TWI833979B - 計量系統及方法 - Google Patents
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Abstract
本發明提出用於在多個繞射級處基於波長解析軟X射線反射法(WR-SXR)而量測半導體結構之結構及材料特性之方法及系統。WR-SXR量測係在具有寬光譜寬度之多個繞射級內之同時高處理量量測。在該多個繞射級中之每一者處之波長解析信號資訊之可用性改良量測準確度及處理量。每一非零繞射級包含多個量測點，每一不同量測點與一不同波長相關聯。在某些實施例中，藉助在10至5,000電子伏特之一範圍中之X射線輻射能以在1至45度之一範圍內之掠射入射角執行WR-SXR量測。在某些實施例中，照射射束經控制以在一個方向上具有相對高發散度且在正交於第一方向之一第二方向上具有相對低發散度。在某些實施例中，採用多個偵測器，每一偵測器偵測不同繞射級。
Description
所闡述實施例係關於X射線計量系統及方法，且更特定而言係關於用於經改良量測準確度之方法及系統。
通常藉由適用於一樣品之一處理步驟序列製作諸如邏輯及記憶體裝置之半導體裝置。藉由此等處理步驟形成該等半導體裝置之各種特徵及多個結構層級。舉例而言，微影尤其係一種半導體製作程序，該半導體製作程序涉及在一半導體晶圓上產生一圖案。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個步驟處使用計量程序來偵測晶圓上之缺陷以促成較高良率。通常使用若干種基於計量之技術(包含散射法及反射法實施方案及相關聯分析演算法)來表徵臨界尺寸、膜厚度、組成及奈米尺度結構之其他參數。
在傳統上，對由薄膜及/或重複週期性結構組成之目標執行散射法臨界尺寸量測。在裝置製作期間，此等膜及週期性結構通常表示實
際裝置幾何結構及材料結構或一中間設計。隨著裝置(例如，邏輯及記憶體裝置)朝較小奈米尺度尺寸進展，表徵變得更困難。併入有複雜三維幾何結構及具有迥異物理性質之材料的裝置加劇表徵困難度。
關於奈米結構之材料組成及形狀之準確資訊在一前緣前端半導體製作設施之程序開發環境中受限制。散射量測光學計量系統依賴於準確幾何及色散模型來避免量測偏差。由於對先驗可用之奈米結構之材料組成及形狀之瞭解有限，因此量測配方開發及驗證係一緩慢且乏味程序。舉例而言，剖面透射電子顯微鏡(TEM)影像用於指導光學散射法模型開發，但TEM成像係緩慢的且破壞性的。
利用紅外線至可見光之散射量測光學計量工具量測來自亞波長結構之零級繞射信號。隨著裝置臨界尺寸不斷縮小，散射量測光學計量敏感度及能力減小。此外，當吸收材料存在於受量測之結構中時，光學區域(例如，0.5至10ev)中之照射光之穿透及散射限制習用光學計量系統之效用。
類似地，基於電子射束之計量系統由於照射、反向散射及二次發射電子之吸收及散射而難以穿透半導體結構。
原子力顯微鏡(AFM)及掃描穿隧顯微鏡(STM)能夠達成原子解析度，但其僅可探測樣品之表面。另外，AFM及STM顯微鏡需要長掃描時間，此使此等技術在一大量製造(HVM)設定中不實際。
採用在一硬X射線能階(>15keV)下之光子之透射小角度X射線散射法(T-SAXS)系統已顯示有希望解決具挑戰性量測應用。在以下各項中闡述將SAXS技術應用於臨界尺寸(CD-SAXS)及疊對(OVL-SAXS)之量測之各種態樣：1)Zhuang及Fielden之標題為「High-brightness X-
ray metrology」之第7,929,667號美國專利，2)Bakeman、Shchegrov、Zhao及Tan之標題為「Model Building And Analysis Engine For Combined X-ray And Optical Metrology」之第2014/0019097號美國專利公開案，3)Veldman、Bakeman、Shchegrov及Mieher之標題為「Methods and Apparatus For Measuring Semiconductor Device Overlay Using X-ray Metrology」之第2015/0117610號美國專利公開案，4)Hench、Shchegrov及Bakeman之標題為「Measurement System Optimization For X-ray Based Metrology」之第2016/0202193號美國專利公開案，5)Dziura、Gellineau及Shchegrov之標題為「X-ray Metrology For High Aspect Ratio Structures」之第2017/0167862號美國專利公開案，及6)Gellineau、Dziura、Hench、Veldman及Zalubovsky之標題為「Full Beam Metrology for X-ray Scatterometry Systems」之第2018/0106735號美國專利公開案。將前述專利文件受讓給加利福尼亞州(USA)苗必達市之KLA-Tencor公司，每一專利文件之內容以其全文引用方式併入本文中。
SAXS亦已應用於材料及其他非半導體相關應用之表徵。數家公司已將例示性系統商業化，包含Xenocs SAS(www.xenocs.com)、Bruker公司(www.bruker.com)及Rigaku公司(www.rigaku.com/en)。
亦在科學文獻中闡述對半導體結構之CD-SAXS計量之研究。大多數研究小組已採用由於其巨大大小、成本等而不適合於在一半導體製作設施中使用之高亮度X射線同步加速器源。在Lemaillet、Germer、Kline等人之標題為「Intercomparison between optical and X-ray scatterometry measurements of FinFET structures」之文章(SPIE記
錄，v.8681，p.86810Q(2013))中闡述此一系統之一項實例。最近，國家標準技術局(NIST)之一小組已起始採用與在第7,929,667號美國專利中闡述之彼等X射線源類似之緊湊且明亮X射線源的研究。在標題為「X-ray scattering critical dimensional metrology using a compact X-ray source for next generation semiconductor devices」(J.Micro/Nanolith.MEMS MOEMS 16(1)，014001(2017年1月至3月))之一文章中闡述此研究。
然而，來自淺結構(例如，邏輯計量應用)之硬X射線之散射係弱的，此嚴重地限制可達成量測解析度及處理量。如此，T-SAXS未顯示係一HVM環境中之邏輯計量應用之一可行選項。
T-SAXS系統由於接近法向入射照射而在晶圓上達成一小射束佔用面積。然而，T-SAXS系統需要高能量光子(例如，>16keV)來達成穿過受量測之一晶圓之充足透射。通常，繞射效率隨光子能E(即以1/E2)按比例縮放，且各繞射級之角距以1/E按比例縮放。為避免一2D週期性結構之級重疊，立體角接受度以1/E2按比例縮放。此等比例縮放因子對用於淺結構之計量之T-SAXS系統處以重罰。
另外，在一透射量測中，由所有先前經圖案化步驟形成之繞射圖案疊加於當前層結構之繞射圖案上。由於預期臨界金屬層之最小間距(亦即，週期)收斂至僅相差10%至20%之值，因此角接受度嚴重地受限定以在偵測器處將繞射信號分開。否則，必須將所有先前層之幾何資訊前饋至表徵當前層之計量系統。通常，在一複雜HVM環境之內容脈絡內，獲得並管理所需計量及程序資訊係非常困難的。
習用GI-SAXS系統以接近半導體材料之臨界反射角(例如，小於一度之掠射角)及高於8keV之光子能來操作以最大化繞射強度。
此導致投影至晶圓上之一極其大照射射束光點大小(例如，大於1mm)。此係大的，使得甚至劃割線計量目標係不可使用的。因此，必須在晶圓上建構極其大的專業計量目標以執行GI-SAXS量測。功能性晶圓面積(real estate)之此損失係成本高的。另外，GI-SAXS量測之表面敏感度係極好的，但高縱橫比結構之穿透由於漸逝場行為而係非常有限的。
Quintanilha等人之標題為「Metrology Methods,Metrology Apparatus,and Device Manufacturing Method」之第2017/0357155A1號美國專利公開案闡述一種採用一光譜儀類型偵測器來產生0級之一波長解析信號之系統。此方法需要在晶圓與光敏偵測元件之間的收集路徑中使用一繞射元件(例如，繞射光柵)來將不同波長之信號分開。此限制可用以執行光譜量測之偵測器之類型。
總之，需要具有用於低縱橫比結構及高縱橫比結構兩者之量測能力及與劃割線目標相容之一照射射束光點大小的一個維度計量系統。在一項實例中，需要估計高縱橫比(HAR)結構在HVM處理量下之形狀及邊緣佈置參數之一計量系統。另外，在不具有實質性先前維度及材料組成資訊之情況下開發並驗證用於計量系統之量測配方且在一大量製造(HVM)環境中操作計量系統應係可能的。
在本文中提出用於在多個繞射級處基於波長解析軟X射線反射法(WR-SXR)而量測半導體結構之結構及材料特性之方法及系統。本文中所闡述之方法及系統提供在具有寬光譜寬度之多個繞射級內之同時高處理量量測。在該多個繞射級中之每一者處之波長解析信號資訊之可用性改良量測準確度及處理量。
一般而言，在一波長、入射角及方位角範圍內藉助一小射束光點大小執行一半導體晶圓之WR-SXR量測。在一項態樣中，藉助在軟X射線(SXR)區域(亦即，10至5,000eV)中之X射線輻射以在1至45度之範圍中之掠射入射角執行WR-SXR量測。
一般而言，0級反射射束將具有與入射照射射束之發散度類似之發散度。散射至非零繞射級中之輻射具有比入射照射射束高之發散度，此乃因入射照射射束包含各自在非零繞射級中之每一者內以一稍微不同角度繞射之多個波長。非零繞射級之反射角取決於入射照射射束之波長。對於具有多個離散照射波長之一入射照射射束，散射信號在每一非零繞射級內包含多個反射角。類似地，對於具有一連續寬頻光譜之一入射照射射束，散射光在每一非零繞射級內包含在入射於偵測器時反射光之一連續空間擴展。因此，每一非零繞射級包含多個量測點，每一不同量測點與一不同波長相關聯。因此，每一非零繞射級包含一波長解析光譜。以此方式，一WR-SXR計量系統在不在受量測之目標與偵測器之間的光學路徑中採用一繞射光學元件之情況下提供波長解析信號資訊。
採用一WR-SXR系統以基於在散射光之一或多個非零繞射級處之波長解析信號資訊而判定一樣品之性質(例如，結構參數值)。
在一項態樣中，主動地調整偵測器與受量測之晶圓之間的距離以改變在偵測器處收集之光譜資訊之解析度。
在另一額外態樣中，聚焦光學器件收集源發射並選擇一或多個離散波長或光譜頻帶，且以在範圍1至45度中之掠射入射角將選定光聚焦至一樣品上。
在另一額外態樣中，藉由主動地定位聚焦光學器件之一或
多個鏡元件而調整投影至同一計量區上之波長、AOI、方位角或其任一組合之範圍。
在另一額外態樣中，一WR-SXR計量系統包含一或多個射束狹縫或孔隙以將入射於一樣品上之照射射束整形且選擇性地阻擋將以其他方式照射受量測之一計量目標之照射光之一部分。一或多個射束狹縫界定射束大小及形狀，使得X射線照射光點適配在受量測之計量目標之區內。另外，一或多個射束狹縫界定照射射束發散度以限制偵測器上之繞射級之重疊。
在另一額外態樣中，一WR-SXR計量系統採用一或多個機構來控制照射射束能。一般而言，照射射束能經選擇以確保X射線充分地穿透至受量測之特定樣本中。
在另一額外態樣中，一WR-SXR計量系統之入射照射射束經控制以在跨越入射照射射束之一個方向上具有相對高發散度且在正交於第一方向之跨越入射照射射束之一第二方向上具有相對低發散度。以此方式，在高發散度之方向上跨越偵測器之作用表面之空間擴展正交於在低發散度之方向上跨越偵測器之作用表面之空間擴展。在高發散度之方向上跨越偵測器之作用表面之空間擴展由於相對高發散度而由入射角支配。然而，在低發散度之方向上跨越偵測器之作用表面之空間擴展由如前文所闡述之在每一繞射級內之波長色散支配。以此方式，每一非零繞射級包含由於光譜反射率(在低發散度之方向上)及角反射率(在高發散度之方向上)而產生的關於受量測之結構之信號資訊。
在另一額外態樣中，藉由使一或多種液體材料或一或多種氣體材料流動至受量測之目標上以增加所量測材料之間的對比度而改良量
測效能。
在另一額外態樣中，一WR-SXR計量系統採用多個偵測器。在某些實施例中，一或多個繞射級由一第一偵測器收集，且其他繞射級由另一偵測器收集。
在另一額外態樣中，主動地控制一WR-SXR計量系統之一偵測器之位置以擷取由受量測之目標反射之輻射。
前述內容係一發明內容且因此必然含有細節之簡化、概述及省略；因此，熟習此項技術者將瞭解，發明內容僅為說明性的且不以任何方式為限制性的。在本文中所陳述之非限制性實施方式中，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。
100:波長解析軟X射線反射法計量工具/系統/計量工具/計量系統/記憶體板上計量系統
101:樣品/晶圓/半導體晶圓
102:週期性目標/量測區/有限光點大小
103:晶圓卡盤
110:照射源/高次諧波產生雷射照射源/X射線照射源
111:聚焦光學器件
112:射束狹縫/射束發散度控制狹縫/狹縫/射束整形狹縫
113:射束狹縫/狹縫/射束整形狹縫
114:照射射束/入射照射射束/X射線照射射束/入射射束/傳入照射射束/所透射照射射束
115:致動器系統/致動器子系統/聚焦光學器件致動器系統
116:射線
117:經抽空飛行管/飛行管
118:散射輻射/輻射/X射線輻射/散射X射線
118A:反射射束/0級射束/0級反射射束
118B:繞射輻射
118C:繞射輻射
118D:繞射輻射
118E:繞射輻射
118F:繞射輻射
118G:繞射輻射
118I:繞射輻射
119:偵測器/X射線偵測器
120:窗
123:真空腔室
124:真空窗
130:運算系統/單電腦系統/多電腦系統/電腦系統
131:處理器
132:記憶體
133:匯流排
134:程式指令
135:輸出信號/信號/波長解析軟X射線反射法量測資料/量測資料
136:命令信號
137:命令信號
138:命令信號
139:命令信號
140:樣品定位系統/晶圓定位系統
141:散射輻射
142:散射輻射
145:曲線圖
146:反射率
150:射束能濾波器
151:命令信號
152:波長譜
153:波長譜
155:波長譜/曲線圖
156:透射曲線
160:計量目標
161:計量目標
170:偵測器
171:偵測器
172:所偵測信號
173:所偵測信號
180:模型構建與分析引擎
181:結構模型構建模組
182:結構模型
183:波長解析軟X射線反射法回應函數構建模組
184:波長解析軟X射線反射法回應函數模型/波長解析軟X射線反射法回應模型
185:擬合分析模組
186:樣品參數值
190:記憶體
200:計量系統/波長解析軟X射線反射法計量工具/計量工具
300:計量系統/波長解析軟X射線反射法計量工具
400:計量系統/波長解析軟X射線反射法計量系統
500:方法
501:方塊
502:方塊
503:方塊
504:方塊
A:距離
B:距離
G:掠射角
P:間距
θ:入射角
Φ:方位角
圖1繪示在一項實施例中用於量測一樣品之特性之一基於波長解析軟X射線反射法(WR-SXR)之計量工具之一圖解說明。
圖2繪示在一項實施例中自一週期性目標散射且由一WR-SXR計量系統之一偵測器偵測之輻射之一圖解說明。
圖3繪示在另一實施例中自一週期性目標散射且由一WR-SXR計量系統之一偵測器偵測之輻射之一圖解說明。
圖4繪示以由一入射角θ及一方位角Φ闡述之一特定定向入射於一晶圓上之一照射射束之一圖解說明。
圖5繪示入射於圖3中所繪示之偵測器之作用表面上之散射輻射之一部分之一圖解說明。
圖6繪示在另一實例中入射於一偵測器之作用表面上之散射輻射之一部分之一圖解說明。
圖7繪示在另一實施例中用於量測一樣品之特性之一WR-SXR計量系統之一圖解說明。
圖8繪示在一項實施例中穿過一射束能濾波器之一WR-SXR計量系統之一照射射束之一圖解說明。
圖9繪示圖解說明由沈積於一凱通基板上之大致0.2微米厚度之硼層及Tin層製作之一射束能濾波器之透射曲線之一曲線圖。
圖10繪示在另一實施例中用於量測一樣品之特性之一WR-SXR計量系統之一圖解說明。
圖11繪示針對單波長照射光入射於圖10中所繪示之偵測器之作用表面上之散射輻射之一圖解說明。
圖12繪示針對寬頻照射光入射於圖10中所繪示之偵測器之作用表面上之散射輻射118之一圖解說明。
圖13繪示圖解說明一Nb2O5鏡之反射率隨照射射束能而變之一曲線圖。
圖14繪示在另一實施例中用於量測一樣品之特性之一WR-SXR計量系統之一圖解說明。
圖15係圖解說明由一WR-SXR計量系統之一運算系統實施之一例示性模型構建與分析引擎之一圖式。
圖16A係圖解說明在一項實例中之一週期性計量目標之一圖式。
圖16B係圖解說明在一項實例中之一經抽取計量目標之一圖式。
圖17係圖解說明在一項實例中執行一樣品之波長解析軟X
射線反射法(WR-SXR)量測之一方法之一流程圖。
現將詳細參考先前技術實例及本發明之某些實施例，在附圖中圖解說明本發明之實例。
提出用於基於X射線照射而量測與不同半導體製作程序相關聯之半導體結構之結構及材料特性(例如，材料組成、結構及膜之維度特性等)的系統及方法。更具體而言，在本文中提出用於在多個繞射級處基於波長解析軟X射線反射法(WR-SXR)而執行半導體結構之量測之方法及系統。本文中所闡述之方法及系統提供在具有寬光譜寬度之多個繞射級內之同時高處理量量測。在該多個繞射級中之每一者處之波長解析信號資訊之可用性改良量測準確度及處理量。
一般而言，在一波長、入射角及方位角範圍內藉助一小射束光點大小(例如，跨越有效照射光點小於50微米)執行一半導體晶圓之WR-SXR量測。在一項態樣中，藉助在軟X射線(SXR)區域(亦即，10至5,000eV)中之X射線輻射以在1至45度之範圍中之掠射入射角執行WR-SXR量測。用於一特定量測應用之掠射角經選擇以達成至受量測之結構中之一所要穿透且最大化關於一小射束光點大小(例如，小於50微米)之量測資訊內容。
圖1圖解說明在至少一項新穎態樣中用於量測一樣品之特性之一WR-SXR計量工具100之一實施例。如圖1中所展示，系統100可用於對包含安置於一樣品101上之一週期性目標102之一量測區執行WR-SXR量測。
照射源110產生在多個波長下之照射輻射。在圖1中所繪示
之實施例中，照射源110產生以掠射角G經引導至安置於樣品101上之週期性目標102(例如，週期性光柵)之寬頻照射。在圖1中所繪示之實施例中，週期性目標102在一個方向(亦即，跨越圖式之水平方向)上係週期性的。該週期性目標在不具有週期性之情況下在正交方向(亦即，垂直於圖紙之方向)上均勻地延伸。藉由非限制性實例之方式，圖1繪示在一個方向上具有週期性之一週期性目標。一般而言，本文中所闡述之計量方法及系統可適用於在兩個方向(例如，兩個正交方向)上具有週期性之週期性目標之量測。
在圖1中所繪示之實施例中，照射源110係具有一小照射源區(小於50微米)之一高次諧波產生(HHG)雷射照射源。在一項實例中，HHG雷射照射源110產生在跨越射束之兩個正交方向上具有低射束發散度(例如，小於1毫弧度)之一照射射束114。將照射射束114投影至週期性目標102上，且作為回應，自週期性目標102散射且由偵測器119偵測輻射118。
圖2更詳細地繪示自週期性目標102散射且由偵測器119偵測之輻射118。如圖2中所繪示，照射射束114之波長譜152包含若干個離散波長。散射輻射118包含自週期性目標102散射至不同繞射級中之輻射。反射射束118A係自週期性目標102之0級反射。繞射輻射118B對應於+1繞射級。繞射輻射118C對應於-1繞射級。繞射輻射118D對應於+2繞射級。繞射輻射118E對應於-2繞射級。繞射輻射118F(未展示)對應於+3繞射級。繞射輻射118G(未展示)對應於-3繞射級。繞射輻射118H(未展示)對應於+4繞射級。繞射輻射118I(未展示)對應於-4繞射級。如圖2中所繪示，存在於照射射束中之每一離散波長在非零繞射級中之每一者內以一不
同角度自週期性目標102繞射。
一般而言，0級射束118A將具有與入射照射射束114之發散度類似之發散度。散射至非零繞射級中之散射輻射118之部分具有比入射照射射束114高之發散度，此乃因入射照射射束114包含各自在非零繞射級中之每一者內以一稍微不同角度繞射之多個波長。一般而言，反射角由繞射光柵方程式(1)給出；a * λ=d *[sin(Θo)+sin(Θa)] (1)
其中λ係入射照射射束之波長，d係光柵週期，a係繞射級，Θo係入射角，且Θa係繞射光之角度。標稱入射角(在圖1中經繪示為角度G)係介於1度與45度之間的任何適合掠射入射角(亦即，位於晶圓平面與入射照射射束之間的角度)。
如由方程式(1)所圖解說明，不管波長如何，與0繞射級(a=0)相關聯之反射角等於入射角。然而，非零繞射級(a≠0)之反射角取決於入射照射射束之波長。對於具有多個離散照射波長之一入射照射射束，散射光在每一非零繞射級內包含多個反射角。類似地，對於具有一連續寬頻光譜之一入射照射射束，散射光在每一非零繞射級內包含在入射於偵測器119時反射光之一連續空間擴展。
如圖2中所繪示，照射射束114之波長譜152包含四個離散波長，且每一非零繞射級包含在不同位置處入射於偵測器119上之四個離散波長中之每一者。以此方式，偵測器119在每一非零繞射級內之每一離散波長下清楚地解析自週期性目標102散射之輻射。例如，在量測3D光柵時，藉助多個離散照射波長執行之量測在特定量測應用中可係較佳的。
如圖3中所繪示，照射射束114之波長譜155包含一連續寬
頻光譜，且在每一非零繞射級內之散射光在每一非零繞射級內包含偵測器119處之反射光之一連續空間擴展。反射光之每一相異波長在每一非零繞射級內在不同位置處入射於偵測器119上。以此方式，偵測器119在每一非零繞射級內之每一相異波長下清楚地解析自週期性目標102散射之輻射。
如圖2及圖3中所繪示，非零繞射級各自包含落在偵測器119之光敏表面上之不同位置處之不同反射波長。因此，每一非零繞射級包含多個量測點，每一不同量測點與一不同波長相關聯。因此，每一非零繞射級包含一波長解析光譜。以此方式，WR-SXR計量系統在不在受量測之目標與偵測器之間的光學路徑中採用一繞射光學元件之情況下提供波長解析信號資訊。在偵測器之表面處根據波長偵測每一繞射級之空間擴展會提供關於經量測所關注結構之有用且唯一資訊並且進一步增強量測效能。
藉由晶圓101相對於照射射束114之任何兩個角度旋轉來闡述入射照射射束114相對於一半導體晶圓101之表面法線之每一定向，或反之亦然。在一項實例中，可相對於固定至晶圓之一座標系闡述該定向。圖4繪示以由一入射角θ及一方位角Φ闡述之一特定定向入射於晶圓101上之照射射束114。座標系XYZ固定至計量系統(例如，照射射束114)且座標系X’Y’Z’固定至晶圓101。Y軸與晶圓101之表面平面內對準。X及Z不與晶圓101之表面對準。Z’與法向於晶圓101之表面之一軸對準，且X’及Y’在與晶圓101之表面對準之一平面中。如圖4中所繪示，X射線照射射束114與Z軸對準且因此位於XZ平面中。入射角θ闡述X射線照射射束114在XZ平面中相對於晶圓之表面法線之定向。此外，方位角Φ闡述XZ平面相對於X’Z’平面之定向。θ及Φ共同來唯一地界定X射線照射射束114相對於
晶圓101之表面之定向。在此實例中，藉由圍繞法向於晶圓101之表面之一軸(亦即，Z’軸)之一旋轉及圍繞與晶圓101之表面對準之一軸(亦即，Y軸)之一旋轉來闡述X射線照射射束相對於晶圓101之表面之定向。在某些其他實例中，藉由圍繞與晶圓101之表面對準之一第一軸及與晶圓101之表面對準且垂直於該第一軸之另一軸之一旋轉來闡述X射線照射射束相對於晶圓101之表面之定向。
在圖2及圖3中所繪示之實例中，方位角使得入射照射射束114在與週期性目標102之週期性之方向(跨越紙張之水平方向)對準且與週期性目標之均勻延伸範圍之方向(法向於紙張之方向)正交之一方向上照射週期性目標102。圖5繪示如在圖3中所繪示之照射條件下量測之入射於偵測器119之作用表面上之散射輻射118之一部分。更具體而言，圖5繪示0級反射射束118A、對應於-1繞射級之繞射輻射118C、對應於-2繞射級之繞射輻射118E及對應於-3繞射級之繞射輻射118G。如圖5中所繪示，存在於照射射束中之每一波長在非零繞射級中之每一者內以一不同角度自週期性目標102繞射。因此，存在於照射射束114中之波長範圍λRANGE針對非零繞射級中之每一者在y方向上空間地擴展。
在另一實例中，方位角使得入射照射射束114在與週期性目標之均勻延伸範圍之方向(法向於圖3之紙張之方向)對準且正交於週期性目標102之週期性之方向(跨越圖3之紙張之水平方向)之一方向上照射週期性目標102。圖6繪示如在此等照射條件下量測之入射於偵測器119之作用表面上之散射輻射118之一部分。更具體而言，圖6繪示0級反射射束118A、分別對應於+1及-1繞射級之繞射輻射118B及118C、分別對應於+2及-2繞射級之繞射輻射118D及118E以及分別對應於+3及-3繞射級之繞射
輻射118F及118G。如圖6中所繪示，存在於照射射束中之每一波長在非零繞射級中之每一者內以一不同角度自週期性目標102繞射。因此，存在於照射射束114中之波長範圍λRANGE針對非零繞射級中之每一者沿著弧線149跨越偵測器119之作用表面空間地擴展。
在一額外態樣中，主動地調整偵測器與受量測之晶圓之間的距離以改變在偵測器處收集之光譜資訊之解析度。在某些實施例中，一致動器(未展示)經組態以回應於自運算系統130傳遞至致動器之一控制命令(未展示)而使偵測器119移動。使偵測器移動遠離受量測之晶圓會增加所收集光譜資訊之解析度，亦即，隨著距離增加而增加偵測器處之任何兩個不同波長之間的空間間隔。相反地，使偵測器朝向受量測之晶圓移動會減小所收集光譜資訊之解析度，亦即，隨著距離減小而減小偵測器處之任何兩個不同波長之間的空間間隔。
X射線照射源110經組態以產生適合用於WR-SXR量測之SXR輻射。X射線照射源110係一多色高亮度大展度源。在某些實施例中，X射線照射源110經組態以產生在介於10電子伏特與5,000電子伏特之間的一範圍中之X射線輻射。一般而言，可預期能夠以足以達成高處理量直列式計量之通量位準產生高亮度SXR之任何適合高亮度X射線照射源以供應用於WR-SXR量測之X射線照射。適合X射線照射源之某些實例包含旋轉陽極源、固體陽極源、粒子加速器源、微聚焦源、雷射產生電漿源、液態金屬噴流源、氣體噴流/毛細管/胞元源、逆康普頓散射源(ICS)、緊湊儲存環源(CSR)、電放電產生電漿源(DPP)、高次諧波產生源(HHG)、具有一增強腔之一HHG源(HHG+)及軟X射線雷射源。
在第2019/0215940號美國專利公開案、第2016/0249442號
美國專利公開案、第2016/0128171號美國專利公開案、第2015/0076359號美國專利公開案、第2015/0008335號美國專利公開案、第2014/0306115號美國專利公開案及第2014/0246607號美國專利公開案中闡述適合X射線照射源，每一美國專利公開案之內容以其全文引用方式併入本文中。
在某些實施例中，照射源110係一扭擺/波紋機同步加速器輻射源(SRS)。在第8,941,336號及第8,749,179號美國專利中闡述一例示性扭擺/波紋機SRS，該等美國專利之內容以其全文引用方式併入本文中。
在某些實施例中，照射源110係經組態以轟擊固體、液體或氣體目標以刺激X射線輻射之一電子射束源。在2011年4月19日頒發給KLA-Tencor公司之第7,929,667號美國專利中闡述用於產生高亮度液態金屬X射線照射之方法及系統，該美國專利之全文以引用方式併入本文中。
在某些實施例中，照射源110係一雷射產生電漿(LPP)光源。在此等實施例中之某些實施例中，LPP光源包含氙、氪、氬、氖、氮、乙醇及水發射材料中之任一者。一般而言，在共振SXR區域中針對亮度最佳化一適合LPP目標材料之選擇。舉例而言，由氪發射之電漿在矽K邊緣處提供高亮度。在另一實例中，由氙發射之電漿透過SXR區域(例如，80至3000eV)提供高亮度。如此，當期望寬頻SXR照射時，氙係發射材料之一良好選擇。
亦可針對可靠且長壽命光源操作最佳化LPP目標材料選擇。諸如氙、氪及氬之鈍氣目標材料係惰性的且可在一閉環操作中藉助最少去污處理或不藉助去污處理來再利用。在第2019/0215940號美國專利
公開案中闡述一例示性SXR照射源，該美國專利公開案之內容以其全文引用方式併入本文中。
在某些實施例中，一適合照射源係寬頻的。然而，在某些其他實施例中，一適合照射源並非寬頻的，但包含多個離散輻射波長(例如，一HHG源)。在此等實施例中之某些實施例中，每一繞射級之反射率包含數個影像，針對每一離散波長有一個影像。在某些實施例中，將由一HHG源產生之多個相鄰諧波提供至週期性目標，且偵測器之光敏表面處之一組離散點收斂至一較大影像中。
具有一低發散度(例如，小於1毫弧度)之一照射源係較佳的以產生如本文中所闡述之波長解析信號資訊。一低發散度照射源在某些量測應用中(例如，當量測3D光柵時)係有利的。儘管可採用一高發散度源，但其可在自照射源至偵測器之光學路徑中需要額外光學元件以獲得波長解析信號資訊。此向計量系統增添額外成本、複雜度及光子損失。
在某些實施例中，採用發射軟X射線以及在較長波長下之光(例如，深UV、真空UV、可見光或IR)之一寬頻源作為計量系統之照射源。
X射線照射源110在具有有限橫向尺寸(亦即，正交於射束軸線之非零尺寸)之一源區內產生X射線發射。在一項態樣中，照射源110之源區由小於20微米之一橫向尺寸表徵。在某些實施例中，該源區由10微米或更小之一橫向尺寸表徵。在某些實施例中，該源區由5微米或更小之一橫向尺寸表徵。小源大小使得能夠以高亮度照射樣品上之一小目標區，因此基於小計量目標之量測而改良量測精確度、準確度及處理量。在某些實施例中，一小(<5微米直徑)照射源大小使一掃描計量系統達成亞微
米解析度。
X射線偵測器119收集自樣品101散射之X射線輻射118且根據一WR-SXR量測模態產生指示對入射X射線輻射敏感之樣品101之性質之輸出信號135。在某些實施例中，由X射線偵測器119收集散射X射線118，而樣品定位系統140將樣品101定位且定向以產生以角度方式解析之散射X射線。在某些實施例中，藉由在跨越樣品101之不同位置處收集信號而獲得關於樣本均勻性之信號資訊。
一般而言，可利用任何適合類型之X射線偵測器來執行如本文中所闡述之WR-SXR量測。例示性偵測器包含一電荷耦合裝置(CCD)、一氣體電子倍增器(GEM)、一微帶比例計數器、一氣體填充比例計數器、一碲化鎘(CdTe)偵測器、一像素陣列偵測器(PAD)、一崩潰光電二極體(APD)、一PIN二極體陣列、一光電二極體陣列、一光電倍增管(PMT)、一多通道板以及一CCD偵測器、一互補金屬氧化物半導體(CMOS)偵測器、一閃爍器以及一高速CMOS偵測器、一CMOS主動像素感測器(APS)等。
在某些實施例中，一WR-SXR系統包含具有高動態範圍(例如，大於105)之一或多個光子計數偵測器。在某些實施例中，X射線偵測器解析一或多個X射線光子能量且針對每一X射線能量分量產生指示樣品之性質之信號。以此方式，除像素位置及計數數目之外，亦藉由能量來區分偵測器內之X射線光子相互作用。在某些實施例中，藉由比較X射線光子相互作用之能量與一預定上部臨限值及一預定下部臨限值而區分X射線光子相互作用。在一項實施例中，經由輸出信號135將此資訊傳遞至運算系統130以進行進一步處理及儲存。
在一額外態樣中，採用一WR-SXR系統來基於在散射光之一或多個非零繞射級處之波長解析信號資訊而判定一樣品之性質(例如，結構參數值)。如圖1中所繪示，計量工具100包含用以獲取由偵測器119產生之信號135且至少部分地基於該等所獲取信號而判定樣品之性質之一運算系統130。
在某些實例中，基於WR-SXR之計量涉及藉由具有所量測資料之一預定量測模型之反解判定樣本之尺寸。該量測模型包含幾個(大約十個)可調整參數且表示樣品之幾何形狀及光學性質以及量測系統之光學性質。反解方法包含但不限於基於模型之迴歸、斷層掃描、機器學習或其任何組合。以此方式，藉由對一參數化量測模型之值求解來估計目標輪廓參數，該等值最小化所量測散射X射線強度與經模型化結果之間的誤差。
期望以大波長、入射角及方位角範圍執行量測以增加所量測參數值之精確度及準確度。此方法藉由擴展可用於分析之資料集之數目及多樣性而減少參數之間的相關。
收集繞射輻射之強度隨照射波長、相對於晶圓表面法線之X射線入射角或其一組合而變之量測。含納於多個繞射級中之波長解析信號資訊在考量中之每一模型參數之間通常係唯一的。因此，X射線散射以小誤差及經減少參數相關性產生所關注參數之值之估計結果。
在一項態樣中，計量工具100包含固定地支撐晶圓101且耦合至樣品定位系統140之一晶圓卡盤103。樣品定位系統140經組態而以六個自由度將樣品101相對於照射射束114主動地定位。在一項實例中，運算系統130將指示樣品101之所要位置之命令信號(未展示)傳遞至樣品定位
系統140。作為回應，樣品定位系統140產生去往樣品定位系統140之各種致動器之命令信號以達成樣品101之所要定位。
在某些實例中，在晶圓上在一入射角、方位角及位置範圍內執行量測以提供經最佳化以改良量測效能之不同照射及收集角。
在某些實施例中，X射線光學器件將X射線輻射整形且將X射線輻射自照射源110引導至樣品101。在某些實例中，X射線光學器件使用多層X射線光學器件準直X射線射束或將X射線射束聚焦至樣品101之量測區102上達到小於1毫弧度發散度。在某些實施例中，X射線光學器件包含一或多個X射線準直鏡、X射線孔隙、X射線射束截捕器、折射X射線光學器件、繞射光學器件(諸如波帶片)、Schwarzschild光學器件、Kirkpatrick-Baez光學器件、Montel光學器件、Wolter光學器件、鏡面X射線光學器件(諸如橢球面鏡)、多毛細管光學器件(諸如空心毛細管X射線波導)、多層光學器件或系統或者其任一組合。在第2015/0110249號美國專利公開案中闡述進一步細節，該美國專利公開案之內容以其全文引用方式併入本文中。
圖7圖解說明在另一實施例中用於量測一樣品之特性之一WR-SXR計量工具200之一實施例。如圖7中所繪示，聚焦光學器件111將源輻射聚焦至位於樣品101上之一計量目標上。有限橫向源尺寸在目標上產生由來自源之邊緣之射線116及射束狹縫112及113所提供之任何射束整形界定之有限光點大小102。
在某些實施例中，聚焦光學器件111包含橢圓形聚焦光學元件。在圖7中所繪示之實施例中，聚焦光學器件111在橢圓之中心處之放大率係大致1。因此，投影至樣品101之表面上之照射光點大小係與由
於標稱掠射入射角(例如，1至45度)而調整其射束擴展之照射源大致相同之大小。
在一額外態樣中，聚焦光學器件111收集源發射且選擇一或多個離散波長或光譜頻帶，並且以在範圍1至45度中之掠射入射角將選定光聚焦至樣品101上。
標稱掠射入射角經選擇以達成計量目標之一所要穿透以最大化信號資訊內容同時保持在計量目標邊界內。硬X射線之臨界角係非常小的，但軟X射線之臨界角顯著較大。由於此額外量測撓性，因此WR-SXR量測以對掠射入射角之精確值之較小敏感度探測至結構中更深處。
在某些實施例中，聚焦光學器件111包含選擇所要波長或波長範圍以投影至樣品101上之分級多層。在某些實例中，聚焦光學器件111包含選擇一個波長且在一入射角範圍內將該選定波長投影至樣品101上之一分級多層結構(例如，層或塗層)。在某些實例中，聚焦光學器件111包含選擇一波長範圍且在一個入射角內將選定波長投影至樣品101上之一分級多層結構。在某些實例中，聚焦光學器件111包含選擇一波長範圍且在一入射角範圍內將選定波長投影至樣品101上之一分級多層結構。
分級多層光學器件係較佳的以最小化在單層光柵結構太深時發生之光損失。一般而言，多層光學器件選擇反射波長。選定波長之光譜頻寬最佳化提供至樣品101之通量、所量測繞射級中之資訊內容，且透過偵測器處之角度色散及繞射峰值重疊阻止信號降級。另外，採用分級多層光學器件來控制發散度。針對偵測器處之通量及最少空間重疊最佳化在每一波長下之角發散度。
在某些實例中，分級多層光學器件選擇波長以增強來自特
定材料界面或結構尺寸之繞射信號之對比度及資訊內容。舉例而言，選定波長可經選擇以橫跨元件特定共振區域(例如，矽K邊緣、氮、氧K邊緣等)。另外，在此等實例中，照射源亦可經調諧以最大化選定光譜區域中之通量(例如，HHG光譜調諧、LPP雷射調諧等)。
在某些實施例中，採用基於一Nb2O5鏡之反射多層光學器件。圖13繪示圖解說明一Nb2O5鏡之反射率146隨照射射束能而變之一曲線圖145。如圖13中所圖解說明，在一寬X射線射束能範圍內達成85%或更高之反射率。在某些實施例中，Nb2O5鏡在與一寬頻X射線源組合使用時係有益的。
在一額外態樣中，藉由主動地定位聚焦光學器件111之一或多個鏡元件而調整投影至同一計量區上之波長、AOI、方位角或其任一組合之範圍。如圖7中所繪示，運算系統130將命令信號137傳遞至致動器系統115，命令信號137致使致動器系統115調整聚焦光學器件111之光學元件中之一或多者之位置、對準或兩者以達成投影至樣品101上之波長、AOI、方位角或其任一組合之所要範圍。
一般而言，入射角經選擇以最佳化受量測之計量目標對照射光之穿透及吸收。在諸多實例中，量測多個層結構且選擇入射角以最大化與所要所關注層相關聯之信號資訊。在疊對計量之實例中，波長及入射角經選擇以最大化由自先前層及當前層之散射之間的干擾產生之信號資訊。另外，方位角亦經選擇以最佳化信號資訊內容。另外，方位角經選擇以確保偵測器處之繞射峰值之角距。
在一額外態樣中，一WR-SXR計量系統(例如，計量工具200)包含一或多個射束狹縫或孔隙以將入射於樣品101上之照射射束114
整形且選擇性地阻擋將以其他方式照射受量測之一計量目標之照射光之一部分。一或多個射束狹縫界定射束大小及形狀，使得X射線照射光點適配在受量測之計量目標之區內。另外，一或多個射束狹縫界定照射射束發散度以限制偵測器上之繞射級之重疊。
圖7繪示位於聚焦光學器件111與射束整形狹縫113之間的射束路徑中之一射束發散度控制狹縫112。射束發散度控制狹縫112限制提供至受量測之樣品之照射之發散度。射束整形狹縫113位於射束發散度控制狹縫112與樣品101之間的射束路徑中。射束整形狹縫113進一步將入射射束114整形且選擇入射射束114之照射波長。射束整形狹縫113位於緊接在樣品101前面之射束路徑中。在一項態樣中，射束整形狹縫113之狹縫位於緊密接近於樣品101處以最小化入射射束光點大小由於有限源大小所界定之射束發散度而發生之放大。
在某些實施例中，射束整形狹縫113包含多個獨立地經致動之射束整形狹縫。在一項實施例中，射束整形狹縫113包含四個獨立地經致動之射束整形狹縫。此四個射束整形狹縫有效地阻擋傳入射束之一部分且產生具有一框形照射剖面之一照射射束114。
射束整形狹縫113之狹縫由最小化散射且有效地阻擋入射輻射之材料構造。例示性材料包含單晶材料，諸如鍺、砷化鎵、磷化銦等。通常，狹縫材料沿著一結晶方向經切開而非鋸開，以跨越結構邊界最小化散射。另外，狹縫相對於傳入射束而定向，使得傳入輻射與狹縫材料之內部結構之間的相互作用產生最少量之散射。晶體附接至由高密度材料(例如，鎢)製成之每一狹縫固持器以在狹縫之一個側上完全阻擋X射線射束。
在一額外態樣中，如本文中所闡述之一WR-SXR計量系統採用一或多個機構來控制照射射束能。一般而言，照射射束能經選擇以確保X射線充分地穿透至受量測之特定樣本中。在某些實例中，具有較小穿透之射束能經選擇以用於量測更靠近於表面之參數。在此等實例中，照射射束能僅探測表面上之結構而不穿透至結構中深處。在某些實例中，具有較大穿透之射束能經選擇以用於量測受量測之結構中更深處之參數。在某些實例中，具有低穿透及高穿透之能量之一組合經選擇以區分表面結構參數與埋入結構參數。
在某些實施例中，藉助可在一寬能量範圍內調諧之一照射源110選擇照射射束能。在此等實施例中，照射源自身發射在所要範圍中之照射能。在某些實施例中，照射源110係受運算系統130控制以最大化一或多個選定光譜區域中之通量之一LPP光源。目標材料處之雷射峰值強度控制電漿溫度且因此控制所發射輻射之光譜區域。藉由調整脈衝能量、脈衝寬度或兩者而使雷射峰值強度變化。在一項實例中，一100皮秒脈衝寬度適合用於產生SXR輻射。如圖1中所繪示，運算系統130將命令信號136傳遞至照射源110，命令信號136致使照射源110調整自照射源110發射之波長之光譜範圍。在一項實例中，照射源110係一LPP光源，且該LPP光源調整一脈衝持續時間、脈衝頻率及目標材料組成中之任一者以實現自該LPP光源發射之波長之一所要光譜範圍。
在某些其他實施例中，由照射源與受量測之樣品之間的光學路徑中之一或多個光學元件選擇照射射束能。在某些實施例中，聚焦光學器件111經選擇以將在所要射束能範圍之照射射束聚焦至受量測之樣品上。在某些實施例中，一射束能濾波器150(圖7中所繪示)位於照射源與
受量測之樣品之間的光學路徑中。該射束能濾波器使所要射束能範圍透射至受量測之樣品上，且吸收在所要射束能範圍以外之射束能。
圖8繪示在一項實例中穿過射束能濾波器150之照射射束114之一圖解說明。如圖8中所繪示，傳入照射射束114之波長譜152包含大數目個波長峰值。然而，在穿過射束能濾波器150之後，所透射照射射束114之波長譜153包含四個相異波長峰值。
圖9繪示圖解說明由沈積於一凱通基板上之大致0.2微米厚度之硼層及矽層製作之一射束能濾波器150之透射曲線156之一曲線圖155。如圖9中所繪示，此一射束能濾波器透射在自大致140eV至190eV之一範圍中之射束能，且拒斥在此頻帶以外之射束能。
在一額外態樣中，一WR-SXR計量系統之入射照射射束經控制以在跨越入射照射射束之一個方向上具有相對高發散度且在正交於第一方向之跨越入射照射射束之一第二方向上具有相對低發散度。以此方式，在高發散度之方向上跨越偵測器之作用表面之空間擴展正交於在低發散度之方向上跨越偵測器之作用表面之空間擴展。在高發散度之方向上跨越偵測器之作用表面之空間擴展由於相對高發散度而由入射角支配。然而，在低發散度之方向上跨越偵測器之作用表面之空間擴展由如上文所闡述之在每一繞射級內之波長色散支配。以此方式，每一非零繞射級包含由於光譜反射率(在低發散度之方向上)及角反射率(在高發散度之方向上)而產生的關於受量測之結構之信號資訊。
在某些實施例中，一WR-SXR系統之聚焦光學器件在跨越入射照射射束之一個方向上以至少5之一縮倍率(亦即，0.2或更小之放大因子)且在正交於第一方向之跨越入射照射射束之一第二方向上以零放大
率將照射源之一影像投影至受量測之樣品上。在某些實施例中，如本文中所闡述之一WR-SXR系統採用一SXR照射源，該SXR照射源具有由20微米或更小之一橫向尺寸表徵之一源區(亦即，源大小係20微米或更小)、在跨越照射射束之任一方向上具有低輸出發散度(例如，大致1毫弧度或更小)。在某些實施例中，在跨越射束之一第一方向上以至少5之一縮倍因子(亦即，將源之一影像投影至比源大小小五倍之晶圓上)且在正交於該第一方向之跨越入射照射射束之一第二方向上以零放大率採用聚焦光學器件。在此實例中，藉助在第二方向上二十微米或更小且在第一方向上四微米或更小之一入射照射光點大小將入射照射射束投影至一樣品上。另外，以在第二方向上1毫弧度或更小且在第一方向上5毫弧度或更小之一入射照射射束發散度將入射照射射束投影至該樣品上。
圖10圖解說明在另一實施例中之一WR-SXR計量工具300之一實施例。圖10中所繪示之相似編號元件與參考圖1及圖7所闡述之彼等元件相似。如圖10中所繪示，聚焦光學器件111係在一個方向上具有彎曲之一橢圓形光學元件。聚焦光學器件111相對於照射源110及樣品101經配置，使得照射源110與聚焦光學器件111之間的距離A顯著大於聚焦光學器件111與樣品101之間的距離B。在某些實施例中，A/B之比率係至少5。在某些實施例中，A/B之比率係至少10。此致使至樣品101上之照射源縮倍A/B之一因子。在一項實施例中，照射源110之大小係大致10微米且聚焦光學器件111經配置使得A/B係10。由照射源110輸出之照射射束之射束發散度在跨越照射射束之任一方向上係大致0.5毫弧度。在此實施例中，投影至樣品101上之照射光點大小在跨越經受縮倍之射束之方向上係大致1微米且在跨越未經受縮倍之射束且正交於第一方向之一第二方向上
係大致10微米。另外，以在第二方向上大致0.5毫弧度且在第一方向上5毫弧度之一入射照射射束發散度將入射照射射束投影至樣品上。
圖11繪示如在圖10中所繪示之照射條件下針對單波長照射光所量測之入射於偵測器119之作用表面上之散射輻射118之一圖解說明141。更具體而言，圖11繪示0級反射射束118A、對應於-1繞射級之繞射輻射118C、對應於-2繞射級之繞射輻射118E、對應於-3繞射級之繞射輻射118G及對應於-4繞射級之繞射輻射118I。如圖11中所繪示，存在於照射射束中之單波長自週期性目標102繞射至繞射級中之每一者中。在非零繞射級中在波長方向上存在非常少空間擴展，此乃因照射光包含僅一個波長且在此方向上之射束發散度係相對低的(例如，0.5毫弧度)。然而，在正交於波長方向之方向上，在所有繞射級中跨越角範圍存在顯著空間擴展，此乃因在此方向上之射束發散度係相對高的(例如，5毫弧度)。
圖12繪示如在圖10中所繪示之照射條件下針對寬頻照射光所量測之入射於偵測器119之作用表面上之散射輻射118之一圖解說明142。更具體而言，圖12繪示0級反射射束118A、對應於-1繞射級之繞射輻射118C、對應於-2繞射級之繞射輻射118E、對應於-3繞射級之繞射輻射118G及對應於-4繞射級之繞射輻射118I。如圖12中所繪示，存在於照射射束中之不同波長在非零繞射級中之每一者內以不同角度自週期性目標102繞射。因此，存在於照射射束114中之波長範圍λRANGE針對非零繞射級中之每一者在y方向上空間地擴展。在非零繞射級中在波長方向上存在實質性空間擴展，此乃因照射光包含多個不同波長。此外，在此方向上之射束發散度係相對低的(例如，0.5毫弧度)，因此存在於y方向上之波長資訊不由角資訊顯著污染。然而，在正交於波長方向之x方向上，在所有繞射
級中跨越角範圍存在顯著空間擴展，此乃因在此方向上之射束發散度係相對高的(例如，5毫弧度)。因此，在多個波長下且跨越在一個方向上之射束以相對高射束發散度且跨越在正交於第一方向之一第二方向上之射束以相對低射束發散度執行之量測會提供與受量測之目標相關聯之波長及角信號資訊兩者。
第2019/0017946號美國專利公開案闡述一般採用具有相對高發散度之入射照射之一多色軟X射線反射計系統，且以其全文引用方式併入本文中。然而，此等系統不提供如本文中所闡述之波長解析繞射信號。
一般而言，受量測之樣品與一WR-SXR計量系統之偵測器之間的X射線收集路徑可包含在如前文所闡述之照射路徑中使用之元件之任一組合。
在某些實施例中，採用阻擋一或多個繞射級之狹縫。在一項實施例中，採用一金屬射束止擋件來阻擋0級反射。
在某些實施例中，一空間衰減器位於收集路徑中以選擇性地使與一或多個繞射級(例如，0級)而非其他級相關聯之光之一部分衰減。以此方式，在偵測器上在同一動態範圍下同時量測所有級。
一般而言，位於照射路徑、收集路徑或兩者中之前述光學元件使得能夠獨立地控制用於每一量測之目標大小、光子通量、射束形狀。
在另一額外態樣中，藉由使一或多種液體材料或一或多種氣體材料流動至受量測之目標上以增加所量測材料之間的對比度而改良量測效能。在第10,281,263號、第10,041,873號及第10,145,674號美國專利
中提供對此等技術之進一步闡述，每一美國專利之內容以其全文引用方式併入本文中。在某些實施例中，一蒸汽注入系統在受量測之結構之照射期間將包含呈一汽相之一填充材料之一氣體流提供至該結構。使填充材料之一部分以一液相凝結至該結構上。該填充材料之該部分填充該結構之一或多個幾何特徵之間的一空間之至少一部分。
一般而言，在一半導體製作程序之任一步驟處，根據本文中所闡述之系統及方法之受量測之目標包含任何週期性或半週期性結構。
在某些實施例中，採用如本文中所闡述之一WR-SXR計量系統來量測週期性計量目標。舉例而言，圖16A繪示具有一週期性光柵結構之一計量目標160，該週期性光柵結構具有一間距P。然而，在另一態樣中，採用如本文中所闡述之一WR-SXR計量系統來量測展現週期性及非週期性兩者之經抽取計量目標。一經抽取計量目標係包含標稱地週期性單位胞元之一陣列之一計量目標，且在該陣列內之經程式化或隨機位置處刪除、位移或結構上修改標稱地週期性陣列之一或多個胞元。舉例而言，圖16B繪示具有為間距P之一標稱地週期性光柵結構之一計量目標161。然而，另外，光柵結構之特定鰭不存在於計量目標161中。因此，自受量測之計量目標161之散射之角分佈展現導致區域化繞射峰值之週期性性質及亦稱為漫散射之非週期性行為兩者。
一般而言，藉由以一隨機或經程式化方式刪除一標稱地週期性單位胞元陣列之元件而增加漫散射在布拉格峰值之間的分佈。漫射強度角分佈與結構因子之平方成比例。當採用經抽取計量目標時，布拉格峰值強度減小，但更多像素包含非零資訊內容，此乃因散射光在更多像素上方擴展。由於基於模型之量測能夠使用來自所有像素之資訊，因此量測之
資訊內容之總體增加改良量測精確度及準確度。一般而言，布拉格峰值強度隨著經刪除胞元之分率增加而減小。計量目標之所要抽取最大化總體量測資訊內容。在某些實例中，經抽取計量目標解析出現在其中一計量目標之結構因子在布拉格峰值位置之一大子集處係零(例如，在50%工作週期處之一方波)之情形中之模糊度。可在一順序單波長操作模式中或在一同時多波長操作模式中採用一WR-SXR計量系統來量測一經抽取計量目標。
在某些實施例中，一計量目標包含經選擇以最大化信號資訊且因此最小化獲取時間之一般或特定非週期性。邏輯標準胞元陣列之設計規則將本原元素放在一固定網格上且將圖案密度變化控制在窄範圍內。邏輯結構之計量集中於達成一區域中之平均特徵大小及間隔之一高精確度估計。佔有率及週期性並非所關注的，此乃因在微影程序中很好地控制此等態樣。用於邏輯結構之一計量目標最佳化強度分佈，使得在相對於所要特徵參數集含有高資訊內容之角區域中增加散射通量。在一項實例中，一計量目標包含一邊界區域以增強一中央區之繞射之資訊內容。
在另一額外態樣中，一WR-SXR計量系統採用多個偵測器。在某些實施例中，一或多個繞射級由一第一偵測器收集，且其他繞射級由另一偵測器收集。
圖14繪示在另一實施例中之一WR-SXR計量系統400。如圖14中所繪示，偵測器170之作用表面位於非零繞射級之光學路徑中，且偵測器171之作用表面位於零繞射級之光學路徑中。在圖14中所繪示之實施例中，偵測器170包含係透明或半透明之一孔隙或者將0繞射級傳送至偵測器171之一空隙。如圖14中所繪示，將由偵測器170產生之所偵測信號172及由偵測器171產生之所偵測信號173傳遞至運算系統130。
在某些實施例中，偵測器170經組態以量測X射線波長，且偵測器171經組態以量測X射線波長、紫外線波長、可見波長、紅外線波長或其任一組合。在圖14中所繪示之實施例中，偵測器171位於真空腔室123內。此實施例適合用於涉及由偵測器171偵測包含軟X射線之輻射的量測組態。然而，在某些其他實施例中，偵測器171位於真空腔室123外部。此等實施例適合用於涉及由偵測器171偵測不包含軟X射線(例如，較長波長，諸如紫外線、可見光、紅外線等)之輻射的量測組態。
在一額外態樣中，主動地控制一WR-SXR計量系統之一偵測器之位置以擷取由受量測之目標反射之輻射。在某些實施例中，運算系統130將致使偵測器119之作用表面相對於所收集光傾斜或平移之控制命令(未展示)傳遞至耦合至偵測器119之致動器(未展示)。
在某些實施例中，WR-SXR達成對設計規則目標之量測，此乃因照射波長比所量測結構之週期短。此提供優於現有技術之一顯著益處，其中對大於設計規則目標之目標執行量測。使用WR-SXR波長准許在程序設計規則下之目標設計，亦即，無「非零偏移」。
用於WR-SXR量測之一計量目標可包含一維週期性陣列或二維週期性陣列。由WR-SXR量測之所關注參數包含但不限於關於一樣本之維度資訊(例如，層厚度、光柵高度、臨界尺寸、側壁角度、疊對、蝕刻佈置誤差)及材料資訊(例如，材料組成)。
在某些實施例中，照射源110係具有10微米或更小之一源大小之一LPP光源，且聚焦光學器件111具有大致10之一縮倍因子。此使得WR-SXR計量工具300能夠將照射光聚焦至具有1至2微米之尺寸之一計量目標上。藉由將入射照射光聚焦至1至2微米之一照射光點大小，WR-
SXR計量工具300使得能夠量測位於晶粒中之臨界尺寸目標及疊對目標，而非依賴於位於晶圓劃割線區中之較大計量目標。
量測具有1至2微米之尺寸之目標之能力減小致力於專門計量目標之晶圓區。另外，量測具有1至2微米之尺寸之目標之能力達成裝置結構而非專門計量目標之直接量測。量測裝置結構直接取消目標與裝置偏差。此顯著改良量測品質。另外，晶粒中目標之量測使得能夠表徵晶粒內之參數變化。例示性所關注參數包含臨界尺寸、疊對及邊緣佈置誤差，諸如端線縮短、線與觸點距離等。
在某些實施例中，X射線照射源110、聚焦光學器件111、狹縫112及113或其任一組合維持在與樣品101相同之大氣環境(例如，氣體淨化環境)中。然而，在某些實施例中，此等元件之間且在此等元件中之任一者內之光學路徑長度係長的且空氣中之X射線散射及吸收對偵測器上之影像造成雜訊及信號衰減。因此，在某些實施例中，X射線照射源110、聚焦光學器件111以及狹縫112及113中之任一者維持在一區域化真空環境中。在圖7中所繪示之實施例中，照射源110、聚焦光學器件111以及狹縫112及113維持在一經抽空飛行管117內之一受控環境(例如，真空)中。照射射束114在入射於樣品101之前穿過在飛行管117之端處之窗120。
類似地，在某些實施例中，樣品101與偵測器119之間的光學路徑長度(亦即，收集射束路徑)係長的且空氣中之X射線散射及吸收對偵測器上之影像造成雜訊及衰減。因此，在較佳實施例中，樣品101與偵測器119之間的收集射束路徑長度之一顯著部分維持在藉由一真空窗(例如，真空窗124)與樣品(例如，樣品101)分開之一區域化真空環境中。在
某些實施例中，X射線偵測器119維持在和樣品101與偵測器119之間的射束路徑長度相同之區域化真空環境中。舉例而言，如圖7中所繪示，真空腔室123維持環繞偵測器119及樣品101與偵測器119之間的射束路徑長度之一顯著部分的一區域化真空環境。
在某些其他實施例中，將X射線偵測器119維持在與樣品101相同之大氣環境(例如，氣體淨化環境)中。此可係有利的以自偵測器119移除熱。然而，在此等實施例中，將樣品101與偵測器119之間的射束路徑長度之一顯著部分維持在一真空腔內之一區域化真空環境中係較佳的。
在某些實施例中，包含樣品101之整個光學系統維持在真空中。然而，一般而言，與將樣品101維持在真空中相關聯之成本由於與樣品定位系統140之構造相關聯之複雜性而係高的。
在另一額外態樣中，運算系統130經組態以：產生一樣品之一所量測結構之一結構模型(例如，幾何模型、材料模型或經組合之幾何及材料模型)；產生一WR-SXR回應模型，該WR-SXR回應模型包含來自結構模型之至少一個幾何參數；且藉由藉助WR-SXR回應模型執行WR-SXR量測資料之一擬合分析而解析至少一個樣品參數值。使用分析引擎來比較所模擬WR-SXR信號與所量測資料，藉此允許判定樣品之幾何以及材料性質(諸如電子密度)。在圖1中所繪示之實施例中，運算系統130經組態為如本文中所闡述之經組態以實施模型構建與分析功能性之一模型構建與分析引擎。
圖15係圖解說明由運算系統130實施之一例示性模型構建與分析引擎180之一圖式。如圖15中所繪示，模型構建與分析引擎180包
含產生一樣品之一所量測結構之一結構模型182之一結構模型構建模組181。在某些實施例中，結構模型182亦包含樣品之材料性質。接收結構模型182作為至WR-SXR回應函數構建模組183之輸入。WR-SXR回應函數構建模組183至少部分地基於結構模型182而產生一WR-SXR回應函數模型184。擬合分析模組185比較經模型化WR-SXR回應與對應所量測資料以判定樣品之幾何以及材料性質。
在某些實例中，藉由最小化一卡方值而達成經模型化資料至實驗資料之擬合。舉例而言，針對WR-SXR量測，可將一卡方值定義為
其中，
係在「通道」j中之所量測WR-SXR信號126，其中指標j闡述一組系統參數，諸如繞射級、能量、角座標等。
(v1 ,...,vL)係「通道」j之經模型化WR-SXR信號Sj，該信號係針對一組結構(目標)參數v1，...，vL而評估，其中此等參數闡述幾何(CD、側壁角度、疊對等)及材料(電子密度等)。σSXR,j係與第j個通道相關聯之不確定因素。NSXR係X射線計量中之通道之總數目。L係表徵計量目標之參數之數目。
方程式(2)假定與不同通道相關聯之不確定因素係不相關的。在其中與不同通道相關聯之不確定因素相關之實例中，可計算不確定因素之間的一協方差。在此等實例中，可將WR-SXR量測之一卡方值表達為
其中VSXR係WR-SXR通道不確定因素之協方差矩陣，且T
表示轉置。
在某些實例中，擬合分析模組185藉由對WR-SXR量測資料135與WR-SXR回應模型184執行一擬合分析而解析至少一個樣品參數值。在某些實例中，將
最佳化。
如上文中所闡述，藉由最小化卡方值而達成WR-SXR資料之擬合。然而，一般而言，可藉由其他函數達成WR-SXR資料之擬合。
在另一額外態樣中，運算系統130經組態以訓練將WR-SXR量測資料映射至表徵受量測之結構之一或多個所關注參數(例如，闡述受量測之結構之一幾何參數)之值的一輸入-輸出模型(例如，一神經網路模型、一信號回應計量模型等)。此外，運算系統130經組態以採用輸入-輸出模型來基於WR-SXR量測資料而估計所關注參數之值。
可藉由包含以下各項之若干個資料擬合及最佳化技術來分析WR-SXR資料：庫、快速降階模型、迴歸、機器學習演算法(諸如神經網路及支援向量機(SVM))、降維演算法(例如，PCA(主成分分析)、ICA(獨立成分分析)及LLE(區域線性嵌入))、稀疏表示(諸如傅立葉或小波變換)、卡門濾波器、用以促進來自相同或不同工具類型之匹配之演算法及其他。
亦可例如在Bringoltz等人之第2015/0204664號美國專利公開案及第2016/0216197號美國專利公開案中藉由不包含模型化、最佳化及/或擬合之演算法來分析WR-SXR資料，該等美國專利公開案之內容以其全文引用方式併入本文中。
WR-SXR計量資料之分析對於提供對所關注幾何及/或材料參數之敏感度之任一類型之WR-SXR技術係有利的。樣品參數可係判定性
的(例如，CD、SWA等)或統計的(例如，側壁粗糙度之rms高度、粗糙度相關長度等)，只要使用闡述與樣品之WR-SXR射束相互作用之恰當模型即可。
一般而言，運算系統130經組態以採用即時臨界尺寸(RTCD)來即時存取模型參數，或其可存取預運算模型之庫以判定與樣品101相關聯之至少一個樣品參數值之一值。一般而言，可使用某種形式之CD引擎來評估一樣品之經指派CD參數與和所量測樣品相關聯之CD參數之間的差。在2010年11月2日頒予KLA-Tencor公司之第7,826,071號美國專利中闡述用於計算樣品參數值之例示性方法及系統，該美國專利之全文以引用方式併入本文中。
在某些實例中，模型構建與分析引擎180藉由側饋分析、前饋分析及並行分析之任一組合而改良所量測參數之準確度。側饋分析係指採取關於同一樣品之不同區之多個資料集且將自第一資料集判定之共同參數傳送至第二資料集上以供分析。前饋分析係指採取關於不同樣品之資料集且使用一逐步複製精確參數前饋方法將共同參數前向傳送至後續分析。並行分析係指將一非線性擬合方法並行或同時應用於多個資料集，其中在擬合期間耦合至少一個共同參數。
多重工具與結構分析係指基於迴歸、一查找表(亦即，「庫」匹配)或多個資料集之另一擬合程序的一前饋、側饋或並行分析。在2009年1月13日頒予KLA-Tencor公司之第7,478,019號美國專利中闡述用於多重工具與結構分析之例示性方法及系統，該美國專利之全文以引用方式併入本文中。
在另一額外態樣中，基於在入射X射線射束相對於量測目
標之一單個定向處執行之WR-SXR量測而判定對一或多個所關注參數之值之一初始估計。該等初始所估計值經實施為所關注參數之開始值以藉助在多個定向處自WR-SXR量測收集之量測資料達成量測模型之一迴歸。以此方式，以相對小量之計算努力判定一所關注參數之一接近估計，且藉由將此接近估計實施為在一大得多資料集內之一迴歸之起點而以較少總體計算努力獲得所關注參數之一精細化估計。
在另一態樣中，計量工具100包含經組態以實施如本文中所闡述之射束控制功能性之一運算系統(例如，運算系統130)。在圖7中所繪示之實施例中，運算系統130組態為可操作以控制入射照射射束114之照射性質(諸如強度、發散度、光點大小、偏光、光譜及定位)中之任一者之一射束控制器。
如圖7中所圖解說明，運算系統130通信地耦合至偵測器119。運算系統130經組態以自偵測器119接收量測資料135。在一項實例中，量測資料135包含樣品之所量測回應(亦即，繞射級之強度)之一指示。基於偵測器119之表面上之所量測回應之分佈，由運算系統130判定照射射束114在樣品101上之位置及入射區。在一項實例中，運算系統130應用圖案辨識技術來基於量測資料135而判定照射射束114在樣品101上之位置及入射區。在某些實例中，運算系統130將命令信號136傳遞至X射線照射源110以選擇所要照射波長。在某些實例中，運算系統130將命令信號137傳遞至致動器子系統115以重新引導X射線發射從而達成一所要射束方向。在某些實例中，運算系統130將致使射束整形狹縫112及113改變射束光點大小且選擇照射波長使得入射照射射束114以所要射束光點大小、定向及波長到達樣品101的命令信號138及139分別傳遞至射束整形狹縫
112及113。在一項實例中，命令信號138及139致使與狹縫112及113相關聯之致動器改變位置以將入射射束114重整形至一所要形狀及大小且選擇所要波長。在某些實例中，運算系統130將致使射束能濾波器150自照射射束114之光譜濾除非所要波長之命令信號151傳遞至射束能濾波器150。在某些其他實例中，運算系統130將用以定位且定向樣品101使得入射照射射束114到達相對於樣品101之所要位置及角定向之一命令信號傳遞至晶圓定位系統140。
在一額外態樣中，使用WR-SXR量測資料來基於所偵測繞射級之所量測強度而產生一所量測結構之一影像。在某些實施例中，將一WR-SXR回應函數模型一般化以闡述自一通用電子密度網之散射。匹配此模型與所量測信號同時約束此網中之經模型化電子密度以強化連續性及稀疏邊緣會提供樣本之一個三維影像。
儘管基於幾何模型之參數反演對於基於WR-SXR量測之臨界尺寸(CD)計量係較佳的，但WR-SXR量測資料可用於在所量測樣品偏離幾何模型之假定時識別且校正模型誤差。
在某些實例中，比較該影像與藉由相同散射法量測資料之一基於幾何模型之參數反演而估計之結構特性。使用差異來更新所量測結構之幾何模型且改良量測效能。當量測積體電路以對其製造程序進行控制、監視及疑難排解時，收斂於一準確參數量測模型上之能力係特別重要的。
在某些實例中，該影像係電子密度、吸收率、複折射率或此等材料特性之一組合之一個二維(2-D)圖譜。在某些實例中，該影像係電子密度、吸收率、複折射率或此等材料特性之一組合之一個三維(3-D)
圖譜。該圖譜係使用相對少之物理約束產生的。在某些實例中，依據所得圖譜直接估計一或多個所關注參數，諸如臨界尺寸(CD)、側壁角度(SWA)、疊對、邊緣佈置誤差、節距遊動(pitch walk)等。在某些其他實例中，圖譜可在樣本幾何形狀或材料偏離出基於模型之CD量測所採用之一參數結構模型所預期之期望值範圍時用於對晶圓程序進行除錯。在一項實例中，使用圖譜與藉由參數結構模型根據其所量測參數所預測的結構之一渲染之間的差來更新參數結構模型且改良其量測效能。在第2015/0300965號美國專利公開案中闡述進一步細節，該美國專利公開案之內容以其全文引用方式併入本文中。在第2015/0117610號美國專利公開案中闡述額外細節，該美國專利公開案之內容以其全文引用方式併入本文中。
在一額外態樣中，採用模型構建與分析引擎180來產生組合X射線及光學量測分析之模型。在某些實例中，光學模擬係基於(例如)嚴格耦合波分析(RCWA)，其中對馬克示威方程式求解以計算光學信號，諸如針對不同偏光之反射率、橢偏參數、相變等。
基於X射線繞射級在該複數個不同入射角處之所偵測強度及所偵測光學強度與一組合幾何參數化回應模型之一組合擬合分析而判定一或多個所關注參數之值。由可或可不與一X射線計量系統(諸如圖1中所繪示之系統100)機械地整合在一起之一光學計量工具量測光學強度。在第2014/0019097號美國專利公開案及第2013/0304424號美國專利公開案中闡述額外細節，每一美國專利公開案之內容以其全文引用方式併入本文中。
應認識到，本發明通篇所闡述之各種步驟可由一單電腦系
統130或(另一選擇係)一多電腦系統130執行。此外，系統100之不同子系統(諸如樣品定位系統140)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為一圖解說明。此外，一或多個運算系統130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一(任何)其他步驟。
另外，電腦系統130可以此項技術中已知之任一方式通信地耦合至X射線照射源110、射束整形狹縫112及113、聚焦光學器件致動器系統115、樣品定位系統140及偵測器119。舉例而言，一或多個運算系統130可耦合至分別與X射線照射源110、射束整形狹縫112及113、聚焦光學器件致動器系統115、樣品定位系統140及偵測器119相關聯之運算系統。在另一實例中，X射線照射源110、射束整形狹縫112及113、聚焦光學器件致動器系統115、樣品定位系統140及偵測器119中之任一者可直接由耦合至電腦系統130之一單電腦系統控制。
電腦系統130可經組態以由可包含有線及/或無線部分之一傳輸媒體自系統之子系統(例如，X射線照射源110、射束整形狹縫112及113、聚焦光學器件致動器系統115、樣品定位系統140、偵測器119及諸如此類)接收及/或獲取資料或資訊。以此方式，傳輸媒體可用作電腦系統130與系統100之其他子系統之間的一資料鏈路。
計量系統100之電腦系統130可經組態以由可包含有線及/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，傳輸媒體可用作電腦系統130與其他系統(例如，記憶體板上計量系統100、外部記憶體或外部系統)之間的一資料鏈路。舉例而言，運算系統130可經組態以經由一資料
鏈路自一儲存媒體(亦即，記憶體132或190)接收量測資料(例如，信號135)。舉例而言，使用偵測器119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132或190)中。就此而言，量測結果可自板上記憶體或自一外部記憶體系統導入。此外，電腦系統130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130判定之樣品參數值186可儲存於一永久或半永久記憶體裝置(例如，記憶體190)中。就此而言，量測結果可導出至另一系統。
運算系統130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、並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「運算系統」可廣義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一裝置。
實施諸如本文中所闡述之彼等方法之方法之程式指令134可經由一傳輸媒體(諸如一導線、電纜或無線傳輸鏈路)傳輸。舉例而言，如圖1中所圖解說明，儲存於記憶體132中之程式指令經由匯流排133傳輸至處理器131。程式指令134儲存於一電腦可讀媒體(例如，記憶體132)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。
圖17圖解說明適合用於由本發明之計量系統100、200、300及400實施之一方法500。在一項態樣中，認識到，方法500之資料處理方塊可經由運算系統130之一或多個處理器所執行之一預程式化演算法執行。雖然在計量系統100、200、300及400之內容脈絡中呈現以下說明，但在本文中認識到，計量系統100、200、300及400之特定結構態樣不表示限制且應僅解釋為說明性的。
在方塊501中，由一X射線照射源產生一定量之軟X射線輻射。該軟X射線輻射包含在自10電子伏特至5,000電子伏特之一光子能範圍內之多個照射波長。該一定量之軟X射線輻射作為以介於1度與45度之間的一標稱掠射入射角入射於一半導體晶圓上之一X射線照射射束被引導至在該半導體晶圓上製作之一計量目標。
在方塊502中，回應於該入射X射線照射射束而偵測自該計量目標散射至多個不同繞射級中之第一量之X射線輻射。
在方塊503中，產生第一複數個量測信號。該第一複數個量測信號中之每一者指示在一第一偵測器之一作用表面上之一不同位置處偵測到之X射線輻射量。該第一複數個量測信號亦指示在該多個不同繞射級中之一相異繞射級處繞射之多個照射波長中之一相異波長。
在方塊504中，基於該複數個量測信號而判定表徵該計量目標之一所關注參數之一值。
在某些實施例中，將如本文中所闡述之散射法量測實施為一製作程序工具之一部分。製作程序工具之實例包含但不限於微影曝光工具、膜沈積工具、植入工具及蝕刻工具。以此方式，使用一WR-SXR分析之結果來控制一製作程序。在一項實例中，將自一或多個目標收集之WR-SXR量測資料發送至一製作程序工具。如本文中所闡述而分析WR-SXR量測資料且結果用於調整製作程序工具之操作以減少半導體結構製造中之誤差。
可使用如本文中所闡述之散射法量測來判定各種半導體結構之特性。例示性結構包含但不限於FinFET、小尺寸結構(諸如奈米線或石墨烯)、小於10nm之結構、微影結構、穿基板通孔(TSV)、記憶體結構
(諸如DRAM、DRAM 4F2、快閃、MRAM)及高縱橫比記憶體結構。例示性結構特性包含但不限於幾何參數(諸如線邊緣粗糙度、線寬度粗糙度、孔大小、孔密度、側壁角度、輪廓、臨界尺寸、節距、厚度、疊對)及材料參數(諸如電子密度、組合物、顆粒結構、形態、應力、應變及元素識別)。在某些實施例中，該計量目標係一週期性結構。在某些其他實施例中，該計量目標係非週期性的。
在某些實例中，藉助如本文中所闡述之WR-SXR量測系統執行高縱橫比半導體結構之臨界尺寸、厚度、疊對及材料性質之量測，該等高縱橫比半導體結構包含但不限於自旋轉矩隨機存取記憶體(STT-RAM)、三維NAND記憶體(3D-NAND)或垂直NAND記憶體(V-NAND)、動態隨機存取記憶體(DRAM)、三維快閃記憶體(3D-FLASH)、電阻式隨機存取記憶體(Re-RAM)及相變隨機存取記憶體(PC-RAM)。
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)、任何兩個或多於兩個結構之間的一臨界尺寸(例如，兩個結構之間的距離)及兩個或多於兩個結構之間的一位移(例如，疊對光柵結構之間的疊對位移等)結構可包含三維結構、經圖案化結構、疊對結構等。
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「計量系統」包含至少部分地用以表徵任一態樣(包含臨界尺寸應用及疊對計量應用)中之一樣品之任一系統。然而，此等技術術語並不限制如本文中所闡述之術語「計量系統」之
範疇。另外，本文中所闡述之計量系統可經組態以用於量測經圖案化晶圓及/或未圖案化晶圓。計量系統可經組態為一LED檢驗工具、邊緣檢驗工具、背面檢驗工具、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)，以及受益於本文中所闡述之量測技術之任何其他計量或檢驗工具。
在本文中闡述可用於處理一樣品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「樣品」在本文中用於係指一晶圓、一倍縮光罩或可藉由此項技術中已知之手段處理(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」一般係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。此等基板通常可存在於半導體製作設施中及/或在半導體製作設施中經處理。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「經圖案化的」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「倍縮光罩」可係在一倍縮光罩製作程序之任何階段處之一倍縮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完成倍縮光罩。一倍縮光罩或一「遮罩」一般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域之一實質上透明基板。基板可包含(舉例而言)諸如非晶SiO2之一玻璃材料。一倍縮光罩可在一微影程序之一曝光步驟期間沈積於一抗蝕劑覆蓋之晶圓上面，使得可將倍縮光罩上之圖案轉印至抗蝕劑。
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上面製作有此項技術中已知之任何類型之裝置的一晶圓。
在一或多項例示性實施例中，所闡述之功能可以硬體、軟體、韌體或其任何組合實施。若以軟體實施，則該等功能可作為一或多個指令或代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，此類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載運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之任何其他媒體。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，則該同軸電纜、光纖電纜、雙絞線、DSL或無線技術(諸如紅外線、無線電及微波)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、XRF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複製資料而碟片藉助雷射以光學方式複製資料。以上各項之組合亦應包含於電腦可讀取媒體之範疇內。
儘管在上文中出於指導性目的而闡述某些特定實施例，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，可在不違背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之各種修改、改動及組合。
100:波長解析軟X射線反射法計量工具/系統/計量工具/計量系統/記憶體板上計量系統
101:樣品/晶圓/半導體晶圓
102:週期性目標/量測區/有限光點大小
103:晶圓卡盤
110:照射源/高次諧波產生雷射照射源/X射線照射源
114:照射射束/入射照射射束/X射線照射射束/入射射束/傳入照射射
束/所透射照射射束
116:射線
117:經抽空飛行管/飛行管
118:散射輻射/輻射/X射線輻射/散射X射線
119:偵測器/X射線偵測器
120:窗
123:真空腔室
124:真空窗
130:運算系統/單電腦系統/多電腦系統/電腦系統
131:處理器
132:記憶體
133:匯流排
134:程式指令
135:輸出信號/信號/波長解析軟X射線反射法量測資料/量測資料
136:命令信號
140:樣品定位系統/晶圓定位系統
G:掠射角
Claims (22)
- 一種計量系統，其包括：一X射線照射源，其經組態以產生包含在自10電子伏特至5,000電子伏特之一光子能範圍內之多個照射波長的一定量之軟X射線輻射，該一定量之軟X射線輻射作為以介於1度與45度之間的一標稱掠射入射角入射於一半導體晶圓上之一X射線照射射束被引導至在該半導體晶圓上製作之一計量目標；一第一偵測器，其安置於回應於該入射X射線照射射束而自該計量目標散射至多個不同繞射級中之第一量之X射線輻射之一光學路徑中，該第一偵測器經組態以產生第一複數個量測信號，該第一複數個量測信號中之每一者指示在該第一偵測器上之一不同位置處偵測到之X射線輻射量，其中該第一複數個量測信號中之每一者指示在該多個不同繞射級中之一相異繞射級處繞射之該多個照射波長中之一相異波長；及一運算系統，其經組態以基於該第一複數個量測信號而判定表徵該計量目標之一所關注參數之一值。
- 如請求項1之計量系統，其進一步包括：一第二偵測器，其安置於回應於該入射X射線照射射束而自該計量目標散射至一或多個不同繞射級中之第二量之X射線輻射之一光學路徑中，該第二偵測器經組態以產生第二複數個量測信號，該第二複數個量測信號中之每一者指示在該第二偵測器上之一不同位置處偵測到之X射線輻射量，其中該第二複數個量測信號中之每一者指示該一或多個不同繞射級， 其中該運算系統進一步經組態以基於該第一複數個量測信號及該第二複數個量測信號而判定表徵該計量目標之該所關注參數之該值。
- 如請求項2之計量系統，其中該第二量之X射線輻射包含在一深紫外線光譜範圍、一真空紫外線光譜範圍、一可見光譜範圍及一紅外線光譜範圍中之任一者中之輻射。
- 如請求項1之計量系統，其進一步包括：一或多個X射線照射光學元件，其安置於該X射線照射源與該半導體晶圓之間的一照射光學路徑中，其中該一或多個X射線照射光學元件將該一定量之軟X射線輻射作為以介於1度與45度之間的一標稱掠射入射角入射於該半導體晶圓上之一X射線照射射束聚焦至該半導體晶圓上。
- 如請求項1之計量系統，其中該X射線照射源係一基於高次諧波產生(HHG)雷射之照射源。
- 如請求項1之計量系統，其進一步包括：一射束能濾波器，其位於該X射線照射源與該半導體晶圓之間的一光學路徑中，其中該射束能濾波器透射在一所要射束能範圍內之X射線照射且吸收在該所要射束能範圍以外之X射線照射。
- 如請求項1之計量系統，其中該X射線照射源以小於一毫弧度之一射束發散度發射該一定量之軟X射線輻射。
- 如請求項1之計量系統，其進一步包括：一縮倍光學元件，其位於該X射線照射源與該半導體晶圓之間的一光學路徑中，其中該縮倍光學元件在跨越該X射線照射射束之一第一方向上以0.2或更小之一放大因子將該X射線照射射束聚焦至該半導體晶圓上，且在正交於該第一方向之跨越該X射線照射射束之一第二方向上以0.9或更多之一放大因子將該X射線照射射束聚焦至該半導體晶圓上。
- 如請求項1之計量系統，其中該X射線照射源進一步經組態以發射在一深紫外線光譜範圍、一真空紫外線光譜範圍、一可見光譜範圍及一紅外線光譜範圍中之任一者中之輻射。
- 如請求項1之計量系統，其中該X射線照射源具有由小於50微米之一最大延伸範圍尺寸表徵之一照射源區。
- 如請求項1之計量系統，其中該所關注參數係一疊對誤差、一臨界尺寸及一邊緣佈置誤差中之任一者。
- 如請求項1之計量系統，其進一步包括：一蒸汽注入系統，其在該計量目標之照射期間將包含呈一汽相之一填充材料之一氣態流提供至該計量目標。
- 如請求項1之計量系統，其中該X射線照射源經調整以產生包含一所 要光子能範圍之該一定量之軟X射線輻射。
- 如請求項1之計量系統，其進一步包括：一或多個X射線照射光學元件，其安置於該X射線照射源與該半導體晶圓之間的一照射光學路徑中，其中該一或多個X射線照射光學元件將該一定量之軟X射線輻射作為以複數個入射角、複數個波長及複數個方位角入射於該半導體晶圓上之一X射線照射射束聚焦至該半導體晶圓上。
- 如請求項14之計量系統，其中該一或多個X射線照射光學元件係選擇該多個照射波長之分級式多層光學元件。
- 一種計量方法，其包括：提供包含在自10電子伏特至5,000電子伏特之一光子能範圍內之多個照射波長之一定量之軟X射線輻射，該一定量之軟X射線輻射作為以介於1度與45度之間的一標稱掠射入射角入射於一半導體晶圓上之一X射線照射射束被引導至在該半導體晶圓上製作之一計量目標；偵測回應於該入射X射線照射射束而自該計量目標散射至多個不同繞射級中之第一量之X射線輻射；產生第一複數個量測信號，該第一複數個量測信號中之每一者指示在一第一偵測器之一作用表面上之一不同位置處偵測到之X射線輻射量，其中該第一複數個量測信號中之每一者指示在該多個不同繞射級中之一相異繞射級處繞射之該多個照射波長中之一相異波長；及基於該第一複數個量測信號而判定表徵該計量目標之一所關注參數 之一值。
- 如請求項16之方法，其進一步包括：偵測回應於該入射X射線照射射束而自該計量目標散射至一或多個繞射級中之第二量之X射線輻射；及產生第二複數個量測信號，該第二複數個量測信號中之每一者指示在一第二偵測器之一作用表面上之一不同位置處偵測到之X射線輻射量，其中該第二複數個量測信號中之每一者指示該一或多個繞射級，其中該判定表徵該計量目標之該所關注參數之該值基於該第一複數個量測信號及該第二複數個量測信號。
- 如請求項17之方法，其中該第二量之X射線輻射包含在一深紫外線光譜範圍、一真空紫外線光譜範圍、一可見光譜範圍及一紅外線光譜範圍中之任一者中之輻射。
- 如請求項17之方法，其進一步包括：在該X射線照射源與該半導體晶圓之間的一光學路徑中對該X射線照射射束進行濾波。
- 如請求項17之方法，其進一步包括：在跨越該X射線照射射束之一第一方向上以0.2或更小之一放大因子縮倍該X射線照射射束；及在正交於該第一方向之跨越該X射線照射射束之一第二方向上以0.9 或更多之一放大因子將該X射線照射射束投影至該半導體晶圓上。
- 一種計量系統，其包括：一X射線照射源，其經組態以產生包含在自10電子伏特至5,000電子伏特之一光子能範圍內之多個照射波長之一定量之軟X射線輻射，該一定量之軟X射線輻射作為入射於一半導體晶圓上之一X射線照射射束被引導至在該半導體晶圓上製作之一計量目標；一第一偵測器，其安置於回應於該入射X射線照射射束而自該計量目標散射至多個不同繞射級中之第一量之X射線輻射之一光學路徑中，該第一偵測器經組態以產生第一複數個量測信號，該第一複數個量測信號中之每一者指示在該第一偵測器上之一不同位置處偵測到之X射線輻射量，其中該第一複數個量測信號中之每一者指示在該多個不同繞射級中之一相異繞射級處繞射之該多個照射波長中之一相異波長；一第二偵測器，其安置於回應於該入射X射線照射射束而自該計量目標散射至一或多個不同繞射級中之第二量之X射線輻射之一光學路徑中，該第二偵測器經組態以產生第二複數個量測信號，該第二複數個量測信號中之每一者指示在該第二偵測器上之一不同位置處偵測到之X射線輻射量，其中該第二複數個量測信號中之每一者指示該一或多個不同繞射級；及一運算系統，其經組態以基於該第一複數個量測信號及該第二複數個量測信號而判定表徵該計量目標之一所關注參數之一值。
- 如請求項21之計量系統，其中該第二量之X射線輻射包含在一深紫外 線光譜範圍、一真空紫外線光譜範圍、一可見光譜範圍及一紅外線光譜範圍中之任一者中之輻射。
Applications Claiming Priority (2)
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