，目標181)之一柵格之一DOE晶圓180。x方向重疊誤差依據在DOE晶圓180上沿x方向之位置而變化。y方向重疊誤差依據 DOE晶圓180上沿y方向之位置而變化。在某些實例中，x及y重疊誤差介於自-20奈米至20奈米之範圍內。在某些其他實例中，x及y重疊誤差介於自-80奈米至80奈米之範圍內。
圖4繪示一多層度量目標120，其包含一基板121、一光柵結構122、一填充層123及在空間上自第一經圖案化結構122沿x方向偏移之另一光柵結構124。兩個經圖案化結構122及124之間距皆係一距離P。在大多數情形中，當不存在重疊時，對重疊誤差之敏感度係處於最小值。在所繪示實施例中，經圖案化結構124自經圖案化結構122偏移一標稱重疊偏移以增加量測敏感度。在某些實施例中，提供各自具有一不同重疊誤差之一系列重疊訓練目標。在圖4中所繪示之實施例中，重疊誤差係經圖案化結構124相對於其標稱重疊偏移之位移。在某些實施例中，一重疊誤差範圍係以一標稱重疊值為中心。在一項實例中，一系列重疊訓練目標包含處於自P/8至3P/8之一重疊位置範圍內之一標稱重疊P/4。
在本發明之範疇內可預期有多種不同度量目標。在某些實施例中，該等度量目標係基於習用線/空間目標。在某些其他實施例中，該等度量目標係類裝置結構。在某些其他實施例中，該等度量目標係實際裝置本身，因此不採用專門化度量目標。不管採用何種類型之度量目標，皆必須提供具有經程式化(已知)偏移之一組訓練目標來訓練量測模型。一旦模型被訓練，其即可用於執行具有未知重疊之結構之量測。
可在一單獨訓練晶圓上或在一生產晶圓上提供訓練目標。在某些實例中，度量目標位於一生產晶圓之一劃線中。在某些其他實例中，度量目標位於主動晶粒區域中。
在某些實施例中，在一劃線區域中執行用於模型訓練之量測，且在實際裝置之一週期性區域中(例如，使用小光點SE在一10mm×10 mm區域中)執行後續量測。
在某些實施例中，提供在x方向及y方向兩者上皆具有偏移圖案之光柵目標。舉例而言，圖5繪示具有如參考圖4所闡述之兩個偏移光柵結構之一度量目標130。在圖5中所繪示之實施例中，該等光柵結構係在x方向上偏移。圖6繪示具有如參考圖4所闡述之兩個偏移光柵結構之一度量目標140。在圖6中所繪示之實施例中，該等光柵結構係在y方向上偏移。
在某些實施例中，在每一晶粒中採用在正交方向上偏移之多個不同目標。此可有利於使底層對量測準確度之影響最小化。
如上文中所闡述，本文中所闡述之量測方法及系統並不約束於專門化目標。一般而言，根據本文中所闡述之方法及系統，可採用當由可用量測系統量測時對重疊展現敏感性之任何目標。
在方塊102中，基於一數學變換而自散射術訓練資料提取若干個主特徵。該變換縮減散射術資料之維度且將原始信號映射至一新的經縮減信號集合。該變換係基於散射術訓練資料中之重疊變化而判定。將每一所量測信號視為在程序範圍內針對散射術訓練資料集合中之不同重疊量測而改變之一原始信號。該變換可應用於所有量測信號或量測信號之一子集。在某些實例中，經受分析之信號係隨機地被選擇。在某些其他實例中，經受分析之信號係因其對重疊改變之相對高敏感度而被選擇。舉例而言，可忽略對重疊改變不敏感之信號。
以非限制性實例之方式，可使用以下各項中之任一者來達成該變換：一主成分分析(PCA)模型、一核PCA模型、一非線性PCA模型、一獨立成分分析(ICA)模型或其他使用字典之維度縮減方法、一離散餘弦變換(DCT)模型、快速傅立葉變換(FFT)模型、一小波模型等。
自散射術訓練資料提取一或多個特徵。在某些實例中，使用主 成分分析(PCA)或非線性PCA來分析訓練資料，以提取最強烈地反映存在於不同量測位點處之重疊變化之特徵。在某些實例中，可自存在於訓練資料中之多個信號選擇最強烈地反映存在於不同量測位點處之重疊變化之個別信號。
在方塊103中，基於自散射術訓練資料提取之主特徵及已知重疊值而訓練一量測模型。該量測模型經結構化以接收由一度量系統在一或多個量測位點處產生之量測資料且直接判定與每一量測目標相關聯之重疊。在某些實施例中，該量測模型係實施為一神經網路模型。在一項實例中，基於自訓練資料提取之特徵而選擇神經網路之節點之數目。在其他實例中，該量測模型可係實施為一線性模型、一多項式模型、一回應表面模型、一支援向量機模型或其他類型之模型。在某些實例中，該量測模型可實施為若干模型之一組合。基於主特徵(經縮減信號集合)及已知重疊變化而訓練選定模型。該模型經訓練以使得其輸出擬合由DOE度量目標集合定義之重疊變化空間中之所有所量測信號之所定義重疊變化。
在另一態樣中，採用經訓練模型作為用於量測具有未知重疊值之其他目標之量測模型。圖2圖解說明適合於由一度量系統(諸如本發明之圖3中所圖解說明之度量系統300)實施之一方法110。在一項態樣中，應認識到，方法110之資料處理方塊可經由由計算系統330或任何其他一般用途計算系統之一或多個處理器執行之一經預程式化演算法執行。在本文中應認識到，度量系統300之特定結構態樣並不表示限制而應僅解釋為說明性的。
在方塊111中，由一計算系統(例如，計算系統330)接收與複數個量測位點之量測相關聯之一定量之散射術資料。該散射術資料係自藉由如參考方法100所闡述之相同度量技術或若干度量技術之組合執行之量測而導出。類似地，該散射術資料包含如參考方法100所闡述之 相同類型的但具有未知重疊誤差之結構之量測。
在方塊112中，基於縮減所量測資料之維度之一數學變換而判定來自所量測資料之至少一部分之主特徵。在某些實施例中，該變換係參考方法100所闡述的用以縮減對應訓練資料之維度之相同變換。較佳地，使用在方法100中用以自訓練資料提取特徵之相同分析而自散射術資料提取特徵。以此方式，所獲取資料之維度縮減係藉由用於縮減訓練資料之維度之相同變換來執行。
在方塊113中，基於所判定主特徵與一經訓練量測模型(例如，參考方法100所闡述之經訓練量測模型)之一擬合而判定與該複數個位點中之每一者相關聯之重疊值。以此方式，基於經訓練量測模型及經縮減量測信號集合而判定重疊。
在方塊114中，將所判定重疊值儲存於一記憶體中。舉例而言，該等重疊值可在量測系統300上儲存於(舉例而言)記憶體332中，或可被傳送(例如，經由輸出信號340)至一外部記憶體裝置。
在某些實例中，經訓練量測模型之量測效能係藉由使用該模型來量測尚未作為訓練資料集合之部分參與但具有已知重疊誤差之一組度量目標來判定。預期重疊與所量測重疊之間的差異指示模型效能。
在又一態樣中，本文中所闡述之方法及系統並不僅限於重疊誤差之量測。一般而言，前述基於散射術之量測技術可應用於其他程序、結構、分散參數或此等參數之任何組合之量測。以非限制性實例之方式，可使用前述技術連同重疊誤差一起來量測輪廓幾何參數(例如，臨界尺寸)、程序參數(例如，聚焦及劑量)、分散參數、間距遊動(pitch walk)或任何參數組合。必須提供針對每一所關注參數具有經程式化變化之一組訓練目標。然後，基於在包含每一所關注參數之經程式化變化範圍之量測位點內收集之散射術資料來訓練量測模型，如本文中參考重疊所闡述。
在再一態樣中，用於訓練量測模型之方法及系統包含用以使得出一經訓練量測模型所需之要素中之任一者或全部自動化之一最佳化演算法。
在某些實例中，一最佳化演算法經組態以藉由使以下參數中之任一者或全部最佳化來使量測之效能(由一成本函數定義)最大化：特徵提取模型之類型(即，變換)、選定特徵提取模型之參數、量測模型之類型、選定量測模型之參數。該最佳化演算法可包含使用者定義之試探法且可係巢套式最佳化之組合(例如，組合及連續最佳化)。
在又一態樣中，收集來自多個不同目標之散射術資料以用於模型構建、訓練及量測。使用與具有不同結構但藉由相同程序條件形成之多個目標相關聯之資料會增加嵌入於模型中之資訊且縮減與程序或其他參數變化之重疊相關性。嵌入於模型中之額外資訊允許將與重疊相關聯之資訊內容和與可以一類似方式影響所量測信號之其他參數(例如，膜厚度、CD等)相關聯之資訊解耦。在此等實例中，使用包含一或多個量測位點處之多個不同目標之影像之訓練資料會達成更準確之重疊估計。在某些實例中，採用經隔離且密集之線/空間目標之一混合來將重疊與底層影響解耦。
在再一態樣中，可處理來自多個目標之信號以降低對程序變化之敏感度且增加對所關注參數之敏感度。在某些實例中，將來自不同目標之信號彼此相減。在某些其他實例中，使來自不同目標之信號與一模型擬合，且使用殘差來構建、訓練及使用量測模型，如本文中所闡述。在一項實例中，將來自兩個不同目標之信號相減，以消除或顯著縮減每一量測結果中之程序雜訊之影響。一般而言，可在來自不同目標之信號之間應用各種數學運算以判定對程序變化具有降低之敏感度且對所關注參數具有增加之敏感度之信號。
在再一態樣中，收集自藉由多個不同量測技術之一組合執行之 量測導出之量測資料以用於模型構建、訓練及量測。使用與多個不同量測技術相關聯之量測資料會增加經組合信號集合中之資訊內容且降低與程序或其他參數變化之重疊相關性。可自藉由多個不同量測技術之任何組合執行之量測導出量測資料。以此方式，可藉由多個不同量測技術(例如，光學SE、SAXS等)來量測不同量測位點以增強可用於估計所關注參數之量測資訊。
一般而言，在本專利文件之範疇內可預期有任何量測技術或者兩種或兩種以上量測技術之組合，此乃因藉由特徵提取模型以及用於訓練及量測之量測模型處理之資料係呈向量形式。由於如本文中所闡述之信號回應度量技術係對資料之向量進行操作，因此每一所收集信號係被獨立地處理。另外，可序連來自多個不同度量之資料，而不管該資料是二維資料、一維資料還是甚至單點資料。
可提供用於根據本文中所闡述之信號回應度量技術進行分析之資料之例示性量測技術包含(但不限於)：光譜橢圓偏光術(包含穆勒矩陣橢圓偏光術)、光譜反射術、光譜散射術、散射術重疊、束輪廓反射術(角度解析及偏振解析兩者)、束輪廓橢圓偏光術、單或多離散波長橢圓偏光術、透射小角度x射線散射儀(TSAXS)、小角度x射線散射(SAXS)、掠入射小角度x射線散射(GISAXS)、寬角度x射線散射(WAXS)、x射線反射率(XRR)、x射線繞射(XRD)、掠入射x射線繞射(GIXRD)、高解析度x射線繞射(HRXRD)、x射線光電子光譜術(XPS)、x射線螢光(XRF)、掠入射x射線螢光(GIXRF)、x射線斷層攝影術及x射線橢圓偏光術。一般而言，可個別地或以任何組合形式預期適用於表徵半導體結構之任何度量技術，包含基於影像之度量技術。
在再一態樣中，可處理藉由多個度量量測之信號以降低對程序變化之敏感度且增加對所關注參數之敏感度。在某些實例中，將來自 藉由不同度量量測之目標之信號彼此相減。在某些其他實例中，使來自藉由不同度量量測之不同目標之信號與一模型擬合，且使用殘差來構建、訓練及使用量測模型，如本文中所闡述。在一項實例中，將來自藉由兩個不同度量量測之一目標之信號相減，以消除或顯著縮減每一量測結果中之程序雜訊之影響。一般而言，可在藉由不同度量量測之信號之間應用各種數學運算以判定對程序變化具有降低之敏感度且對所關注參數具有增加之敏感度之信號。
一般而言，來自各自藉由多個度量技術量測之多個目標之信號會增加經組合信號集合中之資訊內容且降低與程序或其他參數變化之重疊相關性。
圖3圖解說明用於根據本文中所呈現之例示性方法量測一試樣之特性之一系統300。如圖3中所展示，系統300可用於對一試樣301之一或多個結構執行光譜橢圓偏光術量測。在此態樣中，系統300可包含配備有一照射器302及一光譜儀304之一光譜橢圓偏光儀。系統300之照射器302經組態以產生一選定波長範圍(例如，100nm至2500nm)之照射並將該照射引導至安置於試樣301之表面上之結構。轉而，光譜儀304經組態以接收自試樣301之表面反射之照射。進一步注意，使用一偏振狀態產生器307來使自照射器302出射之光偏振以產生一經偏振照射束306。由安置於試樣301上之結構反射之輻射通過一偏振狀態分析儀309且到達光譜儀304。關於偏振狀態來對由光譜儀304在收集束308中接收之輻射進行分析，從而允許由光譜儀對由分析儀傳遞之輻射進行光譜分析。此等光譜311經傳遞至計算系統330以用於分析該結構。
如圖3中所繪示，系統300包含一單個量測技術(即，SE)。然而，一般而言，系統300可包含任何數目個不同量測技術。以非限制性實例之方式，系統300可經組態為一光譜橢圓偏光儀(包含穆勒矩陣橢圓 偏光術)、一光譜反射儀、一光譜散射儀、一重疊散射儀、一角度解析束輪廓反射儀、一偏振解析束輪廓反射儀、一束輪廓反射儀、一束輪廓橢圓偏光儀、任何單或多波長橢圓偏光儀或其任何組合。此外，一般而言，可自多個工具而非自一個整合有多種技術之工具收集藉由不同量測技術收集且根據本文中所闡述之方法分析之量測資料。
在又一實施例中，系統300可包含用以基於根據本文中所闡述之方法開發之量測模型而執行重疊量測之一或多個計算系統330。一或多個計算系統330可通信地耦合至光譜儀304。在一項態樣中，一或多個計算系統330經組態以接收與試樣301之結構之量測相關聯之量測資料311。
應認識到，在本發明通篇中所闡述之各種步驟可由一單電腦系統330或另一選擇係由一多電腦系統330執行。此外，系統300之不同子系統(諸如光譜橢圓偏光儀304)可包含適合於執行本文中所闡述之步驟之至少一部分之一電腦系統。因此，前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，一或多個計算系統330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，電腦系統330可以此項技術中已知之任何方式通信地耦合至光譜儀304。舉例而言，一或多個計算系統330可耦合至與光譜儀304相關聯之計算系統。在另一實例中，光譜儀304可由耦合至電腦系統330之一單個電腦系統直接控制。
度量系統300之電腦系統330可經組態以藉由可包含有線及/或無線部分之一傳輸媒體自該系統之子系統(例如，光譜儀304及類似物)接收及/或獲取資料或資訊。以此方式，該傳輸媒體可用作電腦系統330與系統300之其他子系統之間的一資料鏈路。
整合式度量系統300之電腦系統330可經組態以藉由可包含有線及/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、模型化輸入、模型化結果等)。以此方式，該傳輸媒體可用作電腦系統330與其他系統(例如，在度量系統300上之記憶體、外部記憶體、參考量測源320或其他外部系統)之間的一資料鏈路。舉例而言，計算系統330可經組態以經由一資料鏈路自一儲存媒體(即，記憶體332或一外部記憶體)接收量測資料。例如，使用光譜儀304獲得之光譜結果可儲存於一永久或半永久記憶體裝置(例如，記憶體332或一外部記憶體)中。就此而言，該等光譜結果可係自板上記憶體或自一外部記憶體系統導入。此外，電腦系統330可經由一傳輸媒體將資料發送至其他系統。例如，由電腦系統330判定之一整合式量測模型或一試樣參數340可被傳送且儲存於一外部記憶體中。就此而言，可將量測結果導出至另一系統。
計算系統330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裝置。一般而言，術語「計算系統」可廣義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。
實施諸如本文中所闡述之彼等方法之方法之程式指令334可經由一傳輸媒體(諸如一導線、纜線或無線傳輸鏈路)傳輸。舉例而言，如圖3中所圖解說明，儲存於記憶體332中之程式指令334經由匯流排333傳輸至處理器331。程式指令334儲存於一電腦可讀媒體(例如，記憶體332)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。
在某些實例中，本文中所闡述之模型構建、訓練及量測方法被實施為可自美國加利福尼亞州苗必達之KLA-Tencor公司獲得之一SpectraShape®光學臨界尺寸度量系統之一要素。以此方式，模型被建立並準備好供在由系統收集DOE晶圓光譜之後立即使用。
在某些其他實例中，舉例而言，藉由實施可自美國加利福尼亞 州苗必達之KLA-Tencor公司獲得之AcuShape®軟體之一計算系統來線外實施本文中所闡述之模型構建及訓練方法。可併入所得經訓練模型，來作為可由執行量測之一度量系統存取之一AcuShape®程式庫之一要素。
圖8繪示藉由如參考圖3所闡述之一旋轉式偏振器、旋轉式補償器(RPRC)SE量測系統量測之一度量目標170。度量目標170包含一基板171、一為10奈米厚之氧化矽層172及一為55奈米厚之氮化矽層173。具有40奈米之一中間臨界尺寸、55奈米之一高度及80度之一側壁角度之一多晶矽結構174安置於氮化矽層173上。一底部抗反射塗層(BARC)175填充包含多晶矽結構之層。一光阻劑結構176安置於BARC層175上。光阻劑結構176亦具有40奈米之一中間臨界尺寸、55奈米之一高度及80度之一側壁角度。該度量目標包含一待量測之重疊偏移。
藉由具有65度之一入射角之一RPRC SE系統來量測度量目標170。在一寬廣照射波長範圍內且針對若干個不同重疊值來執行量測。圖9繪示針對每一不同重疊偏移的所量測α值相對於一波長範圍之一曲線圖150。圖10繪示針對每一不同重疊偏移的所量測β值相對於波長範圍之一曲線圖160。如圖9及圖10中所繪示，對於低於400奈米之照射波長，RPRC SE系統對重疊偏移係敏感的。
圖11繪示自藉由RPRC SE系統在不同重疊值下執行之量測導出的度量目標170之不同結構參數與諸如線CD、高度、層厚度及側壁角度等其他堆疊參數當中之相關值的一表格190。在此實例中，在表格190中所繪示之最後兩個參數對應於多晶矽及光阻劑輪廓之右側壁角度(SWA-R)。其左側壁角度係固定的。因此，儘管存在不對稱性，亦可評估量測效能。
在依賴於一階繞射之一習用基於差動目標之散射術重疊分析 中，輪廓之不對稱性與重疊參數高度相關。此可導致重疊度量之不準確度。然而，如表格190中所圖解說明，重疊展示與光阻劑及多晶矽線之所有參數(包含不對稱性參數，諸如右側壁角度參數)之低相關性。在此實例中，重疊與其他參數之低相關性指示，可執行SRM且可以高可靠性對設計規則目標進行重疊量測。在其中相關性係高得不可接受之實例中，可如本文中所闡述而採用諸如多個目標(例如，經隔離且密集)之技術及多種度量技術。
如本文中所闡述之SRM方法適用於對重疊具敏感度之諸多量測技術或若干技術之組合。雖然可採用一階角度解析散射術重疊，但其並非較佳地，乃因其需要具有相對大間距之目標且可導致不準確度。
在再一態樣中，如本文中所闡述之用以執行重疊量測之度量系統(例如，度量系統300)包含一紅外線光學量測系統。在此等實施例中，度量系統300包含一紅外線光源(例如，一弧光燈、一無電極燈、一雷射維持式電漿(LSP)源或一超連續源)。一紅外線超連續雷射源由於在光譜之紅外線區中之較高可達成功率及亮度而較佳於一傳統燈源。在某些實例中，藉由超連續雷射提供之功率使得能夠量測具有不透明膜層之重疊結構。
重疊量測中之一潛在問題係，至底部光柵之光穿透係不充足的。在諸多實例中，頂部光柵與底部光柵之間存在非透明(即，不透明)膜層。此等不透明膜層之實例包含非晶碳、矽化鎢(Wsix)、鎢、氮化鈦、非晶矽以及其他金屬及非金屬層。通常，限於可見範圍及以下(例如，介於250nm與700nm之間)之波長之照射光並不穿透至底部光柵。然而，處於紅外線光譜及以上(例如，大於700nm)之照射光通常更有效地穿透不透明層。
一有效目標設計或量測結構在第一圖案與第二圖案之間傳播一非零繞射級，以使得兩個圖案之相對位置影響在遠場中偵測到之外出 繞射束之強度。
在紫外線及可見範圍中「不透明」之一操作性定義係，在250nm至700nm之波長範圍中針對SCOL之所預測精度比所需精度差得多。此係因攜載第一圖案與第二圖案之間的相對位置資訊之傳播繞射級之衰減所致。以大於700奈米(例如，800nm至1650nm)之照射波長量測SCOL信號會在吸收顯著較少時改良SCOL精度。在其中採用具有大於700奈米之波長之照射光之實施例中，量測目標之設計間距經選擇以使得存在可用之SCOL信號。
雖然上文中參考一基於散射術之重疊量測模型闡述了數個實例，但本文中所闡述之方法及系統可涉及其他程序模型(例如，聚焦、劑量、蝕刻或沈積處理)。本文中所闡述之方法及系統亦可涉及用以產生訓練及量測資料之其他度量技術(例如，SEM、TEM、AFM、X射線)。此外，參考基於散射術之度量系統論述了本文中所闡述之方法及系統，但該等方法及系統亦可應用於其他度量(例如，基於成像之度量技術)。
在又一態樣中，可使用本文中所闡述之量測模型結果來將主動回饋提供至一程序工具(例如，微影工具、蝕刻工具、沈積工具等)。舉例而言，可將使用本文中所闡述之方法判定之重疊誤差值傳送至一微影工具以調整微影系統來達成一所要輸出。以一類似方式，可在一量測模型中包含蝕刻參數(例如，蝕刻時間、擴散率等)或沈積參數(例如，時間、濃度等)以將主動回饋分別提供至蝕刻工具或沈積工具。
一般而言，本文中所闡述之系統及方法可實施為製備用於線外或工具上量測之一量測模型之程序之部分。另外，量測模型及任何經重新參數化量測模型兩者可闡述一或多個目標結構及量測位點。
如本文中所闡述，術語「臨界尺寸」包含一結構之任何臨界尺寸(例如，底部臨界尺寸、中間臨界尺寸、頂部臨界尺寸、側壁角 度、光柵高度等)、任何兩個或兩個以上結構之間的一臨界尺寸(例如，兩個結構之間的距離)及兩個或兩個以上結構之間的一位移(例如，重疊光柵結構之間的重疊位移等)。結構可包含三維結構、經圖案化結構、重疊結構等。
如本文中所闡述，術語「臨界尺寸應用」或「臨界尺寸量測應用」包含任何臨界尺寸量測。
如本文中所闡述，術語「度量系統」包含至少部分地用以在任何態樣中表徵一試樣之任何系統，包含量測應用，諸如臨界尺寸度量、重疊度量、聚焦/劑量度量及組合物度量。然而，此等技術術語並不限制如本文中所闡述之術語「度量系統」之範疇。另外，度量系統100可經組態以用於量測經圖案化晶圓及/或未圖案化晶圓。該度量系統可經組態為一LED檢驗工具、邊緣檢驗工具、背側檢驗工具、宏觀檢驗工具或多模式檢驗工具(涉及同時來自一或多個平台之資料)，以及受益於基於臨界尺寸資料而校準系統參數之任何其他度量或檢驗工具。
本文中闡述可用於處理一試樣之一半導體處理系統(例如，一檢驗系統或一微影系統)之各種實施例。術語「試樣」在本文中用於指一晶圓、一光罩或可藉由此項技術中已知之方式處理(例如，印刷或檢驗缺陷)之任何其他樣本。
如本文中所使用，術語「晶圓」通常指由一半導體或非半導體材料形成之基板。實例包含(但不限於)單晶矽、砷化鎵及磷化銦。通常可在半導體製作設施中找到及/處理此等基板。在某些情形中，一晶圓可僅包含基板(即，裸晶圓)。另一選擇係，一晶圓可包含形成於一基板上之一或多個不同材料層。形成於一晶圓上之一或多個層可係「經圖案化」或「未圖案化」的。舉例而言，一晶圓可包含具有可重複圖案特徵之複數個晶粒。
一「光罩」可係在一光罩製作程序之任何階段處之一光罩或者可或可不釋放以供在一半導體製作設施中使用之一已完成光罩。一光罩或一「遮罩」通常定義為具有在其上形成且組態成一圖案之實質上不透明區的一實質上透明基板。基板可包含(舉例而言)諸如非晶Si02之一玻璃材料。一光罩可在一微影程序之一曝光步驟期間安置於一抗蝕劑覆蓋之晶圓上面，以使得可將該光罩上之圖案轉印至該抗蝕劑。
形成於一晶圓上之一或多個層可係經圖案化或未圖案化的。舉例而言，一晶圓可包含各自具有可重複圖案特徵之複數個晶粒。此等材料層之形成及處理可最終產生已完成裝置。可在一晶圓上形成諸多不同類型之裝置，且如本文中所使用之術語晶圓意欲涵蓋於其上製作此項技術中已知之任何類型之裝置之一晶圓。
在一或多個例示性實施例中，所闡述之功能可以硬體、軟體、韌體或其任一組合實施。若以軟體實施，則該等功能可作為一或多個指令或程式碼儲存於一電腦可讀媒體上或者經由一電腦可讀媒體傳輸。電腦可讀媒體包含電腦儲存媒體及通信媒體兩者，包含促進將一電腦程式自一個地方傳送至另一地方之任何媒體。一儲存媒體可係可由一個一般用途或特殊用途電腦存取之任何可用媒體。藉由實例而非限制方式，此等電腦可讀媒體可包括：RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其他光碟儲存裝置、磁碟儲存裝置或其他磁性儲存裝置或者可用於以指令或資料結構之形式攜載或儲存所要程式碼構件且可由一個一般用途或特殊用途電腦或者一個一般用途或特殊用途處理器存取的任何其他媒體。並且，可將任何連接恰當地稱為一電腦可讀媒體。舉例而言，若使用一同軸纜線、光纖纜線、雙絞線、數位使用者線(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，則該同軸纜線、光纖纜線、雙絞線、DSL或無線技術(諸如紅外線、無線電及微波)皆包含於媒體之定義內。如本文 中所使用，磁碟及碟片包含光碟(CD)、雷射碟片、光學碟片、數位多功能碟片(DVD)、軟磁碟及藍光碟片，其中磁碟通常以磁性方式重現資料而碟片藉助雷射以光學方式重現資料。上述之組合亦應包含於電腦可讀媒體之範疇內。
雖然在上文中出於指導性目的闡述了某些特定實施例，但本專利文件之教示內容具有一般適用性且不限於上文所闡述之特定實施例。因此，可在不背離如申請專利範圍中所陳述之本發明之範疇之情況下實踐對所闡述之實施例之各種特徵的各種修改、更改及組合。

Claims (20)

  1. 一種度量方法，其包括：提供照射光至一半導體晶圓之一表面上之第一複數個量測位點，其中該第一複數個量測位點包含具有已知重疊值之多層結構；回應於該照射光，偵測繞射自該第一複數個量測位點之各者之一光量；基於該經偵測光量產生與該第一複數個量測位點之量測相關聯之第一量之散射術資料，其中該量測由至少一個基於散射術之度量系統執行；基於對該第一量之散射術資料之一變換而判定該第一量之散射術資料之複數個主特徵，該變換縮減該第一量之散射術資料之一維度以產生一經縮減之散射術資料；及基於自該第一量之散射術資料提取之該複數個主特徵作為輸入至一量測模型及該等已知重疊值作為輸出訓練資料而訓練該量測模型；基於該經訓練之該量測模型判定與該第二複數個量測位點之各者相關聯之一重疊值；及將該重疊值之一指示通信至一半導體製造工具，使該半導體製造工具調整該半導體製造工具之一製造程序之一或多個參數以自該半導體製造工具達到一所想要輸入。
  2. 如請求項1之度量方法，其中對該第一量之散射術資料之該變換涉及以下各項中之任一者：一主成分分析(PCA)、一獨立成分分析(ICA)、一核PCA、一非線性PCA、一快速傅立葉變換(FFT)分析、一離散餘弦變換(DCT)分析及一小波分析。
  3. 如請求項1之度量方法，其中該量測模型係以下各項中之任一者：一線性模型、一多項式模型、一神經網路模型、一支援向量機模型、一決策樹模型及一隨機森林模型。
  4. 如請求項1之度量方法，其中該第一量之散射術資料包含藉由相同程序條件形成之複數個不同度量目標之散射術量測之一組合。
  5. 如請求項1之度量方法，其中該第一量之散射術資料包含藉由複數個不同度量技術獲取之散射術量測。
  6. 如請求項1之度量方法，其中該第一量之散射術資料包含與該第一複數個量測位點中之任一者處之一個以上目標特徵相關聯之散射術量測。
  7. 如請求項1之度量方法，其中對該第一量之散射術資料之該變換涉及：判定來自不同目標之散射術量測之信號、來自藉由不同度量技術獲取之散射術量測之信號或該兩種信號之一組合之間的一差。
  8. 如請求項1之度量方法，其中對該第一量之散射術資料之該變換涉及：判定來自不同目標之散射術量測之信號對一第一模型之一擬合之殘差、來自藉由不同度量技術獲取之一目標之散射術量測之信號對一第二模型之一擬合之殘差或該兩者之一組合之殘差。
  9. 如請求項1之度量方法，其中於該半導體晶圓之該表面上之該第一複數個量測位點處之多層結構係依據一半導體製造程序之設計規則製造。
  10. 如請求項1之度量方法，其中半導體晶圓之表面上之該第一複數個量測位點包含該等已知重疊值及一或多個額外所關注參數之已知值，且其中對該量測模型之該訓練亦基於該一或多個額外 所關注參數之該等已知值。
  11. 如請求項10之度量方法，其中該一或多個額外所關注參數包含以下各項中之任一者：一程序參數、一結構參數、一分散參數及一佈局參數。
  12. 如請求項1之度量方法，其進一步包括：提供照射光至一半導體晶圓之一表面上之第二複數個量測位點，其中該第一複數個量測位點包含多層結構；回應於該照射光，偵測繞射自該第二複數個量測位點之各者之一光量；基於該經偵測光量產生與該第二複數個量測位點之量測相關聯之第二量之散射術資料，其中該量測由至少一個基於散射術之度量系統執行；基於一變換而判定該第二量之散射術資料之複數個主特徵，該變換縮減該第二量之散射術資料之一維度，其中與該第二複數個位點中之每一者相關聯之該重疊值係基於該複數個主特徵與該經訓練之該量測模型之一擬合；及將該重疊值儲存於一記憶體中。
  13. 一種度量系統，其包括：一照射源，其經組態以提供照射光至一半導體晶圓之一表面上之第一複數個量測位點，其中該第一複數個量測位點包含具有已知重疊值之多層結構；一偵測器子系統，其經組態以回應於該照射光，偵測繞射自該第一複數個量測位點之各者之一光量，且依據至少一個基於散射術之度量技術基於該經偵測光量產生與該第一複數個量測位點之量測相關聯之第一量之散射術資料；及一計算系統，其經組態以： 基於對該第一量之散射術資料之一變換而判定該第一量之散射術資料之複數個主特徵，該變換縮減該第一量之散射術資料之一維度以產生一經縮減之散射術資料；基於自該第一量之散射術資料提取之該複數個主特徵作為輸入至一量測模型及該等已知重疊值作為輸出訓練資料而訓練一量測模型；基於該經訓練之該量測模型判定與第二複數個量測位點之各者相關聯之一重疊值；及將該重疊值之一指示通信至一半導體製造工具，使該半導體製造工具調整該半導體製造工具之一製造程序之一或多個參數以自該半導體製造工具達到一所想要輸入。
  14. 如請求項13之度量系統，其中該照射源經組態而以大於700奈米之波長將照射光提供至試樣，且該偵測器經組態而以大於700奈米之波長執行該目標結構之量測。
  15. 如請求項13之度量系統，其中該計算系統進一步經組態以：接收與具有已知重疊值之第二複數個量測位點之量測相關聯之第二量之散射術資料，其中該第二量之散射術資料係自依據該相同之至少一個基於散射術之度量技術執行之量測而導出；基於一變換而判定該第二量之散射術資料之複數個主特徵，該變換縮減該第二量之散射術資料之一維度，其中與該第二複數個位點中之每一者相關聯之該重疊值係基於該複數個主特徵與該經訓練之該量測模型之一擬合；及將該重疊值儲存於一記憶體中。
  16. 如請求項13之度量系統，其中該第一量之散射術資料包含藉由相同程序條件形成之複數個不同度量目標之量測之一組合。
  17. 如請求項13之度量系統，其中該第一量之散射術資料包含藉由 複數個不同度量技術獲取之量測之一組合。
  18. 如請求項13之度量系統，其中於該半導體晶圓之該表面上之該第一複數個量測位點處之多層結構係依據一半導體製造程序之設計規則製造。
  19. 一種度量方法，其包括：提供照射光至一半導體晶圓之一表面上之第一複數個量測位點，其中該第一複數個量測位點包含多層結構；回應於該照射光，偵測繞射自該第一複數個量測位點之各者之一光量；基於該經偵測光量產生與該第一複數個量測位點之量測相關聯之第一量之散射術資料，其中該量測由至少一個基於散射術之度量系統執行；基於一變換而判定該第一量之散射術資料之複數個主特徵，該變換縮減該第一量之散射術資料之一維度以產生一經縮減之散射術資料；基於該複數個主特徵與一經訓練之量測模型之一擬合而判定與該第一複數個量測位點中之每一者相關聯之一重疊值；及將該重疊值之一指示通信至一半導體製造工具，使該半導體製造工具調整該半導體製造工具之一製造程序之一或多個參數以自該半導體製造工具達到一所想要輸入。
  20. 如請求項19之度量方法，其進一步包括：提供照射光至一半導體晶圓之一表面上之第二複數個量測位點，其中該第一複數個量測位點包含多層結構；回應於該照射光，偵測繞射自該第二複數個量測位點之各者之一光量；基於該經偵測光量產生與該第二複數個量測位點之量測相關 聯之第二量之散射術資料，其中該量測由至少一個基於散射術之度量系統執行；基於對該第二量之散射術資料之一變換而判定該第二量之散射術資料之複數個主特徵，該變換縮減該第二量之散射術資料之一維度；及基於自該第二量之散射術資料提取之該複數個主特徵及該等已知重疊值而訓練該量測模型。
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