TWI837239B

TWI837239B - 光學計量系統與方法及計量目標對

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Publication number: TWI837239B
Application number: TW108144622A
Authority: TW
Inventors: 浩山姆舟艾柏; 安隆羅斯伯格; 林凱祥; 胡大為; 正泉譚
Original assignee: 美商科磊股份有限公司
Priority date: 2018-12-19
Filing date: 2019-12-06
Publication date: 2024-04-01

Abstract

本文中呈現用於測量電晶體通道結構之光學性質並將該等光學性質與應變狀態聯繫起來的方法及系統。對緊密模擬部分製造之實際裝置結構之計量目標執行應變之光學散射術測量。在一項態樣中，基於沿著及跨越一半導體通道之所測量光譜之差異，採用光學散射測量來測量該半導體通道中之單軸應變。在一其他態樣中，使應變對所測量光譜之影響與諸如在該測量中捕獲之幾何結構及結構之材料性質之其他貢獻因素去相關。在另一態樣中，對包含一經應變計量目標及一對應未經應變計量目標之一計量目標對執行測量以解析該被測量計量目標之該幾何結構並提供用於應變之絕對值之估計之一參考。

Description

光學計量系統與方法及計量目標對

所闡述實施例係關於計量系統及方法，且更特定而言係關於用於經改良測量準確度之方法及系統。

通常藉由適用於一樣品之一系列處理步驟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半導體裝置之各種特徵及多個結構層級。舉例而言，尤其微影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。基於光學及x射線之計量技術提供高輸送量而不具有樣本損毀之危險之可能性。通常使用包含散射測量及反射測量實施方案之若干種技術及相關聯分析演算法來表徵臨界尺寸、膜厚度、組合物及奈米尺度結構之其他參數。

隨著裝置(例如，邏輯及記憶體裝置)朝著較小奈米尺度尺寸進展，表徵變得更加困難。併入有複雜三維幾何結構及具有迥異物理性質之材料之裝置加劇表徵困難度。

一電晶體通道之導電性與電荷載子之行動性成正比。對於N型金屬氧化物半導體(NMOS)裝置，電荷載子係電子。對於P型金屬氧化物半導體(PMOS)裝置，電荷載子係電洞。一固體中之電子之行動性隨著拉伸應變而增加，而電洞之行動性隨著壓縮應變而增加。因此，沿著一電晶體通道之單軸應變與PMOS及NMOS裝置之電性質直接相關且單軸應變之一測量指示裝置品質。

在一項實例中，在一經應變狀態中製作NMOS及PMOS裝置以增加電效率(亦即，在減少電損失之情形下增加計算速度)。在一拉伸應變狀態中製作NMOS裝置以增加沿著裝置之通道之電子行動性且在一壓縮應變狀態中製作PMOS裝置以增加沿著裝置之通道之電洞行動性。

沿著一PMOS裝置之通道之壓縮應變由矽通道材料與在通道之端處充當一導電觸點之另一材料之間的一晶格失配誘發。在諸多實例中，失配材料係一磊晶矽鍺(例如，Si_i-xGe_x)。在此等實例中，鍺濃度控制晶格失配之程度，且因此影響所誘發應變。

沿著一NMOS裝置之通道之拉伸應變亦由矽通道材料與在通道之端處充當一導電觸點之另一材料之間的一晶格失配誘發。在諸多實例中，失配材料係碳化矽或摻雜磷之矽。在此等實例中，磷濃度或碳化矽之結構控制晶格失配之程度，且因此影響所誘發應變。

圖1A繪示在一未經應變狀態中之一電晶體10。電晶體10包含一通道12、源極11、汲極13及閘極14。源極11及汲極13係製作於通道12之兩端處，且閘極14係製作於通道12上以控制沿著通道12之導電性。

圖1B繪示具有在一拉伸應變狀態中之一通道12之一電晶體 15。電晶體15包含通道12、源極16、汲極17及閘極14。在通道12之兩端處使用與通道12之材料具有一晶格失配之材料製作源極16及汲極17。晶格失配誘發沿著通道12之單軸拉伸應變。

圖1C繪示具有在一壓縮應變狀態中之一通道12之一電晶體20。電晶體20包含通道12、源極18、汲極19及閘極14。在通道12之兩端處使用與通道12之材料具有一晶格失配之材料製作源極18及汲極19。晶格失配誘發沿著通道12之單軸壓縮應變。

遺憾的是，測量沿著一半導體裝置之一通道之應變係困難的。發明者不知曉可用於直接測量單元中或光柵中之應變之任何現有測量系統。

通常，在裝置完全製作之後，在電測試步驟中間接測量應變。採用所完成裝置之電測量來間接估計裝置中之單軸應變狀態。當最佳化一半導體製造程序時，在一漫長及昂貴製造程序結束時進行應變之測量導致經增加成本及延遲。在某些實例中，在將花費一個多月完成之一製造程序中很早就在一晶圓上製作一經應變材料。

磊晶沈積問題之及早偵測係重要的，此乃因磊晶(應變工程)很早就發生在一漫長及昂貴製造程序中。由於經應變半導體結構變得更加常見，因此期望在半導體製作程序中及早進行應變之測量。

本文中呈現用於測量電晶體通道結構之光學性質並將該等光學性質與應變狀態聯繫起來的方法及系統。對緊密模擬部分製造之實際裝置結構之計量目標執行應變之光學散射術測量。

在某些實例中，對部分製造之鰭式場效應電晶體(FINFET) 計量目標執行應變之基於光學散射測量之測量。在形成一FINFET電晶體之源極及汲極結構之磊晶生長步驟之後立即進行應變之測量使得能夠快速細化磊晶生長程序並及早估計諸如一所完成半導體裝置之臨限電壓之各種電特性。

在一項態樣中，基於沿著及跨越一半導體通道之所測量光譜之差異，採用光學散射測量來測量該半導體通道中之單軸應變。沿著一半導體通道之應變係單軸的(亦即，與電晶體之源極與汲極之間的通道之延伸方向對準)。由於應變係單軸的，因此平行於單軸應變方向與正交於單軸應變方向之光學性質係不同的。此外，沿著通道之單軸應變狀態之改變導致在單軸應變之方向而非正交於單軸應變之方向的方向(亦即，正交於電晶體之源極與汲極之間的通道之延伸方向之一方向)上之光學常數之值之改變。

一般而言，光學散射術測量資料對所測量電晶體結構之幾何特徵及下伏材料之光學性質(包含受單軸應變影響之電晶體通道之光學性質)兩者敏感。為了基於光學散射術測量估計電晶體通道之應變狀態，使應變對所測量光譜之影響與諸如在測量中捕獲之所測量計量目標之幾何結構及其他結構(例如，源極及汲極結構等)之材料性質之其他貢獻因素去相關。

在一其他態樣中，被測量計量目標之幾何結構由另一測量系統測量，且該所測量幾何結構被前饋至光學散射術測量模型中。

在另一其他態樣中，基於所測量光譜信號，採用一經訓練幾何測量模型來估計被測量計量目標之幾何輪廓。該所估計幾何輪廓被前饋至光學散射術測量模型中。

在一其他態樣中，被測量計量目標之材料性質由另一測量系統直接測量，且該等所測量材料性質被前饋至光學散射術測量模型中。

在另一其他態樣中，採用一多模型方法來解析被測量計量目標之幾何結構並提供用於應變之絕對值之估計之一參考。對包含一經應變計量目標及一對應未經應變計量目標之一計量目標對執行光學散射術測量。

在某些實施例中，經應變計量目標係製作有由與源極及汲極結構不同的一材料製成之一鰭式結構之一計量目標。在此等實施例中之某些實施例中，未經應變計量目標係一部分製作之計量目標，其中鰭未經蝕刻且源極及汲極結構未經製作。在此等實施例中，通道結構係未經應變的，此乃因在通道結構之端處不存在晶格失配。在某些其他實施例中，未經應變計量目標係一部分製作之計量目標，其中鰭式結構材料係用於製作源極及汲極結構之相同材料。由於材料係相同的，因此在通道中不存在晶格失配及所誘發應變。

在某些實施例中，處理自未經應變計量目標收集之所測量光譜來求解闡述未經應變目標之幾何結構之幾何參數。由於經應變目標與未經應變目標之幾何結構係相同的，因此將基於未經應變目標之測量判定之幾何結構參數前饋至經應變目標之光學參數之分析。以此方式，幾何特徵對所測量光譜之貢獻與應變對所測量光譜之貢獻去相關。

在某些其他實施例中，在一多目標分析中處理來自未經應變目標及經應變目標兩者之所測量光譜。在此分析中，幾何參數及光學參數兩者皆在一經組合分析中解析，其中使經應變模型與未經應變模型之幾何參數聯繫起來，但受應變影響之帶隙及其他相關色散參數可獨立變化。

在一其他態樣中，處理自經應變計量目標及未經應變計量目標收集之所測量光譜來求解經應變通道之帶隙能量及未經應變通道之帶隙能量。在某些實施例中，以入射電場相對於電晶體通道之相同角度執行經應變目標及未經應變目標兩者之一電晶體通道之光學散射術測量。然後基於經應變通道之帶隙能量與未經應變通道之帶隙能量之間的差判定經應變通道中之應變之絕對值。

在另一其他態樣中，基於所測量光譜信號，採用一經訓練應變測量模型來估計一計量目標之電晶體通道之應變之一相對值。

在另一其他態樣中，一半導體結構之通道中之應變之值與自成品裝置獲得之電測試結果相關。隨後，基於在製造程序之一早期階段測量之應變之值，使用此相關之一模型來預測成品裝置之電效能。

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，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。

10:電晶體

11:源極

12:通道

13:汲極

14:閘極

15:電晶體

16:源極

17:汲極

18:源極

19:汲極

20:電晶體

100:光譜橢圓偏光儀計量系統/例示性光譜橢圓偏光儀計量系統/計量系統/系統/測量系統

101:晶圓/半導體晶圓/樣品/實驗設計晶圓

102:輸出信號/光譜信號/所偵測信號/所測量光譜/光譜/信號

103:輸出信號/光譜信號/所偵測信號/所測量光譜/光譜/信號

104:值

105:光譜橢圓偏光儀子系統/光譜儀/光譜橢圓偏光儀

106:光譜反射計子系統/光譜儀

107:照射光束/照射光/束/入射照射束/照射束

108:測量點位

109:所收集光束/所收集光

110:照射源/照射光源/光源

111A:照射光學器件

111B:光學濾光器

112:偏光組件

113:照射場光闌/場光闌

114:照射光瞳孔徑光闌/孔徑光闌

115:收集光學器件

116:收集孔徑光闌/孔徑光闌

117:偏光元件

118:場光闌/收集場光闌

119:偵測器

120:照射源/照射光源/光源

121:光學濾光器

122A:照射場光闌/場光闌

122B:照射孔徑光闌

123:光學器件

124:分束器

125:物鏡

126:聚焦光學器件

127A:收集場光闌/場光闌

127B:收集孔徑光闌

128:偵測器

129:偏光組件

130:計算系統

131:處理器

132:記憶體

133:匯流排

134:程式指令

135:照射光束/照射光/束/入射照射束

136:所收集光束/所收集光

140:命令信號

141:命令信號

150:測量源/例示性測量源

151:幾何輪廓

160:計量目標

160A:目標

160B:目標

160C:目標

160D:目標

161A:通道/通道結構/鰭式結構

162A:源極/源極結構

162B:源極

163A:汲極結構

164A:鰭式結構

164B:鰭式結構

165:間隔件

166:二氧化矽絕緣材料

167:襯裡

168A:鰭式結構

168B:鰭式結構

169:另一計量目標

169A:目標

169B:目標

169C:目標

169D:目標

170:模型構建與分析引擎/模型構建與分析工具/模型構建工具

171:結構模型構建模組

172:結構模型

173:光學回應函數構建模組

175:光學回應函數模型/光學回應模型

177:擬合分析模組

180:記憶體

181A:計量目標對

181B:計量目標對

181C:計量目標對

181D:計量目標對

190:樣品定位系統

200:光譜反射計計量系統/例示性光譜反射計計量系統/計量系統/系統

400:方法

401:方塊

402:方塊

403:方塊

404:方塊

405:方塊

500:方法

501:方塊

502:方塊

503:方塊

504:方塊

505:方塊

H:高度

W:寬度

θ:入射角

Φ:方位角

圖1A繪示在一未經應變狀態中之一電晶體。

圖1B繪示具有在一拉伸應變狀態中之一通道之一電晶體。

圖1C繪示具有在一壓縮應變狀態中之一通道之一電晶體。

圖2係圖解說明用於對如本文中所闡述之一或多個計量目標執行SE測量之一光譜橢圓偏光儀(SE)計量系統100之一實施例之一圖式。

圖3係圖解說明用於對如本文中所闡述之一或多個計量目標執行SR測量之一光譜反射計(SR)計量系統200之一實施例之一圖式。

圖4係圖解說明經組態以實施如本文中所闡述之模型構建與分析功能性之一模型構建與分析引擎170之一實施例之一圖式。

圖5繪示在一項實施例中包含部分製作之電晶體結構之一重複陣列之一計量目標。

圖6繪示在另一實施例中包含部分製作之電晶體結構之一重複陣列之一計量目標。

圖7繪示在一項實施例中包含若干個計量目標對之一實驗設計(DOE)晶圓。

圖8繪示在圖6中所繪示之計量目標之一鰭式結構之一剖視圖。

圖9繪示在執行一蝕刻步驟之後之一鰭式結構之一剖視圖。

圖10繪示在執行一磊晶沈積步驟之後之一鰭式結構之一剖視圖。

圖11係圖解說明入射於一晶圓上之一照射束之一圖式，該晶圓包含在X’方向上安置於晶圓上之週期性計量目標。

圖12係圖解說明以由一入射角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束之一圖式。

圖13係圖解說明用於測量如在本文中所闡述之一項實例中之部分製作之電晶體結構之通道結構中之應變之一方法400之一流程圖。

圖14係圖解說明用於測量如在本文中所闡述之另一實例中之部分製作之電晶體結構之通道結構中之應變之一方法500之一流程圖。

相關申請案之交互參考

本專利申請案依據35 U.S.C.§119主張於2018年12月19日提出申請之標題為「Dual Angle Strain In Grating Metrology」之美國臨時專利申請案序號62/782,026之優先權，該臨時專利申請案之標的物以全文引用之方式併入本文中。

現將詳細參考先前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附圖中。

本文中呈現用於測量電晶體通道結構之光學性質並將光學性質與所測量通道結構之應變狀態聯繫起來的方法及系統。更具體而言，採用光學散射測量來測量對應變狀態敏感之半導體結構之光學性質。光學散射測量直接探測應變狀態，此乃因應變狀態之改變會改變所測量材料之帶結構，其繼而改變所測量光學性質之值。

對緊密模擬部分製造之實際裝置結構(亦即，進一步製造成功能電子裝置之裝置結構)之計量目標執行應變之光學散射術測量。計量目標係二維或三維裝置狀光柵(亦即，週期性)目標。計量目標與藉由計量目標仿製之實際裝置結構之大小係相同的。舉例而言，實際裝置與計量目標之主要結構之臨界尺寸相同(例如，源極、汲極、通道尺寸)。實際裝置結構之直接、基於實體的非破壞性測量通常係不可能的，此乃因實際裝置結構通常並非週期性的。在某些實施例中，對應計量目標缺少導致對應實際裝置之非週期性之某些非本質特徵。在不具有此等非本質特徵之情形下，計量目標係週期性的且適合於基於光學散射測量之測量。

在某些實例中，對部分製造之鰭式場效應電晶體(FINFET)計量目標執行應變之基於光學散射測量之測量。在形成一FINFET電晶體之源極及汲極結構之磊晶生長步驟之後立即測量應變之能力使得能夠快速細化磊晶生長程序並及早估計諸如一所完成半導體裝置之臨限電壓之各種電特性。此在程序開發製作設施處在製作變因最佳化期間係有用的。此外，在形成FINFET電晶體之源極及汲極結構之磊晶生長步驟之後立即測量應變之能力還使得能夠立即監測磊晶生長程序以在FINFET裝置之高容量製造期間快速識別不可接受的偏離。

一固態材料之應變狀態之一改變導致經應變材料之光學能帶結構之一改變。因此，採用一光學色散模型之光學常數之值來表徵由於所測量材料之應變狀態之改變導致之一材料改變。對應變敏感之例示性光學常數包含複折射率之實分量(n)及虛分量(k)、介電函數之實部(ε₁)及虛部(ε₂)、反射率及所導出性質，諸如帶隙及其他帶結構參數。

一矽結構中之一單軸拉伸應變狀態修改電子帶結構，其繼而改變矽結構之電阻率。通過顯微鏡，所允許對稱操作之數目減少，且所允許對稱操作之數目取決於矽晶體受應力之方式。破壞矽晶體之晶格對稱導致不同導帶及價帶之能階之一移位、不同導帶及價帶之畸變、簡並之移除或其任何組合。

在一項實例中，將一平面內雙軸拉伸應變施加至一矽晶體，且在垂直於該平面之方向上誘發一單軸壓縮應變。在導帶最小值之四個△4穀及兩個平面外△2穀中移除簡並。能量因此被分裂。研究雙軸應變對導帶及價帶之影響之各種理論模擬闡述於由Douglas J.Paul之標題為「Si/SiGe heterostructures：from material and physics to devices and circuits」(Semicond.Sci.Technol.19(2004)R75-R108)之論文中，該論文之內容以全文引用之方式併入本文中。該論文闡述有效質量依據所施加應變之改變及行動性及臨界點(能階)依據所施加應變之改變。

將帶隙能量與應變之一絕對值聯繫起來的一模型闡述於由 Chouaib等人之「Rapid photoreflectance spectroscopy for strained silicon metrology」(Review of Scientific Instruments 79.10,103106(2008))中，其標的物以全文引用之方式併入本文中。模型將應變與矽之帶能量中之一改變相關，如在方程式(1)中所圖解說明，

其中，△E類似於帶隙能量之改變，ε_per係沿著垂直於入射光之一方向之應變，ε_par係在平行於入射光之方向上之應變，D₁ ¹係測量為-9.8eV之Si之靜壓形變勢，且D₃ ³係具有4.7eV之一值之帶內應變形變。方程式(1)可簡化為方程式(2)。

△E=-5.658(ε _per+2ε _par)+3.837(ε _per-ε _par) (2)

沿著一FINFET通道(亦即，沿著連接源極與汲極之方向)之單軸應變減少晶體對稱且增加對稱判定之帶簡並。沿著通道(亦即，方向[1 0 0])之單軸應變之應變張量可表達為：

其中ε_par係沿著通道(亦即，方向[1 0 0])之應變且ε_per係法向於通道之表面(亦即，方向[0 0 1])之應變。與沿著方向[0 1 0]或方向[0 0 1]之單軸應變相比，沿著方向[1 0 0]之單軸應變以不同方式分裂導帶最小值(CBM)。替代兩組子帶，在方向[0 1 0]被侷限之情形下沿著方向[1 0 0]之單軸應變將產生標記為I、II及III之三組子帶，其中每一組皆雙重退化。如在方程式(4)及(5)中所圖解說明，判定每一對之間的能量分裂。

其中ε係單軸應變，Ξ_u ^△係單軸形變勢，且c₁₁及c₁₂係矽之順應係數。因此，單軸應變下之矽材料展現各向異性光學性質。因此，被測量材料之光學色散取決於入射電場相對於結構本身之定向。此外，自所測量光譜導出之光學性質之所估計值亦取決於入射電場相對於結構本身之定向。

在一項態樣中，基於沿著及跨越一半導體通道之所測量光譜之差異，採用光學散射測量來測量該半導體通道中之單軸應變。

沿著一半導體通道之應變係單軸的(亦即，與電晶體之源極與汲極之間的通道之延伸方向對準)。由於應變係單軸的，因此平行於單軸應變方向與正交於單軸應變方向之光學性質係不同的。此外，沿著通道之單軸應變狀態之改變導致在單軸應變之方向而非正交於單軸應變之方向的方向(亦即，正交於電晶體之源極與汲極之間的通道之延伸方向之一方向)上之光學常數之值之改變。

在某些實例中，以入射電場相對於電晶體通道之兩個不同角度執行一FINFET裝置之一電晶體通道之光學散射術測量。採用通道之矽帶隙之所測量差來判定沿著通道結構存在的單軸應變之方向及量值。在此等實例中之某些實例中，藉由光學散射測量來測量平行於及正交於單軸應變之方向之經單軸應變之FINFET通道之帶隙。所測量帶隙之差指示沿著通道結構存在的應變狀態。在此等實例中，平行於通道之延伸方向測量之經單軸應變之FINFET通道之帶隙係E_g0且垂直於通道之延伸方向測量之經單軸應變之FINFET通道之帶隙係E_g90。假定此等帶隙之差準確地表示經應變狀態與未經應變狀態之間的帶能量之差，並假定在垂直於通道之延伸方向的方向上之應變係可忽略不計的，可如在方程式(6)中所圖解說明改寫方程式(2)。

△E=E _g0-E _g90=-15.153(ε _par) (6)

以此方式，基於平行於通道之延伸方向與垂直於通道之延伸方向測量之帶隙之間的差，估計沿著自源極至汲極之通道之延伸方向之應變之絕對值。

圖2繪示用於對如在本文中所闡述之一或多個計量目標執行SE測量之一例示性光譜橢圓偏光儀(SE)計量系統100。如在圖2中所繪示，計量系統100包含一SE子系統。

SE子系統105包含一照射源110，該照射源產生入射於晶圓101上之一照射光束107。在某些實施例中，照射源110係發射紫外光、可見光及紅外光光譜中之照射光之一寬頻帶照射源。在一項實施例中，照射源110係一雷射維持電漿(LSP)光源(亦稱為，雷射驅動電漿源)。LSP光源之泵激雷射可係連續波或脈衝的。一雷射驅動電漿源可跨越自150奈米至2,500奈米之整個波長範圍產生比一氙燈顯著多的光子。照射源110可係一單個光源或複數個寬頻帶或離散波長光源之一組合。由照射源110產生之光包含自紫外光至紅外光(例如，真空紫外光至中紅外光)之一連續光譜或一連續光譜之部分。一般而言，照射光源110可包含一超連續雷射源、一紅外氦氖雷射源、一弧光燈、一碳化矽棒源或任何其他適合光源。

在某些實施例中，該量之照射光係包含橫跨至少500奈米之一波長範圍之寬頻帶照射光。在一項實例中，寬頻帶照射光包含低於250奈米之波長及高於750奈米之波長。一般而言，寬頻帶照射光包含介於120奈米與4,200奈米之間的波長。在某些實施例中，可採用包含超過4,200奈米之波長之寬頻帶照射光。在某些實施例中，照射源110包含發射具有跨越自150奈米至400奈米之一範圍之波長之光之一氘源，發射具有跨越自180奈米至2,500奈米之一範圍之波長之光之一LSP源，發射具有跨越自800奈米至4,200奈米之一範圍之波長之光之一超連續源，及發射具有跨越自2,000奈米至20,000奈米之一範圍之波長之光之一碳化矽棒源。

如在圖2中所繪示，SE子系統105包含經組態以將照射光107引導至在晶圓101上形成之一或多個結構之一照射子系統。展示照射子系統包含光源110、照射光學器件111A、一或多個光學濾光器111B、偏光組件112、照射場光闌113及照射光瞳孔徑光闌114。如所繪示，在圖2中，當照射光束107束自照射源110傳播至晶圓101時，該束穿過照射光學器件111A、光學濾光器111B、偏光組件112、場光闌113及孔徑光闌114。束107照射一測量點位108上方之晶圓101之一部分。

照射光學器件111A調節照射光107且將照射光107聚焦在測量點位108上。使用一或多個光學濾光器111B控制來自照射子系統之光位準、光譜輸出或其組合。在某些實例中，將一或多個多區濾光器用作光學濾光器111B。偏光組件112產生退出照射子系統之所期望偏光狀態。在某些實施例中，偏光組件係一偏光器、一補償器或兩者，且可包含任何適合之可商購偏光組件。偏光組件可係固定的、可旋轉至不同固定位置，或可係連續旋轉的。儘管在圖2中所繪示之SE照射子系統包含一個偏光組件，但SE照射子系統可包含一個以上偏光組件。場光闌113控制照射子系統之視場(FOV)且可包含任何適合之可商購場光闌。孔徑光闌114控制照射子系統之數值孔徑(NA)且可包含任何適合之可商購孔徑光闌。來自照射源110之光聚焦在晶圓101上之一或多個結構(圖1中未展示)上。SE照射子系統可包含在光譜橢圓偏光技術中已知之任何類型及配置之照射光學器件111A、光學濾光器111B、偏光組件112、場光闌113及孔徑光闌114。

計量系統100亦包含經組態以收集由一或多個結構與入射照射束107之間的交互作用產生之光之一收集光學器件子系統。一所收集光束109由收集光學器件115自測量點位108收集。所收集光109穿過收集光學器件子系統之收集孔徑光闌116、偏光元件117及場光闌118。

收集光學器件115包含用以自在晶圓101上形成之一或多個結構收集光之任何適合光學元件。收集孔徑光闌116控制收集光學器件子系統之NA。偏光元件117分析所期望偏光狀態。偏光元件117係一偏光器或一補償器。偏光元件117可係固定的、可旋轉至不同固定位置，或可係連續旋轉的。儘管在圖2中所繪示之收集子系統包含一個偏光元件，但收集子系統可包含一個以上偏光元件。收集場光闌118控制收集子系統之FOV。收集子系統自晶圓101獲取光並引導光穿過收集光學器件115、孔徑光闌116及偏光元件117以聚焦在收集場光闌118上。在某些實施例中，收集場光闌118被用作偵測子系統之光譜儀之一光譜儀狹槽。然而，收集場光闌118可位於偵測子系統之光譜儀之一光譜儀狹槽處或其附近。

收集子系統可包含在光譜橢圓偏光技術中已知之任何類型及配置之收集光學器件115、孔徑光闌116、偏光元件117及場光闌118。

在圖1中所繪示之實施例中，收集光學器件子系統將光引導至偵測器119。偵測器119回應於自在測量點位108處由照射子系統照射之一或多個結構收集之光而產生輸出。在一項實例中，偵測器119包含對紫外光及可見光(例如，具有介於190奈米與860奈米之間的波長之光)敏感之電荷耦合裝置(CCD)。在其他實例中，偵測器119包含對紅外光(例如，具有介於950奈米與2500奈米之間的波長之光)敏感之一光偵測器陣列(PDA)。然而，一般而言，偵測器119可包含其他偵測器技術及配置(例如，一位置敏感偵測器(PSD)、一紅外光偵測器、一光伏打偵測器、一正交單元偵測器、一相機等)。每一偵測器將入射光轉換為指示入射光之光譜強度之電信號。一般而言，偵測器119產生指示在偵測器119上偵測之光之輸出信號103。

藉由晶圓101相對於照射束107之任何兩次角旋轉闡述照射束107相對於半導體晶圓101之表面法線之每一定向，或反之亦然。在一項實例中，可關於固定至晶圓之一座標系統闡述定向。圖12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上之照射束107。座標系XYZ固定至SE計量系統(例如，照射束107)且座標系X’Y’Z’固定至晶圓101。Y軸在平面中與晶圓101之表面對準。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’與Y’係在一平面中與晶圓101之表面對準。如在圖12中所繪示，照射束107與Z軸對準且因此位於XZ平面內。入射角θ闡述照射束107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XY平面相對於X’Y’平面之定向。θ與Φ一起唯一地界定照射束107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)之一旋轉闡述照射束相對於晶圓101之表面之定向。

如在圖2中所圖解說明，SE計量工具100包含一樣品定位系統190，其經組態以在相對於照射束107之入射角及方位角之一大範圍內既對準樣品101亦定向樣品101。以此方式，由計量系統100在樣品101之表面上之任何數目之位置及定向內收集樣品101之測量。在一項實例中，計算系統130將指示樣品101之所期望位置之命令信號(未展示)傳達至樣品定位系統190。作為回應，樣品定位系統190產生至樣品定位系統190之各種致動器之命令信號以達成樣品101之所期望定位。

一般而言，樣品定位系統190可包含用以達成所期望線性及角度定位效能之機械元件之任何適合組合，包含但不限於測角置物台、六腳置物台、有角度置物台及線性置物台。

在某些實例中，SE計量系統100以兩個不同方位角照射包含部分製作之FINFET裝置之一陣列之一計量目標，且產生用於每一測量之光譜信號103。在此等實例中之某些實例中，一個方位角與平行於電晶體通道之延伸方向之一方向(亦即，連接源極與汲極之方向)對準，且另一方位角正交於電晶體通道之延伸方向對準。以此方式，以相對於電晶體通道成兩個正交角度之照射光之入射電場執行測量。圖11係圖解說明入射於晶圓101上之照射束107之一圖式。如在圖11中所繪示，安置於晶圓101上之計量目標在X’方向上係週期性的。

計量系統100亦包含計算系統130，其經組態以接收所偵測信號103並至少部分地基於所測量信號判定指示所測量結構之應變之一值之一估計。在某些實例中，計算系統130基於所測量光譜103判定在每一方位角處之所測量通道之一帶隙。此外，計算系統130基於在每一方位角處之所測量矽帶隙之間的差判定沿著所測量通道存在之應變的一指示。

一般而言，諸如SE計量系統100之一光學散射計經組態而以任何所期望入射角及方位角將照射光遞送至一被測量計量目標。

圖3繪示用於對如在本文中所闡述之一或多個計量目標執行SR測量之一例示性光譜反射計(SR)計量系統200。如在圖3中所繪示，計量系統200包含一SR子系統106。SR子系統106包含產生入射於晶圓101上一照射光束135之一照射源120。在某些實施例中，照射源120係發射在紫外光、可見光及紅外光光譜中之照射光之一寬頻帶照射源。在一項實施例中，照射源120係一雷射維持電漿(LSP)光源(亦稱為，雷射驅動電漿源)。LSP光源之泵激雷射可係連續波或脈衝的。一雷射驅動電漿源可跨越自150奈米至2,500奈米之整個波長範圍產生比一氙燈顯著多的光子。照射源120可係一單個光源或複數個寬頻帶或離散波長光源之一組合。由照射源120產生之光包含自紫外光至紅外光(例如，真空紫外光至中紅外光)之一連續光譜或一連續光譜之部分。一般而言，照射光源120可包含一超連續雷射源、一紅外氦氖雷射源、一弧光燈、一碳化矽棒源或任何其他適合光源。

在一其他態樣中，該量之照射光係包含橫跨至少500奈米之一波長範圍之寬頻帶照射光。在一項實例中，寬頻帶照射光包含低於250奈米之波長及高於750奈米之波長。一般而言，寬頻帶照射光包含介於120奈米與4,200奈米之間的波長。在某些實施例中，可採用包含超過4,200奈米之波長之寬頻帶照射光。在某些實施例中，照射源110包含發射具有跨越自150奈米至400奈米之一範圍之波長之光之一氘源，發射具有跨越自180奈米至2,500奈米之一範圍之波長之光之一LSP源，發射具有跨越自800奈米至4,200奈米之一範圍之波長之光之一超連續源，及發射具有跨越自2,000奈米至20,000奈米之一範圍之波長之光之一碳化矽棒源。

如在圖3中所繪示，SR子系統106包含經組態以將照射光135引導至在晶圓101上形成之計量目標之一照射子系統。展示照射子系統包含光源120、一或多個光學濾光器121、照射場光闌122A、照射孔徑光闌122B、偏光組件129、光學器件123、分束器124及物鏡125。如所繪示，在圖3中，當照射光束135自照射源120傳播至晶圓101時，該束穿過光學濾光器121、偏光組件129、場光闌122A、照射孔徑光闌122B、光學器件123、分束器124及物鏡125。束135照射一測量點位108上方之晶圓101之一部分。

一或多個光學濾光器121控制光位準、空間輸出、光譜輸出或其組合。在某些實例中，一或多個多區濾光器被用作光學濾光器121。偏光組件129產生退出照射子系統之所期望偏光狀態。在某些實施例中，偏光組件係一偏光器、一補償器或兩者，且可包含任何適合之可商購偏光組件。偏光組件可係固定的、可旋轉至不同固定位置，或可係連續旋轉的。儘管在圖3中繪示之SR照射子系統包含一個偏光組件，但SR照射子系統可包含一個以上偏光組件。場光闌122A控制SR照射子系統之視場(FOV)且可包含任何適合之可商購場光闌。照射孔徑光闌122B控制SR照射子系統之照射數值孔徑(NA)且可包含任何之可商購孔徑光闌。光學器件123朝向分束器124引導照射光。分束器124朝向物鏡125引導照射光之一部分。物鏡125將來自分束器124之照射光聚焦在一測量點位108上方晶圓101上之一或多個結構(圖3中未展示)。SR照射子系統可包含在光譜反射測量技術中已知之任何類型及配置之光學濾光器121、偏光組件129、照射場光闌122A、照射孔徑光闌122B、光學器件123、分束器124及物鏡125。

SR子系統106亦包含經組態以收集由一或多個結構與入射照射束135之間的交互作用產生之光之一收集光學器件子系統。一所收集光束136由物鏡125自測量點位108收集。所收集光136穿過收集光學器件子系統之分束器124、聚焦光學器件126、收集孔徑光闌127B及收集場光闌 127A。

物鏡125包含用以自在晶圓101上形成之一或多個結構收集光之任何適合光學元件。在某些實施例中，物鏡125包含控制照射光學器件子系統及收集光學器件子系統之NA之一孔徑光闌。收集孔徑光闌127B控制收集子系統之收集NA。收集場光闌127A控制收集子系統之視場(FOV)。收集子系統自晶圓101獲取光並引導光穿過物鏡125、分束器124、聚焦光學器件126、收集孔徑光闌127B及收集場光闌127A。在某些實施例中，收集場光闌127A被用作偵測子系統之光譜儀之一光譜儀狹槽。然而，收集場光闌127A可位於偵測子系統之光譜儀之一光譜儀狹槽處或其附近。

在某些實施例中，分束器124、物鏡125或兩者可對照射子系統與收集子系統係共同的。在某些實施例中，照射子系統與收集子系統具有相同NA。在某些實施例中，照射子系統與收集子系統具有不同NA。收集子系統可包含在光譜反射測量技術中已知之任何類型及配置之物鏡125、分束器124、聚焦光學器件126、收集孔徑光闌127B及場光闌127A。

在圖3中所繪示之實施例中，SR收集光學器件子系統將所收集光引導至偵測器128。偵測器128回應於自在測量點位108處由照射子系統照射之一或多個結構收集之光而產生輸出。在一項實例中，偵測器128包含對紫外光及可見光(例如，具有介於190奈米與860奈米之間的波長之光)敏感之電荷耦合裝置(CCD)。在其他實例中，偵測器128包含對紅外光(例如，具有介於950奈米與2500奈米之間的波長之光)敏感之一光偵測器陣列(PDA)。然而，一般而言，偵測器128可包含其他偵測器技術及配置 (例如，一位置敏感偵測器(PSD)、一紅外光偵測器、一光伏打偵測器、一正交單元偵測器、一相機等)。每一偵測器將入射光轉換為指示入射光之光譜強度之電信號。一般而言，偵測器128產生指示在偵測器128上偵測之光之輸出信號102。

儘管，圖3圖解說明在照射路徑中之一偏光組件，但一般而言，SR子系統106可包含在照射路徑、收集路徑或兩者中之一或多個偏光組件以增強由SR子系統106執行之光譜反射術測量。

在某些實施例中，諸如SE計量系統100及SR計量系統200之一光學散射術測量系統藉由將光學路徑包封維持於一真空中或使用一惰性氣體吹掃之一室中來擴展用於測量高k及低k材料之帶結構性質之照射光之波長範圍。

在某些實例中，SR計量系統200以兩個不同偏光角度照射包含部分製作之FINFET裝置之一陣列之一計量目標，且產生用於每一測量之光譜信號102。在此等實例中之某些實例中，一個偏光角度導致入射電場與平行於電晶體通道之延伸方向之一方向(亦即，連接源極與汲極之方向)之一對準，且另一偏光角度經對準使得入射電場正交於電晶體通道之延伸方向。以此方式，以相對於電晶體通道成兩個正交角度之照射光之入射電場執行測量。

計量系統200亦包含計算系統130，其經組態以接收所偵測信號102且至少部分地基於所測量信號判定指示所測量結構之應變之一值之一估計。在某些實例中，計算系統130基於所測量光譜102判定在每一偏光角處之所測量通道之一帶隙。此外，計算系統130基於在每一偏光角處之所測量矽帶隙之間的差判定沿著所測量通道存在之應變的一指示。

在一其他實施例中，計量系統100及200包含經組態以根據本文中提供之說明執行模型構建與分析工具170之一或多個計算系統130。在較佳實施例中，模型構建與分析工具170係儲存在一記憶體132中之一組程式指令134。程式指令134由一或多個處理器131讀取及執行以實現如在本文中所闡述之模型構建與分析功能性。一或多個計算系統130可通信地耦合至光譜儀105及106。在一項態樣中，一或多個計算系統130經組態以接收與安置於晶圓101上之一或多個計量目標之一測量相關聯之測量資料(例如，光譜102、光譜103或兩者)。在一項實例中，測量資料包含基於來自光譜儀之一或多個取樣程序之樣品之所測量光譜回應(例如，依據波長之所測量強度)之一指示。在某些實施例中，一或多個計算系統130進一步經組態以自所接收測量資料估計所測量電晶體通道中之應變之一值。

在某些實例中，基於計量之光學散射測量涉及藉由使用所測量資料逆解一預判定測量模型來判定一或多個光學性質、幾何參數或兩者之值。測量模型包含數個(大約十個)可調整參數且表示樣品之幾何結構及光學性質以及測量系統之光學性質。逆解之方法包含但不限於基於模型之回歸、層析成像、機器學習或其任何組合。以此方式，藉由求解最小化所測量光學強度與模型化結果之間的誤差之一參數化測量模型之值來估計目標參數。

一般而言，如在本文中所闡述之一光學散射計可經組態以測量可指示應變之任何適合光學性質。藉助於非限制性實例，此等光學性質包含光學常數(諸如折射率)、消光係數、反射率、所有介電函數，及所導出性質(諸如帶隙及其他帶結構值)。

在一其他態樣中，計算系統130經組態以產生一樣品之一所測量結構之一結構模型(例如，幾何模型、材料模型或經組合幾何及材料模型)，產生與模型化結構相關聯之一光學回應模型，並藉由使用該光學回應模型執行光學測量資料之一擬合分析來解析至少一個樣品參數值。使用分析引擎比較經模擬光學回應信號與所測量資料，藉此允許幾何參數、光學參數或兩者之判定。在圖4中所繪示之實施例中，計算系統130組態為經組態以實施如本文中所闡述之模型構建與分析功能性之一模型構建與分析引擎170。

如在圖4中所繪示，模型構建與分析引擎170包含一結構模型構建模組171，其產生安置於晶圓101上之一所測量計量目標之一結構模型172。在某些實施例中，結構模型172亦包含樣品之材料性質。結構模型172作為輸入接收至光學回應函數構建模組173。光學回應函數構建模組173至少部分地基於結構模型172產生一光學回應函數模型175。

光學回應函數模型175包含一所測量光學色散之一參數表示。在某些實例中，參數化模型表示與帶隙參數具有一直接關係之一介電函數、通道結構之電效能之一關鍵指示符。一般而言，選擇特定參數化來減少未知參數之數目並降低參數當中之相關。

在某些實例中，基於一直接反演法預測一或多個高k介電層之光學回應。此等方法藉助於實例闡述於J.Price等人之「Identification of interfacial defects in high-k gate stack films by spectroscopic ellipsometry」(J.Vac.Sci.Technol.B 27(1),310(2009))及J.Price等人之「Identification of sub-band-gap absorption features at the HfO2/Si(100)interface via spectroscopic ellipsometry」(APL 91, 061925(2007))，其每一者之標的物全部併入本文中。然而，直接反演法係計算上繁重的，對統計測量誤差極其敏感，且不提供所測量結構之一基於實體之模型(亦即，光學函數不滿足Kramers-Kronig一致性條件)。因此，直接反演法用於高輸送量檢驗及程序控制之效用受到限制。

在某些其他實例中，基於一布魯格曼有效介質近似(Bruggeman Effective Medium Approximation；BEMA)模型預測一或多個高k介電層之光學回應。BEMA模型將層之介電函數表示為組分之所假定介電函數之一有效組合物。然後使經最佳化有效組合物與所關注介電層之組合物相關。一般而言，BEMA模型係基於組分之Kramers-Kronig一致介電函數，且因此本身係Kramers-Kronig一致的。因此，BEMA模型產生物理上合理的結果。然而，自BEMA模型導出之帶隙之值係需要一參考以提供有意義的準確結果之一間接測量。

使用BEMA及直接反演法兩者以自光學散射術測量提取色散曲線(例如，介電函數之實部(ε₁)及虛部(ε₂))，或折射指數(n)及消光係數(k)。隨後，必須在所關注能量範圍中內插所計算色散曲線以評估帶隙。帶隙估計之準確度極大地取決於用於帶隙內插之所關注能量之選擇。此外，由於帶隙必須自所計算色散曲線間接導出，因此需要一參考來提供準確結果。出於此等實際原因，BEMA及直接反演兩者在其準確監測帶隙之能力上係受限的。

在某些其他實例中，採用一Tauc-Lorentz模型或一Cody-Lorentz模型，如藉助於實例闡述於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))，該論文之標的物全部併入本文中。在此等模型中，介電函數之虛部由一參數化色散函數表示，且基於Kramers-Kronig一致性之強制執行判定介電函數之實部。藉由以數值回歸將模型化光譜擬合至所測量光譜來評估模型參數(例如，光學功能參數及厚度)。藉由對模型參數之擬合品質及置信限制之統計評估來評價模型之有效性及限制。

習用Cody-Lorentz函數之一重要限制係其在Urbach躍遷能階E_T處在能量範圍E及諧振能量範圍E₀內具有不連續導數。此使得色散模型在數學上係不明確的，從而產生模型將產生與材料之實際、實體特徵無關之結果之可能性。此外，導數之連續性係在光學散射測量中經受最佳化之任何光學模型之一重要特性。特定而言，導數之一不連續性可使得最佳化程序在計算上不穩定。

在某些實施例中，所選擇色散模型包含具有連續一階導數之一連續Cody-Lorentz模型以闡述高k材料之複雜塊體帶結構。所選擇色散模型包含一廣義Cody-Lorentz模型以闡述使用額外洛倫茲(Lorentz)峰值擴增之高k介電材料之複雜塊體帶結構以闡述缺陷、介面狀態或激子態。可採用使用額外洛倫茲峰值擴增之廣義Cody-Lorentz模型來建模高k介電層及各種奈米結構(例如，奈米線、量子點及量子井)，包含任何原點之任何數目之能帶，諸如激子態。模型可經廣義化以包含任何數目之缺陷位準。在另一實例中，模型可應用於嵌入在另一非晶態介電板或層中之奈米結構(例如，量子井、量子點及奈米線)。前述建模技術之額外說明提供於美國專利第9,405,290號、第9,595,481號及第9,664,734號中，該等專利之內容以全文引用之方式併入本文中。

一般而言，任何適合光學色散模型可預期在本專利文件之範疇內。藉助於非限制性實例，一適合色散模型包含一BEMA模型、一Cody-Lorentz模型、一Tauc-Lorentz模型、一諧波振盪器模型及一點對點色散模型。

光學回應函數模型175作為輸入接收至擬合分析模組177。擬合分析模組177比較模型化光學回應與對應所測量資料(例如，所測量光譜102、所測量光譜103或兩者)以判定儲存在記憶體(例如，記憶體180)中之樣品之光學性質之值104或幾何及光學性質兩者之值。在某些實例中，擬合分析模組177藉由使用光學回應模型175對光學測量資料執行一擬合分析來解析至少一個光學參數值。

在某些實例中，藉由擬合分析模組177判定平行於通道之延伸方向測量之經單軸應變之FINFET通道之帶隙之一值E_g0及垂直於通道之延伸方向測量之經單軸應變之FINFET通道之帶隙之一值E_g90。此外，擬合分析模組177基於帶隙之值根據方程式(6)估計應變之值。

光學計量資料之擬合對於向所關注參數提供敏感性之任何類型之光學計量技術係有利的。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光交互作用之恰當模型即可。

此外，在某些實施例中，一或多個計算系統130進一步經組態以自一使用者輸入源(諸如一圖形使用者介面、鍵盤等)接收使用者輸入。一或多個電腦系統進一步經組態以組態被測量半導體結構之結構模型(例如，結構模型172)。

一般而言，光學散射術測量資料對所測量電晶體結構之幾何特徵及下伏材料之光學性質(包含受單軸應變影響之電晶體通道之光學性質)兩者敏感。為了基於光學散射術測量估計電晶體通道之應變狀態，必須使應變對所測量光譜之影響與其他貢獻因素(諸如在測量中捕獲之所測量計量目標之幾何結構及其他結構(例如，源極及汲極結構等)之材料性質)去相關。

在一其他態樣中，被測量計量目標之幾何結構由另一測量系統測量，且所測量幾何結構被前饋至光學散射術測量模型中。舉例而言，如在圖2及圖3中所繪示，採用一測量源150(諸如一基於X射線之計量系統或一基於電子之計量系統)來準確地測量被測量計量目標之幾何結構。將所測量計量目標之幾何輪廓151前饋至結構模型構建模組171。以此方式，結構模型構建模組171在不具有在後續分析中必須由擬合分析模組177提出之未知幾何參數之情形下產生準確地表示被測量計量目標之幾何結構之一結構模型172。例示性測量源150包含一透射小角度x射線散射計(T-SAXS)、掠射入射小角度x射線散射計(GI-SAXS)、反射小角度x射線散射計(R-SAXS)、單波長橢圓偏光儀、光譜橢圓偏光儀、透射電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡等。

在另一其他態樣中，基於所測量光譜信號(例如，信號102、103或兩者)，採用一經訓練幾何測量模型來估計被測量計量目標之幾何輪廓。將所估計幾何輪廓前饋至光學散射術測量模型中。在某些實施例中，將所測量計量目標之所估計幾何輪廓前饋至結構模型構建模組171，且結構模型構建模組171在不具有在後續分析中必須由擬合分析模組177提出之未知幾何參數之情形下產生準確地表示被測量計量目標之幾何結構之一結構模型172。經訓練幾何測量模型係一基於機器學習之模型(例如，神經網路模型、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、隨機森林模型或其他類型之模型)。基於自計量目標(具有已知幾何輪廓，舉例而言，由諸如上文所闡述之基於x射線及電子之計量系統之一參考計量系統準確測量之幾何輪廓)收集之光譜信號來訓練基於機器學習之模型。

在一其他態樣中，被測量計量目標之材料性質由另一測量系統直接測量，且所測量材料性質被前饋至光學散射術測量模型中。在一項實例中，採用一參考計量系統來測量在通道結構之兩端處製作之源極及汲極結構中存在的鍺濃度或碳化物濃度。例示性參考計量系統包含一x射線繞射儀、一RAMAN光譜儀等。

在某些實例中，間接測量被測量計量目標結構之材料濃度。在某些實例中，在與被測量計量目標結構相同的程序條件下製作一薄膜樣本。測量薄膜樣本之材料濃度。將所測量材料濃度作為被測量計量結構之材料濃度之一代替物前饋至光學散射測量模型。材料濃度之準確測量使其對光譜信號之貢獻與直接用於估計應變狀態之帶隙測量去相關。

在另一其他態樣中，採用一多模型方法來解析被測量計量目標之幾何結構並提供用於應變之絕對值之估計的一參考。對包含一經應變計量目標及一對應未經應變計量目標之一計量目標對執行光學散射術測量。

圖5繪示包含部分製作之電晶體結構之一重複陣列之一計量目標160。如在圖5中所繪示，電晶體結構陣列在X’方向上重複。一個電晶體包含一源極162A、一汲極(圖5中不可見)及一通道161A。一第二電晶體包含一源極162B、一汲極(圖5中不可見)及一通道(圖5中不可見)。計量目標160包含鰭式結構(例如，鰭式結構164A及164B)之一陣列，鰭式結構包括每一電晶體之通道。二氧化矽絕緣材料166使每一電晶體彼此隔離。間隔件165及襯裡167使閘極(未展示)與源極及汲極結構隔離。

圖6繪示包含部分製作之電晶體結構之一重複陣列之另一計量目標169。計量目標169包含鰭式結構(例如，鰭式結構168A及168B)之一陣列，鰭式結構包括每一電晶體之通道。如在圖6中所繪示，尚未對計量目標169執行形成在圖5中所繪示之源極及汲極結構之蝕刻及磊晶沈積步驟。否則，計量目標169及160係相同的。

圖8繪示在圖6中繪示之計量目標169之鰭式結構168A之一剖視圖。

圖9繪示在執行蝕刻步驟之後之鰭式結構164A之同一剖視圖。如在圖9中所繪示，藉由蝕刻步驟移除鰭式結構168A之拐角。在圖9中圖解說明所蝕刻材料之高度H及寬度W尺寸。

圖10繪示在執行磊晶沈積步驟之後之鰭式結構164A之同一剖視圖。如在圖10中所繪示，鰭式結構164A之拐角填充有形成電晶體之源極162A及汲極163A結構之材料。此外，連接源極與汲極結構之鰭式結構164A之部分係電晶體之通道結構161A。

製作有在一應變狀態中之一通道之一電晶體製作有由與源極及汲極結構不同的一材料製成之一鰭式結構。在一項實例中，使用矽製作鰭式結構161A，且使用矽鍺磊晶(例如，Si_1-xGe_x)製作源極結構162A及汲極結構163A。此兩種不同材料之間的晶格失配誘發沿著通道161A之一壓縮應變。在此實例中，鍺濃度控制晶格失配之程度，且因此影響所誘發應變。在另一實例中，使用矽製作鰭式結構161A，且使用碳化矽或摻雜磷之矽製作源極結構162A及汲極結構163A。此兩種不同材料之間的晶格失配誘發沿著通道161A之一拉伸應變。在此實例中，碳化物或磷濃度控制晶格失配之程度，且因此影響所誘發應變。

在某些實施例中，對包含一經應變計量目標及一對應未經應變計量目標之一計量目標對執行光學散射術測量。圖7繪示包括若干個計量目標對181A至181D之一實驗設計(DOE)晶圓101。每一計量目標對包含一經應變目標(例如，目標160A至160D)及一未經應變目標(例如，目標169A至169D)。使用誘發經製作通道中之每一者之應變之差值的不同源極/汲極材料濃度製造每一計量目標對之經應變目標。

在某些實施例中，經應變計量目標係製作有由與上文所闡述之源極及汲極結構不同的一材料製成之一鰭式結構之一計量目標，諸如計量目標160。在此等實施例中之某些實施例中，未經應變計量目標係一部分製作之計量目標(諸如計量目標169)，其中鰭未經蝕刻且源極及汲極結構未經製作。在此等實施例中，通道結構未經應變，此乃因在通道結構之端處不存在晶格失配(例如，整個鰭式結構係矽)。在某些其他實施例中，未經應變計量目標係一部分製作之計量目標，其中鰭式結構材料係用於製作源極及汲極結構之相同材料。由於材料係相同的，因此在通道中不存在晶格失配及所誘發應變。藉助於非限制性實例，可使用摻雜磷之SiGe或三元矽鍺碳化物(SiGeC)製作鰭式結構。儘管，闡述用以使一電晶體通道應變之某些特定材料失配，但一般而言，用以使一電晶體通道應變之任何材料或方法可預期在此專利文件之範疇內。類似地，儘管闡述用以製作源極、汲極及通道結構且不導致電晶體通道之應變之某些特定材料，但一般而言，用以生長通道、源極及汲極結構且不使電晶體通道應變之任何材料或方法可預期在此專利文件之範疇內。

在某些實施例中，由計算系統130處理自未經應變計量目標收集之所測量光譜以求解闡述未經應變目標之幾何結構之幾何參數。由於經應變目標與未經應變目標之幾何結構係相同的，因此將基於未經應變目標之測量判定之幾何結構參數前饋至經應變目標之光學參數之分析。以此方式，使幾何特徵對所測量光譜之貢獻與應變對所測量光譜之貢獻去相關。

在某些其他實施例中，由計算系統130在一多目標分析中處理來自未經應變目標與經應變目標兩者之所測量光譜。在此分析中，在一經組合分析中解析幾何參數及光學參數兩者，其中將經應變模型與未經應變模型之幾何參數聯繫起來，但受應變影響之帶隙及其他相關色散參數可獨立變化。

在一其他態樣中，由計算系統130處理自經應變計量目標及未經應變計量目標收集之所測量光譜以求解經應變通道之帶隙能量E_g-strained及未經應變通道之帶隙能量E_g-unstrained。在某些實施例中，以入射電場相對於電晶體通道之相同角度(例如，入射電場與通道之延伸方向對準)執行經應變目標及未經應變目標兩者之一電晶體通道之光學散射術測量。然後基於未經應變通道之帶隙之參考值判定經應變通道中之應變之絕對值。在一項實例中，基於由方程式(2)闡述之模型判定沿著通道之應變之絕對值，其中帶隙之改變△E係經應變目標之所測量帶隙E_g0-strained與未經應變目標之所測量帶隙E_{g0-unstrained}之差。此外，在垂直方向上之應變ε_per大約為零。因此，根據方程式(7)計算沿著通道之應變ε_par。

E_g0-strained-E_{g0-unstrained}=-5.658(2ε_par)+3.837(ε_par) (7)

在另一其他態樣中，基於所測量光譜信號(例如，信號 102、103或兩者)，採用一經訓練應變測量模型來估計一計量目標之電晶體通道之應變之一相對值。經訓練應變測量模型係一基於機器學習之模型(例如，神經網路模型、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、隨機森林模型或其他類型之模型)。基於自計量目標(具有已知應變值，舉例而言，由一參考計量系統準確測量之應變值)收集之光譜信號來訓練基於機器學習之模型。

在另一其他態樣中，使一半導體結構之通道中之應變之值與自成品裝置獲得之電測試結果相關。隨後，基於在製造程序之一早期階段測量之應變之值，使用此相關之一模型來預測成品裝置之電效能。

一般而言，可組合用以打破本文中所闡述之所測量光學回應之各種貢獻因素當中之相關之技術來改良應變測量之準確度。舉例而言，可依序地或並行分析經應變目標及未經應變目標之測量以準確地使幾何結構與應變測量去相關。此外，亦可採用幾何結構及材料濃度之準確測量來進一步改進應變測量。

在一其他態樣中，由照射源(例如，照射源110及120)發射之波長係可選擇的。在某些實施例中，照射源110或照射源120係由計算系統130控制以最大化一或多個所選擇光譜區域中之通量之一LSP光源。在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、脈衝寬度或兩者來使雷射峰值強度變化。如在圖2中所繪示，計算系統130將導致照射源110調整由照射源110發射之波長之光譜範圍之命令信號140傳達至照射源110。如在圖3中所繪示，計算系統130將導致照射源120調整由照射源120發射之波長之光譜範圍之命令信號141傳達至照射源120。在一項實例中，照射源110、照射源120或兩者係一LSP光源，且LSP光源調整一脈衝持續時間、脈衝頻率及目標材料組合物中之任一者以達成自LSP光源發射之波長之一所期望光譜範圍。

在某些實例中，模型構建工具170讀取含有結構(包括被測量計量目標)之方程式之一檔案。在某些實例中，由一微影模擬器(諸如可自加利福尼亞(USA)苗必達之KLA Corporation購得之PROLITH軟體)產生此檔案。基於此應用資訊，模型構建工具自動設定結構模型之參數化及約束條件。

雖然參考系統100及200解釋本文中所論述之方法，但可採用經組態以照射一樣品並檢測自該樣品散射之光之任何光學計量系統來實施本文中所闡述之例示性方法。例示性系統包含一角度解析反射計(亦即，一束輪廓反射計)、一角度解析橢圓偏光儀(亦即，束輪廓橢圓偏光儀)、一散射計、一光譜反射計或橢圓偏光儀、具有多個照射角度之一光譜反射計或橢圓偏光儀、一米勒(Mueller)矩陣光譜橢圓偏光儀(例如，一旋轉補償器光譜橢圓偏光儀)、一單波長橢圓偏光儀、一單波長反射計、一RAMAN散射計等。

藉助於非限制性實例，一橢圓偏光儀可包含一單個旋轉補償器、多個旋轉補償器、一旋轉偏光器、一旋轉分析儀、一調製元件、多個調製元件或不包含調製元件。

注意，可以測量系統使用一種以上技術之此一方式來組態來自一源及/或目標測量系統之輸出。實際上，一應用可經組態以採用一單個工具內或跨越若干個不同工具之可用計量子系統之任何組合。

亦可以若干種不同方式組態實施本文中所闡述之方法之一系統。舉例而言，可預期一廣泛波長範圍(包含可見光、紫外光及紅外光)、入射角度、偏光狀態及相干狀態。在另一實例中，系統可包含若干個不同光源中之任一者(例如，一直接耦合光源、一雷射維持電漿光源等)。在另一實例中，系統可包含用以調節引導至樣品或自樣品收集之光之元件(例如，變跡器、濾光器等)。

一般而言，被測量半導體結構之光學色散性質可近似為各向同性的。在此假設下，材料參數係標量值。另一選擇係，被測量半導體結構之光學色散性質可更準確地建模為各向異性的。在此假設下，材料參數將係不同值之一矩陣，而非一標量值。關於被測量各向異性結構之處理之額外細節闡述於美國專利公開案第2018/0059019號中，該專利公開案之內容以全文引用之方式併入本文中。

圖13圖解說明適合於由本發明之計量系統100及200實施之一方法400。在一項態樣中，應認識到，可經由由計算系統130之一或多個處理器執行之一預程式化演算法實施方法400之資料處理方塊。儘管在計量系統100及200之內容脈絡中呈現以下說明，但在本文中應認識到，計量系統100及200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401中，使用在相對於計量目標之一第一定向處具有一電場之一第一量之照射光照射包括部分製作之電晶體裝置之一第一陣列之一計量目標。

在方塊402中，使用在相對於計量目標之一第二定向處具有一電場之一第二量之照射光照射計量目標。

在方塊403中，回應於第一量之照射光偵測與計量目標之測量相關聯之測量資料之一第一量。

在方塊404中，回應於第二量之照射光偵測與計量目標之測量相關聯之測量資料之一第二量。

在方塊405中，基於測量資料之第一量與第二量之間的一差，估計指示沿著部分製作之電晶體裝置中之每一者之一通道存在的一應變之一值。

圖14圖解說明適合於由本發明之計量系統100及200實施之一方法500。在一項態樣中，應認識到，可經由由計算系統130之一或多個處理器執行之一預程式化演算法實施方法500之資料處理方塊。儘管在計量系統100及200之內容脈絡中呈現以下說明，但在本文中應認識到，計量系統100及200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，使用在相對於計量目標之一第一定向處具有一電場之一第一量之照射光照射一計量目標之部分製作之電晶體裝置之一第一陣列。

在方塊502中，使用在相對於計量目標之該第一定向處具有一電場之一第二量之照射光照射計量目標之部分製作之電晶體裝置之一第二陣列。部分製作之電晶體裝置之第一陣列具有一經應變通道結構，且部分製作之電晶體裝置之第二陣列具有一未經應變通道結構。

在方塊503中，回應於第一量之照射光偵測與計量目標之測量相關聯之測量資料之一第一量。

在方塊504中，回應於第二量之照射光偵測與計量目標之測量相關聯之測量資料之一第二量。

在方塊505中，基於測量資料之第一量與第二量之間的一差，估計指示沿著部分製作之電晶體裝置中之每一者之一通道存在的一應變之一值。

應認識到，本發明通篇中所闡述之各種步驟可由一單個電腦系統或另一選擇係多個電腦系統執行。此外，系統100及200之不同子系統(諸如光譜橢圓偏光儀105)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，一或多個計算系統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。

計算系統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一其他計算裝置。一般而言，術語「計算系統」可廣泛地定義為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。一般而言，計算系統130可分別整合有諸如測量系統100及200之一測量系統，或另一選擇係可與任何測量系統分離。在此意義上，計算系統130可位於遙遠處並分別自任何測量源及使用者輸入源接收測量資料及使用者輸入。

實施諸如本文中所闡述之彼等方法之方法之程式指令134可經由載體媒體傳輸或存儲於載體媒體上。載體媒體可係諸如一導線、電纜或無線傳輸鏈路之一傳輸媒體。載體媒體亦可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、一磁盤或光盤或者磁帶。舉例而言，如在圖2及圖3中所圖解說明，儲存於記憶體132中之程式指令134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。

如在本文中所闡述，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)、任何兩個或更多個結構之間的一臨界尺寸(例如，兩個結構之間的距離)、兩個或更多個結構之間的一位移(例如，重疊光柵結構之間的重疊位移等)，及在結構或結構之部分中使用之一材料之一色散性質值。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「臨界尺寸測量應用」包含任何臨界尺寸測量。

如在本文中所闡述，術語「計量系統」包含至少部分地用於表徵任一態樣中之一樣品之任何系統。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，計量系統100及200可經組態用於經圖案化晶圓及/或未經圖案化晶圓中之應變測量。計量系統可組態為一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臺之資料)，及任何其他計量或檢驗工具。

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。本文中使用術語「樣品」來指代一晶圓、一光罩或任何其他樣本上可藉由此項技術中已知之手段處理(例如，針對缺陷之印刷、測量或檢驗)之一位點或若干位點。在某些實例中，樣品包含具有一或多個測量目標(其同時、經組合測量被處理為一單個樣品測量或參考測量)之一單個位點。在某些其他實例中，樣品係若干位點之一匯總，其中與經匯總測量位點相關聯之測量資料係與多個位點中之每一者相關聯之資料之一統計匯總。此外，此等多個位點中之每一者可包含與一樣品相關聯之一或多個測量目標或參考測量。

如在本文中所使用，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。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/或在其中處理。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」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所完成光罩。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，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經圖案化的。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所完成裝置。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打算涵蓋其上製作有在此項技術中已知之任何類型之裝置之一晶圓。

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。藉助於實例而非限制方式，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。如在本文中所使用，磁碟及光碟包含：壓縮光碟(CD)、雷射光碟、光學光碟、數位多功能光碟(DVD)、軟碟及藍光碟，其中磁碟通常以磁性方式再現資料，而光碟藉助雷射以光學方式再現資料。上文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形下實踐對所闡述實施例之各種特徵之各種修改、改動及組合。