專(zhuān)利名稱(chēng)：改善的橢偏測(cè)量超薄膜的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及半導(dǎo)體器件制造，更具體地說(shuō)，涉及改善的橢偏測(cè)量超薄膜的方法和裝置。
背景技術(shù)：
橢偏測(cè)量是利用偏振光探測(cè)樣品特性的光學(xué)技術(shù)。橢偏測(cè)量的一個(gè)最常見(jiàn)的應(yīng)用是分析薄膜。通過(guò)與樣品相互作用的光的偏振態(tài)的分析，橢偏測(cè)量可得到關(guān)于該膜特性的特定信息。例如，根據(jù)關(guān)于樣品的已知信息，該技術(shù)可探測(cè)到包括層厚度、折射率、形態(tài)，或者化學(xué)組分的特性范圍。
一般地，光學(xué)橢偏測(cè)量可定義為偏振光波狀態(tài)的測(cè)量。當(dāng)與樣品相互作用時(shí)，橢偏儀測(cè)量光的偏振態(tài)的變化。雖然有時(shí)也采用透射橢偏儀，但最常用的橢偏儀的配置是反射橢偏儀。如果從樣品表面斜入射的已知方位的線性偏振光被反射或透射，則產(chǎn)生的光變成橢圓偏振光。橢圓的形狀和方位取決于入射角、入射光的偏振方向、入射光的波長(zhǎng)，以及表面的菲涅耳特性。
測(cè)量光的偏振，以用于確定樣品的特定特征。例如，在一個(gè)常規(guī)消光橢偏儀中，可用四分之一波片及其后的檢偏器測(cè)量反射光的偏振。改變四分之一波片和檢偏器的方位，直至沒(méi)有光通過(guò)檢偏器(即達(dá)到消光)。根據(jù)這些方位以及入射光的偏振方向，可計(jì)算出從表面反射的光的偏振態(tài)的說(shuō)明，從而推導(dǎo)出樣品特性。
橢偏測(cè)量的兩個(gè)特征使其在半導(dǎo)體制造領(lǐng)域中的應(yīng)用尤其具有吸引力。首先，由于橢偏測(cè)量是非破壞性的技術(shù)，其適于在原處觀察樣品。其次，該技術(shù)極其靈敏，因?yàn)樵谔囟ㄇ闆r下，可測(cè)量得到小至亞單層原子或分子的膜的細(xì)微變化。因此，橢偏測(cè)量已廣泛用于例如物理、化學(xué)、材料科學(xué)、生物、冶金工程以及生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域。然而，同時(shí)，微電子制造的進(jìn)展正迅速超過(guò)計(jì)量學(xué)的當(dāng)前能力。為了使未來(lái)時(shí)代的微電子能夠繼續(xù)按比例縮小，特定計(jì)量學(xué)的能力的進(jìn)展也必須符合例如在亞微米的橫向尺寸上測(cè)量超薄膜(例如約小于等于20埃的厚度)的特性的能力的要求。
然而，現(xiàn)有的橢偏測(cè)量系統(tǒng)在測(cè)量和辨別具有變化的光學(xué)特性的超薄膜的特定特征(例如折射率、厚度等)方面存在困難。過(guò)去，對(duì)于例如所采用的介質(zhì)材料是例如氧化物或氮化物材料的柵介質(zhì)的薄膜來(lái)說(shuō)，已假定特定的光學(xué)特性(例如材料組分)。然而，隨著更先進(jìn)的超薄柵介質(zhì)的采用，關(guān)于介質(zhì)材料的組分的傳統(tǒng)假定在用于橢偏測(cè)量時(shí)不再可靠。具體地說(shuō)，這些超薄膜在入射光束上沒(méi)有產(chǎn)生足夠的相移以充分辨別膜厚和膜組分。因此，存在改善常規(guī)橢偏測(cè)量技術(shù)的需要，以能夠可靠地得到對(duì)先進(jìn)超薄膜的希望測(cè)量。

發(fā)明內(nèi)容
通過(guò)一種進(jìn)行超薄膜的橢偏測(cè)量的方法，克服或減輕了現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)和不足。在一個(gè)代表性實(shí)施例中，該方法包括導(dǎo)向入射到樣品表面上的偏振光束，接收來(lái)自所述樣品表面的初始反射光束，并一次或多次再次導(dǎo)向所述初始反射光束返回到所述樣品表面上，以產(chǎn)生最終的反射光束。通過(guò)檢偏器在探測(cè)器處接收所述最終的反射光束，以確定所述超薄膜的特征。
在另一個(gè)實(shí)施例中，提供了一種確定在半導(dǎo)體襯底上形成的超薄膜的膜厚和組分的方法，包括導(dǎo)向入射到所述超薄膜表面上的偏振光束，并接收來(lái)自所述超薄膜表面的初始反射光束。所述初始反射光束具有相對(duì)于所述入射到所述超薄膜表面的光束的相移。多次重復(fù)再次導(dǎo)向所述初始反射光束返回到所述樣品表面上，其中所述相移隨著每次所述重復(fù)增大，以產(chǎn)生最終的反射光束。通過(guò)檢偏器在探測(cè)器處接收所述最終的反射光束，以確定所述超薄膜的所述膜厚和組分。
在又一個(gè)實(shí)施例中，提供了一種確定超薄膜的特征的橢偏測(cè)量裝置，包括光源和起偏器，配置為導(dǎo)向入射到樣品表面上的偏振光束。所述裝置還包括接收來(lái)自所述樣品表面的初始反射光束并且一次或多次再次導(dǎo)向所述初始反射光束返回到所述樣品表面上以產(chǎn)生最終的反射光束的部件。檢偏器配置為接收通過(guò)其的所述最終的反射光束，以及探測(cè)器配置為確定所述超薄膜的特征。


參考代表性附圖，其中在各圖中相同部件的標(biāo)號(hào)相同圖1是現(xiàn)有的反射橢偏儀裝置的示意性圖示；圖2是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例具體配置為反復(fù)導(dǎo)向初始反射光返回到超薄膜表面上的橢偏儀裝置的示意性圖示；以及圖3是圖2的橢偏儀裝置的替換實(shí)施例的示意性圖示。
具體實(shí)施例方式
在此公開(kāi)的是改善的橢偏測(cè)量方法和裝置，該方法和裝置有助于在例如用于先進(jìn)半導(dǎo)體制造中的超薄膜的測(cè)量和表征。簡(jiǎn)要地說(shuō)，通過(guò)反復(fù)導(dǎo)向初始反射光束返回到樣品上，以累積地增大由超薄膜產(chǎn)生的相移效應(yīng)，本發(fā)明實(shí)施例克服了具有極小的相移信息的缺點(diǎn)。這樣，反復(fù)反射的光束的累積的相移信息提供了感興趣的測(cè)量參數(shù)的精確性和可靠性的提高。應(yīng)理解，在下文中所述的實(shí)施例不僅可應(yīng)用于半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，也可應(yīng)用于其它測(cè)量和分析超薄膜的領(lǐng)域。
首先參考1，示出了用于在樣品102上進(jìn)行橢偏測(cè)量的現(xiàn)有反射橢偏儀裝置100的示意性圖示，其中在襯底106上形成超薄層104。如圖所示，裝置100包括起偏器部分108和檢偏器部分110。起偏器部分108包括光源112，例如激光器(例如632.8nm的氦/氖激光器或者650-680nm的半導(dǎo)體二極管激光器)，以及為入射光束116提供偏振態(tài)的起偏器114，該入射光束116相對(duì)于樣品110的表面成非垂直角度(例如，相對(duì)于樣品表面平面約20°，或者相對(duì)于表面平面的法線約70°)。入射光束116典型地為在平行和垂直于表面平面的方向上具有有限場(chǎng)分量Ep和Es的線偏振(如圖1所示)。(然而，在其它系統(tǒng)中，入射光束116也可以是橢圓偏振光或圓偏振光。)根據(jù)菲涅耳公式，由于超薄層104的特性，一旦入射光束116反射離開(kāi)樣品102的超薄層104，反射光束118的初始線偏振就改變?yōu)檩p微的橢圓偏振。然后用橢偏儀裝置100的檢偏器部分110檢偏反射光束118。具體地說(shuō)，檢偏器部分110包括檢偏器120(例如，通常與第一起偏器114交叉的第二起偏器)以及探測(cè)器122。
為了測(cè)量反射光束的偏振，操作員可改變起偏器114、檢偏器120和/或其它附加光學(xué)組件的角度，直至探測(cè)到最小信號(hào)。例如，如果由樣品102反射的光118是線偏振，同時(shí)設(shè)置檢偏器120以使僅允許具有與入射偏振垂直的偏振的光通過(guò)，則探測(cè)到最小信號(hào)。因此，如果滿足最小條件，檢偏器120的角度與反射光118的偏振方向相關(guān)。將裝置“轉(zhuǎn)”至該消光條件(例如，通常在計(jì)算機(jī)控制下自動(dòng)完成)，并且利用起偏器114、檢偏器120的位置，以及光116相對(duì)于樣品表面的平面的入射角度，計(jì)算橢偏測(cè)量的基本量，即所謂的(Ψ，Δ)對(duì)，其由以下表達(dá)式給出tanΨ(ejΔ)=RpRs]]>其中Rp和Rs分別是偏振光的橫磁波和橫電波的復(fù)菲涅耳反射系數(shù)。因此，由橢偏測(cè)量對(duì)(Ψ，Δ)，可確定薄膜的厚度和折射率。也應(yīng)認(rèn)可，也可能采用各種其它的檢偏反射光的方法。例如，一種可能的替換將改變檢偏器120的角度，以采集偏振信息。
然而，如上所述，超薄膜相對(duì)于入射光束產(chǎn)生非常小的相移。因?yàn)闇y(cè)量的膜特征(厚度和光學(xué)特性)是基于由超薄膜104產(chǎn)生的相移的程度，由于該極小的相移，圖1的橢偏儀裝置100不適于超薄膜的可靠表征。因此，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，圖2示出了橢偏儀裝置200，具體配置為利用保持初始反射光的相移的反射部件，反復(fù)導(dǎo)向初始反射光返回到超薄膜表面上。以這種方式，多次傳送將累積地增大相移，以使其可更有把握地得以測(cè)量。此外，可引入提供附加信息的入射角度和方位變化，在典型的橢偏儀或光譜橢偏儀中通常沒(méi)有該附加信息。
更具體地說(shuō)，橢偏儀裝置200包括多個(gè)在檢偏器120之前的光路中配置的反射部件202a-202f(例如具有最小的或固定/已知的相移的鏡面)。第一鏡面202a接收初始反射光束118a，以非相互作用的方式(用虛線表示)相對(duì)于膜104在鄰近入射光束116的源點(diǎn)的點(diǎn)處將其再次導(dǎo)向至第二鏡面202b。然后在與入射光束106近似相同的點(diǎn)204處，第二鏡面202b再次導(dǎo)向光返回離開(kāi)膜104。然后利用其后的鏡面對(duì)(例如202c/202d、202e/202f)，重復(fù)該再次導(dǎo)向的反射過(guò)程，直至達(dá)到合適的光束相移的重復(fù)量。
應(yīng)理解，圖2的示意性圖示沒(méi)有按比例畫(huà)出，并且鏡面202a-202f的間距、布置以及具體數(shù)量?jī)H為了圖示的目的示出。還應(yīng)理解，在圖2的平面視圖中，鏡面202a-202f位于膜104的平面之上，并且反射光束大致在反射的點(diǎn)204的位置入射到膜104上。在所示出的實(shí)施例中，定向分立鏡面，以使再次導(dǎo)向的入射光束在反射的源點(diǎn)204處入射。鏡面202a-202f的表面還可以使反射光束再次聚焦至反射的源點(diǎn)204的方式彎曲。
也應(yīng)理解，除了將分立鏡面用于各次反射，如果適當(dāng)配置鏡面的幾何結(jié)構(gòu)，也可利用在樣品相對(duì)側(cè)的單一鏡面。(換句話說(shuō)，在晶片104的一側(cè)，分立鏡面202a、202c和202e可在功能上作為第一鏡面實(shí)現(xiàn)，而在晶片104的相對(duì)側(cè)，分立鏡面202b、202d和202f可在功能上作為第二鏡面實(shí)現(xiàn)。)在任何情況下，最終的反射光束118b(在所有的重復(fù)之后)被導(dǎo)向用于測(cè)量橢偏測(cè)量參數(shù)的檢偏器120和探測(cè)器122。另外，配置鏡面202a-202f，以使最終的反射光束118b的偏振與反射光束118a的偏振基本相同，僅僅使相移效應(yīng)累積，以使其容易地得以測(cè)量。
可調(diào)整(即在需要處自動(dòng)插入或去除)鏡面的具體數(shù)量，或者更一般地，反射的次數(shù)，以使在測(cè)量過(guò)程中相移量可控制為最大可靠程度。另外，為了恢復(fù)為典型的橢偏儀配置，也可完全去除鏡面。圖2的實(shí)施例的又一個(gè)優(yōu)點(diǎn)歸因于以下實(shí)際情況可改變各鏡面在反射光返回離開(kāi)樣品時(shí)引入的入射角，從而可得到附加的信息(例如作為入射角的函數(shù)的橢偏測(cè)量參數(shù))。
根據(jù)涉及的具體應(yīng)用、測(cè)量和膜組分，可進(jìn)行適當(dāng)數(shù)量的反射傳送。例如，在目前所制造的柵氧化物情況下，總共10次傳送(反射)可適于精確的膜厚和組分確定。另一方面，更少數(shù)量的反射適于簡(jiǎn)單的傳送/失效測(cè)試。
最后，圖3示出了橢偏儀裝置300的替換實(shí)施例，其中，反射光束的路徑被可調(diào)地再次路由，以使其不沿著與原路徑相同的方向。該方法可用于，例如測(cè)量例如雙折射的材料光學(xué)特性。如圖3的代表性實(shí)施例所示，通過(guò)各種鏡面202的放置，初始反射光束118a的路徑由x方向改變?yōu)樽罱K的反射光束118b的y方向(正交)。然而，應(yīng)理解，對(duì)于希望的位置處的多次重復(fù)，可實(shí)現(xiàn)與樣品交叉的其它方向。
雖然參考優(yōu)選實(shí)施例或?qū)嵤├f(shuō)明了本發(fā)明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)理解，只要不脫離本發(fā)明的范圍，可進(jìn)行各種修改和對(duì)其元素的等同替換。另外，只要不脫離本發(fā)明的基本范圍，可對(duì)本發(fā)明的內(nèi)容進(jìn)行多種修改，以適應(yīng)具體場(chǎng)合或材料。因此，本發(fā)明旨在不限于所公開(kāi)的作為實(shí)施本發(fā)明的預(yù)期最佳模式的具體實(shí)施例，而旨在包括落入所附權(quán)利要求書(shū)范圍內(nèi)的所有實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種進(jìn)行超薄膜的橢偏測(cè)量的方法，包括以下步驟導(dǎo)向入射到樣品表面上的偏振光束；接收來(lái)自所述樣品表面的初始反射光束，并一次或多次再次導(dǎo)向所述初始反射光束返回到所述樣品表面上，以產(chǎn)生最終的反射光束；以及通過(guò)檢偏器在探測(cè)器處接收所述最終的反射光束，以確定所述超薄膜的特征。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中通過(guò)一個(gè)或多個(gè)反射表面進(jìn)行所述再次導(dǎo)向所述初始反射光束返回到所述樣品表面上的步驟。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中所述一個(gè)或多個(gè)反射表面包括分立鏡面。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中所述一個(gè)或多個(gè)反射表面包括在所述樣品表面一側(cè)的第一鏡面和在所述樣品表面的相對(duì)側(cè)的第二鏡面。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括沿著基本上不變的方向再次導(dǎo)向所述初始反射光束返回到所述樣品上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中以相對(duì)于所述初始反射光束的方向的正交方向進(jìn)行至少一次所述再次導(dǎo)向所述初始反射光束返回到所述樣品表面上的步驟，以測(cè)量所述超薄膜的雙折射。
7.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中所述分立鏡面相對(duì)于其位置可調(diào)整。
8.一種確定在半導(dǎo)體襯底上形成的超薄膜的膜厚和組分的方法，包括以下步驟導(dǎo)向入射到所述超薄膜表面上的偏振光束；接收來(lái)自所述超薄膜表面的初始反射光束，所述初始反射光束具有相對(duì)于所述入射到所述超薄膜表面的光束的相移；多次重復(fù)再次導(dǎo)向所述初始反射光束返回到所述樣品表面上，其中所述相移隨著每次所述重復(fù)增大，以產(chǎn)生最終的反射光束；以及通過(guò)檢偏器在探測(cè)器處接收所述最終的反射光束，以確定所述超薄膜的所述膜厚和組分。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中通過(guò)一個(gè)或多個(gè)反射表面進(jìn)行所述再次導(dǎo)向所述初始反射光束返回到所述超薄膜表面上的步驟。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中所述一個(gè)或多個(gè)反射表面包括分立鏡面。
11.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中所述一個(gè)或多個(gè)反射表面包括在所述樣品表面一側(cè)的第一鏡面和在所述樣品表面的相對(duì)側(cè)的第二鏡面。
12.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中所述鏡面包括為所述再次導(dǎo)向所述初始反射光束返回到所述超薄膜表面上的步驟配置的彎曲表面。
13.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，還包括沿著基本上不變的方向再次導(dǎo)向所述初始反射光束返回到所述超薄膜表面上。
14.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中以相對(duì)于所述初始反射光束的方向的正交方向進(jìn)行至少一次所述再次導(dǎo)向所述初始反射光束返回到所述樣品表面上的步驟，以測(cè)量所述超薄膜的雙折射。
15.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中所述分立鏡面相對(duì)于其位置可調(diào)整。
16.一種確定超薄膜的特征的橢偏測(cè)量裝置，包括光源和起偏器，配置為導(dǎo)向入射到樣品表面上的偏振光束；接收來(lái)自所述樣品表面的初始反射光束并且一次或多次再次導(dǎo)向所述初始反射光束返回到所述樣品表面上以產(chǎn)生最終的反射光束的部件；以及檢偏器，配置為接收通過(guò)其的所述最終的反射光束，以及探測(cè)器，配置為確定所述超薄膜的特征。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的橢偏測(cè)量裝置，其中所述接收來(lái)自所述樣品表面的初始反射光束并且一次或多次再次導(dǎo)向所述初始反射光束返回到所述樣品表面上的部件包括一個(gè)或多個(gè)反射表面。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的橢偏測(cè)量裝置，其中所述一個(gè)或多個(gè)反射表面包括分立鏡面。
19.根據(jù)權(quán)利要求17的橢偏測(cè)量裝置，其中所述一個(gè)或多個(gè)反射表面包括在所述樣品表面一側(cè)的第一鏡面和在所述樣品表面的相對(duì)側(cè)的第二鏡面。
20.根據(jù)權(quán)利要求16的橢偏測(cè)量裝置，還包括沿著基本上不變的方向再次導(dǎo)向所述初始反射光束返回到所述樣品上的部件。
21.根據(jù)權(quán)利要求16的橢偏測(cè)量裝置，還包括以相對(duì)于所述初始反射光束的方向的正交方向至少一次再次導(dǎo)向所述初始反射光束返回到所述樣品表面上以測(cè)量所述超薄膜的雙折射的部件。
22.根據(jù)權(quán)利要求18的橢偏測(cè)量裝置，其中所述分立鏡面相對(duì)于其位置可調(diào)整。
全文摘要
一種進(jìn)行超薄膜的橢偏測(cè)量的方法，包括導(dǎo)向入射到樣品表面上的偏振光束，接收來(lái)自所述樣品表面的初始反射光束，并一次或多次再次導(dǎo)向所述初始反射光束返回到所述樣品表面上，以產(chǎn)生最終的反射光束。通過(guò)檢偏器在探測(cè)器處接收所述最終的反射光束，以確定所述超薄膜的特征。
文檔編號(hào)H01L21/66GK1773250SQ200510117558
公開(kāi)日2006年5月17日 申請(qǐng)日期2005年11月4日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月11日
發(fā)明者C·斯特羅基亞-里韋拉 申請(qǐng)人:國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司