多重入射角半導體計量系統(tǒng)及方法
【專利說明】多重入射角半導體計量系統(tǒng)及方法
[0001]相關串請案的交叉參考
[0002]本申請案主張以下美國臨時專利申請案的優(yōu)先權:(i)大衛(wèi).Υ.王(DavidY.Wang)等人在2013年I月14日申請的標題為《多重入射角半導體計量系統(tǒng)(MultipleAngle of Incidence Semiconductor Metrology System)》的第 61/752，202 號美國臨時專利申請案，及(ii)大衛(wèi).Υ.王(David Y.Wang)等人在2013年9月16日申請的標題為《多重入射角半導體計量系統(tǒng)及方法(Multiple Angle of Incidence SemiconductorMetrology System and Methods)》的第61/878，561號美國臨時專利申請案。出于全部目的將這些申請案以全文引用的方式并入本文中。
技術領域
[0003]本發(fā)明大體上涉及半導體計量系統(tǒng)的領域。更特定來說，本發(fā)明涉及橢圓偏光測量、反射測量及散射測量系統(tǒng)。
【背景技術】
[0004]隨著對于不斷縮小的半導體裝置的需求持續(xù)增加，對于經(jīng)改進半導體晶片計量系統(tǒng)的需求也將增加。半導體裝置(例如邏輯及存儲器裝置)的制造通常包含使用大量半導體制造工藝來處理半導體晶片以形成半導體裝置的多種特征及多個層級?？稍趩蝹€半導體晶片上按布置制造多個半導體裝置且接著將所述多個半導體裝置分離成個別半導體裝置。
[0005]在半導體制造工藝期間的多種步驟處使用計量過程以監(jiān)測且控制一或多個半導體層工藝。舉例來說，使用計量過程以測量晶片的一或多個特性，例如在工藝步驟期間于所述晶片上形成的特征的尺寸(例如，線寬、厚度、角度等)，其中可通過測量所述一或多個特性確定工藝步驟的質(zhì)量。在此情況中，給定半導體樣品可包含一組計量目標，其中膜堆疊或二維及三維圖案化結(jié)構由具有多種幾何形狀及性質(zhì)的一或多個材料包圍。
[0006]光譜橢圓偏光測量(SE)計量測量對以不同光學參數(shù)從計量目標反射的光進行取樣。使用計量目標的SE數(shù)據(jù)以確定晶片特性。存在對于經(jīng)改進SE計量工具的持續(xù)需要(例如)以便可容易地解耦合針對不同目標特性的SE數(shù)據(jù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]以下呈現(xiàn)本發(fā)明的簡化提要以提供對本發(fā)明的某些實施例的基本理解。此提要并非對本發(fā)明的廣泛概述且其并不識別本發(fā)明的關鍵/重要元素或刻畫本發(fā)明的范圍。其唯一目的是以簡化形式呈現(xiàn)本文中揭示的某些概念作為隨后呈現(xiàn)的更詳細描述的序言。
[0008]在一個實施例中，揭示用于執(zhí)行半導體樣品的計量的橢圓偏光計設備。所述設備包含照明光學器件模塊，其用于提供處于可從真空紫外線(VUV)波長到紅外線(IR)波長的范圍內(nèi)選擇的多個波長的照明光束且以多個入射角(AOI)及/或方位角(AZ)將所述照明光束引導朝向樣品；及收集光學器件模塊，其用于收集處于多個離散AOI及/或AZ范圍的從樣品發(fā)出的輸出光束且將此輸出光束引導到檢測器模塊。所述離散范圍為一次一個地經(jīng)收集，且所述輸出光束響應于所述樣品上的所述照明光束。所述照明光學器件模塊包含用于產(chǎn)生所述照明光束的多個偏光狀態(tài)的偏光產(chǎn)生光學元件，且所述收集光學器件模塊包含用于分析所述輸出光束的所述偏光狀態(tài)的偏光分析光學元件。所述照明光學器件模塊及收集光學器件模塊包含在所述偏光產(chǎn)生光學元件與所述偏光分析光學元件之間的反射光學元件。所述設備進一步包含檢測模塊，其用于接收且檢測處于所述離散AOI及/或AZ范圍及所述偏光狀態(tài)的來自所述樣品的所述輸出光束，且基于處于所述離散AOI及/或AZ范圍及所述偏光狀態(tài)的所述輸出光束產(chǎn)生多個信號。所述設備還包含一或多個控制器，所述控制器各自經(jīng)配置以控制以下操作中的一或多者:選擇波長范圍；針對所述輸出光束的收集選擇所述離散AOI及/或AZ范圍中的一或多者；選擇所述偏光狀態(tài)；及分析處于所述離散AOI及/或AZ范圍及所述偏光狀態(tài)的所述信號以確定所述樣品的特性。在一個實例中，所述樣品為半導體晶片上的一或多個目標。
[0009]在特定實施方案中，所述離散AOI及/或AZ范圍彼此空間分離。在另一方面中，波長范圍為介于約150nm到約2000nm之間。在另一方面中，照明光學器件模塊包含用于產(chǎn)生照明光束的亮激光維持等離子(LSP)源。在一個方面中，LSP源產(chǎn)生處于等于或大于約0.lff/nm/cm2/sr的峰值亮度的照明光束。在一個方面中，離散AOI或AZ子組各自分離至少0.1°。在另一方面中，離散AOI及/或AZ范圍包含大于約60°的Α0Ι。在特定方面中，離散AOI及/或AZ范圍包含從O到360度的多個離散AZ范圍。在此實施例中，所述設備可包含用于使樣品旋轉(zhuǎn)以獲得在O度與360度之間的離散AZ范圍的定位機構。在另一方面中，離散AOI及/或AZ范圍包含從O度到90度的多個離散AZ范圍。
[0010]在一個實施例中，照明光學器件模塊包含用于提供處于與由收集光學器件模塊收集且檢測的離散AOI及/或AZ范圍實質(zhì)上相同的離散AOI及/或AZ范圍中的每一者的照明光束的多個固定光圈或可移動光圈。在一個方面中，照明光學器件模塊包含用于一次一個地提供處于離散AOI及/或AZ范圍中的每一者的照明光束的多個固定光圈及在每一固定光圈上方的快門。在另一方面中，照明光學器件模塊進一步經(jīng)配置以同時提供處于實質(zhì)上包含如由收集光學器件模塊一次一個地收集且檢測的離散AOI及/或AZ范圍的AOI及/或AZ范圍的照明光束。在另一實施例中，收集光學器件模塊包含用于一次一個地收集處于離散AOI及/或AZ范圍中的每一者的輸出光束的多個固定光圈及在每一固定光圈上方的快門。在另一實施例中，收集光學器件模塊包含用于一次一個地收集處于離散AOI及/或AZ范圍中的每一者的輸出光束的可移動光圈或具有在每一固定光圈上方的快門的多個靜止光圈。
[0011 ] 在特定實施方案中，偏光產(chǎn)生光學元件包含在照明光學器件模塊中的偏光器及第一補償器，且偏光分析光學元件包含在收集光學器件模塊中的第二補償器及分析器，且選擇偏光狀態(tài)包含:使偏光器、第一及第二補償器及分析器中的任何一或多者旋轉(zhuǎn)或保持靜止。在另一實施例中，偏光產(chǎn)生光學兀件包括偏光器及分析器，且選擇偏光狀態(tài)包含:使偏光器旋轉(zhuǎn)且保持分析器靜止。在進一步方面中，偏光分析光學元件進一步包括收集補償器，且選擇偏光狀態(tài)進一步包含:使收集補償器旋轉(zhuǎn)。在進一步方面中，照明光學器件模塊包含用于針對每一離散AOI及/或AZ范圍使樣品上的目標上方的焦點的點擴散函數(shù)最小化的切趾器。照明(或收集)切趾可通常經(jīng)定義為更改光學系統(tǒng)的入射光瞳中的光分布(例如，使用掩模以更改照明或收集光束的振幅及/或相位)借此改變照明(或收集)光束的強度輪廓。在又一進一步方面中，偏光產(chǎn)生光學元件進一步包括照明補償器，且選擇偏光狀態(tài)進一步包含:使照明補償器旋轉(zhuǎn)。
[0012]在另一實例中，偏光產(chǎn)生光學元件包括偏光器及照明補償器且偏光分析光學元件包括分析器，且選擇偏光狀態(tài)包含:使照明補償器旋轉(zhuǎn)且保持偏光器及分析器靜止。在進一步方面中，偏光分析光學元件進一步包括收集補償器，且選擇偏光狀態(tài)進一步包含:使收集補償器旋轉(zhuǎn)。在另一實施例中，偏光產(chǎn)生光學元件包括偏光器且偏光分析光學元件包括分析器，且選擇偏光狀態(tài)保持偏光器靜止且使分析器旋轉(zhuǎn)。
[0013]在特定實施方案中，照明光學器件模塊進一步包括用于針對離散AOI及/或AZ范圍中的每一者整形照明光束且控制在樣品上的目標處的焦點的點擴散函數(shù)的一或多個光束整形光學元件。舉例來說，一或多個光束整形元件經(jīng)配置以將由樣品上的照明光束引起的在距照明光點的中心的預定義距離處的輻照度減小到小于在照明光點的中心處的峰值輻照度的預定義值。
[0014]在實例方面中，一或多個光束整形元件為各自擁有不可重新配置的光學功能的切趾器。所述設備進一步包含用于將切趾器中的經(jīng)選擇者移動到共軛于照明光束的光瞳的平面中或附近的定位機構，且控制器進一步經(jīng)配置以導致定位機構移動切趾器中的經(jīng)選擇者。切趾器提供對應于全部離散AOI及/或AZ范圍的預定義照明輪廓。
[0015]在另一實例中，一或多個光束整形元件為位于共軛于照明光束的光瞳的平面處或附近的可動態(tài)調(diào)整切趾器，且可動態(tài)調(diào)整切趾器可配置以提供對應于全部離散AOI及/或AZ范圍的預定義照明輪廓。所述控制器進一步經(jīng)配置以調(diào)整可動態(tài)調(diào)整切趾器。
[0016]在另一實施例中，收集光學器件模塊包括位于或可移動到共軛于收集光瞳的平面處或附近的位置的一或多個切趾器，且切趾器提供對應于全部離散AOI及/或AZ范圍的預定義收集輪廓。
[0017]在另一實例中，照明光學器件模塊包括(i)第一離軸拋物面(OAP)鏡及(ii)第一平移鏡，所述第一平移鏡可移動以在多個位置處接收照明光束以將照明光束引導到第一OAP鏡上的多個位置，使得第一 OAP以離散AOI及/或AZ范圍將照明光束一次一個地反射到樣品。在此實例中，收集光學器件模塊包括(i)檢測器、(?)第二 OAP及(iii)第二平移鏡，所述第二平移鏡可移動以在多個位置處接收輸出光束以將輸出光束引導到第二 OAP鏡上的多個位置，使得第二 OAP將處于離散AOI及/或AZ范圍的輸出光束一次一個地反射到檢測器。
[0018]在另一實施例中，照明光學器件模塊具有光束分裂器、離軸拋物面(OAP)鏡及平移鏡，其可移動以經(jīng)由光束分裂器在平移鏡的多個平移位置處接收照明光束以便將照明光束引導到OAP鏡上的多個對應位置，使得OAP以離散AOI及/或AZ范圍將照明光束一次一個地反射到樣品。收集光學器件模塊包括(i)光束分裂器，(ii)OAP，(iii)平移鏡及(iv)球面鏡，所述球面鏡用于將輸出光束往回反射朝向樣品以導致第二輸出光束從樣品發(fā)出以從OAP上的對應位置反射且接著在多個平移位置處從平移鏡反射朝向光束分裂器且到檢測器，以便一次一個地收集處于離散AOI及/或AZ范圍的第二輸出光束。
[0019]在另一方面中，收集光學器件模塊進一步可配置以通過以一或多個AOI照明且在一或多個不同AOI下收集而從輸出光束收集零階光用于明視場計量且從輸出光束收集非零階光用于暗視場計量。在一個實施方案中，收集光學器件模塊收集與從樣品反射的照明AOI(AZ)相同的AOI (AZ)。在另一實例中，收集光學器件模塊收集不同于從樣品反射的照明AOI (AZ)的AOI (AZ)。在又一實例中，收集光學器件模塊含有用于將光分散到光譜中的分散元件。在另一實施例中，所述設備的照明光瞳及收集光瞳經(jīng)布置以設置照明及收集數(shù)值孔徑，且其中所述設備的照明及收集視場光闌經(jīng)布置以設置源大小及圖像大小。
[0020]在替代實施例中，所述設備包括(i)照明光學器件模塊，其用于提供處于可從真空紫外線(VUV)波長到紅外線(IR)波長的范圍內(nèi)選擇的多個波長的照明光束且以多個入射角(AOI)及/或方位角(AZ)將所述照明光束引導朝向樣品，及(ii)收集光學器件模塊，其用于收集處于實質(zhì)上全部AOI或AZ的從樣品發(fā)出的輸出光束且將此輸出光束實質(zhì)上同時引導到一或多個檢測器上，且輸出光束響應于樣品上的照明光束。照明光學器件模塊包含用于產(chǎn)生照明光束的多個偏光狀態(tài)的偏光產(chǎn)生光學元件，收集光學器件模塊包含用于分析輸出光束的偏光狀態(tài)的偏光分析光學元件，且照明光學器件模塊及收集光學器件模塊包含在用于產(chǎn)生多個偏光狀態(tài)的光學元件與用于分析偏光狀態(tài)的光學元件之間的反射光學元件。所述設備還包含用于接收且檢測處于AOI及/或AZ及偏光狀態(tài)的來自樣品的輸出光束以基于處于此類AOI及AZ及偏光狀態(tài)的輸出光束產(chǎn)生多個信號或圖像的一或多個檢測器；及一或多個控制器，所述一或多個控制器各自經(jīng)配置以控制以下操作中的一或多者:選擇波長范圍；選擇偏光狀態(tài)；及分析處于波長、AOI及/或AZ及經(jīng)選擇偏光狀態(tài)的信號或圖像以確定樣品的特性。
[0021 ] 在一個實施方案中，收集光學器件包含一或多個分散元件，所述分散元件用于在波長方向分散波長且在Α0Ι/ΑΖ方向分散AOI及/或AZ，借此沿著兩個不同檢測方向分散波長及AOI及/或AZ。在進一步方面中，兩個不同方向彼此正交。在另一方面中，一或多個分散元件針對兩個不同方向具有兩個不同光功率。在又一方面中，一或多個檢測器包括多個檢測器，且每一檢測器經(jīng)配置以解析經(jīng)分散波長，在不同AOI區(qū)域中的一者上積分。在進一步方面中，收集光學器件模塊進一步包括用于將來自一或多個分散元件的輸出光束劃分成各自輸出到檢測器中的一者的不同AOI區(qū)域的再分光學器件。在另一實例中，收集光學器件進一步包括定位于波長平面與Α0Ι/ΑΖ平面之間的重成像光學器件，且重成像光學器件經(jīng)配置以使波長平面重成像到每一檢測器上。
[0022]在另一實施方案中，收集光學器件模塊包括在共軛于光瞳的平面中的用于選擇性透射來自輸出光束的多個空間分離Α0Ι/ΑΖ區(qū)域的特定Α0Ι/ΑΖ區(qū)域的Α0Ι/ΑΖ掩模，及用于接收特定Α0Ι/ΑΖ區(qū)域且解析經(jīng)分散波長且在特定Α0Ι/ΑΖ區(qū)域上積分此類經(jīng)解析波長的檢測器，且控制器進一步經(jīng)配置以一次選擇一個特定Α0Ι/ΑΖ區(qū)域。在進一步方面中，波長平面經(jīng)定位于Α0Ι/ΑΖ平面之前。在另一方面中，Α0Ι/ΑΖ掩模由多個固定光圈及在每一固定光圈上的快門組成。在又一實例中，Α0Ι/ΑΖ掩模由固定、可移動光圈組成。
[0023]在另一實施例中，收集光學器件模塊包括用于解析經(jīng)分散波長、在不同AOI區(qū)域上積分的單個檢測器，在不同AOI區(qū)域中的鄰近者之間有AOI未經(jīng)解析及分析的光學無響應區(qū)。在另一方面中，收集光學器件包含用于將輸出光束分裂成第一輸出光束及第二輸出光束的光束分裂器、用于接收所述第一輸出光束且沿著第一檢測器的兩個不同檢測方向分散輸出光束的波長及AOI的第一分散元件，用于接收所述第二輸出光束且沿著第二檢測器的兩個不同檢測方向分散輸出光束的波長及AZ的第二分散元件。在另一實例中，波長平面定位于與Α0Ι/ΑΖ平面相同的平面處。在另一方面中，收集光學器件模塊包括具有用于并行處理來自兩個不同AOI區(qū)域的數(shù)據(jù)的至少兩個寄存器的檢測器。在其它實施例中，照明及收集光學器件模塊包含如上文中描述的特征。
[0024]在另一實施例中，所述設備包含(i) 一或多個亮光源，其用于提供處于可從真空紫外線(VUV)波長到紅外線(IR)波長的范圍內(nèi)選擇的多個波長的照明光束；(ii)照明光學器件，其用于以多個可選擇